JP3675483B2

JP3675483B2 - Viewing angle enhancement for vertically aligned cholesteric liquid crystal displays

Info

Publication number: JP3675483B2
Application number: JP51118896A
Authority: JP
Inventors: ウィンカー，ブルース・ケイ; ヘイル，レオナード・ジー; テイバー，ドナルド・ビィ; ガニング・ザ・サード，ウィリアム・ジェイ
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2015-09-28
Also published as: JPH10506479A; KR970706519A; WO1996010774A1; KR100339471B1

Description

発明の背景
この発明は一般に大量情報内容液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に関し、特に垂直に配向されたコレステリック（ＶＡＣ）液晶ディスプレイに関する。この発明はＶＡＣＬＣＤのために新規な補償および電極設計を用いる。
ねじれネマチック液晶ディスプレイ
現行の活性マトリックス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）技術はほとんど例外なく９０°ねじれネマチック（ＴＮ）ディスプレイモードに基づく。「液晶応用および用途（Liquid Crystals Applications and Uses）」（第１巻、ビィ・バードゥア（B. Bahadur）編、ワールド・サイエンティフィック（World Scientific）、ｐｐ．２３１−２７４、１９９０）においてシェファー（Scheffer）およびネーリング（Nehring）を参照されたい。この型のディスプレイは正の誘電体異方性（適用された電界に対して平行な長軸で分子が配向するΔε＝ε_‖−ε_⊥＞０液晶混合物）を用いる。用語e_‖およびe_∧は、液晶分子の長軸にそれぞれ平行および垂直な低周波（＜１０ｋＨｚ）誘電体係数を指す。
図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、セルの内部表面はラビング方向に沿う表面に対して平行な液晶分子１２０の（表面１１０および１３０での）配向を生じるようにラビングされる。２つの対向する表面１１０および１３０のラビング方向は互いに直角である。駆動されていないかまたはフィールドオフの状態１００では、（表面ラビングによって実現される）表面束縛条件が液晶分子１２０を一方の表面から他方の表面へと９０°ねじれさせる。このために、セルの一方の側から他方の側へと、すなわち観察者１４０の方へと伝搬する直線偏光された光が、断熱フォロウイングまたは「導波」と呼ばれる機構によって波長にはほとんど依存せずに９０°回転させられる。通常白色（ＮＷ）の構成では、検光子１０５および偏光子１３５は互いに直角をなし、ＮＷ−ＴＮディスプレイの駆動されていない状態を白色にさせる。非駆動状態の光透過特性は主として液晶セルの相厚さＤｎｄによって決定され、ここでＤｎは液晶材料１１５の複屈折であり、ｄはセルギャップ１２５である。ある実施例では、適切な透過および色度が３８０ｎｍ＜Ｄｎｄ＜５００ｎｍの範囲で達成される。
（フレデリクスしきい値として知られる）或るしきい値より上の横電界を適用すると、液晶分子１２０が直角の配向の方へ傾き、それによって導波効果を阻止し、楕円偏光状態を生じる（図１Ｂのディスプレイ１４５を参照）。表面１１０および１３０での上述の束縛条件は一方の表面から他方へと液晶分子１２０の非均一的な変形を引き起こす。ＮＷ−ＴＮ１４５構成は、適用された電圧がフレデリクスしきい値電圧よりも上に上がるにつれて透過を単調に低下させる。
十分に高い適用電圧では、セル１４５内の３つの異なった領域が識別できる。セルのほぼ中央の半分における液晶分子１２０がほとんど垂直配向（〜８０°）で傾けられ、ねじれのほぼすべてを経験する。この領域では入力光偏光の回転がほとんどないか全くない。各表面１１０および１３０に隣接する、残りのほぼ４分の１のセルにおける液晶分子１２０はラビング方向に沿って配向される。これらの領域の分子は適度な量のチルトを経験するがほとんどねじれない。２つの表面領域が互いに対して直角にラビングされるので、それらの組合わされた遅延は相殺する。法線入射では、光の偏光状態がほぼほとんど変化せずにセルを通って伝搬し、偏光子１０５および１３５の駆動電圧および消光比に依存して少なくとも７０：１のコントラスト比を生じる。
通常白色の構成では、ＮＷ−ＴＮディスプレイの十分に駆動された状態が法線入射で黒色である。ほとんど垂直配向の中央領域の複屈折が駆動状態の透過をオフノーマル観察角で高める。視野は、セルの中央領域における残余の黒色状態複屈折を効果的に相殺する負の複屈折Ｃプレート光補償器を用いることによって幾分増加され得る。オン（Ong）による「最大の観察角性能を有する新しい通常白色の負の複屈折フィルム補償されたねじれネマチックＬＣＤ（New Normally White Negative Birefringence Film Compensated Twisted Nematic LCDs with Largest Viewing Angle Performance）」（第１２回国際ディスプレイ研究会議会報−日本ディスプレイ９２（Proceedings 12th International Display Research Conference-Japan Display 92）、ｐｐ．２４７−２５０、１９９２）を参照されたい。
検光子軸および偏光子軸が互いに平行である通常黒色の構成も少しばかり用いられている。しかしながら、この構成での大きな欠点は、ピークコントラストがそれほど高くはなく、黒色状態の色度が中性ではなく、セルギャップ許容度が図１のＮＷ構成におけるよりもさらに厳しいことである。
ＮＷ−ＴＮ構成の利点は、無色動作と、ビデオ応用に対して十分に速いオン−オフ応答時間と、法線入射での高いコントラスト比と、緩和された製造許容度とを含む。主な欠点には、観察角に依存するグレーレベル透過と、相対的に遅いグレーレベル応答時間と、限られた観察角と、機械的なラビング表面処理の必要性とが含まれる。
垂直に配向されたねじれネマチック液晶ディスプレイ
電気的に制御される複屈折効果によって動作する液晶ディスプレイも示されている。特に、図２Ａおよび図２Ｂに示される垂直に配向されたネマチック（ＶＡＮ）ディスプレイは、液晶分子２１５が電界に対して直角に配向する負の誘電（Ｄｅ＜０）液晶材料２１０を利用する。ヤマウチらによる（「垂直配向フルカラーＬＣＤ（Homeotropic-Alignment Full-Color LCD）」ＳＩＤ８９ダイジェスト、ｐｐ．３７８−３８１、１９８９）と、ヒライらによる（「カラービデオディスプレイのためのＶＡＮＬＣＤにおけるセル条件および駆動方法の最適化（Optimization of Cell Condition and Driving Method in a VAN LCD for Color video Display）」、第９回国際ディスプレイ研究会議会報−日本ディスプレイ’８９（Proceedings 9th International Display Research Conference-Japan Display '89）、ｐｐ．１８４−１８７、１９８９）とを参照されたい。ＶＡＮ型のディスプレイはカラースーパー垂直配向ディスプレイとしても知られることが注目される。
ＶＡＮ型のディスプレイでは、非駆動状態２００における液晶分子２１５は表面結合材の簡単な応用を用いて垂直配向的に配向され、ラビングは必要とされない。法線入射では、直線偏光される光が液晶材料２１０を通過するときに主として影響を受けない。偏光子１０５および検光子１３５が互いに直角であるとき、セルを横断する直線偏光された光は検光子によって吸収され、通常黒色のディスプレイモードが得られる。法線入射での黒色状態のコントラスト比は典型的に１００：１よりも大きく、偏光子の消光比とセル欠陥とによってのみ制限される。配向層２０５および２２０が機械的なラビング動作を受けないことに注目されたい。
駆動電圧（フレデリクスしきい値よりも上、素子２２５を参照）液晶セルにかけて適用すると、液晶分子２１５が平行な配向の方へ傾く。これは、ディスプレイに光を透過させる、液晶材料２１０における電圧依存複屈折を生じる。しかしながら、ＮＷ−ＴＮディスプレイとは対照的に、最大の透過に達するのに必要な電圧の光の赤、緑、および青の波長に対して変化する。通常、液晶分子２１５は多くのアジマス方向に傾く傾向を有し、回位によって分離される多数のチルトドメインを生じる。結果として生じる、単一のチルトドメインに対するグレーレベル透過の観察角依存は容認不可能に高い。各ピクセル内での多数のチルトドメインの形成は広い観察角でグレースケールの安定性を高めることが示されている。しかしながら、ＶＡＮディスプレイの白色状態透過は偏光子透過軸に対するチルトのアジマス方向に依存する。チルトドメインが偏光子軸に対してほとんど４５°で配向される場合にのみ透過が最適である。任意に配向されたチルトドメインとそれらの間の関連の回位とがＶＡＮの白色状態透過を劣化させる傾向を有する。
各ピクセル内で特定のアジマス方向に沿う多数のチルトドメインを安定化させることによって観察角依存を最小にし、かつ白色状態透過を最大にするパターニングされた電極設計が示されている。ヤマウチらおよびヤマモトらによる（「フルコーン広観察角マルチカラーＣＳＨ−ＬＣＤ（Full-Cone Wide-Viewing-Angle Multicolor CSH-LCD）」、ＳＩＤ９１ダイジェスト、ｐｐ．７６２−７６５、１９９１）と、リェン（Lien）による（「マルチドメイン垂直配向ＬＣＤにおける３次元ディレクタ構造のシミュレーション（Simulation of Three-Dimensional Director Structures in Multi-Domain Homeotropic LCDs)」、ＳＩＤ’９２ダイジェスト、ｐｐ．３３−３５、１９９２）とを参照されたい。それにもかかわらず、結果として生じる白色状態透過は９０°ＴＮディスプレイによって典型的に達成されるよりもまだかなり低い。
ＮＷ−ＴＮディスプレイとは対照的に、液晶分子２１５の複屈折のために生じる、垂直配向的に配向された非駆動（黒色）状態でのオフ軸透過は負の複屈折Ｃプレート補償器を用いることによってほぼ完全に除去できる。ヤマウチらを参照されたい。その結果は、交差した偏光子だけの（すなわち、液晶層なしの）ものと類似した黒色状態の視野を備えたディスプレイである。
ＶＡＮディスプレイはＮＷ−ＴＮディスプレイと比較して利点および不利点の両方を有する。利点には機械的ラビング表面処理の回避と、黒色状態視野が極めて大きいことが含まれる。ＶＡＮディスプレイの主な欠点は、低い白色状態透過レベルと白色状態透過レベルの波長依存とを含む。カラーディスプレイでは、この後者の効果が、異なった組の駆動電圧が３色のサブピクセルの各々に適用されることを必要とする。この要件は駆動回路のコストを嵩ませる。
垂直に配向されたコレステリック液晶ディスプレイ
最近、垂直に配向されたコレステリック（ＶＡＣ）ディスプレイが９０°ＴＮディスプレイおよびＶＡＮディスプレイの欠点の多くを克服するために開発された。クランドール（Crandall）らによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．６５、ＮＯ．１、ｐｐ．１１８−１２０、１９９４を参照されたい。ＶＡＮディスプレイにおけるように、ＶＡＣディスプレイにおける液晶分子３１０は非駆動状態で垂直配向的に配向される。しかしながら、ＶＡＣでディスプレイでは、駆動状態、すなわち、分子がセル表面に対してほぼ平行に配向されるときにほぼ９０°だけ分子をねじれさせるのに十分な濃度のキラル材料で液晶材料がドープされる（ＶＡＣディスプレイは垂直配向、ラビングなし液晶光シャッタとしても知られる。）。
非駆動状態３００では、垂直配向的に配向された液晶分子３１０は弾性歪みを経験するが、表面２０５および２２０での表面束縛によってねじれを示さないようにさせられる。フレデリクスしきい値より上の電圧がセルにかけて適用されるとき（図３Ｂ、素子３１５を参照）、液晶分子３１０は平行な配向の方へ傾き始める。分子が垂直な表面から離れて傾き始めるにつれて、それらはねじれ始め、それによって弾性歪みを緩和する。駆動状態におけるねじれの結果として、直線偏光された光が導波効果によって９０°回転させられる。この点で、ＶＡＣディスプレイの駆動状態が、表面束縛条件が２つのディスプレイにおいて異なっていても、９０°ＴＮディスプレイの非駆動状態と同様の態様で動作する。フレデリクスしきい値と十分に駆動された状態との間に、セルは、中間透過レベルを生じる楕円偏光状態を生じる。
ＶＡＣの駆動状態の光透過特性は主にその相厚さＤｎｄと液晶セルのセルギャップ対液晶ピッチ比ｄ／Ｐ₀とによって決定される。ここで、Ｄｎは液晶の複屈折であり、Ｐ₀はコレステリックピッチであり、ｄはセルギャップである。Ｄｎｄおよびｄ／Ｐ₀の所与の値に対して、白色状態電圧は透過が最大にされるように選択される。
垂直偏光的に配向されたＶＡＮディスプレイと同様、ＶＡＣディスプレイも異なったチルトドメイン間の回位を示す。チルトドメインの大きさがピクセルの寸法に対して小さい限り、観察角に対するグレースケールの僅かな依存がなお存在するが、グレースケール透過は９０°ＴＮディスプレイで達成されるよりも広い観察角にわたって安定している。しかしながら、ＶＡＣディスプレイでは、白色状態透過での多数のチルトドメインの影響がＶＡＮディスプレイにおけるよりもかなり異なっている。白色状態透過はＶＡＣのチルトドメインの配向に依存しない。これは、セル透過が回位自体によってのみ劣化され、これはチルトドメイン自体の大きさに対して一般に小さいことを意味する。回位が黒色状態では起こらないので、各ピクセルを囲む黒色マトリックスの幅は、回位による白色透過のいかなる損失をも補償するように減少させられ得る。
典型的なＶＡＣチルトドメインの大きさは２０−７０ｍｍのオーダである。これは十分に小さいので、いくつかのチルトドメインが大量情報内容ＬＣＤに典型的なほぼ１５０ｎｍ×１５０ｎｍのピクセルの大きさに存在することができる。それにもかかわらず、チルトドメインの数は一般的にグレースケール透過が対向する観察方向から対照的であることを保証するのに足るほど高くはない。さらに、チルト方向が一般にピクセルによっては再現可能ではなく、隣接するピクセル間のオフノーマル観察特性における僅かな差につながる。
ＶＡＣディスプレイは、９０°ＴＮディスプレイに優る同じ利点をＶＡＮディスプレイと共有し、すなわち、機械的ラビング表面処理が回避され、黒色視野が極めて大きい。これらの利点に加えて、ＶＡＣの白色状態透過はほとんど波長に依存しないようにでき、それによって異なったグレースケール電圧で各ピクセルの３つのカラーサブピクセルを駆動する必要性をなくす。別の利点は、マルチドメインＶＡＣピクセルにおける白色状態透過がＶＡＮディスプレイにおけるよりも高いことである。
ＶＡＣディスプレイと恐らくはＶＡＮディスプレイとの欠点は、フィールドがターンされた後に、ほぼ３０ミリ秒（ｍｓ）の遅延が液晶分子が傾き始める前に存在することである。このターンオン遅延はオフ状態をしきい値電圧のすぐ下にバイアスすることによってかなり低下できる。別の欠点は、グレースケール透過が垂直から約３０°よりも大きい観察角で非均一的になることである。さらに、大きな観察角でのグレースケール透過がピクセルによって幾分変化し得る（付録Ａを参照）。
液晶ディスプレイ技術における周知の重要な継続的問題は、広い視野にかけて高いコントラストおよびグレースケール均一性を達成し、同時に、動的に変化する情報のディスプレイのために速い応答時間を達成することである。この発明は垂直に配向されたコレステリックディスプレイアーキテクチャにおいてこれらの問題に取り組む。
発明の概要
この発明に従った垂直に配向されたコレステリック（ＶＡＣ）液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）システムは、高いコントラスト比と、観察角に対して主として不変のグレースケール透過とをもたらす。具体的に、この発明のディスプレイは、コントラスト比を高めるための光補償器と、ディスプレイのグレースケール安定性を向上させる新規なセル設計とからなる。
この発明に従った簡単かつ効果的な液晶ディスプレイ補償器は負のＣプレートおよび正のＡプレートを含む。Ｃプレートは光入口偏光子と液晶セルとの間に配置され、Ａプレートは液晶セルと出口偏光子（検光子）との間に配置される。Ａプレートはその光学軸が検光子の透過軸に対してほぼ平行で配向される。この補償器を用いて、黒色状態透過が非常に近いままに留まる観察角の範囲が交差した偏光子だけを備えたものよりも遙かに大きい。代替的に、１つ以上の対の交差したＡプレートが単一のＡプレートの代わりに用いられてもよく、付加的な負の複屈折Ｃプレートが用いられてもよい。
ディスプレイのピクセル設計は、３００ないし４５０ナノメータ（ｎｍ）の相対的に小さい相厚さを有した２つまたは４つの液晶チルトドメインを組み入れる。液晶のキラルドーパント濃度は０．２から０．３２のセルギャップ対ピッチ比を与えるように調節される。ディスプレイの偏光子は４５°および１３５°で配向される。２チルトドメインピクセルを達成するために、各ピクセル電極は活性ピクセル領域内に駆動状態で横電界を生じる平行ストライプにパターニングされる。横電界は液晶分子を、実質的に反対方向、ほぼ９０°および２７０°に配向される２つのチルトドメインに分離させる。４チルトドメインピクセルを達成するために、各ピクセル電極は、活性ピクセル領域内に横電界を生じる長方形の孔を含む。横電界は液晶分子を４つのチルトドメインに分離させ、これはほぼ９０°だけ離された４つの方向、すなわちほぼ０°、９０°、１８０°および２７０°に配向される。
結果として生じるグレースケール応答は、ピクセルによって再現可能であり、異なったチルトドメインからの応答が全体のピクセルにわたって平均されるので観察角で相対的に均一である。横電界は電気光学曲線の傾斜を減少する。横電界はまた、電位が始めにセルにかけて適用されたときに存在する不安定性を除去し、それによって、ディスプレイのターンオン遅延時間を減少させる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａおよび図１Ｂは、従来の通常白色の９０°ねじりネマチック液晶ディスプレイ（それぞれ非駆動状態および駆動状態）の断面図である。
図２Ａおよび図２Ｂは、従来の通常黒色の垂直に配向されたネマチック液晶ディスプレイ（それぞれ非駆動状態および駆動状態）の断面図である。
図３Ａおよび図３Ｂは、従来の通常黒色の垂直に配向されたコレステリック液晶ディスプレイ（それぞれ非駆動状態および駆動状態）の断面図である。
図４は、この発明内の成分配向を特定するために用いられる座標系を示す。
図５は、この発明に従った垂直に配向されたコレステリックディスプレイセルの断面図を示す。
図６は、図５の電極構造の拡大図を平面図において示す。
図７は、図５の液晶ディスプレイセルの拡大断面図を示す。
具体的な実施例の詳細な説明
この発明の例示的実施例が液晶ディスプレイ技術を用いて実現され得るように以下に示される。明確さのために、実際の実施例のすべての特徴がこの明細書に説明されるわけではない。もちろん、（何らかの開発プロジェクトにおけるような）何らかの実際の実施例の開発にあたって、１つの実施例から別の実施例で変化する、システムおよびビジネスに関連する制約に従うような開発者の具体的なゴールおよびサブゴールを達成するために実施例に特定的な多くの決定が行なわれなければならないことが認識される。さらに、このような開発の努力は複雑であり、時間がかかり得るが、それにもかかわらず、この開示の利益を得る当業者には装置工作の日常業務であることが認識される。
読者の便宜のため、この発明のディスプレイの１つの実施例に対する予備的な工学的分析に関連するさらなる詳細な技術情報が、「ＶＡＣ光学性能の予備的な評価（Preliminary Evaluation of VAC Optical Performance）」と題された付録Ａに見受けられる（付録Ａは発明者の一人によって提出された技術覚書のコピーであり、その元々の不随する図面なしで補助的な開示として含まれる）。
図４は、両方の液晶と複屈折補償器光学軸との配向を説明するためにここに用いられる座標系を示す。光は正のｚ方向で観察者４００の方に伝搬し、この正のｚ方向４０５はｘ軸４１０およびｙ軸４１５とともに右側の座標系を形成する。矢印４２０によって示されるようなバックライティングが負のｚ方向から与えられる。曲チルト角Θ４２５は、ｘ−ｙ面から推定される、分子の光学軸

４３０とｘ−ｙ面との間の角として規定される。アジマスまたはねじれ角Φ４３５はｘ軸４１０からｘ−ｙ面への光学軸４３０の投影４４０まで測定される。
具体的な実施例の構造
図５は、偏光子５０５と、補償器層５１０と、その表面５２０上に第１のセグメント分けされた電極５２５を有する第１の基板５１５と、液晶層５３０と、基板５４５の表面５３５上の第２のセグメント分けされた電極５４０と、第２の補償器層５５０と、検光子５５５とを含む液晶ディスプレイ５００の単一のアドレス指定可能な画素内の領域を示す。基板５１５と５４５との間であり、かつそれらを含む区域が液晶セル５６０と称され、液晶層５３０の物理的な厚さが通常セルのセルギャップｄと称される。
液晶層５３０は負の誘電体異方性を有する液晶材料からなる。ＭｅｒｃｋＺＬＩ−２７８７の名称の下でメルク・カンパニー（Merck company）によって販売される液晶材料が予備テストにおいて満足のいくことがわかっている。上述のメルク液晶材料は−３．５の負の誘電体異方性（Δε）、１．２５の弾性定数比（Ｋ₃₃÷Ｋ₁₁）、０．０７４の複屈折を有し、−０．２２のセルギャップ対ピッチ比（左側のピッチ）を与えるのに十分な濃度のクラルドーパントを含む。
図６の平面図に示されるように、電極５２５および５４０は水平のインジウム−錫酸化物（ＩＴＯ）ストライプ６００のパターンから構成され得る。各ストライプはほぼ４３マイクロメータ（μｍ）の幅であり、２つの隣接するストライプがほぼ７μｍのギャップ５６５によって離される。ストライピングは各ピクセルの基板５１５および５４５の表面５２０および５３０にわたって本質的に連続して繰返される。
代替的に、異なったパターンがより大きな数の安定したチルトドメインを生じるために用いられてもよい。予備的モデリングでは、４つのチルトドメインが特に有益であることがわかっている。チルトドメインのアジマス方向はほぼ０°、９０°、１８０°および２７０°で配向され得る。各ドメインの相対面積は同じである必要はない。たとえば、９０°および２７０°に配向されたドメインの面積が０°および１８０°のドメインのもののほぼ２倍であってもよい。この配列は、各ピクセル内の４つの異なったドメインにわたる観察角応答の平均化のためにより対照的な観察角特性（たとえば、コントラストおよびグレースケールの安定性）を生じるように見える。
再び図５を参照すると、第１の電極５２５上のギャップ５６５が電極５４０のＩＴＯ領域５７０の下方で中心に置かれるように、第１の電極５２５が第２の電極５４０に対して配向される。基板５１５および５４５は、電極５２５および５４０を含む、基板の全表面をカバーする配向層５７５をさらに有する。配向層５７５は非駆動状態において液晶分子の垂直配向（垂直）配向を生じる。配向層はレシチン、長アルキル鎖シラン、長アルキル鎖カルボキシラートクロミウム錯体、ポリマー、または当業者には周知の他の材料から構成され得る。
液晶セルはほぼ５．０μｍの厚さを有し得、ほぼ３７０ｎｍの液晶セルに対する相遅延（Δｎｄ）を生じる。補償器層５１０はほぼ２９０ｎｍの相遅延を有する負のＣプレート層からなり得る。補償器層５５０はほぼ１３０ｎｍの相遅延を有する正のＡ層からなり得る。Ａプレート層のアジマス方向は、その光学軸が隣接する検光子層５５５の透過軸に対してほぼ平行であるようなものである。
代替的に、偏光子５０５と検光子５５５との間の都合のよい場所に配置される１つ以上の対の交差したＡプレートが補償器層５５０の代わりに用いられてもよい。付加的な負の複屈折Ｃプレートも図５の実施例において用いられ得る。
偏光子および検光子５５５のそれぞれの吸収軸は（通常黒色のディスプレイにおいて）互いに対して直角に配向される。或る実施例では、吸収軸はストライプ６００に対してほぼ４５°の角で配向される。
動作
ほぼ１．５よりも小さい弾性定数比（Ｋ₃₃÷Ｋ₁₁）と、０．２から０．３の間のセルギャップ対ピッチ比（ｄ／Ｐ₀）と、３００ｎｍから５００ｎｍの間の液晶相遅延（Δｎｄ）とを用いると、十分に駆動された状態における高い透過をさらに維持しながら、フレデリクスしきい値より上の駆動電圧における電気光学曲線の傾斜が減少される。より低い傾斜は広い視野にわたってグレースケール透過の安定性を向上させる。
図７を参照すると、電界が電極５２５および５４０にかけて電圧を適用することによって液晶５３０にかけて適用されるとき、層５３０の中央の液晶分子が基板５１５および５４５の表面５２０および５３５に対して平行な配向に向かって傾く。電極５２５および５４０におけるギャップ５６５は、７００と示される領域における液晶分子を左側の方向に傾くように誘導する、電界の横成分を生じるが、７０５と示される領域の液晶分子は右側の方向に傾く。さらに、横電界成分は、平均電気光学曲線の傾斜を低下させるフレデリクスしきい値電圧を減少させる。
単一の液晶領域７００または７０５のグレースケール透過特性は観察角に強く依存する。この発明の顕著な利益は、液晶層５３０における領域７００の透過特性が観察者の観点から領域７０５のそれと平均されることである。２つの領域７００および７０５の平均グレーレベル透過特性は広い視野にわたって向上された安定性を示す。
負のＣプレート５１０は、非駆動状態にあるとき液晶材料５３０の正のＣプレート光学特性を補償する。Ａプレート５５０は、広い観察角で交差した偏光子の透過特性における固有の漏れを補償する。両方の補償器５１０および５５０の組み合わされた効果は広い視野にわたってディスプレイの黒色（非駆動）状態の透過を実質的に低下させることである。
利益
この発明に従ったＶＡＣディスプレイの主な性能上の利益は少なくとも４つある。第１に、負のＣプレートおよび正のＡプレートの補償での観察角が他のＬＣＤシステムにおいてこれまでに利用可能であったよりもより広いことが期待される。このために、このようなディスプレイを進歩したエビオニクスシステムおよび何らかの他の情報ディスプレイ位置において用いることが可能となる。第２に、液晶材料内の多数のチルトドメインの存在が、概して、グレーレベル透過が観察角にかなり反応せず、１つのピクセルから別のピクセルで同じであることを意味する。第３に、ターンオン遅延時間が透過するピクセル領域内で横電界を用いることによって減少される。最後に、ラビングのない配向プロセスが製造上の高い歩留りにつながり得る。
この開示の利益を被る当業者には、上述の例示からの数多くの変形が上に説明された発明概念から逸脱せずに可能であることが認識されるであろう。したがって、この出願プログラムにおいて主張される包括的な権利を規定すると意図されるのは、以下に説明される請求の範囲であって、上述の例示ではない。
付録Ａ：ＶＡＣ光学性能の予備評価
ロックウェル・サイエンス・センター（Rockwell Science Center）は垂直に配向されたコレステリック（ＶＡＣ）液晶ディスプレイの予備の試験的および理論的評価を行なって、大量情報内容ディスプレイ応用に対するその適性を判断した。我々の評価は、ケース・ウェスタリン・リザーブ・ユニバーシティ（Case Western Reserve University）（ＣＷＲＵ）およびサイエンス・センターで作成されたテストセルでのモデリングおよび試験的測定に基づいた。我々は、ＶＡＣアーキテクチャが商業上のエビオニクスシステムと他の情報ディスプレイ応用とにとって有望なディスプレイ技術であると結論づける。我々はまた現行のＶＡＣセル設計でのいくつかの欠陥を明らかにし、さらなる調査を必要とする技術分野を示す。この文書は、この評価の間にサイエンス・センターで行なわれた研究の結果を開示する。
モデリングの正確さ
我々のモデル結果は我々の試験的測定によって質的に確かめられた。オートロニック−メルチャーズ（Autronic-Melchers）からのＤＩＭＯＳモデリングソフトウェアを用いて我々は液晶変形プロファイルを計算した。剛性境界条件が入力基板上のアジマスおよび極の両方の束縛と出力基板上の極束縛とに対して用いられ、弾性境界条件が出力基板上のアジマス束縛に用いられた。モデリングに必要なすべての材料パラメータが液晶混合物ＭｅｒｃｋＺＬＩ−２７８７に対して利用可能であった。Ｋ₃₃／Ｋ₂₂弾性比を除くすべてのパラメータが液晶混合物ＭｅｒｃｋＭＬＣ−２０１１に対して既知であった。しかしながら、妥当な評価がしばしばＫ₃₃／Ｋ₂₂の比から出されることができ、これはＫ₂₂が大抵Ｋ₁₁の０．５−０．６倍であるからである。
ＶＡＣ液晶セルの光学特性は拡張された２×２ジョーンズマトリックスアルゴリズム［１］を用いてモデル化された。任意のチルトドメインでのテストセルの光学特性は１２個の液晶配向にわたって平均化することによってシミュレートされ、各配向は前のものに対して１５°回転された。回位の光学効果は我々のモデルに含まれなかった。
ＣＷＲＵからのＶＡＣテストセルの黒色状態透過は我々の測定の間劣化し、したがって我々は５ｍｍおよび１０ｍｍのセルギャップを有したＺＬＩ−２７８７を用いて２つのテストセルを作成した。モデリングと測定との間の良好な質的調和がコントラスト比コノスコープに対して得られた。不十分な質的調和は、恐らくはテストセルにおけるチルトドメインの任意ではない配向のために透過対極観察角に対して得られた。
視野
我々のモデリングおよび測定は、負のＣプレート補償の使用がＶＡＣ観察角を向上できるという予想を確認する。観察角は駆動状態における液晶のアジマス配向によって悪影響を受けない。ピークコントラスト比は偏光子の効率と、カラーフィルタと、セルスペーサおよび表面トポロジーから生じるセルにおける欠陥とによってのみ制限される。
グレースケール直線性
ＶＡＣテストセルに対するモデル化されかつ測定された結果において不十分なグレースケール直線性が得られた。この問題は単一チルトドメインに対する透過対極観察角をモデル化することによって研究された。偏光子に対する液晶のアジマス配向に依存して、激しいリバウンドが水平または垂直の観察方向において２０−３０°で発展する。しかしながら、直角の観察方向は良好なグレースケール直線性を有する。恐らくは任意に配向されたチルトドメインを有するテストセルの場合、小さいがそれにもかかわらず好ましくないリバウンドがあらゆる観察方向に起こる。
上に示されたように、テストセルのグレースケール性能は水平および垂直の方向（偏光子軸と平行）に対して同じではなく、ドメインが測定される区域において任意に配向されていなかったことを示す。我々はこれがピクセルにおける問題でもあると考える。これは電極境界から生じる横電界が特定的なアジマスチルト方向を誘導する傾向があるためである。しかしながら、平均液晶ディレクタが反対方向ではなく垂直面に配向された２つのチルトドメインを用いることによって良好なグレースケール性能がなお得られ得ることを我々は見出した。偏光子は０°および９０°ではなく４５°および１３５°に配向された。この型のチルト配向は、垂直方向に横電界を誘導するように適切に配向された、ピクセル電極における狭いスリットを用いることなどによって生み出され得る。ピクセル内の横電界を用いることはまたターンオン遅延の問題を克服できる。４つまでのチルトドメインもまた構成された電極で実行可能であり、これはさらにグレースケール直線性を向上できる。
グレースケール性能は少しばかり詳細に研究され、液晶パラメータおよびセル厚さの粗い最適化がグレースケール直線性を向上させる目標で行なわれた。結果はセルの相厚さＤｎｄへのリバウンドの強い依存を明らかにする。相厚さを低下させるとグレースケール直線性が向上されるが、白色状態のセル透過をも低下させる。さらに僅かな度合いでは、リバウンドは、増加する弾性定数比Ｋ₃₃／Ｋ₁₁₁と減少する誘電体異方性比De/e_‖とで増加する。白色状態透過を回復させる唯一の方法はピッチを増すか、または逆にセルギャップ対ピッチ比ｄ／ｐを低下させることによってである。Ｄｎｄ＝３４０ｎｍの相厚さ、６５／３５のドメイン面積比、および−０．２２のｄ／ｐ比を用いることによって、我々は２−ドメインセルから良好なグレースケール直線性を得ることができた。しかしながら、エビオニクスグレースケール仕様でのフルコンプライアンスを達成するためには性能におけるさらなる改良が必要であり得る。
この構成での白色状態透過は通常白色９０°ＴＮセルでのそれよりも約１５％低かった。低い透過は恐らくは、アパチャ比を増し（ＶＡＣが通常黒色の偏光子構成を用いるのでピクセル境界での回位は黒色状態透過に悪影響を及ぼさない）、および／またはバックライトフォスファミックス（下記参照）を変化させることによって補償され得る。
色度
上述のように、最適なグレースケール直線性（低いＤｎｄ）のために構成されたＶＡＣディスプレイの色度は相対的に高い青色透過を有する。この特性は、緑の燐よりも効率的ではない青の燐をバックライトがより少なく必要とするので全システム効率を向上できる。さらに、電気光学曲線の形状が赤、緑および青に対してほぼ同じであるように見える。グレーレベル色度は高い観察角で最も安定しており、法線入射では最も安定していない。異なったセルギャップを有する赤、緑および青のピクセルの色度への影響は色度を向上できるが具体的には調査されていなかった。
ＶＡＣ開発問題
いくつかの技術問題がさらなる開発を必要とする我々の評価から明確にされた。これらの問題は提案される技術的アプローチとともに以下に説明される。
マルチドメイン電極設計。電極パターンは、広い温度範囲にわたってチルトドメインの安定した配向を生じるために最適化されなければならない。垂直に配向されたネマチック（ＶＡＮ）ディスプレイに対するこのアプローチの実行可能性は既に示されている［２−４］。
グレースケール応答時間。予備結果はグレーレベル（ＣＷＲＵテストセル）間のいくつかの遷移に対して２００ｍｓまでの応答時間を提案する。応答時間でのｄ／ｐ比とほかの液晶材料パラメータとの影響が判断されなければならない。この問題はＤＩＭＯＳを用いて理論的に調査できる。多重パルス電子駆動方式がビデオ応用に対して十分に短い応答時間を達成するために必要とされ得る。いくつかの実験測定はモデリング結果を実証するために行なわれなければならない。この作業のためのこのプランは、商業上の液晶材料から入手可能な混合物パラメータの範囲に幾分依存する。
さらに、横電界を用いると初期のＶＡＣテストセルにおいて見られるターンオン遅延時間が減少されるはずである。この予測はテストセル測定で確認されなければならない。
最適化されたセル設計／液晶混合物パラメータ。＋／−６０°水平および＋／−４５°の視野にわたっての良好なグレースケール直線性と色度の安定性と、あらゆる方向で＋／−６０にわたっての＞１００：１のコントラスト比とが目標である。セルアーキテクチャに対して提案されるどんな変更も、グレースケールおよび色度の安定性ならびに応答時間への影響を理論的に判断するために徹底的に評価されなければならない。
垂直配向層。いくつかの表面欠陥が見られたが良好な配向がシロキサン表面活性剤で示された。ポリマーおよび他の表面活性剤のような他の可能性のある配向材料は配向の安定性と電圧保持比とのために広い温度範囲にわたって評価されなければならない。純度の高い材料が入手可能でなければ、相対的に不純な配向材料で処理された表面の電圧保持比を高めるために表面洗浄手順を用いることが可能であり得る。
液晶混合物。２−ドメインモデリングのすべてがＭｅｒｃｋＭＬＣ−２０１１に対するパラメータで行なわれた。この混合物の透明点は僅か７３℃であり、これはエビオニクス応用で必要とされる少なくとも２０℃下である。代替的な材料が明らかにされ、評価されなければならない。
参考文献
１．エィ・リェン（A. Lien）、Appl. Phys. Lett. 57, 2767（1990）。
２．エス・ヤマウチ（S. Yamauchi）、エム・アイザワ（M. Aizawa）、ジェイ・エフ・クラーク（J. F. Clerc）、ティー・ウチダ（T. Uchida）、およびジェイ・ドゥチーヌ（J. Duchene）、ＳＩＤ '89 ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ（SID '89 Digest of Technical Papers）、ｐ．３７８（１９８９）。
３．ティー・ヤマモト（T. Yamamoto）、エス・ヒロセ（S. Hirose）、ジェイ・エフ・クラーク（J. F. Clerc）、ワイ・コンドウ（Y. Kondo)、エス・ヤマウチ（S. Yamauchi）、およびエム・アイザワ（M. Aizawa）、ＳＩＤ '91ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ（SID '91 Digest of Technical Papers）、ｐ．６７２（１９９１）。
４．エィ・リェン（A. Lien）、ＳＩＤ '92 ダイジェスト（SID '92 Digest）、ｐ．３３（１９９２）。Background of the Invention
The present invention relates generally to mass information content liquid crystal displays (LCDs), and more particularly to vertically oriented cholesteric (VAC) liquid crystal displays. The present invention uses a novel compensation and electrode design for VAC LCDs.
Twisted nematic liquid crystal display
Current active matrix liquid crystal display (AMLCD) technology is almost exclusively based on the 90 ° twisted nematic (TN) display mode. Scheffer in "Liquid Crystals Applications and Uses" (Volume 1, edited by B. Bahadur, World Scientific, pp. 231-274, 1990). ) And Nehring. This type of display has a positive dielectric anisotropy (Δε = ε in which molecules are oriented with a long axis parallel to the applied electric field)._‖−ε_⊥> 0 liquid crystal mixture). Term e_‖And e_∧Refers to the low frequency (<10 kHz) dielectric coefficient parallel and perpendicular to the long axis of the liquid crystal molecules, respectively.
As shown in FIGS. 1A and 1B, the inner surface of the cell is rubbed to produce an alignment (at surfaces 110 and 130) of liquid crystal molecules 120 parallel to the surface along the rubbing direction. The rubbing directions of the two

opposing surfaces

110 and 130 are perpendicular to each other. In the undriven or field-off state 100, surface constraining conditions (realized by surface rubbing) cause the liquid crystal molecules 120 to twist 90 ° from one surface to the other. For this reason, linearly polarized light propagating from one side of the cell to the other, ie towards the viewer 140, is largely dependent on wavelength by a mechanism called adiabatic foraging or "waveguide". Without rotation. In the normally white (NW) configuration, analyzer 105 and polarizer 135 are at right angles to each other, causing the undriven state of the NW-TN display to be white. The light transmission characteristics in the non-driven state are mainly determined by the phase thickness Dnd of the liquid crystal cell, where Dn is the birefringence of the liquid crystal material 115 and d is the cell gap 125. In some embodiments, proper transmission and chromaticity are achieved in the range of 380 nm <Dnd <500 nm.
Applying a lateral electric field above a certain threshold (known as the Fredericks threshold) causes the liquid crystal molecules 120 to tilt towards a perpendicular orientation, thereby preventing the waveguiding effect and producing an elliptical polarization state ( (See display 145 in FIG. 1B). The above constraints on the

surfaces

110 and 130 cause non-uniform deformation of the liquid crystal molecules 120 from one surface to the other. The NW-TN145 configuration monotonically reduces transmission as the applied voltage rises above the Fredericks threshold voltage.
At a sufficiently high applied voltage, three different regions within the cell 145 can be identified. The liquid crystal molecules 120 in approximately the middle half of the cell are tilted with almost vertical orientation (˜80 °) and experience almost all of the twist. In this region, there is little or no rotation of the input light polarization. The liquid crystal molecules 120 in the remaining approximately one-quarter cells adjacent to each

surface

110 and 130 are aligned along the rubbing direction. Molecules in these regions will experience a moderate amount of tilt but will hardly twist. Since the two surface regions are rubbed at right angles to each other, their combined delay cancels. At normal incidence, the polarization state of the light propagates through the cell with almost no change, resulting in a contrast ratio of at least 70: 1, depending on the drive voltage and extinction ratio of the polarizers 105 and 135.
In a normally white configuration, the fully driven state of the NW-TN display is black at normal incidence. Birefringence in the almost vertically centered region enhances drive-state transmission at off-normal viewing angles. The field of view can be increased somewhat by using a negative birefringence C-plate optical compensator that effectively cancels the residual black state birefringence in the central region of the cell. Ong “New Normally White Negative Birefringence Film Compensated Twisted Nematic LCDs with Largest Viewing Angle Performance” (12th) See Proceedings 12th International Display Research Conference-Japan Display 92, pp. 247-250, 1992).
A small amount of the normally black configuration is used where the analyzer and polarizer axes are parallel to each other. However, the major drawbacks with this configuration are that the peak contrast is not very high, the chromaticity of the black state is not neutral, and the cell gap tolerance is even tighter than in the NW configuration of FIG.
Advantages of the NW-TN configuration include colorless operation, fast enough on-off response time for video applications, high contrast ratio at normal incidence, and relaxed manufacturing tolerances. The main drawbacks include gray level transmission that depends on the viewing angle, relatively slow gray level response times, limited viewing angles, and the need for mechanical rubbing surface treatment.
Vertically aligned twisted nematic liquid crystal display
A liquid crystal display operating by an electrically controlled birefringence effect is also shown. In particular, the vertically aligned nematic (VAN) display shown in FIGS. 2A and 2B utilizes a negative dielectric (De <0) liquid crystal material 210 in which the liquid crystal molecules 215 are aligned perpendicular to the electric field. By Yamauchi et al. ("Homeotropic-Alignment Full-Color LCD" SID89 digest, pp. 378-381, 1989), by Hirai et al. ("Cell conditions and driving in VAN LCD for color video display. "Optimization of Cell Condition and Driving Method in a VAN LCD for Color video Display", Proceedings 9th International Display Research Conference-Japan Display '89, pp. 184-187, 1989). It is noted that VAN type displays are also known as color super vertical alignment displays.
In a VAN type display, the liquid crystal molecules 215 in the non-driven state 200 are aligned vertically using a simple application of a surface binder, and rubbing is not required. In normal incidence, light that is linearly polarized is not primarily affected when passing through the liquid crystal material 210. When polarizer 105 and analyzer 135 are at right angles to each other, linearly polarized light across the cell is absorbed by the analyzer, resulting in a normally black display mode. The contrast ratio of the black state at normal incidence is typically greater than 100: 1 and is limited only by the extinction ratio of the polarizer and cell defects. Note that

alignment layers

205 and 220 are not subjected to a mechanical rubbing operation.
When applied to a driving voltage (above the Fredericks threshold, see element 225) liquid crystal cell, the liquid crystal molecules 215 tilt toward parallel orientation. This results in voltage dependent birefringence in the liquid crystal material 210 that transmits light to the display. However, in contrast to NW-TN displays, it varies with the red, green, and blue wavelengths of light at the voltage required to reach maximum transmission. Usually, the liquid crystal molecules 215 have a tendency to tilt in many azimuth directions, resulting in a large number of tilt domains separated by dislocations. The resulting viewing angle dependence of gray level transmission for a single tilt domain is unacceptably high. The formation of multiple tilt domains within each pixel has been shown to increase gray scale stability over a wide viewing angle. However, the white state transmission of a VAN display depends on the azimuth direction of tilt relative to the polarizer transmission axis. Transmission is optimal only when the tilt domain is oriented at almost 45 ° to the polarizer axis. Arbitrarily oriented tilt domains and associated gyrations between them tend to degrade the white state transmission of the VAN.
A patterned electrode design is shown that minimizes viewing angle dependence and maximizes white state transmission by stabilizing multiple tilt domains along a particular azimuth direction within each pixel. By Yamauchi et al. And Yamamoto et al. ("Full-Cone Wide-Viewing-Angle Multicolor CSH-LCD", SID91 Digest, pp.762-765, 1991), Lien ("Simulation of Three-Dimensional Director Structures in Multi-Domain Homeotropic LCDs", SID '92 digest, pp. 33-35, 1992). . Nevertheless, the resulting white state transmission is still significantly lower than that typically achieved by a 90 ° TN display.
In contrast to the NW-TN display, the off-axis transmission in the non-driven (black) state aligned in the vertical alignment, which occurs due to the birefringence of the liquid crystal molecules 215, uses a negative birefringence C plate compensator. Can be removed almost completely. See Yamauchi et al. The result is a display with a black state field of view similar to that of a crossed polarizer only (ie, no liquid crystal layer).
VAN displays have both advantages and disadvantages compared to NW-TN displays. Advantages include avoiding mechanical rubbing surface treatment and a very large black state field of view. The main drawbacks of VAN displays include the low white state transmission level and the wavelength dependence of the white state transmission level. In color displays, this latter effect requires that a different set of drive voltages be applied to each of the three color sub-pixels. This requirement adds to the cost of the drive circuit.
Vertically oriented cholesteric liquid crystal display
Recently, vertically oriented cholesteric (VAC) displays have been developed to overcome many of the disadvantages of 90 ° TN displays and VAN displays. Appl. By Crandall et al. Phys. Lett. Vol. 65, NO. 1, pp. 118-120, 1994. As in the VAN display, the liquid crystal molecules 310 in the VAC display are aligned in a vertical alignment in an undriven state. However, in VAC displays, the liquid crystal material is doped with a chiral material at a concentration sufficient to drive the molecule, ie, to twist the molecule by approximately 90 ° when the molecule is oriented approximately parallel to the cell surface. (VAC displays are also known as vertically aligned, non-rubbed liquid crystal light shutters).
In the non-driven state 300, the vertically aligned liquid crystal molecules 310 experience elastic strain, but are made to show no twist due to surface constraints at the

surfaces

205 and 220. When a voltage above the Fredericks threshold is applied across the cell (see FIG. 3B, device 315), the liquid crystal molecules 310 begin to tilt toward parallel orientation. As molecules begin to tilt away from vertical surfaces, they begin to twist, thereby relaxing the elastic strain. As a result of twisting in the driven state, linearly polarized light is rotated 90 ° by the waveguiding effect. In this regard, the driving state of the VAC display operates in the same manner as the non-driving state of the 90 ° TN display even if the surface constraint conditions are different in the two displays. Between the Fredericks threshold and the fully driven state, the cell produces an elliptical polarization state that produces an intermediate transmission level.
The light transmission characteristics in the driving state of the VAC mainly include the phase thickness Dnd and the cell gap to liquid crystal pitch ratio d / P of the liquid crystal cell.₀And determined by. Where Dn is the birefringence of the liquid crystal and P₀Is a cholesteric pitch and d is a cell gap. Dnd and d / P₀For a given value of, the white state voltage is selected such that transmission is maximized.
Like a vertically polarized VAN display, a VAC display exhibits a rotation between different tilt domains. As long as the size of the tilt domain is small relative to the pixel dimensions, there is still a small dependence of grayscale on the viewing angle, but grayscale transmission is more stable over a wider viewing angle than is achieved with a 90 ° TN display. ing. However, in VAC displays, the effect of multiple tilt domains on white state transmission is significantly different than in VAN displays. White state transmission does not depend on the orientation of the tilt domain of the VAC. This means that cell transmission is only degraded by the disclination itself, which is generally small relative to the size of the tilt domain itself. Since the distortion does not occur in the black state, the width of the black matrix surrounding each pixel can be reduced to compensate for any loss of white transmission due to the rotation.
The typical VAC tilt domain size is on the order of 20-70 mm. Since this is small enough, several tilt domains can exist in a pixel size of approximately 150 nm × 150 nm typical of mass information content LCDs. Nevertheless, the number of tilt domains is generally not high enough to ensure that grayscale transmission is contrasted from the opposite viewing direction. Furthermore, the tilt direction is generally not reproducible for some pixels, leading to slight differences in off-normal viewing characteristics between adjacent pixels.
A VAC display shares the same advantages over a 90 ° TN display with a VAN display, ie mechanical rubbing surface treatment is avoided and the black field of view is very large. In addition to these advantages, the VAC white state transmission can be made almost wavelength independent, thereby eliminating the need to drive the three color subpixels of each pixel with different grayscale voltages. Another advantage is that white state transmission in multi-domain VAC pixels is higher than in VAN displays.
A disadvantage of VAC displays and possibly VAN displays is that after the field is turned, a delay of approximately 30 milliseconds (ms) exists before the liquid crystal molecules begin to tilt. This turn-on delay can be significantly reduced by biasing the off-state just below the threshold voltage. Another drawback is that gray scale transmission becomes non-uniform at viewing angles greater than about 30 ° from vertical. In addition, grayscale transmission at large viewing angles can vary somewhat from pixel to pixel (see Appendix A).
A well-known important ongoing problem in liquid crystal display technology is to achieve high contrast and grayscale uniformity over a wide field of view while at the same time achieving fast response times for the display of dynamically changing information. The present invention addresses these issues in a vertically oriented cholesteric display architecture.
Summary of the Invention
A vertically oriented cholesteric (VAC) liquid crystal display (LCD) system according to the present invention provides a high contrast ratio and gray scale transmission that is largely invariant to viewing angle. Specifically, the display of the present invention comprises an optical compensator for increasing the contrast ratio and a novel cell design that improves the gray scale stability of the display.
A simple and effective liquid crystal display compensator according to the present invention includes a negative C plate and a positive A plate. The C plate is disposed between the light entrance polarizer and the liquid crystal cell, and the A plate is disposed between the liquid crystal cell and the exit polarizer (analyzer). The A plate is oriented with its optical axis approximately parallel to the transmission axis of the analyzer. With this compensator, the range of viewing angles where the black state transmission remains very close is much larger than that with only crossed polarizers. Alternatively, one or more pairs of crossed A plates may be used instead of a single A plate, and an additional negative birefringent C plate may be used.
The pixel design of the display incorporates two or four liquid crystal tilt domains with a relatively small phase thickness of 300 to 450 nanometers (nm). The chiral dopant concentration of the liquid crystal is adjusted to give a cell gap to pitch ratio of 0.2 to 0.32. The display polarizer is oriented at 45 ° and 135 °. In order to achieve a two tilt domain pixel, each pixel electrode is patterned into parallel stripes that produce a transverse electric field in the active state within the active pixel region. The transverse electric field separates the liquid crystal molecules into two tilt domains that are oriented in substantially opposite directions, approximately 90 ° and 270 °. In order to achieve a 4-tilt domain pixel, each pixel electrode includes a rectangular hole that creates a transverse electric field in the active pixel area. The transverse electric field separates the liquid crystal molecules into four tilt domains, which are oriented in four directions separated by approximately 90 °, ie approximately 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °.
The resulting gray scale response is reproducible by pixel and is relatively uniform in viewing angle as responses from different tilt domains are averaged over the entire pixel. A transverse electric field reduces the slope of the electro-optic curve. The transverse electric field also removes the instability that exists when a potential is first applied across the cell, thereby reducing the turn-on delay time of the display.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are cross-sectional views of a conventional normal white 90 ° twisted nematic liquid crystal display (non-driven state and driven state, respectively).
2A and 2B are cross-sectional views of a conventional normal black vertically aligned nematic liquid crystal display (non-driven state and driven state, respectively).
3A and 3B are cross-sectional views of a conventional normal black vertically aligned cholesteric liquid crystal display (non-driven state and driven state, respectively).
FIG. 4 shows the coordinate system used to identify the component orientation within this invention.
FIG. 5 shows a cross-sectional view of a vertically oriented cholesteric display cell according to the present invention.
FIG. 6 shows an enlarged view of the electrode structure of FIG. 5 in a plan view.
FIG. 7 shows an enlarged cross-sectional view of the liquid crystal display cell of FIG.
Detailed description of specific examples
An exemplary embodiment of the invention is shown below so that it can be implemented using liquid crystal display technology. For clarity, not all features of an actual embodiment are described in this specification. Of course, in developing any actual implementation (as in any development project), the developer's specific goals and subject to system and business related constraints that vary from one implementation to another. It will be appreciated that many decisions specific to the example must be made to achieve the subgoals. Further, such development efforts can be complex and time consuming, but it will nevertheless be recognized by those skilled in the art having the benefit of this disclosure that it is a routine task of machine tooling.
For the convenience of the reader, further detailed technical information relating to preliminary engineering analysis for one embodiment of the display of the present invention is “Preliminary Evaluation of VAC Optical Performance”. (Appendix A is a copy of the technical memorandum filed by one of the inventors and is included as an auxiliary disclosure without its original accompanying drawings).
FIG. 4 shows the coordinate system used here to explain the orientation of both liquid crystals and the birefringence compensator optic axis. The light propagates toward the viewer 400 in the positive z direction, and this positive z direction 405 forms a right coordinate system with the x-axis 410 and the y-axis 415. Backlighting as indicated by arrow 420 is provided from the negative z direction. The curvature tilt angle Θ 425 is the optical axis of the molecule estimated from the xy plane.

Defined as the angle between 430 and the xy plane. The azimuth or twist angle Φ435 is measured from the x-axis 410 to the projection 440 of the optical axis 430 onto the xy plane.
Specific embodiment structure
FIG. 5 illustrates a polarizer 505, a compensator layer 510, a first substrate 515 having a first segmented electrode 525 on its surface 520, a liquid crystal layer 530, and a surface 535 of the substrate 545. FIG. 6 shows an area within a single addressable pixel of a liquid crystal display 500 that includes a second segmented electrode 540, a second compensator layer 550, and an analyzer 555. The area between and including the

substrates

515 and 545 is called the liquid crystal cell 560, and the physical thickness of the liquid crystal layer 530 is usually called the cell gap d of the cell.
The liquid crystal layer 530 is made of a liquid crystal material having negative dielectric anisotropy. A liquid crystal material sold by the Merck company under the name MerckZLI-2787 has been found satisfactory in preliminary tests. The above-mentioned Merck liquid crystal material has a negative dielectric anisotropy (Δε) of −3.5 and an elastic constant ratio (K) of 1.25.₃₃÷ K₁₁), Having a birefringence of 0.074 and a sufficient concentration of clar dopant to give a cell gap to pitch ratio (left pitch) of -0.22.
As shown in the plan view of FIG. 6,

electrodes

525 and 540 may be composed of a pattern of horizontal indium-tin oxide (ITO) stripes 600. Each stripe is approximately 43 micrometers (μm) wide, and two adjacent stripes are separated by a gap 565 of approximately 7 μm. Striping is repeated essentially continuously across the

surfaces

520 and 530 of the

substrates

515 and 545 of each pixel.
Alternatively, different patterns may be used to produce a larger number of stable tilt domains. In preliminary modeling, four tilt domains have been found to be particularly beneficial. The azimuth direction of the tilt domain can be oriented at approximately 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. The relative area of each domain need not be the same. For example, the area of domains oriented at 90 ° and 270 ° may be approximately twice that of 0 ° and 180 ° domains. This arrangement appears to produce more contrasting viewing angle characteristics (eg, contrast and grayscale stability) due to the averaging of the viewing angle response across four different domains within each pixel.
Referring again to FIG. 5, the first electrode 525 is oriented relative to the second electrode 540 such that the gap 565 on the first electrode 525 is centered below the ITO region 570 of the electrode 540. .

Substrates

515 and 545 further have an alignment layer 575 that covers the entire surface of the substrate, including

electrodes

525 and 540. The alignment layer 575 generates vertical alignment (vertical) alignment of liquid crystal molecules in a non-driven state. The alignment layer can be composed of lecithin, a long alkyl chain silane, a long alkyl chain carboxylate chromium complex, a polymer, or other materials well known to those skilled in the art.
The liquid crystal cell may have a thickness of approximately 5.0 μm, resulting in a phase delay (Δnd) for a liquid crystal cell of approximately 370 nm. The compensator layer 510 may consist of a negative C plate layer having a phase delay of approximately 290 nm. The compensator layer 550 can consist of a positive A layer having a phase delay of approximately 130 nm. The azimuth direction of the A plate layer is such that its optical axis is substantially parallel to the transmission axis of the adjacent analyzer layer 555.
Alternatively, one or more pairs of crossed A-plates positioned at a convenient location between polarizer 505 and analyzer 555 may be used in place of compensator layer 550. An additional negative birefringent C-plate can also be used in the embodiment of FIG.
The respective absorption axes of the polarizer and analyzer 555 are oriented perpendicular to each other (usually in a black display). In some embodiments, the absorption axis is oriented at an angle of approximately 45 ° with respect to the stripe 600.
Action
Elastic constant ratio less than about 1.5 (K₃₃÷ K₁₁) And a cell gap to pitch ratio (d / P) between 0.2 and 0.3₀) And a liquid crystal phase delay (Δnd) between 300 nm and 500 nm, the slope of the electro-optic curve at a driving voltage above the Fredericks threshold while still maintaining high transmission in the fully driven state Is reduced. Lower slope improves the stability of gray scale transmission over a wide field of view.
Referring to FIG. 7, when an electric field is applied across liquid crystal 530 by applying a voltage across

electrodes

525 and 540, the liquid crystal molecules in the center of layer 530 are aligned parallel to

surfaces

520 and 535 of

substrates

515 and 545. Tilt toward. The gap 565 in the

electrodes

525 and 540 creates a transverse component of the electric field that induces the liquid crystal molecules in the region designated 700 to tilt in the left direction, while the liquid crystal molecules in the region designated 705 tilt in the right direction. . Furthermore, the transverse electric field component reduces the Fredericks threshold voltage that reduces the slope of the average electro-optic curve.
The gray scale transmission characteristics of a single

liquid crystal region

700 or 705 strongly depend on the viewing angle. A significant benefit of the present invention is that the transmission characteristics of region 700 in liquid crystal layer 530 are averaged with that of region 705 from the point of view of the observer. The average gray level transmission characteristics of the two

regions

700 and 705 show improved stability over a wide field of view.
The negative C plate 510 compensates for the positive C plate optical properties of the liquid crystal material 530 when in the undriven state. The A-plate 550 compensates for inherent leakage in the transmission characteristics of polarizers that are crossed over a wide viewing angle. The combined effect of both

compensators

510 and 550 is to substantially reduce the black (non-driven) state transmission of the display over a wide field of view.
Profit
There are at least four major performance benefits of the VAC display according to the present invention. First, it is expected that the viewing angle in compensation for the negative C plate and positive A plate is wider than previously available in other LCD systems. This allows such displays to be used in advanced evionics systems and some other information display location. Second, the presence of multiple tilt domains in the liquid crystal material generally means that gray level transmission is not very sensitive to viewing angle and is the same from one pixel to another. Third, the turn-on delay time is reduced by using a lateral electric field in the pixel area that is transparent. Finally, an alignment process without rubbing can lead to high manufacturing yields.
Those skilled in the art who have the benefit of this disclosure will recognize that many variations from the above-described examples are possible without departing from the inventive concepts described above. Accordingly, it is the claims set forth below that are intended to define the comprehensive rights claimed in this application program, and are not the examples described above.
Appendix A: Preliminary evaluation of VAC optical performance
The Rockwell Science Center conducted preliminary pilot and theoretical evaluations of vertically oriented cholesteric (VAC) liquid crystal displays to determine their suitability for mass information content display applications. Our assessment was based on modeling and pilot measurements in test cells created at Case Western Reserve University (CWRU) and Science Center. We conclude that the VAC architecture is a promising display technology for commercial evionic systems and other information display applications. We also identify some deficiencies in current VAC cell designs and point out areas of technology that require further investigation. This document discloses the results of research conducted at the Science Center during this evaluation.
Modeling accuracy
Our model results were qualitatively verified by our experimental measurements. We calculated the liquid crystal deformation profile using DIMOS modeling software from Autronic-Melchers. Rigid boundary conditions were used for both azimuth and pole constraints on the input substrate and pole constraints on the output substrate, and elastic boundary conditions were used for azimuth constraints on the output substrate. All material parameters required for modeling were available for the liquid crystal mixture Merck ZLI-2787. K₃₃/ K_{twenty two}All parameters except the elastic ratio were known for the liquid crystal mixture Merck MLC-2011. However, a reasonable evaluation is often K₃₃/ K_{twenty two}Which can be derived from the ratio of_{twenty two}Is mostly K₁₁It is because it is 0.5-0.6 times.
The optical properties of VAC liquid crystal cells were modeled using an extended 2 × 2 Jones matrix algorithm [1]. The optical properties of the test cell at any tilt domain were simulated by averaging over 12 liquid crystal alignments, each alignment rotated 15 ° relative to the previous one. The optical effect of the disclination was not included in our model.
The black state transmission of the VAC test cell from CWRU deteriorated during our measurements, so we created two test cells using ZLI-2787 with cell gaps of 5 mm and 10 mm. A good qualitative harmony between modeling and measurement was obtained for the contrast ratio conoscope. Insufficient qualitative harmony was obtained for the transmission counter-polar viewing angle, probably due to the non-arbitrary orientation of the tilt domain in the test cell.
Field of view
Our modeling and measurements confirm the expectation that the use of negative C-plate compensation can improve the VAC viewing angle. The viewing angle is not adversely affected by the azimuth alignment of the liquid crystal in the driving state. The peak contrast ratio is limited only by the efficiency of the polarizer, color filters, and defects in the cell resulting from cell spacers and surface topology.
Grayscale linearity
Insufficient gray scale linearity was obtained in the modeled and measured results for the VAC test cell. This problem was studied by modeling the transmission counter polar observation angle for a single tilt domain. Depending on the azimuth orientation of the liquid crystal relative to the polarizer, intense rebound develops at 20-30 ° in the horizontal or vertical viewing direction. However, the normal viewing direction has good gray scale linearity. Perhaps for test cells with arbitrarily oriented tilt domains, a small but nonetheless unfavorable rebound occurs in every viewing direction.
As indicated above, the gray scale performance of the test cell is not the same for the horizontal and vertical directions (parallel to the polarizer axis), indicating that the domain was not arbitrarily oriented in the area to be measured. Show. We think this is also a pixel problem. This is because the transverse electric field generated from the electrode boundary tends to induce a specific azimuth tilt direction. However, we have found that good gray scale performance can still be obtained by using two tilt domains in which the average liquid crystal director is oriented in the vertical plane rather than in the opposite direction. The polarizer was oriented at 45 ° and 135 ° rather than 0 ° and 90 °. This type of tilt orientation can be created, such as by using narrow slits in the pixel electrode that are properly oriented to induce a transverse electric field in the vertical direction. Using a lateral electric field within the pixel can also overcome the problem of turn-on delay. Up to four tilt domains can also be implemented with configured electrodes, which can further improve grayscale linearity.
Grayscale performance was studied in a little more detail, and rough optimization of liquid crystal parameters and cell thickness was done with the goal of improving grayscale linearity. The results reveal a strong rebound dependence on the cell phase thickness Dnd. Reducing the phase thickness improves grayscale linearity, but also reduces white cell transmission. To a lesser degree, rebound is an increasing elastic constant ratio K₃₃/ K₁₁₁Decreasing dielectric anisotropy ratio De / e_‖And increase. The only way to restore white state transmission is by increasing the pitch or conversely decreasing the cell gap to pitch ratio d / p. By using a phase thickness of Dnd = 340 nm, a domain area ratio of 65/35, and a d / p ratio of −0.22, we were able to obtain good grayscale linearity from a 2-domain cell. . However, further improvements in performance may be necessary to achieve full compliance with the Evionics Grayscale specification.
The white state transmission in this configuration was about 15% lower than that in the normal white 90 ° TN cell. Low transmission probably increases the aperture ratio (the VAC usually uses a black polarizer configuration so that the rotation at the pixel boundary does not adversely affect the black state transmission) and / or backlight phosphor mix (see below) It can be compensated by changing.
Chromaticity
As mentioned above, the chromaticity of VAC displays configured for optimal grayscale linearity (low Dnd) has a relatively high blue transmission. This property can improve overall system efficiency because the backlight requires less blue phosphorous, which is less efficient than green phosphorous. Furthermore, the shape of the electro-optic curve appears to be approximately the same for red, green and blue. Gray level chromaticity is most stable at high viewing angles and is most stable at normal incidence. The effect on the chromaticity of red, green and blue pixels with different cell gaps can improve chromaticity but has not been specifically investigated.
VAC development issues
Several technical issues were clarified from our assessment that required further development. These issues are explained below along with the proposed technical approach.
Multi-domain electrode design. The electrode pattern must be optimized to produce a stable orientation of the tilt domain over a wide temperature range. The feasibility of this approach for vertically oriented nematic (VAN) displays has already been shown [2-4].
Grayscale response time. Preliminary results suggest response times up to 200 ms for some transitions between gray levels (CWRU test cells). The influence of the d / p ratio in response time and other liquid crystal material parameters must be determined. This problem can be investigated theoretically using DIMOS. Multiple pulse electronic drive schemes may be required to achieve sufficiently short response times for video applications. Some experimental measurements must be made to verify the modeling results. This plan for this work is somewhat dependent on the range of mixture parameters available from commercial liquid crystal materials.
Furthermore, the use of a transverse electric field should reduce the turn-on delay time found in early VAC test cells. This prediction must be confirmed by test cell measurements.
Optimized cell design / liquid crystal mixture parameters. Good grayscale linearity and chromaticity stability over +/− 60 ° horizontal and +/− 45 ° field of view and> 100: 1 contrast ratio over +/− 60 in all directions is there. Any proposed changes to the cell architecture must be thoroughly evaluated to theoretically determine the impact on grayscale and chromatic stability and response time.
Vertical alignment layer. Although some surface defects were seen, good orientation was shown with the siloxane surfactant. Other potential alignment materials such as polymers and other surfactants must be evaluated over a wide temperature range for alignment stability and voltage holding ratio. If a high purity material is not available, it may be possible to use a surface cleaning procedure to increase the voltage holding ratio of a surface treated with a relatively impure orientation material.
Liquid crystal mixture. All of 2-domain modeling was performed with parameters for Merck MLC-2011. The clearing point of this mixture is only 73 ° C., which is at least below 20 ° C., which is required for evionics applications. Alternative materials must be identified and evaluated.
References
1. A. Lien, Appl. Phys. Lett. 57, 2767 (1990).
2. S. Yamauchi, M. Aizawa, JF Clerc, T. Uchida, and J. Duchene, SID '89 Digest of Technical Papers (SID '89 Digest of Technical Papers), p. 378 (1989).
3. T. Yamamoto, S. Hirose, JF Clerc, Y. Kondo, S. Yamauchi, and M. Izawa (M. Aizawa), SID '91 Digest of Technical Papers, p. 672 (1991).
4). A. Lien, SID '92 Digest, p. 33 (1992).

Claims

A liquid crystal cell for a liquid crystal display, wherein the liquid crystal cell is
(A) including a liquid crystal layer defined by a plurality of layer surfaces;
(1) The liquid crystal layer comprises (A) negative dielectric anisotropy, (B) a K ₃₃ / K ₁₁ elastic constant ratio of less than about 1.5, and (C) between about 300 nanometers and about 500 nanometers. With a phase delay of
(2) the liquid crystal layer includes a plurality of liquid crystal molecules, the liquid crystal molecules adjacent to the layer surface is oriented vertically into,
(3) the liquid crystal layer further comprises a chiral dopant in a concentration sufficient to achieve a cell gap to pitch ratio between approximately 0.2 and approximately 0.35;
(4) The liquid crystal molecules are organized in a plurality of tilt domains, and the liquid crystal cell further includes:
(B) a first electrode close to the first main surface of the liquid crystal layer;
(C) a second electrode close to a second main surface, which is the main surface opposite to the first main surface of the liquid crystal layer, wherein the first and second electrodes are used as potential sources. When applied, an electric field is applied across the liquid crystal layer,
(D) Either or both of the first electrode and the second electrode include a plurality of gaps that generate one or more transverse components in the electric field, and each of the one or more transverse components is the tilt. A liquid crystal cell that defines an azimuth direction relative to at least one of the domains.

A liquid crystal cell for a liquid crystal display, wherein the liquid crystal cell is
(A) comprises a liquid crystal layer that will be defined by a plurality of layer surface,
(1) The liquid crystal layer comprises (A) negative dielectric anisotropy, (B) a K ₃₃ / K ₁₁ elastic constant ratio less than about 1.5 , and (C) about 300 nanometers to about 500 nanometers. Phase delay between and
(2) the liquid crystal layer includes a plurality of liquid crystal molecules are organized in a plurality of tilt domain, the liquid crystal molecules adjacent to the layer surface is substantially vertically into alignment, further,
(3) the liquid crystal layer includes a chiral dopant in a concentration sufficient to achieve a cell gap to pitch ratio between approximately 0.2 and approximately 0.35, the liquid crystal cell further comprising:
(B) a first electrode close to the first main surface of the liquid crystal layer;
(C) a second electrode close to a second main surface, which is the main surface opposite to the first main surface of the liquid crystal layer, wherein the first and second electrodes are used as potential sources. A liquid crystal cell adapted to apply a voltage across a liquid crystal layer when connected.

3. The liquid crystal cell according to claim 2, wherein one or both of the first electrode and the second electrode includes one or more gaps that generate one or more transverse components in the electric field.

The liquid crystal cell according to claim 3, wherein the azimuth direction of the tilt domain is defined by the transverse component to the electric field.

The liquid crystal molecules are oriented vertically into the liquid crystal cell according to claim 3 or 4 adjacent to the layer surface.

The liquid crystal cell according to claim 2, wherein the liquid crystal display is a normally black display.

A liquid crystal display,
(A) a polarizer layer;
(B) an analyzer layer;
(C) a liquid crystal cell according to one specified in claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6 ;
(D) A liquid crystal display including at least one compensator layer disposed between the polarizer and the analyzer and including at least one negative birefringent C-plate layer.

The display of claim 7 , wherein the compensator layer further comprises at least one positive birefringent A-plate layer.