DE4340271A1 - Flüssigkristallanzeige - Google Patents
FlüssigkristallanzeigeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf passiv angesteuerte
Flüssigkristallanzeigen, insbesondere auf solche, die
sich durch eine geringe Blickwinkelabhängigkeit von
Kontrast und Weißeindruck auszeichnen.
Eine Flüssigkristallanzeige gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 ist aus EP 0 282 300 bekannt. Die dort
erläuterte Flüssigkristallanzeige wird von zwei
Elektroden-Substratplatten und einem Rand gebildet, der
die in Abstand zueinander angeordneten Substratplatten an
ihren äußeren Umrandungen miteinander verbindet. Der von
den beiden Substratplatten und dem Rand gebildete
Innenraum der Zelle ist mit einem nematischen
Flüssigkristallmaterial ausgefüllt. Die beiden dem
Flüssigkristallmaterial zugewandten Oberflächen der
Substratplatten sind jeweils mit einer
Orientierungsschicht versehen. Diese Schichten sind gemäß
EP 0 282 300 aus einem Polyimid-Silan-Derivat gebildet.
Bevor die Substratplatten zu einer Zelle komplettiert
werden, sind die Oberflächen, welche später, d. h. in der
Flüssigkristallmaterial befüllten Zelle mit dem
Flüssigkristallmaterial in Berührung stehen einem
Reibeschritt unterzogen worden. Dies bewirkt, daß wenn
die Moleküle des Flüssigkristallmaterials mit den so
bearbeiteten Oberflächen der Orientierungsschicht in
Kontakt kommen, sich zumindest die den
Orientierungsschichten nahen Moleküle mit ihren
Längsachsen parallel zur Reiberichtung (im folgenden
Orientierungsrichtung genannt) ausrichten. Zur Erreichung
einer steilen elektro-optischen Kennlinie, die noch
weiter unten näher erläutert wird, ist es notwendig, daß
die Flüssigkristallmoleküle, die zwischen den beiden und
von den Orientierungsschichten einer fertigmontierten
Zelle gebildeten Flüssigkeitsgrenzen angeordnet sind,
einen hohen Verdrehwinkel (auch Twist genannt) aufweisen.
Gemäß EP 0 282 300 werden Verdrehwinkel zwischen 180° und
300° genannt, wobei sich jedoch beide
Ausführungsbeispiele auf einen Verdrehwinkel von 270°
beziehen. Zur Einstellung dieser Verdrehwinkel werden die
beiden eine Anzeige bildenden Substratplatten so
zueinander montiert, daß die Orientierungsrichtung der
unteren Substratplatte zu der Orientierungsrichtung der
oberen Substratplatte einen solchen Winkel einschließt,
der dem gewünschten Verdrehwinkel entspricht. Zusätzlich
ist zur Einstellung des Verdrehwinkels der
Flüssigkristallmoleküle zwischen den Flüssigkeitsgrenzen
dem Flüssigkristallmaterial ein chirales Dotiermittel
zugesetzt.
Wie sich aus dem Verhältnis d/p von etwa 0,65 (d =
Plattenabstand; p = Pitch) ableiten läßt, ist in EP 0 282
300 eine Beziehung zwischen dem spontanen Twist-Pitch Ps
und dem eingestellten Twist-Pitch Pc gegeben, die gemäß
der Formel
(Pc - Ps)/Pc
zwischen etwa 0,3 und etwa -1,0 liegt. Was unter dem
pontanen Twist-Pitch sowie dem eingestellten Twist-Pitch
zu verstehen ist, ist in EP 0 259 822 näher erläutert.
Diese Schrift bezieht sich aber auf Anzeigen, deren
Beziehung zwischen den spontanen und dem eingestellten
Twist-Pitch gemäß der obigen Formel zwischen 0 und 0,3
liegt, also eine Anzeige zum Gegenstand hat, die durch
die Zugabe des Dotiermittels bezogen auf den
Verdrehwinkel der Moleküle zwischen den Substratplatten
eine Überdotierung (gleichbedeutend mit Werten gemäß der
obigen Formel, die ein positives Vorzeichen haben)
aufweisen.
An jeder der dem Flüssigkristallmaterial abgewandten
Seite einer Zelle ist in EP 0 282 300 ein Polarisator mit
der jeweiligen Substratplatte verbunden. Die
Polarisationsrichtung eines jeden der beiden
Polarisatoren ist auf die Orientierungsrichtung der
Substratplatte abgestimmt, mit der er verbunden ist.
Winkelbeziehungen zwischen der Polarisationsrichtung und
der Orientierungsrichtung liegen zwischen 30 und 70°,
wobei in den Ausführungsbeispielen die Winkelbeziehung
nahe 45° liegt.
Die Wirkung einer so aufgebauten Zelle in bezug auf die
Blickwinkelunabhängigkeit des Kontrastes und des
Weißeindrucks wird dadurch erreicht, daß das Produkt aus
Plattenabstand und Anisotropie des Brechungsindex Δ n des
Flüssigkristallmaterials im Wertbereich zwischen 0,3 und
0,7 µm liegt, wobei die beiden Ausführungsbeispiele in EP
0 282 300 sich auf Werte von 0,55 bzw. 0,59 µm beziehen.
Ob und welchen Anstellwinkel (auch Pretilt genannt) die
Flüssigkristallmoleküle zur Oberfläche der
Orientierungsschichten einnehmen, ist aus EP 0 282 300
nicht entnehmbar. In EP 0 376 029, als einer Schrift, die
sich ebenfalls mit hochverdrillten
Flüssigkristallanzeigen der vorbeschriebenen Art befaßt,
werden als gültige Anstellwinkel solche angegeben, die
größer 7° sind. Abweichend von EP 0 282 300 wird in EP
0 376 029 das Produkt aus Plattenabstand und Anisotropie
des Brechungsindex Δ n mit kleiner 0,6 µm angegeben,
wobei der bevorzugte Wertebereich zwischen 0,35 und 0,45
µm liegt. Als Verdrehwinkel werden in EP 0 376 029 solche
von größer 240° benannt, wobei jedoch darauf hingewiesen
wird, daß aus Gründen des Kontrastes Vielfache von 90°,
also 270° und 360° bevorzugte Verdrehwinkel darstellen.
Dementsprechend sind die Ausführungsbeispiele in EP
0 376 029 auf Verdrehwinkel von 270° und 360° bezogen.
Die so aufgebauten und als EVA-Zellen bezeichneten
Anzeigen sind weitgehend Farbneutral, d. h. im
transmissiven Schaltzustand der Anzeige tritt über einen
großen Blickwinkelbereich weißliches Licht aus der Zelle
aus, während im intransmissiven Zustand die Zelle schwarz
ist.
Die Güte von passiv angesteuerten Flüssigkristallanzeigen
im Hinblick auf ihre Multiplexrate wird allgemein durch
die elektro-optische Kennlinie zum Ausdruck gebracht,
wobei maßgebliche Bedeutung der Differenz in der
Ansteuerspannung zukommt, um ein Display zwischen 10 und
90% Transmission zu schalten. In EP 0 376 029 wird in
diesem Zusammenhang in Fig. 3 ein Kennlinienverlauf
gezeigt, der nach berichtigender Auslegung (die
Prozentangaben der Ordinate sind nicht auf Absorbtion,
sondern fälschlich auf Transmission bezogen) zum Ausdruck
bringt, daß 10% Transmission bei einer Ansteuerspannung
von 2,95 Volt und 90% Transmission bei einer solchen von
2,80 Volt erreicht werden. Diese Transmissionswerte haben
aber nur Gültigkeit wenn beispielsweise mit einer
ansteigenden Spannung gearbeitet wird. Wird jedoch von
einem vorgegebenen Wert der Ansteuerspannung ausgegangen
und die Ansteuerspannung vermindert, so werden 90 bzw. 10%
Transmission bei anderen Spannungswerten als dies bei
steigender Ansteuerspannung der Fall ist. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß Flüssigkristallanzeigen mit
Verdrehwinkeln von etwa größer 240° keine deckungsgleiche
Beziehung der ermittelten Transmissionswerte in bezug auf
ansteigende und abfallende Werte in der Steuerspannung
gegeben ist. Mit anderen Worten, Flüssigkristallanzeigen
dieser Art und mit Verdrehwinkeln von etwa größer 240°
sind nicht mehr hysteresefrei.
Zur Beseitigung des Hystereseproblems ist für sich aus EP
0 259 822 bekannt, das Verhältnis der elastischen
Konstante K₃ zur elastischen Konstante K₁ auf einen
Wert zwischen 0,9 und 1,5 einzustellen. Diese Angaben
haben aber nur für Anzeigen Gültigkeit, deren - gemäß der
obigen Formel ermittelte - Beziehung von Pc zu Ps zwischen
0 und 0,3 liegt, also bezogen auf den Verdrehwinkel der
Moleküle im Plattenanstand eine Überdotierung aufweisen.
Ferner sei darauf hingewiesen, daß eine Anzeige gemäß EP
0 259 822 bei Einhaltung der in den Ausführungsbeispielen
genannten Anstellwinkel von etwa 30° keine
Schwarz-Weiß-Darstellung möglich ist, sondern lediglich
zwischen Farbkontrasten geschaltet wird.
Ferner ist es bei hochverdrillten Zellen (Verdrehwinkel
größer etwa 240°) nicht möglich in einfacher Weise
Graustufen zu erzeugen, also eine Pixelansteuerung zu
erreichen, die es erlaubt - beispiels bei steigender
Steuerspannung - jedem Ansteuerspannungswert einen
bestimmten Transmissionswert zuzuordnen.
Um die beiden letzten Aspekte (Hysterese- und
Graustufenprobleme) näher zu verdeutlichen sei auf Fig.
4 hingewiesen, welche die Beziehung zwischen der
Ansteuerspannung und der ermittelten Transmission einer
Flüssigkristallanzeige mit einem Verdrehwinkel von 270°
nach dem Stand der Technik (EP 0 376 029) schematisch
zeigt. Wird diese Flüssigkristallanzeige an ihren
Elektroden mit einer ansteigenden Ansteuerspannung
beaufschlagt, so ist bis etwa 2,4 Volt jedem
Spannungswert ein Transmissionswert zugeordnet, wie die
durchgezogene Linie 40a deutlich zeigt. Wird die Spannung
auf etwa 2,5 Volt weiter erhöht, fällt die Transmission
von etwa 75% senkrecht auf etwa 5% ab. Veranschaulicht
wird dies durch die strichpunktierte Linie 41. Der rechts
neben der Linie 41 nach unten gerichtete Pfeil macht
deutlich, daß die Linie 41 die Beziehung zwischen
ansteigender Ansteuerspannung und Transmission angibt.
Wird die Ansteuerspannung über 2,5 Volt erhöht, so läuft
die Beziehung zwischen steigender Steuerspannung und
Transmission entlang der durchgezogenen Linie 40b nach
rechts. Im umgekehrten Fall, also dann, wenn an den
Elektroden der Flüssigkristallanzeige etwa eine
Steuerspannung von 3 Volt anliegt und die
Ansteuerspannung vermindert wird, ist etwa bis 1,6 Volt
jedem Spannungswert ein Transmissionswert zugeordnet, wie
die durchgezogene Linie 40b veranschaulicht. Bei weiterer
Erniedrigung der Ansteuerspannung auf etwa 1,5 Volt tritt
eine schlagartige Erhöhung der Transmission von etwa 25%
auf etwa 95% ein. Dies ist durch die gestrichelte und
senkrecht noch oben verlaufende Linie 42 gezeigt. Der
links neben der Linie 42 verlaufende und nach oben
gerichtete Pfeil macht deutlich, daß die Linie 42 für
abfallende Steuerspannungen Gültigkeit hat. Wird die
Steuerspannung unter 1,5 Volt vermindert, läuft die
Beziehung zwischen Transmission und Steuerspannung
entlang der durchgezogenen Linie 40a nach links.
Zurückzuführen ist dieses Phänomen darauf, daß mit
steigendem Verdrehwinkel der rechnerisch ermittelte
Kennlinienverlauf einen stärker werdenden s-förmigen
Verlauf nimmt. Ein derartiger s-förmiger Verlauf der
Kennlinie ist in Fig. 4 gezeigt und setzt sich aus den
durchgezogenen Linie 40a, 40b und 40c zusammen. Um
dennoch derartige Flüssigkristallanzeigen, deren
Kennlinienverläufe der in Fig. 4 gezeigten Art
entsprechen, graustufenfähig zu machen, sind komplizierte
oder die Auflösung des Displays verschlechternde
Maßnahmen bekannt.
So kann beispielsweise ein zur Anzeige bestimmtes Pixel
durch Unterteilung in beispielsweise 4 × 4 Unterpixel
vorgenommen werden. Durch entsprechende Schaltung dieser
Unterpixel sind dann 16 Graustufen möglich. Abgesehen von
der schlechten Auflösung derartiger Anzeigen sind
derartigen Maßnahmen auch von der Herstellbarkeit solcher
Displays Grenzen gesetzt.
Eine andere Möglichkeit Graustufen bei hochverdrillten
Flüssigkristallanzeigen zu erzeugen ist die, daß die
Schaltzeit zwischen Lichtdurchgang und gesperrtem
Lichtdurchgang je Zeiteinheit drastisch verkürzt wird,
denn je häufiger in einer Zeiteinheit zwischen einem
Hell- und Dunkelzustand geschaltet werden kann, desto
mehr Graustufen sind möglich. In Ansehung der heute
bekannten Verhältnisse scheint, wenn die
Bildwiederholungsrate bei beispielsweise 50 Hz liegt,
eine Verkürzung der Schaltzeiten zumindest sehr
aufwendig, wenn nicht gar unmöglich zu sein.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Flüssigkristallanzeige anzugeben, die bei außerordentlich
geringer Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes und des
Weißeindrucks die Abbildung von Graustufen in einfacher
Weise erlaubt, bzw. bei der eine eindeutige Beziehung
zwischen Ansteuerspannung und Transmission besteht.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, daß
der Verdrehwinkel der Flüssigkristallmoleküle zwischen
260° und 360° liegt, daß der Flüssigkristall unterdotiert
ist, also ein Verhältnis von Pc und Ps - gemäß der obigen
Formel - von kleiner/gleich 0 und größer/gleich -0,6
aufweist, daß das Produkt von Plattenabstand und
Anisotropie das Brechungsindex Δn größer/gleich 0,45 und
kleiner 0,65 µm liegt, daß der Anstellwinkel zwischen 7
und 25° liegt und daß in Flüssigkristallmaterial das
Verhältnis der elastischen Konstante K₃ zur elastischen
Konstanten K₁ zwischen 1,4 und 0,6 liegt.
Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der
Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 8 entnehmbar.
Die Erfindung beruht auf Betrachtungen der Steilheit der
elektro-optischen Kennlinie. Unter der Steilheit der
Kennlinie wird in diesem Zusammenhang der Einfluß der
Steuerspannung auf die Transmission verstanden.
Maßgebliches Kriterium für die Steilheit der Kennlinien
ist dabei die Spannungsdifferenz zwischen zwei Werten,
die durchlaufen werden muß, um zwischen 10 und 90% oder
90 und 10% Transmission zu schalten. Demgemäß wird unter
einem Display mit steiler elektro-optischer Kennlinie ein
solches verstanden, bei welchem mit geringer
Spannungsdifferenz zwischen 10 und 90% oder 90 und 10%
Transmission geschaltet werden kann.
Um die Steilheit der Kennlinie zu vergrößern ist es
bekannt, die Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle
zwischen den Platten zu vergrößern. Um aber eine
Verdrillung der Moleküle zu stabilisieren, ist ein
gewisser Anstellwinkel der Moleküle zur jeweiligen
Oberfläche der Substratplatte erforderlich. Höhere
Anstellwinkel bewirken aber eine Abflachung der
Kennlinie. Außerdem hat das Verhältnis der elastischen
Konstanten K₃ zur elastischen Konstanten K₁ im
verwendeten Flüssigkristallmaterial Einfluß auf die
Steilheit der Kennlinie. Hierzu ist bekannt, daß bei
höherer Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle im
Plattenabstand mit Ansteigen des Verhältnisses des K₃-
zum K₁-Wertes die Kennlinie steiler wird.
Daher ist es vor dem Hintergrund, daß der Fachmann immer
bestrebt ist, durch Anwendung der zuvor benannten
Maßnahmen eine möglichst steile Kennlinie zu erzeugen,
umso erstaunlicher, daß eine Verminderung des
Verhältnisses von K₃ zu K₁ genügend steile
Kennlinienverläufe erzielt werden und gleichwohl eine
eindeutige Beziehung eines jeden Spannungswerts zu einem
Transmissionswert auftritt und zwar unabhängig davon, ob
mit ansteigender oder fallender Steuerspannung gearbeitet
wird.
Schon in diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß
das Verhältnis von Pc und Ps gemäß der obigen Formel für
Verdrehwinkel nahe 260° zwischen etwa -0,53 und -0,33
und für Verdrehwinkel von etwa 320° zwischen -0,39 und
-0,25 betragen sollte.
Liegt gemäß Anspruch 2 der Verdrehwinkel zwischen 300 und
360° wird gegenüber einem Display mit nur einem
Verdrehwinkel von 270° eine drastische Verbesserung der
Blickwinkelunabhängigkeit des Kontrastes und des
Weißeindrucks erzielt, ohne daß bei Zwischenwerten,
welche nicht dem Vielfachen von 90° entsprechen,
Kontrastschwächen auftreten.
Ist gemäß Anspruch 3 im Flüssigkristallmaterial der
dielektrischen Konstanten so eingestellt, daß das
Verhältnis von Δε zu ε⟂ zwischen 1,6 und 3,2 liegt,
wird der Effekt, den die Verminderung des K₃- zu
K₁-Wertes bewirkt, weiter verstärkt. So wurde
herausgefunden, daß mit Verhältniswerten von Δε zu ε⟂,
die im Wertebereich von Anspruch 3 liegen, deutlich
bessere Kennlinienverläufe erzielbar sind als wenn
Verhältniswerte außerhalb des in Anspruch 3 angegebenen
Wertebereichs gegeben sind. Dies heißt aber nicht, daß
die Graustufenfähigkeit eines Displays gemäß Anspruch 1
nicht gegeben ist, wenn das Verhältnis von Δε zu ε⟂
nicht im in Anspruch 3 gegebenen Bereich liegt.
Die Ansprüche 4 und 5 zeigen die Verhältnisse zwischen
dem Anstellwinkel und dem Verhältnis K₃ zu K₁, ohne
daß die Graustufenfähigkeit und die Hysteresefreiheit des
Displays verlorengeht.
Aus Anspruch 6 ist im Vergleich zu den übrigen Ansprüchen
entnehmbar, daß mit steigendem Verdrehwinkel kleinere
Verhältnisse von K₃ zu K₁ notwendig sind.
Anspruch 7 stellt eine Beziehung zwischen
Polarisationsrichtung und Orientierungsrichtung je
Substratplatte in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel der
Moleküle im Plattenabstand auf, die, wenn sie eingehalten
wird, besonders gute Kontrastverhältnisse erbringt.
Eine Transmission von nahe 0% stellte sich dann ein,
wenn gemäß Anspruch 8 der Winkel zwischen der
Polarisationsrichtung von oberer und unterer
Substratplatte kleiner 90° ist und die Winkeländerung von
oberer und unterer Polarisationsrichtung auf den Wert
kleiner 90° für beide Polarisationsrichtungen gleich groß
ist.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine
Flüssigkristallanzeige;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine
Flüssigkristallanzeige zur Erläuterung von
Winkeln zwischen Orientierungs- und
Polarisationsrichtungen;
Fig. 3 ein Diagramm, in dem der
Transmissionsverlauf über die Spannung
aufgetragen ist;
Fig. 4 ein weiteres Diagramm gemäß Fig. 3
(schematisch), jedoch gemäß dem Stand der
Technik,
Fig. 5 eine weitere Darstellung gemäß Fig. 2,
Fig. 6 eine weitere Darstellung gemäß Fig. 2, und
Fig. 7 eine weitere Darstellung gemäß Fig. 3.
In Fig. 1 ist eine Flüssigkristallanzeige 10 gezeigt,
welche der Anschaulichkeit halber nicht maßstabsgetreu
gezeichnet ist. So ist die obere Substratplatte 11.o und
die untere Substratplatte 11.u und die Flüssigkristall
schicht 12 mit vergleichbarer Dicke dargestellt, obwohl
die Dicke der Substratplatten 11.u, 11.o etwa 1,1 mm und
die Dicke d der Flüssigkristallschicht dagegen nur 4
Mikrometer beträgt. Jede dieser Substratplatten 11.u,
11.o wird von einer Zellenplatte 13.u, 13.o, einer
Barriereschicht 14.u, 14.o, einer Elektrodenschicht 15.u,
15.o mit strukturierten Elektroden aus ITO und einer
Isolierschicht 16.u, 16.o gebildet, die ebenfalls wie die
Barriereschicht 14.u, 14.o aus SiO₂ besteht. Wie die
Reihenfolge der Schichten 14 bis 16 auf den Platten 13
zur Flüssigkristallschicht 12 angeordnet ist, ist der
Fig. 1 eindeutig entnehmbar. An den Seiten der Isolier
schichten 16.u, 16.o, welche der Flüssigkristallschicht
12 zugewandt sind, ist jeweils eine Orientierungsschicht
17.u, 17.o ausgebildet. Diese Orientierungsschichten 17,
welche geläufigerweise aus einem organischen Polymer
material gebildet werden, besteht vorliegend aus
Polyimid. Diese Schichten 17 sind vor der Montage der
beiden Substratplatten 11 zu einer Flüssigkristallanzeige
10 durch Tempern und Reiben so behandelt worden, daß sich
die Flüssigkristallmoleküle 18 mit ihren Längsachsen
parallel zur Orientierungsrichtung ηu; η.o (Fig. 2)
der jeweiligen Orientierungsschicht 17.u; 17.o ausrichten
und außerdem einen Anstellwinkel Θ
zur Oberfläche der Orientierungsschichten 17 einnehmen.
Was unter einem Anstellwinkel Θ der
Flüssigkristallmoleküle 18 verstanden wird, ist in Fig.
1 für ein Molekül 18 an der unteren Orientierungsschicht
17.o dargestellt. Dieser Darstellung ist deutlich
entnehmbar, daß der Anstellwinkel der
Flüssigkristallmoleküle 18 im in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel 15° beträgt.
Jede Zellenplatte 13 trägt auf ihrer der
Flüssigkristallschicht 12 abgewandten Seite einen
Polarisator 19.u, 19.o, d. h. die obere Zellenplatte 13.o
weist einen oberen Polarisator 19.o und die untere
Zellenplatte 13.u einen unteren Polarisator 19.u auf. Die
Polarisationsrichtungen der beiden Polarisatoren 19 sind
durch entsprechende Pfeile schematisch angedeutet. Wie
die Polarisationsrichtungen tatsächlich verlaufen, wird
im Zusammenhang mit Fig. 2 noch näher ausgeführt.
Beim Flüssigkristall, welcher im Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 und 2 verwendet wird, handelt es sich um
ein nematisches Material, welches aus einem Teil ZLI
5500-050 der Firma Merck, Darmstadt und zwei Teilen ZLI
3243 des gleichen Herstellers gebildet ist. Die
Eigenschaften dieser Einzelflüssigkristalle sind der
nachfolgenden Tabelle entnehmbar:
Jedem der beiden zuvor benannten Einzelkomponenten ist
ein chirales Dotiermittel des Herstellers Merck,
Darmstadt mit der Bezeichnung ZLI 4572 zugesetzt, wobei
der Anteil von ZLI 4572 im Flüssigkristall ZLI 5500-050
0,557% und im Flüssigkristall ZLI 3243 0,517% beträgt.
Für die Mischung ergibt sich somit eine Konzentration von
0,530%.
Durch diese Dotierung ist die Beziehung zwischen dem
spontanen und dem eingestellten Twist-Pitch bei dem im
Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 erörterten
Ausführungsbeispiel auf einen Wert von etwa -0,35
eingestellt.
Da - wie bereits erläutert - die Dicke d der
Flüssigkristallschicht 12 4 Mikrometer und die
Anisotropie des Brechungsindex der obigen Mischung etwa
0,142 beträgt, ergibt sich für das Produkt aus
Plattenabstand und Anisotropie des Brechungsindex ein
Wert von etwa 0,56 Mikrometern. Durch Kombination der
beiden bekannten und handelsüblichen
Flüssigkristallmischungen ist der in der
Flüssigkristallschicht 12 verwendete Flüssigkristall so
modifiziert worden, daß das Verhältnis der elastischen
Konstante K₃ zur elastische Konstanten K₁ etwa
zwischen 1,1 und 0,80 liegt.
Im Zusammenhang mit Fig. 1 sei noch auf folgendes
hingewiesen. Eine Notwendigkeit für eine Barriereschicht
14.u, 14.o ist dann nicht gegeben, wenn sichergestellt
ist, daß aus den Zellenplatten 13.u, 13.o keine
Natriumionen in die ITO-Schicht bzw. Orientierungsschicht
17 eindiffundieren können. Letzteres kann durch
Verwendung von natriumfreien Glasplatten als
Zellenplatten 13 sichergestellt werden. Auch ist die
Erfindung nicht auf die Verwendung von
Orientierungsschichten aus organischem Polymermaterial
(wie zum Beispiel Polyimid oder Polyphenylen) beschränkt.
Vielmehr können in Fällen, in denen besonders hohe
Anstellwinkel Θ erforderlich sind, die
Orientierungsschichten 17 auch aus schräg aufgedampftem
SiO gebildet werden.
Ferner sind die zwischen den von den
Orientierungsschichten 17.u, 17.o gebildeten
Flüssigkeitsgrenzen angeordneten Flüssigkristallmoleküle
18 in der Flüssigkristallschicht 19 rechtsherum in
Draufsicht also entgegen dem Uhrzeigersinn um einen
Verdrehwinkel ϕ von 310° verdreht. Dies gilt jedoch nur,
solange keine Ansteuerspannung an den Elektroden der
beiden Elektrodenschichten 15.u, 15.o anliegt. Wirkt ein
elektrisches Feld auf die Flüssigkristallmoleküle 18 der
Flüssigkristallschicht 12, so stellen sich diese parallel
zu diesem, wodurch die Verdrillung wegfällt.
Welche Winkelverhältnisse zwischen der
Orientierungsrichtung η.u, η.o und der
Polarisationsrichtung P.u, P.o für eine
Flüssigkristallanzeige 10 gemäß Fig. 1 bestehen, ist in
Fig. 2 näher gezeigt. Deutlich ist der Fig. 2
entnehmbar, daß bei Draufsicht auf die Anzeige 10 die
Orientierungsrichtung η.o an der oberen Substratplatte
11.o zu der Orientierungsrichtung η.u an der unteren
Substratplatte 11.u einen Verdrehwinkel ϕ von 310°
einschließt und die Verschraubung rechtsdrehend ist, d. h.
entgegen der Uhrzeigerrichtung von der oberen Platte
11.o zur unteren Platte 11.u verläuft. Die
Winkelbeziehung der Orientierungsrichtung η.o an der
oberen Platte 11.o zur Polarisationsrichtung P.o an der
oberen Platte 11.o ist mit γ bezeichnet, während β die
Winkelbeziehung zwischen der Orientierungsschicht η.u an
der unteren Platte 11.u zur Polarisationsrichtung P.u an
der unteren Platte 11.u angibt. Gültige Werte für β und γ
folgen den Formeln:
γ ≦ 45° - α°/2
β ≧ 45° + α°/2
β ≧ 45° + α°/2
wobei sich der Wert α° aus der Beziehung
α° = ϕ° - 270°
ergibt. Für die in Fig. 1 gezeigte und einen
Verdrehwinkel ϕ von 310° aufweisende Anzeige 10 bedeutet
dies, daß α gleich 400 beträgt. Damit beträgt γ
kleiner/gleich 25° und β größer/gleich 65°.
Wird eine derartige Zelle 10 mit der Ansteuerspannung
beaufschlagt, so schaltet die Zelle vom transmissiven in
den intransmissiven Zustand unter Auflösung der
Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle 18 zwischen den
Platten 11.
Dieses Schalten wird in Fig. 3 näher erläutert, welches
ein Diagramm zum Gegenstand hat, in dem der
Transmissionsverlauf über der Spannung aufgetragen ist.
Diesem Diagramm ist deutlich entnehmbar, daß die
elektro-optische Kennlinie 30 bis zu einer
Ansteuerspannung von etwa 1,9 Volt parallel zur Abszisse
verläuft und im Bereich 31 zwischen etwa 1,9 und 2,1 Volt
steil nach unten abfällt und dann ab etwa 2,1 Volt sich
asymptotisch der Abszisse nähert. Der Punkt der Kennlinie
30, an welchem diese in den asymptotischen Verlauf
übergeht, liegt bei etwa 5% Transmission und wurde für
eine Anzeige 10 gemäß den Fig. 1 und 2 gemessen.
Hierbei schlossen die Polarisationsrichtungen P.u, P.o
einen Winkel ρ von 90° ein.
Durch eine Verkleinerung des Winkels ρ innerhalb der
Wertgrenzen für β und γ auf ρ′ von 80° wurde ein
Kennlinienverlauf 32 ermittelt, bei dem bei einer
Steuerspannung von 2,1 Volt kaum Transmission mehr
festgestellt werden konnte. Diese - durch die
Verkleinerung des Winkels von ρ auf ρ′ bewirkte -
Kontrastverbesserung wurde dadurch erzielt, daß der
Winkel γ um einen Betrag von 5° verkleinert und der
Winkeln β um den gleichen Betrag (= 5°) vergrößert wurde.
Wird zur Einstellung des Winkels ρ auf 80° nur eine
Polarisationsrichtung P.u; P.o aus ihrer 90°-Beziehung
zur anderen Polarisationsrichtung P.u; P.o gedreht, so
fällt die Kontrastverbesserung nicht so stark aus, wie
bei einer symmetrischen Veränderung der
Polarisationsrichtungen P.u′, P.o′ von beiden
Polarisatoren 19.u, 19.o.
Wesentlich für die Graustufenfähigkeit von
hochverdrillten Flüssigkristallanzeigen 10 ist aber der
Bereich 31 der Kennlinien 30, 32. Durch eine Einhaltung
des Verhältnisses von K₃ zu K₁ im Flüssigkristall
zeigt sich, daß im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 und 2
gezeigten Ausführungsbeispiel bei ansteigender
Steuerspannung im Bereich 31 (zwischen 1,9 und 2,1 Volt)
die Kennlinien 30, 32 nicht senkrecht, wie in Fig. 4 mit
den Linien 41 und 42 gezeigt, sondern stetig abfallen.
Demgemäß kann bei steigender Steuerspannung im Bereich 31
ist jedem einzelnen Spannungswert ein Transmissionswert
eindeutig zugeordnet, so daß das Display als
graustufenfähig angesehen werden muß.
Dieser stetige Verlauf der Kennlinien 30, 32 gilt nicht
nur für den Fall der ansteigenden, sondern ebenfalls für
den Fall der abfallenden Steuerspannung, d. h. für den
Fall, daß ausgehend von einer Steuerspannung von 2,1 Volt
diese auf etwa 1,9 Volt erniedrigt wird. Wegen dieses
Verhaltens der Anzeige 10 in bezug auf ansteigende und
abfallende Steuerspannungen kann das zusammen mit Fig. 1
und 2 gezeigte Display 10 als hysteresefrei bezeichnet
werden.
Soll eine Anordnung gemäß den Fig. 1 bis 3 für einen
Mutiplexbetrieb geeignete Schaltzeiten aufweisen, ist es
wichtig, der verwendete Flüssigkristall in der der
Schicht 12 eine geringe Viskosität aufweist. Mit dem in
der Mischung verwendeten Flüssigkristall ZLI 3243 ist ein
derartiger und fernsehtauglicher Betrieb nur bedingt
möglich. Wird aber beispielweise dem Flüssigkristall ZLI
5500-050 ein anderer Flüssigkristall zugemischt, der von
seinen übrigen Werten dem ZLI 3243 entspricht, jedoch
eine geringere Viskosität als die 36 mm²/sec aufweist,
ist auch ein Multiplexbetrieb ausführbar.
Wird eine gemäß Fig. 1 und 2 gebildete
Flüssigkristallanzeige 10 so verändert, daß nur der
Anstellwinkel Θ der Flüssigkristallmoleküle 18 von 150
auf 120 vermindert wird, stellt sich ein
Kennlinienverlauf ein, der von dem Kennlinienverlauf 30;
32 gemäß Fig. 3 abweichend ist. Kennlinienverläufe 30;
32 gemäß Fig. 3 werden aber dann erhalten, wenn als
weitere Maßnahme ein Flüssigkristall in der Schicht 12
verwendet wird, der gegenüber der Anzeige 10 mit einem
Anstellwinkel Θ von 15° (Fig. 1 bis 3) ein geringeres
Verhältnis von K₃ zu K₁ hat.
Mit Fig. 5 ist eine Flüssigkristallanzeige 10 gemäß
Fig. 1 gezeigt, die einen Verdrehwinkel von 270°
aufweist und in der die Flüssigkristallmoleküle einen
Anstellwinkel Θ von 12° haben. Die Winkelbeziehungen der
Polarisationsrichtungen P.u, P.o zur jeweiligen
Orientierungsrichtung η.u, η.o entsprechen den oben
angegebenen Formeln. Beide Polarisationsrichtungen P.u,
P.o schließen einen Winkel ρ von 90° ein. Der verwendete
Flüssigkristall weist ein Verhältnis von K₃ zu K₁ von
1,25 auf. Das Verhältnis von Δε zu ε⟂ beträgt 2,2. Ein
Flüssigkristall 12, der diese Eigenschaften aufweist,
kann unter der Bezeichnung ZLI-5525-50 von der Firma
Merck, Darmstadt handelsüblich bezogen werden. Dem
Flüssigkristall 12 sind 0,45% des Dotiermittels ZLI-4572
der Firma Merck zugesetzt. Das Verhältnis von Pc und Ps
gemäß der obigen Formel beträgt -0,4. Das Produkt aus
Plattenabstand (d = 3,8 µm) und Anisotropie des
Brechungsindex Δn = 0,14) beträgt 0,532 µm.
Welche elektrooptischen Eigenschaften eine derart
ausgebildete Anzeige 10 aufweist, ist in Fig. 7 gezeigt.
Deutlich ist dieser Fig. 7 entnehmbar, daß die Kennlinie
70 im Bereich 71 (1,75 bis 2,25 Volt) in Abhängigkeit von
der Steuerspannung einen stetigen Verlauf zeigt. Diese
Beziehung gilt sowohl für steigende als auch für
abfallende Steuerspannungen, mit anderen Worten eine
derartige Anzeige ist hysteresefrei.
Mit den Bezugszeichen 72 ist in Fig. 7 ein
Kennlinienverlauf für eine Anzeige 10 gezeigt, deren
Verdrehwinkel ϕ 340° beträgt, deren
Flüssigkristallmoleküle auf Grund der
Orientierungsschichten 17 aus Polyphenylen einen
Anstellwinkel Θ von 220 haben, deren
Polarisationsrichtungen P.u, P.o zu den
Orientierungsrichtungen η.u, η.o Winkelbeziehungen gemäß
der obigen Formel haben und deren Polarisationsrichtungen
P.u, P.o zueinander einen Winkel ρ von 90° einschließen.
Die letztbenannten Winkelbeziehungen sind mit Fig. 6
näher veranschaulicht. Als Flüssigkristall wurde ein
solcher verwendet, der ein Verhältnis von K₃ zu K₁
kleiner 1,0 aufweist. Ein Flüssigkristall der diese
Eigenschaften aufweist, ist der schon benannte
Flüssigkristall ZLI 3243. Durch die chirale Dotierung
liegt das Verhältnis Pc und Ps - errechnet nach der obigen
Formel - bei etwa -0,3. Aus Fig. 7 ist entnehmbar, daß
der Kennlinienverlauf 72 einer Anzeige 10 gemäß Fig. 6
gegenüber einem Kennlinienverlauf 70 einer Anzeige 10
gemäß Fig. 5 in einem viel schmaleren Bereich 73 von 10
auf 90% bzw. von 90 auf 10% Transmission veränderbar ist.
Dies hat zur Folge, daß eine Anzeige 10 gemäß Fig. 6
gegenüber einer Anzeige 10 gemäß Fig. 5 eine höhere
Multiplexrate zuläßt. Da aber der Bereich 73 sehr viel
schmaler ist und die Spannungsänderungen im Bereich 73
nicht beliebig verkleinert werden können, ist die Anzahl
von erzeugbaren Graustufen bei einer Anzeige 10 gemäß
Fig. 6 gegenüber einer Anzeige 10 gemäß Fig. 5 etwas
verringert.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß - wie schon im
Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert - auch bei Anzeigen 10
gemäß den Fig. 5 und 6 die Kontrastverhältnisse durch
eine Verkleinerung des Winkels ρ auf ρ′ verbessert werden
können (in Fig. 7 nicht gezeigt).
Ferner sei angemerkt, daß die in dieser Anmeldung
dargelegten positiven und anhand von rechts-drehende
Anzeigen dargestellten Wirkungen auch für links-drehenden
Anzeigen gelten, wenn die für rechts-drehende Anzeigen
gültigen Winkelbeziehungen bei links-drehenden Anzeigen
spiegelverkehrt ausgebildet werden. Unter
rechts-drehenden Anzeigen werden - wie schon oben
angedeutet - solche Anzeigen verstanden, bei denen die
Verschraubung der Flüssigkristallmoleküle 18 im
Uhrzeigersinn von der oberen Platte 11.o zur unteren
Platte 11.u verläuft.
Bezugszeichenliste
10 Anzeige
11 Substratplatte
12 Flüssigkristallschicht
13 Zellenplatte
14 Barriereschicht
15 Elektrodenschicht
16 Isolierschicht
17 Orientierungsschicht
18 Flüssigkristallmolekül
19 Polarisator
30 elektrooptischer Kennlinienverlauf
31 Bereich
70 elektrooptischer Kennlinienverlauf
71 Bereich
72 elektrooptischer Kennlinienverlauf
73 Bereich
P.u, P.o Polarisationsrichtung
η.u, η.o Orientierungsrichtung
Θ Anstellwinkel
ϕ Verdrehwinkel
d Dicke der Flüssigkristallschicht
11 Substratplatte
12 Flüssigkristallschicht
13 Zellenplatte
14 Barriereschicht
15 Elektrodenschicht
16 Isolierschicht
17 Orientierungsschicht
18 Flüssigkristallmolekül
19 Polarisator
30 elektrooptischer Kennlinienverlauf
31 Bereich
70 elektrooptischer Kennlinienverlauf
71 Bereich
72 elektrooptischer Kennlinienverlauf
73 Bereich
P.u, P.o Polarisationsrichtung
η.u, η.o Orientierungsrichtung
Θ Anstellwinkel
ϕ Verdrehwinkel
d Dicke der Flüssigkristallschicht
Claims (8)
1. Flüssigkristallanzeige
- - mit einer aus zwei Elektroden-Substratplatten (11.u, 11.o) gebildeten Zelle (10), deren einander zugewandte Oberflächen mit einer Orientierungsschicht (17.u, 17.o) versehen sind,
- - mit zwei gekreuzten Polarisatoren (19.u, 19.o),
- - mit einer aus nematischem Flüssigkristallmaterial gebildeten Flüssigkristallschicht (12), die von den beiden Substratplatten (11.u, 11.o) und einem Rand eingeschlossen ist, wobei die Moleküle (18) des Flüssigkristallmaterials parallel zur Orientierungsrichtung (η.u, η.o) der jeweiligen Orientierungsschicht (17.u, 17.o) ausgerichtet sind, einen vorgegebenen Anstellwinkel Θ zur Orientierungsschicht (17.u, 17.o) einnehmen sowie zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Orientierungsschichten (17.u, 17.o) beider Substratplatten (11.u, 11.o) durch eine chirale Dotierung einen Verdrehwinkel ϕ aufweisen, und wobei das Produkt aus dem Plattenabstand (d) und der Anisotropie des Brechungsindex Δn zwischen 0,3 und 0,7 µm liegt, und dadurch gekennzeichnet,
- - daß das Produkt aus Plattenabstand (d) und Anisotropie des Brechungsindex Δn größer/gleich 0,45 und kleiner 0,65 µm ist,
- - daß die Beziehung zwischen dem spontanen
Twist-Pitch Ps und dem eingestellten Twist-Pitch Pc
von
0 ≧ (Pc-Ps)/Pc ≧ -0,6
gilt, - - daß der Verdrehwinkel ϕ zwischen 260 und 360° liegt,
- - daß der Anstellwinkel ϕ zwischen 7 und 25° liegt, und
- - daß im Flüssigkristallmaterial das Verhältnis der elastischen Konstanten K₃ zur elastischen Konstanten K₁ zwischen 1,4 und 0,6 liegt.
2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdrehwinkel ϕ größer 300° ist.
3. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1 oder Anspruch
2,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Flüssigkristallmaterial das Verhältnis von
Δε zu ε⟂ zwischen 1,6 und 3,2 liegt, wobei ε⟂ die
dielektrische Konstante senkrecht zur Längsachse der
Flüssigkristallmoleküle (18) ist und Δε sich aus
der Subtraktion von ε⟂ von der dielektrischen
Konstante parallel zur Längsachse der
Flüssigkristallmoleküle (18) ergibt.
4. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Verdrehwinkel ϕ 310° beträgt,
- - daß der Anstellwinkel Θ 12° beträgt, und
- - daß das Verhältnis vom K₃ zu K₁ kleiner/gleich 1,1 ist.
5. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Verdrehwinkel ϕ 310° beträgt,
- - daß der Anstellwinkel Θ 15° beträgt,
- - daß das Verhältnis von K₃ zu K₁ kleiner/gleich 1,2 ist.
6. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Verdrehwinkel ϕ 340° beträgt,
- - daß der Anstellwinkel Θ 22° beträgt, und
- - daß das Verhältnis von K₃ zu K₁ kleiner 1,0 ist.
7. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Polarisationsrichtung (P.u) des unteren Polarisators (19.u) zu der Orientierungsrichtung (η.u) der unteren Substratplatte (11.u) einen Winkel β einschließt, der der Formel β ≧ 45° + (α°/2)folgt, wobei α° die Differenz zwischen dem tatsächlichen Verdrehwinkel ϕ der Anzeige (10) und 270° ergibt,
- - daß die Polarisationsrichtung (P.o) des oberen Polarisators (19.o) zu der Orientierungsrichtung (η.o) der oberen Substratplatte (11.o) einen Winkel γ einschließt, der der Formel γ ≦ 45° - (α°/2)folgt, wobei α° die Differenz zwischen dem tatsächlichen Verdrehwinkel ϕ der Anzeige und 270° ergibt, und
- - daß der Winkel ρ zwischen der Polarisationsrichtung (P.u) des unteren Polarisators (19.u) und der Polarisationsrichtung (P.o) des oberen Polarisators (19.0) kleiner/gleich 90° ist.
8. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Winkel ρ kleiner 90° ist, und
- - daß die Winkeländerung von β auf β′ gleich der Winkeländerung von γ auf γ′ ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4340271A DE4340271A1 (de) | 1993-11-26 | 1993-11-26 | Flüssigkristallanzeige |
US08/333,749 US5561540A (en) | 1993-11-26 | 1994-11-03 | Liquid crystal display |
IT94TO000936A IT1267158B1 (it) | 1993-11-26 | 1994-11-22 | Visualizzatore a cristallo liquido. |
NL9401983A NL9401983A (nl) | 1993-11-26 | 1994-11-25 | Vloeibaar-kristalafbeeldinrichting. |
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DE4340271A DE4340271A1 (de) | 1993-11-26 | 1993-11-26 | Flüssigkristallanzeige |
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ID=6503476
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4340271A Withdrawn DE4340271A1 (de) | 1993-11-26 | 1993-11-26 | Flüssigkristallanzeige |
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DE (1) | DE4340271A1 (de) |
IT (1) | IT1267158B1 (de) |
NL (1) | NL9401983A (de) |
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- 1993-11-26 DE DE4340271A patent/DE4340271A1/de not_active Withdrawn
-
1994
- 1994-11-03 US US08/333,749 patent/US5561540A/en not_active Expired - Fee Related
- 1994-11-22 IT IT94TO000936A patent/IT1267158B1/it active IP Right Grant
- 1994-11-25 NL NL9401983A patent/NL9401983A/nl not_active Application Discontinuation
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DE4212744C2 (de) | TN-Zelle mit d. DELTAn zwischen 0,15 und 0,70 mum |
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