DE2625864B2

DE2625864B2 - Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung mit einer Fluoreszenzplatte

Info

Publication number: DE2625864B2
Application number: DE19762625864
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.- Phys. 8000 Muenchen Krueger; Karl-Heinz Dipl.-Ing. 8018 Grafing Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-06-09
Filing date: 1976-06-09
Publication date: 1978-08-10
Also published as: DE2625864C3; DE2625864A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Flüssigkristall-(FK-)Display ist bereits Gegenstand der älteren Anmeldung DE-OS 25 54 226.

Bei der Anzeige gemäß dem älteren Vorschlag dient die Fluoreszenzplatte zur Aufhellung der dargestellten Symbole: Die Platte sammelt das auf sie fallende Umgebungslicht und koppelt es gebündelt aus den einzelnen Lichtaustrittsfenstern wieder aus. Der dadurch erzielbare Darstellungskontrast ist um so höher, je größer das Verhältnis der lichtaufnehmenden zur lichtabgebenden Fläche der Fluoreszenzplatte ist, so daß man im allgemeinen die Fluoreszenzplatte seitlich neben der FK-Zelle hervorragen lassen muß. Eine solche Dimensionierung ist dann unbefriedigend, wenn das Querformat des Displays gedrungen sein soll und insbesondere neben der von der FK-Zelle beanspruchten Fläche kein zusätzlicher Raum vergeben werden sollte (Beispiel: Armbanduhr).

Für diese Fälle ist in der erwähnten Patentanmeldung auch schon angeregt worden, die Zelle wenigstens teilweise lichtdurchlässig zu machen, und zwar entweder durch Verwendung von Polarisatoren, die selektiv das Anregungslicht für die Fluoreszenzstoffe unpolarisiert passieren lassen, oder dadurch, daß man gewöhnliche Linearpolarisatoren an Stellen außerhalb der Anzeigebereiche durchbricht. Durch die Polarisatorausnehmungen kann Licht ungehindert in die Fluoreszenzplatte gelangen, aber wegen der Fluoreszenzstreuung und nachfolgenden (Total-)Reflektionen im Platteninneren nur zu einem geringen Bruchteil wieder austreten, so daß der Bildhintergrund nur schwach, die erregten Anzeigebereiche dagegen stark aufgehellt worden und sich so insgesamt eine Kontrastverstärkung ergibt.

Allerdings bereitet die Herstellung der vorgeschlagenen frequenzselektiven Polarisatoren erhebliche technologische Schwierigkeiten und ist auch die Anfertigung und optisch einwandfreie Plazierung von durchbrochenen, bei kleinformatigen Anzeigen äußerst filigranen Polarisatorfolien nicht ganz einfach.

Zur Beseitigung der geschilderten Mängel, insbesondere zur Schaffung eines FK-Displays mit Fluoreszenzplatte, bei dem auch die FK-Zelle als Kollektorfläche zur Verfügung steht und das dennoch keine besonderen Herstellungs- oder Entwicklungsprobleme aufgibt, wird eine Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekannzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Display kommt die Lichtdurchlässigkeit ohne spezielle Polarisatoren zustande; insbesondere sind keine frequenz- oder ortssensitiven Polarisatoren erforderlich. Wenn der Anzeigevorrichtung ein Darstellungsprinzip zugrundeliegt, das einen oder mehrere Polarisatoren verlangt, kann man auf die dafür üblichen Polarisatorausführungen zurückgreifen und hat lediglich darauf zu achten, daß die FK-Orientierung in den lichtdurchlässigen Gebieten auf die vorgegebene Polarisatorkonfiguration abgestimmt ist.

Eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung hat außerdem den Vorteil, daß man die FK-Texturierung durch an sich bekannte und erprobte Techniken (beispielsweise Oberflächenorientierungen oder Feldorientierungen) und unter Umständen sogar, da die FK-Schicht sowieso orientiert werden muß, ohne zusätzliche Arbeitsgänge erzeugen kann.
Das hier vorgeschlagene Display findet vor allem dort Anwendung, wo es auf gedrungene Querabmessungen ankommt; es eignet sich insbesondere für den Einsatz in Armbanduhren.

Die schaltbaren Anzeigebereiche der vorgeschlagenen Anzeigevorrichtung können auf die verschiedenste Weise erregt werden, beispielsweise nach dem Prinzip der Drehzelle (DT-OS 21 58 563), mit Hilfe des DAP-Etfekts (DT-OS 2155 241) oder etwa durch Einlagerung von pleochroitischen Farbstoffen in die FK-Substanz (DT-PS 14 62 919). Entscheidet man sich für eine Funktionsweise nach Art einer Drehzelle, dann sind die in den Ansprüchen 2 bis 8 näher bezeichneten Ausführungen besonders zweckmäßig. Bei Wahl einer FK-Zelle, die mit dem DAP-Effekt in ihren Anzeigenbereichen arbeitet, sollte die Anordnung so getroffen sein, wie sie im Anspruch 9 charakterisiert ist. Will man durch Farbstoff-Zusätze eine Lichtmodulation bewirken, so ist es sinnvoll, die Im Anspruch 10 genannten Maßnahmen zu ergreifen.

Die Erfindung soll nun anhand besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung näher erläutert werden. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispie! einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung auf Drehzellen-Basis, in einem Seitenschnitt;

F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, in einem teilweise weggebrochenen Seitenschnitt;

F i g. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel, in der gleichen Darstellungsweise wie F i g. 2; und

Fig.4 in einem teilweise weggebrochenen Seitenschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das mit dem sog. »Guest-Host-Effekt« arbeitet.
Alle für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt erforderlichen Einzelteile eines FK-Displays, beispielsweise die elektrischen Zuleitungen, ggf. erforderliche Isolationen oder Distanzierungselemente sind der Obersicht halber in der Zeichnung nicht bezeichnet oder ganz weggelassen.

Die Displayausführung der F i g. 1 ist eine Sieben-Segment-Anzeige und arbeitet in den Anzeigebereichen als Drehzelle. Sie enthält im Einzelnen einen vorderen Linearpolarisator 1, eine vordere Trägerplatte 2, eine hintere Trägerplatte 3, einen hinteren Linearpolarisator 4, dessen Polarisationsachse parallel zur Polarisationsachse des vorderen Linearpolarisators liegt, und eine an ihren Seitenflächen verspiegelte Fluoreszenzplatte 5. Alle genannten Teile sind in der Reihenfolge ihrer Aufzählung in Betrachtungsrichtung hintereinander angeordnet.

Die beiden Trägerplatten sind auf ihren Innenseiten jeweils mit Segmentelektroden 6, die die Anzeigebereiche der FK-Zelle festlegen, versehen und an ihren Rändern über einen Rahmen 7 in einem vorgegebenen Abstand dicht miteinander verbunden. In der von den beiden Trägerplatten und dem Rahmen gebildeten Kammer befindet sich eine Flüssigkristall-Schicht 8. In die Vorderseite der Fluoreszenzplatte 5 sind, jeweils

hinter den einzelnen Segmentelektroden 6, Einkerbungen 16 eingebracht, durch die das in der Platte gesammelte Licht wieder nach vorn austritt. Für nähere Herstellungs- und Betriebseinzelheiten wird auf die bereits eingangs erwähnte Patentanmeldung verwiesen.

Damit das Umgebungslicht durch die Zellenbereiche außerhalb der Anzeigebereiche in das Innere der Fluoreszenzplatte treten kann, ist der FK-Schicht in diesen Zellengebieten eine Textur gegeben, die im Zusammenwirken mit den zueinander parallelen Linearpolarisatoren einen Lichtdurchgang ermöglicht und damit die Ausdehnung der lichtdurchlässigen Zellengebiete bestimmt. Die geringsten Transmissionsverluste erhält man bekanntlich bei einer homöotrop oder einer in Richtung der Polarisationsachsen einheitlich hornogenen Molekülorientierung. Diese Texturen lassen sich auf vielfache Weise erzeugen; man vergl. hierzu beispielsweise »RCA- Review« Vol. 35, 1974, S. 447 — 461, mit weiteren Nachweisen.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 hat die FK-Schicht außerhalb der Segmentelektroden eine durch eine Oberflächenorientierung erzeugte homöotrope Textur. Die erforderliche Wandorientierung ist dabei folgendermaßen erzeugt worden:

Die Innenflächen beider Trägerplatten sind nacheinander mit folgenden Schichten überzogen worden: zuerst mit einer AbCh-Schicht, dann mit einer leitenden SnO2-Schicht, danach einer isolierenden SiCh-Schicht und schließlich einer plattenparallel orientierenden Schicht. (Die Schichten sind in der Figur eingetragen und mit dem Bezugszeichen 9, 6, 10 bzw. 11 versehen). Hiernach maskiert man die Segmentelektrodenflächen und ggf. die Zuleitungsflächen und ätzt dann alle Schichten bis auf die unterste weg. Da die AbOa-Schicht plattennormal orientiert, ergibt sich die gewünschte, bereichsweise unterschiedliche FK-Textur.

Eine beständige homöotrope Textur läßt sich auch durch Aufdampfen von senkrecht orientierenden Schichten wie beispielsweise AI2O3- oder CrjCVSchichten auf die einander gegenüberliegenden Plattenflächen außerhalb der Segmentelektroden herstellen. Eine lichtdurchlässige Orientierung erhält man aber auch schon dann, wenn man nur eine der beiden elektrodentragenden Trägerplatten partiell mit einer homöotrop orientierenden Schicht bedampft.

Soll die FK-Schicht eine einheitlich homogene Textur erhalten und will man hierzu die zuverlässige Schrägbedampfungsmethode verwenden, dann kan man folgendermaßen vorgehen:

Man bedampft die eine Trägerplatte in einer einzigen Richtung (erste Schrägbedampfungsrichtung) und die zweite Trägerplatte am Ort der Anzeigebereiche in einer Richtung (zweite Schrägbedampfungsrichtung) und am Ort der lichtdurchlässigen Gebiete in einer anderen Richtung (dritte Schrägbedampfungsrichtung), und zwar derart, daß bei fertig zusammengesetzter FK-ZeIIe die Projektion der dritten Schrägbedampfungsrichtung auf die Plattenebene parallel zur entsprechenden Projektion der ersten Schrägbedampfungsrichtung und senkrecht zur entsprechenden Projektion der zweiten Schrägbedampfungsrichtung liegt. Statt auf einer Trägerplatte zwei Schrägbedampfungsrichtungen zu wählen wäre es auch möglich, die Anzeigebereiche unter einem anderen Winkel als die lichtdurchlässigen Gebiete zu bedampf en (vgl. hierzu DT-OS 25 08 913).

Homöotrope bzw. einheitlich homogene Molekülausrichtungen lassen sich außer durch Oberflächenbehandlungen auch bequem durch elektrische Felder gewinnen. So nimmt ein nematischer Flüssigkristall mit einer positiven dielektrischen Anisotropie unter genügend hohen, senkrecht zur Plattenebene gerichteten Feldern eine homöotrope Textur an. Man braucht in diesem Fall lediglich die Trägerplatten mit zusätzlichen Elektroden zu versehen, die Zusatzelektroden ggf. gegen die Segmentelektroden zu isolieren und zwischen ihnen im Betrieb der Anzeigevorrichtung einen genügend großen Potentialunterschied zu schaffen. Auch eine einheitlich homogene Orientierung läßt sich mit elektrischen Feldern sehr einfach herstellen: Es genügt, wenn man die Innenfläche einer der beiden Trägerplatten zusätzlich zu den Segmentelektroden mit einem System aus ineinandergreifenden Kammelektroden belegt und beide Kammelektroden an geeignet unterschiedliche Potentiale legt. Beide Varianten sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt F i g. 2 eine Version mit Zusatzelektroden auf beiden Trägerplatten (Zusatzelektroden 12) und illustriert Fig.3 eine Ausführung mit Kammelektroden (Kammelektroden 13, 14) auf einer der beiden Trägerplatten.

Will man mit Hilfe des DAP-Effektes darstellen, bei dem bekanntlich die beiden Linearpolarisatoren zueinander senkrecht stehen müssen, so empfiehlt es sich, die FK-Schicht in den lichtdurchlässigen Gebieten wie bei einer Drehzelle verdrillt homogen zu texturieren. Dabei ist es ohne Belang, ob die wandnahen FK-Moleküle parallel oder senkrecht zu den Polarisationsachsen der jeweils benachbarten Polarisatoren liegen.

Mindestens ein Polarisator läßt sich einsparen, wenn man der FK-Substanz einen pleochroitischen Farbstoff beigibt. Fig.4 stellt eine solche Ausführung dar. Im Unterschied zu den bisherigen Beispielen fehlt hier der hintere Linearpolarisator. Statt dessen sind in die dielektrisch positiv anisotrope nematische FK-Substanz pleochroitische Farbstoffmoleküle eingelagert, die bei plattenparalleler FK-Orientierung hindurchtretendes Licht, das in Richtung der Moleküllängsachsen schwingt, stark absorbieren und bei homöotroper Texturierung das den Flüssigkristall durchsetzende Licht praktisch ungedämpft hindurchlassen. Die Anordnung kann dabei z. B. so getroffen werden, daß der Flüssigkristall in den Anzeigebereichen im Ruhezustand einheitlich homogen, und zwar parallel zur Polarisationsrichtung des Linearpolarisators, ausgerichtet ist und in den lichtdurchlässigen Gebieten eine verdrillt homogene Textur wie bei einer Drehzelle hat. Dabei stehen die dem Polarisator benachbarten FK-Moleküle in den verdrillten Phasen senkrecht auf dessen Polarisationsrichtung.

Man könnte bei der geschilderten Variante mit Farbstoff-Zugabe sogar ohne jeglichen Polarisator auskommen, wenn man die Fluoreszenzplatte nur linearpolarisiertes Licht auskoppeln läßt (vgl. hierzu die Patentanmeldung P 27 18 526.8). Eine solche Ausführung ist besonders günstig, da bei ihr die lichtdurchlässigen Zellengebiete einen sehr hohen Transmissionsgrad haben können.

Urn auch bei Betrachtung der Anzeigevorrichtung unter extrem großen Winkeln jegliche Fehlablesung auszuschließen, könnte man die einzelnen Anzeigebereiche jeweils mit einem lichtundurchlässigen Rand umgeben. Dabei ist es zweckmäßig, den Flüssigkristall in diesem Randbereich genauso zu orientieren wie in den Anzeigebereichen im nicht geschalteten Zustand.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anzeigevorrichtung mit einer Flüssigkristallschicht, die sich zwischen einer in Betrachtungsrichtung vorderen und einer hinteren Trägerplatte befindet und in Anzeigebereichen zwischen verschiedenen optischen Zuständen schaltbar ist, sowie mit einer hinter den Trägerplatten angeordneten Platte, die aus einem Material mit einem Brechungsindex größer 1 besteht mit einem fluoreszierenden Zusatz versehen ist und den einzelnen Anzeigebereichen jeweils zugeordnete Lichtaustrittsfenster aufweist, wobei der neben den Anzeigebereichen verbleibende Restbereich der Trägerplatten zumindest gebietsweise lichtdurchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (8) in den lichtdurchlässigen Gebieten zumindest im Betrieb der Anzeigevorrichtung eine für die Lichtdurchlässigkeit geeignete Textur hat, die sich von der Textur der Flüssigkristall-Schicht (8) in den nichtgeschalteten Anzeigebereichen unterscheidet.

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, mit einer dielektrisch positiv anisotropen nematischen Flüssigkristall-Schicht, mit einem Linearpolarisator vor und hinter der Flüssigkristall-Schicht, wobei die Linearpolarisatoren zueinander parallele Polarisationsrichtungen haben und auch das Anregungslicht für die Fluoreszenzplatte polarisieren, sowie mit zwei Trägerplatten, die auf ihren Innenflächen mit Anzeigeelektroden versehen sind und die Flüssigkristall-Schicht mit einer bestimmten Wandorientierung zwischen sich einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Moleküle in den Anzeigebereichen plattenparallel orientiert und -15 dabei in Richtung der Plattennormalen um wenigstens angenähert 90° verdrillt sind und in den lichtdurchlässigen Gebieten eine homöotrope Textur haben.

3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der homöotropen Textur zumindest eine der beiden Trägerplatten (2,3) auf ihrer Innenfläche in den lichtdurchlässigen Gebieten eine plattensenkrecht orientierende Schicht (9), vorzugsweise Al₂Oj oder Cr₂Os, trägt.

4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der homöotropen Textur zumindest eine der beiden Trägerplatten auf ihrer Innenfläche übereinander eine A1₂O3-Schicht (9), eine SnO₂-Schicht (6), eine SiO₂-Schicht

(10) und eine plattenparallel orientierende Schicht

(11) trägt, wobei die obersten drei Schichten lediglich die Anzeigebereiche bedecken und die unterste Schicht die Trägerplatte (2,3) durchgehend überzieht.

5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der homöotropen Textur die Anzeigeelektroden (6) beider Trägerplatten segmentiert sind und beide Trägerplatten (2, 3) zusätzlich zu diesen Segmentelektro- &o den in den lichtdurchlässigen Zellengebieten weitere, von den Segmentelektroden elektrisch isolierte Elektroden (Zusatzelektroden 12) tragen, an die im Betrieb der Anzeigevorrichtung verschiedene Potentiale gelegt werden können.

6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, mit einer dielektrisch positiv anisotropen nematischen Flüssigkristall-Schicht, mit einem Linearpolarisator vor und hinter der Flüssigkristall-Schicht, wobei die Linearpolarisatoren zueinander parallele Polarisationsrichtungen haben und auch das Anregungslicht für die Fluoreszenzplatte polarisieren, sowie mit zwei Trägerplatten, die auf ihren Innenflächen mit Anzeigeelektroden versehen sind und die Flüssigkristall-Schicht mit einer bestimmten Wandorientierung zwischen sich einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Moleküle in den Anzeigebereichen plattenparallel orientiert und dabei in Richtung der Plattennormalen um wenigstens angenähert 90° verdrillt sind und in den lichtdurchlässigen Zellengebieten eine einheitlich homogene Textur haben.

7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Trägerplatten (2, 3) auf ihren Innenflächen jeweils schräg aufgedampfte, plattenparallel orientierende Schichten tragen, wobei die Schicht der einen Trägerplatte in einer ersten Richtung aufgedampft ist und die Schicht der anderen Trägerplatte in den Anzeigebereichen in einer zweiten sowie in den lichtdurchlässigen Gebieten in einer dritten Richtung aufgedampft ist und die Projektionen der ersten und dritten Schrägbedampfungsrichtung auf die Plattenebene zueinander parallel und zur entsprechenden Projektion der zweiten Schrägbedampfungsrichtung senkrecht liegen.

8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeelektroden (6) zumindest einer der beiden Trägerplatten (2, 3) segmentiert sind und diese Trägerplatte (2) in den lichtdurchlässigen Gebieten Paare aus ineinandergreifenden Kammelektroden (13, 14) trägt, wobei die Kammelektroden eines jeden Paares an unterschiedliche Potentiale gelegt werden können.

9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine nematische Flüssigkristallschicht (8) mit einer negativen dielektrischen Anisotropie, einen Linearpolarisator (1) vor und einen zu diesem Polarisator gekreuzten Linearpolarisator (4) hinter der Flüssigkristall-Schicht (8) sowie zwei Trägerplatten (2, 3) die auf ihren Innenflächen mit Anzeigeelektroden (6) versehen sind und die Flüssigkristall-Schicht (8) zwischen sich einschließen, wobei die Flüssigkristall-Schicht (8) in den Anzeigebereichen eine homöotrope Textur sowie in den lichtdurchlässigen Zellengebieten eine homogene Textur hat, bei der die Flüssigkristall-Moleküle in Richtung der Plattennormalen um wenigstens angenähert 90° verdrillt sind.

10. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine nematische Flüssigkristallschicht (8) mit positiver dielektrischer Anisotropie und einen Linearpolarisator (1) vor der Flüssigkristall-Schicht, wobei die Flüssigkristall-Schicht einen pleochroitischen Farbstoff enthält und in den Anzeigebereichen einheitlich homogen in Richtung der Polarisationsachse des Linearpolarisators orientiert ist sowie in den lichtdurchlässigen Gebieten entweder eine einheitlich homogene Orientierung senkrecht zur Polarisationsachse des Linearpolarisators oder eine homogene Textur hat, bei der die Flüssigkristall-Moleküle in Richtung der Plattennormalen um wenigstens angenähert 90° verdrillt sind und in der Nähe des Linearpolarisators senkrecht auf dessen Polarisationsachse stehen.

11. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprü-

ehe 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigebereiche jeweils von einem lichtundurchlässigen Rand umgeben sind.

12. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einer Armbanduhr.