DE1938764A1

DE1938764A1 - Anzeigevorrichtung mit nematischem Fluessigkristall

Info

Publication number: DE1938764A1
Application number: DE19691938764
Authority: DE
Inventors: Heilmeier George Harry
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-07-31
Filing date: 1969-07-30
Publication date: 1970-09-03
Also published as: SE359177B; ES369888A1; BE736824A; NL6911634A; DE1938764B2; FR2014788A1; JPS4823456B1; CA937664A; GB1276523A

Description

RCA 60,862

U.S. Serial No. 749,058

Piled: July 31, 1968 -

RCA Corporation

New York,N.Y., V.St.A.

Anzeigevorrichtung mit nematischem Plüssigkristall

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung unter Verwendung einer Schicht aus einem nematischen Plüssigkristall, welche in einer Halterungsvorrichtung aufrechterhalten wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung bei einer solchen Anzeigevorrichtung auf eine unabhängig voneinander erfolgende Steuerung des Kontrastes und der Anspreehgeschwindigkeit des auftretenden elektro-optischen Effektes. Dieser elektro-optische Effekt tritt als Transmissionseffekt, Reflexionseffekt oder Absorptionseffekt bei flachen Anzeigevorrichtungen _t Lichtblenden oder anderen Anwendungsfällen auf.

Anzeigevorrichtungen der vorerwähnten Art enthalten eine dünne Schicht aus einem nematischen Plüssigkristall, welche zwischen zwei ebenen Elementen gehalten wird. Eines dieser Elemente ist transparent, das andere kann transparent, reflektierend oder absorbierend sein,, je nach der gewünschten Betriebsweise der Anordnung. Ist das nematische, flüssigkristalline Material keinem elektrischen PeId ausgesetzt, so ist dieses Material relativ lichtdurchlässig. Wird ein elektrisches PeId an das Kristallmaterial angelegt, welches einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, dann tritt jedoch eine Veränderung des Aussehens in dem Gebiet des elektrischen Peldes auf. Im einzelnen erzeugt das elektrische PeId Ionen in dem Material, welche durch die Schicht hindurchwandern. Diese wandernden Ionen erzeugen eine Turbulenzwirkung, die ihrerseits eine dynamische Streuung des Lichtes hervorruft, so daß

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. der flüssigkristall undurchsichtig wird und ein milchig weißes Aussehen annimmt. ----

Um diesen elektro-optischen Effekt von Flüssigkristallen für eine Fernsehbildanzeige auszunutzen, muß man sowohl einen . brauchbaren Kontrastbereich als auch eine ausreichende Ansprechgeschwindigkeit in dem verwendeten Material erreichen. Der Zon- : trast hängt von dem Maß der Trübung im Kristallmaterial ab. • Das Maß der Trübung und die Größe der Ansprechgeschwindigkeit hängen beide in gleicher Weise von der Signalamplitude ab, welche das elektrische Feld hervorruft. So ist es beispielsweise möglich, daß die Signalamplitude, welche zur Erzeugung, einer fe Anzeige Von geringerer als der maximalen Trübung oder dem maximalen Kontrast erforderlich ist, gleichzeitig mit einer Ansprechgeschwindigkeit verbunden ist, die für Videozwecke zu niedrig liegt.. . '

Im folgenden ist unter dem Ausdruck "Kontrast" das Verhältnis der Trübung des Kristallmaterials oder der Lichtstreuung bei angelegten elektrischen Seid zur Trübung oder Lichtstreuung ohne angelegtes Feld gemeint. Beim Beflexionsbetrieb . entspricht der Kontrast dem Verhältnis von Weiß zu Schwarz in der Darstellung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines w neuen und verbesserten Flüssigkristallanzeigegerätes, bei dem der Kontrast unabhängig von der Ansprechgeschwindigkeit Steuer- j bar ist. Diese Aufgabe wird bei einer Anzeigevorrichtung der I

\ eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß gelöst durch eine Ein?- j ; richtung zum Anregen eines elektrischen Signales vorbestimmter !Amplitude an die Schicht, aufgrund dessen sie einen elektro-

■I optischen Effekt bestimmter Ansprechgeschwindigkeit zeigt, und j durch eine Einrichtung zum zusätzlichen Verändern der Frequenz ; des elektrischen Signales zur Steuerung des Kontrastes der j Anzeige über die Steuerung der durch Ionen hervorgerufenen ■■ Trübung innerhalb der Flüssigkristallschicht zur Erzielung

einer unabhängig von der Ansprechgeschwindigkeit steuerbaren ; Grauskala. 009836/1745

Die Erfindung ist im fplgeriden anhand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Flussigkristallanzeigevorriehtung nach der Erfindung für Reflexipnsbetriebj

fig. 2 eine Prntgipdarstellung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1j ■

Fig. 3 eine grafische Darstellung des relativenKontrastes als Funktion der angelegten j3ign.alfreq.uenz 5

Fig. 4 eine gehematische Veransehaulichung des Betrieb bes bei giner 4ugführungsfprm im Tränsmissipnebetrieb upd

Fig_f § etee yerans0hau3righung der Betriebsweise im

Die, in Fig* 1 dargestellte Flüssigk;rists41anzeigevpr· richtung 1© mi-fc gekr-euzteji S-itte^n ^h^t 3^e eine gläserne, sichtige v§rdere und hintere Tragplatte 1? bzw/ 14, die parallel mit einem Abstand zwischen. § ^^d 30 M angeordnet sind. Auf der Innenpeite 16 der Rüekplatte 12 ist eine erste Anordnung paralleler, durchsichtiger, leitender Elektrodenstreifen 18a, 18b, 18c, 18d usw. mit gegenseitigem Abstand angeordnet, während auf der Innenseite 20 der Frontplatte 14 eine zweite Anordnung von parallelen, durchsichtigen, leitenden Elektrodenstreifen 22a, 22b, 22c, 22d usw, vorgesehen ist.

Die Frontelektrodenstreifen 22 sind so angeordnet, daß sie in Längsrichtung praktisch rechtwinklig zur längsrichtung ι der Rückelektrodenstreifen 18 verlaufen. Zwischen der Rück- und der Frontplatte 12 bzw. 14 ist eine dünne Schicht eines Flüssigkristallmaterials 25 gehalten, beispielsweise .Anisylidenpara-Aminophenylaoetat (APAPA). Bei dieser Anzeigevorrichtung ist die Rückplatte 12 reflektierend, indem beispielsweise ihre Außenfläche 24 (Fig. 2) mit einem Material wie einem aufgedampften Nickel·- oder Aluminiumfilm überzogen ist.

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Die Vorrichtung 10 weist ferner Verbindungsleitungen 26a -26d bzw. 28a-28d auf, über die eine Signalspannung steuerbarer Amplitude und Frequenz zu den leitenden Rückelektroden 18 bzw. den leitenden Frontelektroden 22. geführt werden kann. Diese Verbindungen und/oder die leitenden Elektroden stellen ein Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes oder einer Spannung an die Flüssigkristallschicht 25 dar.

Der Aufbau nach Fig. 1 zeigt ferner die zum Betrieb ; der Vorrichtung 10 erforderlichen Zusatzgeräte. Ein Wechsel- ; schalter 30 für die Rückstreifen ist mit seinem Umschaltkontakt an eine Seite der Signalquelle 35 variabler Amplitude und ^ Frequenz und an Masse 32 gelegt. Eine Mehrzahl von Schaltkontakten des Schalters 30 ist mit den Rückstreifenverbindungsleitungen 26a - 26d über Leitungen 34a - 34d verbunden. Außerdem ist ein Frontstreifenumschalter 36 mit einer Mehrzahl von Kontakten vorgesehen, die über Leitungen 38a - 38d mit den Frontstreif airerbindungsleitungen 28a - 28d verbunden sind, während der Umschaltkontakt an die Signalquelle 35 geführt ist.

Im Reflexionsbetrieb nach Fig; 2 befinden sich eine Lichtquelle 40 und ein Betrachter 42 auf der Seite der transparenten Platte: der Vorrichtung. Die Lichtquelle erzeugt vorzugweise einen gebündelten Strahl unter einem solchen Winkel, daß ohne an die Elektroden der Anzeigevorrichtung gelegte Span-) : nung das von der reflektierenden Überzugsfläche 24 reflektierj te Licht nicht zum Betrachter 42 fällt.Wird mit Hilfe der Signalquelle 35 und der Verbindungsleiter eine Spannung zwischen j einen Rückelektrddenstreifen und einen Frontelektrodenstreifen j gelegt, deren Amplitude ausreicht, um einen Strom durch dasjenige Kristallmaterialvolumen fließen zu lassen, welches zwi-

■ sehen dem Schnittpunkt der so beaufschlagten Elektrodenstreifen . liegt, dann wird eine Surbulenz in der Kristallschicht 25 erzeugt, welche eine Streuung des auf diesen Teil der Anzeigevorrichtung TO fallenden Lichtes zur Folge hat. Ein Teil dieses gestreuten Lichtes wird von dem Beobachter 42 wahrgenommen,

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indem dieser Bereich seines Gesichtsfeldes heller als die übrige; Plattenfläche wird. Die Schwellspannung, die zum Auftreten \ dieses Effektes erforderlich ist, liegt etwa im Bereich _: 0,5 bis 1 χ 10^ pro cm Dicke der Flüssigkristallschicht. :

Bekannterweise kann, eine Mehrzahl vorbestimmter Bereiche! aufgehellt werden, indem man nacheinander mehr als einen Elektrodenstreifen aus jedem Rück- und Frontstreifensatz mit einer Spannung beauflagt. Zur aufeinanderfolgenden und zyklischen Beaufschlagung der leitenden Streifen und zur Modulation der Amplitude der Signalquelle können Abtasttechniken, wie sie beim Großflächenfernsehen bekannt sind, verwendet werden,, Auf diese Weise lassen sich verschiedene Informationstypen optisch zur Anzeige bringen. Wenn man weiterhin eine große Anzahl dicht benachbarter Elektrodenstreifen auf jeder Platte vorsieht,(beispielsweise 25/1000 Millimeter breit und halb so weit voneinander entfernt), so läßt sich ein -^iId auf der Anzeigevorrichtung 10 zur Darstellung bringen. Außerdem läßt sich der Anteil des gestreuten Lichtes und damit die Helligkeit für jedes Bildelement durch Steuerung der Amplitude der angelegten Signalspannung oberhalb des Schwellwertes modulieren, so daß eine Grauskala erreichbar ist.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei einer Veränderung dieser Amplitude zur Erzeugung einer nur mäßigen bis geringen Helligkeit (also unterhalb des Maximalkontrastes) die Ansprechgeschwindigkeit des elektro-optischen Effektes für die meisten Videoanwendungen zu langsam ist. Andererseits hat sich gezeigt, daß bei einer vorgegebenen Signalamplitude oberhalb des Schwellwertes sich der Kontrast als Funktion einer Frequenz im unteren Tonfrequenzbereich verändern läßt. Das bedeutet, daß beispielsweise bei Anliegen eines Signales mit einer Amplitude, bei welcher sich die maximale Aufhellung ergibt, der Kontrast zur Erzeugung einer Grauskala durch Variieren der Signalfrequenz verändert werden kann. Da die Ansprechgeschwindigkeit praktisch nur von der Amplitude des anregenden Signals abhängt, läßt sich somit eine unabhängige Steuerung des auftretenden Kontrastes erreichen. 'nnQR^R/17AR

Man hat beobachtet, daß sich der Kontrast insbesondere als Funktion der Erregersignalfrequenz in der in den Kurven nach Fig. 3 veranschaulichten Weise verändert. Kurve A repräsentiert die Kontrastveränderung für eine Signalamplitude von 40 V"_eff, während Kurve B die Veränderung für ein Signal von 60 V_eff darstellt. Die Frequenz f_Q,bei welcher der Kontrast als Funktion der Frequenz abzufallen beginnt, hängt von der Amplitude des Erregersignals, von der Dicke der Flüssigkristallschicht und in umgekehrten Verhältnis vom spezifischen Widerstand des Kristallmateriales ab. Bei der bereits erwähnten APAPA-Mischung, welche bei 25 ⁰O einen spezifischen Widerstand von 6,4 x 10 Ohm-cm hat, wurde für eine Schichtdicke von 12,5 p- die Frequenz t mit etwa 700 Hz bei einem Erregerpegel von 40 Y₂^ (Kurve A) und bei etwa 1 kHz bei 60 V^ (Kurve B) gemessen. Die Frequenz f ^, bei welcher der Kontrast für die angelegte Signalspannung ein Minimum ist, wurde für 40 V bei 2 kHz und für 60 V bei 2,5 kHz gemessen.

Diese Beobachtungen wurden bei der in Fig. 1 dargestellten Flüssigkristallanzeigevorrichtung unter Verwendung einer Signalquelle 35, deren Frequenz und Amplitude veränderbar war, gemacht. Durch die Wahl der Signalamplitude auf einen Wert, bei dem eine optimale Ansprechgeschwindigkeit des elektrooptischen Effektes eintritt, läßt sich der Kontrast durch eins geeignete Frequenzwahl unabhängig einstellen, so daß für Vidso« anwendungen eine brauchbare Grauskala auftritt. Eine solche Signalquelle kann beispielsweise einen in der Frequenz modulierbaren Oszillator aufweisen, bei welchem die Abtastsignal© zur Veränderung der die Schwingungsfrequenz bestimmenden Vorspannung benutzt werden.

Bei der oben beschriebenen Anzeigevorrichtung wird entsprechend Fig. 2 die Menge des reflektierten Lichtes moduliert. Andererseits kann auch ein Betrieb mit einer Modulation der Lichtdurchlässigkeit oder Lichtabsorption vorgesehen werdenJ Im Durchlaßbetrieb wird eine Vorrichtung 10a nach Fig. 4 verwendet, weiche sich von der Vorrichtung 10 dadurch unterscheidet, daß der Reflexionsüberzug 24 auf der durchsichtige:

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Rückplatte 12 weggelassen ist. Die Lichtquelle 40 ist auf ; einer Seite der Vorrichtung 10a angeordnet, so daß das Licht ! senkrecht zu den Flächen 12 und 14 durch die Vorrichtung läuft, i Bei unterhalb des Schwellwertes liegender Feldstärke sieht j

der Betrachter 42 auf der gegenüberliegenden Seite der Vorrieh- J tung 10a die gesamte Plattenfläche gleichmäßig hell. Wird eine J Spannung ausreichender Amplitude zwischen einen Rückelektroden- j streifen und einen Frontelektrodenstreifen zur Erzeugung von j Turbulenz in der Schicht und zur Streuung des auf die Vorrich- j tung fallenden Lichtes angelegt, so wird das vom Betrachter ; gesehene PeId dunkler. Durch Veränderung der Frequenz des an- ; gelegten Erregersignals pberhalb der Frequenz f_Q, wird die j Dunkelheit des Blickfeldes aufgehellt.

Beim Absorptionsbetrieb mit der Vorrichtung 10c nach Fig. 5 wird die Rückplatte 12 mit einer dunklen Materialschicht 45 überzogen, so daß das durch die Frontplatte 14 und die ; nematische Flüssigkristallschicht 25 hindurchtretende Licht von der Platte 12 absorbiert wird, (alternativ kann natürlich auch die Platte 12 selbst aus einem dunklen Material bestehen).

Die Lichtquelle 40 und der Betrachter 42 befinden sich gemäß Fig. 5 beide auf der Seite der durchsichtigen Platte der Vorrichtung 10c, und praktisch das gesamte Licht wird von der dunklen Platte 12 absorbiert, während nur ein geringer Anteil zum Betrachter reflektiert wird, wenn die an eine Elektrode

und
der Gruppe 18a bis 18d eine Elektrode der Gruppe 22a bis -22d unterhalb des Schwellwertes liegt.

Wird eine Spannung oberhalb des Schwellwertes an ein Elektrodenpaar gelegt, dann wird ein Teil des Lichtes am Schnittpunkt des Elektrodenpaares durch die Flüssigkristallschicht 25 reflektiert und erscheint dem Betrachter als heller Bereich. Durch Veränderung der Frequenz der angelegten Signal-Spannung oberhalb des Wertes f_Q, läßt sich jedoch nach der Erfindung die Helligkeit verringern. Da durch die turbulente Flüssigkristallschicht etwa 90 # des Lichtes nach vorn statt nach hinten gestreut wird, ist diese Betriebsweise am wenigsten

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wirksam, da der größte Teil des lichtes in derselben Hauptrichtung weiterläuft wie vor dem Streuen und von der dunklen Oberfläche absorbiert wird. Das nach vorn gestreute Licht wird in der zuerst beschriebenen Betriebsweise zum Betrachter zurückgeworfen und trägt zu einer größeren Helligkeit des Bildes bei.

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Claims

Patentansprüche

1 J Anzeigevorrichtung unter Verwendung einer Schicht aus einem nematischen Plussigkristall, welche in einer Halterungsvorrichtung aufrechterhalten wird, gekennzeich-j net durch eine Einrichtung (30, 35, 36) zum Anlegen ι eines elektrischen Signales vorbestimmter Amplitude an die ^; Schicht, aufgrund dessen sie einen elektro-optischen Effekt : bestimmter Ansprechgeschwindigkeit zeigt, und durch eine Ein- ί richtung zum zusätzlichen Verändern der Frequenz des elektri- : sehen Signals zur Steuerung des Kontrastes der Anzeige über J die Steuerung der durch Ionen hervorgerufenen Trübung innerhalb der Flüssigkristallschicht zur Erzielung einer unabhängig ; von der Ansprechgeschwindigkeit steuerbaren Grauskala. j
2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1,dadurch : gekennzeichnet, daß die Halterungsvorrichtung j zwei praktisch parallele Halterungsplatten (12, 14) aufweist, zwischen denen die Schicht (25) enthalten ist, und daß mindestens eine der Halterungsplatten durchsichtig ist und einen durchsichtigen leitenden Überzug auf mindestens einer Seite aufweist, und daß die Einrichtung zum Anlegen des Signals an die Schicht den leitenden Überzug umfaßt.
3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des angelegten elektrischen Signals die Ansprechgeschwindigkeit des auftretenden Jölektro-optischen Effektes bestimmt, und daß die unabhängige Steuerung des Kontrastes bei einer Signalfrequenz auftritt, welche von der Amplitude des angelegten elektrischen Signals abhängt.
4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3« dadurch gekennzeichnet, daß die Signalfrequenz zur Steuerung des Kontrastes des auftretenden elektro-optischen Effektes ebenfalls von dem spezifischen Widerstand des Flüssig-

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kristallmaterials abhängt.
5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch geken η ζ e i c h η e t, daß die Signalfrequenz zur Bewirkung der Steuerung des Kontrastes des auf-. tretenden elektro-optischen Effektes außerdem von der Dicke des nematischen Flüssigkristallmaterials abhängt.

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ORIGINAL INSPECTED