DE4028107A1

DE4028107A1 - Fluessigkristallanordnung

Info

Publication number: DE4028107A1
Application number: DE19904028107
Authority: DE
Inventors: Juergen Thamm
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1992-03-12
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: DE4028107B4

Description

Die Erfindung geht aus von einer Flüssigkristallanordnung mit zwei optisch in Reihe geschalteten Zellen oder mit einer Zelle und mit einer Verzögerungsfolie.

Flüssigkristallanordnungen dienen zur Wiedergabe verschiedener Informationen, wie beispielsweise einzelner Ziffern im einfachsten Fall bis zu alphanumerischen Zeichen und grafischen Darstellungen. Dabei werden an die Flüssigkristallanordnungen viele Anforderungen gestellt. So ist beispielsweise ein ausreichender Kontrast zwischen dem Ein- und dem Auszustand, eine Farbneutralität bzw. gleichmäßige Farbverteilung über die ganze Fläche und für grafische Darstellungen eine möglichst hohe optische Auflösung erforderlich. Letztere kann mit matrixförmigen Elektrodenanordnungen erzielt werden, wenn die Anzahl der Elektroden bzw. der Bildelemente genügend groß ist. Dabei muß eine hohe Steilheit der elektrooptischen Kennlinie angestrebt werden.

Schließlich sind die Ein- und Ausschaltzeiten bei der Darstellung von veränderlichen Vorgängen von besonderer Bedeutung. Während die Ein- und Ausschaltzeiten von bekannten Flüssigkristallanordnungen bei einer Temperatur von etwa 20°C im allgemeinen noch nicht störend in Erscheinung treten, werden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt die Ein- und Ausschaltzeiten wesentlich größer. Beispielsweise erfolgt eine halbwegs erkennbare Informationsdarstellung bei einer Flüssigkristallanordnung in einem Kraftfahrzeug unzumutbar langsam, wenn das Kraftfahrzeug unter den Gefrierpunkt abgekühlt ist. Dieses ist ein Hindernis für eine weitere Verbreitung von Flüssigkristallanordnungen in Kraftfahrzeugen.

Einige der obengenannten Forderungen, insbesondere eine Kompensation bezüglich der Farbneutralität, werden bei D-STN-Flüssigkristallanordnungen (Double Super Twisted Nematic) erfüllt. Bei diesen Flüssigkristallanordnungen ist eine sogenannte aktive Zelle optisch mit einer passiven Zelle in Reihe geschaltet. Dabei ist die aktive Zelle mit den erforderlichen Elektroden zur Darstellung der Information versehen und wird entsprechend angesteuert. Bis auf den Drehsinn ist die passive Zelle mit der aktiven identisch. Die Ein- und Ausschaltzeiten sind jedoch auch bei D-STN-Flüssigkristallanordnungen für viele Anwendungen zu groß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flüssigkristallanordnung anzugeben, bei welcher gegenüber den bekannten Zellen die Ein- und Ausschaltzeiten verringert sind und bei welchen zur Ansteuerung ein möglichst kleiner Spannungshub genügt.

Die erfindungsgemäße Flüssigkristallanordnung mit zwei optisch in Reihe geschalteten Zellen ist dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Produkte aus der Differenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Brechungsindex und der Schichtdicke für die Zellen verschieden groß sind, daß lediglich eine der Zellen zur Informationsdarstellung elektrisch ansteuerbar ist und daß die Ansteuerung in einem Spannungsbereich erfolgt, der im wesentlichen oberhalb einer einem Extremwert der Transmissions-Spannungs-Kennlinie zugeordneten Spannung liegt.

Die erfindungsgemäße Flüssigkristallanordnung mit einer Zelle ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle mit einer Verzögerungsfolie optisch in Reihe geschaltet ist, daß die jeweiligen Produkte aus der Differenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Brechungsindex und der Schichtdicke für die Zelle und die Verzögerungsfolie verschieden groß sind und daß die Ansteuerung der Zelle in einem Spannungsbereich erfolgt, der im wesentlichen oberhalb einer einem Extremwert der Transmissions-Spannungs-Kennlinie zugeordneten Spannung liegt.

Insbesondere ist vorgesehen, daß der Spannungsbereich eine Flanke der Transmissions-Spannungs-Kennlinie umfaßt, die oberhalb der dem Extremwert zugeordneten Spannung liegt. Dieses ist zwar auch bei bekannten Flüssigkristallanordnungen möglich, eine gute Transmissionsänderung ergibt sich jedoch erst durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen.

Die erfindungsgemäße Flüssigkristallanordnung zeichnet sich durch geringe Ein- und Ausschaltzeiten und eine geringe Ansteuerspannung bei gutem Kontrast und einer gleichmäßigen Farbverteilung über die ganze Fläche aus.

Eine Weiterbildung besteht darin, daß die Zelle, die nicht zur Informationsdarstellung elektrisch ansteuerbar ist, ohne Elektroden ausgebildet ist. Das unterschiedliche Produkt aus Brechungsindex und Schichtdicke wird dabei durch eine unterschiedliche Schichtdicke oder die Verwendung einer anderen Flüssigkristallsubstanz erzielt.

Bei einer anderen Weiterbildung kann der effektive Brechungsindex der anderen Zelle mit Hilfe einer zugeführten Spannung eingestellt werden. Dazu ist die andere Zelle mit von einer Spannung ansteuerbaren Elektroden versehen, die sich im wesentlichen über die gesamte Fläche der Zelle erstrecken.

Gemäß einer anderen Weiterbildung ist die andere Zelle durch eine Verzögerungsfolie gebildet.

Die Erfindung und gegebenenfalls deren Weiterbildungen sind bei folgenden Flüssigkristallanordnungen anwendbar:
D-TN Double Twisted Nematic
STN Super Twisted Nematic
D-STN Double Super Twisted Nematic
SBE Super Birefringence Effect
D-SBE Double Super Birefringence Effect
F-TN Folienkompensierte TN-Zelle
F-STN Folienkompensierte STN-Zelle
F-SBE Folienkompensierte SBE-Zelle
ECB-Zelle Electrically Controlled Birefringence
F-ECB Folienkompensiert Controlled Birefringence.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 stark vergrößert einen Schnitt durch einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Flüssigkristallanordnung,

Fig. 2 eine Darstellung der Lage der Flüssigkristallmoleküle zur Erläuterung der Ansteuerung im Rahmen der Erfindung,

Fig. 3 eine Transmissions-Spannungs-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Flüssigkristallanordnung,

Fig. 4 je eine vereinfachte Darstellung der Transmissions-Spannungs-Kennlinie einer Positiv- und einer Negativausführung einer erfindungsgemäßen Flüssigkristallanordnung,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel und

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1, 5 und 6 ist jeweils eine aktive Flüssigkristallzelle 1 mit einer passiven Flüssigkristallzelle 2, 21, 22 optisch in Reihe geschaltet. Passiv bedeutet in diesem Zusammenhang, daß keine zur Informationswiedergabe geeigneten Elektroden vorhanden sind und dementsprechend auch keine Informationssignale zuführbar sind. Die verwendeten Flüssigkristallzellen sind an sich bekannt und werden daher im folgenden nur kurz beschrieben. An beiden Außenflächen befindet sich jeweils ein Polfilter 3, 4. Die Flüssigkristallzellen werden von Glassubstraten 5 gebildet, auf deren Innenseite jeweils eine Orientierungsschicht 6 aufgebracht ist. In der aktiven Flüssigkristallzelle 1 sind rechtsdrehende Flüssigkristalle, während die passiven Flüssigkristallzellen linksdrehende Flüssigkristalle beinhalten. Selbstverständlich ist im Rahmen der Erfindung ein entgegengesetzter Drehsinn möglich.

Die aktive Zelle enthält ferner Elektroden 7, die von der Orientierungsschicht 6 durch je eine Entspiegelungs- und Isolierschicht 8 getrennt sind. Weitere Bestandteile der aktiven Zelle 1 sind nicht dargestellt, da deren Erläuterung zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich ist. Es sind lediglich elektrische Anschlüsse 9, 10 der Elektroden 7 angedeutet, denen eine Spannung U zuführbar ist.

Kennzeichnend für die Transmission der aktiven Zelle 1 ist die Größe δn₁·d₁. Dabei ist δn = n_o-n_e und d₁ die Schichtdicke, dabei bedeuten wiederum n_o der ordentliche Brechungsindex und n_e der außerordentliche Brechungsindex. Gemäß der Erfindung unterscheidet sich die Größe δn₂·d₂ der passiven Zelle 2 von der Größe δn₁·d₁ der aktiven Zelle 1.

Fig. 2 stellt die Lage der Flüssigkristallmoleküle in der aktiven Zelle 1 bei verschiedenen angelegten Spannungen dar, welche in Fig. 3 markiert sind. Die Punkte der angelegten Spannung sind mit I, II und III gekennzeichnet.

Fig. 3 zeigt die sich daraus ergebende Transmission. Diese weist für die passive und die aktive Zelle zusammen bei etwa 2,1 Volt ein Minimum auf und steigt zu beiden Seiten des Minimums in einem relativ kleinen Bereich auf die maximale Transmission an. Im Gegensatz zu herkömmlichen D-STN-Flüssigkristallanordnungen kann nicht nur der in Fig. 3 mit A bezeichnete Spannungsbereich, sondern auch der Spannungsbereich B zur Ansteuerung der aktiven Zelle verwendet werden.

Dabei ergeben sich kürzere Schaltzeiten, die im folgenden als Ergebnisse von Messungen an einer hergestellten erfindungsgemäßen Flüssigkristallanordnung durchgeführt wurden:

Dabei bedeuten T_ein und T_aus die Ein- und Ausschaltzeit, T_sum die Summe aus der Ein- und Ausschaltzeit und ECC-STN eine erfindungsgemäße Flüssigkristallanordnung, wobei ECC für Electrically Controlled Compensation steht. Die Messungen wurden bei einer Temperatur von 20°C und einer Multiplexrate von 1 : 128 durchgeführt.

Durch eine andere Ausrichtung der Polfilter kann die erfindungsgemäße Flüssigkristallzelle auch als Negativ-Zelle ausgeführt werden. Fig. 4a zeigt die bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 erläuterte Transmissionscharakteristik einer Positivzelle, während Fig. 4b die Transmissions-Charakteristik einer ansonsten gleichen Negativzelle darstellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die passive Zelle 21 mit einem Substrat aus Rauhglas 51 versehen. Hierdurch werden örtliche Veränderungen der Größe δn₂·δd₂ verursacht, die für einen Betrachter bei genügend großem Beobachtungsabstand aufgrund des begrenzten Auflösungsvermögens des Auges nicht sichtbar sind und eine neutrale Farbmischung (weiß oder schwarz) ergeben.

In Fig. 5 wird durch das Rauhglas in der "passiven" Zelle ein neutraleres Erscheinungsbild gewährleistet, da diese ECC-STN-Zelle nicht absolut farbneutral ist. Positive D-STN-Zellen mit unterschiedlichem δn·d haben eine gewisse Farbigkeit, die zwar relativ hell ist, aber sich trotzdem je nach δn·d von hellblau nach hellgrün bis hellgelb bewegt. Durch das Rauhglas wird praktisch eine Überlagerung der Farbtöne erzeugt, die insgesamt - nach angepaßter Rauhtiefe - das Display wiederum farbneutraler als bei einer Zelle mit Glattglas erscheinen läßt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist die gesamte Fläche der passiven Zelle 22 mit Elektroden 23 und Entspiegelungs- und Isolierschichten 24 versehen. An die Elektroden 23 kann über Anschlüsse 25, 26 eine Spannung U₁ angelegt werden. Gegenüber den passiven Zellen 2 (Fig. 1) und 21 (Fig. 5) kann die passive Zelle 22 den gleichen Flüssigkristall und die gleiche Schichtdicke wie die aktive Zelle 1 aufweisen. Eine Veränderung der Größe δn₂·d₂ ist durch eine entsprechende Wahl der Spannung U₁ möglich.

Claims

1. Flüssigkristallanordnung mit zwei optisch in Reihe geschalteten Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Produkte aus der Differenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Brechungsindex und der Schichtdicke für die Zellen verschieden groß sind, daß lediglich eine der Zellen zur Informationsdarstellung elektrisch ansteuerbar ist und daß die Ansteuerung in einem Spannungsbereich erfolgt, der im wesentlichen oberhalb einer einem Extremwert der Transmissions-Spannungs-Kennlinie zugeordneten Spannung liegt.

2. Flüssigkristallanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsbereich eine Flanke der Transmissions-Spannungs-Kennlinie umfaßt, die oberhalb der dem Extremwert zugeordneten Spannung liegt.

3. Flüssigkristallanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Zelle ohne Elektroden ausgebildet ist.

4. Flüssigkristallanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Zelle mit von einer Spannung ansteuerbaren Elektroden versehen ist, die sich im wesentlichen über die gesamte Fläche der Zelle erstrecken.

5. Flüssigkristallanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zelle mit einer Verzögerungsfolie optisch in Reihe geschaltet ist, daß die jeweiligen Produkte aus der Differenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Brechungsindex und der Schichtdicke für die Zelle und die Verzögerungsfolie verschieden groß sind und daß die Ansteuerung der Zelle in einem Spannungsbereich erfolgt, der im wesentlichen oberhalb einer einem Extremwert der Transmissions-Spannungs-Kennlinie zugeordneten Spannung liegt.

6. Flüssigkristallanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsbereich eine Flanke der Transmissions-Spannungs-Kennlinie umfaßt, die oberhalb der dem Extremwert zugeordneten Spannung liegt.