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PATENTANSPRÜCHE
1. Elektrooptische Flüssigkristallanzeigezelle mit einem zwischen zwei mit Mitteln zur elektrischen Ansteuerung versehenen Platten angeordneten Flüssigkristall und darin eingelagerten, durch die Flüssigkristallmatrix orientierbaren dichroitischen Farbstoffmolekülen, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einlagerung von mindestens einem Farbstoff, mindestens zwei Absorptionsmaxima bei verschiedenen Wellenlängen im sichtbaren Bereich vorhanden sind, wovon mindestens eines durch die bevorzugte Absorption von parallel zur Moleküllängsachse linear polarisiertem Licht und mindestens ein anderes durch die bevorzugte Absorption von senkrecht zur Moleküllängsachse linear polarisiertem Licht charakterisiert ist.
2. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verschiedene Farbstoffe eingelagert sind, von denen mindestens je einer eine der beiden bevorzugten Absorptionseigenschaften aufweist.
3. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Farbstoff eingelagert ist, der beide Absorptionszustände mit den entsprechenden Polarisationsrichtungen gleichzeitig aufweist.
4. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder hinter dem Flüssigkristall ein Polarisator angeordnet ist.
5. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Platten ein Reflektor ist.
6. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallmatrix homogen orientiert ist.
7. Flüssigkristallanzeigezelle, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallmatrix schraubenförmig verdrillt ist.
8. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ganghöhe der Schraubenstruktur p grösser oder gleich dem vierfachen des Plattenabstands d ist.
9. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ganghöhe p der Schraubenstruktur kleiner ist als das vierfache des Plattenabstands d.
10. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Plattenoberflächen eine homogene Wandorientierung besteht.
11. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Plattenoberflächen eine homöotrope Wandorientierung besteht.
12. Flüssigkristallanzeigezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkristall positive Dielektrizitätsanisotropie besitzt.
13. Flüssigkristallanzeigezelle nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallmatrix homöotrop orientiert ist.
Die Erfindung betrifft eine elektro-optische Flüssigkristallanzeigezelle mit einem zwischen zwei mit Mitteln zur elektrischen Ansteuerung versehenen Platten angeordneten Flüssigkristall und darin eingelagerten, durch die Flüssigkristallmatrix orientierbaren dichroitischen Farbstoffmolekülen. Für solche Anzeigezellen hat sich der englische Ausdruck Guest-Host Zellen eingebürgert, dessen Übersetzung Gast/Wirt-Zellen ebenfalls verwendet wird.
Ein Guest-Host-Effekt wurde im Jahre 1968 von G.H.
Heilmeier et al. erstmalig beschrieben (Appl. Phys. Lett. 13, 1968, S. 91). Zur Verwirklichung dieses Effekts wurde ein dichroitischer Farbstoff in einer homogen orientierten positiv dielektrischen Flüssigkristallmatrix eingelagert und durch Anlegen einer elektrischen Spannung homöotrop umorientiert. Die Umorientierung der Farbstoffmoleküle in Feidrichtung hat eine Änderung der Farbintensität zur Folge. Im Idealfall, d.h. unter anderem bei perfekter homöotroper Orientierung der dichroitischen Moleküle (Ordnungsgrad S = 1) und 100%iger selektiver Absorption entlang den Moleküllängsachsen kann mit diesem Effekt ein maximaler Kontrast von 2:1 erreicht werden, falls kein Eintrittspolarisator verwendet wird.
Bei Verwendung eines Eintrittspolarisators kann zwar der Kontrast wesentlich erhöht werden, dafür wird jedoch durch den Polarisator die Transmission der Zelle im eingeschalteten Zustand beeinträchtigt. Zum Transmissionsverlust durch den Polarisator kommen im eingeschalteten Zustand noch zusätzliche Transmissionsverluste infolge von nicht perfekt homöotrop orientierten dichroitischen Molekülen hinzu, die eine Restfärbung erzeugen. Diese prinzipiell immer vorhandene Restfärbung derselben Farbe wie im feldfreien Zustand ist selbst bei Verwendung von Farbstoffmolekülen mit sehr hohem Ordnungsgrad (S etwa 0,8), die kaum noch wesentlich übertroffen werden können, noch intensiv genug um einen ästhetisch unbe friedigenden Eindruck zu erwecken und so die Realisierung von Guest-Host-Zellen, die in Reflexion betrieben werden, zu verhindern.
Im Jahre 1974 wurde von D.L. White et al. ein weiterer Guest-Host-Effekt beschrieben, der darauf beruht, dass dichroitische Farbstoffmoleküle in eine cholesterische Flüssigkristallmatrix eingebaut werden. Durch die schraubenförmige Verdrillung sollte sich die Notwendigkeit eines eingangsseitigen Polarisators erübrigen. Mit dieser Zelle wurde ohne Polarisator ein Kontrast erreicht, der deutlich besser ist als bei der von Heilmeier et al. vorgeschlagenen Zelle. Auch bei dieser Zelle wird jedoch lediglich die Farbintensität durch Anlegen eines elektrischen Feldes geändert. Nach diesem Prinzip aufgebaute Anzeigen sind daher prinzipiell ebenso wenig akzeptiert worden wie die ältere Zelle nach Heilmeier.
Ein zusätzlicher Nachteil der Zelle von White et al. besteht darin, dass der zugrunde liegende Effekt von der Feldstärke und nicht von der Spannung abhängig ist. Dabei sind die zur homöotropen Ausrichtung notwendigen Feldstärken umso höher, je niedriger die Ganghöhe der verdrillten Schraubenstruktur der Flüssigkristallmatrix ist. Dies hat zur Folge, dass in der Praxis optisch nicht optimale Ganghöhen verwendet werden müssen, da sonst die zur Ansteuerung der Zellen notwendigen Spannungen zu hoch würden. Zudem treten bei Verwendung von Matrizen mit geringer Ganghöhe unerwünschte optisch streuende Speichereffekte auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Flüssigknstallanzeige-Zelle anzugeben, mit der mit oder ohne Verwendung eines Polarisators gute Kontraste erzielbar sind und mit der insbesondere durch elektrische Ansteuerung Farbänderungen hervorgerufen werden können, ohne auf die bekannten Vorteile von Flüssigkristallzellen verzichten zu müssen.
Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch eine Anzeige Zelle der eingangs genannten Art die sich dadurch auszeichnet, dass durch die Einlagerung von mindestens einem Farbstoff, mindestens zwei Absorptionsmaxima bei verschiedenen Wellenlängen im sichtbaren Bereich vorhanden sind, wovon mindestens eines durch die bevorzugte Absorption von parallel zur Moleküllängsachse linear polarisiertem Licht und mindestens ein anderes durch die bevorzugte Absorption von senkrecht zu Moleküllängsachse linear polarisiertem Licht charakterisiert ist.
Die beiden vorstehend definierten Absorptionsmaxima lassen sich entweder in einem einzigen Farbstoffmolekül verwirklichen oder aber durch Einlagerung zweier verschiedener Farbstoffe, von denen jeder zu einem der speziellen Absorptionsmaxima beiträgt. Selbstverständlich ist es auch möglich mehr als zwei Farbstoffe mit unterschiedlichen Absorptionsmaxima und/ oder Richtungen der Absorption vorzusehen. Die Farbstoffe können auch selbst flüssigkristalline Phasen aufweisen.
Zur Verwirklichung des neuen Effekts werden bevorzugt
nematische Flüssigkristalle mit positiver dielektrischer Anisotropie verwendet. Die Struktur des Flüssigkristalls im feldfreien Zustand kann homogen orientiert oder schraubenförmig verdrillt sein. Flüssigkristalle, bei denen die schraubenförmige Verdrillung durch Beimischung eines cholesterischen Materials erzeugt wird und die Ganghöhe der Schraubenstruktur p la 4d (d = Plattenabstand) ist, sollen für den Zweck dieser Beschreibung ebenfalls unter den Begriff nematisch fallen. Hingegen sollen solche Strukturen, bei denen p < 4d ist, als cholesterisch bezeichnet werden. Bei Verwendung von cholesterischen Flüs sigkristallmatrizen können neben homogenen auch homöotrope Randbedingungen verwendet werden.
Es können auch nematische Flüssigkristalle mit negativer dielektrischer Anisotropie verwendet werden, die im feldfreien Zustand homöotrop angeordnet sind.
Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Anzeigezelle nach der Erfindung mit homogener Struktur im feldfreien Zustand;
Fig. 2 eine Ausführungsform mit schraubenförmig verdrillter Molekülanordnung und p ° 4d;
Fig. 3 eine Ausführungsform mit höher verdrillter Struktur.
Fig. 1 zeigt zwei im Abstand voneinander angeordnete Glasplatten 1, die auf den einander zugewandten Seiten mit transparenten Elektroden 2 versehen sind. Die Elektroden sind im Falle einer Anzeigeanordnung für Buchstaben, Ziffern etc. in bekannter Weise segmentiert. An die Elektroden kann mittels einer Spannungsquelle 3 eine Spannung angelegt werden. Zwischen den beiden Platten befindet sich ein homogen orientierter nematischer Flüssigkristall 4, in dem zwei verschiedene Farbstoffe 5 und 6 gelöst sind. Die Richtung der Längsachsen der Flüssigkristallmoleküle und damit auch diejenige der gelösten Farbstoffmoleküle wird als X-Richtung des in der Zeichnung angegebenen Achsenkreuzes festgelegt. Die Z-Richtung gibt die Richtung eines von einer Lichtquelle 7 zu einem Beobachter 8 gerichteten Lichtstrahls an.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich also zunächst auf einen Betrieb der Zelle in Transmission.
Die homogene Orientierung des nematischen Flüssigkristalls wird in bekannter Weise beispielsweise dadurch erzeugt, dass mindestens einer der Glasplatten eine die Moleküle in eine Vorzugsrichtung orientierende Oberflächenbeschaffenheit gegeben wird. Da der Flüssigkristall, wie erwähnt, positive dielektrische Anisotropie besitzt, wird er sich durch ein angelegtes elektrisches Feld mit Ausnahme der Randschichten annähernd senkrecht zu den Platten orientieren. Durch die Senkrechtstellung der Flüssigkristallmoleküle werden auch die Farbstoffmoleküle in eine zu den Platten senkrechte Richtung gezwungen.
Durch diese Richtungsänderung ergibt sich bei den Farbstoffen infolge ihres Dichroismus eine Änderung ihrer Absorptionscha rakteristik bezüglich des durch die Zelle gehenden Lichts.
Die beiden Farbstoffe unterscheiden sich durch folgende physikalischen Hauptmerkmale:
1. Die Absorptionsmaxima der beiden hiernach mit L und T bezeichneten Substanzen liegen im sichtbaren Bereich bei verschiedenen Wellenlängen XL bzw. Br d.h. die diesbezüglichen Farben 1 und t sind verschieden voneinander.
2. Die Moleküle L haben mindestens einen bei XL liegenden polarisierten optischen Übergang entlang der Moleküllängsachse. Mit anderen Worten ist das Absorptionsvermögen für einfallendes linear polarisiertes Licht bei L-Molekülen dann maximal, wenn der elektrische Vektor des Lichts parallel zur Moleküllängsachse schwingt. Die Moleküle T sollen mindestens einen bei hT liegenden polarisierten optischen Übergang senkrecht zur Moleküllängsachse aufweisen bzw. mit anderen Worten, einfallendes linear polarisiertes Licht dann maximal absorbieren, wenn dessen elektrischer Vektor senkrecht zur Moleküllängsachse schwingt.
Die Ordnungsgrade der Farbstoffe in der Matrix sollen mit SL bzw. ST bezeichnet werden.
Im allgemeinen wird SL * ST sein. Zur Vereinfachung der nachfolgenden Erläuterungen soll jedoch idealisierend angenommen werden, dass SL = ST = list. Unter der vorstehenden Annahme absorbieren im feldfreien Zustand lediglich die Moleküle L selektiv, d.h. der Beobachter 8 sieht bei einfallendem, in X-Richtung linear polarisiertem weissen Licht nur Licht der Farbe 1. Wird eine elektrische Spannung V an die transparenten Elektroden 2 angelegt, die grösser ist als eine Schwellenspannung Vih, so werden die positiv dielektrischen Flüssigkristallmo- leküle und mit ihnen die Längsachsen der Farbmoleküle L und T in Z-Richtung umorientiert (homöotrope Orientierung ).
In diesem Orientierungszustand absorbieren die Moleküle L (wegen SL = 1) kein Licht mehr. Dagegen liegen jetzt die Übergangsmomente der T-Moleküle in der x-y-Ebene, d.h. die T-Moleküle absorbieren nun selektiv weisses Licht und der Beobachter sieht die Farbe t. Die Farbe der Anzeigezelle lässt sich somit durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen 1 und t umschalten.
Ohne Polarisator absorbieren im feldfreien Zustand nicht nur die L-Moleküle sondern auch die in Y-Richtung liegenden Übergangsmomente der T-Moleküle. Dies hat zur Folge, dass der Beobachter, dessen Auge verschiedene Polarisationsrichtungen des Lichts nicht unterscheiden kann, im feldfreien Zustand eine Mischfarbe m sieht die von den Farben 1 und t und deren Mischungs- und Extinktionsverhältnissen abhängig ist.
Falls beispielsweise 1 = gelb und t = blau sind, so kann als Mischfarbe m = grün entstehen. Die Zelle würde dann zwischen grün und blau umschalten.
Im Gegensatz zu bekannten Guest-Host-Effekten erscheint dieser neue Effekt dem Auge als sehr kontrastreich, und zwar selbst dann, wenn sich die Gesamttransmission der Zelle zwischen feldfreiem Zustand und angelegter Spannung nicht ändert.
Durch eine Reihe von Massnahmen können beliebige Mischfarben erzeugt werden. So kann beispielsweise durch Hinzufügen eines oder mehrerer weiterer Farbstoffe, vorzugsweise ebenfalls dichroitische, eine Änderung der Mischfarbe in den beiden Schaltzuständen erreicht werden. Eine weitere Einflussmöglichkeit auf die Farben ergibt sich durch Absorptionsbeiträge, die auf bestimmten Molekülanordnungen beruhen. So kann beispielsweise durch das sogenannte Ankippen , d.h. die Schrägstellung der Moleküle des Flüssigkristalls infolge bestimmter in bekannter Weise herzustellender Oberflächenbeschaffenheit der Trägerplatten, die Absorption eines gegebenen Farbstoffs bezüglich der Fortpflanzungsrichtung des Lichts und damit sein Einfluss auf die Mischfarbe verändert werden.
Ein weiterer Einfluss auf die Mischfarbe ergibt sich aus den Ordnungsgraden S der L- und T-Farbstoffmoleküle, die, wie bereits erwähnt, in der Praxis kleiner als 1 sind.
Auf die in Fig. 1 gezeigte Anordnung angewendet bedeutet dies, dass bei Verwendung von Farbstoffen mit SL, ST < 1 SOwohl im feldfreien Zustand, als auch bei anliegendem Feld beide Farbstoffe einen Absorptionsbeitrag liefern. Im ausgeschalteten Zustand tragen nicht nur die L-Moleküle zur Absorption bei, sondern auch die T-Moleküle mit ihren nicht mehr perfekt in der y-z-Ebene liegenden Übergangsmomenten. Der Beobachter sieht die Mischfarbe muff.
Im eingeschalteten Zustand sieht er entsprechend eine andere Mischfarbe mOn, die durch die nicht verschwindenden Projektionen der Übergangsmomente der L- und T-Moleküle in die x-y-Ebene verursacht wird.
Aus dem obigen geht hervor, dass die Qualität bzw. die Ästhetik der neuen Anzeigen durch Verwendung von nicht idealen dichroitischen Farben, deren Ordnungsgrad kleiner als 1 ist, nicht grundsätzlich ungünstig beeinflusst wird. Es ergibt sich, wie erwähnt, lediglich eine Änderung der Mischfarbe, die ästhetisch durchaus bevorzugt sein kann.
Die Mischfarben mOff und m können also weitgehend durch die Wahl der Farben 1 und t, deren Mischungsverhältnis und Extinktionskoeffizienten, sowie durch ihre Ordnungsgrade und die Geometrie der Flüssigkristallmatrix bestimmt werden.
mOn weicht umso weniger von t ab, je näher der Ordnungsgrad der Moleküle L dem Zustand S = 1 kommt. Bei Verwendung eines in x-Richtung orientierten Polarisators bestehen analoge Verhältnisse für die Mischfarbe mOff bezüglich ST.
Wie üblich kann die Zelle selbstverständlich nicht nur in Transmission sondern auch in Reflexion betrieben werden. Zu diesem Zweck wird auf der dem Lichteinfall gegenüberliegenden Seite ein Reflektor angebracht; der Beobachter befindet sich auf der gleichen Seite wie die Lichtquelle. Da ein Polarisator nicht nötig ist, kann auf der Rückseite die reflektierende Oberfläche direkt an den Flüssigkristall anschliessen. Dies ergibt weitere Vorteile hinsichtlich der optischen Qualität und der Lichtausbeute.
Wie bereits erwähnt, kann die Flüssigkristallmatrix auch schraubenförmig verdrillt sein. Fig. 2 zeigt eine einfach verdrillte Struktur mit einer Ganghöhe vom vierfachen Plattenabstand.
Die eingelagerten Farbstoffmoleküle sind die gleichen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Abgesehen von den Farbstoffen entspricht diese Zelle der heute in Flüssigkristallanzeigen allgemein angewendeten TN (twisted nematic)-Zelle oder Drehzelle . Bei angelegtem elektrischem Feld orientiert bei dieser Ausführungsform der Flüssigkristall die Farbstoffmoleküle ebenfalls in eine annähernd homöotrope Struktur. Bei eingeschalteter Spannung ist die Zelle daher im wesentlichen mit dem in Fig. lb gezeigten Zustand vergleichbar. Auch diese Zelle kann sowohl ohne als auch mit Polarisator betrieben werden.
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt. Der Flüssigkristall hat in dieser Zelle eine hochverdrillte Molekülanordnung, wie sie von White et al. erstmals vorgeschlagen wurde und bei der die Ganghöhe p kleiner als 4d ist. Für die hochverdrillte Molekülanordnung gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Wandorientierungen, nämlich die homogene und die homöotrope. Dementsprechend verschieden ist im feldfreien Zustand auch die Anordnung der Schraubenstruktur. Bei homogener Wandorientierung steht die Schraubenachse im wesentlichen senkrecht zu den Platten. Diese Version ist in Fig. 3 gezeigt. Bei homöotroper Wandorientierung ist die Schraubenachse im we wesentlichen parallel zu den Platten ausgerichtet.
Neben den beiden grundsätzlichen Alternativen der homogenen und der homötropen Wandorientierung können selbstverständlich auch Zwischenformen auftreten, bei denen durch entsprechende Oberflächenbeschaffenheit der Platten eine Schrägstellung der Moleküle erreicht wird.
Bei der hochverdrillten Molekülanordnung kann sich eine Änderung der Mischfarbe mOff gegenüber derjenigen der homogenen Struktur ergeben. Dies ist auf den unterschielichen Einfluss der Farbe t auf die Farbe 1 zurückzuführen.
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes wird auch die hochverdrillte Struktur im wesentlichen in den in Fig. lb gezeigten Zustand übergeführt. Die Mischfarbe m im eingeschalteten Zustand ist somit auch bei dieser Anordnung im wesentlichen dieselbe wie bei der homogenen Struktur.
Als Wirt-Substanz für den neuen Effekt kommen praktisch alle in der Flüssigkristalltechnologie bewährten nematischen Substanzen bzw. Mischungen in Frage. Einige solche Mischungen sind beispielsweise in einem Artikel von Schadt, M. et al. in
IEEE Transactions on Electron Devices ED/25, Nr. 9 (1978),
1125-1137 beschrieben. Da sich die einzelnen Mischungen hin sichtlich ihrer verschiedenen Parameter unterscheiden und die einzelnen Parameter je nach Verwendungszweck mehr oder we niger ins Gewicht fallen, kann hier keine allgemein gültige Aus sage über die optimale Eignung einzelner Substanzen gemacht werden. Wegen ihrer günstigen Parameter haben sich aber beispielsweise die unter den Handelsbezeichnungen RO-TN-103 und RO-TN-403 bekannten Mischungen für breite Anwendungen als besonders geeignet erwiesen.
Zur Erzielung verdrillter Strukturen kann der Flüssigkristall mit den üblichen optisch aktiven Dotierungsmitteln gemischt werden, wie beispielsweise mit der unter der Bezeichnung CB
15 von der Firma British Drug Houses vertriebenen Substanz.
Verdrillte Strukturen lassen sich aber bekanntlich auch durch entsprechende Behandlung der Plattenoberflächen erzeugen.
Typische dichroitische Farben vom L-Typ wurden unter anderem von Constant et al. in Electronics Lett. 12 (1976) 514 beschrieben. Farben vom T-Typ sind von Demus, H. et al. in: Flüssige Kristalle in Tabellen, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1974 unter dem Stichwort Tetrazinverbindungen beschrieben.
Vorteilhaft am erfindungsgemässen Effekt ist vor allem der Umstand, dass sich bei der Umschaltung nicht nur eine Änderung der Farbintensität sondern auch eine Farbänderung ergibt.
Da das Auge auch geringe Farbänderungen selbst bei gleicher Extinktion der beiden Farben bei ihren Absorptionsmaxima Xmax als Kontrast empfindet, kommt der Farbintensitätsänderung beim neuen Effekt nicht mehr dieselbe limitierende Bedeutung zu wie bei den bisher bekannten Guest-Host-Effekten.
Es lassen sich ästhetisch bedeutend bessere Kontraste und eine Vielfalt elektrisch steuerbarer Farbkombinationen erzielen. Zudem ist die ästhetische Erscheinung des Effekts bei weitem nicht in dem Masse durch den prinzipiell nicht perfekten Ordnungsgrad S von dichroitischen Farbstoffen begrenzt wie bei den bisher bekannten Guest-Host-Effekten. Vielmehr kann dieser Umstand zur Erzeugung geeigneter Mischfarben sogar vorteilhaft ausgenutzt werden.
Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ist der in den Zeichnungen durch den Pfeil P angedeutete Polarisator fakultativ, d.h. die Zellen können ohne oder mit Polarisator betrieben werden. Darüberhinaus ist es aber auch bei Verwendung eines Polarisators ohne Bedeutung, ob er vor oder hinter dem Flüssigkristall angeordnet ist. Wichtig ist lediglich, dass die Polarisationsrichtung im wesentlichen mit der Wandorientierung an der benachbarten Platte bzw. mit dem entsprechenden nematischen Direktor übereinstimmt.
Flüssigkristallanzeigen, die auf diesem neuen Effekt beruhen, können in den meisten bisher bekannten Anwendungsgebieten für Flüssigkristallanzeigen eingesetzt werden. Darüber hinaus bieten sie den besonderen Vorteil einer gegenüber bekannten Effektefl überlegenen Farbänderung. Diese Eigenschaft dürfte Anwendungsgebiete erschliessen, für die bisher Flüssigkristallanzeigen noch nicht als optimal gelten konnten.
Hierzu gehört beispielsweise die Anwendung für Farbbildanzeigen, beispielsweise für Fernsehgeräte oder andere Bildanzeigegeräte.
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PATENT CLAIMS
1. Electro-optical liquid crystal display cell with a liquid crystal arranged between two plates provided with means for electrical control and embedded therein, dichroic dye molecules orientable by the liquid crystal matrix, characterized in that at least two absorption maxima are present at different wavelengths in the visible range due to the inclusion of at least one dye are at least one of which is characterized by the preferred absorption of light linearly polarized parallel to the longitudinal axis of the molecule and at least one other by the preferred absorption of light linearly polarized perpendicular to the longitudinal axis of the molecule.
2. Liquid crystal display cell according to claim 1, characterized in that at least two different dyes are incorporated, at least one of which has one of the two preferred absorption properties.
3. Liquid crystal display cell according to claim 1, characterized in that a dye is incorporated, which has both absorption states with the corresponding polarization directions at the same time.
4. Liquid crystal display cell according to claim 1, characterized in that a polarizer is arranged in front of or behind the liquid crystal.
5. Liquid crystal display cell according to claim 1, characterized in that one of the two plates is a reflector.
6. Liquid crystal display cell according to claim 1, characterized in that the liquid crystal matrix is oriented homogeneously.
7. Liquid crystal display cell, according to claim 1, characterized in that the liquid crystal matrix is twisted helically.
8. Liquid crystal display cell according to claim 7, characterized in that the pitch of the screw structure p is greater than or equal to four times the plate spacing d.
9. Liquid crystal display cell according to claim 7, characterized in that the pitch p of the screw structure is less than four times the plate spacing d.
10. Liquid crystal display cell according to claim 9, characterized in that there is a homogeneous wall orientation on the plate surfaces.
11. Liquid crystal display cell according to claim 9, characterized in that there is a homeotropic wall orientation on the plate surfaces.
12. Liquid crystal display cell according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid crystal has positive dielectric anisotropy.
13. Liquid crystal display cell according to one of claims 1-5, characterized in that the liquid crystal matrix is oriented homeotropically.
The invention relates to an electro-optical liquid crystal display cell with a liquid crystal arranged between two plates provided with means for electrical control and embedded therein, dichroic dye molecules orientable by the liquid crystal matrix. The term guest-host cells has become common for such display cells, and the translation of guest / host cells is also used.
A guest host effect was created in 1968 by G.H.
Heilmeier et al. described for the first time (Appl. Phys. Lett. 13, 1968, p. 91). To achieve this effect, a dichroic dye was embedded in a homogeneously oriented, positive dielectric liquid crystal matrix and reoriented homeotropically by applying an electrical voltage. The reorientation of the dye molecules in the direction of the enemy results in a change in the color intensity. Ideally, i.e. Among other things, with perfect homeotropic orientation of the dichroic molecules (degree of order S = 1) and 100% selective absorption along the longitudinal axes of the molecules, a maximum contrast of 2: 1 can be achieved with this effect if no entry polarizer is used.
If an entrance polarizer is used, the contrast can be increased considerably, but the transmission of the cell in the switched-on state is impaired by the polarizer. In addition to the transmission loss through the polarizer, there are additional transmission losses in the switched-on state as a result of dichroic molecules which are not perfectly homeotropically oriented and which produce a residual color. This residual color of the same color as in the field-free state, which is always present, is still intense enough, even when using dye molecules with a very high degree of order (S about 0.8), which can hardly be surpassed, to give an aesthetically unsatisfactory impression and so on to prevent the realization of guest-host cells that are operated in reflection.
In 1974, D.L. White et al. described another guest-host effect, which is based on the fact that dichroic dye molecules are incorporated into a cholesteric liquid crystal matrix. The helical twisting should eliminate the need for an input polarizer. With this cell, a contrast was achieved without a polarizer, which is significantly better than that of Heilmeier et al. proposed cell. In this cell too, however, only the color intensity is changed by applying an electric field. Ads based on this principle have therefore in principle not been accepted, just like the older Heilmeier cell.
An additional disadvantage of the White et al. is that the underlying effect depends on the field strength and not on the voltage. The field strengths required for homeotropic alignment are higher the lower the pitch of the twisted screw structure of the liquid crystal matrix. The consequence of this is that in practice optically not optimal pitches have to be used, since otherwise the voltages required to control the cells would be too high. In addition, if matrices with a low pitch are used, undesirable optically scattering memory effects occur.
The present invention is based on the object of specifying a liquid crystal display cell with which good contrasts can be achieved with or without the use of a polarizer and with which color changes can be brought about in particular by electrical control, without having to forego the known advantages of liquid crystal cells.
According to the invention, this is achieved by a display cell of the type mentioned at the outset which is characterized in that at least two absorption maxima are present at different wavelengths in the visible range due to the incorporation of at least one dye, at least one of which is linear due to the preferred absorption parallel to the longitudinal axis of the molecule polarized light and at least one other is characterized by the preferred absorption of linearly polarized light perpendicular to the longitudinal axis of the molecule.
The two absorption maxima defined above can either be achieved in a single dye molecule or else by incorporating two different dyes, each of which contributes to one of the special absorption maxima. Of course, it is also possible to provide more than two dyes with different absorption maxima and / or directions of absorption. The dyes can also themselves have liquid-crystalline phases.
Preferred to achieve the new effect
nematic liquid crystals with positive dielectric anisotropy are used. The structure of the liquid crystal in the field-free state can be homogeneously oriented or twisted helically. Liquid crystals in which the helical twist is generated by admixing a cholesteric material and the pitch of the screw structure is p la 4d (d = plate spacing) should also fall under the term nematic for the purpose of this description. On the other hand, structures in which p <4d should be called cholesteric. When using cholesteric liquid crystal matrices, homeotropic boundary conditions can be used in addition to homogeneous ones.
Nematic liquid crystals with negative dielectric anisotropy can also be used, which are arranged homeotropically in the field-free state.
Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings.
Show it
1 shows a display cell according to the invention with a homogeneous structure in the field-free state;
2 shows an embodiment with a helically twisted molecular arrangement and p ° 4d;
Fig. 3 shows an embodiment with a higher twisted structure.
1 shows two glass plates 1 which are arranged at a distance from one another and which are provided with transparent electrodes 2 on the sides facing one another. In the case of a display arrangement for letters, numbers, etc., the electrodes are segmented in a known manner. A voltage can be applied to the electrodes by means of a voltage source 3. A homogeneously oriented nematic liquid crystal 4, in which two different dyes 5 and 6 are dissolved, is located between the two plates. The direction of the longitudinal axes of the liquid crystal molecules and thus also that of the dissolved dye molecules is determined as the X direction of the axis cross shown in the drawing. The Z direction indicates the direction of a light beam directed from a light source 7 to an observer 8.
The following description therefore initially relates to operating the cell in transmission.
The homogeneous orientation of the nematic liquid crystal is produced in a known manner, for example, by giving at least one of the glass plates a surface texture that orientates the molecules in a preferred direction. As mentioned, since the liquid crystal has positive dielectric anisotropy, it will be oriented approximately perpendicular to the plates by means of an applied electric field with the exception of the boundary layers. The vertical position of the liquid crystal molecules also forces the dye molecules in a direction perpendicular to the plates.
This change in direction results in a change in the absorption characteristics of the dyes due to their dichroism with respect to the light passing through the cell.
The two dyes differ in the following main physical characteristics:
1. The absorption maxima of the two substances designated L and T hereinafter are in the visible range at different wavelengths XL and Br, respectively. the relevant colors 1 and t are different from each other.
2. The molecules L have at least one polarized optical transition located at XL along the longitudinal axis of the molecule. In other words, the absorption capacity for incident linearly polarized light with L molecules is maximal when the electrical vector of the light oscillates parallel to the longitudinal axis of the molecule. The molecules T should have at least one polarized optical transition lying at hT perpendicular to the longitudinal axis of the molecule or, in other words, maximally absorb incident linearly polarized light when its electrical vector oscillates perpendicular to the longitudinal axis of the molecule.
The degrees of order of the dyes in the matrix should be referred to as SL or ST.
In general it will be SL * ST. To simplify the following explanations, however, it should ideally be assumed that SL = ST = list. Under the above assumption, only the molecules L selectively absorb in the field-free state, i.e. the observer 8 sees only light of color 1 in the case of incident white light linearly polarized in the X direction. If an electrical voltage V is applied to the transparent electrodes 2 that is greater than a threshold voltage Vih, the positive dielectric liquid crystal molecules and with them the longitudinal axes of the color molecules L and T reoriented in the Z direction (homeotropic orientation).
In this orientation state, the molecules L no longer absorb light (because of SL = 1). In contrast, the transition moments of the T molecules now lie in the x-y plane, i.e. the T molecules now selectively absorb white light and the observer sees the color t. The color of the display cell can thus be switched between 1 and t by applying an electrical voltage.
Without a polarizer, not only the L molecules absorb in the field-free state but also the transition moments of the T molecules in the Y direction. As a result, the observer, whose eye cannot distinguish different polarization directions of the light, sees a mixed color m in the field-free state, which is dependent on the colors 1 and t and their mixing and extinction ratios.
If, for example, 1 = yellow and t = blue, the mixed color can be m = green. The cell would then switch between green and blue.
In contrast to known guest-host effects, this new effect appears to be very rich in contrast, even if the overall transmission of the cell does not change between the field-free state and the applied voltage.
Any combination of colors can be created by a series of measures. For example, by adding one or more other dyes, preferably also dichroic, a change in the mixed color in the two switching states can be achieved. Another possibility of influencing the colors results from absorption contributions, which are based on certain molecular arrangements. For example, the so-called tilting, i.e. the inclination of the molecules of the liquid crystal as a result of certain surface properties of the carrier plates to be produced in a known manner, the absorption of a given dye with respect to the direction of propagation of the light and thus its influence on the mixed color are changed.
A further influence on the mixed color results from the degrees S of order of the L and T dye molecules, which, as already mentioned, are smaller than 1 in practice.
Applied to the arrangement shown in FIG. 1, this means that when dyes with SL, ST <1 SO are used, both in the field-free state and in the adjacent field, both dyes make an absorption contribution. When switched off, not only the L molecules contribute to absorption, but also the T molecules with their transition moments, which are no longer perfectly in the y-z plane. The observer sees the mixed color muff.
Accordingly, when switched on, he sees another mixed color mOn, which is caused by the non-disappearing projections of the transition moments of the L and T molecules into the x-y plane.
From the above it can be seen that the quality or the aesthetics of the new advertisements is not fundamentally adversely affected by the use of non-ideal dichroic colors whose degree of order is less than 1. As mentioned, there is only a change in the mixed color, which can be aesthetically preferred.
The mixed colors mOff and m can thus largely be determined by the choice of colors 1 and t, their mixing ratio and extinction coefficients, as well as by their degree of order and the geometry of the liquid crystal matrix.
The closer the degree of order of the molecules L comes to the state S = 1, the less deviates from t. When using a polarizer oriented in the x direction, there are analogous relationships for the mixed color mOff with respect to ST.
As usual, the cell can of course not only be operated in transmission but also in reflection. For this purpose, a reflector is attached on the side opposite to the incidence of light; the observer is on the same side as the light source. Since a polarizer is not necessary, the reflective surface on the back can be connected directly to the liquid crystal. This gives further advantages in terms of optical quality and light output.
As already mentioned, the liquid crystal matrix can also be twisted helically. Fig. 2 shows a single twisted structure with a pitch of four times the plate spacing.
The embedded dye molecules are the same as in the embodiment according to FIG. 1. Apart from the dyes, this cell corresponds to the TN (twisted nematic) cell or rotary cell that is generally used today in liquid crystal displays. In this embodiment, when the electric field is applied, the liquid crystal also orients the dye molecules into an approximately homeotropic structure. When the voltage is switched on, the cell is therefore essentially comparable to the state shown in FIG. 1b. This cell can also be operated without or with a polarizer.
Another embodiment is shown in FIG. 3. The liquid crystal in this cell has a highly twisted molecular arrangement, as described by White et al. was proposed for the first time and in which the pitch p is less than 4d. There are basically two different wall orientations for the highly twisted molecular arrangement, namely the homogeneous and the homeotropic. The arrangement of the screw structure is correspondingly different in the field-free state. With a homogeneous wall orientation, the screw axis is essentially perpendicular to the plates. This version is shown in Fig. 3. In the case of homeotropic wall orientation, the screw axis is aligned essentially parallel to the plates.
In addition to the two basic alternatives of homogeneous and homotropic wall orientation, intermediate forms can of course also occur, in which an inclination of the molecules is achieved by appropriate surface properties of the plates.
With the highly twisted molecular arrangement, the mixed color mOff may change compared to that of the homogeneous structure. This is due to the different influence of color t on color 1.
By applying an electric field, the highly twisted structure is also essentially brought into the state shown in FIG. 1b. The mixed color m in the switched-on state is thus essentially the same in this arrangement as in the homogeneous structure.
Practically all nematic substances or mixtures which have been tried and tested in liquid crystal technology can be considered as the host substance for the new effect. Some such mixtures are described, for example, in an article by Schadt, M. et al. in
IEEE Transactions on Electron Devices ED / 25, No. 9 (1978),
1125-1137. Since the individual mixtures differ with regard to their different parameters and the individual parameters are more or less important depending on the intended use, no generally valid statement can be made here about the optimal suitability of individual substances. Because of their favorable parameters, however, the mixtures known under the trade names RO-TN-103 and RO-TN-403 have proven to be particularly suitable for broad applications.
In order to achieve twisted structures, the liquid crystal can be mixed with the customary optically active dopants, such as, for example, with the name CB
15 substance sold by the British Drug Houses company.
As is known, twisted structures can also be produced by appropriate treatment of the plate surfaces.
Typical L-type dichroic colors have been developed by Constant et al. in Electronics Lett. 12 (1976) 514. T-type colors are described by Demus, H. et al. in: Liquid crystals in tables, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1974 under the keyword tetrazine compounds.
The advantage of the effect according to the invention is, above all, the fact that the switch does not only result in a change in color intensity but also a change in color.
Since the eye also perceives minor changes in color as contrast even with the same extinction of the two colors at their absorption maxima Xmax, the change in color intensity in the new effect no longer has the same limiting significance as in the previously known guest-host effects.
Aesthetically significantly better contrasts and a variety of electrically controllable color combinations can be achieved. In addition, the aesthetic appearance of the effect is far from being limited by the principally imperfect degree of order S of dichroic dyes, as in the case of the guest-host effects known to date. Rather, this fact can even be advantageously used to produce suitable mixed colors.
As can be seen from the foregoing, the polarizer indicated by the arrow P in the drawings is optional, i.e. the cells can be operated with or without a polarizer. In addition, it is also irrelevant when using a polarizer whether it is arranged in front of or behind the liquid crystal. It is only important that the direction of polarization essentially corresponds to the wall orientation on the adjacent plate or with the corresponding nematic director.
Liquid crystal displays that are based on this new effect can be used in most previously known fields of application for liquid crystal displays. In addition, they offer the particular advantage of a color change that is superior to known effects. This property should open up areas of application for which liquid crystal displays could not yet be considered optimal.
This includes, for example, the application for color image displays, for example for television sets or other image display devices.