DE69500922T2

DE69500922T2 - Bistabile nematische flüssigkristallvorrichtung

Info

Publication number: DE69500922T2
Application number: DE69500922T
Authority: DE
Inventors: Martin Bancroft; Guy Bryan-Brown; Damien Mcdonnell; Michael Towler
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: ZBD Displays Ltd
Priority date: 1994-02-09
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2015-01-31
Also published as: KR970701368A; CN1145121A; TW417032B; SG75093A1; CA2182962A1; CN1041656C; EP0744041A1; GB2301446A; US5796459A; GB9402513D0; ES2108568T3; MY111821A; GB9616657D0; EP0744041B1; KR100321886B1; JPH09508716A; GB2286467A; WO1995022077A1; GB9502664D0; DE69500922D1

Description

Die Erfindung betrifft bistabile Vorrichtungen mit nematischen Flüssigkristall.
Flüssigkristallvorrichtungen weisen typischerweise eine dünne Schicht aus zwischen Zellenwänden enthaltenen Flüssigkristalinaterial auf. Optisch transparente Elektrodenanordnungen an den Wänden ermöglichen das Anlegen eines elektrischen Felds an die Schicht, wodurch eine Neuanordnung der Flüssigkristallmoleküle veranlaßt wird.
Es gibt drei bekannte Arten von Flüssigkristallmaterial, nämlich nematisches, cholesterisches und smektisches, die jeweils eine unterschiedliche Molekularanordnung aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen, bei denen nematische Materialien verwendet werden.
Zur Schaffung von Anzeigen mit einer großen Anzahl an adressierbaren Elementen ist es gebräuchlich, die Elektroden als eine Reihe von Zeilenelektroden an einer Wand und als eine Reihe von Spaltenelektroden an der anderen Zellenwand anzuordnen. Diese bilden beispielsweise eine x-y-Matrix adressierbarer Elemente oder Pixel und werden bei Vorrichtungen mit verdrehten nematischen Flüssigkristallmaterialien normalerweise unter Verwendung von RMS-Adressierverfahren angesprochen.
Vorrichtungen mit verdrehten nematischen Flüssigkristallmaterial und Flüssigkristallvorrichtungen mit Phasenänderung werden durch Anlegen einer geeigneten Spannung in einen eingeschalteten Zustand umgeschaltet und schalten sich in einen ausgeschalteten Zustand um, wenn die angelegte Spannung unter ein niedrigeres Spannungsniveau fällt, d.h. diese Vorrichtungen sind monostabil. Für Vorrichtungen mit verdrehtem nematischem Flüssigkristallmaterial (mit einer Verdrehung von 90º oder 270º, wie in der US-4,596,446) ist die Anzahl der Elemente, die RMS-adressiert werden können, durch die Steilheit einer Übertragungs-Spannungskurve der Vorrichtung begrenzt, wie von Alt und Pleschko in "IEEE Trans ED", Band ED 21, 1974, Seiten 146 - 155 im Einzelnen ausgeführt. Eine Methode zur Verbesserung der Anzahl an Pixeln ist das Einbauen von Dünnschichttransistoren neben jedem Pixel; derartige Anzeigen werden als aktive Matrixanzeigen bezeichnet. Ein Vorteil von Vorrichtungen mit nematischem Flüssigkristallmaterial sind die verhältnismäßig geringen Spannungserfordernisse. Sie sind auch mechanisch stabil und können in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden. Dies ermöglicht die Konstruktion kleiner und tragbarer batteriebetriebener Anzeigen.
Eine weitere Methode zur Adressierung großer Anzeigen ist die Verwendung einer bistabilen Flüssigkristallvorrichtung. Bistabile Vorrichtungen können unter Verwendung smektischer Flüssigkristallmaterialien und einer geeigneten Ausrichtungsbehandlung der Zellenwandoberflächen aus ferroelektrischen Flüssigkristallanzeigen erzeugt werden. Eine derartige Vorrichtung ist eine oberflächenstabilisierte ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtung (SSFELCD, surface stabilised ferroelectric liquid crystal device), wie von L. J. Yu, H. Lee, C. S. Bak und M. M. Labes in "Phys Rev. Lett.", 36, 7, 388 (1976); R. B. Meyer in "mol. Cryst. Liq. Cryst.", 40, 33 (1977) und N. A. Clark und S. T. Lagerwall in "Appl. Phys. Lett.", 36, 11, 899 (1980) beschrieben. Ein Nachteil ferroelektrischer Vorrichtungen ist die verhältnismäßig hohe Spannung, die zum Umschalten des Materials erforderlich ist. Diese hohe Spannung macht kleine, tragbare, batteriebetriebene Anzeigen kostspielig. Auch treten bei diesen Anzeigen weitere Probleme auf, wie eine mangelhafte Stoßbeständigkeit, ein begrenzter Temperaturbereich und ebenso elektrisch induzierte Nachteile wie Nadeln.
Wenn unter Verwendung nematischer Flüssigkristallmatenahen eine bistabile Oberflächenverankerung erreicht werden kann, kann eine Anzeige hergestellt werden, die die Vorteile beider vorstehend aufgeführter Technologien aufweist, bei der jedoch keines von deren Problemen auftritt.
Von Durand et al. wurde bereits gezeigt, daß nematisches Flüssigkristallmaterial durch die Verwendung chiraler Ionen oder einer flexoelektrischen Kopplung zwischen zwei Ausrichtungszuständen umgeschaltet werden kann; A Gharbi, R. Barben, G. Durand und P. Martinot-Largarde, Patentanmeldung Nr. WO 91/11747 (1991), "Bistable Electrochirally Controlled Liquid Crystal Optical Device", G. Durand, R. Barben, M Giocondo, P. Martinot-Largarde, Patentanmeldung Nr. WO 92/00546 (1991), "Nematic Liquid Crystal Display with Surface Bistability Controlled by a Flexoelectric Effect". Diese werden wie folgt zusammengefaßt:
1. Die Zelle wird unter Verwendung von zwei Oberflächen gefertigt, die SiO-Beschichtungen von geeigneter Dicke und einen Aufdampfungswinkel aufweisen, der die Existenz zweier stabiler Zustände auf jeder Oberfläche ermöglicht. Ferner sind die beiden Zustände auf einer Oberfläche derart beschaffen, daß sie sich hinsichtlich des Azimutwinkels um 45º unterscheiden und daß die Oberflächen derart ausgerichtet sind, daß keine der beiden resultierenden Domänen verdreht ist.
2. Die Zelle (mit einer Dicke von 6 µm) ist mit mit 0,5 % Benzylquininiumbromid und 1,8 % Phenylhydroxypropionsäure dotiertem 5CB gefüllt. Das zuerst genannte ist ein elektrisch positives chirales Ion mit einer Linksverdrehung, wogegen die letztere ein negatives chirales Ion mit einer Rechtsverdrehung ist. Die Konzentrationen stellen sicher, daß das endgültige Gemisch eine sehr lange Teilung aufweist, so daß die Zustände in der dünnen Zelle gleichmäßig sind.
3. Das Anlegen eines Gleichstromimpulses von 110 V für 40 µs ermöglichte ein Umschalten zwischen den beiden Zuständen. Bei längeren Impulsen ist ein niedrigerer Schwellenwert zu beobachten, bei Impulsen von 300 µs ist beispielsweise ein Schwellenwert von 80 V festzustellen.
4. Das Hinzufügen geeignet ausgerichteter Polarisatoren bewirkte, daß ein Zustand schwarz erscheint, wogegen der andere weiß erscheint, wobei das Kontrastverhältnis etwa 20 beträgt.
5. Es wird auch eine Variante der Vorrichtung erwähnt, bei der ein chirales lonengemisch mit kurzer Teilung zwischen monostabilen Oberflächen verwendet wird, die unterschiedliche Zenithverankerungsenergien besitzen. Das Umschalten zwischen einem um 180º gedrehten Zustand und einem gleichmäßigen Zustand wird in einer Zelle von 4 µm bei Impulsen von über 50 V beobachtet.
In der Patentanmeldung WO 92/00546 ist eine Vorrichtung mit den folgenden Merkmalen beschrieben:
Die Zelle wird unter Verwendung von zwei Oberflächen hergestellt, die SiO-Beschichtungen von geeigneter Dicke und einen Dampfungabscheidungswinkel aufweisen, die die Existenz von zwei stabilen Zuständen auf jeder Oberfläche ermöglichen. Überdies sind die beiden Zustände auf einer Oberfläche derart beschaffen, daß sie sich hinsichtlich eines Azimutwinkels um 45º unterscheiden, und die Oberflächen sind derart ausgerichtet, daß keine der resultierenden Domänen verdreht ist.
Die Oberflächen sind auch derart ausgerichtet, daß sich der vorgeneigte Zustand auf einer Oberfläche mit dem nicht geneigten Zustand auf der anderen Oberfläche abgleicht und umgekehrt. Daher sind bei einer Füllung mit 5C8 die beiden Zustände wie in den Figuren 7B und 7C dargestellt zu sehen.
Das Anlegen eines Gleichstromimpulses von 14 V über eine Zelle von 1 µm über 100 µs ermöglicht ein Umschalten zwischen den Zuständen Der endgültige Zustand hängt von dem Zeichen des Impulses aufgrund seiner Kopplung mit der flexoelektrischen Polarisation ab. Der gleiche Spannungsschwellenwert ist für das Schalten in beide Richtungen zu beobachten.
Die von Durand zum Erhalt einer bistabilen Ausrichtung verwendete Oberfläche war eine in einem präzisen schrägen Winkel aufgedampfte dünne Schicht aus SiO. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß bei jeder Abweichung des Aufdampfungswinkels, der Schichtdicke oder tatsächlich jedes der Abscheidungsparameter die Erzeugung einer Oberfläche mit einer nur monostabilen Ausrichtung wahrscheinlich ist. Dadurch wird die Schrägdampfabscheidungstechnik für großflächige Anzeigen ungeeignet oder sehr schwierig.
Eine weitere bistabile nematische Vorrichtung ist in dem US-Patent 4333708 beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend beschriebenen Nachteile durch die Verwendung akkurat ausgebildeter Gitter auf den Zellenwänden überwunden; derartige Gitter ermöglichen nematischen Flüssigkristallmolekülen das Annehmen einer von zwei gleichmäßigen Ausrichtungsrichtungen. Diese beiden Ausrichtungsrichtungen können elektrisch umgeschaltet werden, um Anzeigen zu erzeugen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine bistabile Vorrichtung mit nematischem Flüssigkristall zwei Zellenwände, die eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial einschließen;
Elektrodenstrukturen auf beiden Wänden;
eine Oberflächenausrichtung auf beiden Zellenwänden, die für die Flüssigkristallmoleküle eine Ausrichtungsrichtung erzeugt;
eine Einrichtung zum Unterscheiden zwischen geschalteten Zuständen des Flüssigkristallmaterials; dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenausrichtung aus einem Doppelgitter auf zumindest einer Zellenwand besteht, das es den Flüssigkristallmolekülen erlaubt, zwei unterschiedliche winkelmäßig ausgerichtete Richtungen einzunehmen, wenn den Elektroden geeignete elektrische Signale zugeführt werden.
Der Winkel zwischen den beiden Ausrichtungsrichtungen kann verändert werden und hängt von der Form des Doppelgitters ab.
Das Doppelgitter kann eine durch einen photolithographischen Prozeß gebildete, mit einem Profil versehene Schicht aus einem Photopolymer sein, beispielsweise gemäß M. C. Hutley, "Diffraction Gratings" (Academic Press, London, 1982), Seiten 95 - 125 und F. Horn, "Physics World", 33 (März 1993). Alternativ kann das Doppelgitter durch Hohlprägen gebildet werden; M. T. Gale, J. Kane und K. Knop, "J. Appl. Photo. Eng", 4, 2, 41 (1978), oder durch Linieren; E. G. Loewen und R. S. Wiley, "Proc SPIE", 815, 88 (1987), oder durch Übertragung von einer Trägerschicht
Eine oder beide Zellenwände können aus einem verhältnismäßig dicken, nicht flexiblen Material, wie einem Glas, ausgebildet sein, oder eine oder beide Zellenwände können aus einem flexiblen Material, wie einer dünnen Schicht aus Glas oder einem Kunststoffmaterial, beispielsweise Polypropylen, gefertigt sein. Eine Kunststoffzellenwand kann an ihrer inneren Oberfläche hohlgeprägt werden, um ein Gitter zu erzeugen. Zudem können durch das Hohlprägen kleine Säulen (beispielsweise mit einer Höhe von 1 - 3 µm und einer Breite von 5 - 50 µm oder mehr) erzeugt werden, um bei der korrekten Beabstandung der Zellenwände zu helfen und ebenso als Barriere gegen ein Strömen von Flüssigkristallmaterial bei einer Biegung der Zelle. Alternativ können die Säulen durch das Material der Ausrichtungsschichten gebildet werden.
Das Doppelgitter kann symmetrisch oder asymmetrisch sein, in dem zuletzt genannten Fall führt dies sowohl zu einer Oberflächenausrichtung als auch zu einer Oberflächenneigung. Zwei Doppelgitter können derart angeordnet werden, daß eine hohe Oberflächenneigung auf einer Wand einer geringen Oberflächenneigung auf der anderen Zellenwand gegenüberliegt, so daß Flüssigkristallmoleküle in beiden Schaltzuständen eine schräge Anordnung annehmen.
Eine Doppelgitteroberfläche kann als Oberfläche beschrieben werden, die die folgende Gleichung erfüllt:
Ψ(x,y)=Ψ(x + mkx,y + nky)
wobei m und n natürliche Zahlen sind, wogegen kx und ky Penodenzahlen sind und Ψ eine Funktion ist, die die Oberflächenamplitude beschreibt.
Es wird eine einfache theoretische Beschreibung der Oberflächenenergie eines Doppelgitters betrachtet. Die Gitteroberfläche wird durch:
beschrieben, wobei a, b Konstanten und L&sub1;, L&sub2; Abstände der beiden Gitter sind.
Es wird davon ausgegangen, daß ein nematisches Flüssigkristallmaterial derart mit dieser Oberfläche in Kontakt steht, daß sein Direktorfeld durch
n=(cosθcosφ,cosθsinφ,sinθ) gegeben ist; d.h. θ ist der Zenitwinkel und φ der Azimutwinkel.
θ sei θ(x, y, z), es wird jedoch davon ausgegangen, daß φ eine Konstante ist.
Wird davon ausgegangen, daß der Direktor tangential zu der Gitteroberfläche liegt und daß die Welligkeit flach ist (a, b » L1, L2), dann gilt
und von der Gitteroberfläche entfernt
0=(∞=z)θ
Wird davon ausgegangen, daß die Schräg- und die elastische Biegekonstante miteinander übereinstimmen, K&sub1;&sub1; = K&sub3;&sub3;, sich jedoch von der Drehkonstante K&sub2;&sub2; unterscheiden, dann ist die freie elastische Energiedichte durch
gegeben, wobei L K&sub2;&sub2;/K&sub3;&sub3; und θX die Ableitung von nach x ist und ähnliches für θy und θz gilt.
Die Euler-Lanrange-Gleichung ist dann
θxx(lsin² φ+cos² φ) + θyy(lcos² φ + sin² φ) + θzz +(1 - l)sin2φθxy = 0
Die die vorstehenden Grenzbedingungen erfüllende Lösung ist
Hierdurch wird
definiert; d.h. A ist die relative Energie der beiden orthogonalen Gitter. Daraus folgt für die Oberflächenenergie pro Einheitsbereich Fd
Für Gitter mit gleichen Abständen, d.h. L&sub1; = L&sub2;, gilt
Das Doppelgitter weist ein Profil von 0,5 < A < 2,0, vorzugsweise 0,8 < a < 1,2, typischerweise 0,9 < A < 1,1 auf. Ein typisches symmetrisches, sinusförmiges Gitter kann einen Abstand von 0,8 µm und eine Amplitude (die Hälfte des Abstands von Spitze zu Spitze) von 0,1 µm aufweisen. Ein asymmetrisches Gitter kann einen ähnlichen Abstand und eine ähnliche Amplitude aufweisen, kann jedoch annähernd eine Sägezahnform haben.
Ein asymmetrisches oder Blaze-Doppelgitter kann als eine Oberfläche definiert werden, für die kein Wert von h existiert, bei dem
Ψ(h-x)=Ψx(h+x)
für alle Werte von x gilt, wobei Ψ eine die Oberfläche beschreibende Funktion ist. Ein ähnlicher Ausdruck kann geschrieben werden, wenn der Einhieb entlang der y-Richtung verläuft. Bei einem Sinus-/Einhieb-Doppelgitter weist jeder bistabile Zustand die gleiche Vorneigung auf. Die Symmetrie kann jedoch durch die Verwendung eines Einhieb-/Einhieb- Doppelgitters, d.h. eines Doppelgitters weiter verringert werden, bei dem die Modulationen in beiden Hauptrichtungen asymmetrisch sind, beispielsweise wenn die Gitter einen sägezahnförmigen Querschnitt aufweisen. Hierbei ist festzustellen, daß einer der bistabilen Zustände vorgeneigt ist, wogegen der andere eine Vorneigung von Null aufweist.
Die Vorrichtung kann ferner eine Einrichtung zum Anlegen von Adressierspannungen an die Elektroden aufweisen, wodurch die Vorrichtung zum Anzeigen von Informationen in zwei verschiedene Ausrichtungszustände geschaltet werden kann.
Das Flüssigkristallmaterial kann chirale Ionen enthalten, so daß die Vorrichtung durch Anlegen einer großen Wechselspannung gefolgt vom Anlegen eines geeigneten in einer Richtung fließenden Spannungsimpulses umgeschaltet werden kann.
Das Flüssigkristallmaterial kann einen geeignet hohen flexoelektrischen Wert aufweisen, so daß die Vorrichtung durch Anlegen eines Impulses mit einer geeigneten Polarität elektrisch umgeschaltet werden kann.
Die Zelle kann zwischen zwei farbigen oder neutralen Polarisatoren angeordnet sein, sowohl mit als auch ohne eine geringe Menge eines pleochroitischen Farbstoffs (beispielsweise D82 Merck) in dem Flüssigkristallmaterial. Die Polarisationsachse der Polarisatoren, die Schichtdicke und die Doppelbrechung des Materials können derart beschaffen sein, daß der Anzeigekontrast zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand optimiert wird. Die optische Achse der Polarisatoren kann beispielsweise bis zu einigen Grad von einer zu einer angrenzenden Ausrichtungsrichtung parallelen oder senkrechten Ausrichtung entfernt sein.
Die Erfindung wird im folgenden lediglich anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht einer multiplex adressierten Matrix-Flüssigkristallanzeige;
Figur 2 einen Querschnitt der Anzeige gemäß Figur 1;
Figur 3 einen Satz Schwingungsformdiagramme, die vier Zeilen und eine Spalte zeigen, wobei die resultierende Spannung als Funktion von Zeit pro Pixel gegeben ist;
Figur 4 eine diagrammartige Ansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung symmetrischer Doppelgitteroberflächen einer Zellenwand;
Figur 5 ein theoretisches Diagramm der Oberflächenenergiedichte als Funktion des Azimutwinkels;
die Figuren 6a, 6b Diagramme, die die Richtung der Ausrichtung und den Betrag der Neigung der Zellenwände zeigen;
die Figuren 7a, 7b, 7c Diagramme, die zwei entgegengesetzt schräge Zustände zeigen;
Figur 8 diagrammartige Ansichten einer Vorrichtung zur Erzeugung asymmetrischer (Blaze-)Gitter; und
Figur 9 einen Querschnitt einer mit der Vorrichtung gemäß Figur 8 behandelten Zellenwand.
Die Anzeige gemäß den Figuren 1, 2 umfaßt eine durch eine zwischen Glaswänden 3, 4 enthaltene Schicht 2 eines cholesterischen Flüssigkristallmaterials gebildete Flüssigkristallzelle 1. Ein Abstandshalterring 5 hält die Wände typischerweise 2 um auseinander. Zudem können zahlreiche Polymer- Abstandshalterkügelchen in dem Flüssigkristallmaterial dispergiert sein, um eine genaue Wandbeabstandung aufrechtzuerhalten. Bandartige Zeilenelektroden 6, beispielsweise aus SnO2 sind auf einer Wand 3 und ähnliche Spaltenelektroden 7 auf der anderen Wand 4 ausgebildet. Durch m Zeilen- und n Spaltenelektroden wird dadurch eine m n-Matrix adressierbarer Elemente oder Pixel gebildet. Jedes Pixel wird durch den Schnittpunkt einer Zeilen- und einer Spaltenelektrode gebildet.
Ein Zeilentreiber 8 führt jeder Zeilenelektrode 6 eine Spannung zu. Ahnlich führt ein Spaltentreiber 9 jeder Spaltenelektrode 7 eine Spannung zu. Eine Steuerung der angelegten Spannungen erfolgt durch eine Steuerungslogik 10, die Energie von einer Spannungsquelle 11 und eine zeitliche Abstimmung von einem Taktgeber 12 erhält.
Beide Seiten der Zelle 1 sind Polarisatoren 13, 13'. Bei Vorrichtungen, bei denen beide Zellenwände 3, 4 eine Doppelgitterausrichtung aufweisen und die beiden Ausrichtungsrichtungen in einem Winkel von 45º zueinander stehen, sind die Polarisatoren mit in bezug aufeinander gekreuzten Polansationsachsen angeordnet, wobei die Achse eines Polarisators parallel zu einer der beiden Ausrichtungsrichtungen auf der danebenliegenden Wand 3 oder 4 ist. Bei Vorrichtungen mit einem Doppelgitter an einer Wand 3 und einem Einfachgitter (beispielsweise einer abgeriebenen Ausrichtung) auf der anderen Wand 4 ist die Achse des Polarisators 13' parallel zu der Einzelgitterausrichtung auf der Wand 4, und die Achse des Polarisators 13 ist parallel zu einer der beiden Ausrichtungsrichtungen auf der Wand 3.
Hinter der Zelle 1 kann zusammen mit einer Lichtquelle 15 ein teilreflektierender Spiegel 16 angeordnet sein. Dadurch kann die Anzeige in einer Reflexion gesehen und durch eine gedämpfte Umgebungsbeleuchtung von hinten beleuchtet werden. Bei einer Übertragungsvorrichtung kann der Spiegel weggelassen werden.
Vor dem Zusammenbau der Zelle gemäß den Figuren 1, 2 wird mindestens eine Zellenwand oberflächenbehandelt, um ein Doppelgitter zu erzeugen; die andere Wand kann entweder einer Doppelgitter- oder einer Einfachgitter- oder einer herkömmlichen, beispielsweise einer Abriebausrichtungsbehandlung unterzogen werden. Eine Vorrichtung zur Erzeugungeines Doppelgitters ist in Figur 4 dargestellt.
Wie in Figur 4 gezeigt, wird Licht 20 von einem Argonionenlaser 21 von einer ersten Linse 22 auf einen festen ersten Diffusor 23 und einen rotierenden zweiten Diffusor 24 fokussiert. Eine zweite Linse 25 richtet den nun expandierten Laserstrahl erneut parallel auf einen semialuminierten Strahlenteiler 26. Von dem Strahlenteiler 26 wird Licht auf einen ersten Spiegel 27 und von dort auf ein in einer Halterung 29 gehaltenes Substrat 28 reflektiert. Durch den Strahlenteiler 26 übertragenes Licht wird von einem zweiten Spiegel 30 und einem dritten Spiegel 31 auf das Substrat reflektiert. Dadurch empfängt das Substrat 28 zwei Strahlen 20a, 20b, wodurch ein stationäres Randmuster eingestellt wird. Der Abstand des Randmusters hängt von dem Winkel zwischen den beiden von dem ersten und dem zweiten Spiegel 27, 31 kommenden Strahlen 20a, 20b ab.
Durch die Vorrichtung gemäß Figur 4 kann wie folgt ein sinusförmiges Doppelgitter erzeugt werden:

Beispiel 1

Ein Stück mit ITO (Indiumzinnoxid) beschichtetes Glas 28 zur Bildung einer Zellenwand wurde in Azeton und Isopropanol gereinigt und anschließend bei 4000 min&supmin;¹ 20 Sekunden lang mit einem Photopolyimid (Nissan RN901) schleuderbeschichtet, um eine Beschichtung mit einer Dicke von 1,2 µm zu erzeugen. Anschließend erfolgte 30 Minuten lang ein Weichtrocknen bei 80ºC. Die Probe 28 wurde dann einem Interferenzmuster aus von dem Argonionenlaser 21 erzeugten Licht (mit einer Wellenlänge von 457,9 nm) ausgesetzt, wie in Figur 4 dargestellt.
Die Probe 28 wurde 90 Sekunden lang einer Belichtung bei einer Leistungsdichte von 1,5 mW/cm² ausgesetzt. Eine zweite Belichtung mit einer Dauer von ebenfalls 90 Sekunden wurde dann ausgeführt, nachdem die Probe 28 aus der Halterung 29 entfernt, um 90º gedreht und wieder eingesetzt worden war. Daraufhin wurde durch ein 60 Sekunden dauerndes Eintauchen in Mikroposit-Entwickler, MF319 eine Entwicklung ausgeführt, worauf über 30 Sekunden eine Spülung in deionisiertem Wasser folgte. Schließlich wurde das Photopolyimid durch Trocknen bei 170ºC über 60 Minuten, gefolgt von einem Trocknen bei 350ºC über 30 Minuten vernetzt. Im vorliegenden Fall enthielt die resultierende Probe ein Doppelgitter mit Oberflächenaussparungen, bei dem die beiden Hauptmodulationen in einem Winkel von 90º zueinander standen. Es kann jedoch für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein, wenn die Modulationen weniger als 90º, beispielsweise 45º, zueinander betragen.
Die Abmessungen des Doppelgitters sind kritisch; außerhalb eines verhältnismäßig schmalen Bereichs von Werten schafft das Gitter keine Richtungsausrichtung.
Dies wird unter Bezugnahme auf Figur 5 erläutert, die eine theoretische Abbildung der Oberflächenenergiedichte an dem Übergang von Flüssigkristall zum Gitter als Funktion der Azimutausrichtung des nematischen Direktors an diesem Übergang zeigt. Für unterschiedliche Werte von A (=(a/b)&supmin;) sind mehrere Kurven dargestellt, und in jedem Fall ist die vorhergesagte nematische Ausrichtung auf der Oberfläche an den Funktionsminima angeordnet. Bei diesem Modell ist die Matenalkonstante des Flüssigkristalls k&sub3;&sub3;/k&sub2;&sub2; auf 1,25 eingestellt, was für ein typisches nematisches Material plausibel ist. Für A 0,8 existieren zwei entartete Minima bei +/-90º, d.h. der nematische Direktor liegt entlang der y-Richtung. Ahnlich liegt der nematische Direktor entlang der x-Richtung, wenn A = 1,2 gilt. Sowohl x als auch y sind Achsen in der Ebene der Gitteroberfläche. Wenn jedoch die Rillentiefen in den beiden Hauptrichtungen ähnliche Amplituden (A nahe 1) aufweisen, existieren zwei stabile Zustände an Winkeln zwischen den Rillenrichtungen. Bei A < 0.9 oder A > 1,1 geht diese Bistabihtät verloren, und daher legt die Theorie nahe, daß eine Rillentiefensteuerung auf weniger als 5 % erforderlich ist. Diese Einschränkung ist bei einer photolithographischen oder interferrographischen Gittererzeugung kein Problem.
Daher erfordert bei dem vorstehenden Beispiel die Bistabilität einen genauen Energieausgleich zwischen zwei Richtungen, d.h. 0,9 < A < 1,1, was durch Gitter leicht, durch eine schräge Dampfabscheidung jedoch sehr schwer zu erreichen ist.

Beispiel 2

Unter Verwendung von zwei Zellenwänden mit wie im Beispiel 1 erzeugten Doppelgittern mit A = 110 wurde eine 10 µm dicke Schicht aus nematischem Material in einer Zelle derart aufgebaut, daß die Rillen auf einer Zellenwand in den gleichen Richtungen verliefen wie die Rillen auf der anderen. Diese Zelle wurde mit nematischen Flüssigkristall E7 (einem Material der Firma Merck) gefüllt. Eine mikroskopische Untersuchung zeigte entsprechend der Theorie zwei gleichmäßige Ausrichtungsrichtungen bei +/-45º zu den Rillenrichtungen. Es wurden grob übereinstimmende Bereiche jedes Zustands beobachtet. Einer der beiden Zustände konnte durch einen Temperaturzyklus in einem Magnetfeld bevorzugt werden. Die Zelle wurde beispielsweise in der isotropischen Phase von E7 erwärmt und dann in einem entlang der +45º-Richtung gerichteten Magnetfeld von 2,0 T abgekühlt. Dies führte zu nur einem Zustand, in dem der Direktor entlang der +45º-Richtung zeigte. Ahnlich wurde durch ein Abkühlen in einem Feld entlang der -45º- Richtung der -45º-Zustand bevorzugt. Schließlich führte ein Auskühlen ohne ein Feld die Zelle in eine zufällige Struktur zurück, in dem beide Zustände den Zellenbereich teilen. Diese besondere Anordnung konnte auch durch Dotieren des nematischen Materials mit chiralen Ionen unter Verwendung des Verfahrens von Durand umgeschaltet werden.

Beispiel 3

Ein sinusförmiges Gitter kann auch durch das folgende Verfahren hergestellt werden. Ein mit ITO beschichtetes Stück Glas 28 zur Bildung einer Zellenwand wurde in Azeton und Isopropanol gereinigt und anschließend mit 4000 min&supmin;¹ 30 Sekunden lang mit einem photoresistenten Material (Shipley 1805) schleuderbeschichtet, wodurch eine Beschichtungsdicke von 0,5 um erzeugt wurde. Anschließend wurde 30 Minuten lang bei 90ºC ein Weichtrocknen ausgeführt. Die Probe 28 wurde dann durch eine ein Doppelgitter mit einem Abstand von 1,5 µm 1,5 µm enthaltende photolithographische Kontaktmaske Licht von einer Merkurlampe ausgesetzt. Die Belichtung wurde 25 Sekunden lang mit 1,5 mW/cm² ausgeführt, worauf eine 10 Sekunden lange Entwicklung in MF319 folgte. Die Zellen wurden nach einem zehnstündigen Harttrocknen bei 105ºC konstruiert. Es wurde festgestellt, daß das Umschaltverhalten mit dem des Beispiels 2 übereinstimmte.
Bei einer Zelle mit einem Doppelgitter auf einer Zellenwand und einem (beispielsweise durch Abriebausrichtungsbehandlung erzeugten) Einzelgitter sind zwei verdrehte Zustände zu beobachten, in denen der Materialdirektor des Flüssigkristalls der Rillenrichtung auf der Einzelgitteroberfläche folgt und auf einem Zwischenwinkel zu den Rillenrichtungen auf der Doppelgitteroberfläche liegt. Dies setzt eine Verankerungsfestigkeit des Gitters von der gleichen Größenordnung wie die elastischen Konstanten des Flüssigkristalls voraus. Auch diese Anordnung konnte mit chiralen Ionen umgeschaltet werden.
Es wurde festgestellt, daß den bistabilen Zuständen durch die Herstellung eines entlang einer seiner Hauptrillenrichtungen (asymmetrischen) Blaze-Doppelgitters eine Vorneigung hinzugefügt werden kann. Dies kann unter Verwendung eines modifizierten Interferometers, wie von N. K. Sheridon in "Appl. Phys. Lett." 12,316 (1968) beschrieben, erfolgen.
Figur 8 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Blaze-Gitters. Wie dargestellt, wird Licht 40 von einem Argonionenlaser 41 (mit einer Wellenlänge 457,9 nm) durch eine erste Linse 42 auf einen festen Diffusor 43 und einen rotierenden Diffusor 44 fokussiert. Eine zweite Linse 45 richtet den nun expandierten Laserstrahl 40 erneut parallel, der dann von einem semialuminierten Strahlenteiler 46 auf zwei Spiegel 47, 48 amplidudengeteilt wird. Ein Substrat, aus dem ein Gitter gebildet werden soll, wird in einer zwischen den beiden Spiegeln 47, 48 angeordneten Probenhalterung 50 montiert. Die sich gegeneinander ausbreitenden Strahlen zwischen den beiden Spiegeln 47, 48 bilden eine optisch stehende Welle, d.h. Interferenzränder, mit einer Periode von der Hälfte der Wellenlänge des Lasers.
Vor der Montage in der Probenhalterung 50 wird ein Substrat 49 aus mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichtetem Glas in Azeton und Isopropanol gereinigt und anschließend bei 4000 min&supmin;¹ 30 Sekunden lang mit einem Photopolyimid (Ciba Geigy 343) schleuderbeschichtet, wodurch eine Beschichtung 41 mit einer Dicke von 3,5 µm entsteht. Bei 80ºC wird 15 Minuten lang ein Weichtrocknen ausgeführt, worauf weitere 15 Minuten bei 100ºC folgen. Das Substrat 49 wird dann, wie in Figur 4 dargestellt, in der Probenhalterung 50 montiert, und in einem schrägen Winkel einem stehenden Wellenmuster aus Licht von dem Argonionenlaser 41 ausgesetzt. Dies ist ein besonderes Beispiel einer interferrographischen Gitterherstellung, M. C. Hutley, "Diffraction Gratings" (Academic Press, London, 1982), Seiten 95 - 125.
Die Interferenzränder werden in der Photopolymerschicht 51 aufgezeichnet, wie in Figur 9 gezeigt. Der Abstand des Gitters hängt von dem Winkel zwischen dem Substrat 49 und der stehenden Welle ab. Eine typische Belichtung beträgt 300 Sekunden bei einer Leistungsdichte von 1,5 mW/cm² an der Probe. Nach einem Nachbelichtungstrocknen (105ºC, 5 Minuten) wird die Probe 15 Sekunden lang in QZ3301 (Ciba Geigy) schleuderentwickelt und anschließend 15 Sekunden lang in QZ3312 gespült.
Die Verwendung von zwei Blaze-Gittern, die eine Vorneigung von Null in einem bistabilen Zustand ergibt, wird unter Bezugnahme auf die Figuren 6a, 6b beschrieben. Figur 6 stellt die (mit der Stimseite unten dargestellte) obere Oberfläche einer Zelle dar. Die Einhiebrichtungen sind durch Pfeile dargestellt, und in der Praxis könnten diese Richtungen den langen Facetten einer (entlang jeder der Hauptgitterrichtungen im Querschnitt gezeigten) Sägezahnmodulation entsprechen. Die Symmetrie der Oberfläche diktiert dann eine Vorneigung des in dem Quadranten zwischen den Einhiebrichtungen A&sub1; liegenden Zustands, wogegen der andere Zustand B&sub1; nicht geneigt ist (wenn die beiden Hauptmodulationen unterschiedliche Amplituden oder unterschiedliche Beträge an Asymmetrie aufweisen, sind beide Zustände vorgeneigt, jedoch um unterschiedliche Beträge). Figur 6b zeigt die mit der Stimseite oben gezeigte untere Zellenwand, wobei die Einhiebrichtung durch Pfeile dargestellt ist. Wenn die in Figur 6a dargestellte (mit der Stimseite unten gezeigte) obere Oberfläche in der gezeigten Ausrichtung zu der in Figur 6b (mit der Stimseite oben) dargestellten unteren Oberfläche aufgebaut ist, werden zwei Flüssigkristallzustände, A&sub1;B&sub2; und B&sub1;A&sub2;, erreicht, wie in den Figuren 7a, 7b, 7c gezeigt. Diese schrägen Anordnungen sind wesentlich, da die beiden Zustände hinsichtlich der Schrägstellung entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen und daher eine Gleichstromkopplung an die flexoelektrische Polarisation (durch p dargestellt) durch ein zwischen Elektroden an den Zellenwänden angelegtes Feld auf eine ähnliche Weise wie gemäß der in der vorstehend beschriebenen Patentanmeldung Nr. WO 92/00546 beschriebenen ein Umschalten zwischen den Zuständen ermöglicht.
Eine Anzeige, bei der eine der vorstehend beschriebenen Zelle ähnliche Zelle verwendet wird, jedoch mit einem Winkel von 45º zwischen den beiden durch die Doppelgitter induzierten Ausrichtungsrichtungen des Flüssigkristalls, kann mit Spannungen wie in Figur 3 gezeigt adressiert werden.
Wie dargestellt, sind Pixel in vier aufeinanderfolgenden Zeilen R1, R2, R3, R4 in einer Spalte umzuschalten. Zwei mögliche Ausrichtungsrichtungen können wahlweise als eingeschalteter und ausgeschalteter Zustand definiert sein. Die Zeilen R1, R4 sind einzuschalten, die Zeilen R2, R3 befinden sich in dem ausgeschalteten Zustand.
An jede Zeile werden, wie dargestellt, nacheinander über drei Zeitperioden ts Taktimpulse von +Vs gefolgt von -Vs über 3 ts angelegt. Eine Datenschwingungsform wird, wie dargestellt, an die Spalte angelegt und umfaßt ein -Vd über eine ts gefolgt von einem -Vd über 1 ts für ein eingeschaltetes Pixel und -Vd über 1 ts gefolgt von +Vd über 1 ts für ein ausgeschaltetes Pixel.
Die erzeugten Spannungen sind große Spannungen mit zunächst positivem und anschließend negativem Potential. Diese richten die nematischen Flüssigkristallmaterialmoleküle (korrekter den Direktor) normal zu den Zellenwänden aus, d.h. die homöostropische Bedingung wird hergestellt. Darauffolgt der kleine Auswahlimpuls, beispielsweise mit einem positiven Potential, um in einen eingeschalteten Zustand umzuschalten. Dieser kleine positive Impuls ist ausreichend, um eine Bewegung der chiralen Zeilen in dem Flüssigkristallmaterial zu einer Zellenwand und eine Bevorzugung des Umschaltens in die Ausrichtungsrichtung des eingeschalteten Zustands zu veranlassen, wenn die Flüssigkristallmoleküle beim Fehlen einer angelegten Spannung in einen homogenen Zustand zurückfallen. Der folgende kleine Impuls mit negativem Potential schafft einen Gleichstromausgleich und weist eine unzureichend Größe auf, um ein weiteres Umschalten zu verursachen.
In einem geschalteten Zustand richten sich sämtliche Moleküle entlang der optischen Achse eines Polarisators 13 aus. Da die optischen Achsen der Polarisatoren 13, 13' gekreuzt sind, durchläuft polarisiertes Licht von dem Polarisator 13 die Zelle, um von dem anderen Polarisator 13' blokkiert zu werden; daher wird ein Minimum an Licht durch die Vorrichtung übertragen. Wenn die Zelle derart geschaltet ist, daß sich sämtliche Noleküle in einer Richtung in einem Winkel von 45º zu einem Polarisator 13, 13' ausrichten, wird aufgrund der Doppelbrechung des Flüssigkristalls und der relativen Anordnung der Polarisatoren 13, 13' ein Maximum an Licht durch die Zelle übertragen.
Ahnlich kann bei einem nematischen Material mit einer zweckmäßig großen flexoelektrischen Konstanten von beispielsweise ca. 10&supmin;&sup4; cgs oder mehr das nematische Material zwischen den beiden unter Bezugnahme auf Figur 7 beschriebenen schrägen Zuständen umgeschaltet werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß in den beiden geschalteten Zuständen einer Zelle mit zwei Doppelgittern das nematische Flüssigkristallmaterial keine Verdrehung über die Schicht aufweist; dies steht im Gegensatz zu Vorrichtungen mit verdrehtem nematischem Flüssigkristallmaterial, bei denen das Material typischerweise eine Verdrehung um 90º aufweist. Bei Zellen mit einem Einfachgitter auf einer Zellenwand und einem Doppelgitter auf der anderen Wand existiert in beiden geschalteten Zuständen ein Betrag von beispielsweise +45º und -45º an Verdrehung.
Die Gitter wiesen bei den vorstehenden Beispielen einen Abstand von 0,8 µm auf, es kann jedoch ein breiter Bereich an Abständen verwendet werden. Die Anordnung gemäß Figur 4 kann beliebige Abstände von Gittern erzeugen, die größer als 0,25 um sind, kleinere Abstände könnten jedoch durch Ultraviolettlaser erzeugt werden. Für die Azimutausrichtungsenergie pro Einheitsbereich für ein einzelnes sinusförmiges Gitter wurde U = 2π³K&sub1;&sub1;(a²/L³) berechnet (D. W. Berreman, "Phys Rev. Lett., 28, 1683 (1972), wobei a die Gitteramplitude (die Hälfte der Spitze zur Durchgangsrillentiefe) und L der Abstand ist. Im Hinblick auf die Flüssigkristallausrichtung muß ein zweckmäßiges Gitter ein derartiges Profil aufweisen, daß U größer als die thermische Zerstreuungsenergie und größer als die mit jeglicher anderen Ungleichmäßigkeit der Oberfläche oder Inhomogenität des Materials verbundene Energie ist. Ferner sind zum Erhalt einer ausreichenden Energie kleine Abstände zu bevorzugen, da bei einem zu großen Wert von a ein großer Spannungsabfall über das Gitter auftritt, wenn ein Feld an die Zelle angelegt wird.
Ein effizientes bistabiles Umschalten erfordert ebenso eine Durchbrechung der Verankerung an der Oberfläche. Die hierfür erforderliche Spannung hängt von der Zenitverankerungsenergie des das Gitter bildenden Polymers ab. Eine sorgfältige Auswahl dieses Polymermaterials bzw. seiner Verarbeitung ermöglicht eine Minimierung dieser Spannung. Alternativ oder zusätzlich kann das Gitter mit einem Oberflächenstoff wie Lezithin beschichtet werden.

Claims

1. Bistabile Vorrichtung mit nematischem Flüssigkristall mit

zwei Zellenwänden (3, 4), die eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial (2) einschließen,

Elektrodenstrukturen (6, 7) auf beiden Wänden,

einer Oberflächenausrichtung auf beiden Zellenwänden, die für die Flüssigkristallmoleküle eine Ausrichtungsrichtung erzeugt,

einer Einrichtung (13, 13') zum Unterscheiden zwischen geschalteten Zuständen des Flüssigkristallmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß

die Oberflächenausrichtung aus einem Doppelgitter auf zumindest einer Zellenwand besteht, das es den Flüssigkristallmolekülen erlaubt, zwei unterschiedliche winkelmäßig ausgerichtete Richtungen einzunehmen, wenn den Elektroden geeignete elektrische Signale zugeführt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jedes Doppelgitter ein Profil mit 0,8 < A < 1,2 hat, wobei A die relative Energie des Doppelgitters ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der beide Zellenwände Oberflächen mit Doppelgittern haben und die zwei Ausrichtungsrichtungen auf den beiden Zellenwänden aufeinander ausgerichtet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Zellenwand mit einer Ausrichtung mit einem Doppelgitter versehen ist und die andere Zellenwand mit einer Behandlung für eine monostabile, einzige Ausrichtungsrichtung versehen ist, deren einzige Ausrichtungsrichtung zwischen den zwei zulässigen Ausrichtungsrichtungen des Doppelgitters liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zumindest ein Doppelgitter zumindest ein asymmetrisches Gitterprofil hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zumindest ein Doppelgitter zumindest ein symmetrisches Gitterprofil hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Richtung asymmetrischer Ausrichtung auf den Zellenwänden einander in derselben Richtung gegenüberliegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Richtung der asymmetrischen Ausrichtung auf den Zellenwänden einander in entgegengesetzten Richtungen gegenüberliegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Doppelgitter eine Schicht ist, die durch Interferrographie, Photolithographie, Prägen, Linieren oder Trägerübertrag gebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Zellenwände aus einem Glasmaterial gebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Zellenwände aus einem flexiblen Plastikmaterial gebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der Abstandshalter auf einer oder auf beiden Zellenwänden gebildet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der Abstandshalter durch das das Gitter bildende Material auf einem oder beiden Zellenwänden gebildet sind.