DE3689720T2

DE3689720T2 - Flüssigkristallanzeigeanordnung.

Info

Publication number: DE3689720T2
Application number: DE3689720T
Authority: DE
Inventors: Toshiji Hamatani; Takashi Inujima; Toshimitsu Konuma; Kaoru Koyanagi; Akira Mase; Minoru Miyazaki; Mitsunori Sakama; Toshiharu Yamaguchi; Shunpei Yamazaki
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1985-07-02
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2006-06-28
Also published as: WO1987000301A1; EP0228472A4; DE3689720D1; US4799776A; EP0228472A1; JPS626225A; EP0228472B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeigeanordnung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichnet ist.
Bei Festkörperanzeigetafeln ist das System, das jedes Bildelement unabhängig steuert, für Anzeigen mit großer Fläche ausgelegt. In der Vergangenheit war für eine solche Tafel eine Anzeige bekannt, bei der das multiplexende Treibersystem für eine einfache Matrixstruktur von A4-Größe mit 400 Elementen in der Reihen- und 200 Elementen in der Spaltenrichtung verwendet wird, die durch die Verwendung von Zweifrequenz-Flüssigkristallen, z. B. einem verdrehten nematischen Flüssigkristall (auch als TN-Flüssigkristall im folgenden bezeichnet) gebildet sind. Um jedoch eine Flüssigkristallanzeige eines Reflexionstyps durch die Verwendung eines solchen TN-Flüssigkristalls zu schaffen, müssen zwei polarisierende Mittel außerhalb eines Substratpaars angeordnet werden, die zueinander um 90º gedreht sind. Darüber hinaus muß eine reflektierende Platte auf der Außenseite (namentlich auf der am weitesten in bezug auf das einfallende Licht entfernten Seite) der polarisierenden Platte angeordnet sein. Der Lichtpfad ist dabei wie folgt: Das einfallende Licht geht durch eine erste polarisierende Platte, ein gegenüberliegendes Glas, einen gegenüberliegenden leitfähigen Film, den TN-Flüssigkristall, einen transparenten leitfähigen Film, ein Glassubstrat, eine zweite polarisierende Platte und trifft auf ein reflektierendes Aluminiumsubstrat.
Weiter schreitet dort reflektiertes Licht wieder zurück zur Einfallsseite durch die zweite polarisierende Platte. Die Verwendung eines solchen TN-Kristalls hat jedoch viele Nachteile, wie sie im nachfolgenden aufgelistet sind.
(1) Die Menge des reflektierten Lichts wird aufgrund der Verwendung der beiden polarisierenden Platten verringert.
(2) Es wird ein Lichtverlust aufgrund der Absorption des Lichts durch die Glassubstrate beobachtet.
(3) Die reflektierende Platte wird milchig aufgrund der Oxidation des Aluminiums durch die Atmosphäre, was zu einer Verringerung in der Reflektivität führt.
(4) Wenn aktive Elemente auf der Innenseite des Substrats vorgesehen sind, wird ein von dem organischen Kunstharz, das in deren Umgebung existiert, bewirkter Absorptionsverlust erzeugt.
In dem Oberbegriff des neuen Anspruchs 1 wird auf den Stand der Technik gemäß der EP-A-142 326 Bezug genommen. Diese Flüssigkristallanzeigeanordnung nach dem Stand der Technik umfaßt ein transparentes Substrat, eine daraufausgebildete transparente Elektrode und ein reflektierendes Elektrodenmaterial, das auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Eine polarisierende Platte ist an der äußeren Oberfläche des transparenten Substrats angebracht. In dem Raum zwischen den beiden Elektroden ist eine Menge eines ferroelektrischen Flüssigkristallmaterials mit einer smektischen C-Phase vorgesehen.
Die EP-A-092 181 offenbart ein Flüssigkristallelement mit einem zwischen einem Paar von Substraten mit auf gegenüberliegenden Oberflächen vorgesehenen Elektroden in Sandwich-Art eingefügten ferroelektrischen Flüssigkristall. Eine polarisierende Platte ist an der äußeren Oberfläche des oberen Substrats angeordnet. An der äußeren Oberfläche des unteren Substrats kann eine weitere polarisierende Platte oder an deren Stelle ein Reflektor angrenzend an dieses Substrat vorgesehen sein.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichnete Flüssigkristallanzeigeanordnung derart zu verbessern, daß der Lichtverlust durch Verbesserung der Reflektivität der reflektierenden Elektrode minimiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beanspruchten Merkmale gelöst.
Die ferroelektrischen Flüssigkristalle weisen die chirale smektische C-Phase (SmC*) auf. Namentlich kann ein bistabiler Zustand durch Einstellen des Abstands zwischen den Zellen auf 4 Mikrometer oder weniger erhalten werden.
Durch Mischen von Flüssigkristallmaterial in seinem isotropen Flüssigkristallzustand (Hochtemperaturzustand) in solch einer dünnen Zelle und durch Absenken der Temperatur können SmA und dann bistabiles SmC* erhalten werden. Dadurch ist es möglich, die spiralförmige Struktur zu lockern. Wenn eine Spannung an die SmC* angelegt wird, werden die Moleküle in einer Richtung unter einem Winkel von ungefähr 45º ausgerichtet. Durch die Anwendung einer Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen ist es möglich, einen Winkel von ungefähr -45º (also 45º +/- 5º) in der entgegengesetzten Richtung zu erhalten. Diese zwei Zustände sind nicht flüchtig in dem Sinn, daß sie sich kaum jemals ändern, nachdem die Spannung abgeschaltet ist, unter Aufrechterhaltung eines Winkels von ungefähr 90º (also +/- 10º). Gemäß dieser Beobachtung wurde es klar, daß die Transmission und die Nichttransmission von Licht durch die Verwendung einer einzigen polarisierenden Platte erzielt werden können. Deshalb umfaßt die vorliegende Erfindung ein Paar von Substraten (das eine der eine Zelle bildenden Substrate auf der Lichteinfallsseite wird das gegenüberliegende Substrat und das andere auf der anderen Seite wird einfach das Substrat genannt), Elektroden (die auf der Lichteinfallsseite wird die gegenüberliegende Elektrode und die andere auf der inneren Seite wird einfach die Elektrode genannt), die an der Innenseite der Substrate angebracht sind, und einen ferroelektrischen Flüssigkristall (FLC) der zwischen den Elektroden abgedichtet vorgesehen ist. Weiter ist eine polarisierende Platte auf der Einfallsseite angeordnet.
Insbesondere ist in der vorliegenden Erfindung eine Schicht, die Licht im sichtbaren Bereich reflektiert, durch eine der Elektroden aufgebaut, nämlich durch die Elektrode auf dem Substrat.
In diesem Fall tritt das einfallende Licht durch die polarisierende Platte, das gegenüberliegende Substrat, die gegenüberliegende Elektrode und den FLC hindurch zu der Elektrode, wo es reflektiert wird, und schreitet zurück auf dem umgekehrten Pfad.
Es sei bemerkt, daß eines der ungelösten Probleme, nämlich der zur Verfügung stehende Temperaturbereich, gegenwärtig als ausreichend festgestellt wurde, wenn er sich in dem Bereich von 0 bis 50º für eine Kombination (Mischung) einer Vielzahl von unterschiedlichen Arten von FLCs befindet. Deshalb ging man davon aus, daß der Temperaturbereich kein Problem für die praktischen Anwendungen darstellt. Außerdem wurden keine Notwendigkeiten in bezug auf den Farbton festgestellt, vorausgesetzt, daß die Zahl der verwendeten Farben auf acht begrenzt ist, so daß es klar wurde, daß die vorliegende Erfindung in ausreichendem Maße für die Anzeige von Mikrocomputern oder ähnlichem verwendbar ist.
Mit der obigen Anordnung können die folgenden Vorteile verwirklicht werden.
(1) Der Lichtverlust kann durch die Verwendung von lediglich einer polarisierenden Platte minimiert werden.
(2) Die Elektrode zum Reflektieren des Lichts ist nicht der Luft ausgesetzt, so daß sie nicht oxidiert wird und folglich die Reflektivität für Licht auf einem hohen Wert aufrechterhalten werden kann.
(3) Die Zahl der benötigten Teile wird verringert.
(4) Aufgrund der Verwendung des FLC kann das Sichtfeld erhöht werden und zusätzlich kann Energie gespart werden.
(5) Es tritt absolut kein Absorptionsverlust und keine Verringerung im Aperturfaktor aufgrund der Dicke des nichtlinearen Elements (aktiven Elements) auf.
Wenn die Bildelemente durch Verbinden eines nichtlinearen Elements (NE) und eines ferroelektrischen Flüssigkristalls (FLC) in Reihe gebildet werden, wurde weiter zum ersten Mal erreicht, ein Matrixsystem für eine Fläche zu verwirklichen, die gleich oder größer als die A4-Größe ist, indem das Übersprechen zwischen den Bildelementen unterbunden wurde.
Zusätzlich hat die vorliegende Erfindung das Merkmal, daß es möglich ist, eine Farbanzeige durch Vorsehen von roten (genannt R), grünen (genannt G), und blauen (genannt B) Filtern entsprechend der anderen X-Achsen-Anordnung des ferroelektrischen Flüssigkristalls zu verwirklichen.
Es werden nun kurz die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Grundrißansicht und eine Schnittansicht in Längsrichtung einer erfindungsgemäßen passiven Flüssigkristalltafel; und
Fig. 2 den Betrieb des in der vorliegenden Erfindung verwendeten ferroelektrischen Flüssigkristalls.
In der Fig. 1(B) ist eine Grundrißansicht und eine Schnittansicht in Längsrichtung entlang der Linie A-A' einer passiven Flüssigkristallanzeige gezeigt. Wie aus der Figur hervorgeht, weist die Anzeige eine Elektrode 2, die aus linearen Mustern in der Y-Richtung 2-1, 2-2, . . . , und 2-n besteht und eine zweite Elektrode 3 auf, die aus linearen Mustern in der Y-Richtung 3-1, 3-2, . . . , und 3-m besteht, deren Kreuzungen einen Punktbereich 9 bilden (z. B. die Kreuzung von 2-2 und 3-1). Direkt unter dem linearen Elektrodenmuster 2 können nichtlineare Elemente angeordnet sein, falls dies notwendig wird. Jedes dieser linearen Muster ist auf einem ersten Substrat 1 und einem zweiten Substrat 1' vorgesehen. Zusätzlich haben diese linearen Muster jeweils externe Verbindungsanschlüsse 11 und 11' und sie können mit Außenschaltkreisen mittels dieser Bereiche verbunden werden.
Der Randbereich jeder Elektrode ist mit einem Dichtmaterial 23 dichtend verschlossen, und der Innenbereich ist mit Flüssigkristallen 7 mit einer smektischen Phase aufgefüllt.
Weiter ist auf der Innenseite des ersten Substrats 1 die erste Elektrode 2 als eine reflektierende Schicht vorgesehen, die in der Praxis durch Vakuumabscheidung von Aluminium gefertigt wird.
Auf der Oberfläche des anderen Substrats 1' ist eine polarisierende Platte 8 vorgesehen. Die Figur stellt den Aufbau für eine Farbanzeige dar.
Im vorliegenden Fall sind Filter 4 nahe nebeneinander auf der Innenseite des Substrats 1' vorgesehen, die so angeordnet sind, daß sie abwechselnd R (rot), G (grün) und B (blau) wiederholen.
Ein schützender Filmüberzug 5 (in diesem Fall wurde ein auf Polyimid basierender Film verwendet) für die Filter 4 wurde auf deren Oberfläche vorgesehen, wobei dessen Oberfläche 5' flach ausgebildet wurde. Weiter sind die linearen transparenten Elektroden 3 in der X-Achsen-Richtung vorgesehen, die in engem Kontakt mit der oberen Oberfläche (untere Oberfläche in der Zeichnung) des schützenden Films stehen. Diese Elektroden sind aus leitfähigem transparentem Film (CTF) aufgebaut und werden insbesondere aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) durch Sputtern gebildet.
Auf den inneren Oberflächen des Paars von Elektroden 2 und 3 sind asymmetrische Orientierungsschichten ausgebildet.
Eine nichtgeriebene Schicht (eine Schicht, die der Reibebehandlung nicht unterworfen wurde), die eine der asymmetrischen Orientierungsschichten darstellt, ist durch einen Überzug aus einer 1%igen Methanol-Lösung von 1.1.1. Trimethylsilazan durch monomolekulare Beschichtungsverfahren und Trocknen ausgebildet.
Eine geriebene Schicht, die die andere asymmetrische Orientierungsschicht darstellt, ist durch Überziehen und Trocknen von 1.1.1. Trimethylsilazan auf der CTF-Schicht wie oben gebildet, worauf anschließend darauf durch ein Schleuderverfahren eine 1%ige b-Nylon-Lösung aufgezogen wird, die durch Verdünnen von Nylon in einer Lösung von 60% m-Kresol und 40% Methanol erhalten wird.
Anstelle von b-Nylon wurde PAN (Polyacrylnitril) und PVA (Polyvinylalkohol) mit einer Dicke von 0,1 um durch ein Spinnverfahren beschichtet, und die Reibebehandlung wurde gemäß dem bekannten Verfahren durchgeführt. Beispielhaft für die Reibebehandlung wurde Nylon bei 900 Umdrehungen pro Minute (RPM) in der Reibevorrichtung gedreht und die Oberfläche wurde durch Bewegen des Substrats bei einer Geschwindigkeit von 2 m/min gebildet. Namentlich wurde auf einer der Elektroden 2 ein nicht geriebener Film ausgebildet, um als ein Orientierungsfilm ohne Reibebehandlung zu dienen, und auf der anderen Elektrode 3 wurde ein Film unter Verwendung der oben erwähnten organischen Verbundstoffe ausgebildet, der einer Reibebehandlung unterworfen wurde. Der nicht geriebene Film kann auch als die innere Oberfläche des CTF 3 verwendet werden. Dann wurde FLC E, wie z. B. S8 (Octyloxybenzylideneaminomethylbutylbenzoat) zwischen die orientierungsbehandelten Schichten gefüllt. Neben S8 können auch FLCs, wie BOBAMBC oder durch Mischen einer Vielzahl von FLCs erhaltende FLCs, zum Befüllen verwendet werden. Einige dieser FLCs können in "Ferroelectrics Switching in the Tilted Smectic Phase of R-C-3-4-n Hexyloxybenzylidence-4'-Amino- (2-chloropropyl) Cinnamate (HOBACPC)", Ferroelectrics, 1984, Band 59, Seiten 126-136, von J.W. Goodby et al., JP-A-59-98051 und JP-A-59-11874 gefunden werden.
Beispiele für die Schwellwertcharakteristik der Bildelemente sind in Fig. 2(A) und Fig. 2(B) gezeigt. In Abhängigkeit von der Art, in der die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristalle und die Richtung der Spannung gewählt werden, wird die eine oder die andere dieser Figuren erhalten. Sie sind jedoch im wesentlichen äquivalente Graphen. Von den Figuren kann man sehen, daß die Kurven 13 und 13' durch die Anwendung von Spannungen von +/- 5 V erhalten werden, daß die Transmission oder Nichttransmission von Licht verwirklicht werden kann, und daß eine Hysterese mit ausreichender Inversion und Speichereffekt erhalten werden kann. In der Fig. 2 stellt die Ordinate den Durchlässigkeitsgrad dar.
Damit Licht in dem sichtbaren Bereich reflektiert wird, muß gemäß der Fig. 1 einfallendes Licht 10 durch die polarisierende Platte 8, das zweite transparente Substrat 1', den Filter 4, den schützenden Film 5, den transparenten leitfähigen Film 6, die asymmetrisch behandelte Orientierungsschicht (nicht gezeigt), den smektischen Flüssigkristall 7 und die reflektierende Elektrode 2 passieren, wo es reflektiert wird, um dem umgekehrten Lichtpfad als reflektiertes Licht 10' zu folgen.
Wenn in diesem Fall irgendeine Art von Farbe als Medium in den Filtern 4 und dem schützenden Film vorhanden ist, und es wünschenswert ist, einen insgesamten konstanten Farbton zu haben, kann die obere Oberfläche der reflektierenden Elektroden 2 mit einer variablen Dicke im Bereich von 300 bis 1500 Angström variabel gebildet werden, um einen CTF als einen Interferenzfilm für Licht zu bilden.
Wie man aus den Figuren ersieht, wirkt der Flüssigkristall dann als Speicher, wenn ein Flüssigkristall mit smektischer Phase, insbesondere eine SmC*-Schicht, verwendet wird, und der "Ein-" und "Aus"-Zustand von Licht kann durch die Verwendung von lediglich einer polarisierenden Platte gesteuert werden, vorausgesetzt, daß der Verkippungswinkel der smektischen Schicht bei ungefähr 45º gewählt wird. Als eine Folge davon besteht kein Bedarf zum Vorsehen einer reflektierenden Platte auf der Außenseite des ersten Substrats unter Verwendung eines TN-Flüssigkristalls in der in der Vergangenheit wohlbekannten Weise. Es ist nur notwendig, eine der Elektroden als die reflektierende Elektrode zu verwenden.
Es ist von noch größerer Bedeutung, daß das Flüssigkristallmaterial eine Dicke von weniger als lediglich 4 um (im allgemeinen 1 bis 2 um) aufweist. Aus diesem Grund treten das einfallende Licht 10 und das reflektierte Licht 10' jeweils einmal durch einen identischen Filter. Im Gegensatz dazu könnte in dem Fall des Anordnens einer reflektierenden Platte auf der Außenseite des rückseitigen Substrats (Unterseite des ersten Substrats in der Figur), wie es in früheren Fällen unter Verwendung von TN-Flüssigkristallen durchgeführt wurde, einfallendes Licht, das durch beispielsweise einen roten Filter hindurchgetreten ist, durch einen angrenzenden grünen Filter als reflektiertes Licht zurück hindurchtreten. Wenn dies geschieht, weist das reflektierte Licht, wenn es wieder nach außen dringt, eine Farbe auf, die weder rot noch grün ist, und als Folge dieser Mischung wird es einen weißlichen Farbton aufweisen.
Im Falle der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ein bedeutendes Merkmal, daß es keine Mischung mit der Farbe eines benachbarten Bildpunkts gibt, weil der Abstand zwischen dem Filter 4 und der reflektierenden Elektrode 2 geringer als 10 um ist.
In der Fig. 1 der vorliegenden Erfindung ist ein 6·6-Segment einer Matrix gezeigt, das jedoch lediglich einen Teil der 100·100-Matrix darstellt, die tatsächlich in dem Experiment verwendet wurde. Die Zahl der Bildpunkte kann jedoch in anderen Konfigurationen vorgegeben sein, wie z. B. 640·400 (im Fall mit Farbe wäre dies 1.920·400), 720·400 und so weiter.
Es sei bemerkt, daß verschiedene andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Zum Beispiel kann ein dichroitisches Material hinzugefügt werden, um, wie sich herausstellt, die Anisotropie der Lichtabsorption durch SmC* zu verbessern. Als solche Stoffe kann man z. B. Farbstoffe auf Azo-Basis oder Anthraquinon-Basis (mit dichroitischem Verhältnis von größer als 8) in Betracht ziehen, die in dem Flüssigkristall gelöst sein können.

Claims

1. Flüssigkristallanzeigeanordnung mit

einem Paar von Substraten (1, 1'), von denen mindestens eines (1') transparent ist;

einer transparenten Elektrode, die auf der inneren Oberfläche des transparenten Substrates ausgebildet ist;

einer polarisierenden Platte (8);

einer reflektierenden Elektrode (2), die auf einer inneren Oberfläche des anderen (1) der Substrate (1, 1') ausgebildet ist und eine reflektierende Metallschicht aufweist, und

einem ferroelektrischen flüssigen Kristallmaterial (7) mit smektischer C-Phase, das zwischen den Substraten (1, 1') angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

die reflektierende Oberfläche (2) außerdem einen leitenden, transparenten Film aufweist, der auf der Oberfläche der Metallschicht ausgebildet ist, die dem flüssigen Kristallmaterial zugewandt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die reflektierende Metallschicht eine Aluminiumschicht ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der leitende transparente Film 30 bis 150 um dick ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das ferroelektrische flüssige Kristallmaterial einen Schwenkwinkel von 45º hat.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die polarisierende Platte (8) benachbart zu dem transparenten Substrat (1') angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein dichroides Material dem ferroelektrischen flüssigen Kristallmaterial (7) hinzugefügt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei das dichroide Material eine Farbe mit dem dichroitischen Verhältnis (CR) größer als 8 ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Farbe eine auf Anthraquinon-Basis oder Azo-Basis beruhende Farbe ist.