DE3822604A1

DE3822604A1 - Fluessigkristallanzeigeelement

Info

Publication number: DE3822604A1
Application number: DE3822604A
Authority: DE
Inventors: Tamihito Nakagomi; Shinji Hasegawa; Yasuhiko Kando; Kiyoshige Kinugawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-07-17
Filing date: 1988-07-04
Publication date: 1989-01-26
Also published as: JPS6421416A; KR890002698A

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Flüssigkristallanzeigeelemente, genauer den Bereich der Feldeffekt-Flüssigkristallanzeigeelemente, die einerseits eine schwarze Anzeige auf weißem Hintergrund ermöglichen und andererseits ausgezeichnete Vielfachsteuercharakteristiken aufweisen.

Ein herkömmliches sog. gedreht-nematisches Flüssigkristallanzeigeelement besitzt eine um 90° gedrehte wendelförmige Struktur eines nematischen Flüssigkristalls, das eine positive dielektrische Anisotropie aufweist und als Zwischenschicht zwischen den beiden Substraten angeordnet ist, welche mit lichtdurchlässigen Elektroden versehen sind, die auf jenen gemäß den gewünschten Anzeigemustern angeordnet sind. An den äußeren Oberflächen der Elektrodensubstrate sind Polarisatoren angeordnet, mit Polarisationsachsen (oder Absorptionsachsen), die senkrecht oder parallel zu den Hauptachsen derjenigen Flüssigkristallmoleküle sind, die den Elektrodensubstraten benachbart sind, wie dies offenbart ist im britischen Patent Nr. 13 72 868 von F. Hoffmann - La Roche & Co.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines gedreht-nematischen Flüssigkristallanzeigeelements und dient zur Erklärung des Zusammenhangs zwischen der Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle, der Drehrichtung und den Achsen der Polarisatoren. Um die Flüssigkristallmoleküle einer Flüssigkristallschicht 50, die zwischen einem oberen Elektrodensubstrat 11 und einem unteren Elektrodensubstrat 12 angeordnet ist, um 90° zu drehen, wird eine sog. Schleifmethode angewandt, bei der die in Kontakt mit den Flüssigkristallmolekülen stehenden Oberflächen der Substrate 11, 12 mit einem Tuch beispielsweise in nur einer Richtung geschliffen werden. Die Hauptachsen derjenigen Flüssigkristallmoleküle, die den geschliffenen Oberflächen benachbart sind, richten sich in den Schleifrichtungen, also in der Schleifrichtung 2 des oberen Elektrodensubstrates 11 und in der Schleifrichtung 3 des unteren Elektrodensubstrates 12 aus. Die zwei geschliffenen Oberflächen des oberen und des unteren Elektrodensubstrates 11, 12 sind in einem räumlichen Abstand d angeordnet und stehen sich so gegenüber, daß ihre Schleifrichtungen, 2, 3 sich in einem Winkel von ungefähr 90° schneiden. Die geschliffenen Substrate 11, 12 werden dann entlang ihres Umfangs mit einem Dichtungsmittel abgedichtet, anschließend wird ein nematischer Flüssigkristall mit einer positiven dielektrischen Anisotropie in den zwischen den Substraten 11, 12 gebildeten Raum eingefüllt, wobei die Hauptachsen der Flüssigkristallmoleküle zwischen den Substraten um einen Winkel α, der ungefähr gleich 90° beträgt, gedreht werden, wodurch eine Flüssigkristallzelle entsteht, die Flüssigkristallmoleküle mit einer um 90° gedrehten wendelförmigen Struktur enthält. Ein oberer Polarisator 15 und ein unterer Polarisator 16 sind so oberhalb und unterhalb der Zelle geschichtet, daß ihre Polarisations-(oder Absorptions-)Achsen 8, 9 parallel angeordnet sind zu den entsprechenden Richtungen 2, 3 der Hauptachsen derjenigen Flüssigkristallmoleküle, die entsprechend den oberen bzw. unteren Substraten 11, 12 benachbart sind.

Ein herkömmliches 90°-gedreht-nematisches Flüssigkristallanzeigeelement hat eine unzureichende Kennliniensteilheit γ der gegen die angelegte Spannung aufgetragenen Lichtdurchlässigkeit durch die Flüssigkristallschicht und einen kleinen annehmbaren Bereich der Blickwinkel; dies beschränkt den Umfang der Multiplexität, was bei praktischen Flüssigkristallanzeigeelementen bedeutet, daß die Zahl der Abtastelektroden 64 ist. Neuerdings werden aber für Flüssigkristallanzeigeelemente eine Verbesserung der Anzeigequalität und ein Anstieg der anzuzeigenden Informationsdichte gefordert. Die Kombination einer Flüssigkristallschicht mit einem Drehwinkel α, der größer als 90° ist (z. B. liegt α zwischen 160° und 270°), mit einem Doppelbrechungseffekt hat die Multiplex-Steuercharakteristiken verbessert und es ermöglicht, daß der Umfang der Multiplexität auf ungefähr 200 angestiegen ist, wie offenbart ist im US-Patent Nr. 46 34 229 von H. Amstutz u. a. und im US-Patent Nr. 46 53 861 von Y. Kando u. a. Hier besteht das Problem, daß der Anzeigenhintergrund in diesen Flüssigkristallanzeigeelementen gelb oder dunkelblau ist, weswegen diese Flüssigkristallanzeigeelemente für einige Anwendungen ungeeignet sind. In den Arbeiten "Electro-Optical Performance of a New, Black-White and Highly Multiplexable Liquid Crystal Display" und "High Display Performance Black & White Supertwisted Nematic LCD", Seiten 72 bzw. 391 in SID '87 Digest, wird vorgeschlagen, daß zur Verbesserung der Farbe eines Anzeigenhintergrundes das Produkt Δ n · d der optischen Anisotropie Δ n eines Flüssigkristallmaterials mit der Dicke d (µm) der Flüssigkristallschicht zwischen 0,4 und 0,6 gewählt wird, was bedeutet, daß es kleiner ist als dasjenige in den herkömmlichen Flüssigkristallanzeigen. Die Anzeige ist aber nicht in schwarz, und der Anzeigenhintergrund ist nicht ausreichend weiß, sondern bläulich.

Im US-Patent Nr. 45 41 693 von P. Knoll u. a. wird vorgeschlagen, in das Flüssigkristallmaterial ein leichtblaues dichromatisches Farbmaterial zu mischen, um die verbleibende Durchlässigkeit im roten Bereich zu vermindern.

Weiterhin wird in der parallelen US-Veröffentlichung Nr. 8 88 429, die der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-31 822 entspricht, vorgeschlagen, einen Farbpolarisator zu verwenden, um die Wellenlängenabhängigkeit der optischen Durchlässigkeit zu kompensieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Flüssigkristallanzeigeelement zu schaffen, das mit hoher Multiplexität gesteuert werden kann und eine schwarze Anzeige auf einem ausreichend weißen Hintergrund bei ausgezeichneter Anzeigequalität aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Flüssigkristallanzeigeelement, in dem der Drehwinkel α der wendelförmigen Struktur der Flüssigkristallmoleküle in einem Bereich zwischen 180° und 300° liegt, in dem das Produkt Δ n · d der Dicke d (µm) der Flüssigkristallschicht mit der optischen Anisotropie Δ n des Flüssigkristallmaterials in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,7 liegt, in dem ein Paar von Polarisatoren so vor und hinter der wendelförmigen Struktur der Flüssigkristallmoleküle angeordnet ist, daß die Polarisations-(oder Absorptions-)Achsen der Polarisatoren in vorbestimmten Winkeln gegen die Hauptachsen der den Elektrodensubstraten benachbarten Flüssigkristallmoleküle, also gegen die entsprechenden Ausrichtungsrichtungen der Flüssigkristallmoleküle auf den Elektrodensubstraten geneigt sind, und in dem der Flüssigkristallschicht dichromatische Farbstoffe zugefügt sind, so daß die Wellenlängenabhängigkeit des Durchlaßgrades durch die Flüssigkkristallzelle kompensiert wird, woraus sich ergibt, daß das aus dem Element austretende Licht, das sonst farbig wäre, angenähert farblos oder achromatisch ist.

Um das aus dem Element austretende Licht farblos zu machen, reicht es nicht aus, das Produkt Δ n · d der optischen Anisotropie Δ n des Flüssigkristallmaterials mit der Dicke d (µm) der Flüssigkristallschicht im Bereich zwischen 0,3 und 0,7 zu wählen, weil eine gewisse Wellenlängenabhängigkeit des Durchlaßgrades bleibt und also das durchgelassene Licht farbig ist; das Hinzufügen gewisser dichromatischer Farbstoffe zu der Flüssigkristallschicht bewirkt, daß das aus dem Element austretende Licht angenähert und ausreichend farblos ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines gedreht- nematischen Flüssigkristallanzeigeelements, die der Erklärung des Zusammenhangs zwischen der Anordnungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle, der Drehrichtung und den Achsen der Polarisatoren dient;

Fig. 2 eine Darstellung, die der Erklärung des allgemeinen Zusammenhangs zwischen der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle auf den Elektrodensubstraten, der Drehrichtung der Flüssigkristallmoleküle und den Achsen der Polarisatoren in einem erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeigeelement dient;

Fig. 3a und 3b die Querschnitte des erfindungsgemäßen Anzeigeelements, welche die Orientierung der Hauptachsen der Flüssigkristallmoleküle und der dichromatischen Moleküle in einem AUS-Zustand bzw. in einem EIN-Zustand zeigen;

Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung für den Fall einer konkreten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 den spektralen Durchlaßgrad eines Flüssigkristallanzeigeelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 die Kennlinie des Kontrastverhältnisses gegen den Winkel β₃ eines Flüssigkristallanzeigeelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 die Kennlinien des Kontrastverhältnisses gegen den Durchlaßgrad und gegen Δ n · d eines Flüssigkristallanzeigeelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 und 9 die Kennlinien des Durchlaßgrades gegen die Wellenlänge eines Vergleichsbeispiels eines Flüssigkristallanzeigeelements,

Fig. 10 den spektralen Durchlässigkeitsgrad eines Flüssigkristallanzeigeelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 11 die Kennlinien des Durchlaßgrades gegen die Wellenlänge eines Filters, der für die Verbesserung der Durchlaßkennlinie des Flüssigkristallanzeigeelements in einer Ausführungsform der Erfindung in Gebrauch ist.

Jetzt werden die Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei gleiche Bezugsziffern in allen Figuren und in der Beschreibung strukturell oder funktionell identische oder entsprechende Teile bezeichnen.

Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen den Flüssigkristallanordnungsrichtungen (d. h. Schleifrichtungen) der Elektrodensubstrate, der Drehrichtung der Flüssigkristallmoleküle und den Polarisations-(oder Absorption-)Achsen der Polarisatoren eines erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeigeelements, wenn das Flüssigkristallanzeigeelement von oben betrachtet wird. Die Fig. 3 (a) und 3 (b) sind Querschnitte des erfindungsgemäßen Anzeigeelements und zeigen die Orientierung der Hauptachsen der Flüssigkristallmoleküle und der dichromatischen Farbstoffmoleküle ohne an die Flüssigkristallschicht angelegte Spannung bzw. mit an diese Flüssigkristallschicht angelegter Spannung.

Eine Drehrichtung 10 (bezeichnet durch einen gekrümmten Pfeil) und ein Drehwinkel α von Flüssigkristallmolekülen 17 werden definiert durch die Anordnungs- oder Schleifrichtung 2 eines Richtfilms 21 auf dem oberen Elektrodensubstrat 11, durch die Anordnungs- oder Schleifrichtung 3 eines Richtfilms 22 auf dem unteren Elektrodensubstrat 12 und durch die Art und die Menge der zu dem nematischen Flüssigkristall 50 zugefügten chiralen Substanz. Insbesondere wird die Drehrichtung bestimmt durch die Art der chiralen Substanz. Der Drehwinkel α wird bestimmt durch die Schleifrichtungen 2 und 3 der oberen und unteren Elektrodensubstrate 11 und 12. Die Stabilität der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle wird bestimmt durch eine spezifische Ganghöhe der chiralen Substanz, durch deren Menge und durch die Dicke einer Flüssigkristallschicht.

Der Höchstwert des Drehwinkels α ist begrenzt auf 300°, weil sich die Flüssigkristallstruktur mit einem Drehwinkel größer als 300° so rückorientiert, daß sie Licht streut und als Folge das Kontrastverhältnis der Anzeige verschlechtert, wenn an die Flüssigkristallschicht in einem EIN-Zustand eine Spannung angelegt wird, die gleich oder nahe der Schwellenspannung ist in Kennlinien des Flüssigkristallanzeigeelements, welche die optische Durchlässigkeit gegen die Spannung darstellen, und weil die Flüssigkristallmoleküle sich nicht um einen gewünschten Winkel α drehen, sondern um den Winkel α -180°.

Diese Beschränkung einer Drehung hängt hauptsächlich ab von

(1) einem in Fig. 3 (a) mit δ bezeichneten Neigungswinkel bezüglich des Richtfilms 21 oder 22, gemäß dem sich die dem geschliffenen Richtfilm 21 oder 22 benachbarten Flüssigkristallmoleküle 17 ausrichten, und von
(2) der Art und der Menge der dem Flüssigkristallmaterial zugefügten chiralen Substanz.

Für größere Drehwinkel α sind vergleichsweise höhere Neigungswinkel erforderlich, wobei für einen Drehwinkel von 200° ein Neigungswinkel zwischen 1,5° und 2°, für einen Drehwinkel von 240° ein Neigungswinkel zwischen 4° und 5° und für einen Drehwinkel von 260° ein Neigungswinkel zwischen 5,5° und 6,5° üblicherweise mindestens erforderlich sind.

Solche vergleichsweise hohen Neigungswinkel werden erzielt durch das Überziehen des Substrates mit einem Polyimidharz RN-346 oder RN-422, hergestellt von Nissan Chemical Co. Ltd. (Japan) oder mit einem Polyimidharz LQ1800, hergestellt von Hitachi Chemical Co. Ltd. (Japan), durch Erhitzen und durch das Schleifen des Filmes, wobei vorzugsweise ein leicht zu drehendes Flüssigkristallmaterial gewählt wird. Der höchste Drehwinkel α ist begrenzt auf 300° wegen der Richtfilme und dem Flüssigkristallmaterial, der kleinste Drehwinkel ist begrenzt auf 180°, wenn das Anzeigekontrastverhältnis annehmbar sein soll.

Der Winkel β₃ zwischen einer Polarisations-(oder Absorptions-) Achse 8 des oberen Polarisators 15 und einer Polarisations- (oder Absorptions-)Achse 9 des unteren Polarisators 16 liegt im Hinblick auf das Anzeigekontrastverhältnis, die Helligkeit, die Farbe und ähnliches vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0° und 70°.

Für die Optimierung der Anzeigefärbung ist vorzugsweise eine Polarisationsachse unter den Polarisations- und Absorptionsachsen der Achsenanordnung der Polarisatoren zu betrachten.

Wie in den Fig. 3 (a) und 3 (b) gezeigt, wird in die Flüssigkristallmoleküle 17 enthaltende Flüssigkristallschicht 50 eine kleine Menge dichromatischer Farbstoffe, z. B. schwarze Farbstoffe, hinzugefügt, um das aus dem Flüssigkristallanzeigeelement austretende Licht farblos oder achromatisch zu machen.

Die Fig. 3 (a) erläutert den AUS-Zustand des Flüssigkristallanzeigeelements, in dem keine Spannung entlang der Flüssigkristallschicht 50 angelegt ist. Die Flüssigkristallmoleküle 17 und die dichromatischen Farbstoffe 18 richten sich in einem verhältnismäßig kleinen Winkel in bezug auf die oberen und unteren Elektrodensubstrate 11 bzw. 12 aus, wodurch die dichromatischen Farbstoffe 18 einen großen Teil des Lichtes absorbieren, das von einer unter dem unteren Polarisator 16 angeordneten Rücklichtquelle 30 aus durch die Flüssigkristallschicht 50 hindurchgeht, so daß das aus dem Flüssigkristallanzeigeelement austretende Licht farblos wird.

Fig. 3 (b) erläutert den EIN-Zustand des Flüssigkristallanzeigeelements, in dem eine ausreichend hohe Spannung entlang der Flüssigkristallschicht 50 angelegt ist. Wenn von einer Spannungsquelle 49 über die oberen und unteren Elektroden 19 bzw. 20 eine ausreichend große Spannung entlang der Flüssigkristallschicht 50 angelegt wird, so richten sich sowohl die dichromatischen Farbstoffe 18 als auch die Flüssigkristallmoleküle 17 in einem relativ größeren Winkel in bezug auf die oberen und unteren Elektrodensubstrate 11 bzw. 12 aus, wodurch die dichromatischen Farbstoffe 18 einen relativ kleineren Teil des von der Rücklichtquelle 30 durch die Flüssigkristallschicht 50 hindurchgehenden Lichtes absorbieren.

Daher macht ein Flüssigkristallanzeigeelement, das eine wie in den Fig. 2 und 3 gezeigte Struktur hat, das Licht, das von dem Flüssigkristallanzeigeelement austritt, farblos und schafft eine Anzeige von hoher Qualität.

In den vorangegangenen Erläuterungen ist das Prinzip des Betriebs des erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeigeelements erklärt worden anhand der Betrachtung des Unterschieds zwischen den zwei Zuständen ohne und mit angelegter Spannung über die Flüssigkristallschicht. Wenn die Spannung über die Flüssigkristallschicht von 0 Volt ausgehend erhöht wird, dann zeigt die Flüssigkristallschicht die folgenden Durchlaßgradeigenschaften. Bei Anlegen einer Spannung unterhalb einer bestimmten Spannung (im folgenden bezeichnet als EIN-Spannung) ist der optische Durchlaßgrad der Flüssigkristallschicht so klein, daß das Flüssigkristallanzeigeelement praktisch als undurchlässig betrachtet werden kann, bei Anlegen einer Spannung oberhalb dieser besonderen Spannung über die Flüssigkristallschicht ist der optische Durchlaßgrad ausreichend dafür, daß das Anzeigeelement praktisch als durchlässig betrachtet werden kann. Umgekehrt kann mit einer geeigneten Anordnung der Polarisationsachsen eines Paars von unterhalb und oberhalb der Flüssigkristallschicht aufgeschichteten Polarisatoren durch Anlegen einer Spannung unterhalb der besonderen Spannung (EIN-Spannung) das Anzeigeelement durchlässig und durch Anlegen einer Spannung oberhalb der EIN-Spannung undurchlässig gemacht werden. Aus diesem Grunde wird in der folgenden Erläuterung der Zustand, in dem eine Spannung oberhalb der EIN-Spannung über die Flüssigkristallschicht angelegt wird, als EIN- Zustand bezeichnet und der Zustand, in dem eine Spannung unterhalb der EIN-Spannung über die Flüssigkristallschicht angelegt wird, als AUS-Zustand bezeichnet.

Ausführungsbeispiel 1

In den Fig. 3 und 4 haben die Parameter der Anordnung folgende Größe:

Dicke der Flüssigkristallschicht: d = 6,3 µm;
Drehwinkel: α = 260°;
Winkel der Polarisationsachse 8 des oberen Polarisators 15 in bezug auf die Schleifrichtung 2 auf dem oberen Elektrodensubstrat 11: β₁ = 140°;
Winkel der Polarisationsachse 9 des unteren Polarisators 16 in bezug auf die Schleifrichtung 3 auf dem unteren Elektrodensubstrat 12: β₂ = 10°;
Winkel der Polarisationsachse 8 des oberen Polarisators 15 in bezug auf die Polarisationsachse 9 des unteren Polarisators 16: β₃ = 30°;

hierbei und im folgenden werden alle bezeichneten Winkel im positiven Uhrzeigersinn gezählt.

Das Flüssigkristallmaterial besitzt als Hauptkomponente einen Fluor enthaltenden nematischen Flüssigkristall

z. B. die nematische Flüssigkristall-Mischung HA-4021, hergestellt von Chisso Chemical Co. (Japan), dem 0,8 Gew.-% der chiralen Substanz S811, verkauft von Merck in Westdeutschland

zugefügt sind, woraus sich ein Verhältnis der Flüssigkristallschichtdicke d zu der natürlichen Ganghöhe des Flüssigkristallmaterials P zu 0,58 ergibt; dem Flüssigkristallmaterial sind weiterhin als dichromatischer Farbstoff 18,2 Gew.-% eines schwarzen Farbstoffs hinzugefügt, der besteht aus einem gelben Azofarbstoff G206 (24 Gew.-%), aus einem rötlichen Purpurazofarbstoff G239 (6 Gew.-%), einem roten Azofarbstoff G241 (20 Gew.-%), einem bläulichen Purpurazofarbstoff Gg256 (7 Gew.-%), einem blauen Anthraquinonfarbstoff LCD235 (21 Gew.-%) und aus einem blauen Anthraquinonfarbstoff LCD3318 (22 Gew.-%), die alle hergestellt werden von Mitsubishi Chemical Co. (Japan).

Die optische Anisotropie Δ n dieser Flüssigkristallmischung ist, gemessen vor dem Hinzufügen des dichromatischen Farbstoffs, angenähert 0,08, das Produkt Δ n · d der optischen Anisotropie Δ n der Flüssigkristallschicht mit der Flüssigkristallschichtdicke d ist angenähert 0,5.

Fig. 5 zeigt die Durchlaßgradcharakteristik dieser Ausführungsform. Sowohl im EIN-Zustand als auch im AUS-Zustand sind die Durchlaßgrad-gegen-Wellenlänge-Kurven angenähert flach. Der Durchlaßgrad im EIN-Zustand ist ziemlich niedrig, was in der Praxis aber keine Probleme mit sich bringt, wenn das Flüssigkristallanzeigeelement mit einer Elektrolumineszenzlichtquelle, mit einer Kaltkathodenlampe oder mit einer Glühkathodenlampe als Rücklichtquelle 30 betrieben wird.

Daher erzeugt das Flüssigkristallanzeigeelement eine schwarze Anzeige (AUS-Zustand) auf einem weißen Hintergrund (EIN- Zustand), wobei ein Flüssigkristallbereich im AUS-Zustand der anzuzeigenden Information entspricht und ein Flüssigkristallbereich im EIN-Zustand dem Anzeigenhintergrund entspricht, wenn das Flüssigkristallanzeigeelement in negativer Anzeigeart betrieben wird.

Fig. 6 zeigt die Kennlinie des Anzeigekontrastverhältnisses gegen den Winkel β₃, wenn der Winkel β₃ in der Flüssigkristallanzeigeelementzelle der Ausführungsform 1 bei einem Drehwinkel α = 260° und dem Winkel β₂ = 10° zwischen -20° und 100° verändert wird.

In praktischen Anzeigeelementen wird von dem Kontrastverhältnis gefordert, daß es größer als 3 ist, weswegen der Winkel β₃ vorzugsweise in einem Bereich von 0° bis 70° liegt.

Fig. 7 zeigt die Kennlinien des Anzeigekontrastverhältnisses gegen Δ n · d und des optischen Durchlaßgrades (bei einer Wellenlänge von 550 nm) gegen Δ n · d, wenn das Produkt Δ n · d der optischen Anisotropie Δ n und der Flüssigkristallschichtdicke d von 0,2 µm bis 0,8 µm verändert wird, wobei die Werte gemessen werden vor dem Hinzufügen der dichromatischen Farbstoffe und die Flüssigkristallmaterialien gegenüber jenen der Ausführungsform 1 modifiziert werden; hierbei bleiben aber wie in der Ausführungsform 1 der Drehwinkel α = 260°, der Winkel β₁ = 140°, der Winkel β₂ = 10° und der Winkel β₃ = 30°. Für Δ n · d kleiner als 0,3 µm wird der Durchlaßgrad unzureichend.

In einem dichromatischen Farbstoff, der das aus dem Flüssigkristallanzeigeelement austretende Licht farblos macht, sollte das dichromatische Verhältnis größer sein als 6 und vorzugsweise größer als 8, woei das dichromatische Verhältnis R definiert ist als A _||/A _⟂ und A _|| den Absorptionsgrad bei einer Wellenlänge darstellt, die maximaler Absorption von in einer parallel zur Orientierung der Flüssigkristallmoleküle liegenden Ebene linear polarisiertem Licht durch den Farbstoff entspricht, und A _⟂ den Absorptionsgrad bei einer Wellenlänge darstellt, die maximaler Absorption von in einer senkrecht zur Orientierung der Flüssigkristallmoleküle liegenden Ebene linear polarisiertem Licht durch den Farbstoff entspricht; der molekulare Extinktionskoeffizient eines Farbstoffes sollte größer sein als 10⁴.

Vergleichsbeispiel 1

Fig. 8 zeigt die spektrale Durchlaßgradkennlinie, wenn der Flüssigkristallschicht keine Farbstoffe zugefügt sind und wie in der Ausführungsform 1 der Drehwinkel α = 260°, der Winkel β₁ = 140°, der Winkel β₂ = 10°, der Winkel β₃ = 30° und Δ n · d = 0,5 ist. Dies weist darauf hin, daß das Anzeigekontrastverhältnis unzureichend ist, weil der Durchlaßgrad im AUS-Zustand ohne die optische Absorption durch Farbstoffe ziemlich hoch ist.

Vergleichsbeispiel 2

In einem Flüssigkristallanzeigeelement, in dem der Flüssigkristallschicht keine Farbstoffe zugefügt sind, in dem aber wie in der Ausführungsform 1 der Drehwinkel α = 260° und Δ n · d = 0,5 ist, wird die zur Erreichung eines ausreichenden Anzeigekontrastverhältnisses optimierte Anordnung der Polarisationsachsen der Polarisatoren erreicht bei einem Winkel β₁ = 115°, einem Winkel β₂ = 15° und einem Winkel β₃ = 50°. Der Unterschied der Positionen der Polarisationsachsen der Polarisatoren gegenüber jenen in der Ausführungsform 1 wird betrachtet als Folge der durch Weglassung der Farbstoffe in der Flüssigkristallschicht verursachten Änderungen in Δ n und in der Polarisation. Fig. 9 zeigt den spektralen Durchlaßgrad dieses Vergleichsbeispiels. Die Durchlaßgradkurve im AUS-Zustand hat ziemlich hohe Werte bei kürzeren Wellenlängen, das von dem Element durchgelassene Licht ist im AUS-Zustand bläulich.

Ausführungsform 2

In dem Flüssigkristallanzeigeelement, in dem der Winkel β₁ = 130°, der Winkel β₂ = 0°, der Winkel β₃ = 30° ist und alle anderen Parameter dieselben sind wie in der Ausführungsform 1, wird der Durchlaßgrad noch niedriger als jener in Fig. 5, das durchgelassene Licht wird jedoch farbloser. Daher kann dort, wo eine helle Rücklichtquelle zur Verfügung steht, ein Anzeigeelement mit einem größeren Anzeigekontrastverhältnis erhalten werden.

Ausführungsform 3

Das Flüssigkristallanzeigeelement, in dem der Winkel β₁ = 150°, der Winkel β₂ = 10°, der Winkel β₃ = 40° ist und alle anderen Parameter dieselben sind wie in der Ausführungsform 1, kann in dunkelblau anzeigen und bietet die Möglichkeit der Veränderung der Anzeigefarbe. Fig. 10 zeigt den spektralen Durchlaßgrad des Anzeigeelementes; hieraus geht hervor, daß das Anzeigeelement dieser Ausführungsform in dunkelblau auf weißem Hintergrund anzeigen kann, wenn es in einer oben beschriebenen negativen Anzeigeart betrieben wird.

Es hat sich herausgestellt, daß es bei Anzeigeelementen praktisch kein Problem gibt in Beziehung auf die Farbe und das Kontrastverhältnis, wenn der Winkel β₃ der Polarisations- (oder Absorptions-)Achse 8 eines oberen Polarisators 15 in bezug auf eine Polarisations-(oder Absorptions-) Achse 9 eines unteren Polarisators 16 in einem Bereich zwischen 0° und 70°, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10° und 50° liegt.

Vorzugsweise hat wenigstens einer der Winkel β₁ oder β₂ einen Absolutwert (positiv gezählt im Uhrzeigersinn und negativ gezählt im Gegenuhrzeigersinn), der kleiner ist als 30°. Für einen kleinen Wert von Δ n · d wird der Anzeigenhintergrund dunkel, er wird heller für einen großen Wert von Δ n · d; eine allgemeine Betrachtung der Kennlinien ergibt, daß praktisch annehmbare Anzeigen erzielt werden können, wenn Δ n · d in einem Bereich zwischen 0,3 µm und 0,7 µm und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,4 µm und 0,6 µm liegt.

In den vorausgegangenen Ausführungsformen wurden der Flüssigkristallschicht 0,2 Gew.-% eines schwarzen dichromatischen Farbstoffes zugefügt. Wenn weiterhin 1 Gew.-% eines blauen dichromatischen Farbstoffes (beispielsweise einen blauen dichromatischen Farbstoff LCD235, hergestellt von Mitsubishi Chemical Co., Japan) der Flüssigkristallmischung der Ausführungsform 1 zugefügt wird, woraus sich ein bläulichschwarzer Farbstoff ergibt, dann erzeugt das Flüssigkristallanzeigeelement einen schwarzen Bereich im AUS-Zustand und einen leichtbläulichen Bereich im EIN-Zustand, welcher für das menschliche Auge weißer erscheint. Als dichromatische Farbstoffe, die der Flüssigkristallschicht des erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeigeelements zugefügt werden, haben 0,5 bis 4 Gew.-% schwarzer oder dunkelblauer Farbstoffe ihre Wirksamkeit bewiesen.

Dichromatische Farbstoffe, die der Flüssigkristallschicht zugefügt werden, sind nicht beschränkt auf schwarze oder dunkelblaue dichromatische Farbstoffe. Dichromatische Farbstoffe mit einer spektralen Durchlaßgradkennlinie, die angenähert komplementär ist zu jenen, die einer Flüssigkristallschicht ohne zugefügte Farbstoffe entsprechen, sind ebenfalls wirksam.

Wenn einem Polarisator ein blaues oder leicht blaues Filter überlagert wird, das, wie in Fig. 11 gezeigt, eine aspektrale Durchlaßgradkennlinie hat, so zeigt das erfindungsgemäße Flüssigkristallanzeigeelement in schwarz an auf einem weiter verbesserten weißen Hintergrund.

Das gemessene Kontrastverhältnis des Flüssigkristallanzeigeelements der Ausführungsform 1 war 20. Im Falle eines Drehwinkels α = 240° wird das Anzeigekontrastverhältnis 10 infolge der gegenüber dem Fall eines Drehwinkels α = 260° kleineren Steilheit γ der optischer Durchlaßgrad-gegen- Spannung-Kurve, aber diese Verminderung des Kontrastverhältnisses ist in der Praxis annehmbar. Es hat sich herausgestellt, daß der Drehwinkel α im Hinblick auf das Kontrastverhältnis vorzugsweise in einem Bereich zwischen 220° und 270° liegt.

In den vorausgegangenen Ausführungsformen war eine Flüssigkristallmischung in Gebrauch, die ein Fluor als Hauptkomponente enthaltender nematischer Flüssigkristall

aufweist; es können andere Flüssigkristallmischungen verwendet werden, falls Δ n · d angesetzt wird zwischen 0,3 µm und 0,7 µm, wodurch ähnliche Vorteile wie in den vorausgegangenen Ausführungsformen und kleine Unterschiede in den Eigenschaften erzielt werden.

In den vorausgegangenen Ausführungsformen wurde eine linkshändige chirale Substanz S811 verwendet, es können aber mit ähnlichen Vorteilen auch rechtshändige chirale Substanzen Verwendung finden.

In den vorausgegangenen Erläuterungen ist das Ausrichten der Flüssigkristallmoleküle bewerkstelligt worden durch das Überziehen der Elektrodensubstrate mit einem Polyimidharz und durch das Schleifen des Überzugfilms, es kann aber auch bewerkstelligt werden, wie im US-Patent Nr. 41 65 923 von J. L. Janning beschrieben, durch schräge Vakuumaufdampfung von SiO oder ähnlichem auf die Elektrodensubstrate.

Die in den Ausführungsformen verwendeten Polarisatoren sind "Highly Polarized Polarizer" G1225DU, deren Durchlaßgrad 44% beträgt und deren Polarisationsgrad 99,5% ist, oder G1220DU, deren Durchlaßgrad 41,5% beträgt und deren Polarisationsgrad 99,9% ist, hergestellt von Nitto Denko Co. Ltd., Japan. Im Hinblick auf die Helligkeit der Anzeige werden in dem erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeigeelement vorzugsweise Polarisatoren verwendet, die einen hohen Durchlaßgrad und einen hohen Polarisationsgrad besitzen.

Das erfindungsgemäße Flüssigkristallanzeigeelement stellt ein Anzeigeelement dar, das in schwarz auf einem weißen Hintergrund anzeigen kann in einer hochmultiplexen Steuerart.

Claims

1. Flüssigkristallanzeigeelement, das
ein Paar von einander gegenüberliegenden Elektrodensubstraten,
eine dazwischen angeordnete Flüssigkristallschicht, und
ein Paar von den Elektrodensubstraten auf beiden Seiten der Flüssigkristallschicht benachbart angeordneten Polarisatoren aufweist,
wobei die Flüssigkristallschicht einen eine positive dielektrische Anisotropie aufweisenden nematischen Flüssigkristall enthält, dem eine chirale Substanz zugefügt ist, und
wobei jede der Elektroden eine Oberflächenstruktur besitzt, welche die dem Elektrodensubstrat benachbarten Moleküle des Flüssigkristalls in einer vorbestimmten Richtung ausrichtet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkristallschicht (50) eine in einem Bereich zwischen 160° und 300° gedrehte, in Richtung der Dicke d der Schicht (50) wendelförmige Struktur besitzt,
daß das Produkt Δ n · d der Dicke d (µm) mit einer optischen Anisotropie Δ n der Flüssigkristallschicht (50) in einem Bereich zwischen 0,3 µm und 0,7 µm liegt,
daß die Achse (8, 9) jedes Polarisators (15, 16) um einen vorbestimmten Winkel (β₁, b₂) in bezug auf die Flüssigkristallanordnungsrichtung (2, 3) des den Polarisatoren (15, 16) benachbarten Elektrodensubstrates (11, 12) geneigt ist, und
daß der Flüssigkristallschicht (50) ein dichromatischer Farbstoff (18) zugefügt ist, der eine die Farbe kompensierende Spektralcharakteristik besitzt, wobei diese das Ergebnis eines Doppelbrechungseffektes ist, der sich ergibt durch den Winkel (β₁, β₂) zwischen der Achse des Polarisators und der Flüssigkristallanordnungsrichtung (2, 3) des Elektrodensubstrates (11, 12), so daß das aus dem Element austretende Licht angenähert achromatisch wird.

2. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dichromatische Farbstoff ein schwarzer dichromatischer Farbstoff ist.

3. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristallschicht (50) zwischen 0,5 und 4 Gew.-% des schwarzen dichromatischen Farbstoffes zugefügt werden.

4. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dichromatische Farbstoff ein dunkelblauer dichromatischer Farbstoff ist.

5. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristallschicht (50) zwischen 0,5 und 4 Gew.-% des blauen dichromatischen Farbstoffes zugefügt werden.

6. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (b₃) zwischen den Achsen (8, 9) des Paars von Polarisatoren (15, 16) in einem Bereich zwischen 0° und 70° liegt.

7. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (β₃) zwischen den Achsen (8, 9) des Paars von Polarisatoren (15, 16) in einem Bereich zwischen 10° und 50° liegt.

8. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dichromatische Verhältnis (R) des dichromatischen Farbstoffes (18) größer ist als 6.

9. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Extinktionskoeffizient des Farbstoffes (18) größer ist als 10⁴.

10. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem der beiden Polarisatoren (15, 16) ein blaues Filter überlagert ist.

11. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der vorbestimmten Winkel (β₁, β₂), der die Neigung der Achse (8 oder 9) des Polarisators (15 oder 16) in bezug auf die Flüssigkristallmolekül- Anordnungsrichtung (2 oder 3) des Elektrodensubstrats (11 oder 12) angibt, kleiner als 30° ist.

12. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Achse (8 oder 9) eine Polarisationsachse ist.

13. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Achse (8 oder 9) eine Absorptionsachse ist.

14. Flüssigkristallanzeigeelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallanzeigeelement so gesteuert wird, daß es einem AUS-Zustand der Flüssigkristallschicht (50) entsprechende dunkle Symbole und einen einem EIN- Zustand der Flüssigkristallschicht (50) entsprechenden hellen Hintergrund erzeugt.