DE2835863A1 - Fluessigkristallanzeige - Google Patents
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Description
BBC Baden 98/78
Flüs.s.igkr.is.tallanz.e.ige
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeige nach dem "Gast-Wirt-Prinzip", wie in J. Appl. Phys. Vol. 45, No. 11,
Nov. 1974, S. 4718 - 4723 beschrieben, wobei an den Innenseiten
der Platten der die Flüssigkristallmischung enthaltenden Zelle eine solche Oberflächenstruktur vorgesehen ist,
dass die angrenzenden Flüssigkristall-Moleküle homöatrop orientiert, d.h. im wesentlichen senkrecht zur Plattenoberfläche
ausgerichtet werden ( a.a. O. Seite 4722, Fig. 2b).
Die bis heute bekannten Flüssigkristallanzeigen nach dem Gast-Wirt-Prinzip haben gegenüber den derzeit überwiegend
gebräuchlichen nematischen Drehzellen zwar den wichtigen Vorteil, dass sie ohne Polarisatoren und mit internem Reflektor
betrieben werden können. Es ist jedoch nachteilig, dass mit den bekannten Gast-Wirt-Flüssigkristallanzeigen
nur helle Ziffern auf massig dunklem bzw. farbigem Grund dargestellt werden können, wodurch sich eine schlechte
Ablesbarkeit ergibt.
Versuche, mittels solcher Anzeigen dunkle Ziffern auf hellem Grund nach Art der nematischen Drehzellen darzustellen,
haben bisher nur zu sehr komplizierten und energieintensiven Lösungen geführt, die deshalb in der
Praxis keine Aufnahme fanden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigkristallanzeige der eingangs angegebenen Art so zu gestalten, dass
sie in Bereichen ohne elektrisches Feld transparent, und in elektrisch angesteuerten Bereichen lichtabsorbierend
ist, bei produktionsfreundlicher Technologie, gutem Kon-
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trast und geringem Energieverbrauch im Betrieb.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Die erfindungsgemässe Flüssigkristallanzeige vereint die Vorteile der bekannten Gast-Wirt-Anzeigen, d.h. praktisch
keine Winkelabhängigkeit der Ablesung, keine Parallaxe,
keine Polarisatoren und hellen Hintergrund, mit denen der nematischen Drehzelle, die dunkle Zeichen auf hellem Grund
anzeigt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 den Querschnitt durch die Zelle einer Flüssigkristallanzeige
'nach dem Gast-Wirt-Prinzip, welche gemäss der Erfindung ausgestaltet ist, und
Fig. 2 schematisch die Verschraubung der Flüssigkristallmischung in einer erfindungsgemässen Zelle unter einem
elektrischen Feld.
Die dargestellte Zelle wird gebildet durch die Frontplatte und die Rückplatte 2 sowie die Abstandselemente 12. Die
Zelle ist dicht verschlossen und enthält in ihrem Inneren eine Flüssigkristallmischung 5. Die Platten 1 und 2 sind
mit schichtförmigen Elektroden belegt, der Frontelektrode und der Rückelektrode 4. Ueber den Elektrodenschichten 3,
sind die Platten 1, 2 auf ihren Innenseiten mit jeweils einer Orientierungsschicht 7 belegt, die hinsichtlich der
angrenzenden Flüssigkristallmischung eine derartige Oberflächenstruktur erzeugt, dass die Flüssigkristall-Moleküle
homöotrop orientiert werden. Mindestens die Frontplatte 1, die Frontelektrode 3 und die Orientie-
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Q Q / rj Q
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rungsschicht 7 sind transparent, so dass das von der Lichtquelle
9 ausgehende Licht hindurchtreten kann.
Während die Rückelektrode 4 als die ganze Rückplatte 2 bedeckend dargestellt ist, soll die Darstellung der Frontelektrode
3 eine Segmentierung andeuten. Wenn mittels der elektrischen Spannungsquelle 9 eine Wechselspannung zwischen
die Elektroden 3 und 4 gelegt wird, entsteht demnach in der Plüssigkristallmischung 5 unterhalb des schraffierten
Teils der Frontelektrode 3 ein elektrisches Feld, während
die anderen Bereiche der Plüssigkristallmischung 5 feldfrei sind.
Erfindungsgemäss besteht nun die den Wirt für die pleochroitischen
Farbmoleküle β bildende Flüssigkristallmischung 5 aus einem nematischen Flüssigkristall mit negativer dielektrischer
Anisotropie ΔC3 und einer optisch aktiven, vorzugsweise
cholesterischen Substanz, deren Anteil an der Flüssigkristallmischung 5 kleiner ist als die Menge, bei
welcher bei Feldfreiheit spontane Spiralbildung auftritt.
Der nematische Flüssigkristall soll eine möglichst grosse negative dielektrische Anisotropie aufweisen. Bevorzugt
werden daher oC -Cyanostilbene, beispielsweise p-Aethoxyp'-Hexyloxy-■/L-cyano-trans-stilben
(vgl. Phys. Lett. Vol. 44a, No. 4, 18 June 1973, S. 277) mitA£= -5,5. Jedoch
auch Mischungen aromatischer Ester, wie der von der E. Merck AG, Darmstadt (BRD) unter der Bezeichnung 9A gelieferte
nematische Flüssigkristall mitAS = -0,5, sind noch verwendbar.
Die optisch aktive Substanz ist so gewählt, dass sie möglichst kein Dipolmoment entlang der Längsachse ihrer Mole-
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küle aufweist. Das würde die negative dielektrische Anisotropie
des nematischen Flüssigkristalls vermindern. Bevorzugt werden optisch aktive Cholesteryl-Ester, z.B. Cholesteryl-Benzoat,
da.diese Substanzen ein grosses Verschraubungsvermögen aufweisen.
Der Flüssigkristallmischung als Wirt ist als Gast ein Farbstoff
mit einem möglichst grossen pleochroitischen Verhältnis im nematischen Wirt (Verhältnis der optischen Dichte in
senkrechter und paralleler Stellung der Moleküle bezüglich der Schwingungsrichtung von linear polarisiertem Licht) im
sichtbaren Wellenlängenbereich zugesetzt, bevorzugt der von BDH Chemicals Ltd., Broom Rd, Poole BH 124 NN, England, gelieferte
pleochroitische Anthrachinon-Farbstoff D 37. Dieser Farbstoff weist ein pleochroitisches Verhältnis von etwa 5S3
in dem nematischen Flüssigkristall 9A der E. Merck AG auf.
Als Orientierungsschicht 7 wird mit Vorteil eine Alkoxysilan-Schicht
aufgebracht, z.B. "DMOAP",wie von Dow Corning International Ltd., Brüssel (Belgien) unter der Bezeichnung XZ
2-23OO geliefert, in der in Appl. Phys. Letters, Vol. 22,
No. 8, Seiten 386 - 388, oder ÜS-PS 3'854'793, beschriebenen
Weise.
Damit im feldfreien Zustand in der Flüssigkristallmischung
keine spontane Spiralbildung auftritt, darf die in Gewichtsprozenten gemessene Konzentration der optisch aktiven Substanz
in der aus dem nematischen Flüssigkristall, der optisch aktiven Substanz und dem Farbstoffzusatz bestehenden Gesamtmischung
nicht grosser sein als die Grenzkonzentration
co - d '
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Dabei ist d die in um gemessene Zellendicke, das ist der
senkrechte Abstand zwischen den Innenflächen der Platten und 2. A ist eine von der Art der optisch aktiven, vorzugsweise
cholesterischen Substanz abhängige Konstante. Für Cholesteryl-Benzoat ist A = H3O.
Die Formel gilt im besonderen für Cholesteryl-Benzoat in Merck 9A. Mit dem Farbstoff D 37 und einer Zellendicke
d = 6.3 Mm ergibt sich dann folgende Zusammensetzung der
Gesamtmischung:
Merck 9A 96,24 Gew.-%
Cholesteryl-Benzoat I342 Gew.-%
D 37 2,34 Gew.-%
Die Bestimmung der Grenz-Menge optisch aktiver Substanz im nematischen Flüssigkristall, bei welcher im feldfreien Zustand
noch keine spontane Spiralbildung auftritt, kann auch wie in "Berichte der Bunsen-Gesellschaft", Bd. 78, Nr. 9,
19743 insbesondere Seite 884, Fig. 1 und 2, beschrieben,
durchgeführt werden: In der dort beschriebenen Messanordnung müsste der Anteil optisch aktiver Substanz im nematischen
Flüssigkristall so gewählt werden, dass die kritische Schichtdicke d_, bei welcher der Uebergang von
homöotroper zu verschraubter Struktur erfolgt, gleich der Zellendicke d ist. Die Oberflächen der plan-parallelen
Glasplatte und der plankonvexen Linse sind bei dieser Methode mit derselben Orientierungsschicht versehen wie
die für den praktischen Betrieb vorgesehene Flüssigkristall-Zelle.
Der Anteil optisch aktiver Substanz an der Flüssigkristall-Mischung
wird im allgemeinen möglichst nahe an der kriti-
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sehen Konzentration C~ gewählt, da bei zu kleinem Anteil
der Kontrast verschlechtert wird. Es wird dann auch in der Regel eine höhere Schalt spannung nötig, was technisch unerwünscht
ist.
In Fig. 1 ist die beispielsweise aus Glas bestehende Rückplatte
2 oberhalb der Elektrodenschicht 4 und unterhalb der Orientierungsschicht 7 mit einem aus Aluminium-Pigmenten
bestehenden internen Reflektor 8 versehen, wie beispielsweise in der DE-OS 2 629 765 beschrieben. Der Reflektor 8
reflektiert das durch die Flüssigkristallmischung 5 tretende Licht. Das reflektierte Licht wird vom Betrachter 10
wahrgenommen.
Mit einer aus der Flüssigkristallmischung 5 und den Farbstoffmolekülen
6 bestehenden Gesamtmischung in der oben angegebenen Zusammensetzung würde sich nun der in Fig. 1
angedeutete Zustand ergeben: In den feldfreien Bereichen ausserhalb des Bereichs unter dem schraffierten Teil der
Elektrode 3 weist die Gesamtmischung eine homöotrope Orientierung
aufj und unterhalb des schraffierten Teils der
Elektrode 3S wo durch die Ansteuerung ein elektrisches
Feld besteht, stellt sich eine cholesterische, verschraubte,
homogene bzw. planare Struktur ein. In den homöotropen
Bereichen stehen die Farbmoleküle mit ihren Längsachsen parallel zum einfallenden Licht und bewirken daher ein
Minimum an Absorption. In den cholesterischen Bereichen hingegen findet maximale Absorption statt.
Der cholesterische Bereich ist schematisch nochmals in Fig. dargestellt.
Eine erfindungsgemässe Zelle kann zum Beispiel mit einer
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Betriebsspannung von 2 kHz und weniger als 10 V __ betrieben
werden.
Die Erfindung beruht wesentlich auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, einerseits trotz Zusatzes eines cholesterischen
Anteils bei entsprechender Oberflächenstruktur der Platten 1, 2 in der Flüssigkristallmischung 5 eine homöotrope
Orientierung der Moleküle und damit Minimal-Absorption zu erzeugen, und andererseits diese Orientierung unter Ausnützung
der negativen dielektrischen Anisotropie des nematisehen Flüssigkristalls durch Anlegen einer elektrischen
Spannung in eine homogen-cholesterische und damit maximal
absorbierende Orientierung umzuschalten. Je grosser der Betrag der negativen dielektrischen Anisotropie des nematischen
Flüssigkristalls ist, desto kleiner kann - in erwünschter Weise - die Ansteuerspannung sein.
Bei der Grenzkonzentration Cn der cholesterischen Substanz,
welche noch zu knapp homöotroper Orientierung im feldlosen Zustand führt, kann bei Ansteuerung in der Flüssigkristallmischung
5 eine homogen-planare Struktur mit einer Verschraubung
über die Zelldicke d von etwa 36O - wie in Fig. 2 dargestellt - erreicht werden. Dies ist genügend,
um eine starke Absorption in allen Schwingungsrichtungen des einfallenden Lichtes zu erzeugen. Der genannte Zustand
entspricht einer Ganghöhe ρ der Verschraubung von etwa der Zellendicke d.
Aus einer grossen negativen dielektrischen Anisotropie sollte die Flüssigkristallmischung 5 noch eine möglichst
kleine optische Doppelbrechung An aufweisen, da der erzielbare
Kontrast mit wachsendem An schlechter wird. Der
nematische Flüssigkristall Merck 9A weist ein Δη = +0,15 auf, jedoch sind auch Substanzen mit Δη = +0,08 bekannt.
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Claims (10)
- 98/78BBC Aktiengesellschaft Lü/dhBrown, Boveri & Cie. 2835863Baden (Schweiz)Patentansprüche!Flüssigkristallanzeige, welche zwei eine Zelle bildende, parallele, auf ihren Innenseiten mit schichtförmigen Elektroden (3, 4) belegte und auf ihren Aussenseiten keine Polarisatoren aufweisende Platten (I1 2) umfasst, zwischen denen eine Flüssigkristallmischung (5) vorgesehen ist, die zum grosseren Teil aus einem nematischen Flüssigkristall und zum kleineren Teil aus einer optisch aktiven Substanz, vorzugsweise einer cholesterischen Substanz besteht, und einen Zusatz von pleochroitischen Farbmolekülen (6) aufweist, und bei welcher an den Innenseiten der Platten eine in der angrenzenden Flüssigkristallmischung (5) eine homöotrope Orientierung erzeugende Oberflächenstruktur vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, -dass der nematische Flüssigkristall eine negative dielektrische Anisotropie aufweist, und dass der Anteil der optisch aktiven, vorzugsweise cholesterischen Substanz kleiner ist als die Menge, bei welcher in Abwesenheit einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden (3, 4) in der Flüssigkristallmischung (5) spontane Spiralbildung auftritt.
- 2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Gewichtsprozenten gemessene Konzentration der optisch aktiven, vorzugsweise cholesterischen Substanz in der aus dem nematischen Flüssigkristall und der optisch aktiven Substanz und den Farbmolekülen bestehenden Gesamtmischung höchstens gleich ist der kritischen Konzentration CQ = -τ, wobei die Zellendicke d gleich dem in ρ gemessenen senkrechten Abstand der Platten (1, 2), und A eine von der Art der optisch aktiven, vorzugsweise cholesterischen Substanz abhängige909884/0535BBC Baden 98/78Konstante ist.
- 3. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch aktive Substanz ein Cholesteryl-Ester,vorzugsweise Cholesteryl-Benzoat ist, und im Falle des Cholesteryl-Benzoates die Konstante A = 11.0 ist.
- 4. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, dass der nematische Flüssigkristall ein Gemisch aromatischer Ester oder ein Gv -Cyanostilben ist.
- 5. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die pleochroitischen Farbmoleküle Anthrachinonfarbstoffe sind.
- 6. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erzeugung der die homöotrope Orientierung erzeugenden Oberflächenstruktur die Innenseiten der Zellenplatten (1, 2) mit einer Alkoxysilanschicht bedeckt sind.
- 7. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der dielektrischen Anisotropie /Δ. £/ des nematischen Flüssigkristalls grosser ist als 0,5.
- 8. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Effektivwert der elektrischen Steuerspannung an der Zelle höchstens gleich 10 V ist.
- 9- Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der optisch aktiven, vorzugs-909884/0535BBC Baden 98/78weise eholesterischen Substanz derart ist-, dass bei zwischen den Elektroden (3j 4) anliegender Steuerspannung die Moleküle der Flüssigkristallmischung über die Zellendicke d um mindestens 360° verschraubt sind.
- 10. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet j dass die Verschraubung eine Ganghöhe ρ aufweist j die höchstens gleich der Zellendicke d ist.909884/0535
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