DE2941199A1

DE2941199A1 - Fluessigkristallanzeigezelle

Info

Publication number: DE2941199A1
Application number: DE19792941199
Authority: DE
Inventors: Donald Earl Castleberry
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1979-10-11
Publication date: 1980-04-24
Also published as: FR2438882A1; GB2033602A; JPS5573024A

Description

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady,

New York 12305 (USA)

Flüssigkristallanzeigezelle

Die Erfindung geht aus von einer Flüssigkristallanzeigezelle mit einer eine erste und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche aufweisenden Schicht aus dichroitischem Flüssigkristallmaterial.

Es ist bekannt, daß Flüssigkristallanzeigezellen vorteilhaft verwendet werden können, um Anzeigen mit geringem Leistungsverbrauch zu erstellen. Die Flüssigkristallanzeigezelle ist ein passives Gerät, das üblicherweise entweder in der reflektierenden Betriebsweise,bei der das Umgebungslicht wahlweise von Teilen der Anzeige reflektiert wird, um Zeichen, Symbole oder andere Markierungen zu erzeugen, oder das in der transmissiven Betriebsweise gefahren wird, bei der von einer Lichtquelle hinter der Anzeige ausgehendes Licht durch ausgewählte Bereiche der Anzeige hindurchtritt, um die sichtbaren Zeichen zu erzeugen. Die dichroitische Flüssigkristallanzeigezelle, bei der ein dichroitischer Farbstoff in einem als Wirt dienenden Flüssigkristallmaterial gelöst ist, weist zusätzliche Vorteile auf; äußere Elemente, wie Polarisatoren od.dgl. sind im allgemeinen nicht erforderlich. In beiden Betriebsweisen der dichroitischen Flüssigkristallanzeigezelle ist die Helligkeit der Anzeige jedoch im allgemeinen durch eine Anzahl von Faktoren ein-

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schließlich der Absorption von Licht an den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen der Flüssigkristallschicht begrenzt. Die Verringerung dieser Absorption in den Grenzschichten der Flüssigkristallschicht wird dann besonders wünschenswert, wenn die Anzeigezelle unter der Verwendung einer dichroitischen Flüssigkristallschicht hergestellt ist, da das dichroitische Flüssigkristallmaterial in der Lage ist, ein vergrößertes Kontrastverhältnis bei der Anzeigezelle zu erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine dichroitische Flüssigkristallanzeigezelle zu schaffen, deren Kontrastverhältnis und Helligkeit gesteigert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Flüssigkristallanzeigezelle durch die Merkmale des Hauptanspruches gekennzeichnet.

Die Flüssigkristallanzeigezelle gemäß der Erfindung mit eher Schicht aus Flüssigkristallmaterial, das als Wirt für einen dichroitischen Farbstoff dient, weist an den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen der Flüssigkristallschicht solche Grenzflächenbedingungen auf, daß die Moleküle des Flüssigkristalls und des dichroitischen Farbstoffes neben einer ersten Oberfläche homogen, d.h. mit ihren Längsachsen parallel zu dieser Oberfläche ausgerichtet sind, während die Flüssigkristallmoleküle und die dichroitischen Farbstoffmoleküle an der anderen Oberfläche senkrecht zu dieser ausgerichtet, d.h. homöotrop orientiert sind. Die übrigen Flüssigkristall- und dichroitischen Farbstoffmoleküle innerhalb der Schicht zwischen den Oberflächen weisen einen Orientierungszustand auf, der in Abhängigkeit von der Anwesenheit oder

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dem Fehlen eines elektrischen Feldes geeigneter Größe zur Ausrichtung dieser Moleküle entweder im wesentlichen parallel zu den Ebenen der Oberflächen (in dem nicht angeregten oder feldfreien Zustand) oder im wesentlichen senkrecht zu den Ebenen der Oberflächen (in dem angeregten oder feldbehafteten Zustand) gesteuert ist, so daß das Licht in der Hauptmasse der Flüssigkristallschicht nur in dem nicht angeregten (ersten) Zustand absorbiert wird. An der Grenzfläche für die Parallelausrichtung tritt die Lichtabsorption auf, während an der Grenzfläche für die senkrechte Ausrichtung sowohl im angeregten wie auch im nicht angeregten Zustand kein Licht absorbiert wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Grenz· flächenzustände der dichroitischen Flüssigkristallschicht durch eine geeignete Behandlung jeder der beiden, im wesentlichen durchsichtigen und elektrisch leitenden Elektroden, die neben einer zugehörigen Oberfläche der dichroitischen Flüssigkristallschicht angeordnet sind, erzeugt. Die Oberfläche an der Grenzfläche für die senkrechte Ausrichtung ist mit einem geeigneten Surfactant behandelt, während die Oberfläche an der Grenzfläche zur Parallelausrichtung der Flüssigkristallschicht,an der die Moleküle einen verhältnismäßig geringen Neigungswinkel aufweisen, mittels einer schrägen Aufdampfung von SiIiziamoxidschichten erzeugt wird.

In der Zeichnung ist eine bekannte Flüssigkristallanzeigezelle sowie ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

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Fig. 1a eine bekannte reflektierende, dichroitische ^un Flüssigkristallanzeigezelle zur Veranschaulichung der Betriebsweise und der Lichtabsorption an den Grenzflächen der Flüssigkristallschicht in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,

Fig. 2 die Definition des Neigungs- und des Drehwinkels zwischen den Achsen der Flüssigkristalloder dichroitischen Farbstoffmoleküle bezogen auf eine molekulare Beschichtungselektrodengrenzfläche in einer perspektivischen Darstellung und

Fig. 3a eine reflektierende dichroitische Flüssigkristall^un anzeigezelle gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.

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In den Fig. 1a und 1b sind jeweils einander gleiche Einzelheiten mit gleichen Bezugszeichen versehen; eine bekannte dichroitische Flüssigkristallanzeige 10 enthält eine Flüssigkristallanzeigezelle 11 mit zwei im Abstand zueinander stehenden, ebenen, durchsichtigen Substraten 12a und 12b, die vorteilhafterweise aus Materialien, wie optischem Glas od.dgl. hergestellt sein können und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Eine im wesentlichen transparente Elektrode 14a bzw. 14b, die auf jeder nach innen weisenden Oberfläche eines der entsprechenden Substrate 12a und 12b aufgebracht ist, kann an bestimmten Stellen geätzt sein, um alphanumerische Symbole oder andere Markierungen, die durch die Flüssigkristallanzeigezelle 10 dargestellt werden sollen, abzugrenzen. Vorteilhafterweise können die Elektroden 14a und 14b aus Materialien, wie Zinnoxid (SnO-), Indiumoxid (In-O-) od.dgl. gebildet sein. Eine (aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellte) Schicht aus Siliziumoxid (SiO) ist jeweils auf den nach innen weisenden Oberflächen der Elektroden 14a bzw. 14b schräg aufgewachsen, damit sie als Ausrichtungsfilm wirkt, wie dies in der US-PS 3 834 792 ausgeführt ist.

Der Raum zwischen den im Abstand zueinander stehenden Elektroden 14a und 14b ist mit einer Schicht gefüllt, die Moleküle 15 eines Flüssigkristallmaterials enthält, die als Wirt für Moleküle 16 eines dichioi ti sehen Farbstoffes dienen, der sich durch einen Parameter mit ausreichend hoher Größenordnung auszeichnet, um ein hohes Kontrastverhältnis zu ergeben. Die Moleküle 13 gehören, wie veranschaulicht, zu einer Flüssigkristallzusammensetzung mit einer positiven dielektrischen

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Anisotropie , d.h. die Dielektrizitätskonstante des Materiales ist in Richtung parallel zu der Moleküllängsachse oder dem Direktor größer als die Dielektrizitätskonstante in Richtung senkrecht zu dem Moleküldirektor. Die Direktoren einer derartigen nematischen Flüssigkristallzusanunensetzung neigen im Ruhezustand dazu, daß sich alle Moleküle 15 sowohl parallel zueinander als auch in eine einzige Richtung ausrichten, die hier als Z-Achse veranschaulicht ist, wobei die Ausrichtung durch den oben erwähnten Siliziumoxid-Ausrichtungsfilm unterstützt ist. Die Moleküle 16 des dichroitischen Farbstoffes sind in der nematischen Flüssigkristallzusammensetzung in einer solchen Menge gelöst, daß eine ausreichende, unten beschriebene Lichtabsorption erreichbar ist. Die Farbstoffmoleküle 16 sind zwischen die nematischen Flüssigkristallmoleküle 15 eingestreut und mit ihren Längsachsen oder Direktoren parallel zu den Direktoren der nematischen Flüssigkristallmoleküle 15 ausgerichtet. Eine geeignete Flüssigkrista ll-Farbstoff-Zusanmensetzung verwendet eine Flüssigkristallmischung von Estertyp-Verbindungen mit einer positiven dielektrischen Anisotropie, wobei die Mesophase auch bei Raumtemperatur besteht und in der Mischung ein dichroitisches Farbstoffmaterial, beispielsweise Sudan-Schwarz-B od.dgl. in einer Menge von etwa 0,5 Gewichtsprozent der Flüssigkristallmischung gelöst ist. Die Flüssigkristallanzeigezelle 11 kann entweder im transmissiven oder, wie veranschaulicht, im reflektierenden Zustand betrieben werden. Bei der reflektierenden Betriebsart ist eine Platte 17 aus einem optisch doppelbrechenden Material so angeordnet, daß ihre optische Achse 17a unter einem Winkel von 45°, bezogen auf die Direktoren der Flüssigkristallmoleküle und der dichroitischen Farbstoffmoleküle 16, verläuft.

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Auf diese Weise verläuft die optische Achse 17a in Richtung des Vektors (X + Z), wobei die Richtung des Vektors X orthogonal zu der Richtung des Vektors Z ist und die Vektoren X und Z eine zu den Ebenen der Substrate 12a und 12b parallele Ebene aufspannen. Die Platte 17 hat zwei genau parallele, im Abstand zueinander stehende äußere Oberflächen 17b und 17c, die jeweils voneinander so weit entfernt sind, daß die Entfernung ausreicht, damit die Platte 17 eine Ψ- Platte wird, d.h. daß eine der doppeltgebrochenen optischen Wellen im wesentlichen um 90° (eine Viertelwellenlänge» 4), bezogen auf die jeweils andere der optischen Wellen, verzögert ist. Vorteilhafterweise kann die Platte 17 aus einem Material wie Quarz, Kalzit, Glimmer oder ähnlichem hergestellt sein.

Ein Reflektor 19, der ein polierter Spiegel od.dgl. sein kann, weist eine ebene Gestalt auf und liegt im wesentlichen vollständig an der äußeren Oberfläche 17c der v- -Platte 17 an, deren gegenüberliegende äußere Oberfläche 17b ihrerseits fast vollständig an der äußeren Oberfläche des rückwärtigen Substrates 12b anliegt.

Die Verwendung des Ausrichtungsfilmes auf beiden Elektroden 14a und 14b bewirkt beim Betrieb, daß die Flüssigkristallmoleküle 15 und die dichroitischen Farbstoffmcleküle 16 im wesentlichen parallel (homogen) zu der Ebene der Substrate 12a und 12b ausgerichtet sind, wenn kein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 14a und 14b (Fig. 1a) anliegt. Ein Lichtstrahl 20 des Umgebungslichtes, der, wie durch die Vielzahl von Polarisationsvektoren 21 angedeutet, unpolarisiert ist, verläuft entlang der Y-Achse, um auf das durchsichtige, vordere Substrat 12a aufzutreffen und durch dieses sowie die

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halbdurchlässige vordere Elektrode 14a hindurchzugelangen. Einfallendes polarisiertes Licht 20 wird vorzugsweise durch die parallel ausgerichteten dichroitischen Farbstoffmoleküle 16 absorbiert, so daß ein sich in Y-Richtung durch die rückwärtige Elektrode 14b und das rückwärtige Substrat 12b ausbreitender Lichtstrahl 22 mit linearer Polarisation in X-Richtung übertragen wird (orthogonal zu der Längsachse der Farbstoffmoleküle 16, die in Z^-Richtung ausgerichtet sind). Die Polarisation des austretenden Lichtstrahles 22 ist durch einen Polarisationsvektor 2 3 angedeutet. Der in X-Richtung linear polarisierte Lichtstrahl 22 gelangt durch die j—Platte 17 und wird in einen zirkulär polarisierten Lichtstrahl 22 mit einem, wie dargestellt, linksdrehenden (gegen den Uhrzeigersinn) Polarisationsvektor 25 umgewandelt. Der zirkulär polarisierte Lichtstrahl 24 trifft auf den Reflektor 18 auf und wird dort reflektiert, wobei durch die Reflexion der Drehsinn des zirkulär polarisierten Lichtstrahles 26 umgekehrt wird in einen nach rechts drehenden (im Uhrzeigersinn) Polarisationsvektor 27. Der umgekehrt zirkulär polarisierte Lichtstrahl 26 tritt entlang der X-Achse des Lichtstrahles 23 durch die 4*- -Platte 17 in umgekehrter Richtung zu der übertragungsrichtung des Lichtstrahles 22 hindurch und tritt demzufolge aus der äußeren Oberfläche 17b der Platte 17 als Lichtstrahl 28 aus, der in Z-Richtung linear polarisiert ist, wie dies durch einen Polarisationsvektor 29 angedeutet ist. Der Polarisationsvektor 29 ist parallel zu den Direktoren der dichroitischen Farbstoffmoleküle 16 ausgerichtet und es wird, da die Parallelausrichtung der Direktoren die stark absorbierende Ausrichtung der verwendeten dichroitischen Farbstoffmoleküle ist, im wesentlichen die gesamte optische Strahlung des Strahles 28 von den MoIe-

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külen 16 absorbiert, so daß die Intensität des durch die gestrichelte Linie veranschaulichten,optischen Strahles 30,der von der Flüssigkristallanzeige 10 reflektiert wird, sehr klein (im wesentlichen null) ist; die optische Energie des einfallenden Lichtstrahles 20 geht teilweise durch Streuung und Absorption beim Durchgang durch die verschiedenen Bauelemente der Anzeige 10 verloren, jedoch wird die Energie hauptsächlich durch die Farbstoffmoleküle 16 absorbiert.

Zwischen die im Abstand zueinander stehenden Elektroden 14a und 14b ist eine Spannungsquelle 35 (Fig. 1b) geschaltet, um ein elektrisches Feld E in Y-Richtung zu erzeugen, das die Flüssigkristallmoleküle 15' veranlaßt, sich im wesentlichen mit ihren Direktoren so auszurichten, daß diese hauptsächlich in der Y-Richtung liegen. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß eine dünne "Schicht" 38a und 38b aus Molekülen 15 und 16, die jeweils den Substraten 14a und 14b am nächsten liegen, im wesentlichen in ihrer Ruhestellungsausrichtung verbleiben und parallel zu den Ebenen der Flüssigkristallschicht und denen der Elektroden 14a und 14b liegen, sogar dann, wenn das Feld eingeschaltet ist. In dem mittleren Bereich 39 der Flüssigkristallschicht sind die in dem als Wirt dienenden Flüssigkristallmaterial gelösten dichroitischen Farbstoffmoleküle 16' wiederum entlang den Flüssigkristallmolekülen ausgerichtet, damit ihre Direktoren im wesentlichen in Y-Richtung liegen. In diesem aktiven oder "EIN"-Zustand wird ein Lichtstrahl 20' von einfallendem, unpolarisiertem Licht nur durch die Ausrichtung der dichroitischen Farbstoffmoleküle 16' in den dünnen "Schichten" 38a und 38b gedämpft, in denen die Molekülachsen noch parallel zu den Schichtoberflächen ausgerichtet sind, wobei in den dünnen "Schichten" 38a und 38b die bevorzugte Absorption noch auftritt.

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Die optische Energie des aus der äußeren Oberfläche des rückwärtigen Substrates 12b austretenden Lichtstrahles 40 ist im wesentlichen zufallspolarisiert, wie dies durch Polarisationsvektoren 41 veranschaulicht ist, derart, daß die Energie im wesentlichen ohne Wirkung durch die 4— -Platte 17 übertragen wird, um als optischer Strahl 42 mit unpolarisiertem Licht auszutreten, wobei der Lichtstrahl 42 durch den Reflektor 18 als Lichtstrahl 43 reflektiert wird. Der Lichtstrahl 4 3 wird wiederum die durch ■£- -Platte 17 als Lichtstrahl 44 übertragen, der wiederum nahezu vollständig durch die in Y-Richtung ausgerichteten Moleküle der Anzeigezelle 11' hindurchgelangt und einer zusätzlichen Abschwächung durch die Absorption in den beiden dünnen "Schichten" 38a und 38b unterworfen ist, ehe er als reflektierter Strahl 46 mit optischer Energie austritt. Die Helligkeit des reflektierten Strahles ist wegen des Durchganges durch insgesamt vier absorbierende "Schichten" (d.h. die Schichten 38a und 38b in der + Y-Richtung und die Schichten 38b und 38a in der - Y-Richtung) geringfügig kleiner als diejenige des einfallenden Lichtstrahles 20'; die Helligkeit des "reflektierten" Lichtstrahles 30 ist in dem "AUS" oder inaktiven Zustand der Anzeigezelle 11 minimal im Vergleich zu dem einfallenden Strahl 20. Das Verhältnis des reflektierten Strahles 42 in dem "EIN"-Zustand zu dem Lichtstrahl 30 in dem "AUS"-Zustand ergibt das für eine Anzeigezelle 10 festgelegte Kontrastverhältnis; dieses Kontrastverhältnis ist unmittelbar abhängig von der Parametergrößenordnung des dort verwendeten dichroitischen Farbstoffes, insbesondere wenn Streuung und Durchgangsdämpfungsverluste durch die Wahl genügend hochwertigen optischen Materiales für die Substrate 12a, 12b, die ^ Platte 17 und den Reflektor 18 minimiert

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werden können. Je höher die Größenordnung des Parameters ist, umso größer wird sowohl die sich ergebende Dämpfung im Ruhezustand als auch das Kontrastverhältnis. Die Gesamthelligkeit und bis zu einem gewissen Grade auch das Kontrastverhältnis wird jedoch durch den Betrag der Absorption in den "Schichten" 38a und 38b festgelegt.

In Fig. 2 ist nunmehr ein Flüssigkristall- oder ein Farbstoffmolekül 50 mit einer Längsachse 50a veranschaulicht, das mit seiner Längsachse 50a unter einem Neigungswinkel Θ, bezogen auf die Oberfläche einer Ebene 52 sowie unter einem Drehwinkel 0, bezogen auf eine Gerade 52a auf dieser Oberfläche angeordnet sein kann. Entsprechend dieser Festlegung sind bei der oben beschriebenen bekannten Flüssigkristallanzeige die Moleküle des Flüssigkristalls und des dichroitischen Farbstoffes in den dünnen "Schichten" 38a und 38b (in der Nähe der Oberflächen der Flüssigkristallschichten und der ebenen Flächen der benachbarten Elektroden) mit einem Neigungswinkel im wesentlichen von 0 angeordnet, da die Moleküllängsachsen 50a in diesen Bereichen im wesentlichen parallel zu den Grenzflächen zwischen der Flüssigkristallschicht und den benachbarten Elektroden liegen. Es ist ferner festzustellen, daß der Drehwinkel 0 sehr klein ist und bei dichroitischen Flüssigkristallzusammensetzungen mit einem Parameter hoher Größenordnung in diesen Schichten sogar null werden kann. In ähnlicher Weise ist festzustellen, daß die erregte Flüssigkristallschicht bei der Fig. 1b in dem mittleren Bereich 39 der Schicht Flüssigkristall- und Farbstoffmoleküle aufweist, deren Neigungswinkel progressiv von etwa 0° auf ein Maximum von etwa 90° ansteigt und dann an der gegenüberliegenden Grenzfläche auf einen Grenzneigungswinkel von etwa 0 abnimmt.

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In den Fig. 3a und 3b ist nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer dichroitischen Flüssigkristallanzeige 60 gemäß der Erfindung dargestellt, die in der reflektierenden Betriebsart verwendet wird und bei der gleiche Elemente, bezogen auf die Fig. 1a und 1b, durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind; eine Flüssigkristallanzeigezelle 61 wird nacheinander durch eine -f— -Platte 17 und einen Reflektor 18 ergänzt. Die Flüssigkristallanzeigezelle 61 enthält ein vorderes und ein rückwärtiges Substrat 12a und 12b jeweils mit einer im wesentlichen durchsichtigen,elektrisch leitenden Elektrode 14a bzw. 14b auf den nach innen weisenden Oberflächen. In dem Raum zwischen den ebenen parallelen Elektroden 14a und 14b ist eine Schicht 63 aus einem dichroitischen Flüssigkristallmaterial eingeschlossen. Eine der Elektroden 14a und 14b ist beispielsweise durch schräges Aufdampfen einer Schicht aus Siliziumoxid (SiO) vorbehandelt, damit Flüssigkristallmoleküle 65 und darin gelöste dichroitische Moleküle sich neben der durch diese Elektrode definierten Grenzfläche parallel zu der Elektrodenoberfläche ausrichten. Der Zustand mit der parallelen Ausrichtung (homogen) wird bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel an der durch die innere Oberfläche der Elektrode 14a definierten Grenzfläche erzeugt. Der Neigungswinkel der Moleküle neben der Oberfläche 14a ist demzufolge verhältnismäßig klein und beträgt im allgemeinen weniger als 30°, wobei sich die Neigungswinkel im Idealfall 0° annähern.

Die innere Oberfläche der verbliebenen Elektrode 14b ist mit einem Surfactant oder einem Silan-Kopplungsagens behandelt, um einen homeotropische Grenzflächenbedingung zu schaffen, bei der sich die in der Nähe dieser Grenz-

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fläche befindlichen Flüssigkristallmoleküle 65a und dichroitischen Farbstoffmoleküle 66a mit ihren Längsachsen im wesentlichen senkrecht zu der Elektrodenebene ausrichten. Auf diese Weise ist die Mehrheit der Flüssigkristall- und der dichroitischen Farbstof fmoleküle zwischen den im Abstand zueinander angeordneten Elektroden 14a, 14b homogen (parallel) orientiert, wobei nur ein verhältnismäßig kleiner Anteil der Moleküle neben der Elektrode 14b Neigungswinkel aufweist, die sich 90 nähern.

Beim Betrieb bewirkt die Verwendung unterschiedlicher Oberflächenbehandlungen auf den Elektroden 14a und 14b, daß die Flüssigkristall- und die dichroitischen Farbstof fmoleküle, die sich neben der Elektrode mit der schräg aufgedampften Siliziumoxidschicht befinden, immer in dem homogenen Zustand bleiben, während die Flüssigkristall- und die dichroitischen Farbstoffmoleküle neben der anderen Elektrode, die mit einem Surfactant oder einem Sihn-Kopplungsangens behandelt ist, immer im wesentlichen in dem homöotropischen Grenzflächenzustand verweilen. Ein entlang der X-Achse kommender Lichtstrahl 70 (Fig. 3a) trifft auf das im wesentlichen durchsichtige vordere Substrat 12a und wird durch dieses im wesentlichen ohne Dämpfung hindurchgelassen. Der unpolarisierte Lichtstrahl 20 durchdringt die vordere Elektrode 14a und trifft auf die parallel ausgerichteten dichroitischen Farbstoffmoleküle 66 neben der vorderen Elektrode 14a und in demgrößten Teil der Dicke der dichroitischen Flüssigkristallschicht 63, so daß bevorzugt eine Absorption von in die Z"-Richtung polarisiertem Licht auftritt. Das Licht ist somit vor dem Durchgang durch den homöotropen Schichtbereich 63a, in dem wegen der orthogonalen Ausrichtung der Direktoren und

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der Polarisationsvektoren eine verhältnismäßig geringe Absorption auftritt, linear polarisiert. Der linear -X-polarisierte Lichtstrahl 22 durchdringt die ^ Platte 17, wo er in einen Lichtstrahl 24 mit zirkulär polarisiertem Licht umgewandelt wird, das den veranschaulichten links drehenden Polarisationsvektor 25 aufweist. Der zirkulär polarisierte Lichtstrahl 24 wird durch den Reflektor 18 reflektiert, um den entgegengesetzt zirkulär polarisierten Lichtstrahl 26 zu erzeugen, der in der -Y-Richtung durch die 4— -Platte hindurch übertragen werden soll und aus dieser als Lichtstrahl 28 mit linearer Polarisation in Z-Richtung, wie durch den Polarisationsvektor 29 veranschaulicht, austritt. Der Lichtstrahl 28 gelangt im wesentlichen unabgeschwächt wieder durch das rückwärtige Substrat 12b und die rückwärtige Elektrode 14b und trifft zunächst auf den homöotropen Bereich 63a der Flüssigkristallschicht, in dem eine verhältnismäßig geringe Absorption auftritt. Der Lichtstrahl durchdringt dann den übrigen Teil der Flüssigkristallschicht 63', der homogen orientiert ist, wobei die Direktoren der dichroitischen Farbstoffmoleküle 66 parallel zu dem Polarisationsvektor 29 des Lichtstrahles 28 ausgerichtet sind, so daß die restliche Lichtenergie absorbiert wird und ein "Strahl" 30, dessen Lichtenergie im wesentlichen null ist, aus der Flüssigkristallanzeige 60 austritt. Die Flüssigkristallanzeige 60 ist somit in dem "AUS" oder nicht angeregten Zustand als verhältnismäßig dunkle Anzeige sichtbar, in der das gesamte eintreffende Licht absorbiert wird, obowohl ein Flüssigkristallgrenzflächenzustand vom homöotropen Typ ist.

In Fig. 3b ist eine Spannungsquelle 25 zwischen die im Abstand stehenden Elektroden 14a und 14b geschaltet, um

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ein elektrisches Feld E in Y-Richtung zu erzeugen, damit die Flüssigkristallmoleküle 65' und die dichroitischen Farbstoffmoleküle 66' in der mittleren Hauptmasse der Flüssigkristallschicht 63' die homöotrope Orientierung annehmen, die parallel zu den Molekülen 65a und 66a des Schichtbereiches 63a liegt.Eine dünne "Schicht" 63b des dichroitischen Flüssigkristallmaterials neben der vorderen Elektrode 14a bleibt in dem homogenen Zustand, wobei wegen der Wirkung der homogenen Grenzflächen-Oberflächenbedingung an dieser Stelle die Moleküldirektoren parallel zu der Elektrodenoberfläche ausgerichtet sind. Die Moleküle neben der Oberfläche der vorderen Elektrode 14b haben somit verhältnismäßig geringe Neigungswinkel, die sich im Idealfall 0° annähern, wobei der Neigungswinkel von dahinter in Richtung auf die rückwärtige Elektrode 14b nachfolgend angeordneten Molekülen nacheinander und sehr schnell auf einen Neigungswinkel von 90 in der Hauptmasse der Flüssigkristallschicht 63 und dem Schichtbereich 63a neben der rückwärtigen Elektrode 14b anwächst.

Der eindringende, zufällig polarisierte Lichtstrahl 25 gelangt im wesentlichen unabgeschwächt durch das vordere Substrat 12a sowie die vordere Elektrode 14a und wird dann durch den homogenen Bereich 13b der Flüssigkristallschicht 63' übertragen, in dem eine geringe Absorption auftritt. Der teilweise absorbierte Lichtstrahl 20 gelangt dann im wesentlichen ohne zusätzliche Absorption durch den Rest der Flüssigkristallschicht 63', da die übrigen Moleküle in dem homöotropen Zustand sind. Somit tritt aus der Flüssigkristallzelle 61' ein im wesentlichen zufällig polarisierter Lichtstrahl 40 aus, der durch die 4— -Platte 17 hindurchgelangt, die im wesentlichen keinen Einfluß auf die Polarisation aufweist und

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tritt als Strahl 42 mit unpolarisiertem Licht aus der I Platte 17 aus; der Lichtstrahl 42 wird als Lichtstrahl 43 mit unpolarisiertem Licht durch den Reflektor 18 reflektiert und wiederum durch die 4— -Platte 17 übertragen, um aus dieser als im weseentlichen unpolarisierter Lichtstrahl 44 auszutreten, der auf das rückwärtige Substrat 12b der Flüssigkristallzelle 61* auftrifft. Der Lichtstrahl 44 durchdringt nacheinander, im wesentlichen unabgeschwächt die Schichtbereiche 63a sowie die Hauptmasse der Schicht 63" wegen der dort vorliegenden homöotropen Orientierung der dichroitischen Farbstoffmoleküle 66a und 66'. Der Lichtdurchgang durch den Schichtbereich 63b bewirkt eine gewisse zusätzliche Bedämpfung, da an dieser Stelle die dichroitischen Farbstoff moleküle homogen ausgerichtet sind, d.h. orthogonal zu der Ausbereitungsrichtung des Lichtes und parallel zu der vorderen ebenen Elektrodenfläche. Nach dem Durchgang durch die vordere Elektrode 14a und das vordere Substrat 12a tritt der Strahl 46 mit einer im wesentlichen zufälligen Polarisation aus und weist eine Helligkeit auf, die wegen der zwei Durchgänge durch den homogenen Schichtbereich 63b geringfügig unterhalb der Helligkeit des eintretenden Lichtstrahles 20' liegt. Es ist ersichtlich, daß diese Abschwächung nur die Hälfte der Abschwächung der bekannten Flüssigkristallzelle nach Fig. 1b beträgt, da bei dieser zwei Durchgänge durch die beiden "Schichten" 38a und 38b auftreten, in denen eine homogene Ausrichtung an beiden Kristallschichtgrenzflächen verwendet wird. Bei der Verwendung von nur einem homogenen Grenzflächenzustand (der andere Grenzflächenzustand ist eine homöotrope Grenzfläche) ist demzufolge eine hellere Anzeige sichtbar, während der sichtbare Kontrast gesteigert erscheint.

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Nachdem die Helligkeit der Flüssigkristallzelle in dem "EIN" oder angeregten Zustand erhöht ist, kann der sichtbare Kontrast durch die Erhöhung der Absorption der Flüssigkristallzelle in dem "AUS" oder nicht angeregten Zustand durch den Zusatz eines geringen Betrages einer chiralen Zumengung zu der Flüssigkristallschicht 63 gesteigert werden. Die Zugabe eines geringen Betrages einer chiralen Zumengung neigt zu einer Verringerung des mittleren Neigungswinkels θ der Moleküle innerhalb der Hauptmasse der Flüssigkristallschicht 63 in dem "AUS"-Zustand, da das chirale neumatische Flüssigkristallgemisch einen bevorzugten Zustand mit einer schraubenförmigen Struktur aufweist, wobei ein Neigungswinkel null in einer Ebene parallel zur Ebene der Elektroden auftritt. Die Menge der chiralen Zugabe ist so ausgewählt, daß sie zwischen zwei Grenzbedingungen liegt: Die Steigung des sich ergebenden chiralen neumatischen dichroitischen Flüssigkristallmaterials sollte bei der Wellenlänge des Lichtes in dem Flüssigkristallmaterial verhältnismäßig lang sein, so daß sich das Licht so nahe wie möglich bei der linearen Polarisation ausbreitet; und die Steigung sollte ausreichend lang sein, d.h., daß die Steigung größer oder ungefähr gleich der Schichtdicke ist, so daß eine einheitliche Einkristallschicht gebildet werden kann. Das Ergebnis bei der Verwendung von chiralem, neumatischem, dichroitischem Flüssigkristallmaterial in einer Flüssigkristallanzeigezelle mit einer homogenen und einer homöotropen Grenzfläche, um eine hohe "AUS" Absorption bzw. eine verringerte "EIN" Absorption zu erzeugen, kann zu einem um das Quadrat des Kontrastverhältnisses, wie es mit einer Flüssigkristallanzeigezelle nach den Fig. 1a und 1b vorher erzielt wurde, verbesserten Kontrastverhältnis führen. Es ist verständlich, daß während hier aus Darstellungsgründen eine

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reflektierende dichroitische Flüssigkristallanzeige verwendet ist, auch eine transmissiv arbeitende dichroitische Flüssigkristallanzeige geschaffen werden kann, die das Prinzip entgegengesetzter Grenzflächenbedingungen für die Flüssigkristallschicht verwendet, um dieselben Vorteile zu erhalten. Eine transmissive Flüssigkristallanzeige kann durch den Ersatz der •j=- -Platte 17 durch einen Linearpolarisator hergestellt werden, dessen Polarisationsvektor 17' (Fig. 3b) orthogonal zu den Direktoren der dichroitischen Farbstoff moleküle in der homogenen "Schicht" 6 3b neben einer der Elektroden verläuft; der Reflektor 18 wird dann durch eine dahinter angeordnete Lichtquelle ersetzt.

Claims

Patentansprüche

1. Flüssigkristallanzeigezelle mit einer eine erste und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche aufweisenden Schicht aus dichroitischem Flüssigkristallmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der Grenzflächenbedingungen an den beiden Oberflächen die Moleküle (65, 66) des Flüssigkristallmaterials neben der ersten Oberfläche homogen orientiert und die Moleküle (65, 66) des Flüssigkristallmaterials neben der zweiten Oberfläche homöotrop orientiert sind ^und daß weiterhin die Moleküle (65, 66) im Rest der Flüssigkristallschicht wahlweise in die homogene oder die homöotrope Orientierung bringbar sind.

2. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der ersten und an der zweiten Oberfläche der Flüssigkristallschicht

(63) jeweils eine erste bzw. eine zweite im wesentlichen durchsichtige Elektrode (141, 14b) anliegt.

3. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der ersten, mit der ersten Oberfläche der Flüssigkristallschicht (63) in Berührung stehenden Elektrode (14a) ein Film schräg aufgebracht ist, der die Grenzflächenbedingung an der ersten Oberfläche festlegt.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus Siliziumoxid besteht.

5. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche der zweiten, mit der zweiten Oberfläche der Flüssigkristallschicht (63) in Berührung stehenden Elektrode (14b) ein Surfactant oder ein Silan-Kopplungsagens aufgebracht ist, das die Grenzflächenbedingung an der zweiten Oberfläche festlegt.

6. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine wahlweise zwischen die erste und die zweite Elektrode (14a, 14b) schaltbare elektrische Spannungsquelle vorgesehen ist, die an der dichroitischen Flüssigkristallschicht (63) zur Änderung der Orientierung der Moleküle in der übrigen dichroitischen Flüssigkristallschicht (63) ein elektrisches Feld ausreichender Größe erzeugt.

7. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein erstes bzw. ein zweites im wesentlichen durchsichtiges Substrat (12a, 12b) aufweist, das die jeweils zugehörige erste bzw. zweite Elektrode (14a, 14b) trägt.

8. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie entweder reflektierend oder transmissiv betreibbar ist.

030017/0824

9. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Neigungswinkel (Θ) der dichroitischen Flüssigkristallmoleküle im homogenen Zustand verringert ist.

10. Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (Θ) durch eine chirale Zugabe verringert ist, die in dem dichroitischen Flüssigkristallmaterial gelöst ist.

I) 30017/0824