DE3631151C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristallvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Flüssigkristallvorrichtung dieser Art ist in der US- PS 43 67 924 beschrieben. Bei dieser bekannten Flüssigkristallvorrichtung ist zwischen einem Paar von Substraten mit sich einander überkreuzenden Abtast- bzw. Signalelektroden ein ferroelektrischer Flüssigkristall angeordnet. Der ferroelektrische Flüssigkristall ist in einer derart dünnen Schicht ausgebildet, daß sich die Helixstruktur des Kristalls auflöst, wodurch mindestens zwei stabile Orientierungszustände in dem Kristall vorliegen. Durch das selektive Anlegen zweier unterschiedlicher Signale an die einzelnen Elektroden kann der Orientierungszustand des Flüssigkristalls an den durch die Überkreuzung der Elektroden gebildeten Bildpunkten derart gesteuert werden, daß ein jeweiliger Bildpunkt entweder hell oder dunkel erscheint. Insbesondere bei feiner Bildauflösung, wie sie zunehmend gefordert wird, ist zur Vermeidung eines Übersprechens zwischen den einzelnen Bildpunkten das Aufrechterhalten eines Überkreuzungs- bzw. bildpunktfreien Bereiches erforderlich. Die mit einer solchen Flüssigkristallvorrichtung erreichte Bildqualität bedarf insbesondere hinsichtlich des Kontrasts und der Leuchtdichtegleichmäßigkeit über die gesamte Fläche der Verbesserung.

Als ferroelektrischer Flüssigkristall mit der vorstehend genannten Bistabilität in Form zweier stabiler Orientierungszustände wird allgemein ein ferroelektrischer Flüssigkristall mit chiral-smektischer C-Phase (SmC*) oder H-Phase (SmH*) verwendet. Der Wechsel in den jeweils anderen Orientierungszustand erfolgt auf ein angelegtes Steuerspannungssignal hin bei solchen Flüssigkristallen verhältnismäßig schnell.

Zur bildpunktweisen Ansteuerung einer Flüssigkristallvorrichtung, und zwar einer solchen mit einem verdrillt nematischen (TN) Flüssigkristall, wird in der US-PS 39 51 519 alternativ das Aufbringen von elektrischen Ladungen auf die Vorrichtung vorgeschlagen. Ähnlich beschreibt auch die GB 21 29 606 A die bildpunktweise Ansteuerung eines verdrillt nematischen Flüssigkristalls mittels von einer Elektronenkanone abgegebenen Ladungen. Die Erzeugung einer gleichmäßigen Anzeige mit einer guten Auflösung ist auch dabei schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristallvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Bildinformation mit hohem Kontrast und gleichmäßiger Leuchtdichte über die gesamte Fläche darstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Hierdurch wird eine gleichmäßige Ausrichtung des Flüssigkristalls in Bereichen außerhalb der Überkreuzungen der Elektroden gewährleistet. Dadurch wird eine gleichmäßige Leuchtdichte über die gesamte Fläche der Flüssigkristallanordnung erreichbar und darüber hinaus ein scharfer Kontrast auch bei kleinen Details erzielbar. Insgesamt ergeben somit die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine qualitativ hochwertige Flüssigkristallvorrichtung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Flüssigkristallzellensubstrats,

Fig. 3 eine teilweise Schnittansicht der Flüssigkristallzelle mit dem Substrat,

Fig. 4 eine schematische Grundrißansicht einer Matrix- Flüssigkristallzelle und

Fig. 5 und 6 jeweils eine schematische perspektivische Ansicht einer Flüssigkristallzelle, die das Arbeitsprinzip eines ferroelektrischen Flüssigkristalls veranschaulicht.

Zunächst wird der Aufbau einer Flüssigkristallzelle und deren Steuerung erläutert.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Flüssigkristallzellensubstrats, Fig. 3 eine teilweise Schnittansicht einer Flüssigkristallzelle, die das Substrat beinhaltet, und Fig. 4 eine schematische Grundrißansicht der Flüssigkristallzelle. Gemäß Fig. 2 sind auf einem Glassubstrat 11 aufeinanderfolgend transparente Elektroden 12, ein Isolierfilm 13 zur Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen und Abstandhalter 14 zum Aufrechterhalten einer vorgeschriebenen Dicke einer Flüssigkristallschicht aufgebracht. Der schichtenartige Aufbau ist in Fig. 3 deutlicher gezeigt. Auf dem Glassubstrat 11 sind die transparenten Elektroden 12 angeordnet. Der Isolierfilm 13 ist so aufgebracht, daß er dazwischenliegende Räume ausfüllt und eine Deckschicht auf den Elektroden 12 bildet. Weiterhin sind Abstandhalter 14 auf dem Isolierfilm 13 aufgebracht. Ein gegenüberliegendes Substrat 11 a ist mit Elektroden 12 a und einem Isolierfilm 13 a, ähnlich wie vorstehend beschrieben, versehen. Eine Behandlung, wie zum Beispiel eine Reibbehandlung, zur gleichförmigen Achsenausrichtung wird zumindest bei einem der Substrate durchgeführt. Die Substrate werden dann in eine feste Stellung zueinander gebracht, und die vier Außenseiten werden abgetragen, so daß sie eine blanke Zelle mit einem Einfüllkanal bilden, durch den ein ferroelektrischer Flüssigkristall eingebracht und der anschließend versiegelt wird, so daß eine Flüssigkristallzelle entsteht. Fig. 3 zeigt eine Schnittzeichnung, Fig. 4 eine schematische Grundrißansicht einer so gebildeten Flüssigkristallzelle.

Das Einbringen des Flüssigkristalls wird unter Ausnutzung des Atmosphärendrucks durchgeführt. Im einzelnen wird eine blanke Zelle in eine Vakuumkammer gebracht, um den Hohlraum in der Zelle genügend zu evakuieren, und auf eine Temperatur erwärmt, bei der das einzuschließende Flüssigkristallmaterial eine isotrope Phase annimmt. Dann wird durch eine Einfüllöffnung in einem Substratbereich ohne Abstandhalter eine genügende Menge Flüssigkristallmaterials eingefüllt. Daraufhin wird das Zelläußere wieder dem atmosphärischen Druck ausgesetzt. Dadurch entsteht eine Druckdifferenz von etwa einer atm bzw. 10⁵ N/m² zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle, so daß das Flüssigkristallmaterial durch die Druckdifferenz in kurzer Zeit eingefüllt ist. Nachdem sichergestellt ist, daß die Zelle vollständig mit dem Flüssigkristall gefüllt ist, wird der Einfüllkanal mit einem Klebstoff verschlossen, so daß eine Flüssigkristallzelle entsteht. Auch nach dem Verschließen ist der Zellinnendruck niedriger als der atmosphärische Druck, und die Substrate mit den dazwischenliegenden Abstandhaltern werden durch den atmosphärischen Druck gegeneinander gedrückt, so daß die Flüssigkristallschicht in einer Dicke gehalten wird, die der Dicke oder Höhe der Abstandhalter entspricht. Experimentell wurde bestätigt, daß die Flüssigkristallschicht über die ganze Zelle in einer Dicke von 1,2 µm gehalten wurde, wenn die Dicke eines Abstandhalters auf 1,2 µm festgelegt und die nachfolgend beschriebene Flüssigkristallzusammensetzung in der vorstehend beschriebenen Weise in einer Zelle eingeschlossen wurde. Ein dünnes Glasplattensubstrat bildet einen ausgezeichneten Kontakt und kann nach Wunsch eine Dicke von 20 bis 30 µm, am besten 30 bis 100 µm, besitzen.

Bei einer auf die vorstehend beschriebene Weise erzeugten Matrix-Flüssigkristallzelle gibt es Bereiche zwischen Bildpunkten, in denen sich keine Elektroden gegenüberliegen. Dies sind gemäß Fig. 4 Bereiche 15, die Abständen in elektrodenfreien Bereichen des Substrats entsprechen. Andererseits sind beim Substrat mit Abstandhaltern die Abstandhalter zwischen den Elektroden angeordnet, so daß keine Flüssigkristallschicht zwischen den Elektroden ausgebildet wird.

Bei diesem Beispiel wurde eine Zweikomponenten-Flüssigkristallzusammensetzung gewählt, die zwei Verbindungen entsprechend den folgenden Formeln enthält:

(C* in den Formeln bezeichnet ein asymmetrisches Kohlenstoffatom).

Die vorstehenden Verbindungen und wurden in einem Verhältnis von 4 : 1 gemischt und in der Zelle eingeschlossen. Nach Einschluß des Flüssigkristalls wurde die Zelle erwärmt, um eine isotrope Phase zu erhalten und dann allmählich mit einer Rate von 0,5 K/h auf einen Temperaturbereich abgekühlt, in dem eine chiralsmektische C (SmC*) Phase vorliegt. Wenn diese Zelle zwischen ein Paar von in rechtwinkliger nicolscher Überkreuzung angeordneten Polarisatoren gebracht wurde, wurde beobachtet, daß sich eine Monodomäne gleichmäßig über die Zelle ausgebildet hatte. Es war möglich, zwischen hellen und dunklen Zuständen an entsprechenden Bildpunkten durch Anlegen geeigneter Spannungsimpulse an die transparenten Elektroden, die entsprechend auf dem oberen und unteren Substrat ausgebildet waren, zu schalten. In Bereichen ohne sich gegenüberliegende Elektroden jedoch, war es unmöglich, die hellen und dunklen Zustände der Flüssigkristallphase zu steuern, die anfängliche Orientierungszustände aufrecht erhielt, wobei die hellen und dunklen Zustände in einem Verhältnis von nahezu 1 : 1 zueinander standen, so daß eine Hell-Dunkel-Ungleichmäßigkeit über die gesamte Bildfläche entstand. Demzufolge ist es erforderlich, die anfängliche Orientierung in den vorstehend erwähnten elektrodenfreien Bereichen zu steuern, um der Hell- Dunkel-Ungleichmäßigkeit entgegenzuwirken. Zu diesem Zweck wird in diesen Bereichen die Flüssigkristallorientierung durch Bestrahlung eines Substrats mit einem Ionenstrahl oder Koronaladungen gesteuert, um ein elektrisches Feld in den elektrodenfreien Bereichen des Flüssigkristalls zu erzeugen.

Fig. 1 gibt eine schematische Ansicht der Anordnung eines Beispiels einer für diesen Zweck angepaßten Vorrichtung wieder, mit der die Orientierungssteuerung bewirkt wird. Gemäß Fig. 1 kann ein Koronaentlader 21 mit einer Länge gleich oder größer als die Zellausdehnung (Ausdehnung in Richtung Zeichnungstiefe) zum Bewirken einer Koronaentladung auf einem als Ladungsempfänger wirkenden Substrat 16 aus Glas, Plastikfilm usw. verwendet werden, um das Substrat 16 mit negativer Ladung zu versehen. Im einzelnen wird zum Aufbringen von Koronaentladungen auf das Substrat 16 eine Gleichspannung zwischen dem Koronaentlader 21 und einer Gegenelektrode 23, die hinter dem Glassubstrat angeordnet ist, für die Koronaentladung angelegt. Alternativ kann die auf dem Substrat 11 angeordnete transparente Elektrode 12 als Gegenelektrode für die Koronaentladung verwendet werden. Auf diese Weise wird ein elektrisches Feld, das die Schwelle des ferroelektrischen Flüssigkristalls übersteigt, zwischen dem oberen und unteren Substrat durch die negativen und positiven Ladungen erzeugt, so daß die Ausrichtung des Flüssigkristalls einheitlich wird. Nachdem die vorstehende Behandlung durch Bewegen des Koronaentladers 21 über die gesamte Fläche des Flüssigkristalls durchgeführt worden war, wurde durch Beobachtung des Flüssigkristalls durch eine Anordnung mit rechtwinkliger nicolscher Überkreuzung bestätigt, daß der Flüssigkristall über die ganze Fläche der Flüssigkristallzelle einschließlich des elektrodenfreien Bereiches gleichförmig ausgerichtet war. Auch die Bildpunkte können auf vorgeschriebene Weise angesteuert werden, so daß Bilder ohne Hell-Dunkel-Ungleichmäßigkeit entstehen.

In Abwandlung kann zum Aufbringen von Ladungen ein Verfahren angewandt werden, bei dem das Substrat 16 Ionen aus einem Ionengenerator ausgesetzt wird, wie zum Beispiel in der JP-OS 1 44 721/1985 (US-Patentanmeldung Aktenzeichen 6 83 862) beschrieben.

Nun wird zur Vervollständigung das Arbeitsprinzip eines ferroelektrischen Flüssigkristalls beschrieben.

In Fig. 5 ist schematisch ein Beispiel einer ferroelektrischen Flüssigkristallzelle gezeigt, um deren Arbeitsweise zu erläutern. Die Bezugszeichen 1 a und 1 b bezeichnen Substrate (Glasplatten), auf denen jeweils eine transparente Elektrode, zum Beispiel aus In₂, O₃, SnO₂, ITO (Indiumzinnoxid) usw. aufgebracht ist. Dazwischen ist ein Flüssigkristall mit chiralsmektischer Phase, wie zum Beispiel SmC* oder SmH*, in der Flüssigkristall-Molekülschichten 2 senkrecht zu den Oberflächen der Glasplatten ausgerichtet sind, hermetisch eingebracht. Jedes durch eine dicke Linie veranschaulichte Flüssigkristallmolekül 3 hat ein Dipolmoment (P ⟂) 4 in einer Richtung senkrecht zu dessen Achse. Wenn eine Spannung oberhalb eines gewissen Schwellenwerts zwischen den auf den Substratplatten 1 a und 1 b aufgebrachten Elektroden angelegt wird, wird eine helische beziehungsweise helixförmige Struktur des Flüssigkristallmoleküls 3 aufgedreht oder gelockert, so daß sich die Orientierungsrichtung der entsprechenden Flüssigkristallmoleküle 3 ändert und die Dipolmomente (P ⟂) 4 alle in Richtung des elektrischen Feldes ausgerichtet werden. Die Flüssigkristallmoleküle 3 haben eine längliche Form und zeigen Brechungsanisotropie zwischen deren langer und kurzer Achse. Demzufolge ist leicht zu verstehen, daß dann, wenn zum Beispiel in gekreuzter nicolscher Beziehung angeordnete, das heißt mit zueinander gekreuzten Polarisationsrichtungen angeordnete Polarisatoren auf der oberen und der unteren Oberfläche der Glasplatten angebracht sind, die so aufgebaute Flüssigkristallzelle als optisches Flüssigkristall-Modulationsgerät wirkt, deren optische Eigenschaften sich in Abhängigkeit von der Polarität einer angelegten Spannung ändern. Weiterhin wird dann, wenn die Dicke der Flüssigkristallzelle genügend dünn ausgelegt wird (zum Beispiel weniger als 10 µm), die helische Struktur der Flüssigkristallmoleküle entwunden oder gelockert, so daß sich eine nichthelische Struktur auch bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes ergibt, wodurch das Dipolmoment einen von zwei Zuständen annimmt, das heißt Pa in einer Aufwärtsrichtung 4 a oder Pb in einer Abwärtsrichtung 4 b, wie in Fig. 6 gezeigt. Wenn elektrische Felder Ea oder Eb, die höher als ein gewisser Schwellenwert und in der Polarität zueinander unterschiedlich sind, wie in Fig. 6 gezeigt, an eine Zelle mit den vorstehend genannten Eigenschaften angelegt wird, richtet sich das Dipolmoment in Abhängigkeit von dem elektrischen Feldvektor Ea oder Eb entweder in die Aufwärtsrichtung 4 a oder in die Abwärtsrichtung 4 b. Im Einklang damit werden die Flüssigkristallmoleküle entweder in einen ersten stabilen Zustand 3 a oder einen zweiten stabilen Zustand 3 b ausgerichtet.

Vorteile, die sich aus der Anwendung einer solchen ferroelektrischen Flüssigkristallvorrichtung als optisches Modulationsgerät ergeben, sind die recht hohe Antwortgeschwindigkeit und die Bistabilität der Orientierung des Flüssigkristalls. Im einzelnen werden, wie in Fig. 6 gezeigt, die Flüssigkristallmoleküle in den ersten stabilen Zustand 4 a ausgerichtet, wenn das elektrische Feld Ea auf diese einwirkt. Dieser Zustand wird stabil aufrechterhalten, selbst wenn das elektrische Feld beseitigt wird. Andererseits werden die Flüssigkristallmoleküle in den zweiten stabilen Zustand 4 b ausgerichtet, wenn das elektrische Feld Eb, dessen Richtung entgegengesetzt zu derjenigen des elektrischen Felds Ea ist, auf diese einwirkt. Dieser Orientierungszustand wird in ähnlicher Weise selbst dann aufrechterhalten, wenn das elektrische Feld beseitigt ist. Ferner werden die Flüssigkristallmoleküle so lange in die entsprechenden Ausrichtungszustände versetzt, wie die Stärke des elektrischen Feldes Ea oder Eb einen gewissen Schwellenwert nicht übersteigt. Um wirkungsvoll eine hohe Antwortgeschwindigkeit und Bistabilität zu erreichen, ist es vorteilhaft, daß die Zelle möglichst dünn ist.

Wie vorstehend beschrieben, wird es gemäß der Erfindung möglich, die Ausrichtung eines ferroelektrischen Flüssigkristalls in den elektrodenfreien Bereichen in einer ferroelektrischen Flüssigkristallzelle zu steuern, so daß sich eine Flüssigkristallzelle mit ausgezeichneten Eigenschaften ergibt, die als Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung hoher Qualität ohne Hell-Dunkel-Ungleichmäßigkeit oder als optischer Verschluß mit guten Ansteuereigenschaften ohne Lichtverlust eingesetzt werden kann.

Claims (6)

1. Flüssigkristallvorrichtung in Form einer Matrixzellanordnung, mit einem Paar von Substraten mit sich einander überkreuzenden Abtast- bzw. Signalelektroden und einem zwischen den Abtast- und Signalelektroden angeordneten ferroelektrischen Flüssigkristall und mit einer Schichtdicke, die genügend dünn ist, die Helixstruktur aufzulösen, wodurch zumindest zwei stabile Orientierungszustände in Abwesenheit eines elektrischen Feldes erzeugt werden, wobei jede Überkreuzung der Abtast- und Signalelektroden einen Bildpunkt festlegt und ein erstes Signal und ein zweites Signal selektiv so an die Bildpunkte angelegt werden, daß der ferroelektrische Flüssigkristall an jedem Bildpunkt zwischen dem ersten Orientierungszustand und dem zweiten Orientierungszustand umgeschaltet wird, in dem das erste Signal ein erstes elektrisches Feld zur Ausrichtung des ferroelektrischen Flüssigkristalls in den ersten Orientierungszustand und das zweite Signal eine zweites, der Richtung des ersten elektrischen Feldes entgegengesetztes elektrisches Feld zur Ausrichtung des ferroelektrischen Flüssigkristalls in den zweiten Orientierungszustand erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall in Bereichen (15) außerhalb der Überkreuzungen der Elektroden (12, 23) in Abwesenheit eines steuernden elektrisches Feldes in einen der zumindest zwei stabilen Orientierungszustände durch ein elektrisches Feld ausgerichtet ist, das zuvor an die Bereiche außerhalb der Überkreuzungen der Elektroden angelegt war.

2. Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferroelektrische Flüssigkristall ein chiral-smektischer Flüssigkristall ist.

3. Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der chiral-smektische Flüssigkristall ein chiral-smektischer C- oder H-Flüssigkristall ist.

4. Flüssigkristallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zuvor an die Bereiche (15) außerhalb der Überkreuzungen der Elektroden (12, 23) angelegte elektrische Feld von auf zumindest einem der Substrate aufgebrachten elektrischen Ladungen erzeugt wird.

5. Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ladungen durch eine Koronaentladung erzeugt sind.

6. Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ladungen durch Ionenbestrahlung erzeugt sind.