DE2148378A1

DE2148378A1 - Anordnung zur mehrfarbigen datenanzeige

Info

Publication number: DE2148378A1
Application number: DE2148378A
Authority: DE
Inventors: Waldemar Dipl Phys Greubel; Hans Dipl Phys Krueger; Ulrich Dipl Phys Wolff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-28
Filing date: 1971-09-28
Publication date: 1973-04-05
Also published as: CA979105A; BE789411A; CH554024A; GB1404945A; FR2155369A5; SE380908B; DE2148378B2; DE2148378C3; LU66162A1; NL7212996A; JPS4843292A; IT972178B

Description

Anordnung zur mehrfarbigen Datenanzeige

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur mehrfarbigen Datenanzeige, bestehend aus einer Lichtquelle.und einer in ihren optischen Eigenschaften elektrisch steuerbaren Flüssigkristallschicht.

In neinatischen Flüssigkristallen sind die langgestreckten Moleküle parallel zu einer Vorzugsrichtung angeordnet. Diese Struktur führt zu einer optischen Anisotropie. Wird an eine Schicht einer nematischen Substanz ein elektrisches Feld angelegt, so wird die ursprüngliche Ordnung zerstört. Die Vorzugsrichtung unterliegt räumlich und zeitlich starken Fluktuationen. Dieser Effekt, der zur Lichtstreuung in der Flüssigkristallschicht führt, ist unter der Bezeichnung "dynamische Streuung" bekannt.

Der Effekt dieser dynamischen Streuung wurde bereits für Displayanordnungen mit Flüssigkristallen ausgenutzt (siehe Proc. of the IEEE, Vol.,56, Ur. 7, Juli 1968, S. 1162 - 1171). Dabei wird der transparente nematische Flüssigkristall zwischen segmentierten Elektroden angebracht, die selektiv angesteuert werden können. Ist die der Lichtquelle abgewandte Elektrode beispielsweise schwarz, und die der Lichtquelle zugewandte Elektrode transparent, so sieht ein sich auf der Seite der Lichtquelle befindlicher Beobachter eine schwarze Fläche, solange keine Spannung an die Elektroden gelegt wird", Bei Anlegen einer Spannung jedoch an bestimmte Segmente der Elektroden, die ein beliebiges Zeichen formen können, wird die einheitliche Ausrichtung der Flüssigkristallschicht an dieser Stelle zerstört und das Licht gestreut. Es erscheint also ein helles Zeichen auf dunklem Untergrund.

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Derselbe Effekt läßt sich auch in Durchsicht ausnützen, wenn beide Elektroden transparent sind, und der Beobachter sich auf , der der lichtquelle abgewandten Seite befindet. Ohne Spannung an den Elektroden wird fast das gesamte Licht hindurchgelassen, bei Anlegen einer Spannung an einzelne Segmente der Elektroden jedoch wird ein Teil des Lichtes gestreut. Der Beobachter nimmt also dunkle Zeichen auf hellem Untergrund wahr.

Derartige Displayanordnungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie relativ kontrastarm sind.

r Der vorliegenden Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur mehrfarbigen Datenanzeige anzugeben, die aus einer Lichtquelle und einer in ihren optischen Eigenschaften elektrisch steuerbaren Flüssigkristallschicht besteht und die nicht nur einen sehr starken Kontrast zwischen Zeichen und Untergrund gewährleistet, sondern auch eine beliebige Kombination zwischen farbigen Zeichen.und andersfarbigem Untergrund ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgesahlagen, daß die Anordnung im Strahlengang außerdem einen neutralen Polarisator in Kombination mit entweder einem selektiven Polarisator oder einer optischen Verzögerungsplatte und einem weiteren neutralen Polarisator aufweist.

Vorzugsweise weist die Anordnung zusätzlich einen diffusen Reflektor auf, der auch an die Stelle des weiteren neutralen Polarisators treten kann.

Die selektiven und neutralen Polarisatoren sind vorzugsweise Linearpolarisatoren oder Zirkularpolarisatoren.

Die Flüssigkristallschicht, die sich zwischen segmentierten Elektroden befindet, besteht vorzugsweise aus einem hochohmigen nematischen Flüssigkristall oder aus einer Mischung

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eines cholesterischen mit einem nematischen Stoff. Die optische Verzögerungsplatte besteht vorteilhafterweise aus einer doppelbrechenden Folie.

Die Flüssigkristallschicht kann dabei farblos oder auch gefärbt sein, ebenso kann auch mindestens eine der den Flüssigkristall enthaltenden Glasplatten gefärbt sein.

Zur Erzielung von beliebigen Farbkorabinationen kann die Anordnung auch vorzugsweise eine farbige Absorptionsfolie an beliebiger Stelle aufweisen. Anstelle der Absorptionsfolie können auch vorzugsweise ein weiterer Polarisator und eine Verzögerungsschicht treten.

Wird die Anordnung in Transmission betrieben, so kann eine Vergrößerung des Betrachtungswinkels des Austrittslichtes vorzugsweise dadurch erreicht werden, daß zusätzlich ein streuendes Element angeordnet ist oder daß die Elektroden der Flüssigkristallschicht selbst die streuenden Elemente sind. Wird die Anordnung dagegen in Reflexion betrieben, so sind die der Lichtquelle abgewandten segmentierten Elektroden vorzugsweise diffus reflektierend.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der drei Figuren näher erläutert werden:

Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung,

die in Transmission betrieben wird, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer in Reflexion betriebenen

Anordnung
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung.

Bei der in Figur 1 dargestellten schematischen Anordnung be-

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zeichnet 1 unpolarisiertes, weißes, paralleles Liclit, das auf ein selektives Polarisationsfilter 2 auftrifft. Dieses selektive Polarisationsfilter hat die Eigenschaft, das gesamte Spektrum des auftreffenden weißen Lichtes 1 bis auf eine bestimmte Spektralfarbe zu polarisieren. Durch geeignete Wahl des Materials für das selektive Polarisationsfilter 2 läßt sich erreichen, daß eine beliebige Spektralfarbe unpolarisiert durch das Polarisationsfilter hindurchtritt. Derartige selektive Polarisationsfilter, die z.B. aus einer Kunststoffolie mit eingebetteten dichroitischen Molekülen bestehen, sind im Handel erhältlich, beispielsweise unter dem Namen "Polaroid variabel red". Diese Filter lassen die rot: Spektralfarbe unpolarisiert % durch. Mit 4 ist die !Flüssigkristallschicht von einigen

/Um Dicke bezeichnet, die sich zwischen zwei, mit transparenten Elektroden beschichteten, Glasplatten 10 und 11 befindet. Diese Elektroden können beispielsweise aus leitfähigem Zinnoxid bestehen. Durch geeignete Oberflächenbehandlung der Elektroden läßt sich erreichen, daß die Längsachsen der langgestreckten Flüssigkristallmoleküle sich über die ganze Schicht einheitlich spontan senkrecht oder parallel zu den Glasplatten einstellen. Im ersteren Pail entsteht eine sog. aufgerichtete Schicht, wobei sich die Senkrechtstellung der Moleküle auch nach einer durch ein elektrisches Feld bewirkten Deformierung schnell von selbst wieder einstellt. Entsprechendes gilt für die Orientierung der ^ Moleküle parallel zu den Glasplatten. Mit 3 ist ein neutrales " Polarisationsfilter bezeichnet, welches das gesamte Spektrum polarisiert. Die beiden Polarisatoren 2 und 3 .sind in sperrender Stellung zueinander angeordnet. 5 ist eine Streuscheibe, die zur Vergrößerung des Beobachtungswinkels dient, wenn eine-aufgerichtete Flüssigkristallschicht verwendet wird, und 7 stellt schematisch den Standpunkt des Beobachters dar.

Anstatt eine eigene Streuscheibe zu verv/enden, kann ebensogut die Glasplatte 11 streuend wirken.

Die Streuscheibe 5 kann auch ganz entfallen, wenn die Anordnung VPA 9/712/1142 3098U/0480 _₅_

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so ausgestaltet ist, daß sich die Flü3sigkristallraoleküle ohne Feld parallel zu den Glasplatten 10 und 11 ausrichten und die Polarioationsriehtung des auftreffenden lichtes parallel oder senkrecht zu eben dieser Vorzugsrichtung der Flüssigkristallmoleküle gewählt wird. In diesem Fall ist die Anordnung auch bei Beleuchtung mit diffusem Licht voll wirksam, wodurch ein großer Winkelbereich der Beobachtbarkeit bereits gewährleistet ist.

Mit 6 ist das austretende einfarbige Licht bezeichnet, dessen Farbe durch die Selektionseigenschaft des ersten Polarisationsfilters 2 bestimmt ist. 8 ist eine Spannungsquelle.

Liegt an der Flüssigkristallzelle 4 keine Spannung, so sind also die Flüssigkristallmoleküle senkrecht oder parallel zu den Glasplatten 10 und 11 ausgerichtet. Die Flüssigkristallzelle befindet sich zwischen den sperrenden Polarisatoren 2 und und verhält sich für das auftreffende Licht optisch wie eine gewöhnliche isotrope Flüssigkeit, ändert also nichts am Polarisationszustand des auffallenden Lichtes.

Das farbige unpolarisierte Licht durchsetzt nun das Polarisationsfilter 3, während alles übrige Licht wegen der sperrenden Stellung der Polarisatoren gesperrt wird. Die Zelle erscheint also für den Beobachter 7 einfarbig. Legt man nun an die Flüss.igkri3tallzelle eine Spannung von der Größenordnung 10 Volt, so wird die einheitliche Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zerstört. V/erden die auf die Glasplatten 10 und 11 aufgeschichteten Elektroden segmentiert, so daß sich einzelne Segmente ansteuern, kann man in beliebiger Kombination variable Zeichen erzeugen. Die durch das elektrische Feld stellenweise uneinheitlich deformierte Flüssigkristallschicht depolarisiert das diese Stellen durchsetzende sichtbare Licht unabhängig von der Wellenlänge, so daß jetzt weißes Licht 9 das Polarisationsfilter 3 passiert, welches ebenfalls an der Streuscheibe 5 divergent

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gemaoht wird. Der Beobachter 7 nimmt also in diesem Fall ein weißes Zeichen auf farbigem Untergrund wahr.

Durch Einfügen eines Farbfilters 12 mit entsprechender Durchlaßkurve in diese Anordnung kann man eine beliebige Kombination eines farbigen Zeichens auf einem andersfarbigen Untergrund erreichen. Durch die spezielle Wahl des selektiven Polarisationsfilters 2 und eines speziellen Farbfilters 12 sind sämtliche Farbkombinationen möglich, zwischen denen dann elektrisch umgeschaltet werden kann. Statt einen Farbfilter zu verwenden, kann auch jedes beliebige Bauteil der Anordnung gefärbt sein, beispielsweise eine Glasplatte oder der Flüssigkristall seibat.

Figur 2 zeigt schematisch eine in Reflexion betriebene Anordnung. Dabei ist die Flüssigkristallzelle mit einer diffus reflektierenden Schicht 12 versehen. Anstelle einer Schicht 12 kann auch die auf der Glasplatte 11 aufgebrachte, segmentierte Elektrode das, auftreffende Licht diffus reflektieren.

Bei dieser Ausführungsform wird vorzugsweise eine parallel orientierte Flüssigkristallschicht 4 verwendet, da in diesem Fall der Winkel ,unter dem die Flüssigkristallzelle mit weißem Licht 1 beleuchtet wird, beliebig wählbar ist und insbesondere diffuses Licht zur Beleuchtung verwendet werden kann.

Die Funktionsweise der Anordnung nach Figur 2 ist dieselbe wie die der Figur 1. Der Beobachter 7 sieht, solange kein elektrisches Feld an die Flüssigkristallzelle gelegt wird, lediglich eine farbige Fläche, wobei die Farbe wieder durch die selektiven Polarisationseigenschaften dos selektiven Polarisators 2 bestimmt wird. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes an verschiedene Segmente der Elektroden, die ein Zeichen formen, erscheint dieses Zeichen weiß auf farbigern Untergrund oder, wenn eines der Bauteile entsprechend gefärbt ist, farbig auf andersfarbigem Untergrund.

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Ein weiteres in Tx'ansmission "betriebenes Ausführungsbeispiel ist in Figiir 3 dargestellt. Hier sind mit 2, 3, 13 neutrale Linearpolarisatoren bezeichnet und mit 14» 15 doppelbrechende Schichten, beispielsweise um 3/2 A bzw. 5/2 Λ verzögernde Kunststoffolien. Im übrigen werden gleiche Elemente wie in Beispiel 1 verwendet, die dieselben Ziffern tragen wie in Figur 1. Das einfallende weiße Licht 1 wird durch den Polarisator 13 polarisiert. Die Verzögerungsschicht 14 dreht die Polarisationsebene um einen wellenlängenabhängigen Yvinkel, so daß das aus dem Polarisator 2 austretende Licht 16 gefärbt ist. Die Verzögerungsschicht 15 bewirkt eine weitere wellenlängenabhängige Drehung der Polarisationsebene $ so daß das den Polarisator 3 und die Streuscheibe 5 verlassende Licht bei einheitlicher Orientierung der Flüssigkristallschicht eine andere Färbung hat als das Licht 16. Durch Anlegen einer Spannung an die Plüssigkristallzelle wird, wie in den vorhergehenden Fällen auch, die einheitliche Ausrichtung der Flüssigkristallmolekül e zerstört. Dadurch wird die Polarisation des Lichtes zwischen den Polarisatoren 2 und 3 zerstört, so daß die Vürzogerungsschieht 15 unwirksam wird. Der .Betrachter 7 sieht folglich ein Zeichen mit der Farbe 16 auf einem Untergrund der Farbe 6.

Die vorgeschlagenen Anordnungen weisen den großen Vorteil auf, daß mit eingehen und billigen Polarisationsfolien bzw. Farbfiltern oder Verzögerungsfollen aus Kunststoff Displays mit hohem Farbkontrast realisiert werden können.

Die Spannungsschwelle für die Farbumschaltung liegt bei einer Plüssigkriistall.schichtdicke von etwa 6 /Um bei 5 Volt. Die Einschallüfiiten sind feldstärkeabhängig und betragen bei einer Spaiimmg von 20 Volt etwa 3 ms. Die Ausschaltzeiten hängen vom verwendeten Flüssigkristall ab und betragen im Durchschnitt etwa 30 n-s.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Einschaltzeiten VPA 9/712/1142 3098U/0480 '

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um den Faktor 5 bis 10 kürzer sind als die Einschaltzeiten bei Anordnungen, die den Effekt der dynamischen Streuung, und zwar bei gleicher Feldstärke, ausnutzen. Um bei Anordnungen, die den Effekt der dynamischen Streuung ausnutzen, gleich kurze Schaltzei-, ten zu erreichen, sind erheblich größere Spannungen erforderlich.

Als Flüssigkristalle eignen sich sowohl nematische Kristalle, die den Effekt der dynamischen Streuung zeigen, als auch sehr hoch gereinigte nematische Flüssigkristalle, die den Effekt der dynamischen Streuung nicht aufweisen. Nematische Flüssigkristalle der letztgenannten Art haben eine um Größenordnungen ^ geringere Leitfähigkeit als Flüssigkristalle mit dynamischer " Streuung, so daß bei ihrer Verwendung mit einer höheren Lebensdauer gerechnet v/erden kann, da im allgemeinen eine hohe Leitfähigkeit mit geringer Lebensdauer verbunden ist.

Verwendet man als Flüssigkristall eine Mischung eines nematischen mit einem cholesterischen Stoff, so erhält man mit der beschriebenen Anordnung eine zweifarbige Darstellung mit Speichereffekt, bei der also das Zeichen nach Abschalten der Spannung nicht verschwindet, sondern noch eine Zeitlang erhalten bleibt.

Dieser Speichereffekt beruht darauf, daß bei Anlegen eines elektrischen Feldes aus der planaren Textur eine fokalkonische Textur entsteht, die stark depolarisierend wirkt und nach Abschalten des Feldes über längere Zeit erhalten bleibt.

Die vorgeschlagene Anordnung eignet sich für alle Arten von Flüssigkristalldisplay3, beispielsweise als Prozeßrechneram'.eige oder als Flüssigkristallbildschirm mit ferroelektrischer Keramikschicht, wie er bereits in unserer älteren Anmeldung (P 20 37 676.5) beschrieben ist.

Werden die Elektroden nicht segmentiert, sondern erstrecken sich über die gesamte Flüssigkristalloberfläche, so lassen

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sich mit dieser Anordnung auch elektrisch umachaltbare Farbfilter realisieren, wobei durch Hintereinanderschalten zweier oder mehrerer Anordnungen beliebige Farbkombinationen erzielt werden können.

14 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

Anordnung zur mehrfarbigen Datenanzeige, bestehend aus einer Lichtquelle und einer in ihren optischen Eigenschaften elektrisch steuerbaren Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung im Strahlengang außerdem einen neutralen Polarisator in Kombination mit entweder einem selektiven Polarisator oder einer optischen Yerzögerungsplatte und einem weiteren neutralen Polarisator aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn, zeichnet, daß die Anordnung zusätzlich einen diffusen Reflektor aufweist, der an der der Lichtquelle abgewandten Seite der Flüssigkristallschicht angeordnet ist.
3. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der diffuse Reflektor an Stelle des weiteren neutralen Polarisator tritt,
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der selektive Polarisator ein Zirkularoder Linearpolarisator ist.
^ 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- * net, daß der neutrale Polarisator ein Linear- odor Zirkularpolarisator ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht aiu; einem hoohohmigen nematischcm Flüssigkristall besteht, der sich zwischen segmentierten Elektroden befindet.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h net , daß die Flüssigkristallschicht aus einer Mischung eines cholesterischen mit einem nematischen Stoff bestuht, die sich zwischen segmentierten Elektroden befindet.

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8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die optische Yerzögerungsplatte eine doppelbrechende Folie ist.
9. Anordnung nach Ansprüchen 6 und 7 _t dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht gefärbt ist.
10. Anordnung nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine der den Flüssigkristall begrenzenden Glasplatten gefärbt ist.
11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei ebnet , daß eine farbige Absorptionsfolie an beliebiger Stelle der Anordnung angebracht ist.
12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Vergrößerung des Betrachungswinkels des Austrittülichtes ein streuendes Element angeordnet ist.
13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden der Flüssigkristallschicht die streuenden Elemente sind.
14. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzei ebne t , daß der diffuse Reflektor die der Lichtquelle abgewandte segmentierte Elektrode ist.

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