DE19629551A1

DE19629551A1 - Ferroelektrische nematische Flüssigkristallanzeige

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Publication number: DE19629551A1
Application number: DE19629551A
Authority: DE
Inventors: Sin-Doo Lee
Original assignee: Samsung Display Devices Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 1995-07-20
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 1997-01-23
Also published as: GB9615197D0; GB2303464A; CN1165311A; JPH0933957A; KR970007426A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeige, insbesondere betrifft sie eine ferroelektrische nematische Flüssigkristallanzeige.

2. Technischer Hintergrund

Allgemein weist ein Kristall eine Positionsordnung und eine Orientierungsordnung auf, da die Moleküle des Kristalls in der Position und in der Orientierung fixiert sind. Jedoch verschwinden beide Ordnungen, wenn der Kristall geschmolzen wird, wobei er eine isotrope Flüssigkeit ausbildet. Ein flüssiger Kristall ist insofern eine Phase oder ein Zustand, die bzw. der sowohl vom Kristall als auch von der Flüssigkeit verschieden ist, als daß der Kristall nur die Orientierungsordnung aufweist, oder als daß er die Orientierungsordnung und zum Teil Positionsordnung aufweist.

Da ein Material in der Flüssigkristallphase die Orientierungsordnung aufweist, und da die Moleküle dieses Materials unsymmetrische Formen aufweisen, nennt man es ein anisotropes Material, das unterschiedliche physikalische Eigenschaften in bezug auf seine Orientierung aufweist.

Die meisten Flüssigkristall-Moleküle habe die Form von langen, dünnen Stäbchen. Die Längsachse des Moleküls wird die Molekülachse genannt, und die Moleküle neigen dazu, sich so anzuordnen, daß die Moleküle zueinander parallel sind. Die Richtung entlang der gemittelten Molekülachse wird als ein "Direktor" dargestellt und das Ausmaß der Orientierungsordnung wird mittels den Beziehungen zwischen den Molekülachsen und dem Direktor gemessen. Das bedeutet, daß ein Ordnungsparameter, der den gemittelten Wert von (3 cos²θ - 1)/2 darstellt als ein Maß für das Ausmaß der Orientierungsordnung verwendet wird, wobei θ ein Winkel zwischen einer einzelnen Molekülachse und dem Direktor ist. Der typische Wert für den Ordnungsparameter liegt ungefähr zwischen 0,3 bis 0,9, und der Ordnungsparameter nimmt ab, wenn die Temperatur des Flüssigkristallmaterials ansteigt.

Die flüssigen Kristalle werden gemäß den Ordnungstypen in drei Klassen eingeordnet, d. h. in nematische, cholesterische und chirale nematische und in smektische Flüssigkristalle.

Ein nematischer Flüssigkristall weist eine Orientierungsordnung auf, aber keine Positionsordnung. Die Positionen der Moleküle des nematischen Flüssigkristalls weisen keinerlei Ordnung auf, aber es gibt zwischenmolekulare Kräfte, die dafür sorgen, daß die Moleküle in der nematischen Phase zueinander parallel sind. Bei herkömmlichen nematischen Flüssigkristallen wird keine Ferroelektrizität festgestellt, weil die Moleküle eine Up-Down-Symmetrie aufweisen, so daß keine Nettopolarisation, die aus den molekularen Dipolmomenten resultiert, erwartet wird. Die nematischen Flüssigkristalle werden herkömmlicherweise in Anzeigen verwendet.

Von einem chiralen nematischen Flüssigkristall wird oft angenommen, daß er von einem cholesterischen Flüssigkristall verschieden ist, aber diese beiden Flüssigkristalle sind nicht notwendigerweise verschieden, da ihre physikalischen Eigenschaften gewisse gemeinsame Merkmale aufweisen. Beide Flüssigkristalle weisen ähnliche zwischenmolekulare Kräfte auf, die dafür sorgen, daß die gemittelte Molekülachse im Raum entlang einer Senkrechten zum Direktor rotiert. Diese Eigenschaft, die man bei chiralen nematischen Flüssigkristallen auffindet, wird "Chiralität" genannt, und die Entfernung, innerhalb derer die gemittelte Molekülachse um eine Umdrehung rotiert, wird Gangweite ("pitch") genannt. Es ist anzumerken, daß der nicht-chirale nematische Flüssigkristall aufgrund des Anordnungsvorganges ebenfalls eine verdrillte Struktur aufweisen kann. Die chiralen nematischen Materialien werden in Anzeigen verwendet, sowie auch zum Nachweis von Mikrowellen oder von elektromagnetischen Feldern.

Ein smektischer Flüssigkristall weist eine geordnetere Struktur als die genannten beiden Flüssigkristalle auf, die in molekularen Schichten ausgebildet ist. Der smektische Flüssigkristall weist nicht nur die Orientierungsordnung, sondern zum Teil auch Positionsordnung auf. Das heißt, daß die Molekülpositionen eine Periodizität in der Normalen zu den Schichten aufweisen, aber sie besitzen keine Fernpositionsordnung in der Schichtebene.

Unter den smektischen Flüssigkristallen weisen die gekippten chiralen smektischen Flüssigkristalle Ferroelektrizität auf, wie beispielsweise smektische C*- Flüssigkristalle. Neuerdings sind ferroelektrische Flüssigkristalle eingehend untersucht worden. Smektische C- Flüssigkristalle sind solche, bei denen die Molekülachsen in bezug auf die Schichtnormale gekippt sind. Die Moleküle des smektischen C*-Flüssigkristalls weisen optische Aktivität auf, so daß sie eine helikale Struktur entlang der Schichtnormalen ausbilden. Der smektische C*-Flüssigkristall weist eine spontane Polarisation senkrecht zum Direktor und zur Schichtnormalen auf. Der smektische C-Flüssigkristall besitzt in bezug auf die Senkrechte zum Direktor Rotationssymmetrie und Inversionssymmetrie in bezug auf die Oberfläche der molekularen Schicht. Wenn das Molekül jedoch einen chiralen Teil aufweist, ist die Inversionssymmetrie verletzt, und das transversale Dipolmoment erzeugt die spontane Polarisation in der smektischen C*-Phase. Die makroskopische spontane Polarisation gemittelt über einen Zeitraum oder über eine Gangweite ist gleich Null, da die Moleküle der smektischen C*-Phase entlang der Schichtnormalen helikal angeordnet sind. Daher wird dieser ferroelektrische Flüssigkristall ein uneigentliches ferroelektrisches Material genannt. Die helikale Struktur kann durch ein äußeres elektrisches Feld verformt werden und oberhalb einer kritischen Feldstärke völlig entwunden, wodurch eine makroskopische spontane Polarisation induziert wird. Ferroelektrische Flüssigkristallanzeigen (hiernach als ferroelektrische LCDs bezeichnet) weisen vielerlei Probleme wie beispielsweise die Schwierigkeit bei der Anordnung und die Empfindlichkeit der molekularen Schichten auf.

Die Flüssigkristalle weisen anisotrope physikalische Eigenschaften wie beispielsweise elektrische und magnetische Suszeptibilität auf. Wie oben beschrieben, beruht dies darauf, daß die Moleküle unsymmetrische Stäbchenformen aufweisen und daß daher anisotrope zwischenmolekulare Raumkräfte wirksam sind.

Beispielsweise ist die elektrische Suszeptibilität entlang dem Direktor von derjenigen senkrecht zum Direktor verschieden. Aufgrund des Unterschiedes bei der elektrischen Suszeptibilität, ist die Dielektrizitätskonstante ebenfalls richtungsabhängig.

Bezeichnen wir die Dielektrizitätskonstante entlang dem Direktor als E₁ und diejenige entlang seiner Senkrechten als ∈₂. Dann ist die dielektrische Anisotropie Δε als Δε = ∈₁ - ∈₂ definiert. Positive dielektrische Anisotropie tritt im Falle, daß Δε < 0 ist, und negative dielektrische Anisotropie im Falle, daß Δε < 0 ist, auf. Wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird, tritt eine elektrische Verschiebung ein: D = ∈₂ E + Δε (nÊ)n. Die elektrostatische Energie beträgt

- ∫DdE = -(1/2) ∈₂E² - (1/2) Δε(nÊ)².

Diese elektrostatische Energie konkurriert beim Erreichen eines stabilen Zustandes mit der elastischen Energie. Das Ergebnis ist, daß der Direktor von Flüssigkristallen, die positive dielektrische Anisotropie aufweisen, zu paralleler Ausrichtung in bezug auf das angelegte elektrische Feld neigt, während der Direktor von Flüssigkristallen mit negativer Anisotropie zu senkrechter Ausrichtung in bezug auf das angelegte elektrische Feld neigt.

Die LCDs nutzen die anisotropen Eigenschaften des Flüssigkristalls aus. Eine herkömmliche LCD im verdrillten nematischen ("twisted nematic") TN-Modus wird hier eingehend beschrieben.

Die Fig. 1A und 1B zeigen eine herkömmliche TN-LCD, die die positive dielektrische Anisotropie ausnützt. Fig. 1A zeigt einen Zustand, in dem kein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt ist, und die Fig. 1B zeigt einen Zustand, bei dem das elektrische Feld an diesen angelegt ist.

Ein Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie wird zwischen die inneren Oberflächen zweier transparenter Substrate 11 und 12 eingebracht. Auf die äußeren Oberflächen der Substrate 11 und 12 sind jeweils ein Polarisator 13 und ein Analysator 14 aufgebracht. Auf der inneren Oberfläche eines jeden Substrates 11 oder 12 ist eine durchsichtige Elektrode 15 oder 16 und eine Ausrichtungsschicht 17 oder 18 ausgebildet. Die Ausrichtungsschichten sind so behandelt, daß der Direktor an der einen Oberfläche zu demjenigen an der anderen senkrecht ist, was dazu führt, daß sich der Direktor durch die Flüssigkristallplatte hindurch kontinuierlich um 90° dreht.

Wenn der Spalt zwischen den beiden Substraten 11 und 12 geeignet ausgewählt ist, kann sich die Polarisation des einfallenden Lichtes, das durch die Flüssigkristallplatte hindurchtritt, als Folge der molekularen Ausrichtung ändern.

Wenn eine äußere Spannung an die durchsichtigen Elektroden angelegt wird, neigt der Großteil der Moleküle außer dem Oberflächenbereich in der Nähe der Substrate 11 und 12 zur Ausrichtung entlang der Richtung des elektrischen Feldes, d. h. senkrecht zu den Substraten 11 und 12. Die Pfeile in den Fig. 1A und 1B stellen den Direktor dar.

Es wird nun die Arbeitsweise dieser TN-LCD beschrieben.

Im ausgeschalteten Zustand ("OFF" state), in dem keine Spannung an den Substraten 11 und 12 anliegt, wirkt die Flüssigkristallplatte für das einfallende Licht wie eine wellenleitende Tafel. Am Substrat 11 einfallendes Licht wird linear polarisiert, wenn es durch den Polarisator 13 hindurchtritt, und seine Polarisation dreht sich durch die Flüssigkristallplatte. Wenn das polarisierte Licht das andere Substrat 12 erreicht, ist seine resultierende Polarisation um 90° verdreht. Für den Fall, daß die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 senkrecht zueinander sind, tritt das Licht durch den Analysator 14 hindurch, da die Polarisation des Lichtes zur Polarisationsachse des Analysators 14 parallel ist. Wenn jedoch die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 zueinander parallel sind, tritt kein Licht durch den Analysator 14 hindurch, da die Polarisation des Lichtes zur Polarisationsachse des Analysators 14 senkrecht ist.

Im eingeschalteten Zustand ("ON" state), bei dem eine Spannung an die beiden Substrate 11 und 12 angelegt wird, wird der molekulare Direktor verdrillt. Da der Flüssigkristall positive dielektrische Anisotropie aufweist, richtet sich der Direktor entlang dem elektrischen Feld aus, mit Ausnahme des Oberflächenbereiches in der Nähe der Substrate 11 und 12. Durch Steuerung der elektrischen Feldstärke kann die Größe des Kippwinkels des Direktors gesteuert werden, was dazu führt, daß der wellenleitende Effekt der Flüssigkristallschicht verändert wird. Bei ausreichend hoher elektrischer Feldstärke erreicht das durch den Polarisator 13 linear polarisierte Licht den Analysator 14 ohne Verdrehung seiner anfänglichen Polarisation. Wenn die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 zueinander senkrecht sind, kann das Licht nicht durch den Analysator 14 hindurchtreten. Wenn die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 zueinander parallel sind, tritt das Licht durch den Analysator 14 hindurch.

Zwischen dem OFF-Zustand und dem ON-Zustand kann man eine analoge Graustufenskala erhalten, wenn man die angelegte elektrische Feldstärke steuert.

Der Verdrehungswinkel des molekularen Direktors im TN- Modus beträgt 90°, während derjenige im überverdrehten nematischen Modus ("super-twisted nematic (STN) mode") größer als derjenige im TN-Modus, beispielsweise 220 oder 270° ist.

Die herkömmliche TN- oder STN-LCD weist viele Nachteile auf, von denen einer die große Trägheit ist, da die Arbeitsweise nur auf der dielektrischen Anisotropie beruht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer LCD, die geringere Arbeitsspannungen und eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit aufweist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer LCD aus einem ferroelektrischen Flüssigkristall, die die erleichterte Ausrichtung gegenüber herkömmlichen LCDs als Vorteil aufweist.

Um diese Aufgaben zu lösen, verwendet die vorliegende Erfindung einen ferroelektrischen nematischen Flüssigkristall. Die Existenz ferroelektrischer nematischer Flüssigkristalle ist bereits früher vorhergesagt worden. Siehe beispielsweise "Novel Ferroelectric Fluids", Rolfe G. Petschek und Kimbrly M. Wiefling, Physical Review Letters 1987 Band 59, Nr. 3, Seiten 345-346, "Ferroelectric Nematic Liquid Crystals: Realizability and Molecular Constraints", P. Palffy-Muhoray, M.A. Lee und Rolfe G. Petschek, Physical Review Letters 1988 Band 60, Nr. 22, Seiten 2303-2306, und "Ferroelectric nematic liquid-crystal phases of dipolar hard ellipsoids", Marc Baus und Jean-Lois Colot, Physical Review A 1989 Band 40, Nr. 9, Seiten 5444-5446. Auch der Anmelder hat die Existenz ferroelektrischer nematischer Flüssigkristalle in "Ferroelectric Liquid Crystalline Ordering of Rigid Rods with dipolar Interactions" vorhergesagt. Dieser Aufsatz veranschaulicht das Phasendiagramm, das die Phasenübergänge "herkömmlich isotrop-nematisch" (I-N), "nematisch-ferroelektrisch nematisch" (N-FN) und "direkt isotrop-ferroelektrisch nematisch" (I-FN) aufzeigt. Kürzlich ist von Artikeln berichtet worden, die die Existenz polarer nematischer Flüssigkristalle aufzeigen, insbesondere von solchen mit Molekülen mit permanenten Dipolmomenten, die zu deren Molekülachsen parallel sind.

Die molekularen Dipolmomente des ferroelektrischen Flüssigkristalls ordnen sich entlang dem angelegten elektrischen Feldes an, während die dielektrische Anisotropie dafür sorgt, daß sich die Molekülachsen parallel oder senkrecht zum angelegten Feld in Abhängigkeit des Vorzeichens ausrichten.

Eine LCD gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Paar transparenter Substrate, an die eine äußere Spannung angelegt werden kann, und eine nematische Flüssigkristallschicht, die Ferroelektrizität aufweist und sich zwischen den Substraten befindet.

Es ist wünschenswert, daß die Moleküle der Flüssigkristallschicht permanente Dipolmomente aufweisen, die zur Molekülachse parallel sind, wobei in diesem Fall der Flüssigkristall positive dielektrische Anisotropie aufweist, so daß die spontane Polarisation und die positive dielektrische Anisotropie konstruktiv miteinander zusammenwirken.

Die beiden Substrate sind so behandelt, daß die beiden homogenen ausrichtenden Kräfte bewirken, daß der Direktor zu den beiden parallel ist. Der Direktor an dem zweiten Substrat nimmt einen Winkel zwischen 0° und 180° in bezug zu demjenigen an dem ersten Substrat ein, so daß die beiden Substrate einen Drehwinkel erzeugen.

Zusätzlich umfaßt die Flüssigkristallschicht einen chiralen Zusatz, der Drehkraft für die molekulare Ausrichtung aufweist. Der Winkel zwischen den Direktoren am ersten und zweiten Substrat kann dann zwischen 0 und 360° eingestellt werden.

Der Wert des Spaltes zwischen dem ersten und zweiten Substrat geteilt durch die Gangweite der Flüssigkristallschicht kann ungefähr zwischen 0,0 und 1,0 betragen. Es wird bevorzugt, daß der Spaltwert zwischen dem ersten und zweiten Substrat, geteilt durch die Gangweite der Flüssigkristallschicht 0,25 beträgt. Darüber hinaus beträgt die optische Anisotropie, multipliziert mit dem Spalt zwischen dem ersten und zweiten Substrat vorzugsweise 0,1 bis 2,0 µ.

An den beiden Substraten sind jeweils zwei Polarisatoren angebracht. Der Winkel zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren ist gleich dem Drehwinkel des molekularen Direktors oder ± 90° plus dem Drehwinkel des molekularen Direktors. Das heißt, daß die Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren parallel oder senkrecht zueinander sein können.

Die LCD gemäß der vorliegenden Erfindung kann ähnlich wie eine herkömmliche TN-LCD betrieben werden.

Die homogene Ausrichtung der Moleküle bleibt im OFF- Zustand erhalten, so daß dieser Zustand dem OFF-Zustand der TN- LCD ähnelt. Die Moleküle können einen vorbestimmten Vorkippwinkel aufweisen.

Linear polarisiertes Licht, das auf die Flüssigkristallschicht durch den Polarisator an dem ersten Substrat einfällt, erreicht den Polarisator am zweiten Substrat. Im OFF-Zustand wird die einfallende Polarisation um einen Winkel verdreht, der dem Drehwinkel des molekularen Direktors entspricht. Wenn der Winkel zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren gleich dem Drehwinkel des molekularen Direktors ist, tritt das Licht durch den Polarisator an dem zweiten Substrat hindurch. Wenn der Winkel ± 90° plus dem Drehwinkel des molekularen Direktors beträgt, kann das Licht nicht durch den Polarisator am zweiten Substrat hindurchtreten.

Im ON-Zustand neigen die Moleküle aufgrund der longitudinalen Dipolmomente der Moleküle und der positiven dielektrischen Anisotropie zur Ausrichtung entlang dem elektrischen Feld. Der Kippwinkel der Molekülachsen kann verändert werden, indem die elektrische Feldstärke gesteuert wird. Wenn die elektrische Feldstärke ausreichend hoch ist, sind die meisten Moleküle zum elektrischen Feld parallel angeordnet. Wenn die Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren zueinander parallel sind, tritt das Licht durch den Polarisator am zweiten Substrat hindurch. Wenn jedoch die Polarisationsachsen zueinander senkrecht sind, kann das Licht nicht durch den Polarisator am zweiten Substrat hindurchtreten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun eingehender unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen die

Fig. 1A und 1B eine TN-LCD veranschaulichen, die aus einem Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie besteht, und

Fig. 2 ein Diagramm darstellt, das die Lichtdurchlässigkeit in der LCD gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Aus der folgenden eingehenden Beschreibung im Einklang mit den beigefügten Zeichnungen sind die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung klar ersichtlich.

Die Fig. 1A und 1B, auf die auch in der Beschreibung des Standes der Technik Bezug genommen wurde, zeigen eine LCD gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 1A zeigt den "ON"-Zustand, bei dem kein elektrisches Feld angelegt ist, und Fig. 1B zeigt den "OFF"-Zustand, bei dem das elektrische Feld angelegt ist.

Wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist, werden zwei transparente Substrate 11 und 12 in gegenüberliegende Stellung zueinander gebracht. Die Substrate 11 und 12 weisen durchsichtige Elektroden 15 und 16 und Ausrichtungsschichten 17 und 18 auf, und werden zur Erzeugung einer homogenen Ausrichtung verwendet. Eine Schicht aus ferroelektrischem nematischem Flüssigkristall 10 befindet sich zwischen den beiden Substraten 11 und 12. Auf der äußeren Oberflächen der beiden Substrate 11 und 12 sind jeweils ein Polarisator 13 und ein Analysator 14 angebracht.

Vorzugsweise weist die Flüssigkristallschicht 10 positive dielektrische Anisotropie und spontane Polarisation parallel zum Direktor auf, und es kann ein chiraler Zusatz wie beispielsweise 5811 oder CB15, der dem Flüssigkristall Chiralität verleiht, mit der Flüssigkristallschicht 10 vermischt sein.

Die Ausrichtungsschichten 17 und 18 erlauben die horizontale oder homogene Ausrichtung der Moleküle. Sie können beispielsweise aus Tensiden wie z. B. Alkylphenol und Hexadecyltrimethylammoniumbromid, Polyimiden oder Ausrichtungsabsorbentien ausgebildet sein, die nach dem Langmuir-Blodgett′schen Filmabscheidungsverfahren aufgezogen sind. Die Ausrichtungsschichten 17 und 18 sind geschliffen, um die Flüssigkristallmoleküle homogen entlang einer gewissen Richtung auszurichten. Es ist ebenfalls möglich, daß die Moleküle einen gewissen Vorkippwinkel zwischen 0 und 180° aufweisen.

Die Oberflächenbehandlung wie beispielsweise das Schleifen kann sowohl an einer Ausrichtungsschicht als auch an beiden Ausrichtungsschichten 17 und 18 ausgeführt werden. Wenn die Behandlung an beiden Ausrichtungsschichten 17 und 18 ausgeführt wird, können die molekularen Direktoren der beiden Ausrichtungsschichten 17 und 18 in bezug aufeinander eingestellt werden. Es wird vorgezogen, daß die molekularen Direktoren 0 bis 360° zueinander stehen.

Wenn der Spalt zwischen den beiden Substraten 11 und 12, genauer die Entfernung zwischen den beiden Ausrichtungsschichten 17 und 18 d beträgt und wenn die Gangweite des Flüssigkristalls p beträgt, wird vorgezogen, daß d/p gleich 0,0 bis 1,0 ist. Wenn d/p = 0,25 ist, sind die molekularen Direktoren an den beiden Substrate zueinander um 90° durch die Flüssigkristallschicht 10 hinweg verdreht.

Es wird jetzt die Betriebsweise der LCD gemäß der Ausführungsform beschrieben.

Wie in Fig. 1A gezeigt, behalten die Moleküle die homogene Ausrichtung im OFF-Zustand bei.

Nehmen wir an, daß in diesem Zustand linear polarisiertes Licht durch den Polarisator 13 und das Substrat 11 auf das Substrat 11 entlang der Oberflächennormalen einfällt. Dann rotiert die Polarisation des Lichtes gemäß der Verdrehung des molekularen Direktors.

Wenn der Winkel zwischen den Polarisationsachsen des Analysators 14 und des Polarisators 13 der gleiche wie der Drehwinkel des molekularen Direktors ist, ist die Polarisation des Lichtes, das am Analysator 14 ankommt, zu derjenigen des Analysators 14 parallel, und daher tritt das Licht durch den Analysator 14 hindurch.

Wenn der Winkel zwischen den Polarisationsachsen des Analysators 14 und des Polarisators 13 um ± 90° von dem Drehwinkel des molekularen Direktors verschieden ist, ist die Polarisation des Lichtes, das am Analysator 14 ankommt, zu derjenigen des Analysators 14 senkrecht, und daher tritt das Licht nicht durch den Analysator 14 hindurch.

Wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird, neigt der molekulare Direktor zur Orientierung entlang der Feldrichtung, da der Flüssigkristall spontane Polarisation parallel zum molekularen Direktor aufweist. Wenn der Flüssigkristall zusätzlich positive dielektrische Anisotropie aufweist, ist die Tendenz zur Ausrichtung des molekularen Direktors parallel zur Feldrichtung noch verstärkt. Wenn die elektrische Feldstärke ausreichend groß ist, fallen die Molekülachsen mit der Feldrichtung zusammen. Wenn das angelegte Feld nicht ausreicht, sind die Orientierungen der Moleküle zu einem gewissen Ausmaß abweichend. Die Moleküle in der Nähe der Substrate behalten die homogene Ausrichtung bei, da die ausrichtenden Kräfte, die von den Ausrichtungsschichten 17 und 18 ausgehen, größer als die Feldkraft sind. Bei einem ausreichend starken elektrischen Feld sind die meisten Moleküle des Hauptteils zu den Substraten 11 und 12 senkrecht. Das linear polarisierte Licht, das durch den Polarisator 13 einfällt, gelangt ohne jegliche Wechselwirkung zum Analysator 14. Wenn die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 zueinander rechtwinkelig sind, tritt kein Licht durch den Analysator 14 hindurch, da die Polarisation des Lichtes zu derjenigen des Analysators 14 senkrecht ist. Wenn jedoch die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 zueinander parallel sind, tritt das Licht durch den Analysator 14 hindurch.

Die Durchlässigkeit für monochromatisches Licht hängt von dem Spalt d zwischen den beiden Substraten 11 und 12, der optischen Anisotropie Δn und der Wellenlänge λ des einfallenden Lichtes ab. Die Durchlässigkeit T

T = 1 - sin²(π√(1+u²)/2)/(1+u²)

wobei u = 2d(Δn/λ).

Die Durchlässigkeit erreicht ein Maximum, wenn u = 0, √3, , , usw. Das erste Maximum tritt auf, wenn u = √3, das zweite Maximum tritt auf, wenn u = √5, usw. Da die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes im Bereich zwischen 0,4 und 0,7 µ liegt, ist es wünschenswert, daß dΔn geringer als 2 µ, insbesondere gleich 0,08 bis 2 µ ist, wenn das erste bis dritte Maximum ausgenützt wird.

Fig. 2 zeigt die Durchlässigkeit in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit derjenigen gemäß dem Stand der Technik. Der Drehwinkel des molekularen Direktors beträgt 90°, die dielektrische Anisotropie Δ∈ beträgt +5, die Dicke der Flüssigkristallschicht, d. h. der Spalt, beträgt 5 µ, und der Winkel zwischen den Polarisationsachsen des Polarisators und des Analysators beträgt 900. Die graphische Darstellung in Fig. 2 zeigt, daß die LCD gemäß der vorliegenden Ausführungsform verglichen mit derjenigen einer herkömmlichen TN-LCD eine mit der Spannung veränderliche Durchlässigkeit aufweist. Die Durchlässigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung ändert sich stärker als diejenige einer herkömmlichen TN-LCD, da die spontane Polarisation p größer wird.

Wie oben beschrieben, umfaßt die vorliegende Erfindung zwei Substrate und eine ferroelektrische nematische Flüssigkristallschicht. Die vorliegenden Erfindung weist die Vorteile der geringen Arbeitsspannung und somit der größeren Betriebsgeschwindigkeit gegenüber der herkömmlichen TN-LCD auf. Zusätzlich weist die vorliegenden Erfindung verglichen mit einer herkömmlichen ferroelektrischen smektischen C*-LCD nicht die Schwierigkeit der Ausrichtung auf.

Es ist offensichtlich, daß verschiedene weitere Abwandlungen für den Fachmann leicht erkennbar und durchführbar sind, ohne vom Schutzumfang und vom Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß wird nicht beabsichtigt, den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche auf die vorliegende Beschreibung einzuschränken, sondern es wird beabsichtigt, daß die Ansprüche im Wege der Auslegung alle Merkmale der patentierbaren Neuheit umfassen, die die vorliegende Erfindung beinhaltet, einschließlich all jener Merkmale, die vom Fachmann als Äquivalente der vorliegenden Erfindung beurteilt werden.

Claims

1. Flüssigkristallanzeige, die folgendes umfaßt:
ein erstes und ein zweites transparentes Substrat, an die man ein elektrisches Feld anzulegen vermag, und
eine nematische Flüssigkristallschicht, die Ferroelektrizität aufweist, und sich zwischen dem ersten und dem zweiten transparenten Substrat befindet.

2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkristallschicht spontane Polarisation parallel zur gemittelten Molekülachse aufweist.

3. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 2, wobei die Flüssigkristallschicht positive dielektrische Anisotropie aufweist.

4. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Substrat homogene ausrichtende Kräfte aufweisen, die bewirken, daß sich der molekulare Direktor jeweils entlang einer beliebigen von zwei Richtungen anordnet.

5. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 4, wobei der molekulare Direktor, der aufgrund der ausrichtenden Kraft des ersten Substrates ausgerichtet wird, einen Winkel zwischen 0 und 360° in bezug auf den molekularen Direktor einnimmt, der aufgrund der ausrichtenden Kraft des zweiten Substrates ausgerichtet wird, so daß der molekulare Direktor am ersten Substrat einen Drehwinkel in bezug auf den molekularen Direktor am zweiten Substrat aufweist.

6. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 5, wobei der Wert des Spaltes zwischen dem ersten und zweiten Substrat geteilt durch die Gangweite der Flüssigkristallschicht 0,0 bis 1,0 beträgt.

7. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 6, wobei der Wert des Spaltes zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat geteilt durch die Gangweite der Flüssigkristallschicht 0,25 beträgt.

8. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 7, wobei die optische Anisotropie multipliziert mit dem Spalt zwischen dem ersten und zweiten Substrat 0,1 bis 2,0 µ beträgt.

9. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 5, die des weiteren zwei Polarisatoren umfaßt, die jeweils am ersten und zweiten Substrat angebracht sind.

10. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 9, wobei der Winkel zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren gleich dem Drehwinkel des molekularen Direktors ist.

11. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 9, wobei der Winkel zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren ± 90° plus dem Drehwinkel des molekularen Direktors beträgt.

12. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 9, wobei die Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren parallel zueinander sind.

13. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 9, wobei die Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren senkrecht zueinander sind.

14. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkristallschicht einen chiralen Zusatz umfaßt, der eine verdrehende Kraft zur Ausrichtung der Moleküle aufweist, die verdreht werden sollen.

15. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 14, wobei der molekulare Direktor am ersten Substrat einen Winkel von 0 bis 360° in bezug auf den molekularen Direktor am zweiten Substrat einnimmt.

16. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 15, wobei der Wert des Spaltes zwischen dem ersten und zweiten Substrat geteilt durch die Gangweite der Flüssigkristallschicht 0,0 bis 1,0 beträgt.

17. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 16, wobei der Wert des Spaltes zwischen dem ersten und zweiten Substrat geteilt durch die Gangweite der Flüssigkristallschicht 0,25 beträgt.

18. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 17, wobei die optische Anisotropie der Flüssigkristallschicht multipliziert mit dem Spalt zwischen dem ersten und zweiten Substrat 0,1 bis 2,0 µ beträgt.

19. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 14, die des weiteren Polarisatoren umfaßt, die jeweils an dem ersten und zweiten Substrat angebracht sind.

20. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, die des weiteren eine Phasenverzögerungsplatte aufweist, die am ersten oder zweiten Substrat angebracht ist.