DE2853639B2

DE2853639B2 - Passive elektrooptische Anzeigezelle

Info

Publication number: DE2853639B2
Application number: DE2853639A
Authority: DE
Inventors: Fereydoun Neuenburg Gharadjedaghi; Claude La Chaux-De-Fonds Laesser; Yves Saint-Blaise Ruedin; Eric Bevaix Saurer; Rene Neuenburg Viennet
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauches SA
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1981-01-29
Also published as: CH621200A5; DE2853639A1; NL179685C; NL179685B; NL7902252A; JPS54143162A; GB2020053A; AT380576B; DE2853639C3; FR2420802B1; US4277144A; FR2420802A1; ATA174679A; GB2020053B

Description

ν, = P ■

worm

Die vorliegende Erfindung betrifft eine passive elektrooptische Anzeigezelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Anzeigezellen mit Flüssigkristall der verdrehten nematischen Art werden auf diese Weise realisiert, wobei die beiden Platten durchsichtig sind. Leider erfordern sie das Vorhandensein von Polarisatoren..

Es ist bekannt, dem Flüssigkristall dichroitische Moleküle beizumischen. Diese Art Zellen wird in der Arbeit von G. H. Heilmeier et al »Molecular Crystals

ill h

= kritische Dicke der Schicht

= Steigung der schraubenförmigen Struktur der Mischung ohne Biegungsbeanspruchung

= Elastizitätskonstante für eine Torsionsverformung der Mischung

= F.lastizitätskonstante für eine Biegeverformung der Mischung

Diese Formel ist einem Artikel von W. Greubel aus »Applied Physics Letters«, Bd. 25, Nr. 1, vom 01.07.74, Seiten 5 bis 7, entnommen.

Bei einer Zelle, deren Ausrichtung auf den beiden Seiten homöotrop ist und deren Schichtdicke unter dem kritischen Wert liegt, sind die Moleküle also über die ganze Dicke der Zelle hinweg senkrecht ?u den Platten ausgerichtet. Dagegen sind die Moleküle bei einer Zelle, ι deren Schichtdicke über diesen kritischen Wert liegt, auf den Platten nahe diesen gut senkrecht ausgerichtet, aber im Mittelbereich erkennt man das Auftreten einer schraubenförmigen Struktur.

Das Prinzip, auf dem die Erfindung beruht, liegt in der m Tatsache, daß auf der Fläche außerhalb der Anzeigebereiche (Segmente), die über die gesamte Dicke der Zelle eine homöotrope Struktur schaffenden Bedingungen vereinigt werder. (homöotrope Ausrichtung auf den beiden Platten und L<p- ^jr~)· während diese ^[>

Bedingungen in den Anzeigebereichen nicht hergestellt werden (Ausrichtung anders als homöotrop auf

mindester... einer Platte und/oder L > ρ ■ -s-,*'-).

2K₂₁ jo

Daraus ergibt sich, daß auf der Fläche außerhalb der Anzeigebereiche das Licht nicht absorbiert wird, wenn die Struktur auf der gesamten Dicke der Schicht der Mischung homöotrop ist. Daher ist diese Fläche durchsichtig und infolgedessen von der Farbe des :-, Untergrundes. Dagegen wird die schraubenförmige Struktur in den Anzeigebereichen bewahrt, wein diese Bereiche nicht der Wirkung eines elektrische. Feldes unterworfen werden, und absorbiert aus diesem Grunde das einfallende Licht, wobei das Verhalten dem von w Taylor et al in der US-PS 38 33 287 beschriebenen ähnlich ist. Wenn nahe den Anzeigebereichen ein elektrisches Feld angelegt wird, wird die schraubenförmige Struktur zerbrochen, und die Moleküle der Mischung orientieren sich dann nach einer homöotro- r, pen Struktur. In diesen aktivierten Bereichen wird das Licht infolgedessen nicht mehr absorbiert, so daß diese Bereiche mit dem Untergrund verschmelzen. Daraus ergibt sich, daß nur die nicht aktivierten Anzeigebereiche verdunkelt beleiben. Die Steuerung dieser Art der w Anzeige wird so gegenüber den von Tylor et al beschriebenen Zellen umgekehrt. Dadurch kann der Durchschnittsverbrauch der Zelle um einen Faktor vor etwa zwei verringert werden in dem Fall, wo alle Digits der Zelle zur Anzeige verwendet werden. j->

Damit die auf der gesamten Dicke der Mischungsschicht zu einer homöotropen Ausrichtung führenden Bedingungen nicht in den Anzeigebereichen verwirklicht werden, kann man die (homöotrope) Ausrichtungsschicht nahe den Anzeigebereichen auf der einen oder >o auf beiden Flatten der Zelle unterbrechen, und/oder die Dicke der Schicht der Mischung nahe den Anzeigebereichen erhöhen, beispielsweise, indem man in die eine der Platten Rillen einbringt, die an diesen Stellen eine Tiefe

von beispielsweise L>ρ ■ ^p- haben. ''

Zk₁₁

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Einzelheiten, Vorteile und Anwendungen der Erfindung werden nachstehend anhand von zwei in der wi Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt eines Teiles einer bekannten elektrooptischen Anzeigezelle, wie sie in der US-PS 38 33 287 angegeben ist, und hi

F i g. 2 und 3 Schnitte zweier Ausführungsformen .'on elektrooptischen Anzeigezellen entsprechend der Erfindung in vergrößertem Maßstab.

In allen diesen Figuren sind die Dicken der dargestellten Elemente übertrieben dargestellt, um die Zeichnungen zu verdeutlichen.

Die in F i g. 1 dargestellte Zelle vom Typ »White-Taylor« entsprechend der US-PS 38 33 287 umfaßt zwei Glasplatten 1 und 2, die durch einen Rahmen 3 voneinander in Abstand gehalten werden, an dem sie abdichtend angebracht sind, wobei sie einen Behälter bilden, in den eine Mischung 4 eingebracht ist. Die Platte 1 trägt eine Steuerelektrode 5, während die Platte 2 eine Steuerelektrode 6 trägt. Die Mischung 4 besteht aus nematischem Flüssigkristall, einer optisch aktiven Verbindung und aus dichroitischen Molekülen. Diese Mischung zeichnet sich dadurch aus, daß sie bei Fehlen eines elektrischen Feldes eine schraubenförmige Struktur .lufweist (Bereich 7), während sie. wenn ein solches Feld an sie angelegt wird (Bereich 8), wie durch den Vektor E dargestellt, eine homöotrope Struktur annimmt. Die Anzeige erscheint dann in hell auf dunklem Untergrund, was wenig vorteilhaft ist. Das gleiche Ergebnis könnte mit einem cholesterischen Flüssigkristall erreicht werden der mit dichroitischen Molekülen vermischt wird; es würde aber erheblich höhere Steuerspannungen erfordern.

Eine solche Zelle arbeitet ebenso gut mit einer senkrechten wie mit einer parallelen Ausrichtung der Moleküle auf den Platten (homöotrope oder plar.arc Ausrichtung). In dem Fall einer planaren Ausrichtung auf den beiden Platten schafft man eine sogenannte Grandjean-Struktur, wobei die Achse der Schraube senkrecht zu den Platten verläuft, während man im Fall von Bedingungen mit homöotropen Begrenzungen der Masse allgemein eine Struktur verleiht, die als mit »Digitalen Eindrücken« versehen bezeichnet wird (vgl. »The Physics of Liquid Crystals« P. G. de Gennes. Clarendon Press-Oxford 1974, S. 262). Man kann aucn feststellen, daß die Kommutationsspannung bei der Struktur mit digitalen Eindrücken geringer ist als bei der Grandjean-Struktur.

Die vorerwähnten Ausführungen beziehen sich auch auf die in Fig.2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung, aber lediglich in den Anzeigebereichen (Segmenten) dieser.

Diese Zelle umfaßt zwei Platten 9 und 10, von dene.i mindestens die eine, beispielsweise die vordere Platte 9. durchsichtig ist, und die beide durch einen Rahmen 11 voneinander getrennt sind, an dem sie auf dichte Weise angebracht sind, wodurch ein mit einer Verbindung 12, die aus einem nematischen Flüssigkristall mit dielektrischer positiver Anisotropie, aus einer optisch aktiven Verbindung und aus dichroitischen Molekülen besteht, gefüllter Behälter entsteht.

Die vordere Platte 9 trägt eine durchsichtige Steuerelektrode 13 beispielsweise aus SnC^, während die hintere Platte 10 Steuerelektroden 14 ebenfalls aus SnC>2 trägt. Die Platte 9 ist außerdem innen mit einer Schicht 15 aus S1O2 beschichtet, die gleichzeitig die Rolle einer Blockierschicht für die kontinuierliche Verbindung des Steuersignals und einer im wesentlichen planaren Ausrichtungsschicht spielt, wobei der Neigungswinkel der Moleküle unter 45° liegt. Diese Schicht 15 aus S1O2 ist ihrerseits mit einer homöotropen Ausrichtungsschi^ht 16 beispielsweise aus AI2O3 überzogen. Diese letztere ist nahe den Anzeigebereichen unterbrochen, d. h. in bezug auf die Elektroden 14 der Platte 10. diese ist innen mit einer streuenden Schicht 17 überzogen, die ihrerseits mit einer homöolropen Ausrichtungsschicht 18 aus AI2O3 überzogen ist.

Die Dicke L der Schicht der Mischung ist kleiner als die kritische Dicke L₁₁ für die Gesamtheit der Zelle.

Die vorbeschriebene Zelle arbeitet wie folgt:

Auf der außerhalb der Anzeigebereiche liegenden Fläche haben die homöotropen Ausrichtungsschichten ι 16 und 18 die Wirkung, daß die Moleküle der Mischung auf der gesamten Dicke der Zelle von homöotroper Struktur sind. Daraus ergibt sich, daß auf dieser Flache das einfallende Licht nicht absorbiert wird und daß daher diese Fläche das Aussehen und insbesondere die κι Farbe der den Untergrund bildenden streuenden Schicht 17 hat.

In den Anzeigebereichen (Segmenten) stehen die Moleküle der Mischung auf der Seite der Platte 9 nicht mit der homöotropen Ausrichuingsschicht 16, sondern r> mit der Schicht 15 aus S1O2 in Berührung. Daraus ergibt sich, daß sich die Moleküle der Mischung in den nicht aktivierten Anzeigebereichen wie dem Bereich 19 parallel zur Platte 9 nahe dieser ausrichten. Dagegen richten sich ihre Moleküle auf der Seite der Platte 10, wo die Mischung in Berührung mit der homöotropen Ausrichtungsschicht 18 steht, neben dieser senkrecht zu dieser Platte aus. Infolgedessen wird die schraubenförmige Struktur in den nicht aktivierten Anzeigebereichen wie dem Bereich 19 aufrechterhalten, die auf diese r> Weise das einfallende Licht absorbieren und auf hellem Untergrund dunkel hervortreten.

Wenn die Anzeigebereiche der Wirkung eines elektrischen Feldes unterworfen werden, wie das durch den Vektor £ dargestellte Feld, wie dies im Bereich 20 jo der Fig. 2 der Fall ist, dann richten sich die Moleküle parallel zum Feld aus. wobei die Struktur dann homöotrop ist. Die aktivierten Segmente werden auf diese Weise »ausgelöscht«. Die Steuerung dieser Zelle ist also umgekehrt. j->

Es sei bemerkt, daß die hotnöotrope die Platte 10 bedeckende Ausrichtungsschicht 18 auch nahe den Elektroden 14 unterbrochen sein könnte, wie die Schicht 16 der Platte 9, wobei eine Schicht aus S1O2 zwischen der Streuschicht 17 und der homöotropen Ausrichtungs- 4» schicht !8 eingebracht würde. In diesem Fall weisen die Moleküle der Mischung in den nicht aktivierten Anzeigebereichen wie dem Bereich 19 der Fig. 2 statt einer planeren Ausrichtung auf einer der Platten und einer homöotropen auf der anderen eine planare -r. Ausrichtung auf beiden Platten auf. Man hat dann eine Grandjean-Struktur.

Die vorliegende Anordnung unterdrückt die üblichen Zwänge, denen die Bestimmung der Topologie der Elektroden unterworfen ist. Tatsächlich entwickelt sich 5» dort, wo die Projektion des Musters einer Elektrode der vorderen Platte auf der hinteren Platte das Muster einer Elektrode dieser schneidet, ein elektrisches Feld, das dazu neigt, die Moleküle der Mischung entsprechend einer homöotropen Struktur auszurichten, die genau der Struktur der Mischung auf der Fläche entspricht, die außerhalb der Anzeigebereiche liegt. Es besteht daher keine Gefahr, daß die Schnittpunkte ungewollt sichtbar werden. Die Verwirklichung des Musters der Elektrodennetze, die von den beiden Platten getragen werden, bo wird dadurch erheblich erleichtert So kann eine der Platten völlig mit einer Leiterschicht bedeckt sein. Diese Verbesserung kann als eine wesentliche Vereinfachung angesehen werden.

Die Schicht 15 aus SiCh kann weggelassen werden, wenn man SnOi zur Schaffung der Leiterbahnen verwendet, wobei dieses Material im aligemeinen die Moleküle nach einer Dianaren Struktur ausrichtet.

In der Ausführungsform der Fig. 3 umfaßt die dargestellte Zelle zwei Glasplatten 21 und 22, von dener die eine, nämlich die vordere Platte 21, durchsichtig ist und die durch einen Rahmen 23 getrennt sind, an dem sie auf dichte Art befestigt sind. Auf diese vVeise wird eir Behälter gebildet, in den eine Mischung 24 eingebrachi wird, die aus einem nematischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie, aus einer optisch aktiven Verbindung und aus dichroitischen Moleküler besteht. Die Platte 21 ist außerdem innen mit einei homöotropen Ausrichtungsschicht 25 aus AI2O3 beschichtet, während die hintere Platte 22 innen mit einet streuenden Schicht 26 und einer homöotropen Ausrichtungsschicht 27 aus AI2O3 überzogen ist.

Auf der Fläche, die außerhalb der Anzeigebereichc liegt, ist die Dicke L die Schicht der Mischung kleiner als der kritische Wert L_c±.

Die vordere Platte 21 trägt eine Steuerelektrode 28 während die hintere Platte 22 Steuerelektroden 29 trägt Diese liegen im Inneren von Vertiefungen 30, die in die Innenseite der Platte 22 eingearbeitet sind und deren Form derjenigen der Anzeigebereiche (Segmente] entspricht. Dank dieser Vertiefungen nahe den Anzeigebereichen liegt die Dicke der Schicht L' der Schicht der Mischung über dem kritischen Wert L₁₁.

Diese Zelle arbeitet wie folgt:

Auf der Fläche außerhalb des Anzeigebercichs haben die homöotropen Ausrichtungsschichten 25 und 27 die Wirkung, daß die Mischungsschicht über die gesamte Dicke der Zelle eine homöotropc Struktur aufweist Daraus ergibt sich, daß auf dieser Fläche das einfallende Licht nicht absorbiert wird und daß daher diese Fläche das Aussehen, insbesondere die Farbe, der den Untergrund bildenden streuenden Schicht 26 aufweist.

In den Anzeigebereichen wird aufgrund des Anwachsens der Schichtdicke der Mischung wegen des Vorhandenseins der Vertiefungen 30 die vorbeschriebene homöotrope Struktur, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, durch eine schraubenförmige Struktur ersetzt, wie bei 31 gezeigt. Das Licht wird absorbiert und aus diesem Grunde erscheinen die nicht aktivierten Segmente dunkel auf hellem Untergrund.

Wenn dagegen ein elektrisches Feld wie das durch den Vektor E dargestellte an die Anzeigebereiche angelegt wird, wie dies im Bereich 33 der Fall ist, nimmt die Mischung 24 eine homöotrope Struktur an, so daß der aktivierte Bereich »ausgelöscht« wird, der damit hell wird und sich nicht mehr vom Untergrund unterscheidet.

Man könnte auch die homöotropen Ausrichtungsschichien nahe den Anzeigebereichen unterbrechen, wie dies in der Ausführungsform der F i g. 2 der Fall ist. Aber das Fehlen jeglicher Unterbrechung der Ausrichtungsschichten bietet Vorteile in bezug auf die Einfachheit der Herstellung einerseits und die geringe Kommutationsspannung, was die homöotrope Ausrichtung auf den beiden Platten andererseits ermöglicht.

Die hinsichtlich der Ausführungsform entsprechend der F i g. 2 gemachten Bemerkungen in bezug auf die Vorteile entsprechend dem Muster der Elektroden gelten auch für die Ausführungsform der F i g. 3.

In beiden beschriebenen und dargestellten Beispielen kann die Mischung 97, 3% Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie enthalten, 1,2% optisch aktiver Verbindung und 1 % Farbstoff. Für eine solche Mischung liegt die Schraubensteigung ρ bei etwa 12 μίτι.

Da in diesem besonderen Fall ^- im wesentlichen

gleich 1 ist, liegt der kritische Wert von L ebenfalls bei etwa 12 μηι.

Es ist auch darauf hinzuweisen, daß »planar « nicht bedeutet, daß die Achsen der Moleküle genau parallel zur Ebene der Zelle liegen, so wie auch »homöotrop« nicht bedeutet, daß diese Achsen genau senkrecht zu dieser Ebene verlaufen. Die Parallellage und die Senkrechtlage sind nur Grenzfälle.

Die vorbeschriebenen Ausrichtungsschichten können durch Schichten aus anderem Material ersetzt werden: eine homöotrope Ausrichtung kann nicht nur mit AhCb-Schichten erreicht werden, sonderen auch mit solchen beispielsweise aus MgF₂(siehe DE-AS 23 30 909 von Siemens). Eine im wesentlichen planare Ausrichtung kann nicht nur mit Schichten aus SiO₂ oder SnO₂ erreicht werden, sondern auch mit Schichten, die schräg durchVerdampfung unterschiedlicher Materialien abgelagert werden entsprechend dem von J. L. JANNING in der US-PS 38 34 792 angegebenen Verfahren.

Man kann in der vorliegenden Vorrichtung ständige Anzeigebereiche vorsehen, d. h. Bereich von gleicher Bauart wie die Anzeigebereiche, die aber keine Steuerelektroden aufweisen und die infolgedessen ständig kontrastierend bleiben. Derartige Bereiche können beispielsweise einen Rahmen darstellen, der die Gesamtheit der Anzeigebereich umgibt.

Die vorliegende Anordnung (ebenso wie die der Fig. 2 und die der F i g. 3) kann leicht mit der klassischen Einrichtung kombiniert werden, bei der die Segmente aktiviert werden müssen, die anzeigen sollen. Man kann sich tatsächlich eine Anzeigezelle vorstellen, die in dem gleichen Behälter zwei Anzeigeflächen aufweist, die eine, die durch die vorliegende Erfindung verwirklicht wird, und eine andere vom Typ »White-Taylor«.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Passive elektrooptische Anzeigezelle mit zwei Platten, auf denen sich jeweils mindestens eine Elektrode befindet, von denen mindestens die eine Platte durchsichtig ist, bei der der Raum zwischen den Platten mit einer Schicht einer Mischung aus einem nematischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie, einer optisch aktiven Verbindung und dichroitischen Molekülen angefüllt ist, und bei der die Mischung im elektrisch umschaltbaren Anzeigebereich bei Fehlen eines elektrischen Feldes eine schraubenförmige Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Fläche außerhalb der Anzeigebereiche die Mischung an den Plattenoberflächen hornöotrop o.-ienüert ist und die Dicke der Schicht der Mischung so gering gewählt ist, daß die Moleküle auf der gesamten Dicke der Schicht eine homöotrope Struktur aufweisen, und daß in den Anzeigebereichen die Mischung bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes eine homöotrope Struktur dergestalt aufweist, daß diese Bereiche dann durchsichtig sind.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Anzeigebereichen und bei Fehlen eines elektrischen Feldes die schraubenförmige Struktur auf einer im wesentlichen planaren Ausrichtung beruht, die auf mindestens einer der Plattenoberflächen verläuft, wobei der durch die Moleküle der Mischung und die Platte gebildete Winkel unter 45° liegt.

3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten innen mit Schichten überzogen sind, die eine homöotrope Ausrichtung der Moleküle der Mischung hervorrufen, und daß diese Schichten die Anzeigebereiche auf mindestens einer der Platten der Zelle aussparen.

4. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Anzeigebereichen und bei Fehlen eines elektrischen Feldes die schraubenförmige Struktur darauf beruht, daß die Dicke der Schicht der Mischung über derjenigen kritischen Dicke liegt, von der an die Orientierung der Moleküle im Mittelbereich der schicht von der homöotropen Orientierung an den Oberflächen abweicht, und daß auf den Oberflächen der beiden Platten die Moleküle der Mischung über die gesamte Platienfläche eine homöotrope Ausrichtung aufweisen.

and Liquid Crystals«, 1969, Bd. 8, S. 293 bis 304, beschrieben. Wenn der Flüssigkristall von positiver dielektrischer Anisotropie ist und wenn die Ausrichtung homogen und planar über die Platten verläuft, setzt sich die Anzeige in hell auf dunklem Hintergrund ab, was vom physiologischen Gesichtspunkt aus wenig vorteilhaft ist. Die Anzeige in dunkel auf hellem Hintergrund kann erhalten werden, indem man einen Flüssigkristall mit negativer dielektrischer Anisotropie verwendet, bei

ίο dem die Ausrichtung auf den beiden Platten homöotrop ist. Für diese Art Flüssigkristall ist der absolute Wert der dielektrischen Anisotropie \Δε\ wesentlich geringer als für die im allgemeinen verwendeten Flüssigkristalle mit positiver dielektrischer Anisotropie. Aus diesem Grun-

r> de ist die Steuerspannung höher. Man kann einen Polarisator vor die Zelle setzen, was eine Kontraststeigerung ermöglicht, aber eine Verminderung der Helligkeit des Untergrundes zur Folge hat.

Die von Taylor et al in der US-PS 38 33 287 angegebene Lösung ermöglicht es, eine Zelle mit gutem Kontrast, großer Helligkeit und ohne Polarisator herzustellen. In diesem Fall findet die Anzeige immer in hell auf dunklem Untergrund statt. Diese Lösung beruht auf dem Umstand, daß man durch Hinzufügen einer optisch aktiven Verbindung zu dem Flüssigkristall eine schraubenförmige Struktur erzeugt, bei der der Steigungsschritt ρ eine Funktion der Konzentration der optisch aktiven Verbindung in der Mischung ist, so daß die mit der Mischung verbundenen dichroitischen

in Moleküle alle Komponenten des Lichts absorbieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrooptische Anzeigezelle der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der jedoch die Anzeige dunkel auf hellem Untergrund erscheint, und zwar unter Beibehal-

Ji tung eines Flüssigkristalls mit positiver Anisotropie,

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die Struktur der Mischungsschicht wird gleichzeitig durch die Art der Ausrichtung der Moleküle auf den Oberflächen der Platten und durch die Dicke dieser Schicht bestimmt. Wenn diese Dicke ausreichend groß ist, ist die Struktur in der Mischungsschicht stets schraubenförmig, unabhängig von der Art der Ausrichtung der Oberflächen.

α-, Für eine homöotrope Ausrichtung auf den beiden Platten besteht eine kritische Dicke der Schicht, die von der Steigung ρ der Schraube und den Zlastizitätskoeffizienten der Mischung abhängig ist, einer Dicke, unterhalb derer die Struktur der Schicht auf ihrer

in gesamten Dicke homöotrop ist. Dieser kritische Wert ist durch die Formel gegeben