DE4340271A1 - Flüssigkristallanzeige - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf passiv angesteuerte Flüssigkristallanzeigen, insbesondere auf solche, die sich durch eine geringe Blickwinkelabhängigkeit von Kontrast und Weißeindruck auszeichnen.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.

Kurze Beschreibung der Figuren

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.

Wege zum Ausführen der Erfindung

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

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

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.