DE3741995A1

DE3741995A1 - Stn fluessigkristallzelle

Info

Publication number: DE3741995A1
Application number: DE19873741995
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Fertig; Klaus Hetzel
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1987-12-11
Publication date: 1989-06-22
Anticipated expiration: 2007-12-12
Also published as: DE3741995B4

Description

Die Erfindung betrifft eine STN Flüssigkristallzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der STN Flüssigkristallzelle handelt es sich um eine Flüssigkristallzelle mit einer stark verdrillten nemati schen Flüssigkristallsubstanz, im Unterschied zu anderen (normal) verdrillten nematischen Flüssigkristallen, die in der verdrillten nematischen Betriebsart (TN = twisted nematic mode) betrieben werden. Die gesamte Verdrillung des Flüssig kristalls beträgt in der STN Flüssigkristallzelle zwischen 180° und 360°, vorzugsweise 270°. Die Eigenschaften, insbeson dere die Farbe des Durchlichts einer STN Flüssigkristallzelle hängen von deren Zellenschichtdicke, d. h. dem Abstand zwischen substratseitigen Grenzflächen des Zellenraums, ab. Da diese Zellenschichtdicke bei vertretbarem Herstellungsaufwand über der Fläche nicht genügend konstant gehalten werden kann, tritt bei STN Flüssigkristallzellen unter anderem das Problem auf, daß verschiedene Flächenbereiche insbesondere im unangesteuerten Zustand für das Auge eines Betrachters in unterschiedlichen Farben erscheinen.

Um bei einfachem leicht herstellbarem Aufbau eine gleich mäßige Farbe der Anzeige zu ermöglichen, ist es für eine Flüssigkristallzelle, insbesondere TN-Zelle, die im übrigen die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist, bereits bekannt, eine substratseitige Grenzfläche des Zellen raums, an die die Flüssigkristallsubstanz angrenzt, mit einer Vielzahl Vertiefungen auszubilden, die im wesentlichen an einander angrenzend die gesamte Grenzfläche überdecken. Dabei weist jede Vertiefung über ihre Flächenerstreckung verteilt Stellen unterschiedlicher Tiefe auf. Diese unterschiedlichen Tiefen rufen entsprechend der örtlich vorhandenen Gesamt dicke der Flüssigkristallschicht Lichtfärbungen hervor, und zwar so, daß die Lichtfärbungen im Bereich der Flächenerstreckung einer Vertiefung zumindest weitgehend das gesamte Farb spektrum aufweist (EP 01 84 003 A2). Die Flächenerstreckung einer Vertiefung kann eine solche Größe aufweisen, daß deren Lichtfärbungen als neutrale additive Farbmischung, und zwar vorzugsweise grau, erscheinen. Nachteilig ist dabei aber, daß jede Flächenerstreckung einer Vertiefung und der Grad der Vertiefung wiederum genau einzuhalten sind, wenn die gewünschte Wirkung der neutralen additiven Farbmischung gewährleistet sein soll. Abgesehen davon, ist es bei dieser Ausbildung der Flüssigkristallzelle nicht ohne weiteres möglich, gewünschte räumlich unterschiedliche Farbeindrücke hervorzurufen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine STN Flüssigkristallzelle, also eine solche mit stark verdrillter Flüssigkristallsubstanz, der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß je nach der Struktur der sub stratseitigen Grenzflächen, an welche die Flüssigkristall substanz angrenzt, einerseits Farbneutralität über der Fläche erreicht werden kann, insbesondere, wenn die STN Flüssigkristallzelle nicht angesteuert wird, andererseits aber auch in bestimmten vorgegebenen Flächenbereichen bei Ansteuerung unterschiedliche Farben gezielt erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird für eine STN Flüssigkristallzelle der eingangs genannten Gattung durch Ausbildung mit dem in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk mal gelöst.

Die STN Flüssigkristallzelle enthält also nach diesem Prinzip Teilflächen verschiedener Zellendicke bzw. unterschiedlicher Spaltabstände. Die Stufen können dabei insbesondere in foto strukturierbaren Poliimidschichten ausgebildet sein.

Eine Abstufung der Spaltabstände ist nur im anderen Zusammen hang, und zwar bei einer in der TN Betriebsart betreibbaren speziellen Farbflüssigkristallzelle bekannt, in der Farb filter verschiedener spektraler Durchlässigkeit über Teil flächen angeordnet sind. Die Teilflächen sind dabei so aus geformt, daß sie entsprechend den jeweils verschiedenen Farbfilterarten unterschiedliche Spaltabstände bzw. Zellen dicken bilden (EP 01 52 827 A2). Mit dieser Ausbildung der TN Flüssigkristallzelle für farbige Darstellungen soll er reicht werden, daß im unangesteuerten Zustand die gesamte Anzeigefläche möglichst dunkel und schwachfarbig ist, um den Kontrast zum angesteuerten Zustand zu erhöhen. Dazu muß über die gesamte Fläche abschnittsweise die Dunkelfarbe minimiert werden, was eine gezielte Strukturierung der Spaltabstände entsprechend den verschiedenen Farben des Dunkel-Durchleuchtens der verschiedenen Abschnitte der nicht angesteuerten Zelle voraussetzt.

Im Unterschied dazu geht die vorliegende Erfindung aus von einer STN Flüssigkristallzelle ohne Farbfilterelemente, womit eine Abstufung entsprechend solchen Farbelementen entfällt.

Nach Anspruch 2 wird die STN Flüssigkristallzelle gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, daß die die unter schiedlichen Spaltabstände bildenden Stufen unstrukturiert sind und so dicht beieinander liegen, daß sie bei normalem Betrachtungsabstand einen einheitlichen farbneutralen Ein druck hervorrufen. Unter "unstrukturiert" wird hier ver standen, daß die unterschiedlichen Spaltabstände oder Zellen dicken keinen bestimmten Anzeigebereichen zugeordnet sind und keine bestimmte Flächenformen aufweisen müssen. Durch die dicht nebeneinanderliegenden Teilflächen oder Gebiete verschiedener Zellendicke oder Spaltabstände wird der Farb schwerpunkt der Darstellung so verwischt, daß sich in nor malem Betrachtungsabstand für den Betrachter Farbneutralität, d. h. ein einheitliches Grau ergibt. Es wird dabei also praktisch eine statistische Verteilung der Zellendicken über größeren Gebieten, die mehrere Stufen umfassen, voraus gesetzt.

Dadurch, daß nach Anspruch 3 die unterschiedlichen Spalt abstände so großflächig strukturiert werden, daß sie bei normalem Betrachtungsabstand Gebiete unterschiedlicher Farb eindrücke bilden, ist es mit der STN Flüssigkristallzelle aber auch möglich, Gebiete bzw. Anzeigeteilbereiche gezielt farbig hervorzuheben. Hierzu werden in vorteilhafter Weise keine Farbfilterelemente benötigt, vielmehr die Eigenschaften der STN Flüssigkristallzelle genutzt, bei der die Farbanzeige im angesteuerten Zustand von der Zellenschichtdicke abhängt.

Bei der Ausbildung nach Anspruch 4, daß an jeweils einer der Stufen eine Elektrode angeordnet ist, die von den Elektroden benachbarter Stufen isoliert ansteuerbar ist, können beispielsweise bei entsprechender Formgebung der einzelnen Gebiete der Stufen wahlweise verschiedene Farben bei fast gleicher Darstellung willkürlich gewählt bzw. ein gestellt werden.

Als besonderer Effekt der STN Flüssigkristallzelle können durch Änderungen der ansteuernden Spannung Farbumschläge an bestimmten Stellen der Anzeige erzielt werden, wenn sich die Spannung nur relativ geringfüg ändert. Der Farbumschlag ist dabei ortsabhängig, da die Spannung für den Farbumschlag von der Zellenschichtdicke abhängt. In Abhängigkeit von der Zellenschichtdicke treten verschiedenfarbige Farbumschläge ein.

Insbesondere kann nach Anspruch 5 zweckmäßig vorgesehen sein, daß die Elektroden mit einer zwischen zwei Spannungsgrößen einstellbaren Spannung beaufschlagt sind, so daß sich für das Auge des Betrachters demgemäß zwei verschiedene Misch farben einstellen.

Praktisch bevorzugt ist ein Hochmultiplexbetrieb nach Anspruch 6 mit den Merkmalen, daß die Elektroden der STN Flüssigkristallzelle mit einer im Hochmultiplexbetrieb ge steuerten Spannung beaufschlagt sind, so daß jeweils zwei Anzeigen kurz aufeinanderfolgend in unterschiedlichen Misch farben dargestellt werden. Vorteilhaft ist dabei der Pegel hub der Spannung verhältnismäßig klein und so festgelegt, daß entweder ein Übergang zwischen einer ersten und einer zweiten Mischfarbe, letztere in einem Übergangsbereich oder Zwischenzustand der Gebiete unterschiedlicher Spaltabstände, oder zwischen dieser zweiten Mischfarbe und einer dritten Mischfarbe eintritt.

Unterschiedliche Arten, die Stufen für die verschiedenen Spaltabstände zu bilden und die Elektroden auf diesen Stufen aufzubringen, sind in den Ansprüchen 7-11 angegeben. Hierzu wird ergänzend bemerkt, daß die verschiedenen Schichtdicken nach dem Stand der Technik wie bei den nematischen Flüssig kristallzellen, die nach dem TN Prinzip arbeiten, aufgebaut werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit sechs Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer STN Flüssigkristallzelle, in der sich jeweils eine Elektrode über mehrere Stufen eines einen Zellenraum begrenzenden transparenten Substrats er streckt, in einem Ausschnitt,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungs form einer STN Flüssigkristallzelle, in der jeweils eine Elektrode einer Stufe des den Zellen raum begrenzenden transparenten Substrats zugeordnet ist,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Ausschnitt in Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer STN Flüssigkristallzelle, in der beide einen Zellenraum bildende Substrate abgestuft sind, und

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer STN Flüssigkristallzelle, in der sich Elektroden im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform nach Fig. 3 unterhalb der Oberflächenstruktur anstatt oberhalb der Oberflächenstruktur befinden.

Die Größenverhältnisse, insbesondere Schichtdicken sind in sämtlichen Figuren vergrößert, jedoch nicht maßstabsgerecht dargestellt.

In Fig. 1 sind mit 1 und 2 zwei im Abstand zueinander parallel angeordnete transparente Substrate bezeichnet, die zwischen sich einen Zellenraum 3 einschließen. Der Zellen raum ist in nicht dargestellter Weise rundherum geschlossen und mit einer ebenfalls nicht dargestellten stark verdrill ten nematischen Flüssigkristallsubstanz gefüllt. Die STN Flüssigkristallzelle wird nach außen ergänzt durch je einen nicht dargestellten Polarisator, der jeweils auf einer Außen seite der Substrate aufgebracht ist. Auf den einander zuge wandten Innenseiten der Substrate befinden sich Elektroden, und zwar eine Flächenelektrode 4 auf einer Innenseite des transparenten Substrats 1 sowie weitere Elektroden 5 und 6 an der Innenseite des Substrats 2. Die Elektroden 5 und 6 können als Zeichenelektroden angesehen werden, da sie zur ansteuerbaren Darstellung von Zeichen dienen können.

Wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht, sind in der STN Flüssigkristallzelle unterschiedliche Spaltabstände d ₀, d ₁, d ₂ und d ₃ dadurch gebildet, daß sich über dem transparenten Substrat 2 jeweils drei Stufen aus diesem Substrat befinden, die mit 7, 8, 9 bzw. 10, 11, 12 bezeichnet sind. Die Elektrode 5 erstreckt sich dabei durchgehend von der Innenseite 13 des Substrats 2 über die Stufen 7, 8 und 9, während sich die Elektrode 6 von der Innenseite 13 über die Stufen 10, 11 und 12 ausdehnt. Die Stufen stellen von oben gesehen in der ersten Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 streifen förmige Gebiete dar, die mit A, B, C und D bezeichnet sind. Die Flüssigkristallzelle kann eine Reihe von solchen Elektroden über Stufenanordnungen des Substrats enthalten, mit denen jeweils eine Gruppe von Stufen ansteuerbar ist. Diese Ansteuerungen sind mit x _n und x _n+1 in Fig. 2 angedeutet. Die Ansteuerung der Flächenelektrode 4, die sich über sämt liche Zeichenelektroden quer erstreckt, ist hingegen mit ym bezeichnet. Die Elektroden 5 und 6 bilden somit jeweils eine strukturierte Oberflächenschicht. Infolge der unter schiedlichen Abstände d ₀ bis d ₃ in Fig. 1 werden die Gebiete A, B, C, D bei Ansteuerung einer der Elektroden 5 bzw. 6 verschiedenfarbig durchleuchtet. Da die Gebiete A, B, C, D sich über so große Teilflächen erstrecken, daß sie von dem Auge eines Betrachters aufgelöst werden, sind demzufolge auch verschiedene Farben einer einge schalteten Darstellung A, B, C, D sichtbar. Die verschieden farbige Durchleuchtung setzt keine Farbfilterelemente voraus.

Wenn statt der zu den Fig. 1 und 2 besprochenen mehr farbigen Anzeige eine Farbneutralisierung gewünscht ist, sind die Stufen A, B, C, D so kleinflächig auszubilden, daß sie von dem Auge des Betrachters nicht mehr einzeln aufge löst werden. Es ist in diesem Fall nicht erforderlich, daß die Stufen in einer bestimmten Abfolge gemäß Fig. 1 neben einanderliegen, sondern es genügt, wenn die Gebiete dieser Stufen in einem kleineren Flächenbereich, der von dem Auge bei normalem Betrachtungsabstand nicht mehr aufgelöst wird, gleichmäßig verteilt sind, so daß nur eine neutrale Mischfarbe erkannt wird, solange wenigstens ein bestimmter normaler Betrachtungsabstand eingehalten wird.

Die zweite Ausführungsform der STN Flüssigkristallzelle nach den Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der ersten nach den Fig. 1 und 2 vor allem dadurch, daß hier indi viduelle streifenförmige Elektroden 18, 19, 20 bzw. 21, 22, 23 je einer Stufe zugeordnet sind. Die Elektroden 18 und 21 befinden sich unmittelbar auf der Innenseite 13 des trans parenten Substrats 2 und die Elektroden 19, 20 bzw. 22, 23 auf Stufen 14, 15 bzw. 16, 17 aus der transparenten Substanz im Abstand darüber. Die Elektroden 18 bis 23 sind getrennt ansteuerbar, was in Fig. 4 durch die getrennt ansteuerbaren Gebiete x _n bis x _n+5 angedeutet ist. Infolge der unterschied lichen Spaltabstände zwischen den Elektroden 18, 19, 20 bzw. 21, 22, 23 und der Flächenelektrode 4 stellt sich, je nach dem welche einzelne Elektrode 18-20 bzw. 21-23 angesteuert wird, eine individuelle Farbe bei fast gleicher Darstellung entsprechend der Form der Gebiete E, F, G bzw. H, I, J ein.

Die dritte Ausführungsform nach Fig. 5 hat die Besonderheit, daß hier beide den Zellenraum 3 begrenzenden transparente Substrate auf den einander gegenüberliegenden Innenseiten stufenförmig strukturiert sind, und zwar in dieser Aus führungsform so, daß fünf Schichtdicken d ₀′, d ₁′, d ₂′, d ₃′, d ₄′ zwischen den einander gegenüberliegenden Stufen ge bildet werden. Die Substrate sind in diesem Falle mit 24, 25 bezeichnet, während die Lage der Elektroden offengelassen ist.

Die Elektroden können sowohl an der Grenzfläche zwischen dem Zellenraum und dem transparenten Substrat, wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt, angeordnet sein, oder aber zwischen jeweils einer planen Substratschicht und einer stufenförmigen, dem Zellenraum zugewandten stufenförmigen Erhebung aus dem Substrat. Letztere Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt, in der die planen Substratschichten mit 26, 27 und eine stufenförmige Erhöhung aus dem Substrat mit 28 bezeichnet ist. Eine Elektrode 29 unter der stufenförmigen Erhebung 28 steht wirkungsmäßig einer Elektrode 30 an der planen Substratschicht 26 gegenüber. Zwischen der Elektrode 30 und der stufenförmigen Erhöhung 28 wird der wirksame Ab stand d ₁ gebildet. Eine zweite Elektrode 31 an der planen Substratschicht 27 befindet sich in Gegenüberstellung zu einer Elektrode 32 an der planen Substratschicht 26. Zwischen den beiden letztgenannten Elektroden 31 und 32 liegt ein Spaltabstand d ₀ vor.

Generell entspricht jedem Spaltabstand eine Farbe des Durch leuchtens der STN Flüssigkristallzelle, wenn über den Spalt abstand die gleiche Spannung anliegt. Durch Variation der Spannung kann jedoch über einen gegebenen wirksamen Spalt abstand ein Farbumschlag erzielt werden. Der Farbumschlag ist dabei in Abhängigkeit von dem wirksamen Spaltabstand verschiedenfarbig. So können mit den fünf Schichtdicken d ₀′ bis d ₄′ gemäß der dritten Ausführungsform nach Fig. 5 zehn Farben dargestellt werden, während mit den beiden Spalt abständen d ₀ und d ₁′ in der vierten Ausführungsform nach Fig. 6 noch vier Farben dargestellt werden können.

Beispielsweise können bei unterschiedlichen Spannungen der Ansteuerung U ₁ U ₂ U ₃ (Spannung von U ₁ nach U ₃ wachsend) folgende Farben bei zwei Abständen d ₁, d ₂ auftreten:

An den beiden Stufen zusammengesehen, treten dann drei integrale Mischfarben auf:

Mischfarbe 1 (gelb-grün) 2 3 (blau-violett

Dies kann im Hochmultiplexbetrieb genutzt werden, indem die Anzeige von der ersten auf die zweite Mischfarbe oder von der zweiten auf die dritte Mischfarbe umgesteuert werden kann.

Claims

1. STN Flüssigkristallzelle mit zwei im Abstand zueinander angeordneten und zwischen sich einen mit stark verdrillter Flüssigkristallsubstanz gefüllten Zellenraum bildenden transparenten Substraten, auf deren einander abgewandten Seiten Polarisatoren und auf deren einander zugewandten Seiten Elektroden aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen substratseitigen Grenzflächen des Zellen raums (3), an die die Flüssigkristallsubstanz angrenzt, unterschiedliche Spaltabstände (d ₀, d ₁, d ₂, d ₃) als nebeneinanderliegende Stufen (7-12) geformt sind.

2. STN Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die unterschiedlichen Spaltabstände (d ₀, d ₁, d ₂, d ₃) bildenden Stufen (7-12) unstrukturiert sind und so dicht beieinanderliegen, daß sie bei normalem Betrachtungs abstand einen einheitlichen farbneutralen Eindruck hervor rufen.

3. STN Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Spaltabstände (d ₀, d ₁, d ₂, d ₃) so großflächig strukturiert sind, daß sie bei normalem Betrachtungsabstand Gebiete (A, B, C, D) unterschiedlicher Farbeindrücke bilden.

4. STN Flüssigkristallzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jeweils einer der Stufen (14-17) eine Elektrode (18-23) angeordnet ist, die von den Elektroden benach barter Stufen isoliert ansteuerbar ist.

5. STN Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einer zwischen zwei Spannungs größen einstellbaren Spannung beaufschlagt sind, so daß sich für das Auge des Betrachters demgemäß verschiedene Mischfarben einstellen.

6. STN Flüssigkristallzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einer im Hochmultiplexbetrieb gesteuerten Spannung beaufschlagt sind, so daß jeweils zwei Anzeigen kurz aufeinanderfolgend in unterschiedlichen Mischfarben dargestellt werden.

7. STN Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlich gestuften Spaltabstände (d ₀, d ₁, d ₂, d ₃) durch eine der beiden einander gegenüberliegenden substratseitigen Grenzflächen des Zellenraums (3) ge bildet sind.

8. STN Flüssigkristallzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlich gestuften Spaltabstände (d ₀′, d ₁′, d ₂′, d ₃′, d ₄′) durch beide einander gegenüberliegende substratseitigen Grenzflächen des Zellenraums (3) ge bildet sind.

9. STN Flüssigkristallzelle nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens einem der transparenten Substrate (2) eine transparente Schicht aufgebracht ist, deren zellen raumseitige Oberfläche unterschiedliche Spaltabstände (d ₀, d ₁, d ₂, d ₃) bildet.

10. STN Flüssigkristallzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode (5 bzw. 6) auf der zellen raumseitigen Oberfläche der transparenten Schicht auf gebracht ist.

11. STN Flüssigkristallzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens eine Elektrode (29) zwischen der transparenten Schicht und dem transparenten Substrat (27) befindet.