DE2361863B2 - LIQUID CRYSTAL CELL FOR LIGHT MODULATION - Google Patents
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Description
2020th
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle zur Lichtmodulation mit einem nematischen Flüssigkristall positiver dielektrischer Anisotropie und mit zwei jeweils mit einer transparenten Elektrode belegten, paralle! zueinander angeordneten transparenten Trägerplatten, die derart oberflächenbehandeli sind, daß die Moleküle des dazwischen befindlichen Flüssigkristall an den beiden Oberflächen parallel zu den Oberflächen und in jeweils einer vorgegebenen Richtung orientiert sind, wobei die vorgegebenen Richtungen gegeneinander gedreht sind.The invention relates to a liquid crystal cell for light modulation with a nematic liquid crystal positive dielectric anisotropy and with two parallel electrodes each covered with a transparent electrode! mutually arranged transparent carrier plates which are surface treated such that the Molecules of the liquid crystal located in between on the two surfaces parallel to the surfaces and are each oriented in a predetermined direction, the predetermined directions against one another are rotated.
Derartige Flüssigkristallzellen (vgl. »Appl. Phys. Letters« 18 (1971), S. 127 und 128) beruhen darauf, daß durch geeignete Oberflächenbehandlung (Reiben, Schleifen od. dgl.) die transparenten Trägerplatten mit einer orientierten Oberflächenstruktur versehen werden können, und daß die Moleküle eines nematischen Flüssigkristalls genau parallel zu der durch die Orientierung dieser Oberflächenstruktur vorgegebenen Riehtung an der Oberfläche haften. Auf Grund der bekannten Eigenschaften nematischer Flüssigkristalle besteht zwischen den Molekülen eine Wechselwirkung, die bestrebt ist, die Moleküle zueinander parallel auszurichten. Werden die vorgegebenen Richtungen der Trägerplatten gegeneinander gedreht, so führt diese Wechselwirkung dazu, daß in dem zwischen den Trägerplatten angeordneten Flüssigkristall die Moleküle bei zu den Oberflächen der Trägerplatten paralleler Orientierung bezüglich der zu den Trägerplatten senkrechten Riehtung schraubenwendelförmig gegeneinander verdreht sind. Eine solche Anordnung verhält sich entsprechend dem Windungssinn der Schraubenanordnung der Moleküle optisch rechts- bzw. linksdrehend, wobei der optische Drehwinkel mit dem Winkel zwischen den vorgegebenen Richtungen übereinstimmt.Such liquid crystal cells (cf. "Appl. Phys. Letters" 18 (1971), p. 127 and 128) are based on the fact that suitable surface treatment (rubbing, Grinding or the like) the transparent carrier plates are provided with an oriented surface structure can, and that the molecules of a nematic liquid crystal are exactly parallel to that due to the orientation Adhere to this surface structure given direction on the surface. Because of the well-known Properties of nematic liquid crystals, there is an interaction between the molecules that strives is to align the molecules parallel to each other. Will the given directions of the carrier plates rotated against each other, this interaction leads to the fact that in between the carrier plates arranged liquid crystal, the molecules with orientation parallel to the surfaces of the carrier plates with respect to the direction perpendicular to the carrier plates twisted helically against each other are. Such an arrangement behaves according to the direction of the winding of the screw arrangement of the molecules optically clockwise or counterclockwise, the optical angle of rotation with the angle between the specified Directions coincide.
Bei einem Winkel von beispielsweise 90° zwischen den vorgegebenen Richtungen besteht daher zwischen parallelen Polarisatoren Dunkelstellung. Wenn an die transparenten Elektroden eine Spannung angelegt &> wird, so stellen die Moleküle sich auf Grund ihrer positiven dielektrischen Anisotropie parallel zum elektrischen Feld, d. h. senkrecht zur Oberfläche der Trägerplatten ein. Die Schraubenwendelstruktur und damit auch die optische Drehung werden dadurch aufgehoben, es kommt zu einer Aufhellung zwischen den parallelen Polarisatoren.In the case of an angle of, for example, 90 ° between the predetermined directions, there is therefore between parallel polarizers dark position. When a voltage is applied to the transparent electrodes &> the molecules are positioned parallel to the electrical due to their positive dielectric anisotropy Field, d. H. perpendicular to the surface of the carrier plates. The helical structure and thus the optical rotation is also canceled, there is a brightening between the parallel ones Polarizers.
Bei der bekannten Flüssigkristallzelle der eingangs beschriebenen Gattung beträgt der Winkel zwischen den vorgegebenen Richtungen genau 90°. Infolgedessen sind hier links-'lind 'rechtshändige Schraubenanordnung der Moleküle energetisch gleichwertig, es bestehen nebeneinander getrennte Domänen, die sich optisch entweder links- oder rechtsdrehend verhalten. Es ergibt sich hierbei, daß schon mit parallelem Licht, vor allem aber bei endlichem öffnungswinkel weder in Hell- noch in Dunkelstellung das Gesichtsfeld gieich mäßig ausgeleuchtet ist.In the known liquid crystal cell of the type described at the outset, the angle is between the given directions exactly 90 °. As a result, left-'lind 'right-handed screw arrangements of the molecules are energetically equivalent, they exist domains separated next to each other, which optically behave either left or right-handed. It the result is that even with parallel light, but especially with a finite aperture angle, neither in The field of view is equally moderately illuminated in bright and dark positions.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Flüssigkristallzelle der eingangs beschriebenen Gattung ein homogen ausgeleuchtetes Gesichtsfeld zu er reichen.The invention is based on the object of a liquid crystal cell of the type described at the outset to achieve a homogeneously illuminated field of view.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Winkel, den die vorgegebenen Richtungen miteinander bilden, um mindestens Γ von 90° abweicht. — Damit nutzt die Erfindung die Tatsache aus, daß die Wechselwirkungsenergie zwischen den Molekülen mit dem Schraubenwinkel zunimmt. Infolgedessen sind bei von 90° verschiedenem Winkel zwischen den gegebenen Richtungen rechts- und linkshändige Schraube nicht mehr energetisch gleichwertig, es bildet sich vielmehr nur die Schraubenanordnung aus, die dem kleineren Winkel zwischen den vorgegebenen Richtungen entspricht. Damit wird erreicht, daß im gesamten Flüssigkristall ein einheitlicher Windungssinn der Schraubenanordnung vorliegt.This object is achieved according to the invention in that the angle that the predetermined directions form with each other, deviating by at least Γ from 90 °. - The invention thus takes advantage of the fact that the interaction energy between the molecules increases with the helix angle. Consequently are right-handed and left-handed at angles other than 90 ° between the given directions Screws are no longer energetically equivalent, only the screw arrangement is formed that corresponds to the corresponds to a smaller angle between the given directions. This ensures that in the whole Liquid crystal there is a uniform sense of winding the screw arrangement.
Das erreichte Ergebnis ist überraschend. Tatsächlich kommt es für den austrittsseitigen Polarisationszustand in der. Domänen nicht darauf an, ob die optische Drehung links- oder rechtshändig erfolgt. Es war daher nicht zu erwarten, daß das gleichzeitige Vorhandensein von rechts- und linksdrehenden Domänen mit den beobachteten Inhomogenitäten im Zusammenhang steht. Die Domänengrenzen stellen jedoch Störungen dar, die schon bei Beleuchtung mit parallelem Licht sichtbar werden. Vor allem aber beim Arbeiten mit endlichem öffnungswinkel, was in der Praxis stets der Fall ist, läßt sich nicht vermeiden, daß Strahlen die Domänengrenzen durchsetzen und eine unregelmäßige und in jedem Fall bei weitem zu geringe Drehung ihrer Polarisationsrichtung erfahren. Diese Ursache für das Auftreten der beobachteten Inhomogenitäten wird durch die Erfindung in einfacher Weise wirkungsvoll behoben. Dabei genügen für die Abweichung des Winkels zwischen den vorgegebenen Richtungen von 90° bereits kleine Werte, im allgemeinen zwischen 1 und 5°, so daß auch keine erhebliche Minderung des erreichbaren Kontrasts zwischen Hell- und Dunkelstellung hingenommen werden muß.The result achieved is surprising. It actually occurs for the polarization state on the exit side in the. Domains do not depend on whether the optical rotation is left-handed or right-handed. It was therefore not to be expected that the simultaneous presence of right- and left-rotating domains with the observed inhomogeneities is related. However, the domain boundaries represent disturbances which are already visible when illuminated with parallel light. But especially when working with With a finite opening angle, which is always the case in practice, it cannot be avoided that rays cross the domain boundaries enforce and an irregular and in any case far too little rotation of their Find out the direction of polarization. This will cause the occurrence of the observed inhomogeneities effectively remedied by the invention in a simple manner. Sufficient for the deviation of the angle already small values between the given directions of 90 °, generally between 1 and 5 °, so that no significant reduction in the achievable contrast between light and dark position is accepted must become.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated below with the aid of a drawing that shows only one exemplary embodiment explained in more detail. It shows
F i g. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Flüssigkristallzelle. F i g. 1 shows the basic structure of a liquid crystal cell.
F i g. 2 in perspektivischer Darstellung eine Flüssigkristallzelle nach dem Stand der Technik,F i g. 2 shows a perspective illustration of a liquid crystal cell According to the state of the art,
F i g. 3 in perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäße Flüssigkristallzelle,F i g. 3 is a perspective view of a liquid crystal cell according to the invention,
F i g. 4 die Lage der vorgegebenen Richtungen bei einer Flüssigkristallzelle nach dem Stand der Technik undF i g. 4 shows the position of the predetermined directions in a liquid crystal cell according to the prior art and
F i g. 5 die Lage der vorgegebenen Richtungen bei einer erfindungsgemäßen Flüssigkristallzelle.F i g. 5 shows the position of the predetermined directions in a liquid crystal cell according to the invention.
Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Flüssigkristallzelle besteht im wesentlichen aus zwei transparenten Trägerplatten 1 und 2, beispielsweise Glasplatten,The in F i g. 1 liquid crystal cell shown schematically consists essentially of two transparent ones Carrier plates 1 and 2, for example glass plates,
welche mit transparenten Elektroden 3 bzw. 4 beispielsweise aus SnO: oder ln:Oj im Vakuum beschichtet sind, sowie einem zwischen den Trägerplatten 1 und 2 angeordneten Flüssigkristall. Der zwischen den Trägerplatten 1, 2 eingeschlossene Raum ist rundum durch Isoliersiücke 5 vollständig abgedichtet, an die beiden Elektroden 3, 4 ist ein .Spannungsquelle 9 angeschlossen. Die ganze Anordnung ist zwischen Polarisatoren 7,8 angeordnet.which are coated with transparent electrodes 3 or 4, for example made of SnO: or In: Oj, in a vacuum are, as well as a liquid crystal arranged between the carrier plates 1 and 2. The one between the Carrier plates 1, 2 enclosed space is completely sealed all around by Isoliersiücke 5, to the A voltage source 9 is connected to both electrodes 3, 4. The whole arrangement is arranged between polarizers 7, 8.
Die Trägerplatten 1, 2 sind in geeigneter Weise oberflächenbehandelt, beispielsweise geschliffen und weisen daher e:ne Oberflächenstruktur auf. die jeweis in einer vorgegebenen Richtung orientiert ist. Bei der in F i g. 2 dargestellten, dem Stand der Technik entsprechenden Flüssigkristallzellc liegt die vorgegebene Richtung für die vordere Glasplatte 11 in Richtung des Pfeils 13, d. h. parallel zur Längsseite a-b. und für die hintere Glasplatte 12 in Richtung des Pfeiles 14, d. h. parallel zur kurzen Seite a-b (vgl. auch Fig. 4). Die vorgegebenen Richtungen bilden also bei dieser herkömmlichen Anordnung einen Winkel von genau 90c miteinander. Die langgestreckten Moleküle des zwischen den Platten angeordneten Flüssigkristalls 6 sind in den unmittelbar an die Trägerplatten 1, 2 angrenzenden Schichten parallel zu den vorgegebenen Richtungen orientiert. Folglich bilden die Moleküle 6a und 6m in diesen beiden Schichten miteinander einen Winkel von 90°, während die Moleküle 66 bis 6/ im Inneren des Flüssigkristalls schraubenwendelförmig gegeneinander verdreht sind. Die dargestellte rechtshändige Schraube ist mit einer (nicht dargestellten) linkshändigen Schraube energetisch gleichwertig, aus diesem Grunde liegen im Flüssigkristall 6 nebeneinander Bereiche mit unterschiedlichem Windungssinn vor. Das führt zu den eingangs beschriebenen Nachteilen der bekannten Anordnung.The support plates 1, 2 are surface treated in a suitable manner, for example ground, and therefore have e: ne surface structure. each oriented in a given direction. In the case of the in FIG. 2, corresponding to the prior art, the predetermined direction for the front glass plate 11 lies in the direction of the arrow 13, ie parallel to the longitudinal side . and for the rear glass plate 12 in the direction of arrow 14, ie parallel to the short side (cf.. also FIG. 4). In this conventional arrangement, the predetermined directions therefore form an angle of exactly 90 c with one another. The elongated molecules of the liquid crystal 6 arranged between the plates are oriented parallel to the predetermined directions in the layers directly adjoining the carrier plates 1, 2. As a result, the molecules 6a and 6m in these two layers form an angle of 90 ° with one another, while the molecules 66 to 6 / are twisted in a helical manner in relation to one another in the interior of the liquid crystal. The right-handed screw shown is energetically equivalent to a left-handed screw (not shown), for this reason there are areas in the liquid crystal 6 next to one another with different windings. This leads to the disadvantages of the known arrangement described at the outset.
Die F i g. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Flüssigkristallzelle. Hier ist die Anordnung so getroffen, daß die mit den Zeilen 25, 26 dargestellten vorgegebenen Richtungen der Trägerplatten 11, 12 miteinander einen von 90° abweichenden Winkel bilden. Wird die Abweichung dieses Winkels von 90° mit α bezeichnet (vgl. F i g. 5), so beträgt der kleinere Winkel zwischen den vorgegebenen Richtungen (90-<x)° und der größere Winkel (90+ «)°. Der Winkel λ liegt vorzugsweise zwischen 1 und 5°.The F i g. 3 shows a schematic representation of a liquid crystal cell according to the invention. Here is the arrangement taken so that the with the lines 25, 26 shown predetermined directions of the carrier plates 11, 12 form an angle other than 90 ° with one another. Will be the deviation of this angle of 90 ° denoted by α (see FIG. 5), the smaller angle is between the specified directions (90- <x) ° and the larger angle (90+ «) °. The angle λ is preferably between 1 and 5 °.
Die Längsachsen der Moleküle 6a, Sm in den unmittelbar an die Trägerplatten U, 12 angrenzenden Schichten des Flüssigkristalls 6 bilden daher gleichfalls miteinander Winkel von (90-<x)° bzw. (90 + λ)°, während die Moleküle 6b bis 6/ im Inneren des Flüssigkristalls 6 eine Schraubenwendelanordnung einnehmen. Unter den in F i g. 3 dargestellten Verhältnissen entspricht dem rechtshändigen Windungssinn -ein Verdrehungswinkel von (90-«)° und dem linkshändigen Windungssinn ein Verdrehungswinkel von (90-Kx)". Folglich ist die Schraubenwendelanordnung mit rechtshändigem Windungssinn energetisch bevorzugt, so daß alle Moleküle des Flüssigkristalls 6 aus der vorgegebenenThe longitudinal axes of the molecules 6a, Sm in the layers of the liquid crystal 6 directly adjoining the carrier plates U, 12 therefore also form angles of (90- <x) ° or (90 + λ) ° with one another, while the molecules 6b to 6 / occupy a helical arrangement in the interior of the liquid crystal 6. Among the in F i g. 3 corresponds to the right-handed winding sense - a rotation angle of (90 - «) ° and the left-handed winding sense a rotation angle of (90-Kx)". Consequently, the helical arrangement with a right-handed winding sense is energetically preferred, so that all molecules of the liquid crystal 6 from the given
ίο Richtung 25 der Trägerplatte 11 rechtshändig in die vorgegebene Richtung 26 der Trägerplatte 12 verdreht sind.ίο direction 25 of the carrier plate 11 right-handed in the predetermined direction 26 of the carrier plate 12 are rotated.
Infolgedessen verhält sich bei einer erfindungsgemäßen Flüssigkristallzelle der Flüssigkristall einheitlich optisch rechtsdrehend bzw. bei entsprechend anderer Anordnung der vorgegebenen Richtungen linksdrehend. Das gleichzeitige Vorliegen von unterschiedlich drehenden Domänen ist damit vermieden, und zwischen Polarisatoren wird eine gleichmäßige, homogene Aufhellung bzw. Dunkelstellung des ganzen Gesichtsfeldes erreicht, und zwar auch bei Beleuchtung mit erheblichem Öffnungswinkel.As a result, behaves in an inventive Liquid crystal cell the liquid crystal uniformly optically clockwise or with correspondingly different Arrangement of the given directions counterclockwise. The simultaneous presence of different rotating domains is avoided, and between polarizers there is a uniform, homogeneous Brightening or darkening of the entire field of view achieved, even with lighting with considerable Opening angle.
Die beschriebene Flüssigkristallzelle läßt sich ohne weiteres als Anzeigevorrichtung einsetzen. Dazu werden, was in den Figuren nicht dargestellt ist, die optische Anzeige und ihr Hintergrund dadurch hervorgebracht, daß die transparenten Elektroden 3, 4 entsprechend einem Muster geätzt sind, welches Zahlen, Sym-. bole oder andere Zeichen darstellt.The liquid crystal cell described can easily be used as a display device. To do this, what is not shown in the figures, the visual display and its background produced thereby, that the transparent electrodes 3, 4 are etched according to a pattern which numbers, Sym-. represents bole or other characters.
Farbige Anzeigen auf farbigem Hintergrund lassen sich dadurch erreichen, daß eine Kombination aus dichroitischen Farbpolarisatoren und einem neutralen Farbpolarisator verwendet werden. Eine Schwarz-Weiß-Anzeige läßt sich mit mehreren neutralen Farbpolarisatoren erzeugen. Farbige Muster auf weißem Hintergrund ergeben sich bei Kombination eines neutralen Farbpolarisators mit dichroitischen Farbpolarisaloren. Durch Veränderung der gegenseitigen Orientierung der Polarisatoren lassen sich auch weiße Muster auf schwarzem Hintergrund erzeugen. Bei Verwendung von zwei Verbundfarbpolarisatoren zusammen mit einem neutralen Farbpolarisator lassen sich zahlreiche verschiedene Farbmuster auf farbigen Hintergründen erzielen, in dem die dichroitischen Verbundfarbpolarisatoren verstellt werden. Die Zuordnung der Farbe der einzelnen Muster zur Farbe des Hintergrundes läßt sich durch Veränderung der Richtung des neutralen Polaris'ators gegenüber einem Farbpolarisator verändern.Colored displays on a colored background can be achieved by using a combination of dichroic Color polarizers and a neutral color polarizer can be used. A black and white ad can be created with several neutral color polarizers. Colored patterns on white Background results from the combination of a neutral color polarizer with dichroic color polarizers. By changing the mutual orientation of the polarizers, white patterns can also be created on a black background. When using two composite color polarizers together With a neutral color polarizer, numerous different color samples can be created on colored backgrounds achieve by adjusting the dichroic composite color polarizers. The assignment the color of the individual pattern to the color of the background can be changed by changing the direction of the neutral polarizer compared to a color polarizer.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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