DE60133636T2 - Bistabile reflektionsanzeigevorrichtung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Flüssigkristallanzeigevorrichtungen.
• STAND DER TECHNIK
• Gemäß der physikalischen Natur des verwendeten Flüssigkristalls unterscheidet man Vorrichtungen mit nematischen, cholesterischen, smektischen, ferroelektrischen etc. Flüssigkristallen. Bei den nematischen Flüssigkristallen, die bevorzugter Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, verwendet man einen nematischen, achiralen oder chiralisierten Flüssigkristall zum Beispiel, indem man ein chirales Dotierungsmittel hinzufügt. Man erhält auf diese Weise eine spontan einheitliche oder leicht verdrehte (verdrillte) Textur, deren (Schrauben-)Steigung größer als einige Mikrometer ist. Die Orientierung und die Verankerung des Flüssigkristalls in der Nähe der Oberflächen sind durch Ausrichtungsschichten oder -behandlungen festgelegt, die auf die Substrate aufgebracht sind.
• Die Mehrheit der bis zum heutigen Tag vorgeschlagenen und realisierten Vorrichtungen sind monostabil. In Abwesenheit eines elektrischen Felds wird eine einzige Textur in der Vorrichtung realisiert. Sie entspricht einem absoluten Minimum der Gesamtenergie der Zelle. Unter dem Feld wird diese Textur kontinuierlich deformiert und ihre optischen Eigenschaften variieren in Abhängigkeit der angelegten Spannung. Beim Abschalten des Felds kommt der nematische Flüssigkristall erneut in die einzige monostabile Textur zurück. Der Fachmann erkennt unter diesen Systemen die verbreitesten Funktionsmodi der nematischen Anzeigen: nematisch verdrillt (TN), sehr stark verdrillt (STN), mit elektrisch gesteuerter Birefringenz (ECB), vertikal ausgerichtete nematische Flüssigkristalle (VAN), etc.
• Eine weitere Klasse nematischer Anzeigen ist die der bistabilen, multistabilen oder metastabilen nematischen Flüssigkristalle. In diesem Fall können wenigstens zwei unterschiedliche Strukturen, stabil oder metastabil in Abwesenheit des Felds in der Zelle realisiert werden, mit denselben Verankerungen auf den Oberflächen. Man bezeichnet im Allgemeinen als "bistabil" oder "multistabil" wenigstens zwei Zustände derselben Energie oder sehr naher Energie, die geeignet sind, quasi unbegrenzt in Abwesenheit einer äußeren Steuerung zu dauern. Hingegen bezeichnet man als "metastabil" Zustände unterschiedlicher Energieniveaus, die geeignet sind, nach einer beträchtlichen Zeit an Relaxation umzuschalten. Das Umschalten zwischen den beiden Zuständen wird durch das Anlegen geeigneter elektrischer Signale realisiert. Wenn der Zustand eingeschrieben ist, bleibt er in Abwesenheit des Felds dank der Bistabilität gespeichert. Diese Speicherfunktion (Gedächtnis) bistabiler Anzeigevorrichtungen ist für zahlreiche Anwendungen sehr attraktiv. Einerseits erlaubt sie eine sehr geringe Erneuerungsrate der Bilder, was sehr vorteilhaft ist, um den Verbrauch des tragbaren Geräte zu verringern. Andererseits stellt die Speicherfunktion für schnelle Anwendungen (zum Beispiel Video) eine sehr hohe Multiplexrate sicher, die eine Videoanzeige mit höher Auflösung erlaubt.
• Vor kurzem wurde eine neue bistabile Anzeigevorrichtung [Dokument 1] vorgeschlagen, die einen nematischen chiralisierten oder einen cholesterischen Flüssigkristall verwendet. Die beiden bistabilen Texturen, U (gleichmäßig oder leicht verdreht) und T voneinander verschieden um eine Drehung von ±180° und sind topologisch inkompatibel (1). Der spontane Schritt p₀ des nematischen wird gewählt 4 Mal die Dicke d der Zelle (p₀ ≅ 4·d), um die Energien von U und T im Wesentlichen gleich zu machen. Ohne Feld besteht kein anderer Zustand mit einer geringeren Energie: U und T weisen eine echte Bistabilität auf.
• Aufgrund der topologischen Inkompatibilität der beiden bistabilen Texturen ist es unmöglich, sie ineinander durch eine volumenkontinuierliche Verzerrung umzuwandeln. Das Umschalten zwischen U und T bedarf der Verankerungsübergänge auf den Oberflächen, die von einem äußeren starken Feld induziert werden. Oberhalb einer Schwelle des elektrischen Felds E_c (Bruchschwelle der Verankerung) wird eine fast homeotrope Textur (mit H in der 1 bezeichnet) erreicht, wobei wenigstens eine der Verankerungen auf den Substraten gebrochen wird: die Moleküle sind zum Plättchen in der Umgebung dieser Fläche senkrecht.
• Beim Ausschalten des Felds befinden sich die nematischen Moleküle in der Nähe der gebrochenen Fläche in einem instabilen Gleichgewicht, ohne irgendeine Verankerungskopplung und können entweder in ihre anfängliche Ausrichtung (welche dieselbe Textur wie die vor dem Anlegen des Felds realisiert) zurückkehren, oder sich um 180° drehen und nach der Relaxation eine Volumentextur mit einer zusätzlichen Drehung um 180° induzieren. Am Ende des Steuerimpulses wird die Zelle nach Wahl in den einen oder den anderen der bistabilen Zustände geführt, je nachdem, ob die Kopplung zwischen den Bewegungen der Moleküle nahe den beiden Flächen elastisch oder hydrodynamisch ist: die elastische Kopplung gibt einen Rücklauf in Richtung des Zustands U, die hydrodynamische Kopplung in Richtung des Zustands T.
• Damit die angezeigte Information auf der Vorrichtung erscheint, ist es notwendig, dass die realisierten Texturen unterschiedliche optische Eigenschaften haben. Die Mehrheit der Vorrichtungen arbeitet mit polarisiertem Licht und verwendet zusätzliche optische Elemente: Polarisatoren, Filter, Kompensationsplättchen, etc. Diese Elemente und ihre Ausrichtungen in Bezug auf die Verankerungen auf den beiden Flächen werden in Abhängigkeit der Konfiguration der Anzeigevorrichtung gewählt, um die relevanten optischen Leistungen zu optimieren: Kontrast, Helligkeit, Kolorimetrie, Sichtwinkel, etc.
• Für die monostabilen Anzeigen muss die Optimierung sich auf ein gesamtes Kontinuum von Zuständen richten, die unter einem mehr oder weniger starken Feld realisiert werden, weil diese Zustände während der gesamten Dauer eines Bilds angezeigt werden. Eine sehr große Anzahl von optischen Geometrien wurde für verschiedene Vorrichtungen (TN, STN, etc.) vorgeschlagen und realisiert, indem man die Besonderheiten jeder dieser Anzeigen berücksichtigte.
• Die Optik der bistabilen Anzeigevorrichtung mit Bruch der Verankerung ist sehr verschieden von der monostabiler Vorrichtungen. Zunächst werden während des Großteils der Dauer eines Bildes nur zwei Texturen in jedem Element der Anzeigevorrichtung realisiert: jene, die den zwei bistabilen Zuständen entsprechen. Die optimale Konfiguration muss einen maximalen Kontrast zwischen diesen beiden Texturen erlauben und zugleich die optischen Übergangseffekte während des Umschaltens wegen der schnellen Umschaltung durch Zwischenzustände unter dem Feld minimieren. Andererseits ist der Hauptunterschied zwischen den beiden bistabilen Texturen, die zusätzliche Drehung um 180°, kein zur Optimierung freier Parameter: er wird durch den physischen Mechanismus der Realisierung der beiden bistabilen Zustände verursacht. Außerdem benötigt das bistabile Umschalten ein starkes elektrisches Feld E > E_c (nahe bei 10 V/μm) und daher eine Steuerspannung U = E·d, die proportional zur Dicke d der Zelle ist. Die Flüssigkristallschicht muss daher hauchdünn (d ≅ 2–3 μm) sein, um die Steuerung durch angemessene Spannungen zu erlauben und die optische Optimierung muss diese Bedingungen berücksichtigen.
• Das Dokument I. DOZOV et al.: "FAST BISTABLE NEMATIC DISPLAY FROM COUPLED SURFACE ANCHORING BREAKING" Proceedings of the Spie, Bd. 3015, 1. Februar 1997 (1997-02-01), Seiten 61–69, XP001176910 beschreibt eine bistabile Anzeigevorrichtung, welche ein Flüssigkristallmaterial umfasst, das zwischen zwei Substraten platziert ist, wobei jedes der Substrate eine Elektrode und eine Ausrichtungsschicht trägt, wobei die Ausrichtungsschichten zwei stabile Zustände festlegen, wobei der eine Null-Drehung aufweist und der andere eine Drehung in der Größenordnung von 180° aufweist und einen Polarisator, der auf der Vorderseite der Vorrichtung platziert ist, wobei die optische Verzögerung gewählt ist, λ/2 zu sein, wobei λ die zentrale Wellenlänge des sichtbaren Spektrums ist.
• Das Dokument PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Bd. 2000, Nr. 03, 30. März 2000 (2000-03-30) & JP 11 344730 A (SAMSUNG DISPLAY DEVICES CO LTD), 14. Dezember 1999 beschreibt eine bistabile, reflektive Anzeigevorrichtung.
• GRUNDLAGE DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung hat nun zum Ziel, eine neue Anzeigevorrichtung auf der Grundlage von Flüssigkristallen vorzuschlagen, die bessere Eigenschaften aufweist als die von früheren bekannten Vorrichtungen.
• Dieses Ziel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung dank einer bistabilen Anzeigevorrichtung vom im angefügten Anspruch 1 definierten Typ erreicht.
• Die so gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene bistabile Reflexionsanzeige bietet zahlreiche Vorteile.
• Insbesondere kann sie ein Bild während einer sehr langen Zeit ohne irgendwelchen Energieverbrauch weder für ihr Funktionieren (sie ist bistabil) noch für ihr Erhellen (sie benötigt keine interne Lichtquelle) halten und anzeigen.
• Diese bistabile Reflexionsvorrichtung kann optimiert werden, indem verschiedene Parameter berücksichtigt werden. Mit einem einzigen Polarisator erlaubt sie mehrere Konfigurationen, die einen Kontrast von 50 bis 60 bei weißem Licht sicherstellen. Ohne Verlust an optischer Qualität erlaubt die Optimierung auch, eine minimale Dicke der Zelle zu verwenden, was das Umschalten schneller macht und die für das Umschalten notwendigen Steuerspannungen reduziert.
• Gemäß anderen Merkmalen der Erfindung:
• – umfasst das Flüssigkristallmaterial einen Flüssigkristall oder eine Flüssigkristallmischung in einer nematischen Phase,
• – umfasst das Flüssigkristallmaterial einen Flüssigkristall oder eine Flüssigkristallmischung in einer cholesterischen oder nematischen Phase, die mit einer chiralen Substanz dotiert ist, um zu erlauben, die Energien bestimmter Texturen unter den stabilen oder metastabilen Texturen anzunähern oder auszugleichen,
• – ist die optische Verzögerung dΔn der Flüssigkristallschicht in den Grenzen 0,20 λ₀ ÷ 0,32 λ₀, wobei λ₀ die mittlere Wellenlänge des Nutzspektralbandes ist,
• – ist der Polarisator ein linearer oder elliptischer Polarisator,
• – enthält wenigstens eine der Elektroden mehrere verschiedene Segmente, um zu erlauben, mehrere unabhängige Bildelemente (Pixels) auf denselben Substraten und in derselben Vorrichtung zu realisieren,
• – sind die unabhängigen Bildelemente (Pixels) mit unabhängigen Mitteln ausgestattet, um das Feld anzulegen,
• – sind die unabhängigen Bildelemente (Pixels) in einer passiven gemultiplexten Matrix organisiert,
• – sind die unabhängigen Bildelemente (Pixels) in einer aktiven gemultiplexten Matrix organisiert,
• – ist der Polarisator unter einem Winkel von etwa 45° in Bezug auf den Direktor des Flüssigkristalls auf der Vorderseite der Vorrichtung ausgerichtet ist,
• – ist der Drehwinkel der ersten Textur praktisch Null (ΔΦ ≅ 0),
• – ist die optische Achse des Kompensationsplättchens im Wesentlichen unter einem Winkel von 45° in Bezug auf den Polarisator orientiert,
• – führt der Flüssigkristall eine optische Verzögerung zwischen 100 nm und 180 nm ein,
• – führt das Kompensationsplättchen eine optische Verzögerung kleiner als 50 nm ein,
• – ist der Polarisator mit dem Kompensationsplättchen in der Form eines einzigen Elements kombiniert, um einen elliptischen Polarisator zu realisieren,
• – ist die Dicke des Flüssigkristallmaterials kleiner als 6 μm.
• Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung treten beim Lesen der detaillierten, folgenden Beschreibung und in Bezug auf die angefügten Zeichnungen zutage, die als nicht einschränkende Beispiele gegeben werden, und in denen:
• die oben beschriebene 1 schematisch die drei Zustände darstellt, die geeignet sind, mit einer Anzeige gemäß dem Stand der Technik erreicht zu werden,
• die 2 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
• die 3 den Hin- und Rückweg des Lichts, dank eines Reflektors, in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schematisiert,
• die 4 und 5 verschiedene Gleichungslösungen in Abhängigkeit der Orientierung des Polarisators schematisieren, die im Folgenden erklärt werden,
• die 6 einen speziellen Ast einer Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die einen guten Kontrast im weißen Licht gibt,
• die 7 die Reflektivität R um den ersten Ast darstellt, die aus d, Δn und ΔΦ fix bei variablem λ₀/λ berechnet wird,
• die 8 die Reflektivitäten R(P, λ₀/λ) von "weißen" Zuständen für einen gegebenen Lösungsast darstellt,
• die 9 die Reflektivität zweier Zustände in Abhängigkeit von λ/λ₀ für eine optimale Konfiguration der Reflexionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
• die 10 kolorimetrische Kurven darstellt, die für eine Standardquelle D65, in Abhängigkeit von d·Δn berechnet sind,
• die 11 den berechneten Kontrast bei weißem Licht darstellt,
• die 12 schematisch in Perspektive eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, die ein zusätzliches Kompensationsplättchen umfasst,
• die 13 und 14 verschiedene Optimierungslösungen darstellen, die im Folgenden erklärt werden,
• die 15 die Reflektivität entsprechender gedrehter Zustände darstellt, und
• die 16 die Reflektivität zweier Zustände darstellt.
• BESCHREIBUNGSTEIL
• Wie die anderen Reflexionsanzeigen können die bistabilen Vorrichtungen in zahlreichen Konfigurationen mit einem einzigen oder mit zwei Polarisatoren, mit einem oder mehreren Kompensationsplättchen, etc. realisiert werden.
• In der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung einen einzigen Polarisator, der auf dem Weg des Lichts platziert ist, auf der Vorderseite der Vorrichtung. Diese Konfiguration hat den wichtigen Vorteil einer maximalen Helligkeit, weil sie die Lichtverluste wegen eines etwaigen zweiten Polarisators minimiert.
• Die einfachste Konfiguration der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst nur, wie in der 2 veranschaulicht, einen Polarisator 10 auf der Vorderseite und einen Spiegel 50 auf der Rückseite der Flüssigkristallschicht 30, die zwischen zwei Substraten 20, 40 platziert ist, die auf ihren Innenseiten mit Elektroden ausgestattet sind, ohne jegliches ergänzendes optisches Element (zum Beispiel ein Kompensationsplättchen).
• In der 2 ist die Orientierung des Polarisators 10 mit 12 bezeichnet, wobei die Ausrichtungsrichtungen, die jeweils auf jedem der beiden Substrate 20, 40 festgelegt sind, mit 22 und 42 bezeichnet (das heißt ein Torsionswinkel ΔΦ) sind und es sind die beiden Zustände U und T schematisiert, die geeignet sind, vom Flüssigkristallmaterial 30 belegt zu werden.
• Um die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu optimieren, kann man mit allen Parametern spielen, welche die optischen Eigenschaften der Anzeige festlegen: der Drehwinkel ΔΦ₀ der Textur im Zustand U mit geringer Drehung (|ΔΦ₀| ≤ 180°), die zusätzliche Drehung ±180° im zweiten bistabilen Zustand T, die Orientierung P des Polarisators in Bezug auf die Ausrichtung des Flüssigkristalls 30 auf der Vorderseite 20 (–90° ≤ P ≤ 90°), die Dicke d des Flüssigkristallmaterials 30, das zwischen die beiden Substrate 20 und 40 platziert ist und die Birefringenz Δn des Flüssigkristalls.
• Diese Parameter werden gewählt, um optimale optische Leistungen der Vorrichtung, insbesondere Kontrast, Leuchtdichte, Kolorimetrie, etc. zu erreichen.
• Eine Besonderheit der bistabilen Anzeigevorrichtungen ist die Tatsache, dass der größte Teil der Zeit über nur zwei Zustände realisiert sind und daher nur diese beiden bistabilen Zustände optisch optimiert werden müssen.
• Es wird dargelegt, dass im Allgemeinen, für egal welche Orientierung P des Polarisators 10 mehrere Lösungen optimale optische Leistungen bringen werden. Die Wahl zwischen diesen Lösungen wird erlauben, auch das Umschalten des Flüssigkristalls zu optimieren, zum Beispiel indem die Dicke d der Schicht 30, ohne Verlust optischer Qualität verringert wird.
• Allerdings benötigen die bistabilen Vorrichtungen das Anlegen eines sehr starken elektrischen Felds E, von etwa 10 V/μm, verursacht von den gewöhnlichen sehr erhöhten Schwellen der Brechungen der Verankerungen. Die Steuerspannungen U = dE sind daher sehr groß in Bezug auf traditionelle Anzeigen. Eine Verringerung der Dicke erlaubt, U um denselben Faktor zu verringern.
• Die optischen Zeiten der Relaxation nach dem Umschalten, proportional zu d², werden auch vorteilhaft zu geringem D verkürzt, was für schnelle Anwendungen, zum Beispiel für die Video-Anzeige, sehr wichtig ist.
• Schließlich wird das Umschalten der bistabilen nematischen von den hydrodynamischen Scherströmungen gesteuert, die am Ende des Steuerimpulses und von den geringen elastischen Kopplungen zwischen den Flächenverankerungen gestartet werden. Eine geringe Dicke des Flüssigkristalls verstärkt die hydrodynamischen und elastischen Kopplungen und begünstigt daher ein effiziente Steuerung der Anzeigevorrichtung.
• Der Fachmann versteht die Wichtigkeit der in dieser Erfindung dargestellten optimalen Konfiguration, die erlaubt, gleichzeitig die optische Qualität, die Schnelligkeit die Steuergeschwindigkeit und das Umschalten der Vorrichtung zwischen den beiden bistabilen Zuständen zu verbessern.
• Für eine gleichmäßig verdrehte Textur, deren Steigung deutlich größer als die Wellenlänge des Lichts ist, wenn die Propagierung parallel zur Gewindeachse ist, existieren wohlbekannte analytische Formeln [Dokument 2], die mit einer guten Approximation die optischen Eigenschaften des Systems beschreiben. Indem man den doppelten Weg des Lichts in der Vorrichtung (wie sie in der 3 schematisch dargestellt ist) berücksichtigt und indem man einen perfekten Polarisator 10 und einen perfekten Spiegel 50 annimmt, erhalten wir die folgenden Formeln für die Reflektivität der Anzeige: R = 1 – cos2(ε)cos2(2P – α) (1)wobei

  

  ε und α sind Funktionen der integrierten Birefringenz des Flüssigkristalls d·Δn, der Wellenlänge des Lichts λ, des Drehwinkels des Zustands ΔΦ und der Orientierung des Polarisators P.
• Um einen optimalen Kontrast bei monochromatischem Licht zu erhalten, muss einer der bistabilen Zustände, der Drehung ΔΦ oder ΔΦ ± π schwarz (R = 0) sein. Für jede Orientierung des Polarisators 10 weist die Gleichung (1) eine Reihe von Lösungen (ζ_k, ΔΦ_k) auf, die diese Bedingung (4 und 5) sicherstellen. Die ersten Äste (k = 0,1,2 oder 3) der Lösungen ζ_k(P) und ΔΦ_k(P) sind in den 4 und 5 dargestellt, wo man sich der Einhachheit halber auf Orientierungen des Polarisators 10 beschränkt: –45° ≤ P ≤ +45° und zur Drehung der Zelle: ΔΦ < 0. Die Lösungen mit ΔΦ > 0 entsprechen 45° ≤ P ≤ 135° und können in derselben Figur durch die Transformation

  

  erreichet werden.
• Alle diese Lösungen entsprechen einem unendlichen Kontrast bei monochromatischem Licht mit λ₀ = d·Δn/ζ_k. In der Praxis verlangt man von einer Anzeige einen guten Kontrast auch bei weißem Licht sicherzustellen, d. h. wenn λ um λ_k (wenn P und ΔΦ) muss R bei etwa Null bleiben.
• Der erste Ast (ζ₀, ΔΦ₀)_, der in der 6 dargestellt ist, genügt am besten diesem Kriterium und entspricht einem Kontrast bei weißem Licht sehr viel größer als den anderen Ästen. Weiter unten wird man nur diese Lösung betrachten.
• In der 7 ist die Reflektivität R um den ersten Ast dargestellt, der berechnet wurde, wobei d, Δn und ΔΦ fix und λ₀/λ variabel sind. Damit P zwischen –10° und +45° (oder zwischen 45° und 100°, falls ΔΦ < 0) ist das Fenster, das einer niedrigen Reflektivität um den Ast entspricht, breit und fast unabhängig von P. Dieser Bereich entspricht einer optimalen optischen Qualität des schwarzen Zustands der Anzeige bei weißem Licht (geringe mittlere Reflektivität und geringe Abhängigkeit von λ).
• Man sieht, dass in dieser Konfiguration die Optimierung des schwarzen Zustands keine spezielle Orientierung des Polarisators 10 verursacht, sondern nur –10° ≤ P ≤ +100°. Man kann daher die Wahlfreiheit von P verwenden, um mit gleicher optischer Qualität, die Dicke d der Flüssigkristallschicht 30 zu optimieren, eine minimale Dicke, die günstig ist, um das Umschalten zu verbessern.
• In der 5 sieht man direkt, dass diese minimale Dicke d = λ/(4·Δn) erreicht wird für P = 45° und dass sie langsam im Bereich +15° < P < +75° variiert.
• Diese Dicke ist zwei Mal kleiner als der optimale Wert bei Transmission (Durchlässigkeit) [Dokument 1] oder Reflexion mit zwei Polarisatoren.
• Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt daher, mit P bei etwa 45°, die Steuerspannungen um einen Faktor zwei zu senken, während man gleichzeitig eine gute optische Qualität beibehält. Die Relaxationszeiten nach dem Abschalten des Felds sind durch vier geteilt und können in der Größenordnung einer Millisekunde werden, kompatibel mit der hochauflösenden Videoanzeige.
• Für den "weißen" bistabilen Zustand der Vorrichtung verlangt man eine starke Reflektivität, vorzugsweise R = 1, und eine schwache Wellenlängendispersion. Diese beiden Bedingungen stellen eine maximale Leuchtdichte und eine gute Kolorimetrie des weißen Zustands dar. Der einzige Unterschied zwischen dem schwarzen Zustand (bereits optimiert) und dem (zu optimierenden) weißen Zustand ist eine zusätzliche Drehung von ±180°.
• In der 8 werden die Reflektivitäten R(P, λ₀/λ) der "weißen" Zustände dargestellt, die einem Nullast des bereits optimierten schwarzen Zustands entsprechen. Man sieht, dass in allen Fällen R etwa 1 ist und sehr wenig von λ₀/λ für +15° < P < +75° abhängt.
• Dies bestätigt das Interesse an der optimalen Konfiguration des bistabilen Reflexionsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung mit P = ±45°, d – λ₀/4·Δn (oder λ₀ nahe der Mitte der Durchlassbreite der Anzeigevorrichtung gewählt ist) und ΔΦ ≅ 0 für den Zustand geringer Drehung. Allerdings optimiert diese Konfiguration nicht nur die Optik der beiden bistabilen Zustände, sondern erlaubt auch, eine minimale Dicke der Flüssigkristallschicht 30 zu verwenden und verbessert folglich das Umschalten zwischen den beiden Zuständen.
• In der 9 wird die Reflektivität der beiden Zustände für P = 45°, in Abhängigkeit von λ/λ₀ für die optimale Konfiguration der Reflexionsvorrichtung dargestellt.
• Die Reflektivität des weißen Zustands oder Textur T(ΔΦ = 180°) variiert sehr langsam um λ = λ₀. Hingegen hat der schwarze Zustand oder Textur U(ΔΦ = 0°) eine nicht vernachlässigbare Dispersion R(λ), die den Kontrast bei weißem Licht verringert und einen schwarz gefärbten Zustand ergibt.
• In der 10 sind die kolorimetrischen Kurven dargestellt, die für eine Standardquelle D65 in Abhängigkeit von d Δn berechnet werden. Der helle Zustand (ΔΦ = 180°) ist sehr nahe am perfekten Weiß, aber der dunkle Zustand (ΔΦ = 0) ist gefärbt.
• Der im weißen Licht (11) berechnete Kontrast ist optimal (∼57) für dΔ·n = 137 nm, was einer sehr dunkelblauen Farbe vom dunklen Zustand ΔΦ = 0 entspricht.
• Gemäß einer wie in der 12 veranschaulichten Variante umfasst eine zusätzliche Verbesserung der bistabilen, in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Reflexionsanzeige ein Kompensationsplättchen 60 geringer optischer Dicke, das zwischen den Polarisator 10 und den Reflektor 50, im Innern oder im Äußeren der Vorrichtung, eingeführt ist. Die optische Achse 62 dieses uniaxialen Kompensationsplättchens 60 wird im Wesentlichen bei 45° in Bezug auf den Polarisator 10 gewählt.
• Der Unterschied des optischen Wegs, der vom Kompensator 60 in einem einzigen Durchgang des Lichts durch ihn eingeführt wird, ist d_cΔn_c, wobei d_c seine Dicke und Δn_c seine (positive oder negative) Birefringenz. Die entsprechende Phasenwinkelverschiebung ist festgelegt durch δ_c = 2πd_cΔn_cλ₀, wobei λ₀ die Wellenlänge des Lichts im Zentrum des Spektralbands ist, für die die Vorrichtung optimiert werden muss.
• Qualitativ ist die Rolle des Kompensationsplättchens 60 von geringer Phasenverschiebung die folgende. Es wurde bereits erläutert, dass die optimale optische Konfiguration der Vorrichtung einer optischen Dicke des Zustands U von etwa d·Δn = λ₀/4 entspricht. Trotzdem ist es für das Umschalten der Vorrichtung vorzuziehen, die Dicke d des nematischen Flüssigkristalls 30 möglichst stark herabzusetzen. Diese beiden Bedingungen können gleichzeitig erfüllt werden, indem man einen Teil der Phasenverschiebung des Flüssigkristalls 30 durch eine Phasenverschiebung ersetzt, die von dem Kompensationsplättchen 60 eingeführt wird: d'·Δn + δc = λ0/4wobei d' < λ₀/(4·Δn) eine geringere Dicke ist. Der schwarze Zustand in diesem Fall wird seine optischen Eigenschaften bewahren. Die Kolorimetrie und die Helligkeit des weißen Zustands werden leicht verschlechtert, aber dieser unerwünschte Effekt kann durch die optimale Wahl der Parameter P und ΔΦ aufgefangen werden, falls die Phasenverschiebung δc = 2πd_cΔn_c/λ₀ klein (<< 1 Radiant) ist.
• In den 13 und 14 sind die ersten Äste der Lösungen ζ(P, δ) und ΔΦ(P, δ) dargestellt, berechnet für R(ΔΦ) = 0 und für δ = –10°,0°,+10° und +20°.
• In der 15 wird die Reflektivität der entsprechenden gekrümmten Zustände R(ΔΦ – π) dargestellt (ähnliche Ergebnisse werden für ΔΦ + π erhalten).
• Der Fachmann versteht dank dieser Figuren, dass die Einführung einer geringen positiven Phasenverschiebung (δ ≅ 15°) erlaubt, noch mehr die Dicke der Flüssigkristallschicht 30 zu verringern.
• Für eine größere Phasenverschiebung wird der helle Zustand ΔΦ ± π zunehmend weniger hell und stark farbig, was die optische Qualität der Anzeige verringert.
• In der 16 werden die Reflektivitäten der beiden Zustände ΔΦ und ΔΦ – π, die für ΔΦ = –25,4°, P = 30°, δ = 15°, λ₀ = 560 nm, ζ(λ₀) = 0.217 in Abhängigkeit von λ₀/λ. Diese Konfiguration, die zu einer optischen Qualität optimiert wurde, die vergleichbar zum Fall ohne Kompensator 60 (δ₀ = 0) ist, erlaubt zugleich eine um 15% dünnere Dicke der Flüssigkristallschicht 30.
• In den vorstehenden Berechnungen wird angenommen, dass die Dispersion dΔn_c/dλ des Kompensators 60 ähnlich zu jener dΔn/dλ des Flüssigkristalls 30 selbst ist. In der Praxis kann die sinnvolle Wahl der Dispersion des Kompensators 60 (zum Beispiel mit dem entgegengesetzten Vorzeichen) zusätzliche Vorteile bringen, insbesondere eine geringere Disperson der schwarzen Zustands der Vorrichtung und daher einen besseren Kontrast bei weißem Licht.
• Ausführungsbeispiel:
• Ein nichteinschränkendes Beispiel der in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Vorrichtung wurde von den Erfindern realisiert und studiert. Um seine Vorteile darzulegen, wurde es mit einer bistabilen Zelle durch den für die Transmissionsanzeige optimierten Bruch der Verankerung verglichen.
• In den beiden Fällen ist eine der Verankerungen auf den Flächen 20, 40 stark und mit einem Neigungswinkel von ungefähr 30° (rasche Verdunstung von SiO bei 85°). Auf der anderen Fläche wurde eine schwächere ebene Verankerung durch Verdunstung von SiO bei 75° eingerichtet. Der kommerzielle nematische Flüssigkristall 5CB (Merck) wurde chiralisiert, indem das chirale Dotierungsmittel S 811 (Merck) hinzugefügt wurde. Die für jede der beiden Zellen eingehaltene Konzentration wurde angepasst, um einen spontanen Schritt der Mischung P₀ = 4·d (d = 1.5 μm für die Transmissionszelle gemäß dem Stand der Technik und d = 0.85 μm für die Reflexionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung) zu erhalten.
• Die statischen Schwellen des Bruchs der Verankerung, die auf dem schwachen Verankerungsplättchen für die beiden Zellen gemessen wurden, waren vergleichbar (E_c = 7 V/μm). Das reproduzierbare Umschalten zwischen den beiden bistabilen Zuständen U und T wurde mit denselben elektrischen Signalen für die beiden Vorrichtungen realisiert, aber mit sehr verschiedenen Spannungen: U = 18 V für die Transmissionszelle gemäß dem Stand der Technik (d = 1.5 m) und U = 8 V für die Reflexionszelle, die in der vorliegenden Erfindung (d = 0.85 μm) vorgeschlagen wird. Die Zeiten optischer Relaxation nach dem Umschalten, die in der Reflexionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung (τ = 2 ms) gemessen werden, sind auch deutlich unter denen in der Transmissionszelle gemäß dem Stand der Technik (τ = 6 ms). Diese Ergebnisse bestätigen das groß angelegte Interesse, das die in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Reflexionskonfiguration darstellt.
• [1] FR-A-2 740 894
• [2] Appl. Phys. Lett. 51 (18) Nov 1987 "Optical properties of general twisted nematic liquid-crystal displays", H. L. Ong.
• Figurenlegende
• Fig. 4

  Orientation du polariseur

  Orientierung des Polarisators

  Fig. 5

  Angle de torsion ΔΦ [°]	Drehwinkel ΔΦ [°]
  Orientation du polariseur	Orientierung des Polarisators

  Fig. 8

  Etat tordu de ΔΦ0 + π	um ΔΦ0 + π verdrehter Zustand
  Etat tordu de ΔΦ0 + π	um ΔΦ0 + π verdrehter Zustand

  Fig. 9

  Reflectivitè	Reflektivität
  Etat noir – texture U	schwarzer Zustand – Textur U
  Etat blanc – texture T	weißer Zustand – Textur T

  Fig. 10

  Etat noir – texture U	schwarzer Zustand – Textur U
  Etat blanc – texture T	weißer Zustand – Textur T
  Lumière monochromatique	monochromatisches Licht
  Diagramme de cromaticitè CIE 1964	Chromatizitätsdiagramm CIE 1964
  (illuminateur standard D65)	(Standardilluminator D65)

  Fig. 11

  Contraste en lumière blanche

  Kontrast bei weißem Licht

  Fig. 13

  Orientation du polariseur P [°]

  Orientierung des Polarisators P [°]

  Fig. 14

  Orientation du polariseur P [°]	Orientierung des Polarisators P [°]
  Angle de torsion ΔΦ(P, δ) [°]	Drehwinkel ΔΦ(P, δ) [°]

  Fig. 15

  Orientation du polariseur P [°]	Orientierung des Polarisators P [°]
  Reflectivitè	Reflektivität

  Fig. 16

  Reflectivitè	Reflektivität
  Texture U	Textur U
  Texture T	Textur T

Claims (16)

1. Bistabile Anzeigevorrichtung, umfassend: a) ein Flüssigkristallmaterial (30), das zwischen zwei parallelen Substraten (20, 40) enthalten ist, die auf ihren inneren gegenüberliegenden Flächen mit Elektroden ausgestattet sind, um zu erlauben, ein elektrisches Feld an dem Flüssigkristall anzulegen, wobei wenigstens das frontale Substrat (20) und die frontale Elektrode optisch transparent sind, b) Ausrichtungsschichten oder Ausrichtungsbehandlungen auf den Elektroden, die den Flüssigkristall ausrichten und die abwechselnde Realisierung wenigstens zweier unterschiedlicher stabiler oder metastabiler Texturen in Abwesenheit des Felds erlauben, wobei eine der Texturen entweder nicht verdreht ist oder um einen Gesamtwinkel zwischen –90° und +90° verdreht ist und die andere Textur eine zusätzliche Verdrehung um einen Winkel von etwa 180° aufweist, c) Mittel, die ausgelegt sind, um am Flüssigkristall elektrische Signale anzulegen, die erlauben, durch Bruch der Verankerung an wenigstens einer der beiden Substrate zwischen den verschiedenen Texturen zu wechseln und in einer dazwischen nach der Entfernung des Feldes zu bleiben, d) einen Polarisator (10), der zur Vorderseite der Vorrichtung gehört und im Inneren oder im Äußeren dieser platziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit Reflexion arbeitet, dass die Dicke d der Flüssigkristallschicht (30) so gewählt ist, dass die optische Verzögerung d·Δn zwischen 0.15λ₀ und 0.35λ₀ liegt, wobei λ₀ die mittlere Wellenlänge des Nutzspektralbands der Anzeige und Δn die Birefringenz des Flüssigkristalls für diese Wellenlänge ist, und dass der Polarisator in einem Winkel zwischen 15° und 75° in Bezug auf den Direktor des Flüssigkristalls auf der Vorderseite der Vorrichtung ausgerichtet ist, und dass die Vorrichtung ferner umfasst e) ein spiegelndes oder streuendes Reflexionselement (50), das auf der Hinterseite des Flüssigkristalls im Inneren oder im Äußeren der Vorrichtung platziert ist und dem Licht erlaubt, zwei Mal in die Vorrichtung einzutreten und zu einem Be obachter oder zu zusätzlichen optischen Elementen zurückzukehren und dass ein Kompensationsplättchen (60) in den optischen Weg zwischen den Polarisator (10) und dem Reflektor (50), im Inneren oder im Äußeren der Vorrichtung, mit einer optischen Verzögerung ΔI kleiner als λ₀/12 eingeführt wird, wobei λ₀ die mittlere Wellenlänge des Nutzspektralbandes ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial (30) einen Flüssigkristall oder eine Flüssigkristallmischung in einer nematischen Phase umfasst.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial (30) einen Flüssigkristall oder eine Flüssigkristallmischung in einer cholesterischen oder nematischen Phase umfasst, die mit einer chiralen Substanz dotiert ist, um zu erlauben, die Energien bestimmter Texturen unter den stabilen oder metastabilen Texturen anzunähern oder auszugleichen.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Verzögerung d Δn der Flüssigkristallschicht (30) in den Grenzen 0,20·λ₀ bis 0,32·λ₀ ist, wobei λ₀ die mittlere Wellenlänge des Nutzspektralbandes ist.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator (10) ein linearer oder elliptischer Polarisator ist.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden mehrere verschiedene Segmente enthält, um zu erlauben, mehrere unabhängige Bildelemente (Pixel) auf denselben Substraten und in derselben Vorrichtung zu realisieren.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unabhängigen Bildelemente (Pixel) mit unabhängigen Mitteln ausgestattet sind, um das Feld anzulegen.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die unabhängigen Bildelemente (Pixel) in einer passiven gemultiplexten Matrix organisiert sind.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die unabhängigen Bildelemente (Pixel) in einer aktiven gemultiplexten Matrix organisiert sind.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator (10) in einem Winkel von etwa 45° in Bezug auf den Direktor des Flüssigkristalls auf der Vorderseite der Vorrichtung ausgerichtet ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionswinkel der ersten Textur praktisch Null (ΔΦ = 0) ist.
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (62) des Kompensationsplättchens im Wesentlichen unter 45° in Bezug auf den Polarisator (10) ausgerichtet ist.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkristall (30) eine optische Verzögerung zwischen 100 nm und 180 nm einführt.
14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsplättchen (60) eine optische Verzögerung kleiner als 50 nm einführt.
15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator (10) mit dem Kompensationsplättchen (60) in der Form eines einzigen Elements kombiniert ist, um einen elliptischen Polarisator zu realisieren.
16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Flüssigkristallmaterials (30) kleiner als 6 μm ist.