DE2434889B2

DE2434889B2 - Fluessigkristallanzeigeelement

Info

Publication number: DE2434889B2
Application number: DE19742434889
Authority: DE
Inventors: Akio Katano; Hattori Katsuji Uji; Fukai Masakazu Nishinomiya; Moriyama (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1973-07-20
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1976-10-14
Also published as: CA1028044A; FR2246006A1; JPS5031845A; GB1442502A; DE2434889A1; FR2246006B1; US4029392A

Description

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5. Anzeigeelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial die folgende Zusammensetzung hat:

(1) 75—98 Gew.-% eines Gemisches von p-Anixyliden-p'-n-heptylanilin, p-Äthoxybenzyliden-p'-n-butylanilin und p-n-Propoxybenzyliden-p'-npentylanilin,

(2) 1,5 — 20 Gew.-% p-Nitrobenzyliden-p'-aminotoluol und

(3) 0,5-5 Gew.-% des violetten Farbstoffs CI. Solvent Violet 21.

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Die Erfindung betrifft ein Flüssigkristallanzeigeeiement zur Beobachtung in Reflexion mit zwei in einem bestimmten Abstand einander gegenüberliegenden, auf ihren Innenflächen wahlweise ansteuerbare Elektroden tragenden Platten, von denen die Frontplatte durchsichtig ist und zwischen denen ein mit einem pleochromatischen Farbstoff versetzter nematischer Flüssigkristall angeordnet ist, der durch das anlegbare elektrische Feld in seiner optischen Absorption modulierbar ist.

Ein Anzeigeelement der genannten Art ist aus »Electronics« (Juli 1970), S. 64 bis 70 bekannt Die Rückplatte der Zelle des Anzeigeelementes ist ein Chrom- oder Aluminiumreflektor. Auch Nickelschichten, können als rückwärtige reflektierende Metallschichten eingesetzt werden. Der Flüssigkristall ist im Spalt zwischen der Frontplatte und der Metallverspiegelung angeordnet

Alternativ ist bekannt, die rückwärtige Oberfläche eines Anzeigeelementes, das in der für den Durchlichtbetrieb üblichen Weise gebaut ist, mit weißem Papier, Blech oder Farbschichten oder anderem Schichtmaterial zu überziehen, um eine Reflexion herbeizuführen.

Die bekannten Strukturen weisen insbesondere optische Nachteile auf. So> werden beispielsweise durch Parallaxeerscheinungen und unerwünschte Streuerscheinungen ein nur unzureichender Kontrast und un jenügende Konturschäirfe erhalten.

Durch das Erfordernis der Herstellung zusätzlicher Reflexionsschichten auf der eigentlichen rückwärtigen Trägerplatte tritt außerdem eine Verteuerung des Anzeigeelementes ein.

Schließlich sind die in der bekannten Weise hergestellten rückwärtigen Platten von Anzeigeelementen zur Beobachtung in Reflexion relativ empfindlich. Sie müssen in der Regel frei oder zumindest gut geschützt gehaltert werden. Dadurch wird jedoch die Bauhöhe eines solchen Anzeigeelementes senkrecht zur Anzeigeebene vergrößert.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Flüssigkristallanzeigeelement der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das auch unter ungünstigsten Bedingungen parallaxefrei und streufrei ablesbar ist, das aufgrund vereinfachter konstruktiver Ausbildung billig herstellbar ist und das zusätzlich die Bauhöhe bzw. Einbauhöhe des Anzeigeelementes senkrecht zu seiner Anzeigeebene zu verringern ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Flüssigkristallanzeigeelement der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rückplatte aus undurchsichtigem weißem Keramikmaterial besteht.

Das so aufgebaute Anzeigeelement ermöglicht eine vollkommen parallaxefreie und streufreie Beobachtung. Außerdem kann die Rückseite der unempfindlichen Rückplatte der Zelle des Anzeigeelementes gleichzeitig als Träger für die Steuer- und Treiberschaltungen für das Anzeigeelement dienen. Dadurch können Anzeigeelemente in sehr flacher Bauweise hergestellt werden. Außerdem weisen die Anzeigeelemente einen hohen Grad an Zuverlässigkeit auf, da die Gefahr des Abschälens oder Trübens der Verspiegelungsschichten nicht besteht. Das Element ist außerdem sehr einfach herstellbar, da es thermisch so stabil ist, daß es durch Glasflußmasse verschlossen werden kann.

Als Material für die Keramikplatte kann eine stark reflektierende keramische Masse gewählt werden, so daß die Oberfläche der Keramikplatte ohne Inkaufnahme nachteiliger Einflüsse mit einer durchsichtigen elektrischen Leiterschicht, vorzugsweise aus Zinnoxid oder Indiumoxid, und bzw. oder einer durchsichtigen Isolatorschicht, vorzugsweise aus Siliciumoxid, Magnesiumfluorid oder Ceroxid, beschichtet werden kann. Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise durch Aufdampfen oder Aufsprühen, insbesondere durch Kathodenzerstäubung.

Neben der bevorzugten weißen Keramikplatte kann selbstverständlich auch jede anders eingefärbte Kera-

mikplatte als ROckplatte des Anzeigeelementes verwendet werden.

Die kooperative gleichsinnige Achsenausrichtung der Moleküle des nematischen flüssigen Kristalls durch ein Süßeres elektrisches Feld wird auch zur Ausrichtung der Moleküle des pleochroischen Farbstoffs verwendet. Die Moleküle des pleochroischen Farbstoffs sind in der Regel relativ lang und von mehr oder weniger lylindrischer Form und weisen parallel jnd in den Richtungen senkrecht zur optischen Achse unterschiedliehe optische Absorptionskoeffizienten auf. Zur Erzielung eines verbesserten Darstellungskontrastes muß für einen bestimmten Farbstoff das sogenannte dichroische Verhältnis möglichst groß sein. Das wird dadurch erreicht, daß die lange Molekülachse der Moleküle des pleochroischen Farbstoffs im nematischen Flüssigkristall, der seinerseits kein homogener Stoff zu sein braucht, sondern aus mehreren Verbindungen zusammengesetzt sein kann, auch im Ruhezustand der Zelle, <i. h. in Abwesenheit eines elektrischen Feldes, eine möglichst gute kollektive Ausrichtung zeigt.

Die nematischen Stoffe werden ihrerseits in zwei Gruppen gegliedert, von denen die eine Gruppe von fiematischen Flüssigkristallen eine negative dielektrische Anisotropie und die andere eine positive dielektrische Anisotropie haben.

Das Dipolmoment eines nematischen Materials ist in Gegenwart eines ausreichend starken äußeren elektrischen Feldes parallel zur Richtung des elektrischen Feldvektors ausgerichtet. Zur Erzielung emes besseren optischen Kontrastes durch ein hohes dichroisches Verhältnis des pleochroischen Farbstoffs muß also darauf geachtet werden, daß alle Moleküle des Materials eines flüssigen Kristalls mit negativer dielektrischer Anisotropie in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Feldes, also im Ruhezustand der Zelle, senkrecht zu den umgebenden Substrathauptflächer. ausgerichtet sind, während alle Moleküle des Materials eines nematischen flüssigen Kristalls mit positiver dielektrischer Anisotropie im feldfreien Ruhezustand parallel zu den begrenzenden Hauptflächen des Substrats, also parallel zu den Sichtflächen des Anzeigeelementes, ausgerichtet sind.

Bei Verwendung eines nematischen Flüssigkristalls, der einen pleochroischen Farbstoff enthält, kann eine monochromatische Farbanzeige unter Ausnutzung der Absorptionseigenschaften des Farbstoffs erzielt werden. Bei gleichzeitiger Verwendung einer weißen keramischen Platte wird von der Oberfläche der rückwärtigen Keramikplatte weißes reflektiertes Licht reflektiert. Die Farbanzeige erfolgt dadurch in verstärkter Weise unter Ausnutzung der Absorptionscharakteristiken des Farbstoffs selbst.

Da die Oberfläche der keramischen Rückplatte mit der Flüssigkristallschicht direkt in Berührung steht, kann das durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes im Anzeigeelement erzeugte Bild parallaxefrei betrachtet werden.

Bei Verwendung der Anzeigeelemente der Erfindung in Anwendungsbereichen, bei denen das Element ^o wenig wie möglich Raum beanspruchen soll, beispielsweise bei der Verwendung des Anzeigeelementes in Digitalarmbanduhren, macht sich besonders vorteilhaft bemerkbar, daß das Anzeigeelement zur kontrastscharfen Anzeige keine weiteren äußeren Hilfsmittel benötigt. Das Anzeigeelement der Erfindung ist eine außerordentlich kompakte Struktur mit außerordentlich eerineem Raumbedarf, die zusätzlich eine wesentliche

Vereinfachung des Herstellungsverfahrens ermöglicht.

Die Erfindung läßt sich nicht effektiv auf solche Strukturen übertragen, bei denen ungefärbte Flüssigkristalle verwendet werden. Der Flüssigkristall mit dem pleochroischen Farbstoff kann entweder ein Material sein, das unter dem Einfluß eines äußeren elektrischen Steuerfeldes eine Veränderung der Molekülausrichtung erfährt, oder kann ein Material sein, das in Gegenwart eines äußeren elektrischen Steuerfeldes eine dynamische optische Streuung verursacht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt und

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt.

Beispiel 1

In der Fig. 1 ist die optische ZeJJe eines Anzeigeelementes gezeigt, die im wesentlichen aus einer durchsichtigen Glasplatte 2 und einer undurchsichtigen Keramikplatte 3 besteht. Sowohl die durchsichtige Glasplatte 2 als auch die undurchsichtige Keramikplatte 3 sind mit durchsichtigen Indiumoxidelektroden 1 beschichtet. Zwischen den beiden in geringem Abstand voneinander parallel zueinander gehaltenen Substratplatten befindet sich der Flüssigkristall. Der nematische Flüssigkristall oesteht /u gleichen Gewichtsteilen aus einem Gemisch von

p-Anisyliden-p'-n-heplylanilin,
p-Äthoxybenzyliden-p'-n-butylanilin und
p-n-Propoxybenzyliden-p'-n-penty !anilin.
Er enthält weiterhin zwei Gewichtsprozent eines im Handel erhältlichen Tensids (Sorbitanmonolaurat) und 1 Gew.-% eines schwarzen Farbstoffs der Formel

N=N

/CH,

Dieser Flüssigkristall zeigt eine negatwe dielektrische Anisotropie.

Das Tensid 6, das als Additiv verwendet wird, hat die Aufgabe, in der Flüssigkristallschicht eine senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtete Orientierungsphase zu schaffen. Das Additiv 6 wird dem Flüssigkristall vorzugsweise in Mengen von über 0,5 bis 10 Gew.-°/o zugesetzt. Bei einem Zusatz von über 10 Gew.-% wird die Zeitkonstante des Flüssigkristalls so weit vergrößert, daß die Einstellrelaxation des Flüssigkristalls unerwünschte Werte annimmt.

Durch den Einfluß des Additivs 6 werden die Molekülachsen der Moleküle 4 des Flüssigkristalls und die Molekülachsen der Farbstoffmoleküle 5 senkrechi zu den einschließenden Substratwänden der Zelle gestellt. Eine solcherart aufgebaute optische Zelle eines Anzeigeelementes ist in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Feldes farblos. Durch die Reflexion des einfallenden Lichtes an der Oberfläche der weißen keramischen Rückplatte erscheint die dargestellte Fläche weiß. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektroden der Zelle klappt die Ausrichtung der Molekülachscn um. so daß die Anzeigefläche schwarz erscheint. Hierfür ist die Änderung der Orientierung der ausgerichteten Absorptionsachsen der Farbstoffmoleküle verantwortlich. Beim Anlegen eines äußeren

elektrischen Feldes, dessen Spannung und Frequenz keine dynamische Streuung auslösen, erscheint die Flüssigkristallzelle durchsichtig schwarz. Beim Anlegen eines äußeren elektrischen Steuerfeldes mit einer Spannung und Frequenz, die zur dynamischen Streuung s führt, ist die Flüssigkristallzelle ebenfalls schwarz gefärbt, jedoch in einem emulsionsartigen Zustand.

Da die rückwärtige Plattenoberseite der optischen Zelle aus einer weißen Keramikplatte besteht, wird von dieser Oberfläche bei der Reflexion nur sehr wenig Licht absorbiert. Auf diese Weise kann eine scharfe und kontrastreiche Farbanzeige unter Verwendung nur eines einzigen Farbstoffes im Flüssigkristall erzielt werden.

Beispiel 2

In der F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Auf der inneren Oberfläche einer durchsichtigen Glasscheibe 2 und einer weißen undurchsichtigen Keramikscheibe 3 sind durchsichtige Indiumoxidelektroden 1 aufgebracht. Die gesamte innere Oberfläche dieser beiden Scheiben 2 und 3 ist mit einer Ceroxid-Isolationsschicht 9 überzogen. Jede dieser Scheiben wird mit einer Diamantpaste unter Beibehaltung einer einzigen Arbeitsrichtung poliert. Beim Zusammensetzen der optischen Zelle werden die durchsichtige Glasscheibe 2 und die weiße undurchsichtige Keramikscheibe 3 so aufeinander gesetzt, daß die Polierrichtungen auf den Ceroxidoberflächen der Isolationsschichten 9 auf beiden Platten im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Der Abstand der beiden Platten voneinander beträgt vorzugsweise etwa 10 μΐη. Der verbleibende Spalt zwischen den beiden Substratplatten ist mit dem Flüssigkristall ausgefüllt. Der Flüssigkristall besteht aus einem Gemisch von
p-Anisyliden-p'-n-heptylanilin,
p-Äthoxybenzyliden-p'-n-butylanilinund
p-n-Propoxybenzyliden-p'-n-pentylanilin
zu gleichen Gewichtsteilen. 10 Gew.-% p-Nitrobenzyliden-p'-aminotoluol und 2 Gew.-% eines im Handel erhältlichen violetten Farbstoffs (C. I. Solvent Violet 21). Das p-Nitrobenzyliden-p'-aminotoluol ist ein Additiv 7 mit positiver dielektrischer Anisotropie. Die Verbindung ist auch in größeren Mengen im Flüssigkristall löslich und hat die Aufgabe, die kooperative Rotationsreorientierung der Moleküle des Flüssigkristalls unter Einwirkung des äußeren elektrischen Steuerfeldes und Gelbfärbung zu bewirken. Bei Zimmertemperatur kann das Additiv 7 zur positiven Beeinflussung des Materials dem Flüssigkristall bis zu 20 Gew.-% zugesetzt werden. Bei einem Zusatz des Additivs 7 über 20 Gew.-% geht der Flüssigkristall in den festen Zustand über.

Der im Flüssigkristall enthaltene violette Farbstoff ist ebenfalls ein pleochroischer Farbstoff, der in der Weise mit den Molekülen des Flüssigkristalls zusammenwirkt, daß das im Sichtbaren liegende Absorptionstnaxirnum nahe an der Richtung der Längsachse der Moleküle des Flüssigkristalls liegt.

Die Flüssigkristallzelle erscheint in Abwesenheit eines elektrischen Feldes gelb. Beim Anlegen einer über dei Schwellenspannung liegenden Spannung erscheinen die im engeren Einflußbereich des elektrischen Feldes liegenden Bereiche der Anzeige violett gefärbt. Die als rückwärtige Scheibe der Zelle ausgebildete Keramikscheibe zeigte im Rahmen dieses Anzeigeelementes ein ausgezeichnetes Reflexionsverhalten.

In der in F i g. 2 gezeigten schematischen Darstellung sind neben den Molekülen des Additivs 7 die Moleküle des Farbstoffs 8 gezeigt. Beim Auflegen einer Scheibe oder einer Schicht eines linearen Polarisators 10 auf die oder vor die durchsichtige Frontplatte in der Weise, daß die Polarisationsebene senkrecht zur Schleifrichtung der Politur steht, wird eine weitere Kontrastverbesserung erzielt.

Es sei betont, daß insbesondere die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen 1 und 2 verwendeten Farbstoffkonzentrationen im Flüssigkristall lediglich beispielhafter Natur sind. Als bevorzugter Konzentrationsbereich für den pleochroischen Farbstoff im nematischen Material wird der Bereich von mindestens 0,5 bis 5 Gew.-% angesehen. Als optimale Konzentration wird für den pleochroischen Farbstoff ein Bereich von 0,5 bis. 2 Gew.-% angesehen.

Mit Anzeigeelementen der Erfindung können also mit nematischen Flüssigkristallen, die einen pleochroischen Farbstoff enthalten, Anzeigeelemente vom Reflexionstyp erhalten werden, die sich vor allem durch ihren hohen Kontrast und ihre hohe Schärfe auszeichnen. Anzeigeelemente der Erfindung sind insbesondere für den Einsatz in Baugruppen gedacht, in denen wenig Raum für das Anzeigeelement zur Verfügung steht. Insbesondere eignet sich das Reflexionsanzeigeelement der Erfindung zum Einbau in elektronische Digitalarmbanduhren. Außer dem beschriebenen Substrat sind keinerlei weitere Bauteile erforderlich. Das Anzeigeelement der Erfindung zeichnet sich also vor allem durch eine außerordentlich hohe Kompaktheit aus. Die Elemente sind insbesondere in der Herstellung einfach. Das Verfahren zur ihrer Herstellung ist aufgrund der einfachen Konstruktion der Anzeigeelemente der Erfindung vielen weiteren Vereinfachungen zugänglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flüssigkristallanzeigeeiement zur Beobachtung

in Reflexion mit zwei in einem bestimmten Abstand einander gegenüberliegenden, auf ihren Innenflächen wahlweise ansteuerbare Elektroden tragenden Platten, von denen die Frontplatte durchsichtig ist und zwischen denen ein mit einem pleochromatischen Farbstoff versetzter nematischer Flüssigkristall angeordnet ist, der durch das anlegbare elektrische Feld in seiner optischen Absorption modulierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückplatte aus undurchsichtigem weißem Keramikmaterial besteht

2. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nematische Flüssigkristall eine negative dielektrische Anisotropie hat und «eine Moleküle im Ruhezustand in Abwesenheit «ines äußeren elektrischen Feldes senkrecht zu den Oberflächen der Substratscheiben ausgerichtet sind.

3. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall eine positive dielektrische Anisotropie hat und seine Moleküle im Ruhezustand in Abwesenheit eines äußeren elektri-•chen Feldes parallel zu den Oberflächen der Substratscheiben ausgerichtet sind.

4. Anzeigeelement nach Anspruch 2, dadurch «kennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial folgende Zusammensetzung hat: -,o

(1) 85 — 99 Gew.-% eines Gemisches zu gleichen Teilen aus p-Anisyliden-p'-n-heptylanilin, p-Äthoxybenzyliden-p'-n-butylanilin und p-n-Propoxybenzyliden-p'-n-pentylanilin,

(2) 0,5— 10Gew.-% Sorbitanmonolaurat und

(3) 0,5—5 Gew.-% des pleochroischen schwarzen Farbstoffs der chemischen Formel