DE19708066A1 - Transflektive Flüssigkristallanzeige - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine transflektive Flüssigkristallanzeige mit einer Flüssigkristallschicht zwischen zwei begrenzenden Substraten, die auf ihren Innenseiten ansteuerbare transparente Elektroden beliebiger Geome­ trie aufweisen, mit einem frontseitigen Polarisator sowie einem aus einer oder mehreren Einzelkomponenten bestehenden, teilweise transparenten und teilweise reflektiven, polarisierenden optischen Element in Beobach­ tungsrichtung hinter der Flüssigkristallschicht, sowie mit einer Rückbeleuch­ tung.

Bei einer bekannten Flüssigkristallanzeige mit einer transflektiven Anzeige­ fläche sind die Treiberstufen der jeweils angesteuerten bzw. nicht ange­ steuerten Elektroden zur Kontrastumschaltung auf der Anzeigefläche wech­ selweise umsteuerbar. Erfolgt die Umsteuerung abhängig von der Leucht­ dichte des von außen auf die Flüssigkristallanzeige auftreffenden Lichts so erfolgt selbsttätig immer eine optimal ablesbare Darstellung der Information entweder mit dunklen Zeichen in hellem Anzeigefeld oder hellen Zeichen in dunklem Anzeigefeld. Um dies zu erreichen ist sowohl eine Licht­ erfassungseinrichtung als auch eine Umschalteinrichtung erforderlich.

Die Positivdarstellung eignet sich wegen hoher Gesamtreflexion vorzugs­ weise für Anwendungen bei heller Umfeldbeleuchtung (Tag betrieb). Eine zusätzliche Front- oder Rückbeleuchtung ist nur für schwaches Umfeldlicht erforderlich (Nachtbetrieb). Dafür reicht eine relativ niedrige Beleuchtungs­ stärke, so daß der zusätzliche Energieaufwand sowie der konstruktive und materielle Aufwand für die Zusatzbeleuchtung gering ist. Eine starke Be­ leuchtung würde wegen der Blendwirkung der hellen Hintergrundfläche bei Tag betrieb störend wirken. Die Negativdarstellung liefert bei schwachem Umfeldlicht (Nachtbetrieb) ein brilliantes Erscheinungsbild in Verbindung mit einer geeigneten Hintergrundbeleuchtung. Um auch im Tagbetrieb eine kon­ trastreiche Anzeige zu erhalten, muß die Beleuchtungseinrichtung für relativ hohe Beleuchtungsstärke bzw. Leuchtdichte dimensioniert werden. Neben dem Materialaufwand sind die relativ hohe Verlustleistung und damit die ent­ sprechende Erwärmung der Anzeige von Nachteil.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Flüssigkristallanzeige der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und geringem Ener­ gieaufwand eine selbsttätige Umschaltung von Positiv- auf Negativdarstel­ lung und umgekehrt durchführt und somit für Tag- und Nachtbetrieb die je­ weils optimale Darstellungsart ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das optische Ele­ ment transmittiertes Licht und reflektiertes Licht unterschiedlich polarisiert. Diese Ausbildung führt dazu, daß je nach dem Überwiegen des reflektiven oder des transmissiven Lichtanteils die Positivdarstellung z. B. im Tagbetrieb und die Negativdarstellung z. B. im Nachtbetrieb erscheint. Überwiegt das an dem optischen Element reflektierte, von außen auf die Flüssigkristallzelle auftreffende Licht, so führt dieses durch den Frontpolarisator einmal polari­ sierte und durch die vordere Flüssigkristallzelle hindurchgetretene Licht zu einer Reflexion an dem optischen Element, bei der die Polarisation des zum optischen Element gelangenden Lichts bei der Reflexion beibehalten wird. Dieses reflektierte Licht tritt außer an den angesteuerten Zeichen wieder durch die Flüssigkristallzelle hindurch, so daß dunkle Zeichen vor hellem Untergrund zu sehen sind.

Überwiegt dagegen das an dem optischen Element transmittierte und pola­ risierte Licht der Lichtquelle der Rückbeleuchtung, so wird dieses Licht durch den Frontpolarisator aufgrund der unterschiedlichen Polarisation durch das optische Element an einem Durchtritt im Bereich des Anzeigefeldes gehin­ dert, kann aber an den angesteuerten Zeichen hindurchtreten, so daß helle Zeichen vor dunklem Untergrund zu sehen sind. Auf Lichtsensoren zur Er­ fassung des vorhandenen Umgebungslicht und auf die Lichtsensoren an­ steuernde Umschalteinrichtungen kann somit verzichtet werden.

Vorzugsweise wird durch das optische Element reflektiertes und transmittier­ tes Licht elliptisch insbesondere zirkular und/oder zumindest etwa senkrecht zueinander linear polarisiert.

Eine mögliche Ausführung des optischen Elements besteht darin, daß das optische Element aus einer zweiten, elektrodenlosen Flüssigkristallzelle mit einem hochverdrillten cholesterischen Flüssigkristall konstanter Ganghöhe mit selektiver Reflexion und Transmission sowie aus einer λ/4-Verzöge­ rungsschicht innerhalb oder außerhalb vor der zweiten Zelle besteht.

Eine andere Ausführung besteht darin, daß das optische Element aus einer zweiten, elektrodenlosen Flüssigkristallzelle mit einem hochverdrillten cho­ lesterischen Flüssigkristall mit selektiver Reflexion und Transmission sowie aus einer λ/4-Verzögernngsschicht innerhalb oder außerhalb vor der zweiten Zelle besteht, wobei die Ganghöhe des cholesterischen Flüssigkristalls einen solchen Gradienten senkrecht zur Ebene der Zelle aufweist, daß das reflek­ tierte bzw. transmittierte Licht einen möglichst breiten Wellenlängenbereich im Sichtbaren umfaßt.

Ist nach einem dritten Ausführungsbeispiel das optische Element eine zweite Flüssigkristallzelle mit einem polymeren hochverdrillten cholesterischen Flüssigkristall, so wird ein besonders einfacher Aufbau erreicht. Dabei kann entweder der Flüssigkristall der zweiten Zelle konstante Ganghöhe oder der Flüssigkristall der zweiten Zelle einen solchen Gradienten senkrecht zur Ebene der Zelle aufweisen, daß das reflektierte bzw. transmittierte Licht ei­ nen möglichst breiten Wellenlängenbereich im Sichtbaren umfaßt.

Der Flüssigkristall der zweiten Zelle kann auf einer starren oder einer flexi­ blen Trägerplatte aufgebracht sein.

Eine noch einfachere Ausbildung besteht darin, daß der Flüssigkristall der zweiten Zelle eine trägerlose folienartige Flüssigkristallschicht ist und somit diese zweite Zelle allein durch die polymere Flüssigkristallschicht gebildet wird.

Um eine gute Ablesbarkeit der Flüssigkristallanzeige unter den verschie­ densten Blickwinkeln zu erreichen, kann der polymere hochverdrillte chole­ sterische Flüssigkristall eine lokal variierende Normalenrichtung seiner Inter­ ferenzschicht aufweisen.

Eine andere Möglichkeit zu einem solchen Vorteil zu gelangen besteht darin, daß die beobachterseitige Oberfläche der zweiten Flüssigkristallzelle eine etwa gewellte Struktur aufweist.

Eine weitere Ausführungsform des optischen Elements besteht darin, daß das optische Element eine nicht vertwistete Multilayer-Interferenzschicht ist, die aus anisotropen organischen oder anorganischen Einzelschichten mit alternierenden hohen und niedrigen Brechungsindizes besteht.

Um auf einfache Weise eine Vorzugsorientierung zu erreichen, kann die Multilayer-Interferenzschicht ein Multilayer sein, der in eine Vorzugsrichtung gestreckt ist, wobei der Multilayer vorzugsweise eine Multilayer-Folie ist.

Sind zwischen dem optischen Element und der rückseitigen Beleuchtung in Beobachtungsrichtung hintereinander eine zweite λ/4-Verzögerungsschicht und ein weiterer linearer Polarisator angeordnet, so erfolgt im Nachtbetrieb eine erhebliche Erhöhung des Kontrasts.

Das optische Element kann separat hinter der ansteuerbaren Flüssigkristall­ zelle oder in vereinfachender Weise auf der Innenseite des rückseitigen Substrats der ansteuerbaren Flüssigkristallzelle angeordnet sein.

Zur Kontrasterhöhung der Flüssigkristallanzeige kann die zur angesteuerten Zelle zeigende Oberfläche des optischen Elements eine Oberflächenent­ spiegelung aufweisen.

Zur Vergleichmäßigung des Lichts der rückseitigen Beleuchtung über die gesamte Fläche der Flüssigkristallanzeige kann vor der rückseitigen Be­ leuchtung eine Streuscheibe angeordnet sein. Kontrasterhöhend im Tagbe­ trieb ist es, wenn zwischen dem optischen Element und der rückseitigen Beleuchtung oder der Streuscheibe ein Graufilter oder ein linearer Polarisa­ tor angeordnet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine transflektive Flüssigkristallanzeige,

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt einer polymeren hochverdrillten cholesterischen Flüssigkristallschicht der Flüssigkristallanzeige nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte transflektive Flüssigkristallanzeige weist eine an­ steuerbare Flüssigkristallzelle 1 mit zwei transparenten Substraten 2 und 3 auf, auf deren Innenseiten ansteuerbare transparente Elektroden angeord­ net sind. Der Zwischenraum zwischen den Substraten 2 und 3 ist mit einer Flüssigkristallsubstanz gefüllt, die eine Flüssigkristallschicht bildet. Die Flüs­ sigkristallzelle 1 kann beispielsweise eine konventionelle TN-Zelle sein.

Auf der einem Beobachter 4 zugewandten Frontseite der Flüssigkristallzelle 1 ist ein Polarisator 5 angeordnet, der nur in der Zeichnungsebene vertikal schwingendes Licht hindurchläßt, was in der Darstellung durch Pfeile am Polarisator 5 gekennzeichnet ist.

Auf der dem Beobachter 4 abgewandten Seite der Flüssigkristallzelle 1 be­ findet sich ein optisches Element 6, das teilweise transparent und teilweise reflektiv polarisierend ausgebildet ist.

In Beobachtungsrichtung hintereinander angeordnet besteht das optische Element 6 aus einer λ/4-Verzögernngsschicht 7, die als Folie ausgebildet sein kann und durch die linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht und umgekehrt überführt wird, sowie aus einer elektrodenlosen Flüssigkri­ stallzelle 8.

Diese Flüssigkristallzelle 8 ist mit einem hochverdrillten cholesterischen Flüssigkristall 9 konstanter Ganghöhe gefüllt und führt zu einer selektiven Reflexion und Transmission.

Durch diese Flüssigkristallzelle 8 kann Licht 10 mit einem ersten Schrauben­ drehsinn (z. B. zirkular links polarisiert) hindurchtreten und nicht mehr zur Beleuchtung der Flüssigkristallzelle 1 dienen, während Licht mit einem zweiten Schraubendrehsinn (z. B. zirkular rechts polarisiert) an der Flüssig­ kristallzelle 8 reflektiert wird, beim nochmaligen Hindurchtreten durch die λ/4-Ver­ zögerungsschicht 7 wieder in linear polarisiertes Licht überführt wird und nach dem nochmaligen Durchtritt durch die Flüssigkristallzelle 1 eine dem Polarisator 5 entsprechende Polarisation aufweist und zur Taglichtbeleuch­ tung mit dunklen Zeichen vor hellem Hintergrund dient.

In Beobachtungsrichtung hinter der zweiten Flüssigkristallzelle 8 ist eine zweite λ/4-Verzögerungsschicht 17, ein weiterer linearer Polarisator 18, ein Graufilter 12, eine Streuscheibe 13 und eine Lichtquelle 14 angeordnet. In dem oberhalb der unterbrochenen Linie 19 dargestellten Teil der Fig. 1 sind die Strahlengänge des bei Tagbetrieb überwiegenden frontseitig in die Flüs­ sigkristallanzeige eintretenden Umgebungslichts dargestellt. Der Strahlen­ gang 10 zeigt das Licht bei nicht angesteuerten Elektroden und der Strah­ lengang 11 das Licht bei angesteuerten Elektroden der Flüssigkristallzelle 1.

Wie der Strahlengang 10 zeigt, tritt durch den Polarisator 5 der in Polarisati­ onsrichtung schwingende Lichtanteil des Umgebungslichts hindurch und wird bei dem folgenden Durchtritt durch die Flüssigkristallzelle 1 in seiner Polari­ sationsrichtung um 90° gedreht. Bei dem weiteren Durchtritt durch die λ/4-Ver­ zögerungsschicht 7 erfolgt eine Überführung von der linearen Polarisati­ on in eine zirkulare Polarisation mit einem rechten Drehsinn. An der Flüssig­ kristallzelle 8 erfolgt eine Reflexion dieses Lichts, dessen zirkulare Polarisa­ tion beim Durchtritt durch die λ/4-Verzögerungsschicht wieder in eine lineare Polarisation überführt wird. Mit einer Drehung der Polarisationsrichtung kann dieses Licht durch die Flüssigkristallzelle 1 und anschließend durch den Po­ larisator 5 hindurchtreten, so daß der Beobachter 4 an dieser Stelle einen hellen Bereich sieht. Bei dem Strahlengang 11 erfolgt auf gleiche Weise wie beim Strahlengang 10 ein Lichtdurchtritt durch den Polarisator 5. Entgegen dem Strahlengang 10 tritt aber beim Durchtritt durch die Flüssigkristallzelle 1 aufgrund der angesteuerten Elektroden keine Drehung der Polarisationsrich­ tung auf, so daß das Licht mit der durch den Polarisator 5 bestimmten Schwingungsrichtung zur λ/4-Verzögerungsschicht 7 gelangt. Diese lineare Polarisation führt beim Durchtritt durch die λ/4-Verzögerungsschicht 7 zu einer Überführung in eine zirkulare Polarisation mit einem linken Drehsinn. Dieses Licht kann durch die Flüssigkristallzelle 8 und die zweite λ/4-Ver­ zögerungsschicht 17 sowie den Polarisator 18 hindurchtreten. Durch den anschließenden Graufilter 12 erfolgt eine Reduzierung der Intensität dieses Lichts, das an der Streuscheibe 13 reflektiert wird und bei dem abermaligen Durchtritt durch den Graufilter 12 nochmals eine Reduzierung seiner Intensi­ tät erfährt.

Da also von dem in die Flüssigkristallanzeige entsprechend dem Strahlen­ gang 11 eintretenden Licht kein Licht zur Frontseite der Flüssigkristallanzei­ ge zurückgelangt, sieht der Beobachter 4 an dieser Stelle einen dunklen Be­ reich.

In dem Teil unterhalb der unterbrochenen Linie 19 der Fig. 1 sind die Strahlengänge der bei Nachtbetrieb überwiegenden rückseitigen Beleuch­ tung durch die Lichtquelle 14 dargestellt. Der Strahlengang 20 zeigt das Licht bei angesteuerten und der Strahlengang 21 das Licht bei nicht ange­ steuerten Elektroden der Flüssigkristallzelle 1. Bei dem Strahlengang 20 er­ folgt an dem Polarisator 18 von dem von der Lichtquelle 14 erzeugten und durch die Streuscheibe 13 hindurchtretenden Licht ein Durchtritt des in Pola­ risationsrichtung des Polarisators 18 schwingenden Lichtanteils. In dieser Richtung linear polarisiertes Licht wird bei dem Durchtritt durch die λ/4-Ver­ zögerungsschicht 17 in zirkular polarisiertes Licht mit linkem Drehsinn überführt und kann somit durch die Flüssigkristallzelle 8 hindurchtreten. Bei dem anschließenden Durchtritt durch die λ/4-Verzögerungsschicht 7 erfolgt eine Überführung in einer Polarisationsrichtung, die der Polarisationsrichtung des Polarisators 5 entspricht. Da dieses Licht bei angesteuerten Elektroden direkt durch die Flüssigkristallzelle 1 hindurchtreten kann, kann es auch durch den Polarisator 5 hindurchtreten, so daß dieser Bereich dem Beobach­ ter 4 hell erscheint. Der Strahlengang 21 entspricht bis nach dem Durchtritt durch die λ/4-Verzögerungsschicht 7 dem Strahlengang 20. Durch die nicht angesteuerten Elektroden der Flüssigkristallzelle 1 erfolgt aber beim Durch­ tritt durch die Flüssigkristallzelle 1 eine Drehung der Polarisationsrichtung um 90°. Dies bedeutet aber auch eine Schwingungsrichtung, die um 90° verdreht zur Polarisationsrichtung des Polarisators 5 gerichtet ist, so daß dort kein Licht hindurohtreten kann und somit dieser Bereich dem Beobach­ ter 4 dunkel erscheint.

Je nachdem, ob das Licht der Umgebung oder das Licht der Lichtquelle 14 überwiegt, sind somit die Bereiche der angesteuerten Elektroden von dem Beobachter 4 dunkel in hellem Umfeld oder hell in dunklem Umfeld sichtbar.

Die in Fig. 2 dargestellte Flüssigkristallschicht der zweiten Flüssigkristallzel­ le 8 ist eine polymere hochverdrillte cholesterische Flüssigkristallschicht mit lokal variierenden Normalenrichtungen 15 seiner Interferenzschicht. Da für jeden üblichen Blickwinkel, unter dem der Beobachter 4 die Flüssigkristallan­ zeige betrachtet, ausreichend genug Bereiche mit entsprechend gerichteten Normalen 15 vorhanden sind, ist eine gute Ablesbarkeit aus den verschie­ densten Blickwinkeln gegeben.

Claims (18)

1. Transflektive Flüssigkristallanzeige mit einer Flüssigkristallschicht zwi­ schen zwei begrenzenden Substraten, die auf ihren Innenseiten ansteu­ erbare transparente Elektroden beliebiger Geometrie aufweisen, mit ei­ nem frontseitigen Polarisator sowie einem aus einer oder mehreren Ein­ zelkomponenten bestehenden, teilweise transparenten und teilweise re­ flektiven, polarisierenden optischen Element in Beobachtungsrichtung hinter der Flüssigkristallschicht, sowie mit einer Rückbeleuchtung, da­ durch gekennzeichnet, daß das optische Element (6) transmittiertes Licht und reflektiertes Licht unterschiedlich polarisiert.

2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das optische Element (6) reflektiertes und transmittiertes Licht zumindest etwa senkrecht zueinander elliptisch insbesondere zirkular und/oder linear polarisiert wird.

3. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das optische Element (6) aus einer zwei­ ten, elektrodenlosen Flüssigkristallzelle (8) mit einem hochverdrillten cholesterischen Flüssigkristall (9) konstanter Ganghöhe mit selektiver Reflexion und Transmission sowie aus einer λ/4-Verzögerungsschicht (7) innerhalb oder außerhalb vor der zweiten Zelle (8) besteht.

4. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element aus einer zweiten, elektrodenlosen Flüssigkristall­ zelle mit einem hochverdrillten cholesterischen Flüssigkristall mit selekti­ ver Reflexion und Transmission sowie aus einer λ/4-Verzögerungs­ schicht innerhalb oder außerhalb vor der zweiten Zelle besteht, wobei die Ganghöhe des cholesterischen Flüssigkristalls einen solchen Gra­ dienten senkrecht zur Ebene der Zelle aufweist, daß das reflektierte bzw. transmittierte Licht einen möglichst breiten Wellenlängenbereich im Sichtbaren umfaßt.

5. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine zweite Flüssigkristallzelle mit einem polyme­ ren hochverdrillten cholesterischen Flüssigkristall ist.

6. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall der zweiten Zelle konstante Ganghöhe aufweist.

7. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall der zweiten Zelle einen solchen Gradienten senkrecht zur Ebene der Zelle aufweist, daß das reflektierte bzw. transmittierte Licht einen möglichst breiten Wellenlängenbereich im Sichtbaren umfaßt.

8. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall der zweiten Zelle auf einer starren oder einer flexiblen Trägerplatte aufgebracht ist.

9. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall der zweiten Zelle eine trägerlose, folienartige Flüssig­ kristallschicht ist.

10. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der polymere hochverdrillte cholesterische Flüssigkristall eine lokal vari­ ierende Normalenrichtung seiner Interferenzstruktur aufweist.

11. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beobachterseitige Oberfläche der zweiten Flüssigkristallzelle eine etwa gewellte Struktur aufweist.

12. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine nicht vertwistete Multilayer-Interferenzschicht ist, die aus anisotropen organischen oder anorganischen Einzelschich­ ten mit alternierenden hohen und niedrigen Brechungsindizes besteht.

13. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Multilayer-Interferenzschicht ein Multilayer ist, der in eine Vor­ zugsrichtung gestreckt ist.

14. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem optischen Element (6) und der rückseitigen Beleuchtung (14) in Beobachtungsrichtung hintereinan­ der eine zweite λ/4-Verzögerungsschicht (17) und ein weiterer linearer Polarisator (18) angeordnet ist.

15. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das optische Element auf der Innenseite des rückseitigen Substrats der ansteuerbaren Flüssigkristallzelle ange­ ordnet ist.

16. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die zur angesteuerten Zelle zeigende Oberfläche des optischen Elements eine Oberflächenentspiegelung auf­ weist.

17. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß vor der rückseitigen Beleuchtung (14) eine Streuscheibe (13) angeordnet ist.

18. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem optischen Element (6) und der rückseitigen Beleuchtung (14) oder der Streuscheibe (13) ein Graufil­ ter (12) oder ein linearer Polarisator angeordnet ist.