DE69705942T2 - Flüssigkristall-anzeigeelement - Google Patents

Description

• Diese Anmeldung betrifft ein Flüssigkristallelement und insbesondere ein Flüssigkristallelement, das zur Verwendung in Anwendungen einer Flüssigkristallanzeige geeignet ist.
• Umschalter des Standes der Technik, die cholesterische Spiegel verwenden, sind z. B. von Conference Proceedings of the 13th International Display Research Conference, Strasbourg, 31. August-3. September 1993, S. 317-320 aus dem Artikel mit dem Titel "Application of cholesteric mirrors in the study of electrooptic effects in liquid crystals" von Kerllenevich und Coche bekannt. Dieser Artikel beschreibt schnelle Umschalter zur Verwendung beim Modulieren von Laserlichtstrahlen (und somit von monochromen Lichtstrahlen). Die Umschalter besitzen zwischen den cholesterischen Spiegeln entweder gewundene oder "homogene" nematische Flüssigkristallzellen. Der erste cholesterische Spiegel oder das erste cholesterische Filter läßt lediglich Licht mit einer zirkularen Polarisation durch. Die Flüssigkristallzelle wird zwischen einem neutralen Zustand und einem Halbwellenzustand umgeschaltet, wobei der erstere keinen relevanten Effekt aufweist und der letztere die Drehrichtung des Lichts umkehrt. Der zweite cholesterische Spiegel blockiert in Abhängigkeit von seiner Richtung der zirkularen Polarisation, d. h. rechts- oder linksdrehend, das zirkular polarisierte Licht (oder läßt es passieren).
• Bei homogenen Flüssigkristallen weisen die Kurven der Intensität gegenüber der Spannung mehrere Spitzen auf und müssen sowohl bei Spannungen Strahlungsdurchlaß-aus als auch bei Spannungen Strahlungsdurchlaß-ein verwendet werden, die von null Volt verschieden sind. Dies erschwert die Verwendung der Zellen in Anwendungen von multiplexierten Flüssigkristallanzeigen, bei denen die Spannung nicht auf exakten Pegeln gehalten werden kann. Weitere Beispiele beziehen sich auf gewundene oder stark gewundene nematische Zellen zwischen cholesterischen Spiegeln, die viel bessere Spannungscharakteristiken aufweisen.
• Gemäß der Erfindung wird ein Anzeigeelement geschaffen, das im Anspruch 1 definiert ist.
• Das Filter, das lediglich Licht mit einer Drehrichtung durchläßt, ist vorteilhaft ein cholesterischer Spiegel. Das Anzeigeelement umfaßt außerdem vorteilhaft einen weiteren cholesterischen Spiegel, um das zirkular polarisierte Aktivierungslicht von einer willkürlich polarisierten Quelle zu schaffen. Das erfindungsgemäße Anzeigeelement kann somit die Verwendung von linearen Polarisationseinrichtungen, die mit Standard-Flüssigkristallzellen verbunden ist, vermeiden und ist deswegen besonders vorteilhaft zur Verwendung bei einfallendem ultravioletten Licht, da ultraviolette Polarisationseinrichtungen geringe Durchgangskoeffizienten aufweisen
• Die cholesterischen Spiegel besitzen bevorzugt entgegengesetzte Drehrichtungen. Dies bedeutet, daß der Zustand, in dem die Polarisation nicht geändert wird, der normalerweise durch das Anlegen einer Spannung erreicht wird, der dunkle Zustand ist. Dies hat wiederum einen höheren Kontrast gegenüber den cholesterischen Spiegeln mit gleicher Drehrichtung zur Folge, da im umgeschalteten Zustand kleine Fehler der Zellendicke oder anderer Parameter nicht den unerwünschten Durchgang von Licht zur Folge hat, wobei die Zelle dann, wenn sie nicht umgeschaltet ist, trotzdem den größten Anteil des Lichts durchläßt.
• Die cholesterischen Spiegel können jedoch für Anwendungen, die eine große Helligkeit erfordern und für die der Kontrast weniger wichtig ist, die gleiche Drehrichtung aufweisen. Diese Version besitzt den Vorteil, daß lediglich ein Typ des cholesterischen Spiegels hergestellt werden muß. Die optisch aktive Natur der Flüssigkristalle in den cholesterischen Spiegeln kann, wie dies gegenwärtig der Fall ist, zur Folge haben, daß es schwieriger und somit teurer ist, eine Drehrichtung des cholesterischen Spiegels herzustellen. Außerdem kann der erhöhte Durchgang im Ein-Zustand, der sich in diesem Fall 100% nähert, sehr vorteilhaft sein.
• Bei den meisten Anwendungen, wie etwa dann, wenn cholesterische Filter verwendet werden, ist das Anzeigeelement so beschaffen, daß es bei einfallendem Licht einer vorgegebenen Wellenlänge arbeitet. Das Licht kann UV- Licht, insbesondere UVA-Licht, oder sichtbares Licht sein.
• Ein Photoluminiszenzschirm wandelt das bei einer vorgegebenen Wellenlänge einfallende Licht in die gewünschte Frequenz oder in die gewünschten Frequenzen des sichtbaren Lichts und kann zu diesem Zweck einen Leuchtstoff enthalten. Für eine Farbanzeige kann der Schirm Leuchtstoffe mit verschiedenen Farben aufweisen, normalerweise rot, grün und blau, um das Bild aufzubauen. Da einige der Komponenten lediglich bei einer vorgegebenen Wellenlänge des Lichts arbeiten oder damit am besten arbeiten, ermöglicht diese Erfindung, daß bei farbigen Anzeigen Techniken verwendet werden, von denen früher angenommen wurde, daß sie unmöglich sind.
• Flüssigkristallanzeigen, die UV-Licht und Strahler verwenden, sind beispielsweise aus WO95/27920 (Crossland u. a.) bekannt. Bei diesen Anzeigen wurde ultraviolettes Licht (UV-Licht) in einem schmalen Band unter Verwendung einer Standard-Flüssigkristallzelle moduliert und fiel dann auf einen Leuchtstoff, der sichtbares Licht emittiert. Anordnungen aus Zellen und Leuchtstoffen wurden verwendet, um die Anzeige aufzubauen. Dieses Prinzip wird ebenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendet.
• Die Flüssigkristallzellen im Modulator der Erfindung weisen vorzugsweise zwei durchlässige Platten auf, wobei jede Platte mit einer Elektrode versehen ist, die das Flüssigkristall sandwichartig umgeben. Die Flüssigkristallzelle ist vorzugsweise nematisch. Dies ergibt den Vorteil einer breiten Auswahl von Werkstoffen und der Einfachheit der Ausrichtung im Vergleich zu einer Vorrichtung, die beispielsweise einen cholesterischen Flüssigkristall verwendet.
• Im nicht umgeschalteten Zustand liegen die Moleküle des nematischen Flüssigkristalls ungefähr parallel zu den Platten, wobei sie in einer vorgegebenen Richtung ausgerichtet sind. Die Umkehrung der zirkularen Polarisation erfolgt wegen der Doppelbrechung des Flüssigkristalls. Der effektive Brechungsindex für Licht mit einer linearen Polarisation parallel zur Ausrichtung unterscheidet sich vom effektiven Brechungsindex für Licht mit einer linearen Polarisation in der Ebene der Zelle und senkrecht zur Ausrichtung. Die Zelle ist vorgesehen, als eine Halbwellenplatte zu wirken, was bedeutet, daß Licht mit einer linearen Polarisation nach dem Durchqueren der Zelle eine Phasenverschiebung von einem halben Zyklus in bezug auf Licht mit der senkrechten linearen Polarisation erhält, wodurch die Drehrichtung der zirkularen Polarisation des Lichts umgekehrt wird.
• Um den Halbwelleneffekt zu erhalten, sollte die Flüssigkristallzelle eine Dicke d haben, die die folgende Gleichung näherungsweise erfüllt
• Δn · d = (i+ 1/2)λ (1)
• in der i null oder eine positive ganze Zahl ist, Δn die Doppelbrechung des Flüssigkristalls in der Zelle ist und 2. die vorgegebene Wellenlänge ist. Die exakte Dicke ist für jeden Typ der Zelle und für den gewählten Flüssigkristall am besten experimentell zu bestimmen. Die Wahl unterschiedlicher Werte für i ergibt den Vorteil, daß eine gewisse Variation der Dicke möglich ist.
• Andererseits richtet im umgeschalteten Zustand das Anlegen einer Spannung den Flüssigkristall im "homöotropen" Zustand aus, bei dem die Moleküle im allgemeinen senkrecht zu den Platten liegen. Es gibt keine wahrnehmbare Doppelbrechung und jede Ausrichtung von linear polarisiertem Licht wird durch die Zelle in gleicher Weise beeinflußt. Die Drehrichtung von zirkular polarisiertem Licht, das durch die Zelle geht, wird deswegen nicht geändert.
• Der Flüssigkristall in der Zelle kann parallel eben ausgerichtet sein. In dieser Anordnung wird veranlaßt, daß in der gesamten Dicke alle Moleküle in der selben Richtung liegen, indem ein geeignetes Ausrichtungsmittel an der Flüssigkristallseite der durchlässigen Tafeln vorgesehen ist. Das Ausrichtungsmittel kann beispielsweise eine geschliffene Polymerschicht, ein polarisiertes UV-behandeltes Polymer, Oxide oder Fluoride, die auf die durchlässige Tafel bei einem Glanzeinfallswinkel aufgedampft sind, oder Mikrorillen sein.
• Alternativ kann eine gewundene nematische Anzeige verwendet werden. Diese unterscheidet sich von der parallel eben ausgerichteten Zelle darin, daß die Orientierungsrichtungen auf den beiden Platten senkrecht sind und die Moleküle in einer Helix angeordnet sind. Normal gewundene nematische Anzeigen basieren auf der Rotation der linearen Polarisation von Licht. Im erfindungsgemäßen Anzeigeelement ist der wichtige Faktor die Änderung der Polarität von zirkular polarisiertem Licht, die in der obenbeschriebenen Weise erfolgt, mit Ausnahme des zusätzlichen Effekts der Drehung der Ebene der linearen Polarisation. Da keine Polarisatoren verwendet werden, ist dieser Effekt ohne Auswirkungen. Gewundene nematische Zellen besitzen jedoch ein schärferes charakteristisches Verhalten in bezug auf die angelegte Spannung, wodurch es einfacher wird, sie zu multiplexieren.
• In gleicher Weise kann ein stark gewundener nematischer Flüssigkristall verwendet werden. Hier besteht der Unterschied darin, daß sich der Flüssigkristall im nicht umgeschalteten Zustand zwischen den Platten um mehr als 90º, gewöhnlich zwischen einem Halbkreis und einem Vollkreis, dreht. Der Hauptfaktor ist wiederum die Doppelbrechung.
• Eine weitere Zellenart, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist die π-Zelle mit Halbwellen-Verzögerungseinrichtung, die im Dokument "New LC/CRT field sequential color display" von Vatne u. a. beschrieben wurde, das in Proceedings of the SID, Bd. 25/I, 1984, S. 31-34 veröffentlicht wurde. In dieser Zelle ist die Ausrichtungsrichtung an den oberen und unteren Platten dieselbe, was eine Zelle zur Folge hat, die sehr schnell umschalten kann. Die Zelle arbeitet wiederum als eine Halbwellenzelle.
• Die Erfindung umfaßt außerdem, wie obenstehend beschrieben wurde, eine Flüssigkristallanzeige mit einem Kollimator und einem Anzeigeelement. Die Flüssigkristallanzeige enthält weiter eine Quelle monochromen Lichts, die Licht in einem schmalen Band um eine vorgegebene Wellenlänge emittiert.
• Diese Anordnung ermöglicht die praktische Verwendung der Halbwellenplatten. Die Halbwellenplatten arbeiten am besten mit parallel ausgerichtetem Licht, da die Weglänge in der Zelle für Licht mit einer gerichteten Dispersion nicht konstant sein wird. Dies würde bei Verwendung in einem herkömmlichen LC-Aufbau einen übermäßig kleinen Sichtwinkel zur Folge haben, ein Problem, das durch die Leuchtstoffe der vorliegenden Erfindung gelöst wird. Überdies arbeiten cholesterische Spiegel lediglich bei einer vorgegebenen Wellenlänge und diese kann für eine Farbanzeige unter Verwendung der Erfindung praktisch in Licht mehrerer Frequenzen umgewandelt werden.
• Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Figur beschrieben.
• Ein UV-Lichtquelle 1, wie etwa eine Quecksilberdampflampe, die näherungsweise eine Punktquelle darstellt, ist vorgesehen und emittiert Licht in einem schmalen Band um eine Wellenlänge von 365 nm. Dieses Licht fällt auf eine Linse 3, die parallel ausgerichtetes licht erzeugt. Alternativ kann eine diffuse Quelle mit einem Kollimator verwendet werden, wie etwa eine Quelle von denen, die z. B. in der obenerwähnten Anmeldung WO95/27920 beschrieben wurden.
• Das parallel ausgerichtete Licht fällt dann auf den ersten cholesterischen Spiegel 5, der ein rechtsdrehender cholesterischer Spiegel ist, und eine Schicht aus einer Mischung einer nematischen und einer optisch aktiven Substanz in ebener Ausrichtung zwischen zwei Glasplatten enthält. Der Spiegel ist geeignet gewählt, damit er mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts, d. h. 365 nm, übereinstimmt. Dieser rechtsdrehende Spiegel läßt lediglich linksdrehendes zirkular polarisiertes Licht durch und reflektiert das rechtsdrehende zirkular polarisierte Licht.
• Bei einer Verfeinerung dieser Anordnung kann im Weg dieses reflektierten Lichts ein Spiegel vorgesehen sein. Die Position des Spiegels kann so eingerichtet sein, damit das Licht auf den ersten cholesterischen Spiegel zurückreflektiert wird. Da der Spiegel die Drehrichtung der zirkularen Polarisation umkehrt, geht das zweimal reflektierte Licht durch den cholesterischen Spiegel. Diese Anordnung erhöht die effektive Helligkeit der Quelle.
• Das nunmehr linksdrehend polarisierte Licht fällt anschließend auf die Flüssigkristallzelle 7. Die Flüssigkristallzelle ist eine eben ausgerichtete Flüssigkristallzelle mit durchlässigen Tafeln 21, die auf jeweils einer Oberfläche durchlässige Elektroden 23 aufweisen. Es sind Ausrichtungsschichten 25 vorgesehen, die auf den Tafeln und Elektroden angeordnet sind. Die Ausrichtungsschichten sind aus einem geeignetem Polymer hergestellt, das in der selben vorgegebenen Richtung geschliffen ist, um die Schichten auszurichten. Ein nematischer Flüssigkristall 27 ist sandwichartig zwischen den durchlässigen Schichten 21 und ihren Ausrichtungsschichten 25 angeordnet. Die Dicke der Flüssigkristallschicht beträgt etwa 5,5 um, wodurch die obige Gleichung (1) bei i = 1, bei einem typischen Wert der Doppelbrechung Δn = 0,1 und bei der Wellenlänge λ = 365 nm erfüllt ist.
• Licht, das durch den Flüssigkristall geht, wird anschließend durch einen zweiten cholesterischen Spiegel 9 analysiert, der in diesem Fall linksdrehend ist, so daß lediglich rechtsdrehend polarisiertes Licht durchgeht.
• Wenn keine Spannung über die Flüssigkristallzelle 7 mit Hilfe der Elektroden 23 angelegt ist, ist der Flüssigkristall durch die Ausrichtungsschichten ausgerichtet. In diesem Zustand weist der Flüssigkristall eine Doppelbrechung auf, d. h. Licht mit der Polarisation parallel und senkrecht zur Flüssigkristallausrichtung trifft auf unterschiedliche Brechungsindizes. Die Dicke der Zelle wurde so gewählt, daß bei i = 1 in der obigen Gleichung in diesem Beispiel Licht, das parallel zur Ausrichtung des Flüssigkristalls ausgerichtet ist, um das 1,5-fache eines vollen Zyklus in bezug auf das Licht, das senkrecht zu dieser Ausrichtung ausgerichtet ist, phasenverschoben ist, d. h., es ist im Vorzeichen umgekehrt. Diese Umkehrung hat eine Umkehrung der Richtung der zirkularen Polarisation von linksdrehend polarisiertem Licht, das vom ersten cholesterischen Spiegel 5 durchgelassen wird, zu rechtsdrehend polarisiertem Licht, das aus der Flüssigkristallzelle 7 austritt, zur Folge.
• Dieses rechtsdrehend polarisierte Licht wird anschließend vom zweiten cholesterischen Spiegel 9 durchgelassen und fällt auf einen Photoluminiszenzschirm, der ein Glassubstrat 11 enthält, das in einen Leuchtstoff 12, z. B. dotiertes Zinksulfid, eingebettet ist, der sichtbares Licht emittiert, wenn auf ihn UV-Licht auftrifft. Der Schirm emittiert deswegen sichtbares Licht.
• Wenn mit Hilfe der Elektroden 23 über der Flüssigkristallzelle eine Spannung angelegt wird, wird der Flüssigkristall homöotrop, so daß das linksdrehend polarisierte Licht, das vom ersten cholesterischen Spiegel 5 auftritt, keine Umkehrung erfährt und linksdrehend polarisiert bleibt. Dieses Licht wird durch den zweiten cholesterischen Spiegel 9 reflektiert, deswegen erreicht kein Lieht den Schirm 11, der somit kein sichtbares Licht emittiert.
• Es können große Anordnungen dieser Zellen aufgebaut werden, wie in WO95/27920 beschrieben ist. Für die meisten Anwendungen können die Lichtquelle und der Kollimator gemeinsam genutzt werden, obwohl es im Prinzip möglich ist, für jedes Pixel eine separate Quelle und einen separaten Kollimator zu haben.
• Die vorteilhafte Kurve Spannung-Durchgang der Zelle, die obenstehend beschrieben wurde, ermöglicht es, viele Zellen zu multiplexieren. Bei dieser Lösung werden einzelne Transistoren am Rand einer Zeile von Zellen verwendet, um ausgewählte Zellen in der Zeile anzusteuern, wie dies in Flüssigkristallanzeigen üblich ist.

Claims (10)

1. Anzeigeelement mit: einer Lichtquelle (1) zum Liefern von Aktivierungslicht in einem schmalen Band um eine vorgegebene Wellenlänge, einem Modulator für zirkular polarisiertes Aktivierungslicht, einer Flüssigkristallzelle (7), die zwischen zwei Zuständen umgeschaltet werden kann, wobei sie in einem der Zustände die Drehrichtung des von der Quelle einfallenden zirkular polarisierten Lichts umkehrt und in dem anderen Zustand die Drehrichtung nicht beeinflußt, einem Filter (9) zum Durchlassen lediglich des Teils des Lichts von der Flüssigkristallzelle (7), das eine vorgegebene Drehrichtung aufweist, und einem Schirm (11, 12), der sichtbares Licht emittiert, wenn das Aktivierungslicht, das vom Filter durchgelassen wird, auf ihn auftrifft.

2. Anzeigeelement nach Anspruch 1, das ferner auf der Eingangsseite der Flüssigkristallzelle (7) ein zweites Filter (5) enthält, um lediglich eine vorgegebene Drehrichtung des Eingangslichts zur Zelle durchzulassen.

3. Anzeigeelement nach Anspruch 2, bei dem die Filter (5, 9) cholesterische Spiegel sind.

4. Anzeigeelement nach Anspruch 3, bei dem die cholesterischen Spiegel entgegengesetzte Drehrichtungen aufweisen.

5. Anzeigeelement nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Flüssigkristall (27) nematisch ist.

6. Anzeigeelement nach Anspruch 5, bei dem die Flüssigkristallzelle einen Drehungswinkel aufweist, der vorzugsweise zwischen 90º und 270º liegt.

7. Anzeigeelement nach Anspruch 5, bei dem der Flüssigkristall vom parallel eben ausgerichteten Typ ist.

8. Anzeigeelement nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Lichtquelle UV-Licht emittiert.

9. Anzeigeelement nach Anspruch 8, bei dem der Schirm Leuchtstoffe (12) enthält, die auf das UV-Licht reagieren.

10. Anzeigeelement nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Lichtquelle außerdem ein Mittel (3) zum parallelen Ausrichten des Lichts auf die Flüssigkristallzelle enthält.