DE69816481T2

DE69816481T2 - Bistabile nematische flüssigkristallvorrichtung

Info

Publication number: DE69816481T2
Application number: DE69816481T
Authority: DE
Inventors: Clifford John Malvern JONES; Emma Louise Malvern WOOD; Guy Peter Malvern BRYAN-BROWN
Original assignee: ZBD Displays Ltd
Current assignee: ZBD Displays Ltd
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: DE69816481D1; CN1285050A; GB0013952D0; EP1042702B1; JP2002500383A; GB2346978A; EP1042702A1; GB2346978B; KR20010033545A; WO1999034251A1; AU1572599A; GB9727142D0; ATE245285T1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf bistabile nematische oder chiralisch-nematische Flüssigkristallvorrichtungen, und insbesondere auf Anzeigevorrichtungen für einen hohen Informationsgehalt.
Flüssigkristallvorrichtungen weisen üblicherweise eine dünne Schicht aus Flüssigkristallmaterial zwischen optisch transparenten Zellwänden auf. Diese Wände sind üblicherweise auf der Innenseite mit transparenten, leitfähigen Schichten bedeckt, so dass ein externes elektrisches Feld daran angelegt werden kann, wobei bei Vorrichtungen mit Elektroden in der Ebene auch Metallstreifen hierfür verwendet werden können. Einige Flüssigkristallvorrichtungen weisen außerdem Halbleiterbereiche entlang der Elektroden auf, um nicht-lineare Elemente wie Dünnschichttransistoren (TFT) zu bilden. Die Elektroden werden oft in einer x, y-Matrix mit adressierbaren Elementen oder Pixeln angeordnet, obgleich auch andere Anordnungen möglich sind, einschließlich segmentierter oder rθ-Anzeigen. Obgleich jedes Pixel durch eine individuelle Elektrode oder Elektroden angesteuert werden kann, werden komplexe Vorrichtungen (d.h. solche mit großer Anzahl von Pixeln) üblicherweise durch Anordnen eines Substrats mit einer Folge von Zeilenelektroden und einer anderen Folge von Spaltenelektroden elektrisch angesteuert, so dass jeweils ein Pixel an der Schnittstelle von Zeilen und Spalten gebildet wird.
Andere Schichten können auf der Innenseite der Vorrichtung vorgesehen werden, einschließlich Farbfiltern, Planarisierungs- und Barriereschichten. Die innerste Fläche jedes Pixels besteht üblicherweise aus einer Orientierungsschicht, die für die erforderliche Orientierung des Flüssigkristall-Direktors sorgt. Diese Oberflächenschicht wechselwirkt mit den Molekülen in dem Flüssigkristall, und die Ausrichtung überträgt sich auf den Kern der Probe mittels elastischer Kräfte in dem Flüssigkristallmaterial.
Bei nematischen Flüssigkristallen gibt es eine Anzahl von möglichen Oberflächenkonfigurationen. Bestimmte oberflächenaktive Stoffe führen dazu, dass der Direktor im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche liegt, was als "homeotrope" Ausrichtung bezeichnet wird. Alternativ kann der Direktor im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche liegen, "planare" Ausrichtung, oder irgendeinen Winkel dazwischen einnehmen (oft als vorgewinkelt bezeichnet), "gewinkelte" Ausrichtung. Bei den Vorrichtungen mit planarer oder gewinkelter Ausrichtung ist es üblicherweise außerdem notwendig, dass die Entartung der Ausrichtung bezüglich der Oberflächennormalen beseitigt wird, so dass es nur eine einzige Orientierung des Direktors gibt.
Verschiedene Verfahren wurden in der Literatur vorgeschlagen, um eine planare homogene und gewinkelte homogene Ausrichtung zu erzielen. Beispielsweise führt das schräge Aufdampfen von anorganischen Schichten wie Siliziummonoxid (SiO_x) oder Magnesiumfluorid (MgF) entweder zu einer planaren homogenen oder zu einer gewinkelten homogenen Ausrichtung, je nach Prozessbedingungen. Das Aufdampfen von SiO bei 60° bezüglich der Oberflächennormalen führt zu einer planaren Ausrichtung in der Richtung senkrecht zur Ebene des Aufdampfens, während ein Aufdampfwinkel von 85° zu einer Neigung (üblicherweise etwa 25° bis 30°) in der Verdampfungsebene führt.
Die planare oder gewinkelte Ausrichtung wird in der Praxis üblicherweise dadurch erreicht, dass die Oberfläche mit einem geeigneten Polymer, wie zum Beispiel Polyimid, beschichtet wird und mit einem Tuch gerieben wird, um die gewünschte Richtung der Oberfläche zu erreichen. Dies führt im Allgemeinen zu einer Vorwinkel zwischen 0,1° und 8° gegenüber der Oberflächenebene, je nach Polymer, Reibungsbedingungen und anderen Prozessbedingungen, einschließlich der Ausbacktemperaturen (obgleich Neigungen zwischen 0° und 90° ebenfalls bei bestimmten Polymeren möglich sind). Alternativ kann eine planare homogene Ausrichtung herbeigeführt werden durch eine periodische Gitterstruktur in einer planaren Oberfläche. Die niedrigste elastische Energie eines nematischen Flüssigkristalls wird dann erreicht, wenn der Direktor parallel zu der Achse des Gitters steht. Die gewinkelte homogene Ausrichtung ist auch möglich mit einer Doppelgitteroberfläche, bei der eines oder beide der überlagerten Gitter asymmetrisch sind oder mit einem Blaze versehen sind.
Kürzlich wurde eine Anzahl von neuartigen Oberflächen beschrieben, bei denen es mehr als eine stabile Richtung des nematischen Direktors gibt. Das erste Beispiel einer bistabilen Oberfläche wurde von Durand et al. in WO91/11747 (1991) und WO92/00546 (1991) beschrieben. Bei diesen Vorrichtungen wird die Dicke und die Aufdampfung von SiO-Schichten sorgfältig überwacht, und es wurde gezeigt, dass dies zu zwei stabilen Oberflächenorientierungen führt: Die erste ist planar, und die zweite hat einen Azimut-Winkel (d. h. in der Ebene der Oberfläche) von 90° zu der ersten Orientierung, zeigt jedoch unter einem Winkel von etwa 30° aus der Oberflächenebene heraus. Ein für die Praxis tauglicherer Ansatz zum Erreichen von azimutalen, bistabilen Oberflächenzuständen wird in GB 2 286 467 beschrieben. Dabei wird eine mit Blaze versehene Doppelgitteroberfläche verwendet, bei der der lokale Direktor planar zu der Oberfläche steht und die beiden Oberflächenorientierungen durch peinlich genaue Überwachung der Gitterabstände, -amplituden und der Blaze-Eigenschaft stabilisiert werden.
Eine neuartige Oberfläche wurde in der britischen Patentanmeldung PCT/GB96/02463 beschrieben, wo eine Einfachgitteroberfläche mit homeotroper lokaler Direktororientierung zu zwei stabilen Zuständen mit verschiedenen Neigungswinkeln führt, die sich jedoch in derselben Azimut-Ebene befinden. Diese Oberfläche wird für die Herstellung einer bistabilen Zenit-Vorrichtung (Zenithal Bistable Device, ZBD) verwendet. Diese Oberfläche kann entweder durch Herstellen des Gitters in einer Schicht, was zu einer spontanen homeotropen Orientierung des Flüssigkristallmaterials führt, oder, in der Praxis tauglicher, durch Überdeckung der Gitteroberfläche mit einem geeigneten Mittel zur Herbeiführung einer homeotropen Ausrichtung erzeugt werden.
Das Anlegen eines elektrischen Feldes über die Flüssigkristallvorrichtungen kann einen von mehreren Effekten zur Folge haben. Viele Vorrichtungen beruhen auf der inhärenten dielektrischen Anisotropie (Δε) des Flüssigkristalls (Δε = ε ∥⁣ –ε⊥, wobei ∥⁣ und ⊥ sich auf die parallele bzw. die senkrechte Richtung des Direktors bezieht). Wenn Δε positiv ist, so hat die elektrostatische Energie des Flüssigkristalls ihr Minimum, wenn sich der Direktor parallel zu dem angelegten Feld befindet, während der Direktor sich bei negativem Δε senkrecht zu dem angelegten Feld einstellt. Diese Effekte beziehen sich auf den RMS-Wert des Feldes und sind als solche unabhängig von der Polarität des Feldes. Die meisten Materialien sind über den Betriebsfrequenzbereich der Vorrichtung entweder positiv oder negativ, obgleich bestimmte Materialien entwickelt wurden, die ein "Doppelfrequenz"-Verhalten zeigen, bei dem Δε bei niedrigen Frequenzen in dem elektrischen Frequenzbereich positiv und bei höheren Frequenzen im Betrieb negativ ist.
Kürzlich wurden einige Vorrichtungen beschrieben, bei denen der flexo-elektrische Effekt eingesetzt wird, der bei vielen Flüssigkristallen zu beobachten ist. Dieser Effekt beruht auf polarer Ordnung der Flüssigkristallmoleküle auf Grund bestimmter elastischer Verwindungen des Flüssigkristalldirektorfeldes. Derartige Effekte beruhen auf dem konstanten Feld und hängen als solche von der Polarität des angelegten elektrischen Feldes ab.
Ein Beispiel für monostabile Flüssigkristallvorrichtungen, bei denen die genannten Prinzipien eingesetzt werden, sind die (super-) gedrehten nematischen (supertwisted nematic, TN, STN) und elektrisch gesteuerten Doppelbrechungsmoden (electrically controlled birefringence, ECB).
Bei TN werden beide Innenflächen der Vorrichtungen behandelt, so dass sich eine gewinkelte homogene (oder planare) Ausrichtung ergibt, aber die Richtungen der gegenüberliegenden Oberflächen werden um einen Winkel zueinander verdreht. Bei Füllung mit einem nematischen Material verdreht sich der Direktor im Kern der Vorrichtung gegenüber beiden Oberflächen. Wenn der Flüssigkristall zwischen Polarisatoren, oder wenn er einen dichroischen Farbstoff enthält, durch einen einzelnen Polarisator belichtet wird, so ist diese Struktur durchsichtig. Wenn nematisches Material mit positiven Δε vorliegt, führt das Anlegen eines elektrischen Feldes dazu, dass sich der Direktor parallel zu dem Feld neu ausrichtet, wodurch die optischen Eigenschaften der Vorrichtung geändert werden. Bei der TN-Vorrichtung sind die Oberflächen so orientiert, dass sich üblicherweise eine Verdrehung von 90° über die Zelle ergibt. Die Flüssigkristalldoppelbrechung Δn und der Zellabstand sind so gewählt, dass die Polarisation des einfallenden Lichtes um 90° gedreht wird, was zu Transmission zwischen gekreuzten Polarisatoren (normalerweise Weißzustand) oder Ausblendung zwischen parallelen Polarisatoren (normalerweise Dunkelzustand) führt. Das angelegte Feld koppelt mit Δε, was zu einer Neigung im Kern der Zelle führt und den Grad der optischen Drehung reduziert, was eine dunklere Transmission im ansonsten weißen Zustand oder eine hellere Transmission im ansonsten dunklen Zustand zur Folge hat.
Die Anzahl der verschiedenen Elemente, die bei einer Multiplex-Vorrichtung adressiert werden können, hängt ab von der Steilheit der Transmission gegenüber der Spannung, wie es von Alt und Pleshko in IEEE Trans. ED, Band ED 21, Seite 146–155 (1974) beschrieben wird. Die Steilheit dieser Kurve kann durch Einbau eines nicht-linearen Elementes, wie zum Beispiel eines TFT bei jedem Pixel oder Ausnutzung des Superverdrillungseffektes (STN), der in US 4596446 beschrieben wird, verbessert werden. Hier wird ein chirales Additiv verwendet, um die spontane Verdrillung des Flüssigkristalls zu ändern und eine Verdrillung zwischen 90° und 270° zu erreichen, wodurch die Transmissions-Spannungskurve steiler gemacht wird.
Eine alternative RMS-adressierte, monostabile Vorrichtung stellt der ECB-Zustand dar. Hier wird eine homeotrope Oberfläche gegenüber einer gewinkelten homogenen Oberfläche mit großer Vorwinkel gegenüber der Oberflächenebene eingesetzt. Diese Vorrichtung wird in Verbindung mit einem Material mit negativem Δε verwendet, so dass das Anlegen eines elektrischen Feldes die Neigung im Kern der Zelle reduziert und die optische Retardierung ändert, was größeren optischen Kontrast bedeutet. Bei jeder dieser Vorrichtungen (vor allem Kontrast, Helligkeit und Betrachtungswinkel) sind Verbesserungen möglich mittels zusätzlicher passiver Retardierungsplatten. Beispielsweise kann die STN-Vorrichtung von blau/weiß oder gelb/schwarz zu schwarz/weiß verändert werden durch Verwendung zweier uniaxialer Retardierungsfilme, die in Bezug auf die Flüssigkristallzelle zwischen den Polarisatoren geeignet orientiert sind. Ein Beispiel für einen bistabilen nematischen Flüssigkristall, bei dem Oberflächenbistabilität genutzt wird, ist die bistabile Zenit-Vorrichtung aus der britischen Patentanmeldung WO97/144990, PCT/GB96/02463 (GB521106.6), im Folgenden +ZBD genannt. Eine oder beide Oberflächen werden bearbeitet, so dass sich zwei bistabile Zustände in derselben Azimut- Ebene ergeben, die jedoch verschiedene Zenitwinkel (oder Neigungen) aufweisen. Bei der bevorzugten Ausführungsform derjenigen Erfindung wird die bistabile Zenitoberfläche einer konventionellen homeotropen Oberfläche verwendet, und das Schalten erfolgt auf Grund der flexo-elektrischen Kopplung mit einem angelegten Feld.
Die beiden Zustände einer solchen Vorrichtung sind in 2a gezeigt. In dem ersten Zustand ist der Kern der Zelle gleichförmig homeotrop, und das Direktorfeld verdreht sich kontinuierlich nahe der Gitteroberfläche. In dem zweiten Zustand treten Defekte nahe der Oberfläche auf, und der Direktor ist in einer gewissen Distanz von der Oberfläche gleichförmig vorgewinkelt (durch die gestrichelte Linie in 2b dargestellt). Die Verdrehung nahe der Oberfläche in beiden Zuständen führt dazu, dass sich eine flexo-elektrische Polarisation einstellt, die je nach Vorzeichen des konstanten elektrischen Feldes einen Zustand auswählt. Die Größe der flexoelektrischen Polarisation nahe der Oberfläche jedes Zustandes wird angehoben, wenn das Material ein positives Δε hat, und zwar auf Grund des RMS-Effektes des Feldes, wodurch die homeotrope Ausrichtung der monostabilen Oberfläche weiter in den Kern der Zelle ausgedehnt wird. Dies führt bei dem ZBD zu schnellerer Reaktion bei niedrigerer Spannung. Jedoch verringert sich der optische Kontrast beim Anlegen des Datensignals erheblich, da auf Grund des RMS-Effektes die homeotrope Orientierung in beiden Zuständen stabilisiert wird.
Der Begriff "gleiche Azimut-Ebene" erklärt sich wie folgt: Die Wände einer Zelle mögen in der x, y-Ebene liegen, was bedeutet, dass die Normale der Zellwände die z-Achse ist. Zwei Vorwinkel in derselben Azimut-Ebene bedeuten zwei verschiedene molekulare Positionen in derselben x, z-Ebene.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Schalteigenschaft der ZBD-Vorrichtung derart verbessert, dass sich bessere Kontrastverhältnisse und eine geringere Empfindlichkeit in Bezug auf Wechselspannungen, die der Multiplex-Adressierung dienen, ergeben.
Erfindungsgemäß ist eine Flüssigkristallvorrichtung mit zwei Zellwänden, zwischen denen sich eine Schicht aus nematischem oder chiral-nematischem Flüssigkristallmaterial befindet, mit Elektrodenstrukturen auf beiden Wänden,
einer Oberflächenorientierungseinrichtung auf den gegenüberliegenden Oberflächen beider Zellwände in Kontakt mit dem Flüssigkristallmaterial zum Erzeugen einer Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle,
einer Einrichtung zum Unterscheiden zwischen den geschalteten Zuständen des Flüssigkristallmaterials,
gekennzeichnet durch
ein Flüssigkristallmaterial mit keiner oder negativer dielektrischer Anisotropie,
eine erste Oberflächenorientierungseinrichtung auf einer Zellwand, damit die Flüssigkristallmoleküle zwei verschiedene Vorwinkel in dem Kern des Materials neben der Oberfläche in im Wesentlichen derselben Azimut-Ebene annehmen können,
eine zweite Oberflächenorientierungseinrichtung auf der anderen Zellwand zum Erzeugen entweder einer planaren homogenen oder gewinkelten homogenen Ausrichtung und einer einzelnen bevorzugten Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle, wobei der Vorwinkelwert der gewinkelten Ausrichtung kleiner als 45° gegenüber der Oberfläche ist und der Winkel zwischen der einzelnen Orientierungsrichtung und derselben Azimut-Ebene, die zu der ersten Oberflächenorientierung gehört, wesentlich größer als null ist; wobei der Aufbau derart ist, dass die beiden stabilen Molekularkonfigurationen des Flüssigkristalls existieren können, nachdem geeignete elektrische Signale an die Elektroden angelegt worden sind und eine dieser Konfigurationen eine Molekularverdrillung des Flüssigkristalls über die Schicht aufweist.
Die bistabile Oberfläche wird vorzugsweise mit einem Rillenprofil oder Gitter versehen, das aus einem Material besteht oder beschichtet ist mit einem oberflächenaktiven Stoff, durch den eine im Wesentlichen senkrechte Ausrichtung des Direktors lokal an der Oberfläche bewirkt wird und der zu verschiedenen Winkeleinstellungen des Direktors im Kern des Flüssigkristalls in einem Abstand von dieser Oberfläche in Richtung der Normalen der Zelle führt. Üblicherweise hat das Gitter eine Konstante, eine Amplitude und eine Form, wodurch sich zwei verschiedene Neigungen im Kern der Zelle ergeben: Eine ist im Wesentlichen senkrecht zu der Zellebene, und die andere ist irgendwie gegenüber der Zellebenenormalen um einen Winkel von zum Beispiel zwischen 0° und 60° gewinkelt. Das Gitter ist so aufgebaut, dass die Gesamtenergie der beiden Zustände im Wesentlichen gleich ist.
Die lokale Orientierung des Flüssigkristalls kann durch das Herstellungsverfahren für das Gitter direkt im Glas oder in geeignetem Material im Wesentlichen homeotrop gemacht werden, aber häufiger wird die Beschichtung des Materials mit einer geeigneten Schicht mit einbezogen. Diese Schicht besteht üblicherweise aus homeotropen oberflächenaktiven Stoffen wie Lecithin, Silan, Chrom-Komplexen oder Polymeren mit langen aliphatischen Seitenketten. Das Gitter kann mit einem unter mehreren bekannten Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann es in einem Fotor-Polymer mittels eines fotolithografischen Prozesses oder eines weiteren Ätzprozesses, durch Prägen oder durch Transfer von einer Trägerschicht hergestellt werden. Das Gitterprofil, zum Beispiel die Konstante, Amplitude, Form (symmetrisch oder asymmetrisch) oder der Grad an Asymmetrie in der Form können sich über jedes Pixel oder von Pixel zu Pixel innerhalb der Anzeige oder zwischen den Pixeln und den pixellosen Bereichen, wie zum Beispiel den Pixel-Zwischenlücken, ändern. Diese Variationen können sich auf nur eine Richtung oder auf beide Richtungen der Gitteroberfläche beziehen.
Weitere Oberflächen werden für die Vorrichtung unter der Voraussetzung verwendet, dass sich mit ihnen zwei oder mehr stabile Zustände mit verschiedenen Vorwinkeln herstellen lassen.
Die einzelne Ausrichtungsoberfläche kann irgendeine monostabile Oberfläche sein, die im Wesentlichen planar homogen ist oder gewinkelt homogen ist, so dass der durch die Oberfläche induzierte Vorwinkel wesentlich kleiner als die möglichen Vorwinkel der bistabilen Zenitoberfläche ist, zum Beispiel zwischen 0,1° und 20° gegenüber der Zellebene. Diese ist üblicherweise eine Polymeroberfläche, die gerieben wird, um eine bevorzugte Ausrichtung des Flüssigkristalldirektors zu erzielen, aber ebenso gut können andere Oberflächen verwendet werden, um zu einer planaren oder gewinkelten homogenen Ausrichtung zu kommen, einschließlich schräg aufgedampftem anorganischem Material, mit polarisierter Strahlung bestrahltem Fotopolymer, Einzelgitter- oder Doppelgitteraufbauten.
Die Azimut-Ausrichtung der bistabilen Oberfläche und die der einzelnen ausgerichteten Oberfläche können parallel, antiparallel oder 90° zueinander, oder aber in irgendeinem gewünschten Wert dazwischen, z. B. 45°, angeordnet werden. Wenn ein Verdrillungswinkel ungleich null verwendet wird, kann das nematische Material einen Anteil von cholesterischem Material aufweisen, um eine bevorzugte Verdrillungsrichtung zu erzielen. Wenn derartiges cholesterisches Material hinzugefügt wird, kann die Verdrillung in dem Material über 90° hinausgehen und zum Beispiel 180° oder 270° betragen. Für diesen Fall, in dem die bistabile Oberfläche Verdrillungen aufweist, die bei beiden stabilen Zuständen größer als null sind, hat die einzelne (planare) Ausrichtung einen niedrigeren Vorwinkel als jeder Zustand der bistabilen Oberfläche. Wenn die bistabile Oberfläche einen Winkelzustand von null hat, sollte die gegenüberliegende Oberfläche eine gewinkelte homogene Oberfläche sein (statt planar homogen), bei der eine antiparallele Ausrichtung bewirkt wird, um einen Disklinationsvorgang (reverse tilt disclination) zu vermeiden; es sollte eine gleichförmige Neigungsrichtung geben. Dasselbe gilt für eine Vorrichtung mit einer Verdrillung über die Schicht.
Das Flüssigkristallmaterial hat eine nematische oder eine chiralnematische Phase über den Bereich der Betriebstemperatur. Es gibt eine dielektrische Anisotropie zwischen 0 und –20, vorzugsweise Δε < –0,1 in dem elektrischen Betriebsfrequenzbereich, der üblicherweise zwischen 1 Hz und 1 MHz liegt. Vorzugsweise zeigt das Material den flexo-elektrischen Effekt, der bei nematischen und cholesterischen Flüssigkristallen vorliegt, obgleich andere elektrisch polare Schaltmechanismen eingesetzt werden können, so wie chriale Ionen oder longitudinale Ferroelektrizität. Das Material hat einen geeigneten Doppelbrechungswert Δn und/oder einen pleochroischen Farbstoff als Komponente, um verschiedene stabile Zustände optisch diskriminieren zu können (mittels Interferenz, Absorption oder Streuung).
Eine oder beide Zellwände können aus einem optisch transparenten Medium bestehen. Dies kann ein dickes, wenig flexibles Material wie Glas sein, oder eine oder beide Zellwände können aus flexiblem Material wie einer dünnen Schicht aus Glas oder Plastik, z. B. Polyolefin oder Polypropylen, bestehen. Eine Plastikzellwand kann auf ihrer Innenseite geprägt werden, um ein Oberflächenorientierungsgitter zu erzeugen. Die Zelle kann außerdem weitere Schichten einschließlich Farbfiltern, internen Polarisatoren, Elektrobarriereschichten, Planarisierungsschichten und andere Schichten aufweisen, die allgemein von den Fachleuten bei der Herstellung von Flüssigkristallvorrichtungen verwendet werden. Die Zellwände können durch Erzeugen von zusätzlichen Strukturen wie Polymer-Wänden oder -Spalten oder durch Glas/Plastik-Abstandskalter auf Abstand voneinander gehalten werden. Die Elektroden sind optisch transparent und bestehen üblicherweise aus Indium-Zinn-Oxid (indium tin oxide, ITO), aber sie können zusätzliche elektrische Elemente wie nicht-lineare Elemente (z. B. TFT) oder nicht-transparente Metallleitungen aufweisen, um Bahnwiderstandseffekte zu reduzieren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1a ist eine Draufsicht auf eine Multiplex-Adressen-Matrix-Flüssigkristallanzeige.
1b ist ein Querschnitt durch die Anzeige nach 1.
2a (i), (ii), 2b (i), (ii) zeigen die molekulare Ausrichtung beim Stand der Technik nach WO97/ 149990 PCT/GB96/02463.
3 (i), (ii) sind schematische Darstellungen eines Querschnitts durch die zweidimensionalen Direktor-Profile bei einer bistabilen Zenitvorrichtung mit negativer Mode gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei es zwei stabile Zustände gibt: Den Kontinuumszustand in 3 (i) und den Defektzustand in 3 (ii).
4 zeigt schematisch die Direktor-Profile in zwei Dimensionen in 3 bei negativer Zenitmode, wobei der RMS-Effekt eines angelegten Feldes mit der negativen dielektrischen Anisotropie des Flüssigkristalls koppelt und sich die Verdrehung des Direktorfeldes näher an der bistabilen Oberfläche konzentriert.
5 zeigt eine Folge von eindimensionalen Darstellungen des elektrischen Schaltvorgangs bei der vorliegenden Erfindung mit einem Material mit Δε < 0, ohne Verdrillung über die Schicht (Beispiel 1).
6 gleicht 5, jedoch ist hier eine Schicht mit 90°-Verdrillung (Beispiel 2) gezeigt.
7 zeigt die kombinierte Signalform zum Testen des bistabilen Schaltvorgangs der Erfindung.
8, 9 und 10 zeigen Oszilloskop-Bilder der optischen Reaktion der Vorrichtung aus Beispiel 2 unten unter etwas anderen Bedingungen.
11 zeigt die optische Transmission gegenüber der Spannung bei der vorliegenden Erfindung und bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik mit einem (Defektzustand) der beiden stabilen geschalteten Zustände.
12 zeigt die optische Transmission gegen die Spannung bei der vorliegenden Erfindung und die bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik für den anderen (Nicht-Defekt- oder Kontinuumszustand) der beiden stabilen geschalteten Zustände.
13 zeigt das Kontrastverhältnis zwischen den beiden geschalteten Zuständen als Funktion der RMS-Spannung bei der vorliegenden Erfindung und bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
14 zeigt die Änderung des Schaltpegels in Abhängigkeit von der RMS-Spannung bei der vorliegenden Erfindung und bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
15 ist eine grafische Darstellung der Energie von zwei vorgewinkelten Konfigurationen als Funktion des Verhältnisses der Rillentiefe zu der Gitterkonstante (h/w).
Die Anzeige in den 1a , b umfasst eine Flüssigkristallzelle 1 aus einer Schicht 2 aus nematischem oder cholesterischem, mit langer Steigung versehenen Flüssigkristallmaterial zwischen Glaswänden 3, 4. Ein Abstandsring 5 hält die Wände 1–10 μm, typisch 2–6 μm auseinander. Zusätzlich können zahlreiche Kügelchen mit der gleichen Abmessung in dem Flüssigkristall gelöst werden, um den genauen Wandabstand einzuhalten. Streifenförmige Zeilenelektroden 6, z. B. aus SnO₂ oder ITO (Indiumzinnoxid), befinden sich auf einer Wand 3, und ähnliche Spaltenelektroden 7 befinden sich auf der anderen Wand 4. Mit m Zeilen- und n Spalten-Elektroden ergibt sich eine m·n-Matrix mit adressierbaren Elementen oder Pixeln. Jedes Pixel befindet sich an der Schnittstelle von einer Zeilen- und einer Spaltenelektrode.
Ein Zeilentreiber 8 versorgt jede Zeilenelektrode 6 mit Spannung. Ähnlich wird durch einen Spaltentreiber 9 jede Spaltenelektrode 7 mit Spannung versorgt. Die angelegten Spannungen werden durch eine Steuerlogik 10 gesteuert, die ihrerseits von einer Spannungsquelle 11 mit Leistung versorgt wird und von einem Taktgeber 12 getaktet wird.
Auf beiden Seiten der Zelle 1 befinden sich Polarisatoren 13, 14, deren Polarisationsachse im Wesentlichen über Kreuz mit der des jeweils anderen steht und einen Winkel von etwa 45° mit der Ausrichtung R auf der benachbarten Wand 3, 4 einschließt, falls überhaupt, wie es später für den nicht verdrillten Fall von Beispiel 2 beschrieben wird, oder parallel zu einer Ausrichtung für den verdrillten Fall in Beispiel 3 steht. Zusätzlich kann eine optische Kompensationsschicht 19', z. B. aus gestrecktem Polymer, neben der Flüssigkristallschicht 2 zwischen Zellwand und Polarisator hinzugefügt werden.
Ein vollständig oder teilweise reflektierender Spiegel 15 kann hinter der Zelle 1 zusammen mit einer Lichtquelle 20 angeordnet werden. Diese ermöglicht es, dass die Anzeige in Reflexion betrieben werden kann und von hinten belichtet wird, wenn das Umgebungslicht gering ist. Bei einer in Transmission betriebenen Vorrichtung kann der Spiegel 15 fortgelassen werden.
Vor dem Zusammenbau wird die Zellwand 4 mit einem Orientierungsgitter 16 versehen, um zwei bistabile Vorwinkel zu erzeugen. Die andere Wand 3 wird mit einer planaren Einrichtung 17 behandelt, d. h. null oder einige wenige Grade eines Winkels gegenüber einer Ausrichtung. Für den Fall, dass die bistabile Gitteroberfläche 16 einen Winkel aufweist, der bei beiden stabilen Zuständen größer als null ist, so hat die planare Ausrichtung 17 einen niedrigeren Vorwinkel als beide Zustände der bistabilen Oberfläche. Wo die bistabile Oberfläche einen Zustand mit Winkel null aufweist, sollte die gegenüberliegende Oberfläche eine gewinkelte homogene Oberfläche (statt planar homogen) mit antiparalleler Ausrichtung sein, um einen Disklinationsvorgang (reverse tilt disclination) zu vermeiden; es sollte eine einheitliche Winkelrichtung vorliegen. Das gleiche gilt für eine Vorrichtung mit einer Verdrillung über die Schicht 2, wie es unten in Bezug auf Beispiel 2 beschrieben wird. Bei einer dreifarbigen Anzeige kann eine Filterschicht 18 mit separaten roten, grünen und blauen Filterbereichen in einer schwarzen Matrix vorgesehen werden.
Schließlich wird die Zelle mit nematischem Material gefüllt werden, das eine negative dielektrische Anisotropie aufweist, z. B. ZLI 4788, ZLI 4415 oder MLC 6608 (Merck).
Die bistabile Zenitoberfläche des Gitters 16 kann durch das Verfahren hergestellt werden, das in PCT/GB96/02463 beschrieben ist. Zum Beispiel kann dies durch Spin-Beschichtung eines sauberen, mit ITO beschichteten Glases mit Fotoresist erfolgen (Shipley 1805 bei 3000 UpM während 30 Sekunden, gefolgt von einem Vorbacken bei 90°C während 30 Minuten, woraus sich eine 550 nm dicke Beschichtung ergibt). Eine Chrommaske mit 0,5 μm breiten Linien und 0,5 μm breiten Lücken wurde in Kontakt gebracht mit dem Substrat und schräg (üblicherweise 60° gegenüber Substrat-/Masken-Normale, um ein asymmetrisch geformtes Gitter zu ergeben, oder senkrecht für ein symmetrisch geformtes Gitter) mit einer 0,8 mW/cm²-Quecksilberlampe während einer Dauer zwischen 200 und 800 Sekunden belichtet. Die Maske wird dann entfernt, und die symmetrische oder asymmetrische Oberflächenmodulation erfolgt durch Entwicklung in Shipley MF319 während 10 Sekunden, gefolgt von einem Spülen in deionisiertem Wasser. Die Oberfläche wird dann mit tiefer UV-Strahlung (254 nm) gehärtet, gefolgt von Ausbacken bei 160°C während 45 Minuten. Schließlich wird die Oberfläche mit einer Lösung aus einem eine homeotrope Ausrichtung erzeugenden Mittel wie Lecithin behandelt.
Die molekulare Konfiguration (genauer die Direktor-Konfiguration) einer freien Schicht aus nematischem Material auf Gitteroberflächen kann berechnet werden. Die Ergebnisse sind in 2a gezeigt, wo kurze Linien Flüssigkristalldirektoren in der Nähe der Gitteroberfläche zeigen, wobei die Einhüllende der kurzen Linien am Boden das Gitterprofil zeigt. In diesem Fall wird die Gitteroberfläche beschrieben durch die Funktion:
wobei h die Rillentiefe ist, w die Konstante ist und A ein Asymmetriefaktor ist. In den 2a (i) und 2b (ii) ist A = 0,5 und h/w = 0,6. In 2a (i) konnte das Finite-Elemente-Gitter mit einem ursprünglichen Direktor mit einem Winkel von 80° relaxieren. In diesem Fall relaxierte die Konfiguration zu einem Vorwinkel von 89,5°. Wenn jedoch der ursprüngliche Direktorwinkel auf 30° gesetzt wird, relaxiert das Gitter zu einem Vorwinkel von 23,0°, wie dies in 2a (ii) gezeigt ist. Daher kann der nematische Flüssigkristall in Abhängigkeit von den Startbedingungen zwei verschiedene Konfigurationen einnehmen.
In der Praxis wird ein nematisches Flüssigkristallmaterial zu derjenigen der beiden Konfigurationen relaxieren, die die niedrigste Gesamtenergie in Bezug auf Verdrehung aufweist. 15 zeigt die Gesamtenergie (beliebige Einheiten) des Zustandes mit großem Vorwinkel (gefüllte Kreise) und mit kleinem Vorwinkel (offene Kreise) gegenüber dem Verhältnis der Rillentiefe zu Konstante (h/w). Bei niedrigem h/w hat der Zustand mit großem Vorwinkel die niedrigste Energie, und damit wird nematisch ein Zustand mit großem Vorwinkel eingenommen. Dagegen wird bei großem h/w, bei dem der Zustand mit kleinem Vorwinkel die niedrigste Energie hat, dieser Zustand gebildet werden. Wenn jedoch h/w = 0,52, so haben die Zustände beide die gleiche Energie und können beide existieren, ohne ineinander zu relaxieren. Daher kann bei Herstellung einer Oberfläche bei oder nahe dieser Bedingung Bistabilität bezüglich der Vorwinkel beobachtet werden.
In PCT/GB96/02463 wird beschrieben, wie ein mit dem obigen Prozess hergestelltes Gitter zu zwei stabilen Ausrichtungen führen kann, wobei der Direktor in einigem Abstand von der Oberfläche einen der beiden Vorwinkelwerte einnimmt, je nachdem ob Oberflächendefekte periodisch nahe der Oberfläche vorhanden sind oder nicht; ein großer Vorwinkel (i) und ein kleiner Vorwinkel (ii), die in 2a gezeigt sind, wobei die Linien die Ausrichtung vom Flüssigkristallmolekül (Direktor) nahe einer Gitteroberfläche zeigen. Der große Vorwinkel (i) kann als Kontinuums- oder defektloser Zustand bezeichnet werden und führt zu einem Vorwinkel von nahezu 90°, während der kleine Vorwinkel (ii) als Defektzustand bezeichnet werden kann und einen Vorwinkel von typischerweise zwischen 0° und 75° einschließt, in Abhängigkeit von Form und Verankerungseigenschaften der Oberfläche und der elastischen Eigenschaften des Flüssigkristalls gewöhnlich etwa 45°.
In PCT/GB96/ 02463 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der diese bistabile Zenitoberfläche gegenüber einer monostabilen homeotropen Oberfläche verwendet wird. Das Direktorprofil der bistabilen Zustände dieser Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist in 2b gezeigt, wo die Linien die Direktororientierung über die gesamte Flüssigkristallschicht angeben. Es gibt eine Netto-Doppelbrechung in dem Defektzustand in 2b (ii), die zu Transmission von senkrecht einfallendem Licht führen kann, wenn die Zelle unter Winkeln, die nicht 0° oder 90° in Bezug auf die Ebene des Direktors sind, zwischen gekreuzte Polarisatoren gesetzt wird. Bei diesem defektlosen Zustand in 2b (i) wird bei senkrecht einfallendem Licht wenig oder keine Netto-Doppelbrechung beobachtet, und damit wird die Vorrichtung dunkel. Die Auswahl zwischen den beiden Zuständen erfolgt durch elektrische Pulse geeigneter Dauer, Größe und Polarität, die an die dielektrischen und flexo-elektrischen Eigenschaften des Flüssigkristalls koppeln. Damit ergibt sich eine bistabile Anzeige, bei der der dunkle oder helle Zustand nach Abschalten des Feldes beibehalten wird, stabilisiert durch die Gitteroberfläche und unempfindlich gegenüber Unterbrechung durch elektrischen, thermischen oder mechanischen Schock. Dieser letzte Vorteil ist besonders nützlich bei tragbaren Anzeigen.
Andere bistabile Flüssigkristallvorrichtungen nach dem Stand der Technik beinhalten derartige Kristalle auf Basis ferroelektrischer Flüssigkeiten. Sie müssen vor Schock geschützt werden, da der ferroelektrische Flüssigkristall zur Ausrichtung eine bestimmte thermische Behandlung benötigt und sich daher nicht korrekt ausrichten lässt, wenn er einmal auf Grund eines externen Schocks fehlausgerichtet wurde.
Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der +ZBD aus PCT/GB96/02463, was eine Anzahl von Vorteilen zur Folge hat, die im Folgenden in den Beispielen erläutert werden.
Beispiel nach dem Stand der Technik mit asymmetrischer Gitterform Was als bistabile nematische Zenitvorrichtung (+ZBD) mit positiver Mode bezeichnet ist und in PCT/GB96/02463 beschrieben wurde, wird im Einzelnen erläutert, um einen Vergleich mit den Ergebnissen der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.
Ein Stück aus 1,1 mm dickem, ITO-beschichtetem Glas wurde mit Fotoresist Shipley 1813 (aufgelöst 3 : 1 in geeignetem Verdünner) bei einer Geschwindigkeit von 2000 UpM während 30 Sekunden Spinbeschichtet. Dies ergab eine Filmdicke von 1,0 μm. Die Oberfläche wurde dann bei 90°C während 30 Minuten vorgebacken. Eine Chrommaske wurde dann in engen Kontakt mit der Fotoresistoberfläche gebracht. Die Maske wies 0,5 μm dicke Chromlinien auf, zwischen denen 0, 5 μm dicke Lücken waren. Die Probe wurde für 530 Sekunden von einer ungefilterten Quecksilberlampe (0,3 mW/cm²) bestrahlt. Die Bestrahlung erfolgte unter einem Winkel von 60° gegenüber der Oberflächennormalen in der Ebene senkrecht zu derjenigen, in der die Gitterrillen liegen sollten; der Winkel führt zu einer asymmetrischen Gitterform. Die Spinnentwicklung erfolgte dann bei 800 UpM während 10 Sekunden mit Shipley MF 319, gefolgt von Spülung mit deionisiertem Wasser. Dies führte zur Bildung der Gitteroberfläche. Der Fotoresist wurde dann durch tiefes UV-Licht (254 nm) gehärtet, gefolgt von einem Ausbacken bei 180°C über 2 Stunden. Schließlich wurde die Oberfläche durch Behandlung mit einem oberflächenaktiven Chrom-Komplex homeotrop gemacht.
Die gegenüberliegende Oberfläche in der ZBD-Zelle positiver Mode erfolgte durch Vorbereitung einer Verdünnungsschicht (0,2 μm) aus Shipley 1805 in ähnlicher Weise auf der Gitteroberfläche, aber ohne Bestrahlung des Gitters. Eine Zelle wurde aus einer Gitteroberfläche und einer flachen Oberfläche mit einem Kantenabdichtungskleber und 2,5 μm dicken Glaskügelchen als Abstandshalter hergestellt. Die Zelle wurde mit kommerziell erhältlichem nematischem Flüssigkristall E7 (von E. Merck, Deutschland) gefüllt, der eine positive dielektrische Anisotropie über die möglichen Frequenz- und Temperaturbetriebsbereiche aufweist. Das Schalten wurde durch zusätzliches Hinzufügen von 1 Gew.-% von N65 (Norland) vereinfacht, wie es in der Patentanmeldung GB97/21215.3 beschrieben wird. Beispielsweise wurde eine N65/E7-Mischung für 10 Minuten durch Bestrahlung mit einer ungefilterten Quecksilberlampe bei einer optischen Ausgangsleistung von 2,0 mW/cm² in einer Quarzglaszelle geheilt, bevor die Zelle gefüllt wurde. N65 ist ein UV-Kleber von Norland Products Inc., North Brunswick, NJ, USA; weitere ähnliche Materialien sind N63, N60, N 123. Die Materialien enthalten eine Mischung aus Estern und Acrylat-Monomeren, die bei UV-Bestrahlung polymerisieren. Eine derartige Zelle führt zu einer schwachen Oberflächenverankerung.
Das Füllen erfolgte kapillar in der isotropen Phase, gefolgt durch langsames Abkühlen in die nematische Phase. In den Vorrichtungen mit einer großen Anzahl von adressierbaren Elementen oder Pixeln, die in x, y-Matrixform angeordnet sind, ist es üblich, sie durch Multiplexen zu adressieren. Für bistabile Vorrichtungen bedeutet dies das Anlegen eines Strobe-Pulses der Reihe nach an jede Zeile, während eine von zwei Datenpulssignalformen (gleicher Form, aber invertierter Polarität) an alle Spaltenelektroden angelegt wird. Jedes adressierte Pixel reagiert auf die Kombination von Strobe- und Datenpuls. Zu Testzwecken kann bei einer einzelnen Zelle eine kombinierte Signalform angelegt werden, um das Adressieren in einer großen Anzeige zu simulieren.
Die Signalform in 7 ist eine solche und wurde verwendet, um Vorrichtungen nach dem Stand der Technik und solche gemäß der vorliegenden Erfindung zu testen. Bei dieser kombinierten Signalform stammen die großen Pulse von dem Strobe-Signal und die kleineren Pulse von dem Datensignal. Jedes Pixel erhält von Zeit zu Zeit einen großen Puls und viele von den kleineren Pulsen. Diese kleineren Pulse bedeuten ein kontinuierliches RMS-Signal mit niedrigem Wert, was nützlich ist bei ferroelektrischen Vorrichtungen (wo eine Wechselfeldstabilisierung bewirkt wird), aber unerwünscht bei bistabilen nematischen Vorrichtungen sein kann.
Der elektrische Kontakt wurde dann durch die ITO-Elektroden von jedem Substrat hergestellt, und es wurde das Signal in 7 angelegt. Dieses Signal setzt sich aus rechteckigen Pulsen typischer Dauer von 0,1 bis 10 ms und einer Größe im Bereich von 10 bis 20 V zusammen. Zwischen 50 zu 1 und 500 zu 1 betrug die Auslastungsquote, und es wurde eine Wechselfeldsignalform einer Frequenz zwischen 1 KHz und 100 KHz und einer Vrms-Größe (0 V bis 10 V) überlagert. Die Pulsfolge, die angelegt wurde, bestand entweder aus alternierenden Pulsen entgegengesetzter Polarität, wie in 7 gezeigt, oder aus zwei Pulsen der gleichen Größe, Dauer und Polarität, gefolgt von zwei verschiedenen Pulsen entgegengesetzter Polarität, wie es in WO97/14990 beschrieben ist. Weitere elektrische Signale wie das Multiplexsignal in WO97/14990 können ebenfalls verwendet werden.
Die Zelle wurde durch eine Wolfram-Weißlichtquelle bestrahlt und zwischen gekreuzten Polarisatoren betrachtet, die mit den Polarisationsachsen einen Winkel von ±45° zu der Rillenrichtung auf der bistabilen Oberfläche einnahmen. Die optische Reaktion wurde mit einer Fotodiode erfasst, die mit einem Augenreaktionsfilter kombiniert wurde. Bistabiles Umschalten wurde bei der nematischen Phase wie in 9521106.6 beschrieben beobachtet, und zwar ähnlich wie in den 8, 9 und 10 bei der vorliegenden Erfindung.
Zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun im Einzelnen beschrieben.
Beispiel 1, asymmetrisches Gitter und nicht verdrillte nematische Struktur Eine Vorrichtung mit 4 μm Abstand wurde nach der obigen Lehre hergestellt, wobei sie eine monostabile Oberfläche 17 mit geriebener Polyimid-Oberfläche (PI32) aufwies, bei der die Reibrichtung senkrecht zu den Einzelgitterrillen 16 auf der bistabilen Oberfläche war. Das Material war ein Material mit negativer dielektrischer Anisotropie, ZLI4788. Diese Vorrichtung hatte die beiden stabilen zweidimensionalen Direktorprofile in 3(i), (ii) (wenn der Effekt der RMS-Kopplung ignoriert wird, zum Beispiel auf Grund der Annahme, dass Δε = 0 in beiden Fällen). Dies zeigt, dass der Grad der Direktorverdrehung für beide Zustände in dieser Vorrichtung größer als bei der konventionellen Vorrichtung in 2 ist; dies gilt besonders bei dem defektlosen Zustand. Daher tritt, wenn alle anderen Bedingungen (Vorwinkel des Defektzustandes, flexoelektrische und visko-elastische Eigenschaften des Materials, Zellabstand etc.) gleich sind, das Schalten dieser Vorrichtung bei niedrigeren Spannungen und/oder kürzeren Pulsdauern auf. Wenn der bistabile Zustand Vorwinkel hat, die stabil bei 60° und 90° gegenüber der Zellebene liegen, und die monostabile Oberfläche einen Vorwinkel von 0° hat, dann hat die Vorrichtung in den 3 (i), (ii) als Beispiel eine Gesamtänderung der Vorwinkel von 60° und 90°. Dies ist viel größer als die Winkeländerungen bei den beiden Zuständen der Vorrichtung nach WO97/144990 in den 2a (i), (ii), die 0° bzw. 30° betragen.
Wie oben bereits bemerkt, tritt bei einer typischen Anzeige eine RMS-Spannung an jedem Pixel mit einer bestimmten Größe auf und hat erhebliche Auswirkungen auf die Direktororientierungen in den beiden geschalteten Zuständen. Dies ist in den 4 (i), (ii) für eine Vorrichtung gezeigt, bei der Δε negativ ist (typischerweise gleich oder zwischen –10 und –0,5). Hier wirkt sich der RMS-Effekt der angelegten Spannung dahingehend aus, dass die elastische Verdrehung zur bistabilen Oberfläche hin komprimiert wird. Dies dient dazu, die Größe der flexo-elektrischen Polarisierung anzuheben, die an die konstante Komponente des angelegten Feldes koppeln kann und einen Schaltvorgang zwischen den bistabilen Zuständen bewirkt.
Obgleich diese Vorrichtung (Beispiel 1) potentiell für schnelleres Schalten und/oder den Betrieb bei niedrigerer Spannung als die konventionelle ZBD geeignet ist, hat sie den gleichen Hauptnachteil: Bei einer gemultiplexten Vorrichtung liegt an jedem Pixel eine RMS-Spannung an auf Grund der Datensignalform an den benachbarten Spalten, die sich dem Pixel vor und nach der Schaltzeit mitteilt, wenn das Umschalten erfolgt ist. Dies führt dazu, dass die optische Differenz (Δn_eff·d) in beiden Zuständen näher beieinander liegt und der Kontrast damit verringert wird.
Die Direktororientierung im Beispiel 1 in den beiden geschalteten Zuständen mit oder ohne RMS-Spannung ist in 5 gezeigt. Dies ist eine Folge von eindimensionalen Darstellungen des elektrischen Schaltens der vorliegenden Erfindung bei einem Material mit Δε<0. Von links nach rechts werden der Null-Feld-Defektzustand, der RMS-Effekt des angelegten Feldes auf den Defektzustand, der Effekt der RMS-Spannung auf den defektlosen Zustand und der defektlose Null-Feld-Zustand gezeigt. Der Pfeil zeigt die Auswahl zwischen den beiden bistabilen Zuständen über die Gleichspannung.
Ein Verfahren, das angewendet wird, um den Kontrast zu verbessern, besteht darin, die Größe von Δε zu verringern (d. h. Δε 0), dies aber steigert dramatisch das Produkt aus Spannung und Zeit beim Schalten zwischen den beiden Zuständen, da es den RMS- Effekt auf die Konzentration der Direktorverdrehung nahe der bistabilen Oberfläche beseitigt. Dieses Problem wird in dem folgenden Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung umgangen.
Beispiel 2, symmetrisches Gitter und verdrillte nematische Struktur Wie bei dem Beispiel 1 nach dem Stand der Technik oben wurde die Gitteroberfläche 16 durch Beschichtung von ITO-Glas mit Shipley 1813 hergestellt. In diesem Fall wurde jedoch eine andere Konzentration verwendet, so dass eine Spin-Geschwindigkeit von 3000 UpM während 30 Sekunden zu einer Dicke von 1,2 μm des Fotoresist führte. Nach Vorbacken bei 90° C während 30 Minuten wurde dieselbe Chrommaske wie in dem vorangehenden Beispiel verwendet und in engen Kontakt mit dem Resist gebracht, jedoch wurde die Bestrahlung dieses Mal bei senkrechtem Einfall und während 180 Sekunden durchgeführt; dieser senkrechte Einfall führt zu einem Gitter mit symmetrischer Form. Die Gitteroberfläche wurde dann entwickelt, gespült, gehärtet und mit Chrom-Komplex beschichtet, und zwar unter denselben Bedingungen wie bei dem gegenübergestellten Beispiel.
Eine Zelle mit 2,8 μm Abstand wurde dann unter Verwendung dieser bistabilen Zenitgitteroberfläche gegenüber einer geriebenen Polyimid-Oberfläche (PI32, Ziba-Geigy) aufgebaut. Im Gegensatz zum Beispiel 1 wurde die Ausrichtung der monostabilen Polyimid-Oberfläche so gewählt, dass sie parallel zu den Rillen der Einzelgitteroberfläche liegt. Die Zelle wurde mit nematischem Flüssigkristall ZLI4788 (vertrieben von E. Merck) kapillar gefüllt, wozu 2% Norland N65 vorher hinzugefügt wurde, und mit UV bestrahlt, um die Oberflächenverankerungsenergie wie oben und in GB97/21215.3 beschrieben zu reduzieren. ZLI4788 ist ein nematisches Material, das bei Raumtemperatur ein Δε von etwa –5,7 und ein Δn von 0,1647 aufweist.
Die beiden Zustände dieser Vorrichtung werden im folgenden beschrieben. In einem Kontinuums- oder defektlosen Zustand ist der Direktor nahe der bistabilen Zenitoberfläche homeotrop mit einem Vorwinkel von 90°. Abseits dieser Oberfläche reduziert sich der Vorwinkel zu demjenigen der Polyimid-Oberfläche (ein Vorwinkel von etwa 2°). Der Zustand mit der niedrigsten Energie besteht nur aus Schrägstellung-/Biege-Deformation, und es gibt keine Verdrillung des Direktors. Im Defektzustand ist der Direktor nahe der bistabilen Zenitoberfläche gezwungen, sich in einem Vorwinkel von nahezu 0° in einer Ebene mit der Richtung senkrecht zu den Einzelgitterrillen anzuordnen. Damit verdrillt sich im Kern der Zelle die Komponente des Direktors in der Ebene der Zelle um einen Winkel von 90°, um parallel zur Reibrichtung an der monostabilen Oberfläche zu liegen zu kommen. Dieser Zustand hat Energien, die von den Defekten, der Schrägstellung-/Biege-Deformation und der Verdrillungsdeformation abhängen. Die Optimierung der Gitterstruktur in Zusammenhang mit dem geeigneten Material bedeutet, dass die beiden möglichen Direktorprofile ähnliche Energien haben und die Zelle bistabil ist. Das Durchstimmen der elastischen Verdrillungsenergie und damit der Gesamtenergie des verdrillten Zustandes kann auch mittels geeignetem chiralnematischem Anstieg und chiraler Händigkeit erfolgen.
Der Schaltmechanismus für diese Zelle ist schematisch in den 6a, b dargestellt. Er ist sehr ähnlich, wie der bei Beispiel 1, außer dass es jetzt einen zusätzlichen Prozess gibt, der mit der Relaxierung der Verdrillung zusammenhängt, wenn zwischen den beiden Zuständen umgeschaltet wird. Man betrachte den Fall des Umschaltens von dem Defektzustand D (i) in den defektlosen Zustand (iv), (v) in 6a. Der RMS-Effekt des angelegten Feldes (ii) hat wiederum zur Folge, dass sich die Schrägstellung-/Biege-Deformation des Direktors nahe der bistabilen Oberfläche konzentriert. Die Verdrillung ist im Wesentlichen unbeeinflusst dadurch (bis auf einen relativ kleinen Effekt im Zusammenhang mit der elastischen Anisotropie typischer Flüssigkristallmaterialien) und bleibt über die Zelle in etwa gleichförmig. Das Anlegen eines konstanten Feldpulses mit der korrekten Polarität koppelt mit der flexo-elektrischen Polarisation nahe der bistabilen Oberfläche und induziert (iii) die defektlose homeotrope Orientierung.
Einige Zeit später (die Dauer hängt von dem gesamten Verdrillungswinkel und den viskoelastischen Koeffizienten des Materials ab) wird sich die verbliebene Verdrillung in der Zelle auflösen (iv), da die Konfiguration mit der niedrigsten Energie des defektlosen Zustandes unverdrillt ist. Wenn einmal die Festlegung an der Oberfläche erfolgt ist, wird dieser Prozess unabhängig davon auftreten, ob das angelegte Feld weiterhin angelegt bleibt oder nicht (v). Im Zustand des umgekehrten Prozesses in 6b (i) ist es dasselbe wie 6a(v), und durch Anlegen von RMS wird der Direktor zu (ii) bewegt. Das Anlegen des geeigneten konstanten Pulses bewirkt ein flexo-elektrisches Schalten an der bistabilen Oberfläche und induziert direkt die Verdrillung (iii), die nach Entfernen des konstanten Pulses gleichförmig wird (iv), und sich dann (v) auf Grund eines ähnlichen elastischen Prozesses, wie er oben beschrieben wird, durch die Zelle ausbreitet.
Die Zelle wurde zwischen gekreuzte Polarisatoren gesetzt und mit einer Weißlichtquelle bestrahlt. Der Polarisator, der auf der Seite der Bestrahlung angeordnet war, stand senkrecht zu der Rillenrichtung der ersten (bistabilen) Oberfläche, so dass die einfallende Polarisation entlang der Komponente der optischen Achse des Flüssigkristalls in der Ebene lag, wenn es sich um den Defektzustand handelte. Der Analysator (der Polarisator auf Seiten des Detektors) wurde hierzu gekreuzt und zur Reibrichtung der Polymeroberfläche parallel ausgerichtet. Dies ist ähnlich dem normalen Weißzustand einer verdrillten nematischen Flüssigkristallvorrichtung.
Das elektrische Signal in 7 wurde dann angelegt, und die optische Reaktion der verdrillten bistabilen Zenitvorrichtung mit negativer Mode ist in den 8 bis 10 dargestellt, wobei die untere Kurve die optische Transmission gegenüber der Zeit und die obere Kurve ein angelegtes RMS-Signal zeigt. Pulse von 10 ms bei +28 V bzw. –10,5 V bewirken ein Umschalten zwischen Defekt- und Kontinuumszuständen. Eine Auslastung von 200 : 1 wurde beim Anlegen eines 3 Vrms-1 kHz-Rechtecksignals eingehalten. Das Umschalten zwischen Defekt- (durchlässig) und Kontinuums(dunkel) zustand erfolgte, und jeder Zustand blieb, wenn keine Pulse mehr anlagen, wie es in den 8 und 9 dargestellt ist, bestehen. Darüber hinaus bewirkte das Unterbrechen des angelegten Wechselsignals einen leichten Abfall in der Transmission im durchlässigen Zustand auf Grund der Änderung der Neigung über die Zelle, wie es in 10 gezeigt ist.
Diese Vorrichtung hat zwei große Vorteile gegenüber der nach dem Beispiel 1. Als erstes ist der optische Kontrast und der Wellenlängenbereich in dem verdrillten Zustand deutlich verbessert, so dass er dem der konventionellen verdrillten nematischen TN-Mode sehr nahe kommt. Das Abstimmen der optischen Eigenschaften der Vorrichtung, um in dem ersten oder zweiten Gooch-/Tarry-Minimum zu arbeiten, führt zu großer Helligkeit und hohem Kontrast zwischen Schwarz- und Weißzuständen. Dies kann näherungsweise ausgedrückt werden durch: T = {1 – sin2β/(1+a2)}, wobei β = 90°√(1 + a²) und a = 2Δn_eff·d/λ, wobei die effektive Doppelbrechung Δn_eff so skaliert wird, dass die mittlere Neigung ζ über die Zelle berücksichtigt wird:
Indem sichergestellt wird, dass der verdrillte Zustand nahe den Minima arbeitet, wobei β = p·180° gilt (p = 1, 2, 3, 4 ...), ist es möglich, schwarze und weiße Zustände zu erzeugen, indem eine 90°-Verdrillung genutzt wird, ohne dass zusätzliche Verzögerungsplatten eingesetzt werden müssen. Die Optimierung der Transmission im hellen Zustand (daher Helligkeit und Kontrast) kann für beide mit oder ohne angelegtem Wechselfeld durch Feinabstimmung der optischen Verzögerung (d. h. Δn_eff·d) der Vorrichtung erfolgen. Im Beispiel 2 deuten die Ergebnisse an, dass sich das Material bei angelegtem Wechselsignal einem Gooch/Tarry-Minimum nähert. Der zweite Hauptvorteil besteht darin, dass ein guter optischer Kontrast und Helligkeit beibehalten werden, selbst wenn eine signifikante RMS-Spannung über der Zelle abfällt, wie zum Beispiel beim Multiplexen.
Diese Vorteile werden offensichtlich bei Vergleich der Schaltergebnisse der verdrillten Vorrichtung mit negativer Mode in Beispiel 2 mit denen der konventionellen Vorrichtung mit positiver Mode in dem gegenübergestellten Beispiel. Die Ergebnisse für die Transmission im Defektzustand gegenüber der angelegten RMS-Spannung sind in 11 dargestellt, während 12 die Transmission im Kontinuumszustand wiedergibt. In beiden Fällen werden die Ergebnisse mit denen der ZBD positiver Mode, beschrieben in dem gegenübergestellten Beispiel, verglichen, wobei die Transmissionspegel bei jeder Vorrichtung normalisiert sind in Bezug auf die maximale Transmission.
Die Kontrastverhältnisse (Transmission im Defektzustand/ Transmission im Kontinuumszustand) sind in 13 aufgetragen. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die konventionelle ZBD positiver Mode erheblich darunter leidet, dass der Kontrast bei angelegtem Wechselfeld sinkt, während das Anlegen einer RMS-Spannung an die verdrillte negative Mode zu einem verbesserten Kontrastverhältnis führt (vor allem auf Grund der verbesserten Transmission des Defektzustandes).
Ein einfaches Beispiel für den Bereich von RMS-Spannungen, die zu einer Diskriminierung zwischen den beiden Zuständen führen, wenn Multiplexadressierung vorliegt, erhält man durch Messung der Schaltschwellenwerte für die beiden Übergänge als Funktion der angelegten RMS-Spannung. Die Ergebnisse der verdrillten Vorrichtung mit negativer Mode sind in 14 gezeigt. Diese zeigen, dass beide Zustände elektrisch für Wechselfelder im Bereich von 2 bis 3, 5 RMS-Volt unterschieden werden können. Das Kontrastverhältnis der ZBD-Vorrichtungen, positiv und verdrillt negativ, bei einer typischen Multiplex-Datenspannung von 3 Vrms betrug 4 : 1 bzw. 160 : 4. Wenn die RMS-Spannung abgekoppelt wurde, so betrugen die jeweiligen Kontrastverhältnisse 8 : 1 und 95 1. Diese Werte zeigen den großen optischen Vorteil auf Grund der Verwendung der verdrillten negativen ZBD aus Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung. Diese Vorteile kommen hinzu zu deutlich verbesserten Weißzuständen und Betrachtungswinkeln für die verdrillte negative ZBD. Die verbesserten achsenfernen Betrachtungseigenschaften beruhen auf den optischen Eigenschaften der beiden Zustände in Beispiel 2, die sehr ähnlich sind zu denen der spannungsgesteuerten Verdrillungsmoden (Voltage Controlled Twist, VCT) nach WO97/39382, GB/96,078548 und Coplanar-Schaltmoden (In-plane switching, IPS). Verbesserungen in Bezug auf den Betrachtungswinkel können durchgeführt werden unter Verwendung konventioneller Verfahren, wie durch das Einfügen von zusätzlichen Verzögerungsplatten oder Pixelunterteilung.

Claims

Flüssigkristallvorrichtung (1) mit zwei Zellwänden (3, 4), zwischen denen sich eine Schicht (2) aus nematischem oder chiral-nematischem Flüssigkristallmaterial befindet, Elektrodenstrukturen (6, 7) auf beiden Wänden, einer Oberflächenorientierungseinrichtung (16, 17) auf den gegenüberliegenden Oberflächen beider Zellwände (3, 4, 6, 7) in Kontakt mit dem Flüssigkristallmaterial zum Erzeugen einer Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle, einer Einrichtung (13, 14) zum Unterscheiden zwischen den geschalteten Zuständen des Flüssigkristallmaterials, gekennzeichnet durch ein Flüssigkristallmaterial (2) mit keiner oder negativer dielektrischer Anisotropie, eine erste Oberflächenorientierungseinrichtung (16) auf einer Zellwand (4), damit die Flüssigkristallmoleküle zwei verschiedene Vorwinkel in dem Kern des Materials (2) neben der Oberfläche in im Wesentlichen derselben Azimut-Ebene annehmen können, eine zweite Oberflächenorientierungseinrichtung (17) auf der anderen Zellwand (3) zum Erzeugen entweder einer Planaren homogenen oder gewinkelten homogenen Ausrichtung und einer einzelnen bevorzugten Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle, wobei der Vorwinkelwert der gewinkelten Ausrichtung kleiner als 45° gegenüber der Oberfläche ist und der Winkel zwischen der einzelnen Orientierungsrichtung und derselben Azimut-Ebene, die zu der ersten Oberflächenorientierung (16) gehört, wesentlich größer als null ist; wobei der Aufbau derart ist, dass die beiden stabilen Molekularkonfigurationen des Flüssigkristalls existieren können, nachdem geeignete elektrische Signale an die Elektroden (6, 7) angelegt worden sind (8, 9, 10, 11, 12) und eine dieser Konfigurationen eine Molekularverdrillung des Flüssigkristalls über die Schicht (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Wert und die Richtung des Vorwinkels auf der zweiten Oberfläche (3) zusammen mit den Vorwinkelwerten und der Richtung auf der ersten Oberfläche (4) derart gewählt sind, dass sich eine gleichförmige molekulare Winkelausrichtung im Kern des Flüssigkristallmaterials (2) ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Winkel zwischen der einzelnen Ausrichtung und derselben Azimut-Ebene, die zu der ersten Oberflächenorientierung (17) gehört, wenigstens 45° beträgt, um eine molekulare Verdrillung über die Schicht (2) von wenigstens 45° zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Winkel zwischen der einzelnen Ausrichtung und derselben Azimut-Ebene, die zu der ersten Oberflächenorientierung (17) gehört, etwa 90° beträgt, um über die Schicht (2) eine molekulare Verdrillung von etwa 90° zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schicht (2) einen Anteil von cholesterischem Material enthält und die Azimut-Ausrichtung der ersten Oberfläche (4) und die der zweiten Oberfläche (3) 90°·n ist, wobei n = 1, 2, 3,... ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem einen reflektierenden oder einen teilweise reflektierenden Spiegel (15) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Oberflächenorientierung (16) eine periodische Gitterstruktur umfasst, deren Tiefe, Konstante, Form und Verankerungseigenschaften derart gewählt sind, dass das Flüssigkristallmaterial (2) verschiedene Vorwinkel mit einem kleinen Abstand von der Oberfläche einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Orientierungsgittertiefe (h) und -konstante (w) so dimensioniert sind, dass sich im Wesentlichen dieselbe Verdrehungsenergie für die Flüssigkristallmoleküle in den beiden verschiedenen Vorwinkeln ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Orientierungsgitterdimensionen in Bezug auf Tiefe (h) und Konstante (w) so gewählt sind, dass sie mit jeder molekularen Verdrillung in der Schicht kooperieren, so dass sich im Wesentlichen dieselbe Verdrehungsenergie für die Flüssigkristallmoleküle in den beiden verschiedenen Vorwinkeln ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Oberflächenorientierung (16) ein Gitter aus einem Material umfasst, das eine homeotrope Orientierung der Flüssigkristallmoleküle in Bezug auf die lokale Oberflächenrichtung bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Oberflächenorientierung (16) ein Gitter aus einem Material umfasst, das eine homogene Orientierung oder Orientierung der Flüssigkristallmoleküle mit niedrigem Vorwinkel in Bezug auf die lokale Oberflächenrichtung bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Oberflächenorientierung (16) eine Gitterstruktur mit einem symmetrischen Profil mit einer gleichförmigen oder variierenden Form über jedes Pixel oder von Pixel zu Pixel innerhalb der Anzeige oder zwischen den Pixeln oder in Lücken zwischen den Pixeln ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Oberflächenorientierung (16) eine Gitterstruktur mit einem asymmetrischen Profil mit einer gleichförmigen oder variierenden Asymmetrie über jedes Pixel oder von Pixel zu Pixel innerhalb der Anzeige oder zwischen den Pixeln oder in Lücken zwischen den Pixeln ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Oberflächenorientierung (16) eine Gitterstruktur ist, die behandelt wurde, um die Flüssigkristallmoleküle mit Bezug auf die lokale Oberflächenrichtung homeotrop zu orientieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Oberflächenorientierung (17) eine geriebene Polymeroberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Oberflächenorientierung (17) durch eine polarisierte Schicht aus organischem Material erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Oberflächenorientierung (17) aus einer Schicht aus organischem Material gebildet wird, das auf die Zellwand (3) aufgedampft wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Oberflächenorientierung (17) durch eine Einzel- oder Doppelgitterschicht gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem ein oberflächenaktiver Stoff auf der Oberfläche wenigstens einer Zellwand (3, 4) umfasst, um die Verankerungsenergie zu modifizieren.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der zusätzliche oberflächenaktive Stoff verwendet wird, um die Oberflächeneigenschaften zu verändern, und er mit den Flüssigkristallmaterial gemischt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Flüssigkristallmaterial (2) eine flexo-elektrische Polarisation in seinen geschalteten Zuständen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem Einrichtungen (8, 9, 10, 11, 12) zum Anlegen von unidirektionalen Spannungspulsen umfasst, wobei die beiden verschiedenen stabilen Zustände durch Kopplung zwischen dem angelegten elektrischen Feld und der flexo-elektrischen Polarisation in einem gebogenen oder schrägen Flüssigkristallmaterial gewählt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem Einrichtungen zum Anlegen elektrischer Signale bei zwei verschiedenen Frequenzen umfasst, wobei das nematische Material ein bei zwei Frequenzen adressierbares Flüssigkristallmaterial ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Flüssigkristallmaterial (2) einen Anteil von dichroischem Farbstoff enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung für die optische Unterscheiden zwischen den geschalteten Zuständen wenigstens einen Polarisator (13, 14) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem zusätzliche Doppelbrechungsschichten umfasst zum Verändern der optischen Eigenschaften der Vorrichtung in ihren geschalteten Zuständen.