DE2364641B2

DE2364641B2 - Elektrooptische vorrichtung mit einer schicht aus einem nematischen fluessigkristall

Info

Publication number: DE2364641B2
Application number: DE19732364641
Authority: DE
Inventors: Cornells Jan Eindhoven Gerritsma (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-01-12
Filing date: 1973-12-24
Publication date: 1977-04-21
Also published as: JPS5311463B2; GB1410161A; JPS49105553A; FR2214135B1; IT1004691B; FR2214135A1; CH557041A; DE2364641A1; NL7300452A; AU6434074A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrooptische Vorrichtung mit einer Schicht aus einem nematischen Flüssigkristall zwischen einer ersten und einer zweiten Stützplatte, bei der mindestens eine dieber Stützplatten transparent ist, und die Stützplatten mit Elektroden zur Erzeugung eines zu der Flüssigkristallschicht senkrechten elektrischen Feldes versehen sind, bei der beim Fehlen des genannten elektrischen Feldes die große Achse der Moleküle des Flüssigkristalls eine zu den genannten Stützplatten parallele Orientierung aufweist, wobei die Orientierung in einer an die erste Stützplatte grenzenden Schicht zu einer ersten Richtung und in einer an die zweite Stützplatte grenzenden Schicht zu einer zweiten Richtung parallel ist, die weiter mit Mitteln versehen ist, mit deren Hilfe elektrische Spannungen den genannten Elektroden zugeführt werden, und bei der der Flüssigkristall eine dielektrische Anisotropie Δε -> ε|| - el aufweist, die unterhalb einer bestimmten kritischen Frequenz positiv und oberhalb der genannten kritischen Frequenz negativ ist.

Dabei ist unter ε|| die bei einem zu der großen Achse der Moleküle paralleler, elektrischen Feld gemessene Dielektrizitätskonstante zu verstehen, und unter 171 die bei einem zu der großen Achse der Moleküle senkrechten elektrischen Feld gemessene Dielekträi tätsfconsiante.

Die Orientierung der großen Achse der Moleküle kann derartig sein, daß die genannte erste und die genannte zweite Richtung zueinander senkrecht sind. Die Vorrichtung wird dann manchmal als »Twistor« bezeichnet und ist bekannt aus dem Artikel »Voltage dependent opücai activity of a twisted nematic liquid crystal«, AppL Phys. Lett, 18 (1971), S, 127 und 128. Die Orientierung der Moleküle verschiebt sich dabei über 90° von der ersten Stützplatte zu der zweiten Stützplatte. Die Polarisationsrichtung linear polarisierten lichtes wird von einer derartigen Vorrichtung in unerregtero Zustand über 90° verschoben. Wenn an einigen Elektroden eine Gleichspannung oder eine Spannung niedriger Frequenz angelegt wird, wird die Orientierung der Moleküle an der betreffenden Stelle im Zusammenhang mit ihrer positiven statischen dieelektrischen Anisotropie von parallel zu den Stützplatten zu senkrecht zu den Stützplatten geändert Dies hat zur Folge, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden lichtes nicht mehr verschoben wird. Wenn sich die Vorrichtung zwischen kreuzweise angeordneten Polarisatoren mit zu der genannten ersten bzw. zu der genannten zweiten Richtung parallelen Polarisationsrichtungen befindet, hat dies zur Folge, daß sich erregte Teile der Vorrichtung dunkel gegen einen hellen Hintergrund abheben. Wenn sich die Vorrichtung zwischen parallelen Polarisatoren mit zu der genannten ersten oder zu der genannten zweiten Richtung parallelen Polarisationsrichtungen befindet, hat dies zur Folge, daß zieh erregte Teile der Vorrichtung hell gegen einen dunklen Hintergrund abheben.

Die Orientierung der großen Achse der Moleküle kann auch derartig sein, daß die genannte erste und die genannt-; zweite Richtung zueinander parallel sind. Die Vorrichtung wirkt dann im unerregten Zustand als doppelbrechende Zelle. Auch in diesem Falle hat ein niederfrequentes elektrisches Feld zur Folge, daß die Orientierung der Moleküle von parallel zu den Stützplatten zu senkrecht zu den Stützplatten geändert wird, wodurch die Doppelbrechung verschwindet Die Anwendung kreuzweise angeordneter Polarisatoren verhindert dann wieder den Durchgang von Licht im erregten Zustand.

Ein Nachteil der beschriebenen Vorrichtungen besteht darin, daß der ..nerregte Zustand nur langsam nach dem Ausschalten der Spannung erreicht wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß nach dem Ausschalten der Spannung die Vorzugsorientierung, die die Moleküle in den an die Stutzplatten grenzenden Schichten aufweisen, sich bis zu der Mitte der Schicht fortpflanzen muß, wobei die Dicke der Schicht und die Viskosität des Flüssigkristalls eine Rolle spielen. Das Einschalten erfolgt dagegen wohl schnell weil dabei alle Moleküle zur gleichen Zeit dem Einfluß des elektrischen Feldes ausgesetzt werden.

Die Erfindung bezweckt. Mittel zu schaffen, mit deren Hilfe die Ausschaltzeit der Vorrichtung verkürz! wird. Diese Aufgabe wird erimdungsgemäß dadurch gelöst, daß die genannten elektrischen Spannungen eine Frequenz unterhalb der genannten kritischen Frequenz zum Erregen der Vorrichtung und eine Frequer/ oberhalb der genannten kritischen Frequenz zum beschleunigten Ausschalten der Vorrichtung aufweisen.

Wenn die dielektrische Anisotropie negativ ist, d.h.,

daß si größe als e|l ist, werden die Moleküle von einem elektric h- < Feld derart ausgerichtet, daß ihre große Achse senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes steht. Dies bedeutet im vorliegenden Fall, daß die Moleküle einer äußeren Kraft, ausgesetzt werden, die sie zu einer zu den Stützplatten parallelen Orientierung zurücktreibt. Zu diesem Zweck werden eine Spannung hoher Frequenz und ein nematischer Flüssigkristall verwendet, dessen dielektrische Anisotropie ihr Vorzeichen bei zunehmender Frequenz wechselt. Die Hochfre-

gguenzspannung kann ausgeschaltet werden, wenn die

§>|oleküle ihre Orientierung parallel zu den Stützplatten

Isrreicht haben. Daß es nematische Flüssigkristalle gibt,

jderen dielektrische Anisotropie ihr Vorzeichen bei

% zunehmender Frequenz wechselt, ist an tich aus dem

I Artikel »Relaxation of the dielectric constant and

- electrohydrodynamic instabilities in a liquid crystal«

|c Physics Letters, Heft 39 A, Nr. 5, den 5. Juni 1972, S. 355

¹^ und 356 bekannt In diesem Artikel wird jedoch nicht

; erwähnt, wie diese Eigenschaft ausgenutzt werden kann.

Die Erfmiung wird nachstehend an Hand der

Zeichnung näher erläutert, die beispielsweise eine

Bildwiedergabevorrichtung darstellt, von der eine

elektrooptische Vorrichtung nach der Erfindung einen

!0 Teil bildet Es zeigt

F i g. 1 eine Vorderansicht dieser Vorrichtung und F i g. 2 einen Schnitt längs der Fläche H-II der F i g. 1. Die elektrooptische Vorrichtung enthält eine erste Stützplatte 1 und eine zweite Stiitzplatte 2, die beide aus Glas hergestellt sind. Zwischen den beiden Stützplatten befindet sich eine Schicht aus einem nematischen Flüssigkristall 3 mit einer Dicke von 0,020 mm. Der Flüssigkristall hat eine dielektrische Anisotropie Ab = ε|| - εΐ, die bei 25°C bei 10 kHz ihr Vorzeichen wechselt Unterhalb 10 kHz ist Ab positiv, und oberhalb 1OkHz ist Δε negativ. Ein Beispiel eines derartigen Flüssigkristalls ist ein Gemisch der nachstehenden vier Stoffe:

H₃CO 0--C—< O >—η · C₄H₉

η · C₄H,

ο—C

OCH₃

η · C₄H₉

ο—C

Il ο ο—C

Il ο

β ■ C₄H₉

η ■ QH₉

Auf der Stützplatte 1 sind vier Elektrodensätze 4,5,6 und 7 angebracht (Fig. 1 und 2), die aus einer dünnen transparenten Zinnoxidschicht bestehen. Die Elektroden sind in Gruppen von sieben angeordnet, die je eine Acht bilden. Auf bekannte Weise können damit Ziffern dargestellt werden. Auf der Stützplatte 2 ist eine Elektrode 8 angebracht, die ebenfalls aus einer dünnen transparenten Zinnoxidschicht besteht Ein Spannungsunterschied zwischen einer oder mehreren Elektroden auf der Stützplatte 1 und der Elektrode 8 auf der Stützplatte 2 ruft ein elektrisches Feld senkrecht zur Flüssigkristallschicht 3 hervor.

Die Stützplatten 1 und 2 sind durch Reiben derart so bearbeitet, daß die langgestreckten MolekGle, die sich in einer an die Stützplatte grenzenden Schicht befinden, eine Vorzugsorientierung aufweisen. Diese Vorzugsorientierung ist im Falle der Stützplatte 1 zu der Zeichnungsebene parallel und im Falle der Stützplatte 2 zu der Zeichnungsebene senkrecht In Fig.2 ist dies symbolisch angedeutet. Die Orientierung wird von den Molekülen an benachbarte Moleküle weitergeleitet, wodurch die Orientierung der Moleküle von der Stützplatte 2 zu der Stützplatte 1 über 90° verschoben wird. Einfallendes Licht 9 passiert einen Polarisator 10 mit einer zu der Zeichnungsebene senkrechten Polarisationsrichtung. Die Polarisationsrichtung des Lichtes, das die Schicht aus einem uematischen Flüssigkristall 3 zwischen zwei nicht erregten Elektroden, z. B. 8 und 4, passiert, wird durch den sogenannten »Twist« (Verdrehung) im Flüssigkristall über 90° verschoben. Das Licht wird dann von einem Polarisator 11 mit einer zu der Zeichnungsebene parallelen Polarisationsrichtung durchgelassen.

Zwischen den Elektroden 8 und ts bzw. 8 und 7 herrscht jedoch ein Spannungsunterschied vor. Dadurch werden die langgestreckten Moleküle derart ausgerichtet, daß sie zu den Feldlinien des elektrischen Feldes parallel sind, weil bei der angewandten Frequenz ε|| größer als el ist.

Dies hat zur Folge, daß die Polarisationsrichtung des Lichtes nicht zwischen den betreffenden Elektroden gedreht wird, wodurch das Licht den Polarisator 11 nicht passieren kann. Die Elektroden 5 und 7 heben sich also dunkel gegen einen hellen Hintergrund ab. Dadurch, daß die Polarisationsrichtungen der Polarisatoren 9 und U beide senkrecht zu der Zeichnungsebene gewählt werden, heben sich die erregten Elektroden hell gegen einen dunklen Hintergrund ab. Auch ist es möglich, in der Flüssigkristallschicht 3 keinen »Twist« hervorzurufen, sondern z.B. allen Molekülen im unerregten Zustand eine zu der Zeichnungsebene parallele Orientierung zu geben. Die Flüssigkristallschicht wirkt dann auf bekannte Weise als doppelbrechendes Element und kann, wenn sie zwischen zwei Polarisatoren angeordnet wird, auf bekannte Weise für Bildwiedergabezwecke verwendet werden.

Beim Einschalten beträgt die Anstiegzeit von 10% auf 90% des maximalen !Contrasts etwa 15 msec bei einer Wechselspannung von 25 V, 500Hz. Nach dem Ausschalten der Spannung beträgt die Abfallzeit von 90% auf 10% des maximalen Kontraste etwa 500 msec. Diese Abfallzeit ist naturgemäß für Bildwiedergabezwecke

viel zu lang. Bei einer Vorrichtung nach dar Erfindung wird eine Wechselspannung von 25 V, 70 kHz verwendet, um die Abfallzeit zu verkürzen. Die Abfallzeit wird dadurch auf etwa 15 msec herabgesetzt Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei 7OkHz εΐ größer als e|| ist, wodurch die langgestreckten Moleküle senkrecht zu den Feldlinien des elektrischen Feldes ausgerichtet werden. Sie werden dadurch einer zusätzlichen Kraft ausgesetzt, die sie in den unerregten Zustand zurücktreibt Ohne Wechselspannung erreichen die Moleküle den unerregten Zustand dadurch, daß die Moleküle in den an die Stützplatten 1 und 2 grenzenden Schichten ihre Vorzugsorientierung weiterleiten. Diese Erscheinung pflanzt sich bis zu der Mitte der Schicht 3 fort, was eine um so längere Zeit in Anspruch nimmt, je dicker die Schicht 3 und je größer ihre Viskosität ist

Ein weiteres Beispiel eines in der erfindungsgemäßen Vorrichtung anwendbaren Fiüssigkristalls ist ein Gemisch der nachstehenden drei Stoffe:

-C=N
H

C=N

wobei R₁ = η C₄H₉O-, R₂ = π -C₆H₁₃O- und

R-3 — μ · C₇Hj₅—C

ist Dieses Gemisch wird
Physics«, Heft 56, Nr. 14,
1494-1497 beschrieben.

in »Journal of Chemical den 15. Februar 1972, S.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektrooptische Vorrichtung mit einer Schiebt aus einem nematischen Flüssigkristall zwischen einer - ersten und euter zweiten Stützplatte, bei der mindestens eine dieser Stützplatten transparent ist, * _v und die Stützplatten mit Elektroden zur Erzeugung \. eines zu der Flüssigkristallschicht senkrechten \ " elektrischen Feldes versehen sind, bei der beim Fehlen des genannten elektrischen Feldes die große Achse der Moleküle des FlüssigkristaUs eine zu den genannten Stützplatten parallele Orientierung aufweist, wobei die Orientierung in einer an die erste 'Stützplatte grenzenden Schicht zu einer ersten Richtung und in einer an die zweite Stützplatte grenzenden Schicht zu einer zweiten Richtung parallel ist, die weiter mit Mitteln versehen ist, mit deren Hufe elektrische Spannungen den genannten Elektroden zugeführt werden, und bei der der Flüssigkristall eine dielektrische Anisotropie Δε = ε|| — el aufweist, die unterhalb einer bestimmten kritischen Frequenz positiv und oberhalb der genannten kritischen Frequenz negativ ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten elektrischen Spannungen eine Frequenz unterhalb der genannten kritischen Frequenz zum Erregen der Vorrichtung und eine Frequenz oberhalb der genannten kritischen Frequenz zum beschleunigten Ausschalten der Vorrichtung aufweisen.