DE3327300C2 - - Google Patents
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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-no, 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:
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
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 (3)
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.
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.
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