DE102005028076B4 - Flüssigkristall-Display ohne Orientierungsschichten - Google Patents

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Abstract

LCD ohne Orientierungsschichten, dadurch gekennzeichnet, dass das LCD aus zwei übereinanderliegenden, durch Zug verformten Glasträgerplatten besteht, an den Innenseiten der Glasträgerplatten optisch transparente Elektroden platziert sind und sich zwischen den Glassträgerplatten eine Flüssigkristallsubstanz befindet, wobei im feldlosen Zustand die Flüssigkristallmoleküle in Zugrichtung des Glases orientiert sind und bei angelegtem elektrischem Feld diese Orientierung der Flüssigkristallmoleküle aufgehoben ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Flüssigkristall-Display (LCD), bei dem die bisher üblichen Orientierungsschichten nicht mehr benötigt werden.
  • Aus der Druckschrift DE 24 22 784 A „Zelle mit Flüssigkristall" ist bekannt, dass die Flüssigkristalle sich durch die Wirkung von auf die Elektroden aufgebrachten orientierten Polymeren planar ausrichten lassen.
  • Weiter ist bekannt, dass für LCDs durch Zugverformung bearbeitete Gläser verwendet werden, wobei vor der Zugverformung metallische Partikel in das Glas eingebracht werden.
  • Gemäß DE 198 07 121 B4 „Optischer Schalter" wird ein LCD-Aufbau beschrieben, bei dem die Glasträgerplatten aus dichroitischem Glas bestehen, an den Innenseiten der Glasträgerplatten transparente Elektroden angeordnet sind und die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle an Orientierungsschichten erfolgt, welche in der Regel aus Polyimid bestehen. Diese Orientierungsschichten weisen ein rillenartiges Profil auf, an dem sich die Flüssigkristallmoleküle im feldlosen Zustand ausrichten. Entsprechend einer Variante gemäß DE 198 07 121 B4 ist der optische Schalter dadurch gekennzeichnet, dass ein Glasträger oder beide Glasträger aus dichroitischem Polarisationsglas bestehen bzw. bestanden und der/die Glasträger eine durch Elektronenstrahlen strukturierte Oberfläche mit matrixartig verteilten dichroitischen Farbfiltern im Sinne von Farbfilterschichten aufweist/aufweisen.
  • In dem Fall, dass die Glasträger dichroitisch ausgebildet sind, werden diese nach einem speziellen Verfahren gemäß DE 198 29 970 C2 hergestellt. Diesem Verfahren entsprechend werden Metallionen (z.B. Silberionen) in die Glasoberfläche eingebracht, indem durch einen mehrfachen Wechsel von Temperschritten zum Ausscheiden kugelförmiger Metallpartikel, einem erneuten Einbringen von Metallionen und nachfolgendem Tempern eine breite Größenverteilung der Partikel erreicht wird. Bei einer Deformation des Glases entstehen ellipsoidförmige Partikel verschiedener Größe mit unterschiedlichen Halbachsenverhältnissen. Diese Partikel zeichnen sich durch eine breite Größenverteilung aus, wobei die Partikel in Bezug auf die Ellipsoidform unterschiedliche Exzentrizitäten aufweisen. In die dichroitischen Glasträger, die als Farbfilter und Polarisatoren wirken, sind somit in charakteristischer Weise ellipsoidförmige metallische kristalline nanoskalige Ausscheidungen (in Dimensionen von wenigen 10 nm) mit einheitlicher Orientierung in dünnen Bereichen, beginnend von der Oberfläche des Glases bis in ca. 10 μm Tiefe, eingelagert. Da diese Ausscheidungen ein anisotropes Absorptionsverhalten aufweisen, werden Polarisations- und dichroitische Farbwirkungen hervorgerufen.
  • Es ist weiterhin gemäß DE 100 65 646 C2 ein Polarisator mit einer tiefenabhängig unterschiedlichen dichroitischen Absorption bekannt. Durch Ionenaustausch, Tempern und anschließende Deformation wird bei der DE 100 65 646 C2 eine dünne dichroitische Glasschicht ausgebildet. Durch Ausbildung unterschiedlicher Kolloidgrößen in verschiedenen Tiefen der Glasschicht entstehen tiefenabhängige Bereiche mit unterschiedlichem dichroitischen Verhalten. Es lassen sich flächig strukturierte Polarisatoren mit Bereichen unterschiedlicher dichroitischer Wirkung herstellen, indem Oberflächenbereiche z.B. durch Ätzen entfernt werden. Diese speziellen Polarisatoren sind selbstverständlich auch als Bauelemente für LCDs gedacht, und diese LCDs benötigen nach dem Stand der Technik ebenfalls Orientierungsschichten.
  • Seit im Jahre 1998 das Patent DE 198 07 121 B4 „Optischer Schalter" angemeldet wurde, war es die fachliche Auffassung, die nicht einmal andeutungsweise in Frage gestellt wurde, dass zu einem LCD, auch auf der Grundlage des DE 198 07 121 B4 , die bereits erwähnten Orientierungsschichten gehören. Dennoch erfolgten durch den Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung wissenschaftlich-technische Forschungen mit der Zielstellung, den LCD-Aufbau generell bzw. auf der Grundlage des DE 198 07 121 B4 weiter zu vereinfachen.
    •
  • Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Vorschlag zu unterbreiten, der tatsächlich diesen weiter vereinfachten Aufbau ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich des grundlegenden erfinderischen Gedankens auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 10.
  • Zur Darlegung der Erfindung sollen weitere Ausführungen erfolgen.
  • Es wurde überraschend gefunden – was keinesfalls zu erwarten war – dass die nach dem Stand der Technik erforderlichen Orientierungsschichten entfallen können. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektroden sind die Elektroden lediglich gegen Kurzschluß zu sichern, was im allgemeinen durch Abstandshalter, sogenannte Spacer, erfolgt, die der Flüssigkristallsubstanz beigemischt sind.
  • Es wurde festgestellt, dass sich die Wirkung der speziell präparierten Glasoberflächen nicht nur auf hindurchtretende elektromagnetische Wellen wie Licht (anisotrope Absorption als Ursache für den Dichroismus) erstreckt, sondern die Gläser haben darüber hinaus noch einen zusätzlichen Einfluß auf die im LCD-Aufbau zwischen den Glasträgern befindlichen Flüssigkristallmoleküle: Die Flüssigkristalle orientieren sich an den Kontaktflächen zum Glasträger in einer bestimmten Richtung, die mit der Richtung der Zugverformung im Herstellungsprozeß der Glasträger bereits vorgegeben ist und die im Falle dichroitischer Glasträger mit der einheitlichen Anordnung der bis an die Glasoberfläche reichenden ellipsoidförmigen metallischen nanoskaligen Ausscheidungen übereinstimmt. Das bedeutet, dass die für die Funktionsfähigkeit eines Flüssigkristalldisplays erforderliche Orientierung der Flüssigkristallsubstanzen beim erfindungsgemäßen Aufbau nunmehr von den gezogenen bzw. dichroitischen Glasträgern selbst hervorgerufen bzw. verursacht wird. Bei dichroitischen Glasträgern richten sich an den Kontaktflächen somit die Flüssigkristallmoleküle, bestimmt durch die Zugrichtung des Glases, parallel zu den Längsachsen der Metallpartikel aus. Zusammenfassend ist bis hierher folgendes festzustellen:
    • • Bei lediglich gezogenem Glasträger (also kein dichroitisches Glas) orientieren sich die Flüssigkristallmoleküle in Richtung der Zugverformung, die durch den Herstellungsprozeß der Glasträger vorgegeben ist, soweit kein elektrisches Feld anliegt.
    • • Bei dichroitischem Glas, bei dem durch Zugverformung bearbeitete Glasträger verwendet werden, wobei vor der Zugverformung metallische Partikel in die Glasträger eingebracht wurden, orientieren sich die Flüssigkristallmoleküle ohne Anlegen eines elektrischen Feldes ebenfalls in Richtung der Zugverformung der Glasträger.
    • • Bei dichroitischen Glasträgern, die nach dem Verfahren gemäß DE 198 29 970 C2 oder DE 100 65 646 C2 hergestellt wurden, zeigt sich ebenfalls der vorher erläuterte Effekt, dass sich die Flüssigkristallmoleküle in Richtung der Zugverformung der Glasträger, mit denen sie unmittelbaren Kontakt haben, orientieren.
  • Ergänzend ist festzustellen, dass die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an den Kontaktflächen zum Glas ebenfalls in Zugrichtung erfolgt, wenn das LCD aus einem solchen Glaspaar besteht und die Gläser in Zugrichtung nicht parallel zueinander angeordnet sind. Somit ist eine Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle vorgegeben, wobei ein Glas nur durch Zug verformt wurde und das zweite Glas
  • Eine Kombination der nach verschiedenen Verfahren hergestellten dichroitischen Gläser ist ebenfalls möglich.
  • Nachfolgend werden praktische Anwendungen der LCDs ohne Orientierungsschichten dargelegt:
    Liegen z.B. zwei gleichartige Glasträger im Winkel von 90 Grad zueinander flach übereinander und weisen diese Glasträger jeweils ein Absorptionsmaximum für die eine Komponente des elektrischen Feldvektors im UV-A-Bereich und ein zweites Absorptionsmaximum für die 90° dazu gedrehte Komponente des elektrischen Feldvektors im sichtbaren Wellenlängenbereich auf, wirken sie für hindurchtretendes Licht als Farbfilter, da beide Komponenten des elektrischen Feldvektors durch die dichroitischen Glasträger in gleicher Weise, aber nur in schmalen Wellenlängenbereichen des sichtbaren Spektrums, absorbiert werden. Liegen die Glasplatten parallel übereinander, tritt für das transmittierte Licht zwar keine Farb-, dafür aber eine Polarisationswirkung auf.
  • Wenn zwischen diesen Glasplatten zusätzlich eine Flüssigkristallsubstanz eingebettet ist, entsteht in gekreuzter wie in paralleler Anordnung der Glasträger keinerlei Farbe, wohl aber eine Polarisationswirkung.
  • Sind diese Glasträger zusätzlich mit transparenten Elektroden versehen (in der Regel findet dafür Indium-Zinn-Oxid, ITO genannt, Verwendung), kann durch An- und Abschalten eines elektrischen Feldes, vermittelt durch ein Steuersignal, für das hindurchtretende Licht zwischen vollfarbig (unpolarisiert) und transparent weiß (linear polarisiert) geschaltet werden. D.h. in gekreuzter Stellung der Glasträger drehen bei anliegendem elektrischen Feld die Flüssigkristallmoleküle die Polarisationsebene des Lichtes nicht (es entsteht im Durchlicht unpolarisiertes farbiges Licht); während sie im feldlosen Zustand die Polarisationsrichtung entsprechend dem Winkel der gekreuzt übereinanderliegenden dichroitischen Glasträger (die nunmehr die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an den Grenzflächen vorgeben) drehen. Es wird dann linear polarisiertes weißes Licht hindurchgelassen.
  • All das vollzieht sich prinzipiell so wie in der bisher bekannten Weise, bei der ein Einsatz von zusätzlichen Orientierungsschichten (in der Regel aus Polyimid bestehend) notwendig war. In der erfindungsgemäßen Ausführung ist allerdings neu – wie schon ausgeführt wurde – dass bei Verwendung von durch Zugverformung hergestellten Glasträgern bzw. von dichroitischen Glasträgern, die gemäß DE 198 29 970 C2 hergestellt wurden, keine separaten Orientierungsschichten mehr nötig sind, da dieses gezogene bzw. dichroitische Glas selbst für die Flüssigkristalle orientierend wirkt.
    •
  • Anhand einiger Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren bedeuten:
  • 1: Transmissives monochromes LCD ohne separate Orientierungsschichten
  • 2: Transmissives farbmischbares Farb-LCD ohne separate Orientierungsschichten
  • 3: Transmissives farbmischbares vollfarbfähiges Farb-LCD ohne separate Orientierungsschichten
    • 1
    einfallendes weißes unpolarisiertes Licht
    2
    dichroitischer Glasträger
    3
    transparente segmentierte Elektroden (ITO)
    4
    Flüssigkristallmoleküle
    5
    austretendes Licht
    6
    farbstrukturierter dichroitischer Glasträger mit dichroitischem Farbmuster Cyan (C) – Magenta (M) – Gelb (Y) in Wiederholstruktur
    7
    einfallendes weißes linear polarisiertes Licht
    8
    farbstrukturierter dichroitischer Glasträger mit dichroitischem Farbmuster Rot (R) – Grün (G) – Blau (B) in Wiederholstruktur
  • Ausführungsbeispiel 1:
  • Zwei dichroitische Glasträgerplatten, hergestellt gemäß DE 198 29 970 C2 , werden in 90 Grad gekreuzter Stellung im Abstand von wenigen μm flach übereinander gelegt. Die innenliegenden Seiten sind mit transparenten ITO-Elektroden versehen. Zwischen den beschichteten dichroitischen Glasträgern sind Flüssigkristallsubstanzen eingebettet. Die ITO-Elektroden sind zur Übertragung eines Steuersignals elektrisch mit dem Signalgeber verbunden. Das Display wird transmissiv betrieben.
  • Im feldlosen (nicht angesteuerten) Zustand tritt keine Farbwirkung auf, während bei angelegtem Steuersignal unter Wirkung des elektrischen Feldes zwischen Grundplatten- und Deckplattenelektrode die volle Farbwirkung entsteht (siehe 1).
  • Ausführungsbeispiel 2:
  • Der Aufbau entspricht Ausführungsbeispiel 1, ist aber dahingehend verändert, dass die ITO-Ansteuerelektroden segmentiert ausgeführt wurden und die Segmente einzeln angesteuert werden können. Damit werden Segmentanzeigen realisiert.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • Der Aufbau entspricht den Ausführungsbeispielen 1 und/oder 2, ist aber so verändert, dass die Glasträger Bereiche mit unterschiedlichen Farb- und Polarisationswirkungen, gemäß US 6,423,968 B1 und/oder DE 100 65 646 C2 „Polarisator mit einer tiefenabhängigen dichroitischen Absorption" aufweisen und so angeordnet sind wie in DE 198 07 121 B4 beschrieben; im Gegensatz dazu aber keine separaten Orientierungsschichten beinhaltet. Auf diese Weise können farbmischbare farbige Flüssigkristalldisplays realisiert werden. Es ist damit möglich, alle Farben sowie weiß darzustellen. Das transmittierte farbige Licht (einschließlich des durch Farbmischung generierten weißen Lichtes) ist unpolarisert. Da beide Komponenten des elektrischen Feldvektors wirksam sind, ergibt sich eine hohe Lichtausbeute.
  • Zur Erläuterung dient 2.
  • Ausführungsbeispiel 4:
  • Der Aufbau ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel 3 so verändert, dass der eine Glasträger Bereiche mit unterschiedlichen Farb- und Polarisationswirkungen, gemäß US 6,423,968 B1 und/oder DE 100 65 646 C2 „Polarisator mit einer tiefenabhängigen dichroitischen Absorption" aufweist, während der andere Glasträger unstrukturiert und damit dichroitisch monochrom ausgebildet ist. Seine Polarisationswirkung erstreckt sich breitbandig vom kurzwelligen Spektralbereich beginnend (ab etwa 430 nm) bis an das langwellige Ende des sichtbaren Spektralbereichs. Er ist wie der gegenüberliegende strukturierte Glasträger ebenfalls nicht mit separaten Orientierungsschichten ausgestattet. Die Beleuchtung erfolgt durch eine Lichtquelle (z.B. ein Backlight), die linear polarisiertes Licht aussendet. Auf diese Weise können farbmischbare, vollfarbfähige Flüssigkristalldisplays realisiert werden. Es ist damit möglich, alle Farben sowie weiß und schwarz darzustellen. Das transmittierte farbige Licht (einschließlich des durch Farbmischung generierten weißen Lichtes) ist linear polarisert.
  • Zur Erläuterung dient 3.
  • Ausführungsbeispiel 5:
  • Der Aufbau ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel 4 so verändert, dass das Display reflektiv bzw. transflektiv ausgeführt ist. Die Beleuchtung erfolgt durch eine äußere Lichtquelle (wie z.B. die Sonne), die unpolarisiertes Licht aussendet. Der rückwärtige Glasträger ist zusätzlich mit einem Reflektor ausgestattet, der – wie in der LCD-Technik üblich – das reflektierte Licht zusätzlich linear polarisiert. Auf diese Weise können farbmischbare, vollfarbfähige reflektive Flüssigkristalldisplays realisiert werden. Es ist damit möglich, alle Farben sowie weiß und schwarz darzustellen. Das austretende farbige Licht (einschließlich des durch Farbmischung generierten weißen Lichtes) ist linear polarisert.

Claims (12)

  1. LCD ohne Orientierungsschichten, dadurch gekennzeichnet, dass das LCD aus zwei übereinanderliegenden, durch Zug verformten Glasträgerplatten besteht, an den Innenseiten der Glasträgerplatten optisch transparente Elektroden platziert sind und sich zwischen den Glassträgerplatten eine Flüssigkristallsubstanz befindet, wobei im feldlosen Zustand die Flüssigkristallmoleküle in Zugrichtung des Glases orientiert sind und bei angelegtem elektrischem Feld diese Orientierung der Flüssigkristallmoleküle aufgehoben ist.
  2. LCD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Glasträgerplatten dichroitisch sind, wobei in diese Glasträgerplatten vor der Zugverformung Metallpartikel eingebracht wurden.
  3. LCD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der zwei Glasträgerplatten dichroitisch ist.
  4. LCD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Orientierungswirkung der Glasträgerplatten auf Flüssigkristallmoleküle durch die anisotrope Struktur ihrer zugverformten Glasmatrix gegeben ist.
  5. LCD nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichroismus durch eingebettete einheitlich orientierte metallische ellipsoid- oder stäbchenförmige Nanopartikel hervorgerufen wird.
  6. LCD nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Orientierungswirkung der dichroitischen Glasträger durch die bis an die Kontaktfläche zur Flüssigkristallsubstanz reichenden eingebetteten einheitlich orientierten metallischen ellipsoid- oder stäbchenförmigen Nanopartikel gegeben ist.
  7. LCD nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dichroitische Glas in Lateralbereichen spektral unterschiedliche dichroitische Absorptions- und Polarisationswirkungen hat.
  8. LCD nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lateralbereiche mit spektral unterschiedlichen dichroitischen Absorptions- und Polarisationswirkungen in Wiederholstruktur ausgeführt sind mit Farben, die Darstellung vollfarbiger Bilder durch Farbmischung gestatten.
  9. LCD nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein transmissives LCD ist.
  10. LCD nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein transflexives LCD ist.
  11. LCD nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein reflexives LCD ist.
  12. LCD nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden segmentiert und segmentweise ansteuerbar sind.
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