NL9301408A - Verlaging van de aanstuurspanning van de donker-toestand van vloeibaar-kristal weergeefinrichtingen met Pi-Cel konfiguratie middels retardatie kompensatie. - Google Patents

Description

Verlaging van de Aanstuurspanning van de Donker-Toestand van Vloeibaar-Kristal Weergeefinrichtingen met Pi-Cel Konfiguratie middels Retardatie Kompensatie.

De uitvinding heeft betrekking op een weergeefinrichting waarbij gebruik wordt gemaakt van elektro-optische effecten die optreden in zogenaamde Pi-Cel Vloeibaar Kristal Konf iguraties.

De Pi-Cel Konfiguratie is recentelijk geïntroduceerd als elektro-optisch Vloeibaar Kristal effect voor toepassingen waarbij grote kijkhoeken noodzakelijk zijn bij alle grijsniveau*s (intermediaire transmissie-niveau’s tussen de Donker-Toestand en de Helder-Toestand).

Zie: 1. de konferentie-bijdrage van P.Bos en J.Rahman aan: SID International Symposium, Seattle, Washington,

Mei 18-20, 1993.

(SID Digest of Technical Papers, Volume XXIV, p.273-276) 2. de konferentie-bijdrage van Y.Yamaguchi, T.Miyashita en T.Uchida aan hetzelfde SID International Symposium.

(SID Digest of Technical Papers, Volume XXIV, p.277-280) In de bovengenoemde bijdrage van P.Bos en J.Rahman wordt onder meer verklaard waarom de Pi-Cel Vloeibaar Kristal Konfiguratie geschikt is voor toepassingen als boven aangeduid. Een en ander hangt samen met de bijzondere Vloeibaar Kristal Konfiguratie (Pi-Cel) waarbij ‘reversed* pretilt oriëntatie gebruikt wordt aan de Cel-oppervlakken.

De resulterende Pi-Cel Vloeibaar Kristal Konfiguratie vertoont optisch *selfcompensating’ gedrag waarbij minder variatie optreedt in de effectieve dubbelbreking als functie van de kijkhoek in vergelijking met conventionele electro-optische dubbelbrekende Vloeibaar Kristal effecten met Vloeibaar Kristal director konfiguraties met parallelle pretilt oriëntatie aan de Cel-oppervlakken.

De genoemde geringere variatie in de effectieve dubbelbreking resulteert in een grotere en meer symmetrische kijkhoek. Wanneer de Pi-Cel gebruikt wordt in kombinatie met een optische kompensator welke een negatieve waarde heeft voor de dubbelbreking (ofwel, retardatie) en welke zodanig gepositioneerd is ten opzichte van de Pi-Cel dat de optische as van de kompensator loodrecht geplaatst is ten opzichte van de Pi-Cel oppervlakken, dan blijkt de kijkhoek-afhankelijkheid van het electro-optisch effect nog meer, en zelfs in aanzienlijke mate verbeterd te worden.

Wordt de Pi-Cel, al of niet in kombinatie met de negatieve retardatie kompensator, geplaatst tussen twee gekruiste polarisatoren die (beide) een hoek van 45 graden maken met de projektie van de Vloeibaar Kristal direktor op de Cel-oppervlakken, dan kan, bij geschikte keuze van de retardatie van de Vloeibaar Kristal Cel (t.w., produkt-waarde van Vloeibaar Kristal laagdikte d — ofwel, Celdikte d — en Vloeibaar Kristal materiaal dubbelbreking-waarde dn), het electro-optisch Vloeibaar Kristal effect geschakeld worden van een Helder-Toestand met hoge transmissie bij lage spanning naar een Donker-Toestand met lage transmissie bij hoge spanning. De transmissie van de Donker-Toestand wordt lager naarmate de aangelegde spanning over de Vloeibaar Kristal konfiguratie hoger is. In principe kunnen aldus zeer hoge kontrasten gerealiseerd worden (kontrast gedefinieerd als de verhouding van de Helder-Toestand transmissie en de Donker-Toestand transmissie).

De noodzakelijke spanningen voor de Donker-Toestand zijn evenwel relatief hoog (P.Bos en J.Rahman noemen in de reeds genoemde konferentie-bijdrage spanningswaarden van enkele tientallen Volts).

Deze hoge spanningen bemoeilijken het gebruik van de Pi-Cel konfiguratie in Vloeibaar Kristal weergeefinrichtingen die opgebouwd zijn als een matrix van beeldelementen waarbij aktieve elektronische schakelaars (zoals bijvoorbeeld, dunne-film-transistors) per beeldelement worden toegepast, gelet op de maximaal beschikbare spanningen in dergelijke zogenaamde Aktief Matrix aangestuurde weergeefinrichtingen.

De Aktief Matrix aangestuurde weergeefinrichtingen maken veelal gebruik van het Gedraaid-Nematisch Vloeibaar Kristal electro-optisch effect. Voor ’bi-level’ toepassingen (t.w., enkel schakelen tussen Helder en Donker) heeft het Gedraaid-Nematisch effect een relatief grote kijkhoek, maar voor grijsniveau*s zoals bijvoorbeeld in video-toepassingen heeft dit effect een vrij beperkte kijkhoek.

De uitvinding stelt zich ten doel een verlaging te realiseren van de spanning die aangelegd dient te worden over een Pi-Cel konfiguratie om de Donker-Toestand te bereiken met transmissie gelijk (of, praktisch gelijk) aan nul, en wel zodanig dat het Pi-Cel Vloeibaar Kristal effect ook gebruikt kan worden in Aktief Matrix aangestuurde weergeefinrichtingen.

De uitvinding berust op het inzicht dat voor een zekere spanning over de Pi-Cel konfiguratie de optredende transmissie geminimaliseerd (c.q. tot nul gebracht) kan worden middels retardatie kompensatie waarbij een (of meerdere) retardatie folies met positieve retardatie en met de optische as(sen) parallel aan de Cel-oppervlakken en loodrecht op de richting van de Vloeibaar Kristal direktor-projektie op de Cel-oppervlakken geplaatst worden. De (totale) retardatie van de retardatie folies dient gelijk te zijn aan de zogenaamde rest-retardatie van de Vloeibaar Kristal laag die verantwoordelijk is voor de lage rest-transmissie.

Uiteraard dient (dienen) het kompensatie folie (de kompensatie folies) geplaatst te worden tussen polarizator en Pi-Cel.

Uit symmetrie overwegingen is een positionering van retardatie folies, met gelijke retardatie waarde, aan weerszijden van de Pi-Cel aan te bevelen.

In plaats van retardatie folies kunnen ook Vloeibaar Kristal

Cellen als kompenserend medium gebruikt worden. Retardatie folies zijn vanuit praktisch oogpunt evenwel te verkiezen.

Van wezenlijk belang is dat de retardatie waarden van de kompensatie folie’s relatief laag gekozen kunnen worden (bijvoorbeeld, kleiner dan 100 nm) om, enerzijds, een Donker-toestand te realiseren bij spanningen die, bijvoorbeeld lager zijn dan 10 Volt, en, anderzijds, de optische kwaliteiten van de Helder-toestand slechts in zeer geringe mate te beïnvloeden.

De uitvinding zal in het onderstaande worden toegelicht met behulp van rekenresultaten verkregen aan een Pi-Cel konfiguratie die geplaatst is tussen gekruiste polarizatoren welke een hoek van 45 graden maken met de projektie van de Vloeibaar Kristal direktor op de cel-oppervlakken.

In de onderstaande resultaten is het gebruik van een (additioneel) retardatie folie met negatieve retardatie ter vergroting van de kijkhoek niet inbegrepen.

Het al of niet gebruik van een dergelijk folie is feitelijk niet van invloed op de grondslag van de uitvinding.

Berekening van de Vloeibaar Kristal director profielen als funktie van de spanning over de Pi-Cel konfiguratie zijn uitgevoerd met het rekenpakket DIMOS.

DIMOS is een veelal gebruikt simulatie-pakket dat commercieel verkrijgbaar is bij de Fa. Autronic, Karlsruhe, Duitsland.

In de berekeningen zijn de volgende (typische) waarden voor cel-parameters en Vloeibaar Kristal materiaal eigenschappen gebruikt.

Celdikte: 10 micron.

Pretilt : 10 graden.

Vloeibaar Kristal parameters: £ff = 15.0, £j_- 5.0,

Kj = 12,0, Kj, = 7.3, Kj = 18.0 (De dielectrische konstante’s £ en de elastische konstante’s Kj^j zijn in de gebruikelijke eenheden).

De optische berekeningen zijn verricht volgens het standaard Berreman 4*4 matrix formalisme.

Direktor profielen van de Pi-Cel zijn verkregen bij: 1.13 Volt, 2.07 Volt, 2.90 Volt, 3.69 Volt, 5.22 Volt, 7.64 Volt, 9.08 Volt en 24.57 Volt.

Het Vloeibaar Kristal direktor profiel bij 1.13 Volt is gekozen als het profiel dat korrespondeert met de Helder-Toestand.

In Tabel I wordt voor diverse Vloeibaar Kristal retardatie waarden de Luminantie L (c.q., transmissie met standaard lichtbron D65), alsmede de CIE 1931 kleurkoordinaten Xc-e en Yc>e gegeven bij 1.13 Volt. Ideale polarizatoren zijn gebruikt. Figuur I laat dit verband tussen Luminantie en Vloeibaar Kristal retardatie grafisch zien.

Het is duidelijk dat hoge helderheid met goede kleurneutraliteit (d.w.z., kleurkoordinaten dicht bij het "wit-punt" van D65, x=0.31 en y=0.33) verkregen wordt met Vloeibaar Kristal retardatie gelijk aan 0.75. Dit betekent, voor een celdikte van 10 micron, dat de dubbelbreking van het Vloeibaar Kristal gelijk is aan 0.075. Voor de eenvoud wordt dispersie van de dubbelbreking niet in beschouwing genomen bij de onderstaande analyse’s.

In alle verdere berekeningen is derhalve gebruikt voor het

Vloeibaar Kristal: n. = 1.5750 en n„ = 1.5000 .

e o

In Tabel I wordt de Luminantie uitgedrukt in % .

De maximale Luminantie is, per definitie, gelijk aan 50 % (hetgeen overeenkomt met de transmissie door twee ideale parallelle polarizatoren).

(Getabelleerde Luminantie’s en kleurkoordinaten zijn geldig voor loodrecht invallend licht.)

Tabel II geeft voor diverse spanningen de resulterende Luminantie en kleurkoordinaten (eveneens voor loodrecht invallend licht) voor d*dn gelijk aan 0.75 .

Deze Tabel II illustreert dat slechts bij zeer hoge spanningen de transmissie klein wordt, en daarmede dat slechts met zeer hoge spanningen hoge kontrasten (bijvoorbeeld > 100) gerealiseerd kunnen worden.

Tabel III toont de invloed van een retardatie folie op de transmissie bij 9.08 Volt. De optische as van het folie is loodrecht op de richting van de projektie van de Vloeibaar Kristal direktor op de Cel-oppervlakken.

Ook nu zijn de resultaten verkregen voor loodrecht opvallend licht. De dispersie van de retardatie van het folie is voor de eenvoud niet in beschouwing genomen.

De gegevens van Tabel III maken duidelijk dat gebruik van een retardatie folie met retardatie waarde gelijk aan 45 nm aanleiding geeft tot een zeer lage transmissie waarde bij spanning gelijk aan 9.08 Volt. Dus, de Donker-Toestand kan met gebruik van een dergelijk folie bereikt worden met een spanning lager dan 10 Volt.

Tabel IV toont de invloed van de retardatie van het folie op de transmissie bij 7.64 Volt (loodrecht invallend licht)

De bovenstaande Tabel IV maakt duidelijk dat het gebruik van een folie met retardatie waarde gelijk aan 57 nm resulteert in een transmissie die nagenoeg gelijk is aan nul bij spanning van 7.64 Volt.

Figuur II toont grafisch de invloed van de folie’s retardatie op de transmissie bij 7.64 Volt en bij 9.08 Volt Tabel V toont de Luminantie als funktie van de spanning voor de Pi-Cel zonder retardatie folie (tweede kolom), voor de Pi-Cel met retardatie folie met waarde 45 nm (derde kolom), voor de Pi-Cel met retardatie folie met waarde 57 nm (laatste kolom); Luminantie waarden zijn geldig voor loodrecht opvallend licht.

In Figuur III wordt een en ander nogmaals geïllustreerd. Figuur IV toont de kleurpunten (t.w., X· en Y.ia koordinaten) als funktie van de spanning voor de drie konfiguratie’s van Tabel V en Figuur III.

In de voorafgaande beschouwingen is gebruik gemaakt van een enkel retardatie folie met een zekere retardatie-waarde.

Op grond van symmetrie-overwegingen is het buitengewoon aantrekkelijk dit ene folie te vervangen door twee folie*s die elk een retardatie-waarde hebben welke gelijk is aan de helft van de retardatie-waarde van het ene folie en die elk aan een zijde van de Pi-Cel geplaatst worden met hun optische as loodrecht op de projektie richting van de vloeibaar kristal direktor op de cel-oppervlakken.

De Figuren V t/m VII illustreren dat alsdan een symmetrische kijkhoek-afhankelijkheid van de transmissie optreedt.

Figuur V t/m VII toont in een polair diagram de transmissie als funktie van de azimut-hoek voor een ’off-normal* hoek die gelijk is aan 60 graden. De (radiale) transmissie-schaal is van 0 tot 50 %, en de azimut-hoek varieert van 0 tot 360 graden.

In Figuur V wordt de kijkhoek-afhankelijke transmissie van de Pi-Cel zonder folie bij 24.57 Volt getoond.

Figuur VI geeft deze karakteristiek voor de Pi-Cel met een enkele folie met retardatie van 57 nm bij 7.64 Volt.

Figuur VII geeft deze karakteristiek voor de Pi-Cel met twee folie’s die elk een retardatie van 28.5 nm bezitten en die elk aan een zijde van de Pi-Cel geplaatst zijn; de spanning is evenals bij Figuur VI gelijk aan 7.64 Volt.

Zoals reeds is aangeduid op pagina 2 van deze octrooi-aanvrage, resulteert het gebruik van een retardatie folie met negatieve retardatie-waarde en met de optische as loodrecht op de cel-oppervlakken in een aanzienlijke verbetering van de kijkhoek bij geschikte keuze van deze retardatie-waarde.

Deze negatieve retardatie folie’s kunnen uiteraard gebruikt worden in kombinatie met de in deze octrooi-aanvrage beschreven kompensatie folie’s.

Kombinatie’s van dergelijke folie’s met negatieve retardatie en folie’s met positieve retardatie kunnen dan eventueel vervangen worden door zogenaamde biaxiale retardatie folie’s waarvoor de optische parameters (t.w., brekings-indices en folie-dikte) afgeleid kunnen worden, volgens ’basic optical principles’, van de optische parameters van de afzonderlijke folie’s.

Claims (8)

1. Weergeefinrichting bevattende een vloeibaar-kristal materiaal tussen twee op een gedefinieerde afstand van elkaar gehouden steunplaten met naar elkaar toegekeerde oppervlakken waarbij op beide oppervlakken een patroon van elektroden is aangebracht welke elkaar kruisen en aldus ter plaatse van de kruisingen weergeefelementen gevormd worden en de inrichting een besturingsschakeling bevat voor het aanbieden spanningssignalen aan beide elektrode patronen waarmee de weergeefelementen geschakeld kunnen worden van een eerste toestand naar een optisch verschillende tweede toestand; waarbij het vloeibaar-kristal materiaal voorkomt in een optisch zelf-kompenserende vloeibaar-kristal direktor konfiguratie zoals de zogenaamde Pi-Cel konfiguratie met ’reversed* pretilt welke gedetineerd en beschreven is in de volgende artikelen: 1. "The Pi-Cell: A Fast LC Optical Device" van P.J.Bos en K.R.Koehler/Beran, in "Molecular Crystals and Liquid Crystals", 113, p329(1984); 2. "An Optically Self-Compensating Electro-Optic Effect with Wide Angle of View" van P.J.Bos en J.A.Rahman, in SID Digest of Technical Papers, Volume XXIV, p273(1993); waarbij de optisch zelf-compenserende Pi-Cel geplaatst is tussen twee polarizatoren met onderling loodrechte (dan wel nagenoeg loodrechte) doorlaatrichtingen (c.q., polarisatie richtingen) waarbij deze polarisatierichtingen een hoek van 45 graden (dan wel nagenoeg gelijk aan 45 graden) maken ten opzichte van de projektie van de vloeibaar kristal direktor op de steunplaten, met het kenmerk dat: de retardatie van de vloeibaar kristal laag (gedefineerd als produkt van laagdikte en vloeibaar kristal dubbelbreking-waarde) zodanig gekozen wordt dat de weergeefinrichting geschakeld kan worden tussen een heldere (nagenoeg witte, hoog-transmissieve) toestand bij lage spanning en een donkere laag-transmissieve) toestand bij hoge spanning.

2. Weergeefinrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de retardatie van het vloeibaar kristal kleiner is dan 1.5 micron, en bij voorkeur kleiner dan 1.0 micron.

3. Weergeefinrichting volgens conclusie 1 en 2 met het kenmerk dat een (of meerdere) retardatie folie(’s) met positieve retardatie-waarde(n) geplaatst wordt (worden) tussen polarizatoren en vloeibaar kristal cel zodanig dat de optische as(sen) van de retardatie folie(’s) een hoek van 90 graden (dan wel nagenoeg 90 graden) maakt (maken) met de projektie van de vloeibaar kristal direktor op de steunplaten; de optische as(sen) is (zijn) parallel aan de steunplaten.

4. Weergeefinrichting volgens conclusie 1, 2 en 3 met het kenmerk dat de som van de retardatie-waarden van de retardatie folie’s kleiner is dan 200 nm, en bij voorkeur kleiner dan 100 nm.

5. Weergeefinrichting volgens conclusie 1,2, 3 en 4 met het kenmerk dat, bij gebruik van meerdere retardatie folie’s, aan weerszijden van de vloeibaar kristal cel een aantal retardatie folie’s geplaatst worden zodanig dat de totale retardatie van de folie’s aan de ene zijde van de cel gelijk is aan de totale retardatie van de folie’s aan de andere zijde.

6. Weergeefinrichting volgens conclusie 1, 2, 3, 4 en 5 met het kenmerk dat een (of meerdere) retardatie folie(’s) met negatieve retardatie-waarde geplaatst wordt (worden) tussen de polarizatoren en de vloeibaar kristal cel zodanig dat de optische as(sen) van de retardatie folie(’s) loodrecht staat (staan) op de steunplaten en zodanig dat de absolute waarde van de som van de retardatie van de folie’s bij voorkeur de waarde 1.0 micron niet overschrijdt.

7. Weergeefinrichting volgens conclusie 1, 2, 3, 4, 5 en 6 met het kenmerk dat bij gebruik van meerdere folie’s volgens conclusie 6 deze folie’s aan weerszijden van de vloeibaar kristal cel geplaatst worden zodanig dat de som van de retardatie-waarden van deze folie’s aan de ene zijde van de cel gelijk is aan de som van de retardatie-waarden van deze folie’s aan de andere zijde van de cel.

8. Weergeefinrichting volgens conclusie 1, 2, 3, 4, 5, 6, en 7 met het kenmerk dat de groep van retardatie folie’s met negatieve en positieve retardatie waarden welke aan weerszijden van de cel geplaatst is, vervangen wordt door een (of meerdere) zogenaamde biaxiale retardatie folie(’s) met waarden voor de optische parameters (t.w., brekings-indices en foliedikte) zodanig dat de optische eigenschappen van deze biaxiale folie*s gelijk zijn aan die van de voornoemde groep van folie’s.