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Die
Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeigeeinrichtung
mit einer Flüssigkristallanzeigezelle,
die eine Schicht aus nematischem Flüssigkristallmaterial, die sich
zwischen zwei mit Elektroden versehenen Substraten befindet, sowie
zumindest einen Polarisator und zumindest eine optisch anisotrope
Schicht aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Retardierungsfolie
oder Retardierungsschicht zur Verwendung in beispielsweise Flüssigkristallanzeigeeinrichtungen.
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Derartige
Anzeigeeinrichtungen werden im Allgemeinen beispielsweise in Monitoren,
Fernsehanwendungen und beispielsweise Anzeigeeinrichtungen in Kraftfahrzeugen
und Flugzeugen und für
Instrumente verwendet. Die Folien (und Retardierungsschichten) können auch
in winkelinvarianten optischen Retardierungseinrichtungen verwendet
werden.
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Ein
Anzeigeeinrichtung der eingangs beschriebenen Art ist aus EP-A-0
423 881 (PHN 13.108) bekannt. In dieser Anmeldung wird eine Kompensationsfolie,
die eine optisch anisotrope Schicht aus einem Polymermaterial mit
cholesterischer Ordnung umfasst, verwendet, um Verfärbung in
einer verdrillt-nematischen Anzeigeeinrichtung zu verhindern und
einen hohen Kontrast zu erhalten. Das Polymermaterial ist so geordnet, dass
eine molekulare Helix zu erkennen ist, wobei die Achse der Helix
quer zur Schicht gerichtet ist.
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Anzeigeeinrichtungen,
in denen derartige Kompensationsfolien verwendet werden, haben jedoch noch
immer eine große
Winkelabhängigkeit,
d. h. der Kontrast ist sehr stark vom Winkel abhängig, unter dem, und der Richtung,
von der aus die Anzeigeeinrichtung betrachtet wird, wenn nicht die
Steigung der Helix des Polymermaterials sehr klein gewählt wird.
Herstellung solcher Polymere mit einer cholesterischen Helix mit sehr
kleiner Steigung erfordert sehr umständliche Prozessschritte, weil
jedes Mal ein einziges Stereoisomer isoliert werden muss, um die
gewünschte
molekulare Drehung zu erhalten, während außerdem die für diesen Zweck
geeigneten Materialien sehr kostspielig sind.
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Der
Erfindung liegt unter anderem als Aufgabe zugrunde, Anzeigeeinrichtungen
der eingangs beschriebenen Art zu verschaffen, bei denen die Winkelabhängigkeit
erheblich verringert ist, während
die optisch anisotrope Schicht (Retardierungsfolie) in einfacher
Weise und mit preiswerten Materialien hergestellt werden kann. Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine (Retardierungs-)Folie zu
verschaffen, die in derartigen Anzeigeeinrichtungen verwendet werden
kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist eine erste erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung dadurch
gekennzeichnet, dass die optisch anisotrope Schicht konform den
Oberflächenstrukturen
ist, auf denen sie mittels Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht
worden ist.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass die Abscheidung aus der Gasphase, die an
sich optisch isotrop ist, zu (gewöhnlich polymeren) doppelbrechenden
Schichten führt,
die außerdem
eine „konforme" Beschichtung" auf der Oberfläche bilden.
Insbesondere Poly-p-xylylen (PPX) oder ein Derivat davon ist für diesen Vorgang
geeignet.
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Eine
erste Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der optisch
anisotropen Schicht unter einem Winkel zu einer Richtung quer zu
den Substraten verläuft.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Flüssigkristallanzeigeeinrichtung
mit einer Flüssigkristallanzeigezelle, die
eine Schicht aus nematischem Flüssigkristallmaterial,
die sich zwischen zwei mit Elektroden versehenen Substraten befindet,
sowie zumindest einen Polarisator und zumindest eine optisch anisotrope
Schicht umfasst, in der die optische Achse der optisch anisotropen
Schicht unter einem Winkel zu einer Richtung quer zu den Substraten
verläuft,
ist dadurch gekennzeichnet, dass die optisch anisotrope Schicht
Poly-p-xylylen oder ein
Derivat davon umfasst.
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Wie
zuvor erwähnt,
kann das Poly-p-xylylen (PPX) mit Hilfe von Pyrolyse eines zyklischen
Dimers in einfacher Weise in der Gasphase aufgebracht werden. Der
so erhaltene Polymerfilm bildet eine „konforme Beschichtung", was bedeutet, dass
die doppelbrechenden Schichten konform den Oberflächenstrukturen
sind, auf denen die Abscheidung erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass
keine Planarisierung infolge von Oberflächenspannungen eingebracht
wird, wie es bei einer Abscheidung aus einer Lösung vorkommt. Vorzugsweise
wird ein chloriertes Poly-p-xylylen (PPX)-C verwendet.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in der Praxis und bei
der maximalen Spannung am Flüssigkristallmaterial
die Direktoren in diesem Material noch unter einem kleinen Winkel
zur Richtung senkrecht zu den Substraten verlaufen. Daher ist die
Doppelbrechung für
verschiedene Betrachtungswinkel unterschiedlich und in Bezug auf
eine Richtung senkrecht zu den beiden Substraten nicht symmetrisch,
was für
die Winkelabhängigkeit
eines Flüssigkristalls
mit nematischer Struktur verantwortlich ist. Diese Winkelabhängigkeit kann
zwar mit Hilfe einer Kompensationsfolie verringert werden; wenn
jedoch in der oben beschriebenen Anordnung, in der die optische
Achse der anisotropen Schicht quer zu den Substraten gerichtet ist,
eine Kompensationsfolie verwendet wird, ist die Kompensation für eine isotrope
Flüssigkristallschicht
optimal, d. h. eine Situation, in der die Direktoren senkrecht zu
den Substraten gerichtet sind. In der Praxis kommt diese Situation nur
bei sehr hohen Spannungen vor (wobei die Tatsache, dass die Moleküle so auf
den Substraten verankert sind, dass dies dicht bei den Substraten
unmöglich
ist, noch vernachlässigt
wird).
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Indem
gemäß der zweiten
Ausführungsform
die optische Achse der optisch anisotropen Schicht, gemittelt über die
Schicht aus nematischem Flüssigkristallmaterial
bei einer gegebenen Spannung, nahezu parallel zur Richtung der Direktoren
der Flüssigkristallmoleküle gewählt wird,
wird die Winkelabhängigkeit
der gesamten Einrichtung so geändert,
dass Lichtbündel,
die in dem Flüssigkristall
eine große
Doppelbrechung erfahren haben (bei einer bestimmten Ansteuerungsspannung,
der „gegebenen
Spannung"), durch
die Doppelbrechung in der Kompensationsschicht stärker kompensiert
werden als Lichtbündel,
die in dem Flüssigkristall eine
kleine Doppelbrechung erfahren haben. Die optische Achse in der
Kompensationsschicht ist jetzt gleichsam nahezu parallel zur mittleren
Richtung der Direktoren in der Schicht aus Flüssigkristallmaterial. In Abhängigkeit
von der gewählten
Spannung kann der Winkel der optischen Achse der optisch anisotropen
Schicht in Bezug auf die Richtung quer zu dem Pixel bei bestimmten
Ausführungen
der Erfindung angepasst werden. Die „gegebene Spannung" wird vorzugsweise
so gewählt,
dass die beschriebene Kompensation der Doppelbrechung in einem Bereich
nahe der Durchlässigkeit
null stattfindet; beispielsweise wird zu diesem Zweck die Spannung
in der Spannung/Durchlässigkeit-Kennlinie
verwendet, bei der 10% der maximalen Durchlässigkeit auftritt.
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Die
optische anisotrope Schicht hat vorzugsweise auf zumindest einer
ihrer Grenzflächen
eine Oberflächenstruktur,
beispielsweise eine Sägezahnstruktur.
Bei einer Einrichtung, die eine Vielzahl von Pixeln verwendet, liegt
der Mittenabstand der Sägezahnstruktur
vorzugsweise in der Größenordnung
der Pixelgröße oder
kleiner.
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Dieser
Schichttyp kann als Teil einer Anzeigeeinrichtung aufgebracht sein,
aber auch als eine Beschichtung auf einer (Mikro-)Linsenstruktur
oder optischen Einrichtung.
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Wenn
auf beiden Grenzflächen
eine Sägezahnstruktur
angebracht ist, können
die Sägezahnrichtungen,
d. h. die Richtungen, in denen die einzelnen Zähne in der Dicke zunehmen,
zueinander gedreht werden, beispielsweise um einen Winkel mit der
Größe des Verdrillungswinkels
der Flüssigkristallschicht
und vorzugsweise um 90°.
Eine solche Struktur hat eine kleinere Retardierung (Differenz der
optischen Weglänge
für das ordentliche
und außerordentliche
Lichtbündel,
auch als d·Δn ausgedrückt, mit
d: Dicke des Materials, Δn:
optische Anisotropie) für
senkrecht einfallendes Licht, während
die Winkelabhängigkeit
infolge einer winkelabhängigen
Brechzahl kompensiert wird.
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Die
optisch anisotrope Schicht kann auch Teilschichten umfassen, beispielsweise
kann die Schicht eine uniaxiale Folie als Teilschicht umfassen.
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Eine
erfindungsgemäße (Retardierungs-)Folie
mit einer optisch anisotropen Schicht ist dadurch gekennzeichnet,
dass die optisch anisotrope Schicht Parylen umfasst (Poly-p-xylylen
(PPX)).
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt eines Teils einer erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeigeeinrichtung,
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2 einen
Teil der Einrichtung von 1,
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3 schematisch
das optische Verhalten der Einrichtung von 2, mit Indikatrizen,
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4 schematisch eine Anzahl von Varianten
der Einrichtung von 1,
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während 5 Strukturformeln eines Materials zeigt,
das in einer optisch anisotropen Schicht verwendet wird und
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6 schematisch zeigt, wie die Winkelabhängigkeit
mit Hilfe der optisch anisotropen Schicht bei verschiedenen Spannungen
in der Durchlässigkeit/Spannungkennlinie
verringert wird.
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1 ist
ein schematischer Querschnitt eines Teils einer Flüssigkristallanzeigeeinrichtung
mit einer Flüssigkristallzelle 1 mit
einem verdrillt-nematischen Flüssigkristallmaterial 2,
das sich zwischen zwei Substraten 3, 4 aus beispielsweise
Glas befindet, versehen mit Elektroden 5, 6. Die
Einrichtung umfasst weiterhin zwei Polarisatoren 7, 8,
deren Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander gekreuzt sind.
Die Einrichtung umfasst weiterhin Orientierungsschichten (nicht
abgebildet), die das Flüssigkristallmaterial
auf den Innenwandungen des Substrats orientieren, in diesem Beispiel
in Richtung der Polarisationsachsen der Polarisatoren, sodass die
Zelle einen Verdrillungswinkel von 90° hat. In diesem Fall hat das
Flüssigkristallmaterial
eine positive optische Anisotropie und eine positive dielektrische
Anisotropie. Falls notwendig umfasst die Einrichtung Farbfilter, wobei
die Elektroden 5, 6 über aktive Schaltelemente oder
nicht über
aktive Schaltelemente, wie z. B. Dioden oder Transistoren, erregt
werden können.
Wenn die Elektroden 5, 6 mit einer elektrischen
Spannung erregt werden, richten sich die Moleküle und damit die Direktoren
in dem Feld aus. Im Idealfall stehen dann alle Moleküle nahezu
senkrecht zu den zwei Substraten (Situation 11 in 2).
In der Praxis erfordert diese Situation jedoch eine zu hohe Spannung;
bei üblichen
Spannungen verlaufen die Moleküle
unter einem kleinen Winkel zur Normalen auf die Substrate, 3, 4,
was der Situation 12 in 2 entspricht.
Aus der Richtung 13 gesehen liegt die Betrachtungsrichtung
viel mehr in der Richtung der Moleküle, sodass für Licht,
das bei dieser Spannung noch durchgelassen wird, die genannte Winkelabhängigkeit
weiterhin auftritt. Diese Winkelabhängigkeit kann mit Hilfe der „optischen
Indikatrix" erklärt werden,
einer dreidimensionalen geometrischen Repräsentation der Brechzahl für jede Richtung,
in der der Vektor der elektrischen Feldkomponente des Lichtes schwingen kann.
Für optisch
isotropes Material ist sie beispielsweise konvex, für biaxiales
Material ist sie ein Ellipsoid und für uniaxiales Material ist sie
ein Ellipsoid mit axialer Symmetrie. Da im Idealfall das Flüssigkristallmaterial
im angesteuerten Zustand nahezu über
seine gesamte Dicke uniaxial ist (in nahezu allen Molekülschichten,
außer einigen
Molekülschichten
nahe den Substraten, stehen die Moleküle senkrecht zu den Substraten),
kann die Situation von 2 mit Hilfe der Indikatrix 14 in 3,
mit ellipsoider Form und der Hauptachse quer zur 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, tritt Doppelbrechung auf. Es kann gezeigt werden,
dass diese Doppelbrechung mit einer Retardierungsfolie oder Kompensati onsschicht 9 mit
einer Indikatrix 15 in 3 mit einer
ellipsoiden Form und einer Achse quer zur Flüssigkristallschicht kompensiert
werden kann, wobei die Brechzahl nz senkrecht
zu den Substraten kleiner ist als die in den Ebenen parallel zu
den Substraten (nx = ny). Eine
solche Schicht oder Folie kann als polymerisiertes Poly-p-xylylen
(PPX) realisiert werden, was schematisch in 5a gezeigt
wird. Dies kann erhalten werden, indem ein zyklisches Dimer dieses
Materials im Vakuum bei einer Temperatur von zwischen 100 und 200°C in die
Gasphase gebracht wird und indem es als Gas durch einen Pyrolyse-Ofen
(600 bis 700°C)
geleitet wird. Das Dimer zersetzt sich dann in ein Monomer, das bei
Raumtemperatur kondensiert und polymerisiert. Für das betreffende Polymer kann
auch chloriertes Poly-p-xylylen
(PPX-C) gewählt
werden (siehe 5b), das weniger Verfärbung aufweist.
Die betreffenden Schichten können
auf einem optisch isotropen Material aufgebracht werden, wie z.
B. Glas oder Zellulosetriacetatfolie, aber sie können auch als separate Filme
ausgeführt
werden. Solche Filme erweisen sich als anisotrop, wobei die Brechzahl
nz senkrecht zu dem Film (dem Substrat)
kleiner ist als die Brechzahlen in den Ebenen parallel zu dem Film
(Substrat) (nx = ny).
Tabelle 1 zeigt die Differenz der optischen Weglänge für zwei solche Filme (Δn = nz – nx = nz – ny).
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Mit
diesen Schichten kann eine befriedigende Kompensation der verbleibenden
Doppelbrechung erhalten werden, wobei die Schichten in einfacher
Weise hergestellt werden können.
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Für die praktischere
Situation 12 in 2 hat die Indikatrix 14' (3)
eine Hauptachse, die mit der Achse quer zur Flüssigkristallschicht einen kleinen
Winkel bildet; sie ist gleichsam geringfügig gekippt. Eine Kompensationsschicht 9 zwischen
dem Flüssigkristallmaterial 2 und
dem Polarisator 8, mit Indikatrix 15, die für die Situation 11 optimal
ist, wird in diesem Fall eine relativ geringe Wirkung haben.
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Die
Erfindung verschafft optisch anisotrope Kompensationsschichten 9,
die vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise eine solche Indikatrix 15' haben, dass
die Dop pelbrechung für
die praktischere Einstellung von beispielsweise Situation 12 nahezu
vollständig
kompensiert wird; die Indikatrix 15' wird gleichsam in Bezug auf die
Hauptachse in gleicher Weise gekippt wie die Indikatrix 14'. Die optische
Achse der optisch anisotropen Schicht verläuft somit unter einem Winkel
zur Richtung senkrecht zu den Substraten, indem diese Folie 9 geringfügig gekippt
wird (4a). Um Reflexionen zu minimieren
kann der Zwischenraum mit einem Material 10 aufgefüllt werden,
das die gleiche Brechzahl wie das Substratmaterial hat, und das
Kompensationsmaterial ist beispielsweise ein Epoxidharz, basiert
auf Bisphenol-A, das mit Hilfe eines Amins oder eines Anhydrids
thermisch ausgehärtet
wird, oder ein ethoxyliertes Bisphenol-A Diacrylat, das bei Vorhandensein
eines Fotoinitiators mit Hilfe von UV-Licht ausgehärtet wird.
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Bei
größeren Abmessungen
wird eine solche Konstruktion sehr dick. Für den Prozess der Herstellung der
Retardierungsfilter auf Substraten gibt es jedoch eine Anzahl von
Varianten, die günstige
Resultate ergeben. Beispielsweise kann der Herstellungsprozess auf
sägezahnförmigen Substraten
beruhen, was zu einer Folie 9 führt, wie in 4b gezeigt.
Die resultierende optisch anisotrope Schicht hat jetzt an beiden
Seiten eine Sägezahnstruktur,
wobei die langen Seite des Sägezahns
mit den Substraten 3, 4 einen kleinen Winkel bilden. Die
optische Achse der Folie 9 fällt jetzt nicht mehr mit der
optischen Achse der von dem Flüssigkristallmaterial 2 und
den Substraten 3 gebildeten optischen Achse der Flüssigkristallzelle
zusammen. Um optische Störungen
durch die Sägezahnstruktur
zu vermeiden, wird der Mittenenabstand der Sägezähne kleiner gewählt als die
Abmessung eines Pixels der Anzeigeeinrichtung. Die Sägezahnmuster
können
an beiden Seiten der Folie zueinander gedreht sein, beispielsweise
um 90°.
Die Struktur von 4b hat dann eine kleinere Retardierung.
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Die
Sägezahnstruktur
kann auch nur auf einer Grenzfläche
aufgebracht sein (4c). Statt einer Sägezahnstruktur
kann auch eine davon abweichende periodische Struktur gewählt werden,
beispielsweise eine Struktur mit einem variierenden Krümmungsradius,
wie mit den gestrichelten Linien 17 und 13 in 4b bzw. 4c gezeigt
wird.
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Das
Ausmaß der
Asymmetrie kann erhöht
werden, indem zu der Folie 9 eine uniaxiale Folie mit einem kleinen Δn hinzugefügt wird;
dies können
beispielsweise die Substrate sein, auf denen die Monomerschicht aufgebracht
wird (beispielsweise Polycarbonat). Auch kann die Schicht leicht
gedehnt werden, nachdem die Polymerisation teilweise beendet ist,
wobei auch die Doppelbrechung des gedehnten Substrats, auf dem die Monomerschicht
aufgebracht wird, ein Beitrag sein kann.
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Das
Ausmaß der „Schräge der optischen
Achse" wird auch
durch den Spannungsbereich bestimmt, indem Doppelbrechung kompensiert
werden muss, um vollständige
Auslöschung
zu erhalten. Beispielsweise kann um eine gegebene Spannung Vcomp herum (6a) ein
Bereich 22 in der Durchlässigkeit/Spannung-Kurve gewählt werden,
bei dem die Position der Direktoren in dem Flüssigkristallmaterial kaum von
der in 2 gezeigten Situation 11 abweicht. In
diesem Fall reicht eine geringfügig
gebrochene Symmetrie aus. Wenn in der Durchlässigkeit/Spannung-Kurve um
eine gegebene Spannung V'comp herum (6a) ein
Bereich 22' gewählt wird,
bei dem die Position der Direktoren in dem Flüssigkristallmaterial erheblich
von der in der Situation 11 von 2 abweicht,
muss eine viel schrägere
Position der optischen Achse der anisotropen Schicht 9 verwendet
werden. Optimale Auslöschung
kann erhalten werden, indem erforderlichenfalls die Kompensationsschicht
in Bezug auf die Flüssigkristallschicht
gedreht wird.
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Obwohl
die Erfindung anhand einer Flüssigkristallzelle
vom verdrillt-nematischen
Typ beschrieben worden ist, kann sie auch für Zellen verwendet werden,
die auf Dispersion beruhen, beispielsweise einen Flüssigkristall
mit einem dichroistischen Farbstoff. In diesem Fall reicht ein einziger
Polarisator aus.
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Insgesamt
verschafft die Erfindung eine Flüssigkristallanzeigezelle
mit einer Kompensationsschicht aus (Polymer-)Material, das aus der
Gasphase abgeschieden wird, wie z. B. (chloriertes) polymerisiertes
Poly-p-xylylen (PPX). Um eine kleinere Winkelabhängigkeit zu erhalten, kann
die Doppelbrechung der Kompensationsschicht komplementär zu derjenigen
gemacht werden, die zu einer gegebenen Spannung an einer Flüssigkristallzelle
gehört,
indem man die optische Achse der Kompensationsschicht in Bezug auf
die Richtung quer zur Zelle einen Winkel bilden lässt.
