EP0477257A1 - Flüssigkristall- schalt- und anzeige-element - Google Patents

Flüssigkristall- schalt- und anzeige-element

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EP0477257A1
EP0477257A1 EP90909684A EP90909684A EP0477257A1 EP 0477257 A1 EP0477257 A1 EP 0477257A1 EP 90909684 A EP90909684 A EP 90909684A EP 90909684 A EP90909684 A EP 90909684A EP 0477257 A1 EP0477257 A1 EP 0477257A1
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EP
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liquid crystal
crystal element
liquid
element according
phase
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Withdrawn
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EP90909684A
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Claus Escher
Hans-Rolf DÜBAL
Takamasa Harada
Gerhard Illian
Mikio Murakami
Dieter Ohlendorf
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Hoechst AG
Original Assignee
Hoechst AG
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Publication date
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    • G02F1/1416—Details of the smectic layer structure, e.g. bookshelf, chevron, C1 and C2

Definitions

  • ferroelectric liquid crystals serve as switching and display medium (FLC displays) are described, for example, in US Pat. No. 4,367,924. They contain a layer of a ferroelectric liquid-crystalline medium (FLC), which is enclosed on both sides by electrically insulating layers, electrodes and boundary plates, usually glass plates. They also contain a polarizer when in guest-host mode and two polarizers when operating in birefringence mode.
  • the electrically insulating layers are intended to prevent electrical short circuits between the electrodes and the diffusion of ions from the glass of the boundary plates into the FLC.
  • At least one and preferably both of the insulating layers serves as an orientation layer, which brings the FLC into a configuration in which the molecules of the FLC lie with their longitudinal axes parallel to one another, and in which the smectic planes are arranged perpendicularly or obliquely to the orientation layer.
  • orientation layer which brings the FLC into a configuration in which the molecules of the FLC lie with their longitudinal axes parallel to one another, and in which the smectic planes are arranged perpendicularly or obliquely to the orientation layer.
  • FLC displays can therefore be switched bistably. The switching times are in the range of ⁇ s and are shorter, the higher the spontaneous polarization of the FLC used.
  • Liquid crystalline material which forms an S c , Sp, S Q , S or S j phase has proven to be particularly suitable.
  • An FLC material which has an N phase in a temperature range above the ferroelectric phase is also particularly suitable, since in this case the orientation of the LC material is better.
  • the structure of the liquid crystal element according to the invention is illustrated by FIGS. 1 and 2.
  • the liquid crystal element 10 consists of two transparent panes (12, 12 ') and an intermediate space (16) surrounded by sealing material (14).
  • the transparent panes are made of glass, plastic or a similar material.
  • the liquid-crystalline material is filled into the intermediate space (16).
  • Orientation layers (20) are also located on both sides of the intermediate space.
  • B spherical structures of uniform diameter, which are evenly distributed between the two transparent disks 12 and 12 '.
  • the ferroelectric, liquid crystalline material is oriented by orientation layers which are aligned by rubbing.
  • Liquid crystal molecules tend to align parallel to the transparent disks (except when using strongly inclined orientation layers). Because of the formation of a chevron structure and the tendency of the molecules to align in parallel, the angle between two stable molecular states is smaller than the original cone angle of the liquid-crystalline material. This angle is called the effective cone angle 2 ⁇ eff.
  • the most important feature of the liquid crystal element according to the invention is that the effective cone angle can be expanded without an irreversible change in texture occurring. Intermediate values of the cone angle 2 ⁇ eff can also be controlled in a targeted manner by the applied voltage, so that gray levels can be generated.
  • a pulse with a high voltage (V g ) and a length ⁇ s means that the molecules can switch from one state to the other.
  • the subsequent, smaller AC pulses (V ac ) with a length ⁇ ac which are the same length or shorter stabilize the molecules, but do not allow further switching.
  • this LC is aligned by means of an orientation layer rubbed in parallel.
  • the effective one Cone angle 2 ⁇ eff is 10 degrees at 38 ° C, ⁇ e is just + 0.6 at 10 KHz
  • Molecules determines what corresponds here to the projection of the molecules onto the level of the glass of the LC cell.
  • the molecules align themselves parallel to the glass panes.
  • LC layer is the axis of the smectic inclination cone to the glass or Orientation layer inclined, resulting in a Reduction of the effective cone angle leads. If, as indicated in FIGS. 6, 7, a voltage is first applied which is large enough that the molecules on the cone shell can rotate freely and then a voltage such that the molecules can no longer rotate but are still stabilized, this is the case this state is characterized by a balance between electrical torque and that of the orientation layer. As a result, the effective cone angle becomes larger.
  • the liquid crystal element according to the invention which contains a dielectric positive LC mixture as the ferroelectric, smectic material, has the great advantage of having a good contrast due to a large cone angle and, in addition, having no irreversible texture changes at higher voltages, so that even with longer ones Use and frequent switching does not reduce the contrast.
  • a dielectrically negative mixture M is produced from three components:
  • This mixture has the following phase sequence:
  • the dependence of the effective cone angle on the applied voltage V ac is shown in FIG. Fy.
  • the threshold value of the voltage depends on the absolute value of ⁇ e. If the threshold voltage is to be smaller, the amount of ⁇ e must be larger.
  • the effective cone angle changes in a relatively narrow voltage range (here from 7 to 10 volts) from 10 degrees to over 35 degrees. Above 9 volts, an increase in voltage no longer leads to a further widening of the effective cone angle, an irreversible texture change occurs.
  • This phenomenon of negative dielectric LC mixtures is caused by a rotational deformation of the liquid crystal layer.

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Description

Beschreibung
Flüεsigkristall-Schalt- und Anzeige-Element
Schalt- und Anzeigeelemente, bei denen ferroelektrische Flüssigkristalle als Schalt- und Anzeigemedium dienen (FLC-Displays) , sind beispielsweise in der US-PS 4,367,924 beschrieben. Sie enthalten eine Schicht aus einem ferroelektrischen flüssigkristallinen Medium (FLC), die beiderseitig von elektrisch isolierenden Schichten, Elektroden und Begrenzungsscheiben, üblicherweise Glasscheiben, eingeschlossen ist. Außerdem enthalten sie einen Polarisator, wenn sie im Guest-Host-Mode, und zwei Polisatoren, wenn sie im Doppelbrechungs-Mode betrieben werden. Die elektrisch isolierenden Schichten sollen elektrische Kurzschlüsse zwischen den Elektroden und die Diffusion von Ionen aus dem Glas der Begrenzungsscheiben in den FLC verhindern. Ferner dient mindestens eine und vorzugsweise beide der isolierenden Schichten als Orientierungsschicht, die den FLC in eine Konfiguration bringt, bei der die Moleküle des FLC mit ihren Längsachsen parallel zueinander liegen, und in der die smektischen Ebenen senkrecht oder schräg zur Orientierungsschicht angeordnet sind. In dieser Anordung gibt es für die FLC-Moleküle zwei mögliche und gleichwertige Orientierungen, in die sie durch pulsartiges Anlegen eines elektrischen Feldes gebracht werden können. Sie verharren jeweils in der zuletzt erzeugten Orientierung, auch wenn das Feld abgeschaltet oder das Display kurzgeschlossen wird. FLC-Display sind also bistabil schaltbar. Die Schaltzeiten liegen im Bereich von μs und sind um so kürzer, je höher die spontane Polarisation des verwendeten FLC ist.
Gegenüber den bisher verwendeten Flüssigkristalldisplays, die alle nicht ferroelektrisch sind, haben FLC-Displays insbesondere den Vorzug, daß das erreichbare Multiplexverhältnis, d. h. die maximale Zahl der im zeitlich sequentiellen Verfahren ("Multiplex-Verfahren") anεteuerbaren Zeilen, sehr viel großer ist als bei den bekannnten nicht ferroelektriεchen Displays.
Ein gravierender Nachteil von FLC-Displays bildet ihr bislang zu geringer optischer Kontrast bei Multiplexansteuerung. Bei dieser Anβteuerungsform kommt nicht der maximal mögliche Schaltwinkel zum Tragen, sondern lediglich ein sogenannter effektiver Schaltwinkel θeff. Die Gründe dafür werden in unerwünschten Twistzuεtänden oder im Vorliegen geneigter smektischer Schichten gesehen [siehe N. Hiji, Y. Ouchi, H. Takezoe, A. Fukuda, Jap. J. Appl. Phys. 27, 8 (1988)]. Um den Kontrast zu verbessern sind spezielle AnsteuerungsSchemata entwickelt worden, die bei dielektrisch negativem FLC-Material (d.h. C-Material mit Δe ^ 0) zu einer Auf eitung des effektiven Schaltwinkels θeff führen [siehe T. Umeda, T. Nagata, A. Mukoh, Y. Hori, Jap. J. Appl. Phys. 27, 2187 (1988) und Y. Sato, T. Tanaka, M. Nagata, H. Takeεhita, S. Morozumi, Proc. 6th Intl. Display Reε. Conf. 1986, p. 348].
Obwohl diese Methode gewisse Kontrastverbesserungen ergibt, sind diese noch keineswegs ausreichend. Dazu ergeben sich unerwünschte Nebeneffekte vor allem dann, wenn man durch entsprechende Adressierung versucht, den Effekt der Kontrastverbesserung zu maximieren. Bei diesen unerwünschten Effekten handelt es sich um irreversible Umwandlungen in der Geometrie der FLC-Zelle, sogenannte Texturumwandlungen [siehe H.-R. Dubai, C. Escher, D. Ohlendorf, Proc. 6th Intl. Symp. on Electretε, Oxford, England 1988, p. 334]. Diese Umwandlungen sind deshalb ungünstig, weil sie die Schaltzeiten des Displays erheblich verlängern. Es wurde nun überraschend gefunden, daß auch bei dielektrisch positivem FLC-Material (FLC-Material mit Δe > 0) durch entsprechende Multiplexadressierung eine Vergrößerung des effektiven Schaltwinkels und damit des Kontrastes möglich ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß eine Texturumwandlung auch bei Maximierung des Effektes nicht oder zumindest nur in sehr geringem Maße auftritt.
Als besonderes geeignet erweist sich lüssigkristallineε Material, das eine Sc , Sp , SQ , S oder Sj -Phase ausbildet. Auch besonders geeignet ist ein FLC-Material, das eine N -Phase in einem Temperaturbereich oberhalb der ferroelektrischen Phase besitzt, da in diesem Fall die Orientierbarkeit des LC-Materials besser ist.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Flüssigkristallelementes wird durch die Figuren 1 und 2 verdeutlicht. Das Flüsεigkriεtallelement 10 besteht aus zwei transparenten Scheiben (12,12') und einem von Dichtungsmaterial (14) umrandeten Zwischenraum (16) . Die transparenten Scheiben bestehen aus Glas, Plastik oder einem ähnlichen Material. In den Zwischenraum (16) wird das flüssigkristalline Material eingefüllt. Auf der Innenseite der transparenten Scheiben befinden sich ebenfalls transparente Elektroden (18), die beispielsweise aus ITO bestehen. Auf beiden Seiten des Zwischenraumes befinden sich ferner Orientierungsschichten (20). Als Abεtandhalter (22) dienen z. B. kugelförmige Gebilde einheitlichen Durchmeεsers, die gleichmäßig zwischen beiden transparenten Scheiben 12 und 12' verteilt sind. Das ferroelektrisch, flüssigkristalline Material wird durch Orientierungsschichten, die durch Reiben ausgerichtet sind, orientiert.
Beim Einfüllen des chiralen, εmektiεchen Flüssigkristallmaterials in eine dünne Zelle wird die Helix entwunden. Bei Verwendung einer einachsigen Orientierungsschicht bildet sich eine Chevron-Struktur aus, was für geneigte smektische Flüssigkristalle charakteristisch ist, insbesondere für den Fall, daß beim Abkühlen in die geneigte smektische Phase eine orthogonale smektische Phase durchlaufen wird. In der smektischen C*-Phase besitzen die Moleküle in dünnen Zellen zwei stabile Zustände. Um die Ausbildung einer Chevron-Struktur zu vermeiden, kann man z. B. eine Orientierungsschicht aus schräg bedampftem Siliziumoxid verwenden, was jedoch hohe Kosten verursacht und zu relativ langen Schaltzeiten führt.
Flüssigkristallmoleküle neigen dazu, sich parallel zu den transparenten Scheiben auszurichten (außer bei Verwendung von stark geneigten Orientierungsεchichten) . Wegen der Ausbildung einer Chevron-Struktur und der Tendenz der Moleküle sich parallel auszurichten ist der Winkel zwischen zwei stabilen Molekülzuständen kleiner als der ursprüngliche Kegelwinkel des flüssigkristallinen Materials. Dieser Winkel wird effektiver Kegelwinkel 2 θeff genannt.
Das bedeutenste Merkmal des erfindungsgemäßen Flüssigkristallelementε besteht darin, daß der effektive Kegelwinkel ausgeweitet werden kann, ohne daß eine irreversible Texturänderung auftritt. Auch Zwischenwerte des Kegelwinkels 2 θeff können gezielt durch die angelegte Spannung angesteuert werden, so daß Graustufen erzeugt werden können.
In Figur 3 ist die an das LC-Element angelegte Spannung gegen die Zeit aufgetragen. Ein Puls mit hoher Spannung (Vg) und einer Länge τs führt dazu, daß die Moleküle von einem Zustand in den anderen schalten können. Die danach folgenden, kleineren Wechselstromimpulse (Vac) mit einer Länge τac, welche gleichlang oder kürzer sind, stabilisieren die Moleküle, erlauben aber kein weiteres Schalten.
Die Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel verdeutlicht:
Beispiel 1
Eine Mischung M2 aus folgenden zwei Komponenten
la 5-Octyl-2- [4- (8-cyclopropyl-octyl) -ϊ>henyl]-pyrimidine
1b (2s , 3ε ) -2-Chlor- 3-methyl-pentansäure-
4-[(2-nonyloxy-pyrimidin)-5-yl]-phenylester
besitzt folgende Phasenfolge
51°C 55°C 60°C
51°C 55°C 59°C
Diese LC- ischung wird im oben beschriebenen Flüssigkristallelement durch eine parallel geriebene Orientierungsεchicht auεgerichtet. Der effektive Kegel-Winkel 2 θeff beträgt bei 38°C 10 Grad, Δe ist bei 10 KHz gerade + 0,6
(Δe = e, - €i). Wie Figur S zeigt, wächst der effektive Kegel-Winkel 2 θeff bei einer angelegten Spannung Vac von mehr als 15 Volt annähernd proportional zur Spannung. Im Vergleich zu mit negativ dielektrischen LC-Mischungen (negatives Δe) bestückten Flüssigkristallelementen lassen sich an die erfindungsgemäßen Flüsεigkristallelemente auch Spannungen größer als 25 Volt anlegen, ohne daß eine plötzliche Texturänderung auftritt. Texturänderungen in Flüssigkriεtallelementen mit dielektrisch negativem ferroelektrischem Flüssigkristallmaterial wurden z. B. geschildert von H.-R. Dubai et al. Proceedings of the 6th International' Symposium on Electrets, Oxford, England, 1988, p. 334-338.
Bei LC-Mischungen mit negativen Δe kann die auftretende Texturänderung durch eine Deformation der Schichtεtruktur erklärt werden. Die Schichtεtruktur bei dielektriεch positiven LC-Mischungen wird nicht deformiert.
Bei dielektrisch positiven LC-Mischungen kann die
Molekülbewegung durch die Rotation des Direktors auf einem Kegelmantel veranschaulicht werden, wie in Figur 6 verdeutlicht wird. Die optischen Eigenschaften des
LC-Elementes werden durch die effektive Ausrichtung der
Moleküle bestimmt, was hier der Projektion der Moleküle auf die Ebene des Glases der LC-Zelle entspricht.
Die Moleküle richten sich parallel zu den Glasscheiben aus.
Aufgrund der Ausbildung einer Chevron-Struktur in der
LC-Schicht ist die Achse des smektischen Neigungskegels zur Glasbzw. Orientierungεschicht geneigt, was zu einer Zerkleinerung des effektiven Kegel-Winkels führt. Wird nun,wie in Figuren 6,7 angedeute .zunächst eine Spannung angelegt, die groß genug ist, daß die Moleküle auf dem Kegelmantel frei rotieren können und anschließend eine solche Spannung, daß die Moleküle nicht mehr rotieren können aber noch stabilisiert sind, so ist dieser Zustand durch ein Gleichgewicht zwischen elektrischem Drehmoment und demjenigen der Orientierungsschicht charakterisiert. Als Folge davon wird der effektive Kegel-Winkel größer.
Das erfindungsgemäße Flüssigkristallelement, das als ferroelektrisches, smektisches Material eine dielektrisch positive LC-Mischung enthält, hat den großen Vorteil, bedingt durch einen großen Kegel-Winkel einen guten Kontrast zu besitzen und zudem bei höheren Spannungen keine irreversiblen Texturänderungen aufzuweisen, so daß auch bei längerer Benutzung und häufigem Schalten keine Verminderung des Konstrastes auftritt.
Vergleichsbeispiel
Zur Verdeutlichung des Vorteils des erfindungsgemäßen Flüssigkristallelementes wird eine dielektrisch negative Mischung M aus drei Komponenten hergestellt:
4-(8-Cyclopropyl-octylox )2,3-difluorbenzoesäure 4'-oxtyloxy-phenylester
4-(4-Cyclopropyl-butyloxy)-2,3-difluorbenzoesäure 4'-(2-octyloxy-pyrimidin-5-yl)-phenylester
(2s,3s)-2-Chlor-3-methyl-pentansäure-
4'-(2-nonyloxy-pyrimidin-5-yl)-phenylester
Diese Mischung besitzt folgende Phasenfolge:
42°C 82°C 83°C 90°C
Bei 10 KHz ist Δe = -0,8, der effektive Kegelwinkel 2 θeff beträgt 10 Grad.
Die Abhängigkeit des effektiven Kegel-Winkels von der angelegten Spannung Vac wird in Figur fy aufgezeigt. Der Schwellenwert der Spannung ist vom Absolutwert von Δe abhängig, soll die Schwellenspannung kleiner sein, so muß der Betrag von Δe größer sein.
Wie in Figur 4 leicht erkennbar ist, ändert sich der effektive Kegelwinkel in einem relativ engen Spannimgsbereich (hier von 7 bis 10 Volt) von 10 Grad auf über 35 Grad. Oberhalb von 9 Volt führt eine Spannungserhδhung zu keiner weiteren Aufweitung des effektiven Kegel-Winkels mehr, es tritt eine irreversible Texturänderung auf.
Dieseε Phänomen von negativ dielektriεchen LC-Miεchungen wird durch eine Dreh-Deformation der Flüεsigkristallεchicht verurεacht.
Daε Auftreten von Texturänderungen beim Anlegen höherer Spannung führt dazu, daß in der Flüssigkristallphase des Schaltelementes mit zunehmender Betriebsdauer Defekte auftreten, die den Konεtraεt nachteilig beeinflussen und die Schaltzeiten erhöhen.

Claims

Patentansprüche:
1. Flüssigkristallelement bestehend aus einem Gehäuεe, das zwischen zwei transparenten Scheiben einen von Dichtungsmaterial umrandeten Zwischenraum enthält, und zusätzlich mindestens einer Polarisationsfolie, mindestens einer Orientierungsschicht, ferner zwei Elektroden auf beiden Innenseiten der transparenten Scheiben sowie einem in dem Zwischenraum befindlichen, flüsεigkristallinen, ferroelektriεchen smektischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkriεtalline Material erstenε eine, im Bezug zu den Elektroden geneigte Schichtεtruktur bildet, und die Ausbildung einer Heiix unterdrückt iεt und zweitens eine spontane Polarisation und eine poεitive dielektrische Anisotropie aufweist, die beide eine nicht vernachlässigbar kleine Wechselwirkung mit einem von außen angelegten elektrischen Feld besitzen, wodurch ein wiederholbares Schalten des flüεεigkriεtallinen Materials ermöglicht wird.
2. Flussigkristallelement nach Anspruch 1, worin das flüssigkriεtalline .Material eine Sc , SF , SG , S oder Sj -Phase ausbildet.
3. Flussigkristallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkristalline Material in einem Temperaturbereich oberhalb der ferrolelektrischen Phase eine N -Phase besitzt.
Flussigkristallelement nach Anspruch 1, worin die Flüssigkristallschicht eine Chevron-Struktur aufweist. 5. Flussigkristallelement nach Anspruch 1, worin die
Graustufen mit Hilfe des Effektivwertes der Spannung gesteuert werden können.
EP90909684A 1989-06-17 1990-06-09 Flüssigkristall- schalt- und anzeige-element Withdrawn EP0477257A1 (de)

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