DE3327300C2

DE3327300C2 -

Info

Publication number: DE3327300C2
Application number: DE3327300A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Ishii; Shuichi Nara Jp Kozaki; Kenichi Tenri Nara Jp Nakagawa
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1982-07-29
Filing date: 1983-07-28
Publication date: 1989-06-29
Also published as: GB8320417D0; DE3327300A1; JPS5923328A; US4579425A; GB2127169B; GB2127169A

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristall-Anzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung befaßt sich mit einer Flüssigkristall-Anzeige vom Typ White-Tailor Gast-Wirt (WT-GH) und zielt auf die Erzeugung einer verbesserten Schwellenspannungscharakteristik ab und die Möglichkeit, die Flüssigkristall-Anzeige in einem Multiplexbetrieb einfach zu betreiben.

Gast-Wirt Anzeigevorrichtungen werden allgemein in zwei Gruppen eingeteilt, in eine Gruppe bei der Polarisatoren verwendet werden und eine andere Gruppe, bei der keine Polarisatoren zur Anwendung kommen. Die Flüssigkristall-Anzeigen vom Typ White-Tailor Gast-Wirt gehören zur letzteren Gruppe. Bei dieser Gruppe von Anzeigen wird eine Flüssigkristall-Mischung verwendet, die zusammengesetzt ist aus nematischen Flüssigkristallen vom P-Typ, denen ein dichroitischer Farbstoff und ein optisch aktives Material zugemischt sind. Die Anzeigevorrichtung verwendet für die Erzeugung der Anzeige sowohl eine Lichtabsorption (farbiger Zustand), die auf eine verdrillte Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle bei Fehlen eines angelegten elektrischen Feldes zurückzuführen ist (oder auf ein elektrisches Feld, das kleiner ist als ein Schwellenwert eines elektrischen Feldes), als auch eine Lichtdurchlässigkeit (nicht- farbiger Zustand), die auf eine homöotrope Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle im Ansprechen auf ein angelegtes elektrisches Feld (das größer ist als der Schwellenwert des elektrischen Feldes) zurückführen ist. Die Fig. 1 (A), 1 (B) und 1 (C) erläutern die Prinzipien von dem Betrieb einer derartigen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung. Bei Fehlen eines angelegten elektrischen Feldes sind die mit 1 bezeichneten dichroitischen Farbstoffmoleküle sowie die mit 2 bezeichneten Wirt-Flüssigkristall-Moleküle zwischen einem Paar von Glassubstraten 3 und 3′ wie in Fig. 1 (A) gezeigt, verdrillt. Wenn ein elektrisches Feld von einer Spannungsquelle 4 parallel zu den von den Glassubstraten 3 und 3′ gebildeten durchsichtigen Elektroden angelegt wird, werden die dichroitischen Farbstoffmoleküle 1 und die Flüssigkristall-Moleküle 2 senkrecht zu den Elektroden wie in Fig. 1 (B) dargestellt, orientiert. Einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von λ _max wird im wesentlichen absorbiert, wenn die Moleküle, die in Fig. 1 (A) gezeigte Orientierung aufweisen, und durchgelassen, wenn die Moleküle wie in Fig. 1 (B) gezeigt orientiert sind. Fig. 1 (C) erläutert die Änderung in der Spektralverteilung des durchgelassenen Lichts in Abhängigkeit davon, ob das elektrische Feld EIN- oder AUSgeschaltet ist.

Derartige Gastwirts-Anzeigezellen sind beispielsweise aus den DE-OS 24 10 557 und 30 04 764 bekannt; die erstgenannte verwendet Verdrillungswinkel des Flüssigkristalls zwischen den Elektroden von mehr als 360°, die zweitgenannte bevorzugt kleinere Verdrillungswinkel, und keine der beiden untersucht die Beziehung zwischen Verdrillungswinkel, Doppelbrechung und Dicke der Zelle.

Das oben erläuterte Anzeigesystem hat über einen weiten Umfang variierende Charakteristiken in Abhängigkeit von der Art der Oberflächenorientierung. Die Oberflächenorientierung läßt sich grundsätzlich in zwei Gruppen unterteilen: in homöotrope und in homogene Orientierungsmöglichkeiten. Im Falle einer homöotropen Orientierung erhält man einen höheren Kontrast in der Anzeige, während die benötigte Steuerspannung bei der homogenen Ausrichtung geringer ist. Für einen Niederspannungsmultiplexbetrieb ist daher die homogene Orientierung besser geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein WT-GH Flüssigkristall-Anzeige der eingangs genannten Art mit homogener Orientierung zu schaffen, die ein hohes Anzeigekontrast-Verhältnis aufweist, und in der Lage ist, in einem Multiplex-Betrieb mit einer relativen Einschaltdauer bzw. einem Tastverhältnis von 1/4 oder darüber betrieben werden zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Eine Flüssigkristall-Anzeige vom Typ White-Tailor Gast-Wirt (WT-GH) enthält erfindungsgemäß einen nematischen Flüssigkristall mit einer positiven dielektrischen Anisotropie, wobei ein optisch aktives Material und ein dichroitischer Farbstoff zugegeben sind. Bei Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes liegt der Verdrillungswinkel R der Flüssigkristall-Schicht zwischen den Substraten in einem Bereich von 270°≦R≦315°. Die Wirts- Flüssigkristall-Moleküle haben eine Brechungsindex- Anisotropie Δ n, das heißt eine optische Doppelbrechung von 0,14 oder darunter und die Flüssigkristall-Schicht hat eine Dicke d, die 7 µm oder darunter beträgt. (Δ n=n _e-n_o, wobei n _e der Brechungsindex bezüglich eines außerordentlichen Strahles und n _o der Brechungsindex bezüglich eines ordentlichen Strahles ist).

Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 (A), 1 (B) und 1 (C) zeigen Diagramme, aus denen der grundsätzliche Betrieb einer WT-GH Flüssigkristall-Anzeige mit horizontaler Orientierung ersichtlich ist.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem die angelegte Spannung gegenüber der Durchlässigkeit der WT-GH Flüssigkristall-Anzeige mit horizontaler Orientierung aufgetragen ist.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, aus dem die Beziehungen zwischen Schwellenspannung Vth, Kontrastverhältnis CR und einem Flüssigkristall-Verdrillungswinkel R hervorgehen.

Fig. 4 (A), 4 (B) und 4 (C) stellen Diagramme von Anzeige charakteristiken dar, die bei einem Verdrillungswinkel von 270° aufgezeichnet sind.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm von einer Anzeigecharakteristik, die bei einem Verdrillungswinkel R von 270° und Δ n=0,11 aufgezeichnet wurde.

Im folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele näher erläutert werden. Die Anzeigecharakteristik einer WT-GH Flüssigkristall-Anzeige mit homogener Orientierung hängt vom Verdrillungswinkel R der Flüssigkristall-Schicht ab. Flüssigkristall-Schichten mit Verdrillungswinkeln von 90° und 360° wurden bereits in den JA-OS (OPI) 56-1 25 723 und 56-83 721 beschrieben. Die Flüssigkristall-Schicht mit einem Verdrillungswinkel von 90° zeigt jedoch ein unbefriedigendes Kontrastverhältnis, während die Flüssigkristall-Schicht mit einem Verdrillungswinkel von 360° bezüglich ihrer Anzeigecharakteristik mit einer großen Hysterese behaftet ist. Diese Verdrillungswinkel ermöglichen daher keinen Multiplexbetrieb mit einem erwünscht hohen Tastverhältnis.

Die Anmelderin hat daher Untersuchungen durchgeführt, um Flüssigkristall- Verdrillungswinkel zu finden, die für einen Multiplexbetrieb mit einem hohen Tastverhältnis optimal geeignet sind.

Es ist allgemein bekannt, daß der Flüssigkristall-Verdrillungswinkel R beeinflußt werden kann, so daß er jeden beliebigen Winkel einnimmt, indem man den Winkel zwischen den Richtungen, in denen das Reiben auf dem oberen und dem unteren Substrat erfolgt, geeignet festlegt (der Winkel zwischen den Richtungen, in denen das Reiben stattfindet, wird mit ξ bezeichnet), und indem man die Menge des dem nematischen Flüssigkristall zugegebenen optisch aktiven Materials ensprechend einstellt. Dies sei im folgenden noch ausführlicher dargestellt:
Es sei zunächst angenommen, daß die Flüssigkristall-Mischung mit der Zugabe des optisch aktiven Materials eine natürliche Ganghöhe P der Verdrillung aufweist (die Ganghöhe in demjenigen Fall, bei dem die verdrillte Orientierung frei von jeglicher Einspannung ist, die zwischen dem oberen und dem unteren Substrat verwendet wird), und daß das optisch aktive Material in einer Menge C zugegeben wird. In diesem Falle ergibt sich folgende Beziehung:

P = K/C (K ist eine Konstante). (1)

Wenn die Flüssigkristall-Schicht eine Dicke d aufweist und einen Flüssigkristall-Verdrillungswinkel R, dann läßt sich der Wert von d/P, der zu einem

R = ξ + n π (n ist eine ganze Zahl, -π/2 < ξ≦π/2) (2)

führt, ausdrücken durch folgende Beziehung

ξ/2π + n/2 - 1/4 < d/P < ξ/2π + n/2 + 1/4. (3)

Um den Flüssigkristall-Verdrillungswinkel zu erhalten, wie er durch Beziehung 2 ausgedrückt ist, muß die Menge des zugegebenen optisch aktiven Materials auf der Basis der Beziehungen 1 und 3 wie folgt eingestellt werden:

K/d (ξ/2π + n/2 - 1/4) < C < K/d (ξ/2π + n/2 + 1/4). (4)

Durch Anpassung von P an d berechnet sich die zugegebene Menge C aus Gleichung 4 wie folgt:

C =K/d (u/2π + n/2). (5)

Ausgehend von Gleichung 5 wurden verschiedene Werte für den Verdrillungswinkel R bestimmt. Als Wirt-Flüssigkristall wurde ein Phenylcyclohexan Flüssigkristall ZLI-1694 verwendet (hergestellt von Merck), mit einer optischen Doppelbrechung Δ n = 0,14, wobei Δ n = n _e - n _o bedeutet, wenn mit n _e der Brechungsindex bezüglich eines außerordentlichen Strahles und n _o der Brechungsindex bezüglich eines ordentlichen Strahles bezeichnet ist). Als optisch aktives Material wurde ein chiral-nematisches Material CB-15 (hergestellt durch BDH) und als Farbstoff ein Anthraquinonfarbstoff M137 (hergestellt von Mitsui Toatsu Chemicals, Inc.) verwendet.

Die Glassubstrate wurden mit Filmen eines macromolekularen Ausrichtungsmittels PIX #5400 überzogen (hergestellt von Hitachi Kasei Co., Ltd.).

Die WT-GH Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung mit homogener Orientierung von dem vorstehend beschriebenen Aufbau, zeigt allgemein eine Hysterese der Durchlässigkeit in Abhängigkeit von angelegter Spannung, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Zur genaueren Beschreibung dieses Phänomens werden definiert: eine Schwellenspannung Vth ↑ zum Zeitpunkt des Spannungsanstiegs (0 V→20 V mit einer Geschwindigkeit von 0,1 V/s), eine Schwellenspannung Vth ↑ zum Zeitpunkt einer Spannungsabnahme (20 V→0 V bei einer Geschwindigkeit von 0,1 V/s) und das Verhältnis der Durchlässigkeit Ts bei 0 V und 4 V zum Zeitpunkt des Spannungsabfalles als Kontrastverhältnis CR = Ts (4 V)/Ts (0 V). Die Beziehungen zwischen R und Vth ↑m Vth ↓ und CR sind in Fig. 3 wiedergegeben, wobei d = 10 µm, λ = 640 nm und die Farbstoffkonzentration 1 Gew.-% beträgt. Fig. 3 zeigt, daß mit einer Zunahme des Verdrillungswinkels R das Kontrastverhältnis CR und die Schwellenspannung Vth ↑ zunehmen, während die Schwellenspannung Vth ↓ abnimmt. Für einen Multiplexbetrieb ist es von dem Standpunkt des besten Kontrastverhältnisses CR vorzuziehen, daß der Verdrillungswinkel R zunimmt. Wenn jedoch der Verdrillungswinkel R zu groß ist, nimmt die Differenz zwischen den Schwellenwert-Spannungen Vth ↑ und Vth ↓ zu, was zu einem kleineren Betriebsbereich und einer größeren Hysterese führt. Der Flüssigkristall-Verdrillungswinkel R sollte daher derart bestimmt werden, daß man auch das Tastverhältnis in Betracht zieht. Dies wird im folgenden näher erläutert. Es sei zunächst angenommen, daß ein Spannungseffektivwert V _aus (rms) an einem unausgewählten oder AUS-Punkt besteht und daß ein Spannungseffektivwert V _ein (rms) an einem ausgewählten oder EIN-Punkt besteht sowie die Anzahl der Abtastlinien N betrage. Die Beziehung läßt sich sodann durch folgende Gleichung in einem optimierten Amplituden-Auswahlverfahren wiedergeben:

Wenn die Spannung V _aus (rms) = Vth ↓ und die Spannung V _ein (rms) = Vth ↑ ist, läßt sich die maximale Zahl von Abtastlinien N _max für die in Fig. 3 dargestellten Charakteristiken aus Gleichung 6 bestimmen. Im folgenden sind die Ergebnisse dieser Rechnung wiedergegeben:

Wo die Ganghöhe P und die Dicke d nicht zueinander passen, ändert sich der Wert von Vth ↑/Vth ↓ um ungefähr 30% in obiger Tabelle für R 270°. Wenn die Anzahl N _max in diesem Falle durch N′ _max wiedergegeben wird, ergibt sich für die Beziehung zwischen der Zahl N′ _max und dem Verdrillungswinkel R folgende Beziehung:

Betrachtet man die vorstehenden Tabellen, so zeigt sich, daß mit zunehmendem Verdrillungswinkel R (aufgrund der Zunahme des Wertes von Vth ↑/Vth ↓) die Maximalzahlen N _max und N′ _max der Abtastlinien abnehmen. Für einen Multiplexbetrieb mit einem Abtastverhältnis von 1/4 (N′ _max ≈ 4) sollte der Verdrillungswinkel in dem Bereich von 270° ≦ R ≦ 315° gewählt werden, wenn die vorstehenden Ergebnisse und das gewünschte hohe Kontrastverhältnis CR berücksichtigt werden. Es bestätigte sich durch andere Versuche, daß die vorstehend diskutierten Winkeleinstellungen und Ergebnisse für jegliche Art von Wirt-Flüssigkristallen, jegliche Art von dichroitischen Farbstoffen und jegliche Art von Ausrichtmitteln für die homogene Ausrichtung ungeändert verbleiben.

Im folgenden soll der Einfluß beschrieben werden, den die Dicke d der Zelle Es wurden Flüssigkristall-Zellen hergestellt und untersucht, bei denen die vorstehenden Gast-Wirt Flüssigkristall-Materialien verwendet wurden, mit Flüssigkristall-Schichten, die einen Verdrillungswinkel von 270°C und Dicken von 10 µm, 7 µm und 5,6 µm aufwiesen. Die Anzeigecharakteristiken dieser Flüssigkristall-Zellen wurden untersucht, wobei die Ergebnisse in den Fig. 4 (A) bis 4 (C) wiedergegeben sind. Das optisch aktive Material wurde in Mengen zugegeben, welche den entsprechenden Zelldicken angepaßt waren. In Fig. 4 (A) zeigt die Anzeige eine große Hysterese bei d = 10 µm. Durch ein Dünnermachen der Flüssigkristall-Schicht auf d = 7 µm (Fig. 4 (B)) und auf d = 5,6 µm (Fig. 4 (C)) wird sich die Hysterese im wesentlichen eliminieren. Eine weitere Verringerung der Zellendicke führt zu einem scharfen Anstieg der Durchlässigkeit in Nachbarschaft der Schwellenspannung und auch zu einer Verringerung in der Schwellenspannung Vth. Eine Verringerung der Zellendicke bewirkt daher eine Verbesserung der Multiplexcharakteristiken sowie eine Verbesserung in den Ansprechcharakteristiken und im Kontrast. Wenn man daher die Zelle 7 µm dick oder dünner macht, läßt sich eine Anzeigevorrichtung schaffen, die ein relativ hohes Tastverhältnis aufweist und in der Lage ist, im Multiplexbetrieb betrieben zu werden. Der Anzeigekontrast kann weiter verbessert werden, indem man ein Material mit einer Brechungsindex-Anisotropie von Δ n < 0,14 wählt (Δ n × d < 1,0 µm). Als diesbezügliches Beispiel zeigt Fig. 5 die Anzeigencharakteristiken (d = 7 µm) eines Phenylcyclohexan Flüssigkristall-Materials mit Δ n = 0,11. Ein Vergleich zwischen diesem Material und dem vorstehenden Material mit Δ n = 0,14 für das Kontrastverhältnis CR = Ts (4 V)/TS (0 V) zeigt, daß CR gleich 2,1 für ein Material mit Δ n = 0,14 wird, während CR gleich 2,4 ist, für das Material mit Δ n = 0,11.

Für eine Flüssigkristall-Zelle mit einer Dicke im vorstehend erwähnten Bereich würde sich eine unzureichende optische Rotationsdispersion ergeben, wenn ein Flüssigkristall-Material mit Δ n < 0,15 verwendet würde. Die Lichtabsorption wäre daher verringert und das Kontrastverhältnis würde erheblich beeinflußt werden. Es ist daher notwendig, den Wert für Δ n derart zu wählen, daß Δ n ≦ 0,14 ist für Flüssigkristall-Zellen mit d ≦ 7 µm.

Die homogen orientierte WT-GH Flüssigkristall-Anzeige, bei der wie vorstehend beschrieben die folgenden Beziehungen erfüllt sind:

270° ≦ R ≦ 315°
Δ n ≦ 0,14 und
d ≦ 7 µm

weist einen verbesserten Kontrast und ein verbessertes Ansprechen auf und ist in der Lage, mit einem 1/4 Tastverhältnis oder mehr in Multiplexbetriebsweisen betrieben zu werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher eine wirksame Farbanzeigetechnik.

Claims

1. Flüssigkristall-Anzeige, enthaltend ein erstes und ein zweites Substrat (3,3′) und eine zwischen diesen angeordnete, schraubenförmig verdrillte Flüssigkristall-Schicht, in die ein dichroitischer Farbstoff eingelagert ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkristall-Schicht eine Dicke (d) aufweist, die kleiner oder gleich 7 µm ist,
daß die Flüssigkristall-Schicht bei Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes einen Verdrillungswinkel zwischen 270° und 315° einnimmt, und
daß für die Flüssigkristall-Schicht die folgende Beziehung gilt: Δ n × d < 1,0 µm,wenn Δ n die optische Doppelbrechung und d die Dicke der Flüssigkristall-Schicht ist.

2. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Schicht Wirtsmoleküle (2) mit einer optischen Doppelbrechung (Δ n) von weniger oder gleich 0,14 aufweist.

3. Flüssigkristall-Anzeige nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristalle (2) eine positive dielektrische Anisotropie aufweisen und daß ihnen, neben dem dichroitischen Farbstoff, ein optisch aktives Material zugegeben ist.