NL8001556A

NL8001556A - Weergeefinrichting met vloeibaar kristal.

Info

Publication number: NL8001556A
Application number: NL8001556A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1980-03-17
Filing date: 1980-03-17
Publication date: 1981-10-16
Also published as: DE3170465D1; US4447132A; JPH028291B2; EP0036678B1; CA1205170A; EP0036678A1; ATE13361T1; JPS56143414A

Description

* * PHN 9712 1 N.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken te Eindhoven. Weergeefinrichting met vloeibaar kristal.

De uitvinding heeft betrekking op een weergeefinrichting bevattende twee evenwijdige steunplaten, elkaar kruisende patronen van stripvormige elektroden op de naar elkaar toegekeerde oppervlakken van de steunplaten, 5 een laag cholesterisch vloeibaar kristal met positieve diëlektrische anisotropie tussen de steunplaten, welke laag vloeibaar kristal beneden een zekere veldsterkte E^ een nagenoeg transparante planair-conische textuur of een lichtverstrooiende focal-conische textuur bezit, boven een 10 zekere veldsterkte E^ een transparante homeotroop-nematische textuur bezit en voor veldsterkten tussen E^ en een lichtverstrooiende focal-conische textuur of een transparante homeotroop-nematische textuur bezit.

Onder een cholesterisch vloeibaar kristal 15 wordt hier verstaan een nematisch vloeibaar kristal, waaraan een zekere hoeveelheid cholesterisch vloeibaar kristal is toegevoegd en welk mengsel een cholesterische textuur bezit.

Een dergelijke weergeefinrichting is bekend uit het artikel "Speichereffekte in cholesterinischen 20 Flüssigkeiten mit positiver DK-anisotropie" uit Berichte der Bunsen-Gesellschaft 7J3, nr. 9, 1974, p. 912-914. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het bistabiliteitseffekt, dat sommige cholesterische vloeibare kristallen vertonen, welk effekt nu eerst zal worden verklaard. Uitgegaan wordt van 25 een nagenoeg transparante planair-conische cholesterische textuur, waarbij de assen van de helices loodrecht op de oppervlakken van de steunplaten staan. Boven een zekere drempelwaarde E^ van de veldsterkte gaat de nagenoeg transparante planair-conische cholesterische textuur over 39 in een lichtverstrooiende focal-conische textuur, waarbij de assen van de helices evenwijdig aan de oppervlakken van de steunplaten verlopea Bij toenemende veldsterkte ontwinden de helices zich en bij loodrechte oriëntering van de vloeibaar 800 1 5 56 ·* -p PHN 9712 2 \ kristalmoleculen aan de oppervlakken van de steunplaten gaat de lichtverstrooiende focal-conische textuur boven een veldsterkte E^ over in een transparante homeotroop-nema-tische textuur. Tengevolge van de hysterese in de transmis-5 sie versus veldsterkte karakteristiek gaat de transparante homeotroop-nematische textuur pas bij een veldsterkte E^ kleiner dan de veldsterkte E^ weer over in de lichtverstrooiende focal-conische textuur.

Bij de in het genoemde artikel beschreven 10 matrixweergeefinrichting wordt van dit bistabiliteitseffekt op de volgende wijze gebruik gemaakt. De elektroden zijn in de vorm van evenwijdige strippen op de steunplaten aangebracht. De elektroden op de ene steunplaat kruisen hierbij de elektroden op de andere steunplaat. De elektroden op de 15 ene steunplaat vormen de zogenaamde rijen en de elektroden op de andere steunplaat de zogenaamde kolommen van de matrix. De beeldelementen bevinden zich op de kruispunten van de rijen kolomelektroden. Door een voldoende hoge spanning over de elektroden, die een veldsterkte boven over de vloei-20 bare kristallaag tot gevolg heeft, worden alle beeldelementen van de matrix in de transparante homeotroop-nematische textuur gebracht. Vervolgens wordt over alle elementen een spanning aangelegd, die een tussen E^ en E2 gelegen veldsterkte E^j tot gevolg heeft. De vloeibare kristallaag heeft 25 nu de eigenschap enige tijd in de transparante homeotroop-nematische toestand te blijven. De rijen worden achtereenvolgens aangestuurd en per rij wordt de informatie op de kolommen ingeschreven. Voor de elementen die in de verstrooiende toestand moeten komen, wordt de spanning zolang 30 nul gemaakt, dat de homeotroop-nematische textuur in de focal-conische textuur overgaat. De overige elementen van een rij worden gedurende het inschrijven op een spanning gehouden, die een veldsterkte groter of gelijk aan E|_| tot gevolg heeft, en blijven dientengevolge in de transparante hom'eotroop-35 nematische textuur. Vervolgens wordt over alle elementen van een rij weer een spanning gezet, die een veldsterkte E^ over de vloeibare kristallaag tot gevolg heeft.

Gedurende de tijd dat een transparant homeo- 800 1 5 56 PHN 9712 3

* I

troop-nematische toestand van een lijn stabiel blijft kunnen andere lijnen worden aangestuurd. De stabiliteit van de transparant homeotroop-nematische textuur bij een veldsterkte Eu wordt echter beperkt doordat de omgeving‘van het beeldele- Π 5 ment zich in de focal-conische toestand bevindt. De focal-co-nische textuur heeft namelijk de eigenschap in de homeotroop-nematische textuur in te groeien, hetgeen storende lichtver-strooiende effekten tot gevolg heeft. Hierdoor is het aantal lijnen dat ingeschreven kan worden beperkt en is vanwege de 10 daardoor eveneens beperkte geheugentijd van de weergeefin-richting een herhaald inschrijven van de informatie noodzakelijk. Voor toepassingen, zoals alphanumerieke weergeefinrich-ting, waarbij de informatie gedurende lange tijd opgeslagen dient te worden, is een dergelijke matrix-weergeefinrichting 15 dan ook minder geschikt.

Uit het bovengenoemde artikel is h‘e.t"eveneens bekend, dat indien na het inschrijven de spanning over de beeldelementen zeer snel nul gemaakt wordt, de beeldelementen die zich in de metastabiele transparante homeotroop-20 nematische toestand bevinden zeer snel in de stabiele nagenoeg transparante planair-conische toestand overgaan. Deze snelle overgang treedt echter alleen op bij cholesterische vloeibare kristallen met een geringe koncentratie choleste-risch materiaal. De koncentratie cholesterisch materiaal zal 25 zodanig moeten zijn, dat de verhouding van de laagdikte d van de vloeibare kristallaag en de spoed p (pitch) van de planair-conische textuur niet groter is dan nagenoeg = 5. Dit heeft echter het nadeel, dat in de veldvrije toestand de lichtverstrooiende focal-conische geheugentoestand relatief 30 snel in de transparante planair-conische textuur teruggaat, hetgeen een beperking van de geheugentijd betekent.

De geheugentijd neemt exponentieel toe met 'V , zodat een verhoging van de koncentratie van het chole-

P

sterisch materiaal een vergroting van de geheugentijd be-35 tekent. In dit geval treedt echter de snelle overgang van de metastabiele transparante homeotroop-nematische toestand naar de stabiele nagenoeg transparante planair-conische toestand niet op. De transparante homeotroop-nematische toestand 800 1 5 56 * t ! PHN 9712 4 gaat eerst snel over in een lichtverstrooiende focal-conische tussentoestand om vervolgens slechts langzaam in de nagenoeg transparante planair-conische textuur over te gaan. Gedurende deze overgang is de ingeschreven informatie slecht of in 5 het geheel niet zichtbaar, hetgeen de weergeefinrichting niet geschikt maakt voor praktische toepassingen.

Het is dan ook het doel van de uitvinding een weergeefinrichting aan te geven, welke een lange geheugen-tijd vertoont en waarvan de informatie na het inschrijven 10 voortdurend zichtbaar is.

Een weergeefinrichting van de in de aanhef genoemde soort wordt daartoe volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de laag cholesterisch vloeibaar kristal boven een zekere kritische frequentie van het elektrische veld een 15 negatieve diëlektrische anisotropie bezit, en dat over de laag cholesterisch vloeibaar kristal een elektrisch veld met een frequentie boven de kritische frequentie wordt aangelegd om de transparante homeotroop-nematische textuur te laten overgaan in een transparante planair-nematische tex-20 tuur om vervolgens een nagenoeg transparante planair-conische textuur van de laag cholesterisch kristal te bewerkstelligen.

De uitvinding berust op het volgende inzicht. Vóór het inschrijven van de informatie worden alle beeldelementen met behulp van een veld met een veldsterkte boven E^ 25 en een frequentie beneden de kritische frequentie in de transparant homeotroop-nematische toestand gebracht. Vervolgens wordt over alle elementen een spanning aangelegd, die een tussen E^ en E^ gelegen veldsterkte E^ tot gevolg heeft. Van een aangestuurde rij worden de beeldelementen, die licht-30 verstrooiend moeten worden, gedurende een bepaalde tijd op een spanning nul gehouden, zodat de lichtverstrooiende focal-conische textuur ontstaat. Hierna wordt de spanning over deze beeldelementen weer verhoogd, zodanig dat over de beeldelementen een veldsterkte E^ tussen E^ en E2 ontstaat, waarbij 35 de lichtverstrooiende focal-conische structuur blijft bestaan. De overige beeldelementen van een aangestuurde rij worden gedurende het inschrijven bij een veldsterkte E^ in de transparant homeotroop-nematische toestand gehouden. Na- 800 1 5 56

5 I

t PHN 9712 5 dat alle rijen op deze wijze zijn ingeschreven, wordt over alle beeldelementen een veld met een frequentie boven de kritische frequentie aangelegd, tengevolge waarvan het choleste-rische vloeibare kristal een negatieve diëlektrische aniso-5 tropie verkrijgt. Hierdoor gaat van de transparante beeldelementen de homeotroop-nematische textuur over in een planair-nematische textuur. Tijdens de aanwezigheid van dit veld zal nu van de elementen, die zich in de planair-nematische toestand bevinden een spontane opwinding van helices plaatsvin-10 den. Na het uitschakelen van het veld gaat deze textuur over in de nagenoeg transparante planair-conische textuur. Bij deze overgangen blijft de informatie bontinu zichtbaar.

De grootte en de duur van het veld met een frequentie boven de kritische frequentie zijn zodanig, dat de focal-conische 15 textuur van de lichtverstrooiende elementen nagenoeg niet verstrooid wordt. Bovendien kan, omdat de overgang van de transparante homeotroop-nematische toestand naar de lichtverstrooiende focal-conische tussentoestand niet optreedt, een grotere koncentratie cholesterisch materiaal aan het 20 vloeibare kristal worden toegevoegd. Hierdoor wordt een langere geheugentijd verkregen. Opgemerkt wordt dat in het genoemde artikel op pagina 913 weliswaar waar gesproken wordt van een textuurovergang met behulp van een vloeibaar kristal waarvan de diëlektrische anisotropie boven een zekere kri-25 tische frequentie negatief is, maar het betreft daar echter een geheel andere veldafhankelijkheid van het vloeibaar kristal. Bij zeer lage koncentraties van het cholesterische materiaal in het vloeibare kristalmengsel treedt namelijk de teruggang van de homeotroop-nematische toestand naar de focal-30 conische toestand niet meer op. Van de verandering van de diëlektrische anisotropie wordt nu gebruik gemaakt om deze overgang toch te bewerkstelligen. Een nadere uitvoeringsvorm van een weergeefinrichting wordt gekenmerkt, doordat het cholesterische vloeibare kristal is samengesteld uit een 35 nematisch vloeibaar kristal mengsel bevattende 50 gewichts-procenten 4-n-pentylfenyl 2-chloor-4-(4-n-pentylbenzoy-loxy) benzoaat en 50 gewichtsprocenten 4-n-octylfenyl 2-chloor-4-(4-n-heptylbenzoyloxy) benzoaat, aan welk mengsel^ 800 1 5 56 >. 9 ί · PHN 9712 6 gewichtsprocenten van het eholesterische vloeibare kristal 4-cyano-4'-(2 methylbutyD-biphenyl is toegevoegd. In het algemeen kunnen vloeibare kristallen van de:, eholesterische soort gebruikt worden welke een relaxatie van een positieve 5 naar een negatieve diëlektrische anisotropie vertonen en waarvan de spoed (pitch) kleiner is dan nagenoeg één vijfde van de laagdikte.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijgaande tekening waarvan: 10 fig. 1 een doorsnede van een weergeefinrichting volgens de uitvinding toont, fig. 2 het werkingsprincipe van een weergeefinrichting volgens de uitvinding illustreert, fig. 3 het aansturen van een weergeefinrichting Tg volgens de uitvinding toont, en fig. 4a en 4b het verloop van de spanning als funfetie van de tijd over een lichtverstrooiend respectievelijk transparant element tonen.

Figuur 1 toont schematisch een doorsnede van een 20 weergeefinrichting volgens de uitvinding. De weergeefinrichting bevat twee glazen steunplaten 1 en 2. De steun-plaat 1 is voorzien van een patroon van stripvormige elektroden 3 van indiumoxide. De steunplaat 2 is eveneens voorzien van een patroon van stripvormige elektroden 5 van 25 indiumoxide, welke de elektroden 3 nagenoeg loodrecht kruisen. De elektroden 3 vormen op deze wijze bijvoorbeeld de rijen en de elektroden 5 de kolommen van een matrix van beeldelementen. De steunplaten 1 en 2 worden op een afstand van lO^um van elkaar gehouden door een afdich-30 tingsrand 6 van polyethylene folie. Ter verkrijging van een loodrechte oriëntatie van de vloeibare kristal mole-kulen aan het grensvlak van de steunplaten 1 en 2 zijn de oppervlakken behandeld met bijvoorbeeld een oplossing van perfluorsilane in hexaan. De laag vloeibaar kristal 35 8 is bijvoorbeeld samengesteld uit een nematisch vloeibaar kristal mengs.el bevattende 50 gew.ft 4-n-pentylfenyl- 2-chloor-4-(4-n-pentylbenzoyloxy) benzoaat en 50 gew.% 4-n-octylfenyl 2-chloor-4-(4-n-heptylbenzoyloxy) benzoaat, 800 1 5 56 f «* PHN 9712 7 welke stoffen verkrijgbaar zijn bij de Firma Eastman Kodak, aan welk mengsel 5 gevi/ichtsprocenten is toegevoegd van het cholesterische vloeibare kristal 4-cyano-41-(2-methylbutyl)-biphenyl, welke stof onder de naam CB 15 5 bij de firma BDH-Chemicals verkrijgbaar is. De kritische frequentie van dit mengsel, waarbij een overgang van positieve naar negatieve diëlektrische anisotropie plaatsvindt, ligt bij een frequentie van 3200 Hz. Dit mengsel vertoont een diëlektrische anisotropie van +5.9 bij 50 Hz en een jQ diëlektrische anisotropie van -2.4 bij 30 kHz. Deze waarden zijn gemeten bij een temperatuur van 25°C.

Het werkingsprincipe van een weergeefinrichting volgens de uitvinding wordt aan de hand van figuur 2 verklaard. Figuur 2a toont een spannings-transmissiekarak-15 teristiek van de weergeefinrichting. Er wordt uitgegaan van een nagenoeg transparante planair-conische textuur (A), zoals in fig. 2b schematisch is aangegeven. De langs-assen van de vloeibare kristalmoleculen zijn aan het oppervlak van de steunplaten loodrecht op het oppervlak 20 georiënteerd. De spoed van de helices is afhankelijk van de samenstelling van het nematisch-cholesterische vloeibare kristalmengsel en van het gebruikte cholesterische materiaal. Bij het aanleggen van een spanning met een frequentie beneden de kritische frequentie over de elektroden gaat boven 25 een zekere drempelspanning V^de planair-conische textuur over in een lichtverstrooiende focal-conische textuur (B), welke in fig. 2c is aangegeven. De assen van de helices draaien hierbij in een richting evenwijdig aan de steunplaten. Bij een toename van de spanning met een frequentie 30 beneden de kritische frequentie boven een zekere waarde Vj ontwinden de helices zich en ontstaat tengevolge van de positieve diëlektrische anisotropie een transparante homeotroop-nematische textuur (C), zoals in figuur 2d is aangegeven. Bij een langzame afname van de spanning 35 blijft de transparante homeotroop-nematische textuur (D) gehandhaafd tot een spanning beneden welke spanning

Vj (via de lijn E) de lichtverstrooiende focal-conische textuur (F) weer wordt bereikt. Bij een spanning met een 800 1 5 56 PHN 9712 8 frequentie beneden de kritische frequentie V^< kan de vloeibare kristallaag zich in een transparante homeotroop-nematische toestand bevinden, indien is uitgegaan van een spanning groter dan of in een 5 lichtverstrooiende focal-conische toestand, indien is uitgegaan van een spanning kleiner dan Indien de vloeibare kristallaag zich in de homeotroop-nematische toestand (D) bevindt, kan door het tijdelijk aanleggen van een voldoend grote, spanring met een frequentie 10 boven de kritische frequentie de nagenoeg transparante planair-conische toestand (A) in zeer korte tijd \i/orden bereikt. Tengevolge van de boven de kritische frequentie optredende negatieve diëlektrische anisotropie gaat de homeotroop-nematische textuur over in een planair-15 nematische textuur, zoals in figuur 2e is weergegeven. Tijdens de aanwezigheid van dit veld winden de helices zich weer spontaan op, zodat na het uitschakelen de nagenoeg transparante planair-conische textuur ontstaat.

De sturing van de matrixweergeefinrichting 20 volgens de uitvinding wordt bij wijze van voorbeeld aan de hand van figuur 3 uiteengezet. Met A en B zijn een tweetal rijelektroden en met C, D en E een drietal kolom- elektroden aangegeven van een matrix-weergeefinrichting met n-rijen. De beeldelementen bevinden zich op de kruis- 25 punten van de rij- en kolomelektroden. De weergeef- inrichting wordt eerst gewist, waartoe alle beeldelementen door het aanleggen van een spanning M^ met een frequentie beneden de kritische frequentie op de kolomelektroden en een spanning Vg met een frequentie beneden de kritische 30 frequentie op de rijelektroden eerst alle in de homeotroop- nematische toestand worden gebracht, hetgeen in figuur 3a met een open cirkeltje is aangegeven. De totale spanning V^ + \Iq is hierbij groter dan de in fig. 2a aangegeven spanning V^. Voor de gegeven laagdikte van lO^um. en het 35 gebruikte cholesterische vloeibare kristal bedraagt de spanning V. = 17V , 50Hz en VD = -8 V , 50 Hz, r 3 A rms’ B rms’ f welke spanningen voor het wissen gedurende 2 sec. dienen te worden gehandhaafd. De spanning komt overeen met de in 8001556 PHN 9712 9 fig. 2 aangegeven spanning V^· Vervolgens wordt de rijelek-trode A aangestuurd met een spanning +V^ en wordt de informatie op de kolomelektroden C, D en E ingeschreven met een spanning afwisselend +V^ en -V^. Bij het voorbeeld 5 was voor het inschrijven ongeveer 60 ms nodig. De beeldelementen waarover een totale spanning 0 staat, komen in de focal-conische toestand en worden lichtverstrooiend.

In fig. 3b zijn deze elementen met zwarte cirkeltjes aangegeven. De beeldelementen waarover een spanning van 10 2V^ staat blijven in de transparante homeotroop- nematische toestand. Op deze wijze worden alle rijen achtereenvolgens van informatie voorzien. Vervolgens wordt over alle elementen een spanning Vc met een frequentie boven de kritische frequentie aangelegd, hetgeen in fig.

15 3c is weergegeven. Bij het gegeven voorbeeld werd een spanning \l^ = ^^rms* ^ 9ec*urende 600 ms aangelegd. Hierdoor gaat de homeotroop-nematische toestand van de transparante beeldelementen over in de planair-nematische toestand. Tijdens de aanwezigheid van deze spanning 20 winden de helices zich spontaan op, zodat na het uitschakelen van de spanning de nagenoeg transparante planair-conische toestand ontstaat. De hoogfrequente wisselspanning Vc beïnvloedt de focal-conische toestand van de lichtverstrooiende beeldelementen nagenoeg niet.

25 Na het uitschakelen van de spanning blijft de informatie gedurende zeer lange tijd zichtbaar, en wel bij het gegeven voorbeeld langer dan enkele dagen.

In figuur 4a en 4b is schematisch het verloop van de totale spanning over een lichtverstrooiend respek-30 tievelijk een transparant element als functie van de tijd gedurende de aan de hand van fig. 3 beschreven aansturing weergegeven. De spanningen met een frequentie beneden de kritische frequentie zijn met een ononderbroken lijn weergegeven en de spanningen met een frequentie 35 boven de kritische frequentie zijn met een stippellijn weergegeven. In deze figuren is t de tijd benodigd voor het inschrijven van de informatie per rij en n x t de tijd benodigd voor het inschrijven van nrijen.

800 1 5 56

Claims

1. Weergeefinrichting bevattende twee evenwijdige steunplaten, elkaar kruisende patronen van stripvormige elektroden op de naar elkaar toegekeerde oppervlakken van de steunplaten, een laag cholesterisch vloeibaar 5 kristal met positieve diëlektrische anisotropie tussen de steunplaten, welke laag vloeibaar kristal beneden een zekere veldsterkte E^ een nagenoeg transparante planair-conische textuur of een lichtverstrooiende focal-conische textuur bezit, boven een zekere veldsterkte E2 een transit) parante homeotroop-nematische textuur bezit en voor veldsterkten tussen E^ en E2 een lichtverstrooiende focal-conische textuur of een transparantehomeotroop-nematische textuur bezit, met het kenmerk, dat de laag cholesterisch vloeibaar kristal boven een zekere kritische frequentie 15 van het elektrisch veld een negatieve diëlektrische anisotropie bezit, en dat over de laag cholesterisch-vloei-baar kristal een elektrisch veld met een frequentie boven de kritische frequentie wordt aangelegd om de homeotroop-nematische textuur in een transparante planair-nematische 20 textuur te laten overgaan om vervolgens een nagenoeg transparante planair-conische textuur van de laag cholesterisch vloeibaar kristal te bewerkstelligen.

2. Weergeefinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het cholesterische vloeibare kristal is 25 samengesteld uit een nematisch vloeibaar kristal mengsel bevattende 50 gewichtsprocenten 4-n-pentylfenyl 2-chloor-4-(4-n-pentylbenzoyloxy) benzoaat en 50 gewichtsprocenten 4-n-octylfenyl 2-chloor-4-(4-n-heptylbenzoyloxy) benzoaat • waaraan 5 gewichtsprocenten van het cholesterische vloei-30 bare kristal 4-cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl is toegevoegd . 800 1 5 56 35