DE3314654A1

DE3314654A1 - Fluessigkristallanzeigezelle und fluessigkristallanzeigevorrichtung mit einer solchen

Info

Publication number: DE3314654A1
Application number: DE3314654A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Shiojiri Nagano Shingu
Original assignee: Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1982-04-26
Filing date: 1983-04-22
Publication date: 1983-10-27
Also published as: JPS6237374B2; HK82287A; JPS58186723A; GB2122766B; GB2122766A; GB8309670D0; US4601547A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeigezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine diese enthaltende Flüssigkristallanzeigevorrichtung.

Fig.. 1 zeigt die Anordnung eines Flüssigkristallanzeigeelements für eine Durchlicht-Negativanzeige auf der Grundlage des verdrillten nematischen Effekts, das heißt ein Feldeffekt-Flüssigkristallanzeigeelement mit einem nematischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie mit einer vom unteren zum oberen Substrat verdrehten Ausrichtung der Moleküle sowie einem Paar von Polarisatorplatten.

Ein oberes Substrat 1 und ein unteres Substrat 2, die beide horizontal ausgerichtet sind, werden mittels Abstandshaltern 3 im Abstand voneinander gehalten. Ein nematischer Flüssigkristall 4 mit positiver dielektrischer Anisotropie füllt den Raum zwischen den Substraten. Durch Reiben oder auf andere Weise ist der Flüssigkristall zwischen dem oberen und dem unteren Substrat um einen Winkel von 90° verdrillt. Eine Negativanzeige erhält man beispielsweise/ wenn die Polarisationsachse einer unteren Polarisatorplatte 5 mit der Orientierungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle, die mit dem unteren Substrat in Berührung stehen, und mit der Polarisationsachse einer oberen Polarisatorplatte 6 übereinstimmt. Eine Wechselspannungsquelle 7 ist vorgesehen, an transparente Elektroden 8 eine Spannung anzulegen, die über einem Schwellenwert liegt. Eine Streuplatte 9 dient dazu. Licht von einer Lichtquelle 10 zu zerstreuen.

Das von der unteren Polarisatorplatte polarisierte Licht hat wegen der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle am

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oberen Substrat eine gegenüber dem unteren Substrat um 90° gedrehte Polarisationsrichtung. Folglich ist seine Polarisationsrichtung senkrecht zur Polarisationsachse der oberen Polarisatorplatte/ so daß sich im nichterregten Teil 11 des Anzeigeelements eine geringe Lichtdurchlässigkeit einstellt. Im ausgewählten oder erregten Teil 12 hingegen sind die Flüssigkristallmoleküle rechtwinklig zu den Substraten, wobei ihre verdrillte Struktur zerstört und eine von ihnen bewirkte Drehung der Polarisation verloren ist. Der ausgewählte Teil besitzt eine hohe Lichtdurchlässigkeit, da die Polarisationsachsen von oberer und unterer Polarisatorplatte übereinstimmen. Auf diese Weise wird durch den verdrillten nematischen Effekt eine Negativ-Anzeige erreicht. Wenn die Streuplatte aus einem halbdurchlässigen Material gebildet wird, kann man eine kombinierte Durchlicht- und Auflichtanzeige erreichen.

Eines der Probleme der oben beschriebenen Anordnung einer Durchlicht-Negativanzeige liegt darin, daß Licht in den nicht-erregten Teil leckt. Wenn der Lichtstrom der Lichtquelle erhöht wird, ergibt sich ein Lichtleckstrom, der die Qualität der Anzeige verschlechtert, da der nichterregte Teil das Licht nicht richtig abschirmt. Darüberhinaus kann eine Ungleichförmigkeit des Farbtons aus einem optischen

Gangunterschied resultieren, der auf einer mangelnden Gleichförmigkeit der Zellendicke zwischen oberem und unterem Substrat beruht.

Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile bekannter Flüssigkristallzellen zu vermeiden und die Qualität einer Negativ-Anzeige der verdrillten nematischen Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale

O /-3

des Anspruchs 1 gelöst. Durch Zusetzen eines dichroitischen.Farbstoffs zu einem verdrillten nematischen Flüssigkristall werden jegliche Kontrastverringerung sowie eine Üngleichförmigkeit des Farbtons, die ohne den Farbstoff von Gangunterschieden herrührt, vermieden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung für eine Durchlicht-Negativanzeige mit

verdrilltem nematischem Flüssigkristall,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht einer FlüssigkristallanzeigeVorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 grafisch die spektroskopischen Eigenschaften der Polarisatorplatten in der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 grafisch die spektroskopischen Eigenschaften, die sich beim Beispiel 1 ergaben ,

Fig. 5 Kontrastkennlinien/ die sich beim Eei-

spiel 1 ergaben/

Fig. 6 grafisch die spektroskopischen Eigenschaften, die sich beim Beispiel 2 ergaben.und

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Fig. 7 die Kontrastkennlinien, die sich beim Beispiel 2 ergaben.

Eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung als Durchlicht-Negativanzeige gemäß der Erfindung umfaßt ein oberes Substrat 1 und ein unteres Substrat 2, die horizontal ausgerichtet sind und mittels Abstandshaltern 3 auseinandergehalten werden. Ein nematischer Flüssigkristall 4 mit positiver dielektrischer Anisotropie füllt den Raum zwischen den Substraten. Ein positiver dichroitischer Farbstoff 13 ist im Flüssigkristall 4 aufgelöst. Die Flüssigkristallmoleküle sind zwischen dem oberen und dem unteren Substrat durch Reiben oder auf andere Weise um einen Winkel von 90* verdreht. Die im Flüssigkristall befindlichen Moleküle des dichroitischen Farbstoffs sind in ähnlicher Weise orientiert. Eine Negativanzeige erhält man, wenn die Polarisationsachse einer unteren Polarisatorplatte 5 mit der Orientierungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle, die das untere Substrat berühren, sowie mit der Polarisationsachse einer oberen Polarisatorplatte 6 zusammenfällt. Eine Wechselspannungsquelle 7 dient dazu, eine Spannung, die höher als ein Schwellenwert ist, an transparente Elektroden 8 anzulegen. Eine Streuplatte 9 dient der Zerstreuung des Lichts von einer Lichtquelle 10.

Das von der unteren Polarisatorplatte polarisierte Licht besitzt am oberen Substrat eine Polarisationsrichtung, die zu der am unteren Substrat rechtwinklig versetzt ist und senkrecht zur Polarisationsachse der oberen Polarisatorplatte steht. Das von der unteren Polarisatorplatte polarisierte Licht wird von dem dichroitischen Farbstoff absorbiert. Demz-ufolge hat der nicht-erregte Teil 11 eine geringe Lichtdurchlässigkeit. Im erregten oder ausgewählten Teil 12 sind die Flüssigkristallmoleküle im

Ja

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wesentlichen senkrecht zu den Substraten, und ihre Drehung der Polarisationsrichtung ist verschwunden. Die Moleküle des dichroitischen Farbstoffs sind ebenfalls senkrecht zu den Substraten und absorbieren nicht viel Licht.

Demzufolge hat der erregte Teil 12 eine hohe Lichtdurchlässigkeit. Auf diese Weise wird durch den verdrillten nematischen Effekt und den positiven dichroitischen Farbstoff eine Negativanzeige erreicht.

Die Erfindung soll nun anhand von Beispielen beschrieben werden.

Beispiel 1
15

Es wurden drei Tafeln je mit einem oberen Substrat und einem unteren Substrat/ zwischen denen sich ein Abstand von 10 um befand/ gebildet'. Sie wurden mit den in nachstehender Tabelle 1 aufgeführten Flüssigkristallzusammen-Setzungen gefüllt/ die zwischen dem unteren und dem oberen Substrat um einen Winkel von 90° verdrillt wurden. Jede der Tafeln wurde mit einer oberen Polarisatorplatte' und einer unteren Polarisatorplatte.ausgestattet, deren Absorptionsspektrum in Fig. 3 gezeigt ist. Die spektroskopischen und elektrooptischen Eigenschaften der drei Tafeln wurden untersucht.

ORiGSNAL !NSPECTED

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Tabelle 1

⁵ ^Tafel Flüssigkristall Farbstoff-

struktur

Farbe Konz

Tafel χ .ZLI-1565 (Merck)

10 Tafel 2

Tafel 3

0% 1%

Kurve in Fig. 4 und 5

Die spektroskopischen Eigenschaften der drei Tafeln sind in Fig. 4 gezeigt. Kurve A zeigt das spektroskopische Verhalten der Tafel 1, bei der kein Farbstoff eingesetzt wurde und läßt eine erhöhte Durchlässigkeit T sowie eine üngleichförmigkeit des Farbtons infolge von Gangunterschieden erkennen. Kurve B zeigt das spektroskopische Verhalten der Tafel 2 mit 1% blauem Farbstoff. Aus Kurve B ergibt sich, daß die Lichtabsorption durch den dichroitischen Farbstoff einen Anstieg der Durchlässigkeit aufgrund von Gangunterschieden begrenzt. Kurve C zeigt das spektroskopische Verhalten der Tafel 3 mit 2% blauem Farbstoff und läßt ähnliche Ergebnisse wie bei Tafel 2 erkennen.

Fig. 5 zeigt die Kontrastkurven für die Tafeln 1, 2 bzw. 3. Aus Fig. 5 ergibt sich, daß der Zusatz des Farbstoffs einen Anstieg des Kontrastverhältnisses, jedoch ^ keine wesentliche Änderung der Schwellenspannung V mit sich bringt. Die Kontrastkurven wurden aus dem Durchlichttyp gewonnen, wobei die Tafeln statisch angesteuert wur-

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10

den. Tabelle 2 zeigt die Schwellenspannungen V , der einzelnen Tafeln 1 bis 3, ihr Kontrastverhältnis und ihre Ansprechgeschwindigkeit, das heißt die Anstiegszeit

(t ) sowie die Abfallzeit (t . ). an ao

Tabelle 2

Tafel Tafel 1 Tafel 2 Tafel 3

-th 2,4

2,4

2,5

(V) Kontrast-Verhältnis t

14,5

17

19

^Dab(ms)

70	70
75	70
75	70

Das Kontrastverhältnis und die Ansprechgeschwxndigkeit wurden bei einer statischen Ansteuerung mit 5 V bei einer Temperatur von 25°C bestimmt. Aus Tabelle 2 geht hervor, daß der Zusatz de's dichroitischen Farbstoffs keinerlei wesentliche Änderung der elektrooptischen Eigenschaften der verdrillten nematischen Tafeln mit sich brachte.

25 Beispiel 2

Es wurden drei Tafeln je mit einem unteren Substrat und einem oberen Substrat mit einem Abstand von 10 um und mit einem Paar von Polarisatorplatten mit dem in Fig. 3 gezeigten Absorptionsspektrum geschaffen. Diese Tafeln wurden jeweils mit den in Tabelle 3 aufgeführten Flüssigkristallzusammensetzungen geschaffen und diese zwischen dem oberen und dem unteren Substrat um einen Winkel von 90° verdrillt. Fig. 6 zeigt die spektroskopischen Eigen-

35 schäften dieser Tafeln 4 bis 6.

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Tabelle 3

Tafel Flüssig- Farbstoff- Gew.- Konz. Farbe Kurve in kristall struktur Verhätltn.

Tafel 4 _E_7
(Merck)

Tafel 5

Tafel 6

Fig. 6 und 7 O

Schwarz

Kurve D in Fig. 6 entspricht dem spektroskopischen Verhalten der Tafel 4, bei der kein Farbstoff zugesetzt wurde, und zeigt einen Durchlässigkeitsanstieg und eine Farbtonungleichförmigkeit, was auf Gangunterschieden beruhte. Kurve E zeigt die spektroskopischen Eigenschaften der Tafel 5, die eine Mischung von drei Farbstoffen, die eine schwarze Farbe ergaben, enthielt. Kurve E zeigt/ daß die Lichtabsorption durch die dichroitischen Farbstoffen den. EXirchlässigkeitsanstieg aufgrund von Gangunterschieden beschränkte. Kurve F zeigt die spektroskopischen Eigenschaften der Tafel 6 mit einem Farbstoffgehalt von 2%. Kurve F sind ähnliche Ergebnisse wie für den Fall der Tafel 5 zu entnehmen. Wie sich aus einem Vergleich der Fig. und 6 ergibt, ist der schwarze Farbstoff zur Verhinderung eines Lichtleckstroms und einer Farbtonungleichförmigkeit

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• infolge von Gangunterschieden wirkungsvoller als der blaue Farbstoff.

Fig. 7 zeigt die Kontrastkurven, die sich ergaben, wenn die Tafeln 4 bis 6 statisch angesteuert wurden. Wie aus Fig. 7 zu entnehmen, brachte der Zusatz des Farbstoffs einen Anstieg des Kontrastverhältnisses, jedoch keine wesentliche Änderung der Schwellenspannung V , , Tabelle 4 zeigt die Schwellenspannung der einzelnen Tafeln 4 bis 6, ihr Kontrastverhältnis und ihre Ansprechgeschwindigkeit, das heißt die Anstiegszeit (t__) und die Abfallzeit (t . ). Das Kontrastverhältnis und die Ansprechgeschwindigkeit wurden bei einer statischen Ansteuerung mit 5 V bei einer Temperatur von 25°C bestimmt. Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, brachte der Zusatz des dichroitischen Farbstoffs keine wesentliche Änderung der elektrooptischen Eigenschaften der verdrillten nematischen Tafeln mit sich.

Tabelle 4

Tafel	4	^vth	(V)	Kontrast-Verhältn.	t , . an (ms)	ab (ms)
	5			17	75	90
Tafel	6	2	'°.	20,5	80	90
Tafel	2	/O	23	85	90
Tafel	2	,2

Der Gangunterschied R ist definiert als R=An>d, wobei Δη die Brechungsindexanisotropie und d die Zellendicke sind. Wenn R konstant ist, dann ergeben sich die in den Fig. 4 und 6 gezeigten Verhältnisse grundsätzlich für alle Wertepaare von Δη und d, die zu diesem

7/8

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konstanten R führen. Wird jedoch ein Flüssigkristall mit einem festen Wert von Δη eingesetzt, dann führt eine Änderung +Ad der Zellendicke d zu einer entsprechenden Änderung des Gangunterschieds R +AR. Betrachtet man für diesen Fall in den Fig. 4 und 6 R als auf der Abszisse aufgetragen, dann ergibt sich entsprechend der Zellendicke eine Durchlässigkeit entsprechend den Fig. 4A und 6D. Diese Durchlässigkeit hängt darüberhinaus natürlich noch von der Wellenlänge ab. Der Mangel ungleichförmiger Durchlässigkeit beruht daher auf geringen Änderungen der Zellendicke, was bei fehlendem Farbstoff eine Kontraständerung des Hintergrunds sowie einen ungleichförmigen Farbton (Streifenmuster) bewirkt. Der resultierende Lichtleckstrom verschlechtert die Anzeigequalität. Dieser Lichtleckstrom ist auch dafür verantwortlich, daß der Kontrast zwischen dem nicht-erregten Teil und dem erregten Teil gering ist.

Infolge des erfindungsgemäßen Zusatzes von Farbstoff ändert sich die Lichtdurchlässigkeit nicht, selbst wenn R (Abszisse in den Fig. 4 und 6) sich ändert, wie dies aus den Fig. 4B, 4C sowie 6E und 6F hervorgeht. Daher stellen sich in diesem Fall weder eine Kontraständerung im Hintergrund noch eine üngleichförmigkeit des Farbtons ein. Die Anzeigequalität und der Anzeigekontrastbereich werden durch Verhinderung des Lichtleckstroms vergrößert.

Wie sich aus der Beschreibung der Beispiele ergibt, führt die Erfindung zur Verbesserung der Qualität einer Negativ-

*" anzeige, ohne dabei die grundsätzlichen Eigenschaften einer verdrillten nematischen Tafel wesentlich zu beeinträchtigen. Diese Erfindung ist insbesondere nützlich für eine Negativanzeige des Durchlichttyps, bei der bisher eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Licht-

·" leckstroms und einer Ungleichförmigkeit des Farbtons

bestand. Darüberhinaus verhindert diese Erfindung wirkungsvoll jegliche Lichtleckströmung und Farbtonungleichförmigkeit aufgrund von Gangunterschieden, wenn auf eine aus Glassubstraten bestehende Tafel eine Spannung ausgeübt wird. Wenn kein Farbstoff zugesetzt wurde, führte schon eine geringe Änderung der Zellendicke oder eine auf ein Flüssigkristallelement während der Herstellung einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung ausgeübte Spannung zu Änderungen der Lage und Höhe der Wellen in den Gangunterschiedskurven in den Fig. 4 und 6. Solche Unterschiede haben einen schlechten Einfluß auf den Farbton oder einen Lichtleckfluß bei einer Negativanzeige. Bei der Erfindung jedoch verhindert der dem Flüssigkristall zugesetzte Farbstoff im wesentlichen jeglichen Lichtleckfluß im sichtbaren Bereich. Daher ist es möglich, jeglichen Lichtleckfluß und jegliche Farbtonungleichförmigkeit, die durch Gangunterschiede aufgrund mangelnder Gleichförmigkeit der Zellendicke des Flüssigkristallelements, eine auf das Flüssigkristallelement ausgeübte Spannung oder ähnliches verursacht sind, zu verhindern und ein Flüssig-• kristallanzeigeelement sowie eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung zu schaffen, die eine Negativanzeige hoher Qualität, das heißt gleichförmigen Farbtons und hohen Kontrast liefern.

Claims

10 Patentansprüche

1. J Flüssigkristallanzeigezelle, die im wesentlichen eine Flüssigkristallschicht (4) und ein Paar Polarisatorplatten (5, 6) umfaßt, die an den vertikal gegenüberliegenden Seiten der Flüssigkristallschicht (4) angeordnet sind, wobei die Flüssigkristallschicht aus Flüssigkristallmolekülen besteht, die in der Umgebung der Oberflächen im wesentlichen parallel zu den entgegengesetzter* Oberflächen und in einem mittleren Bereich zwischen den Oberflächen in einem Winkel zu den Oberflächen liegen, und wobei die Polarisatorplatten (5, 6) mit ihren Polarisationsachsen zur Schaffung einer Negativanzeige unter einem Winkel zur Flüssigkristallschicht angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht (4) einen positiven dichroitischen Farbstoff (13) enthält.

2. Flüssijkristallanzeigezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht zwischen ihren gegenüberliegenden Oberflächen um einen Winkel von etwa 90° verdrillt ist, daß eine der

RadedcestraOe 43 8000 München 6t Telefon (C69) 893603/88 36CW Telex 5212313 Te'r^'amme Patentconsult Sonnenberger Slraße «3 62C0 Wiesbaden Telefon (36121) 562943/561998 Telex 4186237 flegramme Pe¹ -onjult

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Polarisatorplatten (5/ 6) neben der einen Oberfläche der Flüssigkristallschicht (4) angeordnet ist und ihre Polarisationsachse mit der Orientierungsrichtung der Moleküle neben der einen Oberfläche übereinstimmt, während die andere Polarisatorplatte neben der anderen Oberfläche der Schicht angeordnet ist und ihre Polarisationsachse mit der der einen Polarisatorplatte im wesentlichen übereinstimmt.

3. Flüssigkristallanzeigezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet / daß der Farbstoff eine blaue Farbe besitzt.

4. Flüssigkristallanzeigezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Farbstoff eine schwarze Farbe besitzt.

5. Flüssigkristallanzeigezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ich net, daß die Schicht 1 bis 2% des Farbstoffs enthält.

6. Flüssigkristallanzeigevorrichtung gekennzeichnet durch die Verwendung einer Flüssigkristallanzeigezelle nach Anspruch 1.

7. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallanzeigezelle statisch angesteuert wird.

8. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin ein Lichtstreuelement (9) hinter der Zelle vorgesehen und einem Lichtstrahl aussetzbar ist, so daß die Vorrichtung vom Durchlichttyp ist.

9. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach einem der

1 Ansprüche 6 oder 7, ferner gekennzeichnet durch ein halbdurchlässiges Lichtstreuelement/ das hinter der Zelle vorgesehen ist und einem Lichtstrahl aussetzbar ist, so daß die Vorrichtung ein kombinierter

5 Durchlicht- und Auflichttyp ist.