DE2856170A1

DE2856170A1 - Fluessigkristallanzeige

Info

Publication number: DE2856170A1
Application number: DE19782856170
Authority: DE
Inventors: Meinolph Kaufmann; Allan R Dr Kmetz
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1978-12-12
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1980-06-26
Also published as: CH632094A5; US4340277A; JPS5579415A

Description

Fluss igkris.tallanz.eige

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeige nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Eine solche Flüssigkristallanzeige ist bekannt aus der DE-OS 24 22 509· Darin ist eine Anzeige beschrieben, bei welcher - im Gegensatz' zu den üblichen nematischen Drehzellenanzeigen - nur ein Polarisator benötigt wird. Gemäss der DE-OS 24 22 509 wird dies durch die Verwendung von schräg einfallendem Licht ermöglicht, das über ausgewählte Zonen der Flüssigkristallschicht zum Reflektor gelangen muss. Der Kontrast wird nur durch jene Strahlen bewirkt, welche einerseits über nicht zwischen Elektroden liegenden Zonen der Flüssigkristallschicht zum Reflektor gelangen und andererseits durch Zonen reflektiert werden, welche beidseitig von Elektroden begrenzt sind. Mit dieser Methode kann ein Kontrast nur an den Kanten der einzelnen Segmente der Elektrodenmustern erzeugt werden. Daher müssen die bewährten Elektrodenmuster in eine Vielzahl kleiner, untereinander verbundener Elektrodenstreifen unterteilt werden um die Zahl der Kanten zu erhöhen. Dies vergrössert jedoch den photolithographischen Aufwand bei der Herstellung und reduziert die Lesbarkeit der Anzeige.

Ein weiterer Versuch, bei nematischen Drehzellenanzeigen den zweiten Polarisator zu eliminieren, ist ferner aus der DE-OS 24 32 6OI bekannt. In dieser Schrift wird hierzu ein polarisierender Reflektor verwendet, der jedoch aus einem Viertelwellenplättchen, aus einer zusätzlich benötigten weiteren cholesterinischen Flüssigkristallschicht sowie einer Absorp-

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tionsschieht zusammengesetzt ist. Durch diese vielen zusätzlich benötigten Elemente aber wird der Herstellungsaufwand nur vergrössert.

Schliesslich ist auch aus der DE-OS 24 32 601 eine nematische Drehzellenanzeige ohne hinteren Polarisator bekannt. Nebst dem hierzu als zusätzliches Element benötigten 'Viertelwellenplättchen bedingt dieser Vorschlag eine Abweichung von der 90°-Verdrillung der Zelle auf eine solche von nur 45°. Abgesehen davon, dass auch hier kein Element eingespart werden kann, hat die 4'5 -Verdrillung in der Regel bei der fertigen Zelle einen schwächeren Kontrast zwischen an- und abgeschalteten Zustand zur Folge.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine reflexive Flüssigkristallanzeige zu schaffen, welche verglichen mit den bisher bekannten Drehzellenanzeigen eine vergrösserte Helligkeit aufweist; verzerrungsfreie und gestochen scharfe Zeichen anzuzeigen vermag, wobei diese Zeichen mit der vollen Fläche der gewünschten Elektrodensegmente wiedergegeben werden können; einfacher und billiger herzustellen ist, und eine undurchsichtige hintere Platte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .

Ein erster wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass einerseits der hintere Polarisator weggelassen werden kann.

Der Hintergrund der Anzeige wird dadurch um jenen Betrag heller, der ansonsten durch das jeweils zweimal notwendige Hindurchtreten des Lichtes durch den hinteren Polarisator

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verloren gehen würde. Andererseits können gemäss der vorliegenden Erfindung die vollen Flächen beliebig gewünschter Elektrodensegmente zur Anzeige gebracht werden. Diese beiden Tatsachen bewirken zusammen den hervorragenden Kontrast der erfindungsgemässen Anzeige. Die Lesbarkeit wird noch dadurch erhöht, dass gemäss der vorliegenden Erfindung der Reflektor im Zelleninnern angebracht werden kann. Dies ermöglicht es; die hintere die Flüssigkristallmoleküle orientierende Vorzugsrichtung auf dem Reflektor selbst aufzubringen, wodurch Reflexion und Orientierung auf ein und derselben Ebene stattfinden, was verzerrungsfreie und gestochen scharfe Bilder zur Folge hat. Durch das Weglassen des hinteren Polarisators und durch das Aufbringen des Reflektors im Zelleninneren sind ausserdem die Vorteile gegeben, dass die Kosten zur Herstellung und Befestigung zweier Elemente ausserhalb der Zelle eingespart und die Anfälligkeit auf äusserliche Beschädigungen reduziert werden können. Ein Vorteil des im Zelleninnern untergebrachten Reflektors besteht ferner darin, dass keine transparenten Elektroden mehr auf der hinteren Platte verwendet werden müssen. Vielmehr erlaubt die vorliegende Erfindung die Benutzung metallischer Leiter als Elektroden auf der hinteren Platte. Dank der viel besseren Leitfähigkeit dieser letzteren, können unerwünschte Spannungsverluste entlang dünner und langer Zuleitungen vermieden werden. Gerade bei einem Multiplexbetrieb, für welchen sich die erfindungsgemässe Flüssigkristallanzeige in vorteilhafter Weise auf Grund der hierzu geeigneten und erfindungsgemäss vorgesehenen Spannungsbereiche eignet, sind solche Spannungsverluste untragbar. Da gemäss der vorliegenden Erfindung keine Transparenz der hinteren Platte mehr notwendig ist, kann für diese irgendein anderes, billigeres und passenderes Material gewählt werden. Ebenso kann die Dicke der Platte je nach den

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gegebenen Umständen frei gewählt werden.

Nachfolgend wird nun die Erfindung anhand der Figuren 1-5 ausführlich erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein mögliches Ausführungsbei-■--spiel einer erf indungsgemässen Flüssigkristallanzeige,

Fig. 2 eine mögliche Ausgestaltung der vorderen Elektrodensegmente im Falle einer beispielsweise mit einer dreiziffrigen Anzeige versehenen erfindungsgemässen Flüssigkristallanzeige,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung im Moment des Aufbringens des Reflektors auf die hintere Platte vor dem Erhitzen,

Fig. 4 den auf die hintere Platte aufgebrachten Reflektor nach dem Erhitzen, und

Fig. 5 den Reflektor in einer vergrösserten Darstellung.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Flüssigkristallanzeige 10 gezeigt. Diese besteht aus zwei Zellenplatten 1,2, welche zusammen mit dem sich zwischen diesen Platten befindlichen Flüssigkristall 6 die Zelle 29 bilden. Die vordere, transparente Platte 1 ist auf der der Lichtquelle 17 und dem Betrachter 18 zugewandten Seite mit einem linearen Polarisator 5 versehen. Auf der dem nematischen Flüssigkristall 6 zugewandten Seite der Platte 1 ist eine transparente, leitfähige Schicht als vordere Elektrode 3 aufgebracht, welche im allgemeinen, wie etwa in Fig. 2

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dargestellt, aus verschiedenen, einzeln ansteuerbaren Elektrodensegmenten 3a - 3u besteht, in Fig. 1 jedoch der Einfachheit halber aus einer einzigen, leitfähigen Schicht bestehend dargestellt ist. Der Flüssigkristall 6 ist ein nematischer Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie. Die dem Flüssigkristall 6 zugewandte Fläche der Platte 1 sowie die der vorderen Elektrode 3 sind mit einer z.B. durch Reiben erzeugten, die Flüssigkristallmoleküle in einer Vorzugsrichtung orientierenden Struktur versehen. Im gewählten Beispiel der Fig. 1 verläuft diese Vorzugsrichtung auf der vorderen Platte 1 parallel zur Zeichenebene. Ferner besteht die Flüssigkristallanzeige 10 aus einer zweiten, nicht notwendigerweise transparenten hinteren Platte 2, welche in einem geringen Abstand, etwa zwischen 2,5 jum bis 0,025 mm, parallel zur vorderen Platte 1 angeordnet ist, und die auf der dem Flüssigkristall 6 zugewandten Fläche mit einer ebenfalls als eine leitfähige Schicht dargestellten hinteren Elektrode 4 versehen ist. Auch die hintere Elektrode 4 kann bedarfsmässig in mehrere, hier nicht dargestellte Elektrodensegmente unterteilt sein. Die hintere Platte 2 ist ferner auf der dem Flüssigkristall 6 zugewandten Fläche mit einem diffus streuenden Reflektor 9 versehen, welcher auf der dem Flüssigkristall 6 zugewandten Seite ebenfalls mit einer z.B. durch Reiben erzeugten Vorzugsrichtung versehen ist, die zu jener der vorderen Platte 1 bzw. Elektrode 3 um etwa 90° verdreht ist, also hier in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene gerichtet ist. Randseitig werden die Platten 1, 2 durch einen nicht dargestellten Verbindungssteg so verbunden, dass sie den Flüssigkristall 6 hermetisch in der Art einer Zelle einschliessen. Anhand der Elektroden 3₃ 4 kann mit Hilfe einer Wechselspannungsquelle 19 der zwischen den Elektroden 3, 4 befindliche Bereich des Flüssigkristalls 6 unter den Einfluss eines elek-

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trischen Feldes gestellt werden. Im feldfreien Zustand 7 des Flüssigkristalls 6 richten sich dessen Moleküle nach den auf den Platten 1, 2 aufgebrachten Vorzugsrichtungen, also um etwa 90° verdrillt, aus. Im feldfreien Zustand 7 wird also die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht im Verlaufe eines Durchtritts durch den Flüssigkristall 6 um etwa 90 gedreht. Ist jedoch zwischen den Elektroden 3, 4 eine Spannung angelegt, so wird, in Abhängigkeit der Höhe der angelegten Spannung, die durch die vordere und hintere Vorzugsrichtung erzeugte molekulare Struktur des Flüssigkristalls 6 auf der linken Figurenhälfte weitgehend zerstört und der durch das elektrische Feld so deformierte Zustand des Flüssigkristalls 6 vermag die Polarisationsebene von linear polarisierten Licht im allgemeinen nicht mehr zu drehen. Wird jedoch an den Elektroden 3, 4 nur eine Spannung angelegt, die nicht zu weit über der sogenannten Freederickz-Schwellenspannung V liegt, und stets -<. 3 V , bleibt, so bleibt die Fähigkeit,· die Polarisationsebene zu drehen, für Licht, das aus gewissen Richtungen den Flüssigkristall durchläuft, noch erhalten, für andere Richtungen aber ist keine messbare Beeinflussung der Polarisationsebene mehr zu beobachten. Zur Definition und Messung der Freederickz-Schwellenspannung V , wird auf M. Schadt und W. HeIfrich, Appl. Phys. Lett :l8 (1971) 127 verwiesen. Demnach be-

25 stimmt sich

in CGS-Einheiten.

Messtechnisch ergibt sich V als die Spannung, bei der die optische Wirkung des verdrillten Flüssigkristalls sich zu ändern beginnt, vgl. Fig. 2 der genannten Publikation. Wird nun gemäss dem grundlegenden Gedanken der vorliegenden Erfindung an die Elektroden 3, 4 nur eine Spannung γ gelegt, wobei 1,.3 V_tfa — V ^ 2,5 V_th, vorzugsweise ^1,9 V_fch, so ergibt sich die 030026/0531

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in Fig. 1 durch die schräg gestellten Flüssigkristallmoleküle angedeutete Situation des deformierten Zustandes 8,
welcher auf folgende, erfindungsgemässe Weise eine Anzeige ermöglicht: Von dem von der Lichtquelle 17 schräg einfallenden Licht sind in Fig. 1 drei charakteristische Strahlenbündel 11, 12, 13 dargestellt. Das einfallende Lichtbündel 11 wird durch den Polarisator 15 linear so polarisiert,
dass dessen-Polarisationsebene nach dem Durchtritt durch
den Polarisator 5 parallel zur Zeichenebene liegt. Der feldfreie Zustand 7 des Flüssigkristalls 6 dreht nun diese Polarisationsebene um 90 , welche Drehung nach der Reflexion am Reflektor 9 auf dem Rückweg durch den Flüssigkristall rück-

. gängig gemacht wird, so dass das Lichtbündel 14 frei durch den Polarisator 5 austreten und in das Auge eines Beobachters 18 treten kann. Dem Beobachter erscheint also der in
Fig. 1 links gezeichnete Teil der Anzeige hell. Für das
einfallende Lichtbündel 12 gilt das für das Lichtbündel 11 gesagte. Nach der Reflexion durchläuft es jedoch den Flüssigkristall in einer nahezu parallelen Richtung zu den MoIekülen. Der nur unter dem erfindungsgemäss vorgesehen schwachen Feldeinfluss stehende Flüssigkristall vermag hier für die Richtung des reflektierten Lichtbündels 15 die Polarisationsebene nicht zurückzudrehen, weshalb das Lichtbündel 15 den Polarisator 5 nicht passieren kann. Der Beobachter

18 empfängt von dieser Stelle der Anzeige 10 kein Licht,
d.h. er sieht diesen Teil der Anzeige 10 dunkel. Das von
der Lichtquelle 17 einfallende Bündel 13 wird durch den Polarisator 5 ebenfalls mit der Polarisationsebene parallel
zur Zeichenebene polarisiert. Für die Richtung des Bündels 13 jedoch hat der erfindungsgemäss unter schwachem Feldeinfluss stehende Zustand 8 des Flüssigkristalls 6 im rechten Teil der Anzeige 10 die gleiche drehende Wirkung wie der
feldfreie Zustand 7 des Flüssigkristalles 6 auf die Bündel

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11 j 12 und 14. Daher erfährt das Lichtbündel 13 auf seinem Weg zum Reflektor 9 eine Drehung der Polarisationsebene um 90°, wird jedoch auf dem Rückweg als reflektiertes Bündel 16 wegen der in dieser Richtung nicht stattfindenden Rüekdrehung der Polarisationsebene vom Polarisator 5 nicht durchgelassen. Damit aber sieht der Betrachter l8 die gesamte Elektrodenfläche 3 dunkel, und es können die bewährten Elektrodenmuster, siehe hierzu Fig. 2, zur Bildanzeige verwendet werden.

Ein bevorzugtes erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung des Reflektors 9 besteht darin, dass dieser durch Beschichten der hinteren Elektrode 4 und der hinteren Platte 2 mit metallischen diffus reflektierenden Partikeln erzeugt wird. Dies ist nachfolgend unter Zuhilfenahme der Fig. 3₃ 4 und 5 erläutert. Dabei zeigen die Fig. °3 und 4, wie die hintere Elektrode 4 und der verbleibende, freie Teil der der Flüssigkristallschicht zugewandten Oberfläche der Platte 2 mit gegenseitig isolierten Metallteilen 20, beispielsweise Aluminium, beschichtet wird. Diese Metallteile 20 weisen in den Ausbreitungsrichtungen der Elektrodenfläche eine Leitfähigkeit von <; 10 juS pro Quadrat auf und wirken als diffuser Reflektor 9· Die einzelnen aus Aluminium-Pigmenten bestehenden Metallteile 20, Fig. 5, sind mit einer in normaler Atmosphäre sich bildenden Oxydschicht von 10 bis 100 A Dicke überzogen; obwohl, wie in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt, alle Teile eng und flach aneinander liegen, wirkt diese Oxydschicht als Isolator; es ist daher nahezu keine Leitfähigkeit in den Ausbreitungsrichtungen der Elektrodenfläche vorhanden. Aufgrund des geringen Teilchenabstandes ist jedoch" eine sehr gute kapazitive Kopplung in einer zu den Ausbreitungsrichtungen der Elektrodenfläche normalen Richtung vorhanden.

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Die Herstellung dieses bevorzugten Ausführungsbeispieles eines Reflektors 9 kann sehr wirtschaftlich erfolgen. Die hintere Platte 2 wird zuerst mit der hinteren Elektrode 4 versehen. In einem, anschliessenden Siebdruckverfahren wird die gesamte, im späteren Sichtbereich der Flüssigkristallanzeige 10 befindliche Oberfläche der hinteren Platte 2 mit der Aluminiumbronze-Parbe bedruckt. Die isolierten Metallteile 20 werden also in Form einer dickflüssigen Aluminiumbronzefarbe mit einem Anteil von 3~5 Gewichtsprozenten AIuminiumpigmenten im Binder 28 auf die hintere Platte 2 aufgebracht. Die Aluminiumbronze-Farbe besteht aus einem Binder 28 (z.B. Nitrocellulose in Amylacetat im Gewichts-Verhältnis 1:1 gemischt) und Aluminium-Pigmenten mit einer mittleren Länge von 2-10 um. Das gewichtsmässige Mischungsverhältnis von Binder 28 zu Aluminium-Pigment beträgt 1:5 bis 1:15. Die Schichtdicke der Aluminiumbronze-Farbe variiert mit der Konzentration an Aluminium-Pigmenten. In der Praxis hat sich eine Dicke der aufgedruckten Aluminiumbronze-Farbe von 5 bis 20 /um bewährt. Als Siebdruckschablone sind Siebe

2Q mit mehr als 100 Fäden pro cm geeignet; die Ausführungsbeispiele wurden mittels eines Siebes (Estalmono 200 von Schweiz. Seidengazenfabrik, St. Gallen) mit 200 Fäden pro cm angefertigt. Sodann werden die beschichteten Platten etwa eine Stunde bei ca. 400° bis 500⁰C erhitzt. Während dieses Prozesses verbrennt der Binder 28 und verflüchtigt sich ohne Rückstände zu bilden, wobei sich die Aluminium-Pigmente auf eine Gesamtdicke von 0,5 bis 5 Mm zusammenlagern. Nun werden die Platten gerieben. Nach der Montage der vorderen Platte 1 und dem entsprechenden Justieren der Platten 1 und 2 entsprechend der Form der Elektroden 3 und 4 erfolgt in einem Lötofen, ein aus der Drehzellenherstellung bekannter Glaslotprozess.

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Ein weiteres Herstellungsverfahren ist das Spritz- oder Aufsprühverfahren. Zu diesem Zwecke werden die Aluminium-Pigmente von 2-12 Lim Länge in einem hochtourigen Mischwerk oder mittels Utraschall in einem leicht flüchtigen und nicht brennbaren Lösungsmittel wie z.B. Difluordichlormethan (Freon TF von du Pont) gemischt. Der Gewichtsanteil von Aluminium-Pigmenten im Bindemittel beträgt 1 - 20 %, wobei sorgfältig darauf geachtet wird, dass die Mischung gleichmässig erfolgt, d.h. keine Agglomerate von Pigmenten feststellbar sind. Eine derartige Mischung wird nun mit einer Spritzpistole unter einem Druck von 4-6 atü mit sehr feiner Düse auf die vorgereinigten hinteren Platten 2 aufgesprüht. Es hat sich gezeigt, dass bei diesem Verfahren das Lösungsmittel bereits verdunstet, bevor es auf die Platten 2 auftrifft, so dass eine weitgehend homogene Reflektorstruktur erzielt wird. Grundsätzlich könnte der Reflektor bereits so in Flüssigkristallzellen verwendet werden, ist jedoch noch weder wisch- noch kratzfest, so dass sich eine anschliessende Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400 - 500⁰C und einer Dauer von ca. 2 Min. empfiehlt, wobei die Reflektorstruktur thermisch verfestigt wird, so dass die Platte 2 nun weitgehend abriebfest ist.

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Claims

BBC Aktiengesellschaft

Baden (Schweiz)

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Patentansprüche

../ Flüssigkristallanzeige

mit einer aus zwei planparallelen Platten bestehenden Zelle,

deren Platten an ihren Innenflächen mit Elektroden— schichten versehen sind,

von denen mindestens die auf der vorderen Platte

durchsichtig und segmentiert ist, und

mit einem Flüssigkristall mit positiv anisotroper Dielektrizitätskonstante innerhalb der Zelle,

— dessen Moleküle an den beiden Innenflächen der Zellenplatten Vorzugsrichtungen aufweisen,

die um etwa 90° zueinander verdreht sind, und

mit einem Polarisator an der vorderen jedoch nicht an der hinteren Zellenplatte, und

- mit einem Reflektor an der hinteren Zellenplatte, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

der Reflektor (9) ist auf der Innenseite der hinteren Zellenplatte (1) innerhalb der Zelle (29) vorgesehen,

der Reflektor (9) weist eine die Vorzugsrichtung der angrenzenden Flüssigkristallmoleküle bestimmende Struktur auf,

die Elektrodensegmente (3a ... 3u) sind vollflächig, und

' - der Wert der Betriebsspannung (V) liegt zwischen dem Ij3- und dem 2,5-fachen, vorzugsweise dem 1,3- und

1,9-fachen, der Freedericksz-Schwellenspannung (V.,).

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2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (9) aus auf die hintere Elektrodenschicht (4) und auf die Innenfläche der hinteren Platte (2) aufgebrachten gegenseitig isolierten Metallteilen (20) besteht, und eine Schichtleitfähigkeit von höchstens 10 /iS pro Quadrat aufweist, und die hintere Elektrodenschicht (4) vorzugsweise metallisch ist.
3· Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierten Metallteile (20) aus AIuminium-Pigmenten von 2 bis 12 JUm Länge bestehen und in Schichtdicken von 0,2 bis 5 /um aufgebracht sind.
4. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 2 oder 3j dadurch gekennzeichnet, dass den isolierten Metallteilen (20) 1 bis 5 % AIpO, von 5 Mm - 10 um Korngrösse beigemengt ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Elektrode (4) und die hintere Platte (2) in einer Dicke von 2 bis 10 um mit einer Mischung bestehend aus einem Binder (28) und Metallteilen (20) beschichtet werden, und dass der Binder (28) in einem nachfolgenden Wärmeprozess bei Temperaturen von 300 bis 500 C ausgetrocknet und verbrannt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5₅ dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der hinteren Elektrode (4) und der hinteren Platte (2) in einem Siebdruckverfahren durchgeführt wird.
7« Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallteile (20) Aluminium-Pigmente von 2 bis 12 /um

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Länge sind, und das Gewichtsverhältnis von Aluminium-Pigmenten zu Binder (28) 50 : 1 bis 10 : 1 beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der hinteren Platte (2) mittels eines

feinmaschigen Siebes mit mehr als 100 Fäden/cm durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7_S dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Pigmente mit einem leichtflüchtigen Binder (28) wie Difluordichlormethan gleichmässig gemischt und mittels Spritzverfahren unter einem Druck von 4 bis 6 atü auf die hintere Platte (2) aufgebracht werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Platte (2) nach dem Spritzverfahren während wenigstens einer Minute bei einer Temperatur von 400 bis 500 C wärmebehandelt wird.

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