DE2542235C3 - Flüssigkristall-Anzeige mit bistabiler cholesterinischer Flüssigkristall-Schicht - Google Patents

Description

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-Schicht mit einer positiven Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten (DK).

Einige cholesi erinische FK-Gemische zeigen unter gewissen Randbedingungen, insbesondere bei einer homöotropen Wnndorieintierung, einen Bistabilitätseffekt: Sie gehen oberhalb eines Schwellwertes E_1n aus ihrer energetisch stabilen, gewöhnlich fokal-konischen Struktur in eine homöotirop nematischen Orientierung über und kehren erst unterhalb eines scharf definierten Schwellwertes Zinc — unier kurzzeitiger Ausbildung eines planar-koriiischen Zwischenzustandes — in ihre stabile Lage zurück. Das Verhältnis Ec_nIE„_c kann Werte bis zu 3 annehmen, unter Umständen ist es sogar möglich, den unteren Schwellwert zu Null zu machen. In diesem Sonderfall, bei dem die auf den Plattenabstand normierte Ganghöhe der charakteristischen cholesterinischen Schraubenstruktur mit den Elastizitätskonstanten der FK-Sub;itanz in einer bestimmten Beziehung stehen 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, wem. die DK-Anisotropie der FK.-Substanz in Abhängigkeit von der Frequenz das Vorzeichen wechselt, beispielsweise mit wachsender Frequenz von positiven zu negativen Werten übergeht.

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 Su größere Informationsmenge verarbeitet werden, je größer das Verhältnis zwischen der möglichen Speicherzeit und der erforderlichen Einschreibzeit, das sogenannte »Mulliplex-Verhältnis«, ist.

Bistabile FK-Gemische könnten theroretisch ihre einmal erzeugte homöotrop-nematische Textur bei einem geeignetem Haltefeld nahezu unbegrenzt beibehalten, also Informationen beliebig lange speichern. 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-lkonische Mesophase allmählich hineinwächst. Durch eine besonders sorgfältige Reinigung der Plattenoberflächiin lassen sich die singulären Störkeime weitgehend eliminieren. Um auch den Informationsabbau vom Rand 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 genannten Arbeit allerdings nicht zu entnehmen; sie stehen bis heute noch aus.

Die Erfindung hat sich zum "Ziel gesetzt, Mittel und Wege zu finden, wie bei einem FK-Display mit bistabiler cholesterinischer FK-Schichidie beschriebenen nematischen Bezirke bzw. Ränder ohne allzugroßen Aufwand, vor allem auch frei von störenden Nebeneffekten, insbesondere ohne optische Verschlechterungen, verwirklicht werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer FK-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 icuch noch die benachbarten Bildelektroden teilweise überlappt. Alternativ hierzu ist eine FK-Anzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 erfindungsgemäß in einer zweiten Ausführung 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.

Beide erfindungsgemäßen Display-Varianten haben gemeinsam, daß die FK-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.

Die Ausführung 1 hat den weiteren Voi teil, 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. Die Ausführung 2 verlangt zwar eine sorgfältige Plattendistanzierung sowie mehrere Feriigungsschritte, 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.

Bei einer erfindungsgemäßen FK-Anzeige befinden sich die Bildschirmbereiche außerhalb der Bildsegmente stets in einem homöotropnematischen Zustand, so daß man gewöhnlich für den gesamten Bildhintergrund einschließlich der gelöschten Bildsegmente die homöotrop-nematische Struktur und für das Bild selbst, d. h. seine einzelnen Segemetite, die fokal-konische Orientierung wählen wird. Es sind aber auch andere DarstellunEstechniken denkbar, insbesondere, wenn die Randelektroden so schmal sind, daß die ständigen nematischen Ränder optisch nicht in Erscheinung treten. Die beiden Texturen kontrastieren optisch bekanntlich besonders stark gegeneinander, wenn man das Display zwischen zwei gekreuzte Polarisatoren setzt; in diesem Fall erscheinen die nematischen FK-Bereiche im Durchlichtbetrieb dunkel und die cholesterinischen FK-Bereiche hell (ein homöotrop-nematisch orientierter FK läßt Licht ungehindert und ohne Änderung

ίο seiner Polarisation durch, während ein fokal-konisch strukturierter FK Licht streut und depolansiert).

Mit besonderem Vorteil ist eine erfindungsgemäße FK-Anzeige als Matrix-Anzeige ausgebildet und findet vor aliem in Datensichtgeräten Verwendung.

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 zeigt

ίο Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen FK-Matrixanzeige in e'^em Seitenschniti. und

Fig. 2 und 3 von einem zweiten bzw. dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen FK-Matrixanzeige einen Ausschnitt im Seitenschnitt.

Alle dargestellten Display-Ausführungen werden in Transmission betrieben und unterscheiden sich konstruktiv lediglich in der Beschichtung der Platteninnenflächen.

Die Ausführung der F i g. 1 enthält im einzelnen zwei Trägerplatten t, 2, die auf ihren einander zugewandten Innenflächen jeweils einen Elektrodenbelag tragen. Jeder der beiden Elektrodenbeläge umfaßt zueinander parallele Bildstreifenleiter (Bildzeilenleiter 3, Bildspaltenleiter 4); die Leiterscharen beider Trägerplatten stehen zueinander senkrecht, so daß sich insgesamt eine aus einzelnen Bildpunkten (Kreuzungspunkte der Bildzeilenleiter und Bildspaltenspaltenleiter) aufgebaute Bildmatrix ergibt. Zwischen den Bildstreifenleitern ein^r jeden Platteninnenfläche verlaufen, von den Bildstreifenleitern jeweils in einem elektrisch isolierenden Abstand ' gehalter weitere Streifenleiter (Randstreifenleiter; Rar.dzeilenleiter 5, Randspaltenleiter 6}. Jeder Randstreifenleiter ist dabei mit einer elektrisch isolierenden Schicht 7 bzw. 8 überzogen, die auch noch die beiden benachbarten Bildstreifenleiter etwas überlappt. Beide Platten 1, 2 sind an ihren Rändern über einen Glaslotrahmen 9 in einer Distanz von etwa 15 μιη miteinander verbunden. In der Kammer zwischen beiden Platten befindet sich eine FK-Schicht 10, die durch eine (nicht dargestellte) Füllöffnung im Glaslotrahmen eingegeben und durch Verschließen der Füllöffnungen hermetisch von der Umwelt abgeschlossen ist.

Die Display-Teile bestehen aus folgenden Materialien: Die beiden Träpcrplatten sind aus G'as, die Elektrodenbeläge aus SnCb oder einer Mischung aus SnO₂ und In₂O₃, die elektrisch isolierenden Schichten aus S1O2, 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 Schiffschen Base (RO-TN 200 der Fa. Hoff.nann-La Roche) mil einem geeigneten cholesterinischen Zusatz.

Der FK-Substanz könnte zur Kontrastverbesserung und/oder zur Schaffung einer farbigen Darstellung ein dnhroitischer Farbstoff beigemischt sein.

Die Matrixanzeiee kann auf verschiedene Weise

betrieben werden: Die Information wird zeilenweise eingeschrieben. Dabei steht an allen Bildpunkten der Matrix das Haltefeld Ei,; nur an den Bildpunkten der selektierten Zeile steht informationsabhängig entweder das Feld E=O oder 2 ■ £/,. Nach dem Einschreiben der letzten Zeilen beginnt der Durchlauf wieder mit der ersten Zeile. Die Feldstärke Eh liegt im Bereich zwischen 0,6 und 1,2 V/μΐτι. Die Zeilenauswahlzeit hängt von der Schaltzeit für den Übergang cholesterinisch-nematisch ab und beträgt etwa 100 bis 200 ms (Beispiel 1).

In einer abweichenden Ansteuerung wird die genannte Matrix vordem Bildaufbau in den fokal-konischen Zustand gebracht (l: = 0). Anschließend steht an allen Matrixbildpunkten wieder das llaltefeld Eh Die Information wird zeilenweise eingeschrieben, derart. daß an diejenigen Bildpunkte, die nematisch werden sollen,das Feld J ■ /-"/,gelegt wird. Diese Ansteuerung hat gegenüber der zuerst beschriebenen den Vorteil, daß die /eilenauswahlzeit auf JU bis bU ms reduzier! ist (Beispiel 2).

In einem weiteren Ansteuerungsverfahren wird die gesamte Matrix vor dem Bildaufbau mit einem Spannungsimpuls nematisch gemacht. Anschließend steht an allen Matrixbildpunkten Eh- Die Information wird zeilenweise eingeschrieben, und zwar wie im ersten Betriebsbeispiel. Die Zeilenauswahlzeit beträgt 20 bis 30 ms. bestimmt durch die Schaltzeit vom nematischen in den cholesterinischen Zustand (Beispiel 3).

Für weitere Betriebs- und Herstcllungseinzelheiten sei auf die DT-OS 23 61 421 verwiesen.

Alle Bildpunkte der Matrix sind von sich ergänzenden Randstreifenleitern vollständig umschlossen. Im Display-Betrieb liegen die Randstreifenschalter auf solchen Potentialen, daß in der FK-Schicht am Ort der Bildpunktränder ständig ein minimales elektrisches Feld Er größer als £",-„ 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 Erstrekkung verschieden vorgespannte Gegenelektroden vorfinden, nämlich Rand- und Bildstreifenleiter und über sehr kurze Strecken auch die Platteninnenfläche selbst.

Bei der Ausführung der F i g. 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 P.andstreifenleitern und den ihnen zugehörigen Gegenelektroden verkürzt, so daß man mit einer geringeren Spannung zur Erzeugung der erforderlichen Feldstärke Er auskommt. Außerdem kann der Randstreifcnleiter so bemessen werden, daß er in der Draufsicht bündig an die Bildstreifcnschaltcr angrenzt; damit sind den einzelnen Randstreifenleitern stets Streifenleiter als Gegenelektroden zugeordnet und herrschen sehr klare Feldverhältnisse. Dabei können die Randstrcifenleiter den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Bildstreifcnlcitcrn gerade ausfüllen oder aber beide Bildstreifenleitcr etwas überlappen.

Das dritte Ausfiihrungsbeispiel (F i g. 3) unterscheidet sich von dem vorhergehenden Beispiel darin, daß die Trägcrplatten mit einer durchgehenden, auch die Bildclcktrodcn bedeckenden Zwischenschicht aus elektrisch isolierendem Material (Isolierüberzug 13 bzw. 14) überzogen sind, leder Isolierüberzug trägt jeweils einen leitenden Fiim, aus dem die Biiupuiikic auSgcSjMi i siiui und der somit die Form eines Netzes erhält (Randstreifenleitcrnetz 5 bzw. 6). Der Vorteil dieser Modifikation besteht darin, daß jedes l.eiternetz nur einen .Spannungsanschluß benötigt und einen relativ niedrigen Flächen widerstand hat. Außerdem ist in jeder Randzonc das Feld praktisch homogen verteilt, und man könnte sogar bei der Wahl einer Zwischenschicht mit einet geeigneten Dielektrizitätskonstanten auch noch die Feldstäi.ren am Ort der Bildpunkte variieren, beispielsweise absenken. Allerdings ist auf eine sorgfältige Präparation der Zwischenschicht zu achten, damit e< nicht an Stellen, an denen das Net/, die Bildstreifenleite! kreuzt, zu Kurzschlüssen kommt (die Schicht da keine durchgehenden sogenannten pin-holes aufweisen).

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellter Ausführungsbeispiele beschränkt. So braucht man nichi unbedingt eine Matrix-Anzeige zugrunde zu legen vielmehr kommen ganz allgemein FK-Displays in Frage bei denen Information durch Anlegen eines Haltefelde! oder auch im feldfreien Zustand gespeichert werder soll, beispielsweise graphische Displays oder die üblichen Anzeigen für alphanumerische Ziffern. In der Rege wird man die Anzeige mit einem elektrischen FeU ansteuern, grundsätzlich ist aber auch der Betrieb mi einem Magnetfeld und dementsprechend einer FK Schicht mit einer zumindest in einem bestimmtet Frequenzbereich positiv anisotropen magnetischer Suszeptibilität möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Flüssigkristall-Anzeige zur Darstellung von Bildern, mit zwei Trägerplatten, die zwischen sich eine bistabile cholesterinische Flüssigkristall-Schicht mit einer homöotropen Wandorientierung hermetisch dicht einschließen und auf ihren Innenflächen jeweils einen Elektrodenbelag tragen, wobei die Flüssigkristall-Schicht zumindest in einem bestimmten Frequenzbereich eine positiv anisotrope Dklektrizitätskonstante hat und bei Feldstärken größer oder gleich einem ersten Schwellwert (Ec_n) eine homöotrop-nematische Textur annimmt, in der sie in einem endlichen elektrischen Feldstärke-Bereich (Haltefeldstärke-Bereich) mit einem unleren rs Schwellwert (E_x, E_K<Ea) verbleibt, wobei ferner zum Aufbau des darzustellenden Bildes aus einzelnen Bildsegmenten der Elektrodenbelag zumindest einer der beiden Trägerplatten getrennt ansteuerbare Bildelektroden, vorzugsweise der Elektrodenbelag beider Trägerplatten streifenförmige Bildelekiroden (Biidzeilenieiier bzw. Biidspa'ten'eitcr einer Bildmatrix), aufwcst und wobei schließlich zur Langzeitspeicherung der homöotrop-nematischen Textur der Elektrodenbelag zumindest einer der beiden Trägerpiatten zusätzliche, von seinen IBiIdelektroden elektrisch isolierte Elektroden (Randelektroden) enthält, die im Betrieb der Flüssigkriü tall-Anzeige auf einem solchen Potential liegen, daß in der Flüssigkristall-Schicht am Ort der Randelektroden eine minimale elektrische Feldstärke (E_r) größer oder gleich £Ό, herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß die Randelektroden (5,6) ebenfalls auf den Platteninnenflächen aufgebracht sind, wobei zwischen den Bildelektroden (3, 4) und den Randelektroden ein elektrisch isolierender Abstand verbleibt, und daß die Randelektroden jeweils mit einer elektrisch isolierenden Schicht (7,8) überzogen sind, die auch noch die benachbarten Bildelektroden teilweise überlappt

2. Flüssigkristall-Anzeige gemäß dem Oberb«:grifl des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Randelektroden (5, 6) und der Platteninnenfläche eine elektrisch isolierende Schicht (11, 12, 13, 14) angeordnet ist und die Randelektroden (S, 6) an die Bildelektroden (3, 4) gesehen in Richtung der Plattennormalen, biindig angrenzen.

3. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11, 12) die Bereiche zwischen den Bildelektroden (3, 4) gerade bedeckt.

4. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11, 12) die Bereiche zwischen den Bildelektroden (3, 4) bedeckt und außerdem benachbarte Bildelektroden etwas überlappt.

5. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (13, 14) eine die Bildelektroden bedeckende, durchgehende Schicht ist.

6. Flüssigkristall-Anzcige nach einem der Aniiprüehe 1 bis 4, mit einer Bildmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche beider Triigerplatten (1, 2) streifenförmige, längs der Bildstreifenleiter (3, 4) verlaufende Randelektroden (Randstreifenleiter 5,6) aufweisen.

7. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 5, mit

einer Bildmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehende Schicht (13,14) auf einer oder beiden Trägerplatten (1, 2) aufgebracht ist und daß die Randelektroden ebenfalls eine durchgehende Schicht bilden (Randstreifenleiternetz 15, 16), aus der die Kreuzungspunkte der Bildstreifenleiter ausgespart sind.