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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Verzögerungsfolie
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich ebenfalls auf eine Flüssigkristall-Wiedergabeanordnung, die
mit einer derartigen Verzögerungsfolie
versehen ist. Wiedergabeanordnungen dieser Art werden im Allgemeinen
in beispielsweise Monitoren, Fernsehapplikationen und beispielsweise
Wiedergabeanordnungen in Kraftwagen und für Instrumente verwendet.
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Eine Wiedergabeanordnung der eingangs beschriebenen
Art ist bekannt aus EP 0.576.342 A1. In dieser Wiedergabeanordnung
wird eine Kompensationsfolie, bestehend aus einer optisch anisotropen Schicht
aus einem Polymermaterial mit einer spiralförmigen Ordnung benutzt zum
Kompensieren einer Doppelbrechung und zum Erhalten eines hohen Kontrastes
in einer verdreht nematischen Wiedergabeanordnung. Das Polymermaterial
ist derart geordnet, dass eine molekulare Spirale unterschieden
werden kann, wobei die Achse der Spirale mit der Schicht einen Winkel
einschließt.
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Wiedergabeanordnungen aber mit derartigen
Kompensationsfolien werden in der Praxis schon bald zu dick. Die
Verzögerungsschicht
nach der vorliegenden Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf,
dass die optisch anisotrope Schicht vorzugsweise eine Sägezahnstruktur
auf wenigstens einer der Begrenzungsoberflächen hat. In einer Anordnung, wobei
viele Pixel verwendet werden, ist die Steigung der Sägezahnstruktur
vorzugsweise der Größenordnung
der Pixelgröße, oder
kleiner.
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Wenn die zwei Begrenzungsflächen mit
einer Sägezahnstruktur
versehen sind, können
die Sägezahnrichtungen,
d. h. die Richtungen, in denen die einzelnen Zähne in Dicke zunehmen, gedreht
werden, beispielsweise um 90° gegenüber einander. Eine
derartige Struktur hat eine kleinere Verzögerung (Differenz in der optischen
Weglänge
für den
gewöhnlichen
und den außergewöhnlichen
Lichtstrahl, auch ausgedrückt
als Δn,
wobei d: Dicke des Materials, Δn:
optische Anisotropie).
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Die optisch anisotrope Schicht kann
auf alternative Weise aus Teilschichten bestehen; so kann beispielsweise
die Schicht eine uniaxiale Folie als Teilschicht enthalten.
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Die optisch anisotrope Schicht kann
auch eine Schicht aus polymerisiertem dikotischem Flüssigkristallmaterial
enthalten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schnitt durch einen Teil einer Flüssigkristall-Wiedergabeanordnung nach
der vorliegenden Erfindung,
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2 einen
Teil der Anordnung nach 1,
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3 eine
schematische Darstellung des optischen Verhaltens der Anordnung
nach 2 mit Indikatrizen,
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4 eine
schematische Darstellung einer Anzahl Abwandlungen der Anordnung
nach 1,
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5 die
Strukturformel einer Flüssigkristall-Zusammensetzung,
wie diese in einer optisch anisotropen Schicht mit einer cholesterischen
Ordnung verwendet wird,
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6 eine
Darstellung des etwaigen externen Einflusses des Direktormusters
in einer derartigen optisch anisotropen Schicht während der
Herstellung,
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7 eine
Darstellung einer etwaigen Verteilung in dem Direktormuster nach
einem derartigen externen Einfluss, und
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8 eine
schematische Darstellung, wie die Winkelabhängigkeit mit Hilfe der optisch
anisotropen Schicht bei verschiedenen Spannungen in der Übertragungs-/Spannungskennline
reduziert wird.
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1 ist
ein schematischer Schnitt durch einen Teil einer Flüssigkristall-Wiedergabeanordnung wobei
eine Flüssigkristallzelle 1 mit
einem verdreht nematischen Flüssigkristallmaterial 2 zwischen
zwei Substraten 3, 4 aus beispielsweise Glas,
versehen mit Elektroden 5, 6 vorgesehen ist. Die
Anordnung umfasst weiterhin zwei Polarisatoren 7, 8,
deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen. Die
Anordnung umfasst weiterhin (nicht dargestellte) Orientierungsschichten,
die das Flüssigkristallmaterial
auf den Innenwänden
der Substrate orientieren, in diesem Beispiel in der Richtung der
Polarisationsachsen der Polarisatoren, so dass die Zelle einen Drehwinkel
von 90° hat.
In diesem Fall hat das Flüssigkristallmaterial
eine positive optische Anisotropie und eine positive dielektrische
Anisotropie. Wenn die Elektroden 5, 6 mit einer
elektrischen Spannung versehen werden, orientieren sich die Moleküle und folglich
die Direktoren sich zu dem Feld. In dem Idealfall sind alle Moleküle folglich
im Wesentlichen senkrecht zu den zwei Substraten (Situation 11 in 2). In der Praxis aber erforderi
diese Situation eine zu hohe Spannung; bei üblichen Spannungen erstrecken
sich die Moleküle
in einem kleineren Winkel zu der Normalen auf den Substraten 3, 4,
entsprechend der Situation 12 in 2. Von der Richtung 13 aus gesehen
ist der Gesichtswinkel nahezu in der Richtung der Moleküle, so dass
die genannte Winkelabhängigkeit
noch immer auftritt für
Licht, dass dennoch bei dieser Spannung übertragen wird. Diese Winkelabhängigkeit
kann mit Hilfe der "optischen Indikatrix" erläuteri werden, eine dreidimensionale
geometrische Darstellung der Brechzahl für jede Richtung, worin der
Vektor des elektrischen Feldanteils des Lichtes schwingen kann.
Für optisch
isotropes Material ist es konvex, für biaxiales Material ist es
ein Ellipsoid und für
uniaxiales Material ist ein Ellipsoid mit einer axialen Symmetrie.
Da im Idealfall das Flüssigkristallmaterial
in dem angeregten Zustand im Wesentlichen durch die ganze Dicke
hindurch uniaxial ist, (in im Wesentlichen allen Molekülschichten,
ausgenommen für
einige Molekülschichten
in der Nähe
des Substrats, sind die Moleküle
senkrecht zu den Substraten) kann die Situation 11 nach 2 mit Hilfe der Indikatrix
14 in 13 mit einer Ellisoidform und
der Hauptachse quer durch die Flüssigkristallschicht
dargestellt werden, wobei die Brechzahl nz senkrecht
zu den Substraten größer ist
als die in den Ebenen parallel zu den Substraten (nx =
ny).
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Da die Flüssigkeit nicht isotrop ist,
gibt es Doppelbrechung. Es zeigt sich, dass diese Doppelbrechung
mit einer Indikatrix 15 in 3 eine
Ellipsoidform hat und eine Achse schräg zu der Flüssigkristallschicht, wobei
die Brechzahl nz senkrecht zu den Substraten
kleiner ist als in den Ebenen parallel zu den Substraten (nx = ny). Die Kompensationsschichten,
wie in EO-A 0.372.973 beschrieben, können derart hergestellt werden,
dass die zugehörende
Indikatrix diese Bedingung erfüllt.
Eine derartige Kompensationsschicht umfasst ein cholesterisches
Material, wobei die Molekularachse der Spirale sich quer zu der
Schicht erstreckt, so dass das Direktormuster, gesehen quer zu der
Schicht, rotationssymmetrisch ist.
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Für
die mehr praktische Situation 12 aus 2 hat die Indikatrix 14' eine
Hauptachse, die sich in einem kleinen Winkel zu der Achse quer zu
der Flüssigkristallschicht
erstreckt; als wäre
sie etwas verdreht. Eine Kompensationsschicht9 zwischen dem Flüssigkristallmaterial
und dem Polarisator 8 mit der Indikatrix 15, die
für die
Situation 11 optimal ist, wird in diesem Fall nur wenig
Effekt haben.
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Die vorliegende Erfindung schafft
optisch anisotrope Kompensationsschichten 9 mit einer derartigen
Indikatrix 15', dass die Doppelbrechung für die mehr
praktische Einstellung von beispielsweise der Situation 12 fast
völlig
kompensiert wird; die Indikatrix 15' ist gleichsam auf
dieselbe Art und Weise gegenüber
der Hauptachse verdreht wie die Indikatrix 14'. Gesehen
in einer Richtung senkrecht zu den Substraten erlangt das Direktormuster
in der optisch anisotropen Schicht auf diese Weise ein nicht-rotationssymmetrisches
Muster.
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Das Direktormuster in der optisch
anisotropen Schicht kann selber rotationssymmetrisch sein, beispielsweise
wenn eine cholesterische Folie mit einer optisch anisotropen Schicht,
wie in EP-A 0.423.881 beschrieben, verwendet wird. Auf alternative
Weise können
diskotische (scheibenförmige) Flüssigkristall-Materialien
als Basismaterial für
die anisotrope Kompensationsschicht 9 verwendet werden.
Diese diskotischen Moleküle
können
mit reaktiven Gruppen versehen sein zum Polymerisieren der Materialien.
Mit Hilfe von Polymerisation und abhängig beispielsweise von der
Temperatur oder von anderen Umgebungsbedingungen kann die gewünschte Ordnung
vorgesehen werden. Auch hier wird wieder eine Schicht mit einer
Brechzahl nz erhalten quer zu der anisotropen
Kompensationsschicht und die kleiner ist als die in den Ebenen parallel
zu der anisotropen Kompensationsschicht (nx =
ny).
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Dadurch, dass diese Folie 9 leicht
gekippt wird (4a) wird
ein gebrochenes Direktormuster erhalten, dies gesehen quer zu den
Substraten. Um Reflexionen zu vermeiden kann der Zwischenraum mit
einem Material 10 gefüllt
werden, das die gleich Brechzahl hat wie das Substratmaterial oder
wie das Folienmaterial, beispielsweise UV-polymerisiertes ethoxyliertes Bisphenol-A
Diakrylat.
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Bei größeren Abmessungen wird eine
derartige Konstruktion sehr dick. Für die Prozedur zum Herstellen
der cholesterischen Filter, nämlich
das Anbringen eines Flüssigkristall-Monomers
als Dünnfilm auf
Substraten, wie in 5 dargestellt
und das nachfolgende (Photo)Polymerisieren, gibt es eine Anzahl
Abwandlungen, die zu günstigen
Resultaten führen,
wie in 6 dargestellt. So kann beispielsweise
die Herstellungsprozedur basieren auf sägezahnförmigen Substraten basieren,
was zu einer Folie 9 führt,
wie in 4b dargestellt.
Die resultierende optisch anisotrope Schicht hat nun eine Sägezahnstruktur
an beiden Seiten, wobei die langen Seiten des Sägezahns sich in einem kleinen
Winkel zu den Substraten 3, 4 erstrecken. Wenn
während
der Herstellung keine Sondermaßnahmen getroffen
werden, richten die Direktoren der Moleküle des cholesterischen Flüssigkristallmaterials,
aus dem die Folie 9 hergestellt ist, sich parallel zu diesen
langen Seiten, was mit Hilfe der Schattenstruktur in der optisch
anisotropen Schicht (Folie) 9 in den 1 und 4 dargestellt
ist. Die optische Achse der Folie 9 trifft nun nicht länger zusammen
mit der optischen Achse der durch das Flüssigkristallmaterial 2 und
die Substrate 3 gebildeten Flüssigkristallzelle (weil das
Direktorprofil in wenigstens einem Teil der optisch anisotropen Schicht
in einem Winkel zu den Grenzflächen
vorgesehen ist, wobei die Grenzflächen als eine Oberfläche betrachtet
wird, welche die Folie quer zu der Folie begrenzt, während Oberflächenstörungen,
wie die Zähne
des Sägezahns
in diesem Beispiel ignoriert werden) und folglich sich in einem
Winkel zu einer Richtung quer zu den Substraten und in einem Winkel
zu den Substraten erstrecken. Das Direktorprofil in der Folie hat
auf diese Weise eine gebrochene Symmetrie, gesehen quer zu dem Substrat 3, 4.
Um optische Störung
durch das Sägezahnmuster
zu vermeiden, wird die Steigung des Sägezahns kleiner gewählt als
die Abmessung eines Pixels der Wiedergabeanordnung. Die Sägezahnmuster
an beiden Seiten der Folie kann gegenüber einander gedreht werden, beispielsweise über 90 Grad.
Die gesamte Struktur hat eine kleinere Verzögerung.
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Die Sägezahnstruktur kann auf alternative Weise
auf einer einzigen Grenzfläche
vorgesehen werden, so dass eine Abschrägungsverformung in der Folie 9 eingeführt wird
(4c). Die Direktoren haben
dann einen Winkel zu einer Ebene parallel zu den Substraten über einen
Teil der Dicke der Folie, so dass wieder eine gebrochene axiale
Symmetrie erhalten wird. Dasselbe kann dadurch erreicht werden, dass
während
der Herstellung flache Substrate verwendet werden und dadurch, dass
eine Vorkippung an einer oder an beiden Flächen induziert wird, wenn das
flüssige
cholesterische Material vorgesehen wird; beim nachfolgenden "Freezing"
(Netting) der Struktur wird diese Struktur derart beibehalten, dass wieder
eine Anzahl Direktoren einen Winkel zu einer Ebene parallel zu den
Substraten hat und eine gebrochene Symmetrie erhalten wird.
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Die anisotropen Schichten auf Basis
diskotischer Flüssigkristallmaterialien
können
auch eine derartige Struktur erhalten. Die Direktoren der diskotischen
Moleküle
erstrecken sich nun in einem Winkel zu der Normalen und, gesehen
quer zu den Substraten 3, 4, hat die Folie wieder
eine gebrochene Symmetrie.
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Die Sägezahnstruktur kann wieder
an einer einzigen Grenzfläche
angebracht werden, so dass eine Biegeverformung in der Folie 9 eingeführt wird. Die
Direktoren wer den nicht quer zu den Substraten über einen Teil der Dicke der
Folie gerichtet, so dass wieder eine gebrochene axiale Symmetrie
erhalten wird.
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Während
der Photopolymerisation kann es ein elektrisches Feld geben, angegeben
durch den Pfeil 18 in 6a,
senkrecht zu den Flächen 16 in diesem
Beispiel, in dem die Direktoren 17 sich befinden (bei der
Herstellung cholesterische Schichten). Unter dem Einfluss dieses
Feldes (das beispielsweise auf Elektroden parallel zu der zu bildenden Schicht,
in der möglicherweise
eine der Elektroden auf dem Substrat der Flüssigkristallzelle angeordnet sein
kann, vorgesehen ist) werden die Moleküle gekippt. Zum Kippen aller
Moleküle
in derselben Richtung (einheitliche Kipping) wird vorzugsweise ein Substrat
verwendet, das eine Vorkippung auf dieselbe Art und Weise induziert,
wie oben beschrieben worden ist. Wenn Kippung mit Hilfe eines Magnetfeldes
induziert wird, kann diese schräg
zu der Oberfläche 16 orientiert
werden, wie durch den Pfeil 19 in 6b angegeben.
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Ohne Sondermaßnahmen befindet sich der Direktor
längs einer
Spirale quer zu der Kompensationsschicht, die eine kleine Steigung
gegenüber
der Dicke der Kompensationsschicht hat. Ein derartiger Kompensator
hat axiale Symmetrie, d. h. alle Richtungen des Direktors treten
in einem im Wesentlichen gleichen Ausmaß auf: es gibt keine Vorliebe
für einen bestimmten
Azimuthwinkel ϑ . Die ist mit Hilfe einer gestrichelten
Linie in 7 dargestellt.
Diese axiale Symmetrie kann dadurch gebrochen werden, dass die cholesterische
Schicht während
der Polymerisation einem sich quer zu der Schicht erstreckenden
Magnetfeld ausgesetzt wird, so dass eine Vorliebe für bestimmte
Azimuthwinkel eingeführt
wird, was mittels der Linie 21 in 7 dargestellt ist.
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Das Ausmaß an Symmetrie kann dadurch gesteigert
werden, dass eine uniaxiale Folie hinzugefügt wird, die eine kleine Δn zu der
Folie 9 hat; dies kann beispielsweise das Substrat sein,
auf dem die monomere Schicht vorgesehen ist (beispielsweise (gestrafftes)
Zellulosetriazetat oder (gestrafftes) Polycarbonat). Auf alternative
Weise kann die Schicht etwas gestrafft werden, nachdem die Polymerisation teilweise
beendet worden ist, während
die Doppelbrechung des gestrafften Substrats, auf dem die monomere
Schicht vorgesehen ist, ebenfalls zu dem Bruch der Symmetrie beitragen
kann.
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Die letzt genannten Maßnahmen
(Beeinflussung mit einem elektrischen oder magnetischen Feld, das
Anbringen einer uniaxialen Folie mit einer geringen Doppelbrechung,
das Straffen der Schicht) kann auch zur Zerstörung der axialen Symmetrie
in der Folie benutzt werden in Schichten auf Basis diskotischer
Materialien.
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Das Ausmaß an "Brechung" der Symmetrie wird
ebenfalls durch den Spannungsbereich bestimmt, in dem Doppelbrechung
kompensiert werden muss zum Erhalten einer kompletten Vernichtung.
So kann beispielsweise ein Bereich 22 in der Übertragungs/Spannungskurve
um eine bestimmte Spannung Vcomp (8a) gewählt werden, worin die Position
der Direktoren in dem Flüssigkristallmaterial
von derjenigen, dargestellt in der Situation 11 nach 2 kaum abweicht. In diesem
Fall reicht eine etwas gebrochene Symmetrie. Wenn ein Bereich 22' in
der Übertragungs/Spannungskurve
um eine bestimmte Spannung Vcomp (8b) gewählt wird, worin die Position
der Direktoren in dem Flüssigkristallmaterial von
derjenigen in der Situation 11 aus 2 wesentlich abweicht, muss eine viel
stärker
gebrochene Symmetrie verwendet werden. Eine optimale Vernichtung
kann nötigenfalls
durch Drehung der Kompensationsschicht gegenüber der Flüssigkristallschicht erhalten
werden. Auf alternative Weise kann die anisotrope Schicht 9 mit
Gebieten versehen werden, die eine mehr oder weniger gebrochene
Symmetrie haben. In den ersten Gebieten ist die Blickwinkelabhängigkeit
dann etwas überkompensiert,
während
sie in den anderen Gebieten etwas unterkompensiert ist. Die Größe der Gebiete
ist kleiner als die eines Pixels. Auf diese Weise wird eine symmetrische
Blickwinkelabhängigkeit
erhalten.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht
auf die dargestellten Beispiele. So können beispielsweise eine Anzahl
Folien (anisotrope Schichten) 9 eine hinter der anderen
vorgesehen werden, wobei beispielsweise jede derselben eine andere
bestimmte Spannung Vcomp kompensieren kann.
Auf alternative Weise können
beispielsweise zwei Folien an verschiedenen Seiten der Flüssigkristallschicht
vorgesehen werden.
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Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung
eine Flüssigkristall-Wiedergabezelle mit
einer oder mehreren Kompensationsschichten und, gesehen quer zu
der Zelle, einem gebrochenen (nicht rotationssymmetrischen) Brechzahlmuster
oder Indikatrix. Zum Erhalten einer kleinen Winkelabhängigkeit
ist die zugehörende
Doppelbrechung der Kompensationsschicht komplementär zu derjenigen,
die mit einer bestimmten Spannung an der Flüssigkristallzelle assoziiert
ist. Die Kompensationsschicht kann verschiedenartig hergestellt
werden, und zwar durch Verwendung cholesterischer oder diskotischer Folien
für diese
Schicht.