EP0958524A1 - Flüssigkristallanzeige mit mehreren bildpunkten - Google Patents

Flüssigkristallanzeige mit mehreren bildpunkten

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Publication number
EP0958524A1
EP0958524A1 EP98906830A EP98906830A EP0958524A1 EP 0958524 A1 EP0958524 A1 EP 0958524A1 EP 98906830 A EP98906830 A EP 98906830A EP 98906830 A EP98906830 A EP 98906830A EP 0958524 A1 EP0958524 A1 EP 0958524A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid crystal
crystal display
display according
layer
delay layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98906830A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christina Heinmueller
Gunther Haas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0958524A1 publication Critical patent/EP0958524A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/13363—Birefringent elements, e.g. for optical compensation
    • G02F1/133634—Birefringent elements, e.g. for optical compensation the refractive index Nz perpendicular to the element surface being different from in-plane refractive indices Nx and Ny, e.g. biaxial or with normal optical axis

Definitions

  • the invention relates to a liquid crystal display with a plurality of pixels consisting of a liquid crystal cell and polarizers according to the preamble of claim 1.
  • Liquid crystal displays have become known in a wide variety of embodiments. However, STN and TN liquid crystal cells are used most frequently. STN stands for Super Twisted Nematic and TN for Twisted Nematic.
  • Twisted Nemetic is intended to express the fact that a twisted nematic liquid crystal phase is used.
  • FIG. 3 a and 3 b The structure of a conventional TN display is shown in Figure 3 a and 3 b.
  • a liquid crystal is enclosed between two glass plates, each of which is coated with a transparent electrode.
  • the liquid crystal molecules are indicated by elongated rods. With the help of an orientation layer, the liquid crystal molecules are oriented in such a way that they are arranged in a helical manner, twisted by 90 °, between the substrates.
  • Polarizing filters are attached to the outside of the glass plates, the transmissive preferred direction of which is shown in FIG. 3 by a double arrow. Located on the side of the light the polarizer, on the side of the light exit the analyzer. In the voltage-free state of the cell shown in FIG.
  • the angle ⁇ has a value range from 0 to ax. 90 ° and shows how far the viewing angle is inclined out of the normal of the liquid crystal display.
  • the conoscope diagram provides a clear representation of the functions of ⁇ and ⁇ (cf. Fig. 5).
  • ⁇ and ⁇ cf. Fig. 5
  • Inclination angle ⁇ and the angle ⁇ are shown on a circular disk, where ⁇ corresponds to the radial component and ⁇ to the azimuth. Both the results for the grayscale inversion and the contrast values can now be entered in this diagram.
  • a region is generally defined as a suitable viewing angle region (cross-hatched and longitudinally hatched area in FIG. 5) in which a minimum contrast is not undershot (see. Cross-hatched area in FIG. 5) and additionally no grayscale inversion occurs (see FIG. 5, hatched area).
  • the boundary line of the contrast surface is referred to as the ISO contrast curve.
  • a conventional TN liquid crystal display without special measures only has a very narrow suitable viewing angle range (cross-hatched and longitudinally hatched area).
  • a compensation layer is proposed to enlarge the viewing angle range.
  • this comprises a discotic retardation film which is produced from a discotic liquid crystal.
  • Such a film is optically uniaxial, the ordinary refractive index n 0 being greater than the extraordinary one
  • the delay V R d R • (n e - n 0) negative (d R is the thickness of the film).
  • the retardation value of these films is equal in magnitude to the retardation value of the liquid crystal layer, but has the opposite sign.
  • the delay layer described in the application in addition to compensating for the birefringence by the beam material in the liquid crystal, compensates in particular for a birefringence caused by the liquid crystal edge molecules on the substrate surface of the liquid crystal cell, which have a certain angle of attack (pre-tilt) to the substrate surface.
  • the discotic retardation film must always be adapted to the orientation of the liquid crystal for a desired compensation effect. If such a film is applied between the cell and the polarizing filter, the suitable viewing angle range can be significantly improved.
  • Another possibility of improving the suitable viewing angle range is to compensate for the asymmetry in the viewing angle dependency of the contrast and with regard to the viewing angle dependency of the grayscale inversion (cf. FIG. 5).
  • This asymmetry is caused by the non-symmetrical alignment of the liquid crystal molecules.
  • One method of obtaining a symmetrical viewing angle range for the liquid crystal cell is to subdivide each pixel into two subpixels, each with an opposite orientation of the liquid crystal molecules, so that the viewing angle range of the first subpixel is rotated by 180 ° with respect to the viewing angle range of the second subpixel ( Figure 7, 2-domain method, KH Yang: Record 1991 Int. Display Res. Conf., San Diago, California).
  • each sub-pixel is given a different orientation, in which e.g. B. on a substrate side with diagonally adjacent sub-pixel regions, the liquid crystal edge molecules are oriented rotated by 180 ° relative to one another (cf. FIG. 10).
  • the technological effort with the 4-domain method is decidedly higher than with the 2-domain method, but a comparatively larger suitable viewing angle range can be achieved (see FIG. 11).
  • the object of the invention is to provide a liquid crystal display in which the largest possible viewing angle range is available, in which there is no gray level inversion and the contrast is above a minimum value (for example 10). This object is solved by the features of claim 1.
  • the invention is based on a liquid crystal display with several pixels, which consists of a liquid crystal cell and polarizers, which are arranged on the top and bottom of the liquid crystal cell, the liquid crystal cell comprising two substrates with transparent electrodes and a liquid crystal enclosed between them.
  • the essence of the invention lies in the fact that each pixel is divided into at least two subpixels in which the liquid crystal has different orientations and that at least between one polarizer and the liquid crystal there is an optically biaxial retardation layer with different refractive indices n e , n 0 , n 2 Compensation of viewing angle dependencies of optical properties of the liquid crystal display, such as. B. the transmission and contrast, is provided, the refractive index n 2 in a normal to
  • Liquid crystal cell substantially parallel axis occurs in the retardation layer.
  • the advantages of a "multi-domain method” can be combined with the advantages of a layer that compensates for birefringence in the liquid crystal cell. Due to the optical biaxial nature, the refractive behavior of the liquid crystal edge molecules set up in the liquid crystal cell relative to the substrate surface can be compensated in the desired manner, whereby a particularly effective compensation can be achieved.
  • the basic orientation of the liquid crystal molecules must be observed, but an opposite 180 ° orientation of the liquid crystal edge molecules is permissible, which is the last In the end, the possibility of using a delay layer for differently oriented subpixels is permitted.
  • the delay layer according to the invention in combination with the “multi-domain method”, in particular when the liquid crystal molecules are oriented by exposing a photosensitive layer, is an inexpensive alternative to comparatively similarly effective compensation layers (eg discotic delay films).
  • the refractive indices n e , n 0 , n z of the biaxial retardation layer be dimensioned such that n e - n 0 > 0 and n B - n 0 ⁇ 0.
  • the delay layer be arranged on the liquid crystal cell between the polarizer and the liquid crystal cell.
  • the delay layer is arranged in the liquid crystal cell between the liquid crystal and the substrate.
  • a particularly simple and compact structure results if the substrate itself forms a retardation layer (plastic substrate with a suitable retardation).
  • the delay layer In order to ensure a high degree of symmetry, it is also proposed to arrange the delay layer on both sides between the liquid crystal and polarizers. In the case of a delay layer applied on both sides, it is advantageous if the layer fulfills the following dimensioning regulations:
  • one or more plastic films are used as the retardation layer.
  • a retardation layer made of a unidirectional plastic film, but not stretched to saturation can be used. It is also possible to use a retardation layer made of a plastic film that is stretched bidirectionally. Finally, a combination of one or more uniaxial positive and one or more uniaxial negative films is possible. Retardation films have the advantage that they can be applied in a simple manner, for example laminated.
  • the delay layer can also be realized by a holographic element or in the form of a liquid crystal polymer.
  • the liquid crystal is oriented in the sub-pixels of a pixel in such a way that the viewing angle areas of the individual sub-pixels complement one another to form a more symmetrical viewing angle area.
  • this can be done by that the angles of attack of the liquid crystal edge molecules of the subpixels on the base substrate are opposite, that the angles of attack of the liquid crystal edge molecules of the subpixels on the cover substrate are opposite, that the angles of attack of the liquid crystal edge molecules of the subpixels on both substrates are opposite, that the angles of attack of the liquid crystal edge molecules of the subpixels are different on the base substrate are large that the angles of attack of the liquid crystal edge molecules of the sub-pixels on the cover substrate are of different sizes, or that the angles of attack of the liquid crystal molecules of the sub-pixels are different due to the cover substrate.
  • the twisting of the TN cell can be between 80 and 100 o.
  • Liquid metal molecules can be oriented on the substrate surfaces by mechanical rubbing of an orientation layer.
  • a photosensitive layer is used to orient the liquid crystal molecules on the substrate surfaces, in which the preferred direction of the liquid crystal molecules is determined by an exposure process.
  • each pixel has a switching element such as a thin film transistor, a thin film diode or a metal-insulator-metal diode.
  • a thin-film transistor and a storage capacitor are arranged in each pixel, at least one electrode of the storage capacitor being realized by a conductive opaque layer which covers the boundary region between the sub-pixels. In this way, with the aperture of the liquid crystal display remaining the same, a cover for the border area between the sub-pixels is realized.
  • Fig. 3 a u. b the schematic structure of a conventional twisted nematic liquid crystal display
  • 4 shows a model to illustrate the coordinates for determining the viewing direction
  • 5 shows the depiction of the viewing angle dependence for contrast and grayscale inversion of a conventional nematic liquid crystal cell
  • Fig. 7 shows the basic orientation of the
  • Liquid crystal edge molecules for a pixel divided into two sub-pixels Liquid crystal edge molecules for a pixel divided into two sub-pixels
  • FIG. 11 shows the diagram belonging to FIG. 10 for the viewing angle dependence of contrast and grayscale inversion without delay film
  • FIG. 12 shows the diagram belonging to FIG. 10 for the viewing angle dependence of contrast and grayscale inversion with an optically biaxial retardation layer according to the invention. Description of the exemplary embodiments:
  • the starting point for the description of the exemplary embodiments is a conventional, twisted nematic (twisted nematic) liquid crystal display according to FIGS. 3a and b.
  • a liquid crystal twisted by 90 ° Between two glass substrates 1, 2 there is a liquid crystal twisted by 90 °, the elongated liquid crystal molecules of which are indicated by rods 3.
  • a polarizer 4, 5 is attached to each of the glass substrates.
  • the transmissive direction of the polarizers (indicated by a double arrow) coincides with the orientation of the longitudinal axis of the liquid crystal edge molecules, but it can also be oriented at 90 ° to it.
  • FIG. 3a shows the voltage-free state in which penetrating light (symbolized by the broad arrow) is rotated by 90 ° due to the liquid crystal helix and can then leave the polarizer 5 unhindered.
  • the cell is translucent and appears bright.
  • the liquid crystal molecules align themselves in the electric field due to their dielectric anisotropy, as a result of which the light penetrating from below (also shown in FIG. 3b by a broad arrow) passes unhindered through the liquid crystal cell and therefore at the polarizer 5 is absorbed. In this state, the liquid crystal cell appears dark.
  • the angle ⁇ lying on the substrate plane S should run from 0 to 360 °, whereas the angle ⁇ indicates the angle of inclination from the liquid crystal normal (z).
  • 6a and 6b should be referred to the introduction to the description.
  • Fig. 5 the longitudinally and transversely hatched area of a conventional TN cell, which can be regarded as a suitable viewing angle area, is in need of improvement.
  • FIG. 1 For this purpose, an inventive structure of a liquid crystal display according to FIG. 1 is used.
  • a liquid crystal is located between a base substrate (GS) and a cover substrate (DS), the longitudinal axes of the liquid crystal edge molecules are aligned on the base or cover substrate in accordance with the arrow shown.
  • a delay layer VI, V2 is arranged on the top and bottom of the liquid crystal cell formed by base and cover substrates.
  • the extraordinary axis (n e ) in the retardation layer is symbolized by arrows, whereby it runs perpendicular to the alignment of the liquid crystal molecules on the correspondingly adjacent substrate (for the position of the further optical axes in the retardation layer, see FIG. 2).
  • a polarizing filter P1 or P2 is applied to the delay layers VI and V2, the absorbing axis of which runs parallel to the alignment of the liquid crystal molecules in the correspondingly adjacent substrate (dashed double arrow).
  • the projection of the extraordinary axis of the liquid crystal edge molecules onto the substrate surface with the absorbing axis of the polarizer can include an angle of 0 ° to 5 ° for the base and top substrates and the extraordinary axis of the retardation layer form an angle of 85 ° to 90 ° with the absorbing axis of the polarizer.
  • a picture element according to FIG. 7 is to be divided into sub-picture elements, with neighboring ones Subpixels 6, 7 are oriented opposite to one another in accordance with the symbolically indicated molecular longitudinal axes 8 by 180 °.
  • Such an orientation results in an essentially point-symmetrical course of the grayscale inversion or the boundary line for an area in which a minimum contrast is not undershot (cf. FIG. 8).
  • the area in which no grayscale inversion occurs is shown in FIG. 8 by the line provided with crosses, whereas the isocontrast curve is defined for a minimum contrast of 10 by square dots.
  • the inclination angle ⁇ of approximately 65 ° does not fall anywhere Contrast below a minimum contrast, in the exemplary embodiment a contrast of 10. Likewise, up to one
  • the biaxial retardation film according to the invention thus offers the possibility of producing liquid crystal displays which, with the additional use of the “multi-domain method”, makes excellent viewing-angle dependencies possible.

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Abstract

Es wird eine Flüssigkristallanzeige mit mehreren Bildpunkten bestehend aus einer Flüssigkristallzelle und Polarisatoren (P1, P2), die an der Ober- und Unterseite der Flüssigkristallzelle angeordnet sind, vorgeschlagen, wobei die Flüssigkristallzelle zwei Substrate (DS, GS) mit transparenten Elektroden und einen dazwischen eingeschlossenen Flüssigkristall umfasst. Zur Kompensation von Blickwinkelabhängigkeit optischer Eigenschaten der Flüssigkristallanzeige, wie z.B. der Transmission und des Kontrastes wird erfindungsgemäss jeder Bildpunkt in wenigstens zwei Unterbildpunkte unterteilt, in denen der Flüssigkristall unterschiedliche Orientierungen aufweist und wenigstens zwischen einem Polarisator und dem Flüssigkristall eine biaxiale Verzögerungsschicht (V1, V2) mit unterschiedlichen Brechungsindizes ne, no, nz angeordnet. Dabei tritt der Brechungsindex nz in einer zur Normalen der Flüssigkristallzelle im wesentlichen parallelen Achse in der Verzögerungsschicht auf.

Description

Flüssigkristallanzeige mit mehreren Bildpunkten
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeige mit mehreren Bildpunkten bestehend aus einer Flüssigkristallzelle und Polarisatoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik:
Flüssigkristallanzeigen sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt geworden. Am häufigsten kommen jedoch STN- und TN-Flüssigkristallzellen zur Anwendung. STN steht für Super Twisted Nematic und TN für Twisted Nematic.
Mit Twisted Nemetic soll zum Ausdruck kommen, daß eine verdrillt nematische Flüssigkristallphase ausgenutzt wird.
Der Aufbau einer herkömmlichen TN-Anzeige ist in Figur 3 a bzw. 3 b dargestellt. Zwischen zwei Glasplatten, die jeweils mit einer transparenten Elektrode beschichtet sind, ist ein Flüssigkristall eingeschlossen. Die Flüssigkristallmoleküle sind durch längliche Stäbe angedeutet. Mit Hilfe einer Orientierungsschicht werden die Flüssigkristallmoleküle so orientiert, daß sie zwischen den Substraten um 90° verdrillt helixartig angeordnet sind. Auf der Außenseite der Glasplatten sind Polfilter angebracht, dessen transmissive Vorzugsrichtung in Figur 3 durch jeweils einen Doppelpfeil dargestellt ist. Auf der Seite des Lichteinfalls befindet sich der Polarisator, auf der Seite des Lichtaustritts der Analysator. Bei dem in Figur 3 a dargestellten spannungsfreien Zustand der Zelle tritt polarisiertes Licht ein, wird aufgrund der 90° Flüssigkristall olekülhelix ebenfalls um 90° gedreht und kann durch den Analysator austreten. Flüssigkristallanzeigen die im spannungslosen Zustand transparent sind, werden als "normally-white- Anzeigen" bezeichnet. Liegt zwischen den Elektroden eine ausreichende Spannung an, richten sich die
Flüssigkristallmoleküle parallel zum elektrischen Feld aus, wodurch einfallendes Licht im wesentlich unbeeinflußt bleibt und daher vom Analysator absorbiert wird. In diesem Zustand ist die Flüssigkristallanzeige dunkel. Bei einer "normally- white-Anzeige" nimmt die Transmission des Lichtes mit zunehmender Spannung stetig ab. Somit kann einer bestimmten Spannung eindeutig eine definierte Transmission und damit ein Grauwert (Graustufe) zugeordnet werden. In herkömmlichen Flüssigkristallanzeigen sind jedoch die Transmission und damit die Graustufen vom Blickwinkel abhängig. Der Blickwinkel läßt sich wie in Figur 4 ersichtlich eindeutig mit Hilfe von Polarkoordinaten darstellen. Dabei nimmt der in der Anzeigefläche liegende Winkel φ Werte von 0 bis 360° an.
Der Winkel θ hat einen Wertebereich von 0 bis ax. 90° und zeigt an, wie weit der Betrachtungswinkel aus der Normalen der Flüssigkristallanzeige heraus geneigt ist. In Fig. 6 a ist die Transmission in Abhängigkeit vom Neigungswinkel θ für φ = 0° und vier unterschiedliche Graustufen gl bis g4 dargestellt. Bereits bei φ = +/- 27° ist T (g4) > T (g3). Das bedeutet, daß an dieser Stelle eine unerwünschte Graustufeninversion vorliegt. Fig. 6b zeigt die Transmission
T in Abhängigkeit vom Neigungswinkel θ für φ = 90°. Hier ergibt sich eine Graustufeninversion schon für einen Winkel θ > 12°. In gleicher Weise wie die Graustufen ist auch der Kontrast der Flüssigkristallanzeige eine Funktion von θ und φ. Dieser definiert sich als das Verhältnis der größten zur kleinsten Transmission. Analog zur Auswertung der Graustufeninversion kann man für jedes φ einen Bereich von θ finden, in dem der Kontrast größer als ein Mindestkontrast ist.
Eine übersichtliche Darstellung für die Funktionen von θ und φ bietet das Konoskopdiagramm (vgl. Fig. 5). Hier werden der
Neigungswinkel θ und der Winkel φ auf einer KreisScheibe dargestellt, wobei θ der Radialkomponente und φ dem Azimut entspricht. In dieses Diagramm lassen sich nun sowohl die Ergebnisse für die Graustufeninversion als auch die Kontrastwerte eintragen. Als geeigneter Blickwinkelbereich wird im allgemeinen ein Bereich definiert (quer- und längsschraffierte Fläche in Fig. 5), in dem ein Mindestkontrast nicht unterschritten wird (vgl. in Fig. 5 querschraffierte Fläche) und zusätzlich keine Graustufeninversion auftritt (vgl. Fig. 5, längsschraffierte Fläche) . Die Begrenzungslinie der Kontrastfläche wird als ISO-Kontrastkurve bezeichnet. Wie in Fig. 5 ersichtlich, verfügt eine herkömmliche TN-Flüssigkristallanzeige ohne besondere Maßnahmen nur über einen sehr engen geeigneten Blickwinkelbereich (quer- und längsschraffierte Fläche) .
Um diesen zu vergrößern, kommen derzeit verschiedene Lösungsprinzipien zum Einsatz .
In der europäischen Patentanmeldung EP 646 829 AI wird zur Vergrößerung des Blickwinkelbereichs die Verwendung einer Kompensationsschicht vorgeschlagen. Diese umfaßt als wesentlichen Bestandteil einen diskotischen Verzögerungsfilm, der aus einem diskotischen Flüssigkristall hergestellt wird. Ein solcher Film ist optisch einachsig, wobei der ordentliche Brechungsindex n0 größer ist als der außerordentliche
Brechungsindex ne. Daher ist die Verzögerung VR = dR • (ne - n0) negativ (dR ist die Dicke des Films). Der Wert der Verzögerung dieser Filme ist betragsmäßig gleich dem Wert der Verzögerung der Flüssigkristallschicht, er hat jedoch umgekehrtes Vorzeichen. Durch die in der Anmeldung beschriebene Verzögerungsschicht wird neben der Kompensation der Doppelbrechung durch das Balkmaterial im Flüssigkristall insbesondere eine Doppelbrechung kompensiert, die von den an der Substratoberfläche der Flüssigkristallzelle befindlichen Flüssigkristallrandmolekülen, welche zur Substratoberfläche einen bestimmten Anstellwinkel (pre-tilt) aufweisen, hervorgerufen wird. Der diskotische Verzögerungsfilm muß für einen gewünschten Kompensationseffekt immer an die Orientierung des Flüssigkristalls angepaßt werden. Wird ein derartiger Film zwischen Zelle und Polfilter aufgebracht, kann der geeignete Blickwinkelbereich deutlich verbessert werden.
Eine andere Möglichkeit, den geeigneten Blickwinkelbereich zu verbessern, besteht darin, die Unsymmetrie bei der Blickwinkelabhängigkeit des Kontrasts und im Hinblick auf die Blickwinkelabhängigkeit der Graustufeninversion (vgl. Fig. 5) auszugleichen. Diese Unsymmetrie kommt durch die nichtsymmetrische Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zustande. Eine Methode, einen symmetrischen Blickwinkelbereich der Flüssigkristallzelle zu erhalten, besteht darin, jeden Bildpunkt in zwei Unterbildpunkte zu unterteilen, die jeweils eine entgegengesetzte Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle aufweisen, so daß der Blickwinkelbereich des ersten Unterbildpunkts gegenüber dem Blickwinkelbereich des zweiten Unterbildpunktes um 180 ° gedreht ist (Abbildung 7, 2-Domänen-Methode, K.H. Yang: Record 1991 Int. Display Res. Conf., San Diago, Californien) . Denn dann ergänzen sich die unsymmetrischen Blickwinkelbereiche der Unterbildpunkte zu einem insgesamt zwar verhältnismäßig kleinen jedoch im wesentlichen punktsymmetrischen Blickwinkelbereich (vgl. Fig. 8). Eine weitere Vergrößerung dieses Blickwinkelbereichs mit einer Kompensationsfolie, wie sie in der europäischen Patentanmeldung EP 646 829 AI offenbart ist, scheidet prinzipiell aus, da die diskotische Schicht an eine bestimmte Orientierung des Flüssigkristalls angepaßt ist und damit nur jeweils ein Unterbildpunkt kompensiert werden könnte.
Alternativ hierzu existiert die Möglichkeit, einen Bildpunkt in vier Unterbildpunkte zu unterteilen (4-Domänen-Methode) . In diesem Fall erhält jeder Unterbildpunkt eine andere Orientierung, in dem z. B. auf einer Substratseite bei diagonal benachbarten Unterbildpunktbereichen die Flüssigkristallrandmoleküle um 180 ° zueinander verdreht orientiert werden (vgl. hierzu Fig. 10). Der technologische Aufwand bei der 4-Domänen-Methode ist entschieden höher als bei der 2-Domänen-Methode, jedoch erreicht man einen vergleichsweise größeren geeigneten Blickwinkelbereich (s. hierzu Fig. 11) .
Auch bei dieser Methode scheidet eine Verbesserung des geeigneten Blickwinkelbereichs durch die oben beschriebene Kompensationsschicht aus den bereits genannten Gründen aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristallanzeige bereitzustellen, bei der ein möglichst großer Blickwinkelbereich vorhanden ist, in dem sowohl keine Graustufeninversion stattfindet als auch der Kontrast über einem Mindestwert (z. B. 10) liegt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeige angegeben.
Die Erfindung geht von einer Flüssigkristallanzeige mit mehreren Bildpunkten aus, die aus einer Flüssigkristallzelle und Polarisatoren, die an der Ober- und Unterseite der Flüssigkristallzelle angeordnet sind, besteht, wobei die Flüssigkristallzelle zwei Substrate mit transparenten Elektroden und einen dazwischen eingeschlossenen Flüssigkristall umfaßt. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, daß jeder Bildpunkt in wenigstens zwei Unterbildpunkte unterteilt ist, in denen der Flüssigkristall unterschiedliche Orientierungen aufweist und daß wenigstens zwischen einem Polarisator und dem Flüssigkristall eine optisch biaxiale Verzögerungsschicht mit unterschiedlichen Brechungsindizes ne, n0, n2 zur Kompensation von Blickwinkelabhängigkeiten optischer Eigenschaften der Flüssigkristallanzeige, wie z. B. der Transmission und des Kontrasts, vorgesehen ist, wobei der Brechungsindex n2 in einer zur Normalen der
Flüssigkristallzelle im wesentlichen parallelen Achse in der Verzögerungsschicht auftritt. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile einer "Mehr-Domänen-Methode" mit den Vorzügen einer die Doppelbrechung in der Flüssigkristallzelle kompensierenden Schicht kombinieren. Aufgrund der optischen Zweiachsigkeit kann insbesondere das Brechungsverhalten der in der Flüssigkristallzelle gegenüber der Substratoberfläche aufgestellen Flüssigkristallrandmoleküle in gewünschter Weise ausgeglichen werden, wodurch eine besonders effektive Kompensation zu erzielen ist. Dabei ist zwar die grundsätzliche Orientierung der Flüssigkristallmoleküle zu beachten, eine um 180° entgegengesetzte Ausrichtung der Flüssigkristallrandmoleküle ist jedoch zulässig, was letzten Endes die Einsatzmöglichkeit einer Verzögerungsschicht für unterschiedlich orientierte Unterbildpunkte erlaubt. Darüber hinaus stellt die erfindungsgemäße Verzögerungsschicht in Kombination mit dem "Mehr-Domänen-Verfahren" , insbesondere bei Orientierung der Flüssigkristallmoleküle durch Belichten einer photoempfindlichen Schicht, eine preisgünstige Alternative zu vergleichweise ähnlich effektiven Kompensationsschichten (z. B. diskotische Verzögerungsfolien) dar.
Um eine besonders effektive Kompensation der Blickwinkelabhängigkeiten zu erhalten, wird desweiteren vorgeschlagen, daß die Brechungsindizes ne, n0, nz der biaxialen Verzögerungsschicht so dimensioniert sind, daß ne - n0 > 0 und nB - n0 < 0 ist.
Um einen vergleichsweise einfachen Aufbau der Flüssigkristallanzeige zu erhalten, wird außerdem vorgeschlagen, daß die Verzögerungsschicht auf der Flüssigkristallzelle zwischen Polarisator und Flüssigkristallzelle angeordnet ist.
Für einen besonders kompakten Aufbau ist vorteilhaft, wenn die Verzögerungsschicht in der Flüssigkristallzelle zwischen Flüssigkristall und Substrat angeordnet ist.
Ein besonders einfacher und kompakter Aufbau ergibt sich, wenn das Substrat selbst eine Verzögerungsschicht bildet (Kunststoffsubstrat mit geeigneter Verzögerung) .
Um eine hohe Symmetrie zu gewährleisten, wird außerdem vorgeschlagen, die Verzögerungsschicht beidseitig zwischen Flüssigkristall und Polarisatoren anzuordnen. Bei einer zweiseitig angebrachten Verzögerungsschicht ist es vorteilhaft, wenn die Schicht folgende Dimensionierungsvorschriften erfüllt :
70 nm < (ne - nQ) • d < 200 nm und - 200 nm < (nz - n0) , wobei d die Dicke der Verzögerungsschicht ist. Ist die Verzögerungsschicht nur einseitig vorhanden, können ohne eine deutliche Verschlechterung des Kompensationseffektes im wesentlichen die gleichen in nm angegebenen Werte eingesetzt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden als Verzögerungsschicht eine oder mehrere Kunstofffolien eingesetzt. Beispielsweise kann eine Verzögerungsschicht aus einer unidirektional , jedoch nicht bis zur Sättigung gereckten Kunstofffolie verwendet werden. Ebenfalls möglich ist der Einsatz einer Verzögerungsschicht aus einer Kunstofffolie, die bidirektional gereckt ist. Schließlich ist eine Kombination aus ein oder mehreren einachsig positiven und ein oder mehreren einachsig negativen Folien möglich. Verzögerungsfolien haben den Vorteil, daß sie in einfacher Weise aufgebracht, beispielsweise laminiert werden können.
Die Verzögerungsschicht kann auch durch ein holographisches Element oder in Form eines Flüssigkristallpolymers realisiert werden .
Insbesondere bevorzugt ist es, daß in den Unterbildpunkten eines Bildpunkts der Flüssigkristall derart orientiert ist, daß sich die Blickwinkelbereiche der einzelnen Unterbildpunkte zu einem höher-symmetrischen Blickwinkelbereich ergänzen. Bei einer TN- Flüssigkristallzelle mit Bildpunkten, die in zwei Unterbildpunkte unterteilt sind, kann dies dadurch erfolgen, daß die Anstellwinkel von Flüssigkristallrandmolekülen der Unterbildpunkte auf dem Grundsubstrat entgegengesetzt sind, daß die Anstellwinkel der Flüssigkristallrandmoleküle der Unterbildpunkte auf dem Decksubstrat entgegengesetzt sind, daß die Anstellwinkel der Flüssigkristallrandmoleküle der Unterbildpunkte auf beiden Substraten entgegengesetzt sind, daß die Anstellwinkel der Flüssigkristallrandmoleküle der Unterbildpunkte auf dem Grundsubstrat unterschiedlich groß sind, daß die Anstellwinkel der Flüssigkristallrandmoleküle der Unterbildpunkte auf dem Decksubstrat unterschiedlich groß sind, oder daß die Anstellwinkel der Flüssigkristallandmoleküle der Unterbildpunkte aufgrund und Decksubstrat unterschiedlich groß sind.
Dabei kann die Verdrillung der TN-Zelle zwischen 80 und 100 o betragen.
Die Orientierung von Flüssigmetallmolekülen an den Substratoberflächen kann durch mechanisches Reiben einer Orientierungsschicht erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zur Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an den Substratoberflächen eine fotoempfindliche Schicht eingesetzt, bei der die Vorzugsrichtung der Flüssigkristallmoleküle durch einen Belichtungsvorgang bestimmt wird.
Um einen hohen Kontrast zu erzielen, wird außerdem vorgeschlagen, daß Grenzbereiche zwischen den Unterbildpunkten durch eine Maskierung abgedeckt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist jeder Bildpunkt ein Schaltelement wie beispielsweise ein Dünnfilm-Transistor, eine Dünnfilm-Diode oder eine Metall-Isolator-Metall-Diode auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in jedem Bildpunkt ein Dünnschichttransistor und ein Speicherkondensator angeordnet, wobei wenigstens eine Elektrode des Speicherkondensators durch eine leitfähige lichtundurchlässige Schicht realisiert ist, die den Grenzbereich zwischen den Unterbildpunkten abdeckt. Auf diese Weise wird bei gleichbleibender Apertur der Flüssigkristallanzeige eine Abdeckung für den Grenzbereich zwischen den Unterbildpunkten realisiert.
Zeichnungen:
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeige ,
Fig. 2 die Ausrichtung der Brechungsindizes in einer erfindungsgemäßen optisch zweiachsigen Verzögerungsfolie ,
Fig. 3 a u. b den schematischen Aufbau einer herkömmlichen verdrillt nematischen (Twisted Nematic) Flüssigkristallanzeige,
Fig. 4 ein Modell zur Veranschaulichung der Koordinaten für die Bestimmung der Blickrichtung, Fig. 5 die Darstellung der Blickwinkelabhängigkeit für Kontrast und Graustufeninversion einer herkömmlichen nematischen Flüssigkristallzelle,
Fig. 6 a u. b. den Verlauf der Transmission in Abhängigkeit vom Neigungswinkel θ für unterschiedliche Graustufeneinstellungen,
Fig. 7 die prinzipielle Ausrichtung der
Flüssigkristallrandmoleküle für einen in zwei Unterbildpunkte aufgeteilten Bildpunkt,
Fig. 8 die Blickwinkelabhängigkeit des Kontrasts und der Graustufeninversion für eine Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle nach Fig. 7 ohne Verzögerungsschicht,
Fig. 9 die Blickwinkelabhängigkeit von Kontrast und
Graustufeninversion für eine Anordnung nach Fig. 7 mit erfindungsgemäßer biaxialer Verzögerungsschicht,
Fig. 10 die Orientierung der Flüssigkristallrandmoleküle auf Grund- und Decksubstrat bei einer Unterteilung des Bildpunktes in vier Unterbildpunkte,
Fig. 11 das zu Fig. 10 gehörige Diagramm für die Blickwinkelabhängigkeit von Konstrast und Graustufeninversion ohne Verzögerungsfolie und
Fig. 12 das zu Fig. 10 gehörige Diagramm für die Blickwinkelabhängigkeit von Kontrast und Graustufeninversion mit erfindungsgemäßer optisch biaxialer Verzögerungsschicht . Beschreibunσ der Ausführungsbeispiele:
Ausgangspunkt zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist, wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, eine herkömmliche, verdrillt nematische (Twisted Nematic) Flüssigkristallanzeige gemäß Fig. 3a und b. Zwischen zwei Glassubstraten 1, 2 befindet sich ein um 90° verdrillter Flüssigkristall, dessen längliche Flüssigkristallmoleküle durch Stäbe 3 angedeutet sind. Auf den Glassubstraten ist jeweils ein Polarisator 4, 5 angebracht. Die transmissive Richtung der Polarisatoren (durch Doppelpfeil angedeutet) stimmt jeweils mit der Ausrichtung der Längsachse der Flüssigkristallrandmoleküle überein, sie kann aber auch um 90° dazu ausgerichtet sein. In Fig. 3a ist der Spannungslose Zustand dargestellt bei dem eindringendes Licht (durch den breiten Pfeil symbolisiert) aufgrund der Flüssigkristallhelix um 90° gedreht wird und danach den Polarisator 5 ungehindert verlassen kann. Die Zelle ist lichtdurchlässig und erscheint hell. Bei angelegter Spannung richten sich die Flüssigkristallmoleküle durch ihre dielektrische Anisotropie im elektrischen Feld aus, wodurch das von unten eindringende Licht (in Fig. 3b ebenfalls durch einen breiten Pfeil dargestellt) ungehindert die Flüssigkristallzelle durchläuft und daher am Polarisator 5 absorbiert wird. In diesem Zustand erscheint die Flüssigkristallzelle dunkel.
Ein unerwünschter Effekt bei Flüssigkristallzellen ist die Blickwinkelabhängigkeit, insbesondere von Graustufen und Kontrast. Zur Festlegung der Blickrichtung werden die in Fig. 4 dargestellten Koordinaten eingeführt. Der in der
Substratebene S liegende Winkel φ soll von 0 bis 360° laufen, wohingegen der Winkel θ den Neigungswinkel aus der Flüssigkristallnormalen (z) angibt. Im Hinblick auf die Figuren 5, 6a und 6b soll auf die Beschreibungseinleitung verwiesen werden. Verbesserungswürdig in Fig. 5 ist der längs und quer schraffierte Bereich einer herkömmlichen TN-Zelle, der als geeigneter Blickwinkelbereich angesehen werden kann.
Hierzu wird ein erfindungsgemäßer Aufbau einer Flüssigkristallanzeige gemäß Fig. 1 eingesetzt. Zwischen einem Grundsubstrat (GS) und einem Decksubstrat (DS) befindet sich ein Flüssigkristall, dessen Längsachsen der Flüssigkristallrandmoleküle entsprechend der eingezeichneten Pfeilung auf dem Grund- bzw. Decksubstrat ausgerichtet sind. Auf der Ober- und Unterseite der durch Grund- und Decksubstrate gebildeten Flüssigkristallzelle ist jeweils eine Verzögerungsschicht VI, V2 angeordnet. Die außerordentliche Achse (ne) in der Verzögerungsschicht wird jeweils durch Pfeile symbolisiert, wobei sie senkrecht zur Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle am entsprechend benachbarten Substrat verläuft ( zur Lage der weiteren optischen Achsen in der Verzögerungsschicht s. Fig. 2). Schließlich wird auf den Verzögerungsschichten VI und V2 ein Polfilter Pl bzw. P2 angebracht, dessen absorbierende Achse jeweils parallel zur Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle beim entsprechend benachbarten Substrat verläuft (gestrichelte Doppelpfeilung) . Außer einer streng senkrechten bzw. parallelen Orientierung zwischen den angegebenen Richtungen kann jeweils für Grund- und Decksubstrat die Projektion der außerordentlichen Achse der Flüssigkristallrandmoleküle auf die Substratfläche mit der absorbierenden Achse des Polarisators einen Winkel von 0° bis 5° einschließen und die außerordentliche Achse der Verzögerungsschicht mit der absorbierenden Achse des Polarisators einen Winkel von 85° bis 90° einschließen.
Erfindungsgemäß soll ein Bildpunkt gemäß Fig. 7 in Unterbildpunkte unterteilt werden, wobei benachbarte Unterbildpunkte 6, 7 entsprechend der symbolisch angedeuteten Moleküllängsachsen 8 um 180° entgegengesetzt orientiert sind. Eine derartige Orientierung ergibt einen im wesentlichen punktsymmetrischen Verlauf der Graustufeninversion bzw. der Berandungslinie für eine Fläche, in der ein Mindestkontrast nicht unterschritten wird (vgl. Fig. 8). Der Bereich in dem keine Graustufeninversion auftritt wird in Fig. 8 durch die mit Kreuzen versehene Linie dargestellt, dagegen wird die Isokontrastkurve für einen Mindestkontrast von 10 durch quadratische Punkte festgelegt.
Durch den zusätzlichen Einsatz einer erfindungsgemäßen Verzögerungsfolie werden die Einzelbereiche aber insbesondere der Schnittbereich, in denen weder der Kontrast unter einen Mindestkontrast fällt noch eine Graustufeninversion auftritt, deutlich vergrößert (vgl. hierzu Fig. 9).
Eine noch bessere Ausgangssituation bezüglich der Blickwinkelabhängigkeit von Kontrast und Graustufeninversion wird dadurch erzielt, daß ein Bildpunkt gemäß Fig. 10 in vier Unterbildpunkte aufgeteilt wird. Durch die in Fig. 10 dargestellte Ausrichtung der Moleküllängsachsen 8 ergeben sich für alle vier Unterbildpunkte unterschiedliche Orientierungen des Flüssigkristalls. Dadurch wird die Symmetrie der Blickwinkelabhängigkeit von Kontrast und Graustufeninversion noch etwas verbessert, aber insbesondere die Schnittfläche, bei der der Kontrast nicht unter einen Mindestkontrast fällt bzw. keine Graustufeninversion auftritt, stark vergrößert. Wird nun zusätzlich die erfindungsgemäße optisch zweiachsige Verzögerungsfolie eingesetzt, ergibt sich ein nochmal deutlich verbessertes Verhalten im Hinblick auf Kontrast und Graustufeninversion, wie im Diagramm von Fig. 12 zum Ausdruck kommt. Bis zu einem
Neigungswinkel θ von ungefähr 65° fällt an keiner Stelle der Kontrast unter einen Mindestkontrast, im Ausführungsbeispiel ein Kontrast von 10. Ebenso findet bis zu einem
Neigungswinkel θ von ungefähr 65° unabhängig vom Betrachtungswinkel φ keine Graustufeninversion statt.
Die erfindungsgemäße biaxiale Verzögerungsfolie bietet somit die Möglichkeit Flüssigkristallanzeigen anzufertigen, die unter zusätzlicher Anwendung der "Mehr-Domänen-Methode" ausgezeichnete Blickwinkelabhängigkeiten möglich macht.

Claims

Patentansprüche :
1. Flüssigkristallanzeige mit mehreren Bildpunkten bestehend aus einer Flüssigkristallzelle und Polarisatoren (4, 5), die an der Ober- und Unterseite der Flüssigkristallzelle angeordnet sind, wobei die Flüssigkristallzelle zwei Substrate (1, 2) mit transparenten Elektroden und einen dazwischen eingeschlossenen Flüssigkristall (3) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bildpunkt in wenigstens zwei Unterbildpunkte ( 6 , 7 ) unterteilt ist, in denen der Flüssigkristall unterschiedliche Orientierungen aufweist und daß wenigstens zwischen einem Polarisator (4, 5) und dem Flüssigkristall (3) eine optisch biaxiale Verzögerungsschicht (VI, V2 ) mit unterschiedlichen Brechungsindizes ne, n0, nz zur Kompensation von Blickwinkelabhängigkeiten optischer Eigenschaften der Flüssigkristallanzeige, wie z.B. der Transmission und des Kontrastes vorgesehen ist, wobei der Brechungsindex nz in einer zur Normalen der Flüssigkristallzelle im wesentlichen parallelen Achse in der Verzögerungsschicht auftritt.
2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Brechungsindizes nβ, n0, nz der biaxialen Verzögerungsschicht ne - n0 > 0 und nz - n0 < 0 ist.
3. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschicht auf der Flüssigkristallzelle zwischen Polarisator (4, 5) und Flüssigkristallzelle angeordnet ist.
4. Flüssigkristallzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschicht in der Flüssigkristallzelle zwischen Flüssigkristall (3) und Substrat (1, 2) angeordnet ist.
5. Flüssigkristallzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verzögerungsschicht beidseitig zwischen Flüssigkristall (3) und Polarisatoren (4, 5) angeordnet ist.
6. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zweiseitig angebrachten Verzögerungsschicht die Verzögerungsschicht folgende Eigenschaften aufweist: 70 nm < (ne-n0) * d < 200 nm und -200 nm < (nz - n0) * d < 0, wobei d die Dicke der Verzögerungsschicht ist.
7. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einseitig angebrachter Verzögerungsschicht die in Nanometer angegegebenen Werte im wesentlichen unverändert sind.
8. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsschicht eine oder mehrere Kunststoffolien einsetzbar sind.
9. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsschicht eine unidirektional, jedoch nicht bis zur Sättigung gereckte Kunststofffolie vorgesehen ist.
10. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzogerungsschicht eine bidirektional gereckte Kunststofffolie ist.
11. Flüssigkristallanzeige nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschicht durch eine Kombination aus ein oder mehreren einachsig positiven und ein oder mehreren einachsig negativen Folien realisiert ist.
12. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschicht durch ein holographisches Element realisiert ist.
13. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschicht in Form eines Flüssigkristallpolymers realisiert ist.
14. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den
Unterbildpunkten eines Bildpunktes der Flüssigkristall derart unterschiedlich orientiert ist, daß sich die
Blickwinkelbereiche der einzelnen Unterbildpunkte zu einem im wesentlichen punktsymmetrischen Blickwinkelbereich ergänzen.
15. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzelle eine TN-Zelle ist, bei der die Verdrillung 80° bis 100° beträgt.
16. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Orientierung von Flüssigkristallmolekülen an der Substratoberfläche eine fotoempfindliche Schicht einsetzbar ist, bei der die Vorzugsrichtung von daran angelagerten
Flüssigkristallmolekülen durch einen Belichtungsvorgang bestimmbar ist.
17. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Grenzbereiche zwischen den Unterbildpunkten durch eine Maskierung abgedeckt sind.
18. Flüssigkristallanzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bildpunkt ein Schaltelement aufweist.
19. Flüssigkristallanzeige nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bildpunkt einen Dünnschichttransistor und einen Speicherkondensator aufweist, wobei wenigstens eine Elektrode des Speicherkondensators durch eine leitfähige lichtundurchlässige Schicht realisiert ist, die den Grenzbereich zwischen den Unterbildpunkten abdeckt .
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