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Flüssigkristall-Anzeige mit bistabiler cholesterinischer
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FlüssiFkrista Schicht Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristall-(FK-)Anzeige
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derart aufgebautes Display ist in "Berichte
der Bunsen-Gesellschaft", Heft 9, 1974, Seiten 912 bis 914, insbesondere Abschnitt
4, beschrieben. Diese vorbekannte Ausführung ist matrixadressiert, wird von einem
elektrischen Feld angesteuert und hat eine FK-Schlcht mit einer positiven Anisotropie
der Dielektrizitätskonstanten (DK).
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Einige cholesterinische BE Gemische zeigen unter gewissen Randbedingungen,
insbesondere bei einer homöotropen Wandorientierung, einen Bistabilitätseffekt:
Sie gehen oberhalb eines Schwellwertes Ecn aus ihrer energetisch stabilen, gewölmlich
fokalkonischen Struktur in eine homöotrop nematische Orientierung über und kehren
erst unterhalb eines scharf definierten Schwellwertes Enc - unter kurzzeitiger Ausbildung
eines planar-konischen Zwischenzustandes -in ihre stabile Lage zurück. Das Verhältnis
Ecn/Enc kann Werte bis zu 5 annehmen, unter Umständen ist es sogar möglich, den
unteren Schwellwert zu ITull zu machen. In diesem Sonderfall, bei dem die auf den
Plattenabstand normierte Ganghöhe der chara1steristischen cholesterinischen Schraubenstruktur
mit den Elastizitätskonstanten der SK-Substanz in einer bestimmten Beziehung sehen
muß, sind dann im feldfreien Zustand sowohl eine homöotrop-nematische als auch eine
planar-konische Textur nebeneinander stabil; beide Texturen können hierbei ineinander
überführt werden, wenn die DK-Anisotropie der FK-Substanz in Abhängigkeit von der
Frequenz das Vorzeichen wechselt, beispielsweise mit wachsender Frequenz von positiven
zu negativen Werten übergeht.
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Die geschilderte Zustands-Hysterese ist insbesondere für matrixadressierte,
im
Zeitmultiplex-Verfahren betriebene FK-Anzeigen außerordentlich wertvoll, da bei
Matrixanzeigen die Information bekanntlich zeilenweise eingeschrieben und in jeder
Zeile bis zum Ablauf der Bild-Periode gespeichert werden muß. Dabei kann eine um
so größere Informationsmenge verarbeitet werden, je größer das Verhältnis zwischen
der möglichen Speicherzeit und der erforderlichen Einschreibzeit, das sogenannte
"Multiplex-Verhältnis", ist.
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Bistabile FE-Gemische könnten theoretisch ihre einmal erzeugte homöotrop-nematische
Textur bei einem geeigneten Haltefeld nahezu unbegrenzt beibehalten, also Informationen
beliebig lange speichern.
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In der Praxis ist ihr Speichervermögen jedoch drastisch reduziert,
und zwar im wesentlichen deshalb, weil in jeden homöotrop-nematischen FK-Bezirk
- ausgehend von Verunreinigungen sowie der stets fokal-konischen Umgebung des Bezirks
- die energetisch günstigere fokal-konische Mesophase allmählich hineinwächst. Durch
eine besonders sortfaltige Reinigung der Plattenoberflächen lassen sich die singulären
Störkeime weitgehend eliminieren. Um auch den Informationsabbau vom Rande her unterdrücken
zu können, ist in der eingangs zitierten Veröffentlichung bereits angeregt worden,
die Fläche zwischen den Matrixelementen durch ein besonderes Elektrodensystem auf
einer festen Spannung zu halten, die den FK in diesen Flächen stets nematisch läßt.
Konkrete Realisierungsmöglichkeiten für solche unzerstörbar nematischen Bezirke
sind der gewanten Arbeit allerdings nicht zu entnehmen; sie stehen bis heute noch
aus.
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Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, Mittel und Wege zu finden,
wie bei einem FK-Display mit bistabiler cholesterinischer SK-Schicht die beschriebenen
nematischen Bezirke bzw. Ränder ohne allzugroßen Aufwand, vor allem auch frei von
störenden Nebeneffekten, insbesondere ohne optische Verschlechterungen, verwirklicht
werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer FE-Anzeige gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 erfindungsgemäß in einer ersten Ausführung
vorgesehen,
daß die Randelektroden ebenfalls auf den Platteninnenflächen aufgebracht sind, wobei
zwischen den Bild- und den Randelektroden ein elektrisch isolierender Abstand verbleibt,
und daß die Randelektroden jeweils mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen
sind, die auch noch die benachbarten Bildelektroden teilweise überlappt. Alternativ
hierzu ist eine FK-Anzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß
in einer zweiten Ausfuhrung dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Randelektroden
und der Platteninnenfläche eine elektrisch isolierende Schicht (Zwischenschicht)
befindet und die Randelektroden an die Bildelektroden (in Richtung der Plattennormalen
gesehen) bündig angrenzen.
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Beide erfindungsgemäßen Display-Varianten haben gemeinsam, daß die
i'K-Schicht praktisch querfeldfrei ist; werden die Randelektroden von Zwischenschichten
getragen (Ausführung 2), so können sich keinerlei Querfelder ausbilden; sind die
Randelektroden den Platten direkt und mit Abstand zu den Bildelektroden aufgetragen
(Ausführung 1), dann existieren zwar Querfelder, diese Felder verlaufen jedoch im
wesentlichen in der elektrisch isolierenden Schicht und dringen nur wenig in den
FK ein. Damit können sich in beiden Fällen auch im Übergangsbereich zwischen Rand-
und Bildelektrode keine unüberschaubaren und möglicherweise lokale Strukturstörungen
hervorrufende Feldverhältnisse ergeben.
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Die Ausführung 1 hat den weiteren Vorteil, daß man mit den Randelektroden
in der Ebene der Bildelektroden bleibt und damit die Kurzschlußgefahr des Displays
nicht erhöht. Außerdem können alle Elektroden in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt
werden.
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Die Ausführung 2 verlangt zwar eine sorgfältige Plattendistanzierung
sowie mehrere Fertigungsschritte, erzeugt aber keinerlei Querfelder, gestattet eine
bündige Bildelektroden-Begrenzung durch die Randelektroden und gibt schließlich
aufgrund des verkürzten Abstandes zwischen den Randelektroden und ihren Gegenelektroden
unter Umständen die Möglichkeit, mit relativ niedrigen Randelektrodenpotentialen
auszukommen.
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Bei einer erfindungsgemäßen BE-Anzeige befinden sich die Bildschirmbereiche
außerhalb
der Bildsegmente stets in einem homöotropnematischen Zustands so daß man gewöhnlich
für den gesamten Bildhintergrund einschließlich der gelöschten Bild segmente die
homöotrop-nematischeStruktur und für das Bild selbst, d.h. seine einzelnen Segmente,
die fokal-konische Orientierung wählen wird. Es 1 sind aber auch andexe Darstellungstechniken
denkbar, insbesondere, wenn die Randelektroden so schmal sind, daß die ständigen
nematischen Ränder optisch nicht in Erscheinung treten. Die beiden exturen kontrastieren
optisch bekanntlich besonders stark gegeneinander, wenn man das Display zwischen
zwei gekreuzte Polarisatoren setzt; in diesem Fall erscheinen die nematischen FK-Bereiche
im dunkel Durchlichtbetriebvund die cholesterinischen FK-Bereiche hell (ein homöotrop-nematisch
orientierter FK läßt Licht ungehindert und ohne Änderung seiner Polarisation durch,
während ein fokal-konisch strukturierter FK Licht streut und depolarisiert).
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Mit besonderem Vorteil ist eine erfindungsgemäße BE Anzeige als Matrix-Anzeige
ausgebildet und findet vor allem in Datensichtgeräten Verwendung.
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Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Figuren der Zeichnung mit weiteren Merkmalen und Einzelheiten näher erläutert
werden. Einander entsprechende Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen FK-Matrixanzeige
in einem Seitenschnitt und Figur 2 und 9 von einem zweiten bzw. dritten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen FK-Matrixanzeige einen Ausschnitt im Seitenschnitt.
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Alle dargestellten Display-Ausführungen werden in Transmission betrieben
und unterscheiden sich konstruktiv lediglich in der Beschichtung der Platteninnenflächen.
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Die Ausführung der Figur 1 enthält im einzelnen zwei rägerplatten
1, 2, die auf ihren einander zugewandten Innenflächen jeweils
einen
Elektrodenbelag tragen. Jeder der beiden Elektrodenbeläge umfaßt zueinander parallele
Bildstreifenleiter (Bildzeilenleiter S, Bildspaltenleiter 4); die Leiterscharen
beider Trägerplatten stehen zueinander senkrecht, so daß sich insgesamt eine aus
einzelnen Bildpunkten (Kreuzungspunkte der Bildzeilenleiter und Bildspaltenleiter)
aufgebaute Bildmatrix ergibt. Zwischen den Bildstreifenleitern einer jeden Platteninnenfläche
verlaufen, von den Bildstreifenleitern jeweils in einem elektrisch isolierenden
Abstand gehalten, weitere Streifenleiter (Randstreifenleiter, Randzeilenleiter 5,
Randspaltenleiter 6). Jeder Randstreifenleiter ist dabei mit einer elektrisch isolierenden
Schicht 7 bzw. 8 überzogen, die auch noch die beiden benachbarten Bildstreifenieiter
etwas überlappt. Beide Platten 1, 2 sind an ihren Rändern über einen Glaslotrahmen
9 in einer Distanz von etwa 15 /um miteinander verbunden. In der Kammer zwischen
beiden Platten befindet sich eine FF-Schicht 10, die durch eine (nicht dargestellte)
Füllöffnung im Glaslotrahmen eingegeben und durch Verschließen der Füllöffnung hermetisch
dicht von der Umwelt abgeschlossen ist.
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Die Display-Teile bestehen aus folgenden Materialien: Die beiden Trägerplatten
sind aus Glas, die Elektrodenbeläge aus SnO2 oder einer Mischung aus SnO2 und In203,
die elektrisch isolierenden Schichten aus SiO2, der Glaslotrahmen aus einem Glaslot
mit niedrigem Schmelzpunkt, die FK-Schicht beispielsweise aus einer nematischen
Azoxy-Verbindung mit 7 bis 20 % Cholesterylchlorid (ZLI 319 der Fa. Merck) oder
einer Schiffechen Base (RO-TN 200 der Fa.
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Hoffmann-La Roche) mit einem geeigneten cholesterinischen Zusatz.
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Der FE-Substanz könnte zur Kontrastverbesserung und/oder zur Schaffung
einer farbigen Darstellung ein dichroitischer Farbstoff beigemischt sein.
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Die Matrixanzeige kann auf verschiedene Weise betrieben werden: Die
Information wird zeilenweise eingeschrieben. Dabei steht an allen Bildpunkten der
Matrix das Haltefeld ; nur an den Bildpunkten der selektierten Zeile steht informationabhängig
entweder das Feld E = 0 oder 2 x Eh. Nach dem Einschreiben der letzten Zeile beginnt
der Durchlauf wieder mit der ersten Zeile. Die Feldstärke
Eh liegt
im Bereich zwischen 0,6 und 1,2 V//um. Die Zeilenauswahlzeit hängt von der Schaltzeit
für den Übergang cholesterinisch-nematisch ab und beträgt etwa 100 bis 200 ms (Beispiel
1).
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In einer abweichenden Ansteuerung wird die genannte Matrix vor dem
Bildaufbau in den foR.al-konischen Zustand gebracht (E = O).
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Anschließend steht an allen Matrixbildpunkten wieder das Haltefeld
Eh. Die Information wird zeilenweise eingeschrieben, derart, daß an diejenigen Bildpunkte,
die nematisch werden sollen, das Feld 3 x Eh gelegt wird. Diese Ansteuerung hat
gegenüber der zuerst beschriebenen den Vorteil, daß die Zeilenauswahlzeit auf 30
bis 50 ms reduziert ist (Beispiel 2).
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In einem weiteren Ansteuerungsverfahren wird die gesamte Matrix vor
dem Bildaufbau mit einem Spannungsimpuls nematisch gemacht.
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Anschließend steht an allen Matrixbildpunkten Eh. Die Information
wird zeilenweise eingeschrieben, und zwar wie im ersten Betriebsbeispiel. Die Zeilenauswahlzeit
betragt 20 bis 30 ms, bestimmt durch die Schaltzeit vom nematischen in den cholesterinischen
Zustand (Beispiel 3).
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Für weitere Betriebs- und Herstellungseinzelheiten sei auf die DU-OS
2 361 421 venfiesen.
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Alle Bildpunkte der Matrix sind von sich ergänzenden Randstreifenleitern
vollständig umschlossen. Im Display-Betrieb liegen die Randstreifenleiter auf solchen
Potentialen, daß in der FX Schicht am Ort der BiIdpunktränder ständig ein minimales
elektrisches Feld Er größer als Ecn herrscht. Bei Wahl der geeigneten Randspannung
ist zu beachten, daß die Feldstärke in den einzelnen Bildpunkträndern nicht überall
gleich groß ist, da die Randstreifenleiter längs ihrer Erstreckung verschieden vorgespannte
Gegenelektroden vorfinden, nämlich Rand- und Bildstreifenleiter und über sehr kurze
Strecken auch die Platteninnenfläche selbst.
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Bei der Ausführung der Figur 2 befindet sich zwischen jedem Randstreifenleiter
5, 6 und der ihn tragenden Platte 1 bzw. 2 eine isolierende, ebenfalls streifenförmige
Zwischenschicht (Isolierstreifen 11 bzw. 12). Durch diese Isolierstreifen ist der
Abstand zwischen den Randstreifenleitern und den ihnen zugehörigen Gegenelektroden
verkürzt,
so daß man mit einer geringeren Spannung zur Erzeugung der erforderlichen Feldstärke
Er auskommt. Außerdem kann der Randstreifenleiter so bemessen werden, daß er in
der Draufsicht bündig an die Bildstreifenleiter angrenzt; damit sind den einzelnen
R2ndstreifenleitern stets Streifenleiter als Gegenelektroden zugeordnet und herrschen
sehr klare Feldverhältnisse. Dabei können die Banstreifenleiter den Zwischenraum
zwischen zwei benachbarten Bildstreifenleitern gerade ausfüllen oder aber beide
Bildstreifenleiter etwas überlappen.
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Das dritte Ausführungsbeispiel (Figur 3) unterscheidet sich von dem
vorhergehenden Beispiel darin, daß die Trägerplatten mit einer durchgehenden, auch
die Bildelektroden bedeckenden Zwischenschicht aus elektrisch isolierendem Material
(Isolierüberzugl3 bzw. 14) überzogen sind. Jeder Isolierüberzug trägt jeweils einen
leitenden Film, aus dem die Bildpunkte ausgespart sind und der somit die Form eines
Netzes erhält (Randstreifenleiternetz 5 bzw. 6 ). Der Vorteil dieser Modifikation
besteht darin, daß jedes Leiternetz nur einen Spannungsanschluß benötigt und einen
relativ niedrigen Flächenwiderstand hat. Außerdem ist in jeder Randzone das Feld
praktisch homogen verteilt und könnte man sogar bei Wahl einer Zwischenschicht mit
einer geeigneten Dielektrizitätskonstanten auch noch die Feldstärken am Ort der
Bildpunkte variieren, beispielsweise absenken. Allerdings ist auf eine sorgfältige
Präparation dar-Zwi-Dehenschicht zu achten, damit es nicht an Stellen, an denen
das Netz die Bildstreifenleiter kreuzt, zu Kurz schlüssen kommt (die Schicht darf
keine durchgehenden sogenannten pin-holes aufweisen).
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. So braucht man nicht unbedingt eine Matrix-Anzeige zugrunde zu legen;
vielmehr kommen ganz allgemein FE-Displays in Frage, bei denen Information durch
Anlegen eines Haltefeldes oder auch im feldfreien Zustand gespeichert werden soll,
beispielsweise graphische Displays oder die üblichen Anzeigen für alphanumerische
Ziffern. In der Regel wird man die Anzeige mit einem elektrischen Feld ansteuern,
grundsätzlich ist aber auch der Betrieb mit einem Magnetfeld und dementsprechend
einer FK-Schicht mit einer zumindest in einem bestimmten Frequenzbereich positiv
anisotropen magnetiecher Suszeptibilität möglich.
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7 Patentansprüche 3 Figuren
L e e r s e i t e