DE4000451A1

DE4000451A1 - Elektrooptisches fluessigkristallschaltelement

Info

Publication number: DE4000451A1
Application number: DE19904000451
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Baur; Waltraud Fehrenbach; Barbara Staudacher; Friedrich Windscheid; Rudolf Dr Kiefer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 1990-01-09
Filing date: 1990-01-09
Publication date: 1991-07-11
Anticipated expiration: 2010-01-10
Also published as: DE4000451B4

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrooptisches Flüssigkristall schaltelement, umfassend eine Flüssigkristallschicht, die in einer Ausgangsorientierung verankert ist, in welcher die Lichttransmission des elektrooptischen Schaltelements einen vorbestimmten Betrag zwischen 0 und 100 hat, und eine Um orientierungseinrichtung zum Umorientieren der Flüssig kristallschicht in eine aktuelle Orientierung, in welcher das elektrooptische Schaltelement eine veränderte Lichttrans mission hat, wobei die Umorientierungseinrichtung eine felder zeugende Struktur zum Erzeugen eines die Umorientierung be wirkenden elektrischen Feldes umfaßt.

Solche elektrooptische Flüssigkristallschaltelemente werden insbesondere in Flüssigkristalldarstellungseinrichtungen, wie beispielsweise in Bildschirmen von Fernsehgeräten, Com putern, Schaltzentralen und von anderen Einrichtungen, An lagen o. dgl. zum Schalten der Bildpunkte dieser Flüssig kristalldarstellungseinrichtungen, das heißt zur Veränderung der Helligkeit und/oder Farbe eines Bildpunkts, verwendet.

Derartige bekannte elektrooptische Flüssigkristallschaltele mente sind beispielsweise von M. Schadt und F. Leenhouts in "Appl. Phys. Lett.", Vol. 50, Seite 236 ff. (1987), sowie von T.J. Scheffer und J. Nehring in "J. Appl. Phys.", Vol. 58, Seite 3022 ff. (1985), ferner von L. Pohl, G. Weber, R. Eiden schink, G. Baur und W. Fehrenbach in "Appl. Phys. Lett.", Vol. 38, Seite 497 ff. (1981) und von M. Schadt und W. Helf rich in "Appl. Phys. Lett.", Vol. 18, Seite 127 ff. (1971) be schrieben.

Bei diesen bisher bekannten und derzeit kommerziell verfügba ren Flüssigkristalldarstellungseinrichtungen, die auch als Flüssigkristalldisplays bezeichnet werden, ist der Beobach tungs- bzw. Betrachtungswinkelbereich, das heißt, der Winkel bereich, aus dem heraus eine mittels der Flüssigkristalldar stellungseinrichtung erzeugte Darstellung ohne wesentliche optische Verfälschung wahrgenommen werden kann, erheblich ein geschränkt, weil der Kontrast der Darstellung ziemlich stark vom Betrachtungswinkel abhängt.

Diese Winkelabhängigkeit des Kontrasts der bekannten Flüssig kristalldarstellungseinrichtungen ist, wie hier beigefügte Untersuchungsergebnisse zeigen, eine Folge der Ausrichtung des elektrischen Feldes, mittels dessen die Flüssigkristall schicht aus ihrer Ausgangsorientierung in eine jeweils aktuel le Orientierung umorientiert wird. Dieses elektrische Feld wird in der Weise erzeugt, daß eine elektrische Spannung zwischen den leitfähigen Schichten angelegt wird, die auf den Substraten vorgesehen sind, zwischen denen die Flüssigkristall schicht eingeschlossen ist, so daß das auf diese Weise erzeug te elektrische Feld senkrecht zu den Substratebenen und damit senkrecht zur Flüssigkristallschicht verläuft.

Durch die Untersuchungen, die im Rahmen der vorliegenden Er findung durchgeführt worden sind, wurde festgestellt, daß es die durch ein solches elektrisches Feld bewirkte Deformation des Flüssigkristalls ist, die eine stark ausgeprägte Winkel abhängigkeit der Transmission des Flüssigkristallschaltele ments und damit des Kontrasts zur Folge hat.

Durch die vorliegende Erfindung wurde nun gefunden. daß die Winkelabhängigkeit der Transmission und damit des Kontrasts bei einem elektrooptischen Flüssigkristallschaltelement der eingangs genannten Art, insbesondere mit nichtferroelektri schem Flüssigkristall, weitestgehend beseitigt wird, wenn er findungsgemäß das elektrische Feld der felderzeugenden Struk tur eine überwiegend parallel zur Flüssigkristallschicht aus gerichtete Feldkomponente hat.

Wie die hier beigefügten Untersuchungsergebnisse über die Winkelabhängigkeit der Transmission bei erfindungsgemäßen Flüssigkristallschaltelementen zeigen, ist die Transmission bei den erfindungsgemäßen Flüssigkristallschaltelementen im Vergleich mit den bekannten Flüssigkristallschaltelementen praktisch nicht mehr winkelabhängig.

Das elektrische Feld mit der überwiegend parallel zur Flüssig kristallschicht ausgerichteten Feldkomponente kann dadurch erhalten werden, daß die felderzeugende Struktur Streifen- oder Linienelektroden umfaßt, die parallel zueinander und parallel zur Flüssigkristallschicht verlaufen und alternierend mit einem unterschiedlichen elektrischen Potential beauf schlagt sind.

Bevorzugte Ausbildungen einer solchen felderzeugenden Struk tur sind so ausgebildet, daß

a) die Streifen- oder Linienelektroden alternierend in wenigstens zwei zur Flüssigkristallschicht paralle len Ebenen angeordnet sind, wobei die beiden Ebenen insbesondere von den beiden entgegengesetzten Ober flächen einer isolierenden Folie, Dünnplatte, Schicht o. dgl. gebildet sein können; oder
b) die mit unterschiedlichem Potential beaufschlagten Streifen- oder Linienelektroden kammartig ineinander greifend in der gleichen Ebene angeordnet sind, wobei diese Ebene insbesondere von der der Flüssigkristallschicht zugewandten Oberfläche eines die Flüssigkristallschicht begrenzenden Substrats oder einer auf ein solches Sub strat aufgebrachten isolierenden Folie, Dünnplatte, Schicht o. dgl. gebildet sein kann.

Eine Weiterbildung des elektrooptischen Flüssigkristallschalt elements nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die überwiegend parallel zur Flüssigkristallschicht ausgerichtete Feldkomponente einen Ausrichtungswinkel, der größer als 0° und kleiner als 90° ist, mit der Ausgangsorientierung bildet, welche die Flüssigkristallschicht auf ihrer der felderzeugen den Struktur zugewandten Schichtseite hat. Auf diese Weise wird einerseits eine Domänenbildung durch unterschiedlichen Drehsinn von benachbarten Flüssigkristallschaltelementen oder -elementbereichen verhindert, und andererseits werden kurze Schaltzeiten erreicht, da sich durch den spitzen Winkel zwi schen der überwiegend parallel zur Flüssigkristallschicht verlaufenden Feldkomponente und der Ausgangsorientierung der Flüssigkristallschicht auf ihrer der felderzeugenden Struk tur zugewandten Schichtseite ein eindeutig gerichtetes Anfangs drehmoment genügender Größe beim Einschalten des elektrischen Feldes ergibt, durch das der Drehsinn vorgegeben und damit das Flüssigkristallschaltelement in kürzestmöglicher Zeit ge schaltet wird.

Bevorzugt ist dieses Flüssigkristallschaltelement so ausge bildet, daß

a) der Ausrichtungswinkel bei positiver Dielektrizitäts anisotropie des Flüssigkristalls größer als 70° und kleiner als 90° ist, oder daß
b) der Flüssigkristall eine negative Dielektrizitätsan isotropie hat, wobei der Ausrichtungswinkel kleiner als 20° und größer als 0° ist.

Bei Verwendung von Flüssigkristallmaterialien mit positiver Dielektrizitätsanisotropie Δε wird nämlich ein Drehmoment in duziert, das die Vorzugsrichtung (Direktor) des Flüssigkri stalls in Richtung des elektrischen Feldes dreht, während bei Verwendung von Flüssigkristallmaterialien mit negativer Di elektrizitätsanisotropie ein Drehmoment induziert wird, das die Vorzugsrichtung (Direktor) in eine Ebene senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes dreht. Der Ausrichtungswinkel sollte hierbei, wie oben angegeben, mit Rücksicht auf elektro optische Kennlinien und Schaltzeiten bei positivem Δε nicht kleiner als |70°| und bei negativem Δε nicht größer als |20°| sein.

Besonders bevorzugt ist in dem erfindungsgemäßen Flüssigkri stallschaltelement ein Flüssigkristallmaterial, insbesondere ein nichtferroelektrisches Flüssigkristallmaterial, von nega tiver Dielektrizitätsanisotropie Δε vorgesehen, da sich hier durch eine weitere Art von Domänenausbildung ausschalten läßt, wenn das elektrische Feld außer der parallel zur Flüs sigkristallschicht ausgerichteten Komponente auch eine senk recht hierzu orientierte Komponente hat, was in der Praxis meist der Fall ist. Ein solcher Fall liegt zum Beispiel vor, wenn das elektrische Feld, wie es bevorzugt geschieht, durch Streifen- oder Linienelektroden erzeugt wird, denn dann ist gleichzeitig zur Komponente, die parallel oder nahezu paral lel zur Flüssigkristallschicht verläuft, auch eine bei hohen Feldern ebenfalls wirksame Komponente senkrecht zur Flüssig kristallschicht vorhanden. Bei Flüssigkristallmaterialien mit positivem Δε führt dies bei hohen Feldern zu einer Umorientie rung des Flüssigkristalls, bei welcher die Vorzugsrichtung aus der Ebene der Flüssigkristallschicht herausgedreht wird. Dies ist mit einer Domänenbildung verbunden und in vielen Fällen unerwünscht, so daß nur der untere Bereich der elektroopti schen Kennlinie nutzbar wird. Bei Materialien mit negativem Δε induziert diese Feldkomponente ein Drehmoment, das die Vor zugsrichtung des Flüssigkristalls in die Ebene der Flüssig kristallschicht dreht. Damit wird das vorstehend beschriebene Umorientieren verhindert, und es wird ein wesentlich größerer Teil der elektrooptischen Kennlinie nutzbar.

Eine andere wichtige Weiterbildung des Flüssigkristallschalt elements nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Ausgangsorientierung der Flüssigkristallschicht zumindest auf ihrer der felderzeugenden Struktur zugewandten Schicht seite einen Anstellwinkel, der größer als 0° und kleiner als 30° ist, mit einer zur Flüssigkristallschicht parallelen Ebe ne einschließt.

Hierdurch wird eine günstige Deformierbarkeit des Flüssig kristalls beim Anlegen des elektrischen Feldes in unmittel barer Nähe der Verankerungsschicht für den Flüssigkristall er halten.

Hinsichtlich der Ausgangsorientierung des Flüssigkristalls wird es bevorzugt, daß

a) der Flüssigkristall in seiner Ausgangsorientierung eine unverdrillte Struktur aufweist und durch die überwiegend parallel zur Flüssigkristallschicht ausge richtete Feldkomponente in eine verdrillte Struktur umorientierbar ist, bei der die Verdrillungsachse senk recht zur Flüssigkristallschicht ist, oder daß
b) der Flüssigkristall in seiner Ausgangsorientierung eine verdrillte Struktur aufweist, deren Verdrillungs achse senkrecht zur Flüssigkristallschicht ist und die durch die überwiegend parallel zur Flüssigkri stallschicht ausgerichtete Feldkomponente entdrillbar ist.

Der sonstige grundsätzliche Aufbau des Flüssigkristallschalt elements ist bevorzugt so ausgebildet, daß

1) zum Betreiben des elektrooptischen Flüssigkristall schaltelements in Durchlichtbetriebsweise auf der einen Seite der Flüssigkristallschicht ein Polarisa tor und auf der anderen Seite ein Analysator vorge sehen ist; oder daß
2) zum Betreiben des elektrooptischen Flüssigkristall schaltelements in Reflexionsbetriebsweise auf der einen Seite der Flüssigkristallschicht ein Polarisa tor/Analysator und auf der anderen Seite ein Reflek tor vorgesehen ist.

Hierbei kann ein doppelbrechender optischer Kompensator zwischen der Flüssigkristallschicht und dem Polarisator vor gesehen sein. Der optische Kompensator kann dort, wo, wie im ersteren Fall, ein gesonderter Analysator vorgesehen ist, stattdessen auch zwischen der Flüssigkristallschicht und dem Analysator vorgesehen sein.

Insbesondere kann die Flüssigkristallschicht einen dichroiti schen Farbstoff enthalten und auf wenigstens einer Seite der selben ein Polarisator vorgesehen sein.

Vorzugsweise ist das Flüssigkristallschaltelement weiter so ausgebildet, daß dessen Lichttransmission in der Ausgangs orientierung der Flüssigkristallschicht ihren maximalen oder minimalen Betrag hat und in umorientierten Zuständen der Flüssigkristallschicht bis zu ihrem anderen Extremwert ver änderbar ist.

Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Flüssigkristall schaltelement zur Veränderung der Helligkeit und/oder Farbe eines Bildpunkts einer elektrooptischen Darstellungseinrich tung verwendet, wobei diese letztere vorzugsweise ein Bild schirm ist. Die Flüssigkristallschaltelemente der elektro optischen Darstellungseinrichtung können insbesondere durch eine Transistormatrix oder durch eine Direktansteuereinrich tung im Zeitmultiplexverfahren angesteuert sein.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Er findung seien nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungs formen von erfindungsgemäßen elektrooptischen Flüssigkristall schaltelementen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 der Zeichnung näher erläutert, welche, soweit sie den Aufbau von bevorzugten Ausführungsformen von elektrooptischen Flüssig kristallschaltelementen nach der Erfindung zeigen, aus Dar stellungsgründen absichtlich nicht maßstabsgerecht gezeich net sind; es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform eines elektrooptischen Flüssigkristallschaltelements nach der Erfindung, das bevorzugt einen Bildpunkt einer elektrooptischen Darstellungseinrichtung bildet, in dem es die Helligkeit und/oder Farbe dieses Bildpunkts steuert, so daß also der Bildschirm einer elektroopti schen Darstellungseinrichtung eine Vielzahl solcher Flüssigkristallschaltelemente umfaßt, die in einer flächigen Matrixanordnung integriert sind;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines elektrooptischen Flüssigkristallschaltelements nach der Erfindung für Durchlichtbetriebsweise, wobei die einzelnen Teile, abgesehen von der nur durch Orien tierungspfeile angedeuteten Flüssigkristallschicht, im auseinandergezogenen Zustand dargestellt sind;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines elektrooptischen Flüssigkristallschaltelements nach der Erfindung für Reflexionsbetriebsweise, wobei ebenfalls die einzelnen Teile, abgesehen von der nur durch Orientierungspfeile angedeuteten Flüssigkristall schicht, im auseinandergezogenen Zustand gezeichnet sind;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer weiteren er findungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Anstellwinkels α_o, den die Ausgangsorientierung der Flüssigkristall schicht bevorzugt mit einer zur Flüssigkristallschicht parallelen Ebene einschließt, sowie des Ausrichtungs winkels β_o, den die überwiegend parallel zur Flüssig kristallschicht ausgerichtete Feldkomponente des den Flüssigkristall umorientierenden elektrischen Feldes vorzugsweise mit der Ausgangsorientierung bildet, welche die Flüssigkristallschicht auf ihrer der feld erzeugenden Struktur zugewandten Schichtseite hat;

Fig. 6 eine experimentell ermittelte Kurve, welche die Trans mission des senkrecht einfallenden Lichts in Abhängig keit von der angelegten Spannung bei einem typischen Ausführungsbeispiel eines elektrooptischen Flüssig kristallschaltelements nach der Erfindung zeigt;

Fig. 7 rechnerisch ermittelte Werte für die Transmission bei einem typischen Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen elektrooptischen Flüssigkristallschalt elements, welche zeigen, daß durch die Erfindung die Winkelabhängigkeit der Transmission und damit des Kontrasts bei einem elektrooptischen Flüssigkristall schaltelement weitestgehend beseitigt wird; und

Fig. 8 rechnerisch ermittelte Transmissionswerte bei einem bekannten elektrooptischen Flüssigkristallschaltele ment, einer sogenannten TN-Zelle, welche in Polarko ordinaten die Winkelabhängigkeit der Transmission ver anschaulichen, wobei der Darstellungsmaßstab genau der gleiche wie in Fig. 6 ist, so daß aus einem Ver gleich zwischen den beiden Fig. 6 und 7 deutlich wird, welche hohe Winkelabhängigkeit der Transmission bei den bekannten elektrooptischen Flüssigkristall schaltelementen vorliegt und daß demgegenüber bei dem erfindungsgemäßen elektrooptischen Flüssigkristall schaltelement in einem großen Bereich praktisch keine Winkelabhängigkeit der Transmission mehr vorhanden ist.

In der nun folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzug ten Ausführungsformen der Erfindung sei zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, von denen die Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines elektrooptischen Flüssigkristallschaltelements für Durchlichtbetriebsweise im zusammengebauten Zustand zeigt, während die Fig. 2 dieses gleiche Flüssigkristallschaltelement im auseinandergezogenen Zustand der einzelnen Teile desselben sowie in einem gegen über Fig. 1 verkleinerten Maßstab veranschaulicht, wobei außerdem in Fig. 2 die untere Orientierungsschicht und die untere Isolierschicht im Gegensatz zu der Fig. 1 aus Dar stellungsgründen als ebene Schichten gezeichnet sind.

Das elektrooptische Flüssigkristallschaltelement 1 für Durch lichtbetriebsweise, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, umfaßt eine Flüssigkristallschicht 2, die zwischen zwei Substraten 3 und 4 eingeschlossen ist, die entsprechend der zeichnerischen Darstellung nachstehend als unteres und oberes Substrat bezeichnet werden, obwohl sie in der Praxis jede be liebige Lage haben können. Vorzugsweise sind diese Substrate 3 und 4 Glassubstrate, sie können jedoch auch aus anderen geeigneten durchsichtigen, bevorzugt isolierenden, Materia lien, wie beispielsweise Kunststoffen, bestehen. Außerdem sind die Substrate 3 und 4 bevorzugt eben ausgebildet und paral lel zueinander angeordnet, so daß die Flüssigkristallschicht 2 bevorzugt eine im wesentlichen ebene bzw. planare Schicht ist.

Um die Flüssigkristallschicht 2 mit einer vorbestimmten Aus gangsorientierung in dem Flüssigkristallschaltelement 1 zu halten, grenzt sie nicht unmittelbar an die beiden Substrate 3 und 4 an, sondern vielmehr an je eine Orientierungsschicht 5 und 6, die nachstehend aufgrund der zeichnerischen Darstel lung als untere und obere Orientierungsschicht bezeichnet sind. Die obere Orientierungsschicht 6 ist unmittelbar auf das obere Substrat 4 aufgebracht, während dagegen zwischen dem unteren Substrat 3 und der unteren Orientierungsschicht 5 eine felderzeugende Struktur 7 und gegebenenfalls eine Isolierschicht 8 vorgesehen ist, so daß auf das untere Substrat 3 die felder zeugende Struktur 7, die Isolierschicht 8 und die untere Orientierungsschicht 5 in der vorstehend angegebenen Reihen folge aufgebracht sind.

Die felderzeugende Struktur 7 umfaßt Streifen- oder Linien elektroden 9 und 10, die parallel zueinander und parallel zur Flüssigkristallschicht 2 verlaufen. Hierbei wechseln die Streifen- oder Linienelektroden 9 mit den Streifen- oder Linienelektroden 10 ab, wie die Fig. 1 und 2 zeigen, wo bei die Streifen- oder Linienelektroden 9 an ein gegenüber den Streifen- oder Linienelektroden 10 unterschiedliches elektrisches Potential angeschlossen sind, so daß zwischen den Streifen- oder Linienelektroden 9 und 10 jeweils ein elektrisches Feld erzeugt wird, das eine überwiegend parallel zur Flüssigkristallschicht 2 ausgerichtete Feldkomponente hat. Beispielsweise sind, wie Fig. 2 zeigt, die Streifen- oder Linienelektroden 9 an den einen Pol einer Spannungs quelle 11 angeschlossen, während die Streifen- oder Linien elektroden 10 an den anderen Pol dieser Spannungsquelle 11 angeschlossen sind. Obwohl die Spannungsquelle 11 aus prin zipiellen Gründen als Gleichstromquelle dargestellt ist und im Prinzip auch eine solche Gleichstromquelle sein könnte, wird in der Praxis zur Vermeidung einer Degradation der Flüssigkristallschicht und der damit verbundenen Schwierig keiten eine Wechselstrom-Spannungsquelle 11 verwendet.

Die Streifen- oder Linienelektroden 9 und 10 sind in der vorliegend dargestellten Ausführungsform des Flüssigkristall schaltelements 1 kammartig ineinandergreifend in der gleichen Ebene, nämlich auf der Oberfläche einer isolierenden Basis schicht 12, die auch von der Oberfläche des Substrats 3 ge bildet sein kann, ausgebildet, indem die Streifen- oder Linienelektroden 9 durch eine quer, insbesondere senkrecht, dazu verlaufende streifen- oder linienförmige Querelektrode 13 elektrisch miteinander zu einer ersten Kammstruktur ver bunden sind, und indem die Streifen- oder Linienelektroden 10 durch eine quer, insbesondere senkrecht, zu ihnen ver laufende weitere streifen- oder linienförmige Querelektrode 14 elektrisch zu einer zweiten Kammstruktur miteinander ver bunden sind, und indem ferner die beiden Kammstrukturen in einandergreifend angeordnet sind, wie besonders gut aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist.

Eine andere, in den Figuren der Zeichnung nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, die Streifen- oder Linienelektro den 9 auf der Oberseite der isolierenden Basisschicht 12 anzu ordnen, während die Streifen- oder Linienelektroden 10 auf der Unterseite der isolierenden Basisschicht 12 angeordnet werden, oder umgekehrt. In diesem Fall können die Streifen- oder Linienelektroden als einfache parallele Streifen oder Linien ausgebildet sein, ohne daß kammartige Strukturen benö tigt werden.

Außerdem umfaßt das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Flüs sigkristallschaltelement 1 noch einen Polarisator 15 auf der Außenseite des Substrats 3 und einen Analysator 16 auf der Außenseite des Substrats 4. Je nach der Lichtdurchgangsrich tung können auch Polarisator und Analysator vertauscht sein. Schließlich ist noch ein optischer Kompensator 17 zwischen dem Polarisator 15 und dem Substrat 3 vorgesehen. Dieser op tische Kompensator 17 kann statt dessen auch zwischen dem Analysator 16 und dem Substrat 4 angeordnet sein.

Die Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Aus führungsform eines elektrooptischen Flüssigkristallschalt elements 18 für Reflexionsbetriebsweise in auseinanderge zogener Darstellung der einzelnen Teile dieses Flüssig kristallschaltelements 18, das sich in seinem äußeren Auf bau von dem Flüssigkristallschaltelement 1 gemäß den Fig. 1 und 2 lediglich dadurch unterscheidet, daß anstelle des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Analysators 16 ein Reflek tor 19 vorgesehen ist, der in der dargestellten Ausführungs form aus einem Substrat 20, beispielsweise einem Glassub strat, und einer Reflexionsschicht 21 besteht, die auf der der Flüssigkristallschicht 2 zugewandten Seite des Substrats 20 vorgesehen ist. Entsprechend diesem Aufbau ist der nun mehr noch verbleibende Polarisator gleichzeitig auch der Analysator und wird demgemäß zur Unterscheidung von den Fig. 1 und 2 als Polarisator/Analysator 22 bezeichnet.

Eine weitere Ausführungsform eines elektrooptischen Schalt elements 28 für Reflexionsbetriebsweise, die in Fig. 4 dar gestellt ist, unterscheidet sich von dem elektrooptischen Schaltelement 1 gemäß Fig. 1 und 2 zum Beispiel dadurch, daß in den Fig. 1 und 2 anstelle der Isolierschicht 8 ein dielektrischer Spiegel 8a vorgesehen ist und der doppel brechende Kompensator 17 gegebenenfalls zwischen Substrat 4 und Analysator 16 vorgesehen ist. Als Analysator 16 ist ein Analysator/Polarisator 22 vorgesehen, der dann als Polarisa tor und Analysator wirkt, so daß der Polarisator 15 der Fig. 1 und 2 entfällt. Diese Ausführungsform hat insbeson dere den Vorteil, daß weder die Elektrodenstruktur 7 noch das Substrat 3 transparent zu sein brauchen, wenn der dielek trische Spiegel 8a zwischen dem Flüssigkristall 2 einerseits und der Anordnung aus der Elektrodenstruktur 7 und dem Sub strat 3 andererseits vorgesehen ist, wie Fig. 4 zeigt, wo bei sich die Orientierungsschicht 5 zwischen dem Flüssig kristall 2 und dem dielektrischen Spiegel 8a befindet. Die Orientierungsschicht 5 kann auch Bestandteil des dielektri schen Spiegels 8a sein. Die Elektrodenstruktur 7 kann auch auf dem dielektrischen Spiegel 8a, insbesondere auf dessen dem Flüssigkristall 2 zugewandten Seite, vorgesehen sein.

Im übrigen sind, da der äußere Aufbau des Flüssigkristall schaltelements 18 und 28 ansonsten gleich demjenigen des Flüssig kristallschaltelements 1 ist, die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet, und insofern wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Er läuterungen zu den Fig. 1 und 2 verwiesen.

Es sei nun näher auf den inneren Aufbau der Flüssigkristall schaltelemente 1, 18 und 28 eingegangen, das heißt auf die je weiligen für den Betrieb des Flüssigkristallschaltelements 1, 18 und 28 wichtigen Parameter der Flüssigkristallschicht, der Orientierungsschichten, der Polarisatoren, der felderzeu genden Struktur etc., die in der nachfolgenden Tabelle 1 an gegeben und, soweit möglich, in den Fig. 2 und 3 einge zeichnet sind:

Tabelle 1

Zur Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Flüssigkristallschaltelemente hinsichtlich ihrer physikali schen Ausbildung werden folgende Parameter verwendet:

β = Verdrillungswinkel des Flüssigkristalls 2 in des sen Ausgangsorientierung, das heißt Winkel zwi schen dem Direktor am Substrat 3 bzw. in der Orientierungsschicht 5 und dem Direktor am Sub strat 4 bzw. in der Orientierungsschicht 6.
β₀ = Ausrichtungswinkel, der überwiegend parallel zur Flüssigkristallschicht 2 ausgerichteten elektri schen Feldkomponente, die von der felderzeugenden Struktur 7 erzeugt wird, zu der Vorzugsrichtung der Molekülachsen des Flüssigkristalls 2, die diese in der Ausgangsorientierung des Flüssigkristalls 2 auf der Schichtseite der Flüssigkristallschicht 2 haben, welche der felderzeugenden Struktur 7 zu gewandt ist, also an der Orientierungsschicht 5; dieser Winkel ist gleich dem Winkel zwischen dem Direktor am Substrat 3 bzw. in der Orientierungs schicht 5 und der Senkrechten zu der Längsrichtung der Streifen- oder Linienelektroden 9, 10 in der Ebene dieser Streifen- oder Linienelektroden.
α₀ = Anstellwinkel, den die Ausgangsorientierung der Flüssigkristallschicht 2 zumindest auf ihrer der felderzeugenden Struktur 7 zugewandten Schicht seite der Flüssigkristallschicht 2 mit einer zur Flüssigkristallschicht 2 parallelen Ebene ein schließt, wobei hier unter der Ausgangsorientie rung der Flüssigkristallschicht die Vorzugsrich tung der Molekülachsen des Flüssigkristalls 2 in der Ausgangsorientierung der Flüssigkristallschicht verstanden wird.
ψ = Winkel zwischen dem Direktor an dem Substrat 3 bzw. in der Orientierungsschicht 5 und der Durch laßrichtung des Polarisators 15 bzw. des Polarisa tors/Analysators 22.
ψ′ = Winkel zwischen dem Direktor an dem Substrat 3 bzw. in der Orientierungsschicht 5 und der Durch laßrichtung des Analysators 16.
|ψ-ψ′| = Winkel zwischen der Durchlaßrichtung von Polarisa tor und Analysator.
d = Dicke der Flüssigkristallschicht 2.
ε_′′, ε_⟂ = Dielektrizitätskonstanten parallel bzw. senkrecht zum Direktor des Flüssigkristalls.
Δε = Dielektrizitätsanisotropie des Flüssigkristalls = Differenz zwischen ε_′′ und ε_⟂, d. h. Δε = ε_′′-ε_⟂.
n₀, n_e = ordentlicher bzw. außerordentlicher Brechungs index des Flüssigkristalls.
λ = Lichtwellenlänge.
Δn = n_e-n₀ .

In den Fig. 2 und 3 sind durch die Pfeile 23 bis 27 Vor zugsrichtungen des Flüssigkristalls 2 angedeutet, wobei ins besondere durch den Pfeil 23 die Vorzugsrichtung an der Orien tierungsschicht 5 und durch den Pfeil 27 die Vorzugsrichtung an der Orientierungsschicht 6 angedeutet ist, während die Pfeile 24, 25 und 26 Vorzugsrichtungen im Zwischenbereich darstellen, die zur besseren Veranschaulichung der Flüssig kristallverdrillung eingezeichnet sind. Der Anstellwinkel α_o und der Ausrichtungswinkel β_o sind in Fig. 5 dargestellt, wobei die x- und y-Achse eine parallel zur Flüssigkristall schicht 2 verlaufende Ebene definieren, während die z-Achse senkrecht zur Flüssigkristallschicht 2 verläuft, das heißt der Dickenrichtung der Flüssigkristallschicht entspricht, während die x- und y-Achse der Breiten- und Längenrichtung der Flüssigkristallschicht 2 entsprechen.

In den nachstehenden Tabellen 2 und 3 sind bevorzugte Aus gangszustände für die Durchlichtbetriebsweise und die Refle xionsbetriebsweise gegeben, wobei unter dem Ausgangszustand der Zustand verstanden wird, der vorhanden ist, wenn kein elektrisches Feld über die felderzeugende Struktur 7 angelegt ist.

Tabelle 2

Bevorzugte Ausgangszustände in homogener planarer Orientierung für Durchlichtbetriebsweise

Tabelle 3

Bevorzugte Ausgangszustände in homogener planarer Orientierung für Reflexionsbetriebsweise

Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Angaben der Werte von d×Δn/λ sowie von α_o und von β° Bereichsangaben sind, das heißt, daß die beiden mit dem Zeichen oder oder < oder < versehenen Werte jeweils die beiden Bereichsgrenzen angeben, und zwar je nach dem Zeichen unter Einschluß oder Ausschluß dieser Bereichsgrenze.

Bei der Anwendung des elektrooptischen Flüssigkristallschalt elements 1 oder 18 oder 28 zur Veränderung der Helligkeit und/oder Farbe eines Bildpunkts einer elektrooptischen Darstellungs einrichtung bildet das jeweilige Flüssigkristallschaltele ment 1 oder 18 gemäß den Fig. 1, 2 oder 3 einen einzigen Bildpunkt, so daß eine große Vielzahl solcher Flüssigkristall schaltelemente 1, 18 oder 28 zu einem Bildschirm integriert ist, wobei natürlich die Substrate, die Orientierungsschichten, die Polarisatoren, die Analysatoren bzw. die Polarisatoren/ Analysatoren, die Reflektoren und die optischen Kompensa toren, die in den Fig. 1 bis 3 aus Darstellungsgründen als Einzelteile gezeichnet sind, jeweils ein für alle Bild punkte gemeinsames, vorzugsweise einstückiges, Bauteil bil den, während jeder einzelne Bildpunkt seine eigene felder zeugende Struktur 7 hat. Diese felderzeugende Struktur kann, sofern sie keine Kammstruktur der in den Fig. 1 bis 3 dar gestellten Art ist, auch aus insgesamt über die gesamte Fläche der elektrooptischen Darstellungseinrichtung hin durchgehenden Streifen- oder Linienelektroden aufgebaut sein, sofern sie in entsprechender Weise, beispielsweise im Zeit multiplexverfahren schnittpunktweise angesteuert wird.

Es seien nachstehend bevorzugte Größen für die Flüssigkristall elemente angegeben, die insbesondere für den Fall gelten, wenn die Flüssigkristallschaltelemente als Bildpunkte in einer elektrooptischen Darstellungseinrichtung verwendet werden:

Dicke der Flüssigkristallschicht:
1 µm bis 10 µm
Flächige Größe der einem Bildpunkt entsprechenden felderzeugenden Struktur:	Quadrat mit einer Kantenlänge von 10 µm bis 1 mm
Abstand zwischen benachbarten Streifen- oder Linienelektroden:	2 µm bis 50 µm
Spannung zwischen benachbarten Streifen- oder Linienelektroden bei maximalem Kontrast:	1 Volt bis 80 Volt

Es sei darauf hingewiesen, daß das Anbringen einer Polari sationsfolie, das heißt des Polarisators/Analysators 22 vor dem reflektiven Flüssigkristallschaltelement 18 oder 28 parallelen Polarisatoren 15, 16 (das heißt einem in der Durchlaßrichtung zum Polarisator 15 parallelen Analysator 16) entspricht. Die Verwendung eines reflektiven Flüssigkristallschaltelements 18 oder 28, in Kombination mit einem polarisierenden Strahlteiler (McNeille-Prisma) entspricht gekreuzten Polarisatoren 15, 16 in dem transmissiven Flüssigkristallschaltelement 1. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für lichtstarke Projektoren.

Die Funktionsweise, insbesondere das optische Verhalten, der beschriebenen Flüssigkristallschaltelemente 1 und 18 sowie 28 wurde mittels Computersimulation untersucht und durch experimen telle Untersuchung von entsprechend ausgebildeten Flüssig kristallschaltelementen bestätigt.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in den Fig. 6 und 7 wiedergegeben, und in Fig. 8 ist das Ergebnis einer Vergleichsuntersuchung an einem TN-Flüssigkristallschalt element, also einem bekannten Flüssigkristallschaltelement mit spiralig-nematischem Flüssigkristall, wiedergegeben.

Das dem Untersuchungsergebnis der Fig. 6 zugrundeliegende Flüssigkristallschaltelement mit dem Aufbau gemäß den Fig. 1 und 2 hatte folgende Auslegungsgrößen:

Dicke der Flüssigkristallschicht\|= 6,9 µm
Dielektrizitätsanisotropie	= -1,5
Optische Weglänge d×Δn/λ	= 0,865
Ausgangsverdrillungswinkel β	= 0°
Ausrichtungswinkel β₀	= 5°
Anstellwinkel α₀	= 5°
Winkel zwischen Polarisator und Analysator	= 90°

Zu den Fig. 7 und 8, deren Vergleich deutlich die überra genden Eigenschaften des erfindungsgemäßen elektrooptischen Flüssigkristallschaltelements gegenüber den bisher bekannten Flüssigkristallschaltelementen zeigt, ist folgendes erläuternd hinzuzufügen:
Der Winkel THETA ist der Winkel zwischen der Beobachtungs richtung und der Senkrechten auf der Flüssigkristallschicht. Auf den Achsen der Polarkoordinatendarstellung ist die In tensität des Transmissionslichts angegeben. Die Transmission beträgt für senkrechte Inzidenz ca. 25%.

Es sei darauf hingewiesen, daß im elektrooptischen Schaltele ment 1 gemäß Fig. 1 und 2 bei Verwendung von zum Beispiel flüssigkristallinen Polymeren die Orientierungsschicht 6 und das Substrat 4 gegebenenfalls entfallen können. Entsprechend können die Ausführungsformen der elektrooptischen Schaltele mente für Reflexionsbetriebsweise modifiziert werden. Der Be griff "Flüssigkristall" umfaßt daher in der vorliegenden Be schreibung und in den Ansprüchen auch flüssigkristalline Polymere oder andere flüssigkristalline Substanzen.

Claims

1. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement, um fassend eine Flüssigkristallschicht (2), die in einer Aus gangsorientierung verankert ist, in welcher die Lichttrans mission des elektrooptischen Flüssigkristallschaltelements (1, 18, 28) einen vorbestimmten Betrag zwischen 0 und 100 hat, und eine Umorientierungseinrichtung (7, 11) zum Umorientie ren der Flüssigkristallschicht (2) in eine aktuelle Orien tierung, in welcher das elektrooptische Flüssigkristall schaltelement (1, 18, 28) eine veränderte Lichttransmission hat, wobei die Umorientierungseinrichtung eine felderzeugende Struktur (7) zum Erzeugen eines die Umorientierung bewirken den elektrischen Feldes umfaßt, dadurch gekenn zeichnet, daß das elektrische Feld der felderzeugen den Struktur (7) eine überwiegend parallel zur Flüssigkri stallschicht (2) ausgerichtete Feldkomponente hat.

2. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die felderzeugende Struktur (7) Streifen- oder Linienelektroden (9, 10) umfaßt, die parallel zueinander und parallel zur Flüssigkristallschicht (2) verlaufen und alternierend mit einem unterschiedlichen elektrischen Potential beaufschlagt sind.

3. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen- oder Linienelektroden (9, 10) alternierend in wenigstens zwei zur Flüssigkristallschicht (2) parallelen Ebenen angeordnet sind.

4. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit unterschiedlichem Potential beaufschlagten Streifen oder Linienelektroden (9, 10) kammartig ineinandergreifend in der gleichen Ebene angeordnet sind.

5. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die überwiegend parallel zur Flüssigkristall schicht (2) ausgerichtete Feldkomponente einen Ausrichtungs winkel (β_o), der größer als 0° und kleiner als 90° ist, mit der Ausgangsorientierung bildet, welche die Flüssigkristall schicht (2) auf ihrer der felderzeugenden Struktur (7) zu gewandten Schichtseite hat.

6. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausrichtungswinkel (β_o) bei positiver Dielektrizitätsaniso tropie (Δε) des Flüssigkristalls (2) größer als 70° und kleiner als 90° ist.

7. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall (2) eine negative Dielektrizitätsanisotropie (Δε) hat, wobei der Ausrichtungswinkel (β_o) kleiner als 20° und größer als 0° ist.

8. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich net daß die Ausgangsorientierung der Flüssigkristallschicht (2) zumindest auf ihrer der felderzeugenden Struktur (7) zu gewandten Schichtseite einen Anstellwinkel (α_o), der größer als 0° und kleiner als 30° ist, mit einer zur Flüssigkristall schicht (2) parallelen Ebene einschließt.

9. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß der Flüssigkristall (2) in seiner Ausgangs orientierung eine unverdrillte Struktur aufweist und durch die überwiegend parallel zur Flüssigkristallschicht (2) aus gerichtete Feldkomponente in eine verdrillte Struktur um orientierbar ist, in der die Verdrillungsachse senkrecht zur Flüssigkristallschicht (2) ist.

10. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß der Flüssigkristall (2) in seiner Ausgangs orientierung eine verdrillte Struktur aufweist, deren Ver drillungsachse senkrecht zur Flüssigkristallschicht (2) ist, und die durch die überwiegend parallel zur Flüssigkristall schicht ausgerichtete Feldkomponente entdrillbar ist.

11. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß zum Betreiben des elektrooptischen Flüssigkri stallschaltelements (1) in Durchlichtbetriebsweise auf der einen Seite der Flüssigkristallschicht (2) ein Polarisator (15) und auf der anderen Seite ein Analysator (16) vorge sehen ist.

12. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß zum Betreiben des elektrooptischen Flüssigkri stallschaltelements (18, 28) in Reflexionsbetriebsweise auf der einen Seite der Flüssigkristallschicht (2) ein Polarisa tor/Analysator (22) und auf der anderen Seite ein Reflektor (8a, 19) vorgesehen ist.

13. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (8a, 19) ein dielektrischer Spiegel ist.

14. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Spiegel (8a) zwischen dem Flüssigkristall (2) und dem einen Substrat (3) angeordnet ist.

15. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach ei nem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeich net, daß ein doppelbrechender optischer Kompensator (17) zwischen Flüssigkristallschicht (2) einerseits und Polarisa tor (15) und/oder Analysator (16) oder Polarisator/Analysa tor (22) andererseits vorgesehen ist.

16. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeich net, daß die Flüssigkristallschicht (2) einen dichroi tischen Farbstoff enthält und auf wenigstens einer Seite der selben ein Polarisator (15) vorgesehen ist.

17. Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeich net, daß die Lichttransmission des elektrooptischen Flüssigkristallschaltelements (1, 18, 28) in der Ausgangsorien tierung der Flüssigkristallschicht (2) ihren maximalen oder minimalen Betrag hat und in umorientierten Zuständen der Flüssigkristallschicht (2) bis zu ihrem anderen Extremwert veränderbar ist.

18. Anwendung des elektrooptischen Flüssigkristallschalt elements nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Veränderung der Helligkeit und/oder Farbe eines Bildpunkts einer elektro optischen Darstellungseinrichtung.

19. Anwendung nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrooptische Darstellungsein richtung ein Bildschirm ist.

20. Anwendung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die optischen Flüssigkristall schaltelemente (1, 18, 28) der Darstellungseinrichtung durch eine Transistormatrix angesteuert sind.

21. Anwendung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die optischen Flüssigkristall schaltelemente (1, 18, 28) der Darstellungseinrichtung durch eine Direktansteuereinrichtung im Zeitmultiplexverfahren angesteuert sind.