DE69836228T2 - Zusammengesetzter, phasenseparierter organischer film und dessen herstellung - Google Patents

Zusammengesetzter, phasenseparierter organischer film und dessen herstellung Download PDF

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    • G02F2202/00Materials and properties
    • G02F2202/02Materials and properties organic material

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung stammt aus dem Bereich der Lichtmodulationsvorrichtungen und Vorrichtungen, die organische Verbundmaterialien einsetzen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Polymere und Flüssigkristallmaterialien (LC), die in solchen Vorrichtungen und Anzeigen verwendet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Lichtmodulationselemente, in welchen eine Verbundschicht aus einem Lichtmodulationsmaterial durch eine Phasentrennung einer Lösung aus einem Vorpolymer und einem organischen Fluid mit einem niedrigen Molekulargewicht gebildet wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Mehrere Typen von Licht-modulierenden flüssigen kristallinen Materialien sind gegenwärtig bekannt. Idealerweise bieten diese Materialien gewünschte Eigenschaften, wie zum Beispiel einen hohen Kontrast, schnelle Umschaltzeiten zwischen verschiedenen optischen Zuständen und weite Betrachtungswinkel. Einige andere wünschenswerte Eigenschaften sind ein geringer Energieverbrauch, um optische Zustände umzuschalten und beizubehalten, mechanische, thermische und elektrische Stabilität und eine einfache Herstellung.
  • Eine Kategorie von organischen Materialien, die die meisten der genannten erwünschten Charakteristika aufweist, sind ferroelektrische Flüssigkristalle, die auch als chiral-smektische C-Flüssigkristalle bezeichnet werden. Smektische Flüssigkristalle bestehen aus langen, stabähnlichen Molekülen, die in Schichten ange ordnet sind. In Fällen, in welchen die Moleküle in einem Winkel gegenüber den Schichten geneigt sind, werden sie als smektische C-Flüssigkristalle bezeichnet. Wenn eine Chiralgruppe in die Moleküle des Materials eingebunden wird oder wenn eine chirale Substanz dem smektischen Flüssigkristall hinzugefügt wird, bilden die Moleküle ein helixartige Muster entlang einer zu den Schichten senkrechten Richtung. Diese Strukturen sind als ferroelektrische Flüssigkristalle bekannt. Es ist bekannt, dass ferroelektrische Flüssigkristalle verglichen mit nematischen oder cholesterischen Flüssigkristallmaterialien extrem schnelle Umschaltzeiten aufweisen. Zusätzlich sind die Betrachtungswinkel von ferroelektrischen Anzeigen viel weiter als bei den meisten der anderen Typen von Flüssigkristallanzeigen.
  • Insbesondere wird die chiral-smektische C*-Mesophase, die eine ferroelektrische Flüssigkristallphase (FLC; „ferroelectric liquid crystal") ist, hauptsächlich zur Lichtmodulation in oberflächenstabilisierten FLC-Vorrichtungen (SSFLC), ferroelektrischen Gelen, deformierten Helixbildungseffektvorrichtungen (DHF) und polymerdispergierten FLC (PDFLC) verwendet. SSFLC- und DHF-Vorichtungen nutzen reines FLC, das in eine Zelle gefüllt wird, die zwei flache Substrate jeweils mit einer Ausrichtungsschicht umfasst. Ferroelektrische Gele umfassen reines FLC, das einen relativ geringen Anteil an darin gelöstem Polymer hat, welches durch die Substrate mit den Ausrichtungsschichten orientiert wird, wobei das Polymer gleichmäßig innerhalb des FLC verteilt wird und Teil der optisch aktiven Aspekte der Zelle wird, siehe zum Beispiel Hikmet et al., J. Appl. Phys. 79 (10), 15 M. PDFLC-Vorrichtungen, die in eine Polymermatrix eingebettete, durch eine Phasentrennung herbeigeführte Tröpfchen verwenden, können auch als Lichtmodulationselemente verwendet werden, siehe zum Beispiel JP 07248489 . Eine Ausrichtung eines FLC-Direktors innerhalb der Tröpfchen wird durch eine hochgradig anisotrope Aktivität der Polymermatrix oder durch externe Kräfte erreicht, wie zum Beispiel angelegte elektromagnetische Felder oder eine Scherung.
  • Fachleute werden anerkennen, dass Vorrichtungen, die SSFLC- und DHF-Materialien und ferroelektrische Gele verwenden, relativ kleine Zelllücken benötigen, ungefähr 1,5 μm, die verwendet werden, um einen optimalen Kontrast und eine optimale Übertragung zu erreichen. Desweiteren ist eine hohe Gleichförmigkeit der Zellräume zwischen den Substraten essentiell. Mit anderen Worten verhält sich die Vorrichtung nicht adäquat, sofern das Material nicht gleichförmig zwischen ordnungsgemäßen und präzise getrennten Zellsubstraten ausgerichtet ist. Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtungen ist, dass sie für mechanische, thermische und elektrische Stöße oder Beanspruchung hochgradig anfällig sind. Noch ein weiterer Nachteil ist, dass diese Materialien zu strukturellen Defekten tendieren, wie zum Beispiel Zick-Zack-Defekte während einer Vorrichtungsherstellung. Es ist auch schwierig, in SSFLCs erwünschte Eigenschaften zu erhalten, wie zum Beispiel Grauwertstufen.
  • Die PDFLC-Lichtmodulationsvorrichtungen besitzen Grauwerteigenschaften und weisen mehrere der Nachteile der anderen drei Vorrichtungen nicht auf, jedoch haben sie ihre eigenen spezifischen Nachteile. Insbesondere müssen die Brechungsindizes sowohl des Polymers als auch des FLC übereinstimmen, um Lichtbrechungen an den Oberflächen der Tröpfchen zu vermeiden. Ein weiterer Nachteil ist, dass die PDFLC-Vorrichtungen für eine optimale Leistung oft hohe angelegte Ströme benötigen, und als solche nicht dazu geeignet sind, durch elektronische Antriebe mit geringem Strom gesteuert zu werden.
  • Im Hinblick auf ein optisches Erscheinungsbild haben SSFLC-Zellen, die einen Polarisator und einen gekreuzten Analysator verwenden, der mit weißem Licht beleuchtet wird, ein Kontrastverhältnis größer als 100 und einen Übertragungswert von ungefähr 80% des möglichen Maximums. Jedoch sind SLFLC-Vorrichtungen, wie bereits angemerkt, sehr empfindlich gegenüber einem me chanischen Stoß, der eine Flüssigkristallorientierung leicht beschädigen kann und diese unbrauchbar machen kann.
  • Mehrere andere Flüssigkristallmaterialien, die für eine Lichtmodulation verwendet werden können, sind antiferroelektrische Flüssigkristalle (AFLC), cholesterische und nematische Flüssigkristalle. AFLCs sind auch gegenüber mechanischen Deformationen und thermischen Stößen empfindlich und benötigen eine kleine aber einheitliche Zelllücke. Während sie hinsichtlich Anwendungen relativ unerforscht sind, sind ihre physikalischen Parameter für elektrooptische Anwendungen zu optimieren. Hauptsächliche Nachteile von nematischen und cholesterischen Vorrichtungen sind ihre langsame Antwort und ihr schmaler Betrachtungswinkel.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Im Hinblick auf das Vorgenannte ist es ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen phasengetrennten organischen Verbundfilm (PSCOF) und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Films bereitzustellen, wobei der Film einen sehr hohen Kontrast, eine relativ hohe Übertragung und mechanische Stabilität aufweist.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, eine Zelle mit einem phasengetrennten organischen Verbundfilm bereitzustellen, der aus einem polymerisierbaren Verbund aus einem organischen Material mit niedrigem Molekulargewicht (LMW) und einem Vorpolymer gefertigt ist, der zwischen zwei Substraten angeordnet ist.
  • Wie oben angedeutet, ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Technik zum Phasentrennen einer Vorpolymerkomponente aus einer orga nischen LMW-Komponente bereitzustellen, um eine Schicht aus einem Polymermaterial zu bilden, die im wesentlichen benachbart zu wenigstens einem der Substrate angeordnet ist.
  • Wie bereits angedeutet, ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, das Vorpolymermaterial durch eine ultraviolette (UV) Belichtung zu polymerisieren, wobei die Belichtung des ultravioletten Lichts auf einer Seite der Zelle bewirkt, dass die Polymerschicht benachbart zu dem Substrat gebildet wird, das der ultravioletten Lichtquelle am nächsten ist.
  • Wie bereits angedeutet, ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Energie, Kollimation und Belichtungszeit des ultravioletten Lichts zu steuern, um Fugen, Kanäle oder Muster zu erzeugen, die organisches LMW-Material aufnehmen, das ein Flüssigkristall sein kann.
  • Wie bereits angedeutet, ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, eines oder beide Substrate mit einer Ausrichtungsschicht zu behandeln.
  • Wie bereits angedeutet, ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Zelllücke, den Typ und die Behandlung der Ausrichtungsschichten und die Temperatur; bei welcher die Phasentrennung auftritt, zu steuern, um die Struktur und die Betriebscharakteristika der Zelle zu verändern.
  • Wie bereits angedeutet, ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine externe Kraft anzuwenden, wie zum Beispiel ein elektrisches oder magnetisches Feld normal zu den Substraten, optische Strahlung oder eine Veränderung der Temperatur, um eine erwünschte optische Umschaltung des organischen Verbundfilms zu bewirken.
  • Wie bereits angedeutet, ist ein zusätzlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein nicht-flüssigkristallines Material, ein chiral- oder nicht-chiral-nematisches LC-Material, ein ferroelektrisches LC-Material, ein antiferroelektrisches LC, ein Monomer, das unter Bedingungen polymerisierbar ist, die von denjenigen der Phasentrennung verschieden sind, als das organische LMW-Material zu verwenden.
  • Wie bereits angedeutet, ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Vorpolymer zu verwenden, das durch eine durch Polymerisation herbeigeführte Phasentrennung (PIPS), eine thermisch herbeigeführte Phasentrennung (TIPS), eine durch Lösungsmittel herbeigeführte Phasentrennung (SIPS) phasengetrennt ist und wobei das Vorpolymer Zusätze enthalten kann und/oder ein multifunktionales Vorpolymer sein kann.
  • Wie bereits angedeutet, ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Festkörper- oder Polymer-Halbleitermaterial oder einen ferroelektrischen Festkörper-Film benachbart zu einem oder beiden der Substrate anzuordnen, um das Verhalten des organischen LMW-Materials zu modifizieren und insbesondere um eine Zelle mit optischer Strahlung „photoschaltbar" zu machen.
  • Die vorgenannten und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung, die anhand der detaillierten Beschreibung deutlich werden, werden durch eine Lichtmodulationszelle erreicht, die ein Paar gegenüberliegender Substrate, eine Ausrichtungsschicht, die an wenigstens einem der gegenüberliegenden Substrate dem anderen gegenüberliegenden Substrat zugewandt angeordnet ist, und einer Schicht aus einem Polymermaterial und einer Schicht aus einem organischen Material mit niedrigem Molekulargewicht (LMW) benachbart zu einem der Substrate mit der Ausrichtungsschicht umfasst.
  • Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch ein Verfahren zum Herstellen eines phasengetrennten organischen Verbundfilms erreicht, das die Schritte des Herstellens einer Lösung aus einem Vorpolymer und einem organischen Material mit niedrigem Molekulargewicht (LMW), des Bereitstellens eines Paars von Substraten mit einer Zelllücke dazwischen, des Anordnens der Lösung in der Zelllücke, des Herbeiführens einer Phasentrennung der Lösung, um wenigstens eine Schicht aus Polymermaterial, die zu einem des Paars von Substraten und einer Schicht aus organischem LMW-Material benachtbart ist, umfasst.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Für ein vollständiges Verständnis der Gegenstände, Techniken und der Struktur der Erfindung wird Bezug genommen auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen, worin:
  • 1 ist eine vergrößerte, teilweise im Querschnitt gezeigte, schematische Ansicht einer lichtübertragenden Lichtmodulationszelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 1A ist eine vergrößerte, teilweise im Querschnitt gezeigte, schematische Ansicht einer reflektiven Lichtmodulationszelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine graphische Repräsentation der Umschaltzeit gegen das an der Zelle angelegte elektrische Feld der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einer SSFLC-Zelle;
  • 3 ist eine graphische Repräsentation der normalisierten optischen Übertragung gegen das angelegte elektrische Feld, die die Grauwertfähigkeiten der vorliegenden Erfindung demonstriert; und
  • 4 ist eine vergrößerte, teilweise im Querschnitt gezeigte, schematische Ansicht einer Lichtmodulationszelle mit einer photosensitiven Schicht.
  • BESTMÖGLICHE WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Bezugnehmend auf 1 ist zu sehen, dass einer Lichtmodulationszelle gemäß der vorliegenden Erfindung grundsätzlich das Bezugszeichen 10 zugeordnet ist. Es wird deutlich, dass die Lichtmodulationszelle 10 nicht für externe Beanspruchungen und Stöße empfindlich ist, die anderenfalls andere Typen von Lichtmodulationszellen beschädigen oder beeinträchtigen können, und insbesondere diejenigen, die ferroelektrische und antiferroelektrische Flüssigkristallmaterialien verwenden. Die Lichtmodulationszelle 10 wird überwiegend wie andere Lichtmodulationszellen hergestellt und bietet gegenüber PDFLC-Vorrichtungen verbesserte elektrooptische Eigenschaften, wie zum Beispiel eine höhere Helligkeit und eine geringere Hintergrundstreuung, während sie die erwünschten Leistungsmerkmale von SSFLC-Vorrichtungen besitzt. Eine höhere Zelldicke, Grauwerte und eine schnellere Antwort bei niedrigen Feldern, so wie in den 2 und 3 gezeigt, sind deutliche Vorteile gegenüber SSFLC-Vorrichtungen. Obwohl die vorliegende Ausführungsform ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial verwendet, können andere organische Materialien mit niedrigem Molekulargewicht (LMW), wie zum Beispiel nematische, cholesterische, andere chirale und nicht-chirale ferroelektrische und antiferroelektrische Flüssigkristalle, polymerisierbare Monomere etc. leicht in eine Zelle integriert werden, die durch die hier offenbarten Techniken hergestellt wird. Nematische PSCOF-Vorrichtungen erfordern einen chiralen Zusatz, um eine verdrehte nematische (TN) Struktur zu erzeugen.
  • Zum Zwecke dieser Erfindung ist ein Material mit niedrigem Molekulargewicht jedes Material, das während einem der offenbarten Phasentrennungsprozesse nicht polymerisierbar ist.
  • Die in 1 gezeigte Lichtmodulationszelle 10 umfasst ein Paar gegenüberliegender, optisch klarer Substrate 12, die Glas, Kunststoff oder ein anderes Material sein kann, das im Stand der Technik bekannt ist. Ein Polarisator 14 kann auf der äußeren Oberfläche jedes Substrats 12 zum Zwecke des Modifizierens der optischen Charakteristika von übertragenem Licht angeordnet werden, um eine Zelle zum Betrieb in einem Übertragungsmodus zu betreiben. Eine Elektrode 16 kann auf den Innenoberflächen jedes der Substrate 12 bereitgestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Elektrode 16 ein Indium-Zinnoxidmaterial. Eine Ausrichtungsschicht 18 kann benachbart zu der Elektrode 16 bereitgestellt werden, um die Orientierung des organischen LMW-Materials zu steuern, das zwischen den Substraten 12 eingeschlossen ist. Beide der Substrate 12 können mit einer geeigneten Ausrichtungsschicht behandelt werden, um die erwünschte optische Leistung der Lichtmodulationszelle 10 zu erhalten. Wie in 1A zu sehen ist, kann alternativ ein Spiegel oder ein Lichtstreuer 19 an der Außenseite der Zelle gegenüber der Lichtquelle hinzugefügt werden, um eine Zelle zum Betrieb in einem Reflektionsmodus zu erhalten. In bestimmten Anwendungen ist der Polarisator benachbart zu dem Spiegel oder dem Lichtstreuer nicht notwendig.
  • Ein organisches Verbundmaterial 20, wie zum Beispiel ein ferroelektrisches smektisches C*-Flüssigkristall mit einem Vorpolymer, ist zwischen den Substraten 12 eingeschlossen. Das ferroelektrische smektische C*-Flüssigkristall wird in einer Lösung mit einem Vorpolymer kombiniert und durch Kapillarwirkung zwischen die Substrate 12 gefüllt. Natürlich können auch andere bekannte Füllmethoden verwendet werden. Die Kanten des Substrats 12 werden unter Verwendung bekannter Verfahren versiegelt.
  • Eine Vorrichtung zur Phasentrennung des organischen Verbundmaterials 20, wie zum Beispiel eine ultraviolette Lichtquelle 24, wird eingesetzt, um das LMW- Material von dem Polymer phasenzutrennen. Dies ist als durch Polymerisation herbeigeführte Phasentrennung bekannt. Insbesondere wird eine lichtübertragende, erhärtete Polymerschicht 26 an dem Substrat 12 benachbart zu der Lichtquelle 24 auf der dem Polarisator 14 gegenüberliegenden Seite gebildet. Eine organische LMW-Filmschicht 28, die in diesem Falle das ferroelektrische smektische C*-Flüssigkristall ist, wird an dem gegenüberliegenden Substrat 12 benachbart zu der Ausrichtungsschicht 18 gebildet. Mit anderen Worten bietet die Lichtmodulationszelle 10 wenigstens eine lichtübertragende erhärtete Polymerschicht 26, die gleichmäßig über einem Substrat 12 und einer organischen LMW-Schicht verteilt ist, die benachbart zu dem Substrat 12 mit der Ausrichtungsschicht 18 gebildet wird. Diese Ausrichtungsschicht 18 bewirkt eine makroskopische Ausrichtung des ferroelektrischen smektischen C*-Flüssigkristallmaterials. Es wird von Fachleuten anerkannt, dass eine Ausrichtungsschicht benachbart zu der Polymerschicht 26 eine Orientierung des organischen LMW-Materials vereinfacht, insbesondere wenn die Polymerschicht 26 relativ dünn ist. Die organische LMW-Filmschicht 28 ist ausgestaltet, um Licht in einem doppelbrechenden Modus mit einer Anwendung einer externen Kraft zu modulieren. Eine Phasentrennung kann auch chemisch, thermisch oder mit Lösungsmitteln herbeigeführt werden.
  • Eine Energiequelle 40 ist an den Elektroden 16 durch einen Schalter 41 befestigt. Der Schalter 41 kann verwendet werden, um die Energiequelle zu kontaktieren, die beiden Elektroden kurzzuschließen oder die Elektroden abzukoppeln, um Ladung auf ihnen zu speichern. Eine Anwendung eines elektrischen oder elektromagnetischen Felds oder anderer externer Kräfte bewirkt ein optisches Umschalten des ferroelektrischen Flüssigkristallmaterials. Ein Betrieb des Schalters 41 kann durch einen geeignet ausgestalteten elektronischen Antrieb gesteuert werden. Eine Verwendung eines elektronischen Antriebsschaltkreises erlaubt, bestimmte Bereiche einer Zellmatrix anzusprechen, was wiederum eine Erzeugung eines hohen Kontrasts zwischen den Bereichen erlaubt.
  • Bei der Anwendung des externen elektrischen Feldes erfahren Moleküle des FLC ein Moment aufgrund der Interaktion zwischen dem Feld und einer spontanen Polarisation (P) des FLC-Materials. Falls das angelegte Feld ausreichend hoch ist, orientiert dieses Moment die Moleküle neu, so dass P in die Richtung des elektrischen Feldes zeigt. Falls die durch die leitenden Elektroden angebrachte Spannung umgekehrt wird, orientieren sich die Moleküle wieder neu, so dass P auch umgekehrt wird. Die beiden entgegengesetzten Richtungen des angelegten Feldes bewirken, dass zwei verschiedene optische Zustände auftreten. Einer dieser Zustände wird als „AN"-Zustand und der andere als ein „AUS"-Zustand bezeichnet. Angelegte elektrische Felder, die nicht ausreichend hoch sind, damit P parallel zu sich selbst wird, bewirken eine teilweise Neuorientierung der FLC-Moleküle, was „Grau"-Werte mit einer optischen Übertragung zwischen dem „AN"- und dem „AUS"-Zustand zur Folge hat. Das Niveau der Übertragung hängt von der Stärke des angelegten Feldes ab und ist in 3 gezeigt, was eine vollständige Grauwertlichtmodulationszelle zur Folge hat.
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist eine Zelllückendicke zwischen einem Substrat 12 und der Ausrichtungsschicht 18 durch eine Dimension 42 definiert und eine Dicke der organischen LMW-Filmschicht 28 ist durch eine Dimension 44 gezeigt. Wenn die Polymerfilmschicht 26 polymerisiert wird, entwickelt sie sich an einer Oberfläche 49 benachbart zu der organischen LMW-Filmschicht 28. Die Filmschicht 28 umfasst Winkelstrukturen 45 mit einer durchschnittlichen lateralen Dimension 46, die durch einen Grat 47 aus Polymermaterial mit einer durchschnittlichen Dimension 48 getrennt sind. Die Bildung von Graten 47, die eine mechanische Unterstützung der Substrate 12 bereitstellen, macht diese Vorrichtungen mechanisch und thermisch robust. Wenn das durch die Polymerisation herbeigeführte Phasentrennungsverfahren (Belichtung mit UV-Licht einer geeigneten Wellenlänge) angewendet wird, beeinflussen bestimmte Variablen die Dimensionen 44, 46 und 48. Diese Variablen umfassen, sind hierauf aber nicht be schränkt: die chemische Natur und Struktur des ferroelektrischen Flüssigkristalls und des Vorpolymers in der Lösung; die prozentuale Zusammensetzung der in der Lösung verwendeten Materialien; den Typ und die Anordnung der Ausrichtungsschicht(en) und des Verfahrens ihrer Herstellung und Behandlung; die Temperatur, bei welcher die Phasentrennung stattfindet; die Energie, Kollimation und Richtung der Beleuchtung; und die Zelllückendickendimension 52.
  • Beispiel 1
  • Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird weiter veranschaulicht durch das folgende nicht-einschränkende Beispiel.
  • Ein ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial (FLC) Felix 15-100, erhältlich von Hoechst, Deutschland, wurde in Norland Optical Adhesive, NOA 65, erhältlich von Norland Products, Inc., USA, mit den folgenden Anteilen gelöst:
    Figure 00120001
  • Die gleichmäßige Lösung wurde hergestellt durch Zugeben von Komponenten in einen Behälter und dann Erhitzen der Lösung bis auf 120°C und Abkühlen. Um eine Zelle für die Mischung vorzubereiten, wurden zwei mit Indium-Zinnoxid (ITO) beschichtete Glassubstrate verwendet. Auf eines der Substrate wurde eine Polyvinylalkohol-Ausrichtungsschicht (PVA) durch Spin-Coating aufgetragen und dann bei einer Temperatur von 80°C für 30 Minuten getrocknet. Als nächstes wurde die Ausrichtungsschicht gleichlaufend mit einem Stoff abgerieben. Die beiden Substrate wurden durch Abstandshalter von 3 μm im Durchmesser getrennt und dann in einer Zelle montiert. Die Zelle wurde mit der Mischung bei einer Temperatur von 120°C unter Kapillarwirkung gefüllt und dann auf 90°C abgekühlt. Bei dieser Temperatur wurde die Zelle für 5 Minuten mit einer Strah lung einer 1000 W Mercury Bogenlampe durch einen dichromatischen Spiegel (Oriel Corp., Modell 66227) beleuchtet. Um die ausgerichtete Struktur des FLC zu erhalten, wurde das Substrat mit der Ausrichtungsschicht von der UV-Quelle entfernt angeordnet. Die Energie der Strahlung wurde durch die elektrische Energieversorgung der Lampe gesteuert und bei 300 W betrieben. Nach der ultravioletten Beleuchtung wurde die Zelle mit einer Rate von 8°C/Minute abgekühlt.
  • Variationen des Beispiels 1 umfassten die Verwendung anderer Arten von organischen Materialien und ein Variieren der Menge an Material in der Mischung. Die folgenden können auch verwendet werden, um die polymergetrennte organische Verbundfilmstruktur vorzubereiten:
    nematisches LC E7 (BDH limited);
    antiferroelektrisches Flüssigkristall MHPOBC;
    FLC-Mischungen, die aus einer Phenyl-Pyrimidin-Matrix und nicht-mesogenen optisch aktiven Dotiersubstanzen bestehen.
  • Die Menge an organischem Material in der Lösung mit dem Vorpolymer wurde über einen weiten Bereich verändert, zum Beispiel von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 90 Gew.-%. Dies resultiert in einer verschiedenen Dickendimension 44 der Flüssigktistallschicht 28 und verändert auch die Dimensionen 46 und 48.
  • Die phasengetrennte organische Verbundfilmstruktur (PSCOF) mit einem Flüssigkristall in entweder einer nematischen oder smektischen Phase besitzt die elektrooptischen Effekte, die zu der speziellen Phase bei Anwendung eines elektrischen Feldes gehören. Um die Massenumschaltung in eine chiral-smektische C-Phase (SmC*) zu demonstrieren, die durch die spontane Polymerisationsinteraktion des elektrischen Feldes bewirkt wird, kann die nach Beispiel 1 hergestellte PSCOF-Zelle zwischen gekreuzten Polarisatoren mit einem angelegten elektrischen Feld platziert werden. Eine kontinuierliche Veränderung der optischen Übertragung in Reaktion auf eine kontinuierliche Veränderung des angelegten Feldes wurde beobachtet. Es wurde herausgefunden, dass die Zelle des Beispiels 1 ein Kontrastverhältnis von ungefähr 100 für weißes Licht und eine Übertragung von ungefähr 50% im Hinblick auf eine Übertragung mit parallelen Polarisatoren bietet. Das Kontrastverhältnis kann durch Reduzieren der Anzahl von Zick-Zack-Defekten durch ein geeignetes thermisches Durchlaufen der Vorrichtung erhöht werden.
  • Bezugnehmend auf 2 ist zu sehen, dass eine exemplarische PSCOF-Zelle verbesserte Umschaltzeiten bei geringeren angewandten Spannungswrten bereitstellt. Dies ermöglicht PSCOf-Zellen mit schnelleren Auffrischungsraten bei geringeren Spannungen. PSCOF-Vorrichtungen sind auch gegenüber SSFLC-Vorrichtungen vorteilhaft, da sie aufgrund der Bildung von Polymergraten, die eine steife Stütze zwischen den beiden Substraten bilden, nicht so empfindlich gegen Stöße und Beanspruchung sind.
  • Bezugnehmend auf 3 ist zu sehen, dass eine exemplarische PSCOF-Zelle Grauwerteigenschaften ausbildet. Ein aktives Adressieren mit relativ geringen Stromwerten kann verwendet werden, um das gewünschte Niveau eines optischen Erscheinungsbilds aufrecht zu erhalten.
  • Es ist möglich, eine Vorrichtung mit dem obigen PSCOF-Verfahren zu bauen, die auf elektrische sowie auf optische Felder antwortet. Zu diesem Zweck werden geeignete funktionale Gruppen an das Polymer oder an spezielle Zusätzen gebunden, die in der Lösung enthalten sind. Die funktionalen Gruppen und Zusätze bieten eine Erzeugung, eine Übertragung und eine Speicherung von elektrischen Ladungen bei der Anwendung von elektrischen und optischen Feldern, die zum Adressieren der Vorrichtung verwendet werden. Dies macht die Antwort der Vorrichtung abhängig von der Intensität des optischen Feldes. Wie in 4 zu sehen ist, kann alternativ eine photosensitive Schicht 52, die entweder benach bart zu der organischen LMW-Filmschicht 28 oder zu der Polymerfilmschicht 26 ist, zwischen der korrespondierenden Elektrode 16 und der Ausrichtungsschicht 18 bereitgestellt werden. Die photosensitive Schicht 52 kann ein Festkörper- oder Polymer-Halbleitermaterial sein, oder ein ferroelektrischer Festkörper-Film.
  • Anhand der vorgenannten Struktur und des Verfahrens der Herstellung ist zu sehen, dass die phasengetrennte organische Verbundfilmlichtmodulationszelle vielfache Vorteile hat. In erster Linie ist die Zelle 10 immun gegen Stöße und Beanspruchung, während sie recht einfach herzustellen ist. Während des einzigartigen Herstellungsverfahrens weisen die optischen Eigenschaften der FLC eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Ungleichmäßigkeiten der Zelllücke auf. Die Zelle der vorliegenden Erfindung ist auch mit existierenden Herstellungstechnologien kompatibel. Da nur ein Substrat eine Ausrichtungsschicht haben kann, braucht das Substrat mit empfindlichen Strukturen, wie zum Beispiel ein Dünnfilmtransistorfeld, keine Behandlung, wodurch der Ertrag solcher Vorrichtungen dramatisch erhöht werden kann. Die Polymerschicht 26 kann als eine isolierende und Haftschicht dienen, wodurch die Möglichkeit eines Kurzschlusses vermieden wird, was das Anlegen von hohen Spannungen an die Zelle ermöglicht, wenn es notwendig ist, und Ladungshalteeigenschaften verbessert. Entsprechend bietet das offenbarte Verfahren einen neuen und einzigartigen Weg, gleichmäßige Filme aus Flüssigkristall oder anderen organischen Materialien herzustellen, ohne die Verwendung von Abstandshaltern mit der gleichen Dimension wie die Flüssigkristallschicht. Ein weiterer Vorteil von PSCOF-Vorrichtungen ist, dass sie entweder in einem Übertragungs- oder einem Reflektionsmodus betrieben werden können. Eine Zelle, die mit einem Polarisator und einem Reflektor hinter ihm aufgebaut ist, hat eine geringe Gesamtdicke und bietet eine hohe Reflektivität.
  • Somit ist zu sehen, dass die Ziele der Erfindung durch die oben präsentierte Struktur und die Verfahren erreicht werden. Während gemäß der Patentstatuten nur der bestmögliche Modus und eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin dung präsentiert und hier detailliert beschrieben wird, ist die Erfindung dennoch nicht darauf oder dadurch beschränkt. Dementsprechend ist für eine Anerkennung des wirklichen Schutzumfangs und der Breite der Erfindung auf die folgenden Ansprüche Bezug zu nehmen.

Claims (25)

  1. Eine Lichtmodulationszelle umfassend: ein Paar gegenüberliegender Substrate; eine Ausrichtungsschicht, die an wenigstens einem der gegenüberliegenden Substrate dem anderen gegenüberliegenden Substrat zugewandt angeordnet ist; und ein Verbundmaterial, das phasengetrennt ist in eine Schicht aus einem Polymermaterial, die hauptsächlich zu dem anderen der gegenüberliegenden Substrate benachbart angeordnet ist, und in eine Schicht eines organischen Materials mit einem niedrigen Molekulargewicht (LMW), die hauptsächlich zu einem der Substrate mit der Ausrichtungsschicht benachbart angeordnet ist.
  2. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 1, des weiteren umfassend: eine Elektrodenschicht, die an jedem Substrat den beiden Schichten zugewandt angeordnet ist; und eine elektrische Energiequelle, die mit den Elektrodenschichten zum Anlegen eines elektrischen Feldes verbunden ist, um das optische Erscheinungsbild der Zelle zu ändern.
  3. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 1, des weiteren umfassend: einen Polarisator, der auf jedem der Substrate angeordnet ist.
  4. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 1, wobei das Verbundmaterial in im wesentlichen planarer Form in die Schichten gebildet ist, durch eine Phasentrennung aus einer Lösung eines Vorpolymers und eines organischen LMW-Materials, die Vorpolymer von zwischen ungefähr 10% und ungefähr 90% des Gesamtgewichts der Lösung hat.
  5. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 4, wobei die Schicht aus organischem LMW-Material Rippen einer im wesentlichen einheitlichen Größe aus Polymermaterial umfasst, die einteilig mit der Schicht aus Polymermaterial und dem anderen der Substrate sind.
  6. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 4, wobei die Schicht aus organischem LMW-Material eine Schicht aus ferroelektrischem Flüssigkristall ist.
  7. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 6, wobei die Schicht aus ferroelektrischem Flüssigkristall an der Ausrichtungsschicht haftet, wenn die Lösung phasengetrennt ist.
  8. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus organischem LMW-Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ferroelektrisches Flüssigkristall, nematisches Flüssigkristall, cholesterisches Flüssigkristall, anti-ferroelektrisches Flüssigkristall und polymerisierbare Monomere umfasst.
  9. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus Polymermaterial Zusätze umfaßt.
  10. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus Polymermaterial multifunktionale Gruppen umfaßt, die an das Polymer gebunden sind.
  11. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 1, des weiteren umfassend: ein reflektives Element an einem der Substrate an einer der Zelllücke gegenüberliegenden Seite; und einen Polarisator an dem anderen der Substrate an einer der Zelllücke gegenüberliegenden Seite.
  12. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 11, des weiteren umfassend: einen Polarisator, der zwischen dem reflektiven Element und dem einen Substrat angeordnet ist.
  13. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 1, des weiteren umfassend: eine Ausrichtungsschicht, die an dem Substrat benachbart zu der Schicht aus Polymermaterial angeordnet ist.
  14. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 1, des weiteren umfassend: eine photosensitive Schicht, die zwischen der Ausrichtungsschicht und dem Substrat angeordnet ist.
  15. Verfahren zum Herstellen eines phasengetrennten organischen Verbundfilms, umfassend die Schritte: Vorbereiten einer Lösung aus einem Vorpolymer und einem organischen Material mit niedrigem Molekulargewicht (LMW); Bereitstellen eines Paars von Substraten mit einer Zelllücke dazwischen; dauerhaftes Anordnen der Lösung in der Zelllücke; und Herbeiführen einer Phasentrennung der Lösung, um wenigstens eine Schicht aus Polymermaterial, die hauptsächlich zu einem des Paars von Substraten benachbart ist, und eine Schicht aus organischem LMW-Material zu bilden, die hauptsächlich zu dem anderen des Paars von Substraten benachbart angeordnet ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, des weiteren umfassend den Schritt: Bereitstellen einer Ausrichtungsschicht an einem der Substrate, die dem anderen der Substrate zugewandt ist, benachbart zu der Schicht aus organischem LWM-Material.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, des weiteren umfassend den Schritt: Bereitstellen einer Ausrichtungsschicht an dem anderen der Substrate, benachbart zu der Schicht aus Polymermaterial.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Herbeiführens der Phasentrennung den folgenden Schritt umfasst: Belichten des Substrats ohne die Ausrichtungsschicht mit ultraviolettem Licht, das das Polymermaterial polymerisiert, das zu wenigstens dem Substrat, das dem Substrat mit der Ausrichtungsschicht gegenüberliegt, benachbart ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, des weiteren umfassend die Schritte: Bereitstellen der Lösung mit einem Vorpolymer von zwischen ungefähr 10% und ungefähr 90% des Gesamtgewichts der Lösung; und Bereitstellen von ferroelektrischem Flüssigkristall für das organische LMW-Material.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, des weiteren umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Polarisators an beiden der Zelllücke gegenüberliegenden Substraten; Bereitstellen einer Elektrode an jedem der den Polarisatoren gegenüberliegenden Substraten, und Verbinden einer Energiequelle mit den Elektroden zum Zwecke des Führens des ferroelektrischen Flüssigkristalls von einem optischen Zustand in einen anderen.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, des weiteren umfassend die Schritte: Bereitstellen eines reflektiven Elements an einem der der Zelllücke gegenüberliegenden Substrate; Bereitstellen von Elektroden an jedem Substrat benachbart zu der Zelllücke; und Verbinden einer Energiequelle mit den Elektroden zum Zwecke des Führens des ferroelektrischen Flüssigkristalls von einem optischen Zustand in einen anderen.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, des weiteren umfassend den Schritt: Bereitstellen eines Polarisators zwischen dem reflektiven Element und dem einen Substrat.
  23. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Herbeiführens einer Phasentrennung aus der Gruppe von Schritten ausgewählt wird, die eine Polymerisationsherbeiführung, eine thermische Herbeiführung und eine Lösungsmittelherbeiführung umfasst.
  24. Lichtmodulationszelle, umfassend: ein Paar von gegenüberliegenden Substraten; ein Verbundmaterial mit einem Vorpolymer und einem organischen Material mit niedrigem Molekulargewicht (LMW), wobei das Verbundmaterial phasengetrennt ist, um: eine Schicht aus Polymermaterial zu bilden, die hauptsächlich zu einem der Substrate benachbart ist; und eine Schicht aus organischem LMW-Material zu bilden, die hauptsächlich zu dem anderen der Substrate benachbart ist.
  25. Lichtmodulationszelle nach Anspruch 24, des weiteren umfassend: eine Elektrodenschicht, die an jedem Substrat den beiden Schichten zugewandt angeordnet ist, und eine elektrische Energiequelle, die mit den Elektrodenschichten zum Anbringen eines elektrischen Feldes verbunden ist, um das optische Erscheinungsbild der Zelle zu ändern.
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