DE3327300A1

DE3327300A1 - Fluessigkristall-anzeige

Info

Publication number: DE3327300A1
Application number: DE19833327300
Authority: DE
Inventors: Yutaka Ishii; Shuichi Nara Kozaki; Kenichi Tenri Nara Nakagawa
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1982-07-29
Filing date: 1983-07-28
Publication date: 1984-02-02
Also published as: JPS5923328A; GB2127169A; GB8320417D0; GB2127169B; US4579425A; DE3327300C2

Description

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• e * · λ ο ·β

S 4102-D

Flüssigkristall-Anzeige

Beschreibung

¹^ Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristall-Anzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung befaßt sich mit einer Flüssigkristall-Anzeige vom Typ White-Tailor Gast-Wirt (WT-EH) und zielt auf die ¹^ Erzeugung einer verbesserten Schwellenspannungscharakteristik ab und die Möglichkeit, die Flüssigkristall-Anzeige in einem Multiplexbetrieb einfach zu betreiben.

Gast-Wirt Anzeigevorrichtungen werden allgemein in zwei Gruppen eingeteilt/ in eine Gruppe bei der Polarisatoren verwendet werden und eine andere Gruppe, bei der keine Polarisatoren zur Anwendung kommen. Die Flüssigkristall-Anzeigen vom Typ White-Tailor Gast-Wirt gehören zur letzteren Gruppe. Bei dieser Gruppe von Anzeigen wird eine Flüssigkristall-Mischung verwendet, die zusammengesetzt ist aus nematischen Flüssigkristallen vom P-Typ, denen ein dichroitischer Farbstoff und ein optisch aktives Material zugemischt sind. Die Anzeigevorrichtung verwendet für die Erzeugung der Anzeige sowohl eine Lichtabsorption (farbiger Zustand) die auf eine verdrillte Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle bei Fehlen eines angelegten elektrischen Feldes zurückzuführen ist (oder auf ein elektrisches Feld, das kleiner ist als ein Schwellenwert eines elektrischen Feldes)als eine Lichtdurchlässigkeit (nichtfarbiger Zustand) die auf eine homöotrope Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle im Ansprechen auf ein angelegtes elektrisches Feld (das größer ist als der Schwellenwert des elektrischen Feldes) zurückzuführen ist. Die Figuren 1 (A),

1 (B) und 1 (C) erläutern die Prinzipien von dem Betrieb einer derartigen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung. Bei Fehlen eines angelegten elektrischen Feldes sind die mit 1 bezeichneten dichroitischen Farbstoffmoleküle sowie die mit 2 bezeichneten Wirt-Flüssigkristall-Moleküle zwischen einem Paar von Glassubstraten 3 und 3¹ wie in Fig. 1 (A) gezeigt verdrillt. Wenn ein elektrisches Feld von einer Spannungswelle 4 parallel zu den von den Glassubstraten 3 und 3' gebildeten durchsichtigen Elektroden angelegt wird, werden die dichroitischen Farbstoffmoleküle 1 und die Flüssigkristall-Moleküle 2 senkrecht zu den Elektroden wie in Fig. 1 (B) dargestellt,orientiert. Einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von A max wird im wesentlichen absorbiert, wenn die Moleküle, die in Fig. 1 (A) gezeigte Orientierung aufweisen, und durchgelassen, wenn die Moleküle wie in Fig. 1 (B) gezeigt orientiert sind. Fig. 1 (C) erläutert die Änderung in der Spektralverteilung des durchgelassenen Lichts in Abhängigkeit davon, ob das elektrische Feld ein EIN- oder AUS gechaltet ist.

Das oben erläuterte Anzeigesystem hat über einen weiten Umfang variierende Charakteristiken in Abhängigkeit von der Art der Oberflächenorientierung. Die Oberflächenorientierung läßt sich grundsätzlich in zwei Gruppen unterteilen, in homöotrope und in homogene Orientierungsmöglichkeiten. Im Falle einer homöotropen Orientierung erhält man einen höheren Kontrast in der Anzeige, während die benötigte Steuerspannung bei der homogenen Ausrichtung geringer ist. Für einen Niederspannungsmultiplexbetrieb ist daher die homogene Orientierung besser geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine WT-GH Flüssigkristall-Anzeige mit homogener Orientierung zu schaffen, die ein hohes Anzeigekontrast-Verhältnis aufweist und in der Lage ist in einem Multiplex-Betrieb mit einer relativen Einschaltdauer bzw. einem Tastverhältnis von 1/4 oder darüber betrieben werden zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgernäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Eine Flüssigkristall-Anzeige vom Typ White-Tailor Gast-Wirt (WT-GH) enthält erfindungsgemäß einen nematischen Flüssigkristall mit einer positiven Dielektrizitätskonstante, wobei ein optisch aktives Material und ein dichroitischer Farbstoff zugegeben sind. Bei Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes liegt der Verdrillungswinkel Q der Flüssigkristall-Schicht zwischen den Substraten in einem Bereich von 270° = θ ^ 315°. Die Wirts-Flüssigkristall-Moleküle haben eine Brechungsindex Anisotropie J n, das heißt eine optische Doppelbrechung von 0,14 oder darunter und die Flüssigkristall-Schicht hat eine Dicke d_; die 7 um oder darunter beträgt, ta η = η - η , wobei η der Brechungsindex bezüglich eines außerordentlichen Strahles und η der Brechungsindex bezüglich eines ordentlichen Strahles ist).

Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 (A), 1 (B) und 1 (C) zeigen Diagramme aus denen der grundsätzliche Betrieb einer WT-GH Flüssigkristall-Anzeige mit horizontaler Orientierung ersichtlich ist.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem die angelegte Spannung 3Q gegenüber der Durchlässigkeit der WT-GH Flüssigkristall-Anzeige mit horizontaler Orientierung aufgetragen ist.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, aus dem die Beziehungen zwischen Vth, CR und einem Flüssigkristall-Verdrillungswinkel θ hervorgehen.

Fig. 4 (A) , 4 (B) und 4 (C) stellen Diagramme von Anzeige-

Charakteristiken dar, die bei einem Verdrillungswinkel von 2 70° aufgezeichnet sind.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm von einer Anzeigecharakteristik die bei einem Verdrillungswinkel θ von 270° und A. η = 0,11 aufgezeichnet wurde.

Im folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele näher erläutert werden. Die Anzeigecharakteristik

jQ einer WT-GH Flüssigkristall-Anzeige mit homogener Orientierung hängt vom Verdrillungswinkel θ der Flüssigkristall-Schicht ab. Flüssigkristall-Schichten mit Verdrillungswinkeln von 90° und 360° wurden bereits in den JA-OS (OPI) 56-125723 und 56-83721 beschrieben. Die Flüssigkristall-5 Schicht mit einem Verdrillungswinkel von 90° zeigt jedoch ein unbefriedigendes Kontrastverhältnis, während die Flüssigkristall-Schicht mit einem Verdrillungswinkel von 3 60° bezüglich ihrer Anzeigecharakteristik mit einer großen Hysterese behaftet ist. Diese Verdrillungswinkel ermöglichen daher keinen Multiplexbetrieb mit einem erwünscht hohen Tastverhältnis und einem gewünschten relativ großen Tastverhältnis. Die Anmelderin hat daher Untersuchungen durchgeführt um Flüssigkristall-Verdrillungswinkel zu finden, die für einen Multiplexbetrieb mit einem hohen Tastverhältnis optimal geeignet sind.

Es ist allgemein bekannt, daß der Flüssigkristall-Verdrillungswinkel θ beeinflußt werden kann,so daß er jeden beliebigen Winkel einnimmt, indem man den Winkel zwischen den

oQ Richtungen, in denen das Reiben auf dem oberen und dem unteren Substrat erfolgt/ geeignet festlegt (der Winkel zwischen den Richtungen in denen das Reiben stattfindet wird mit bezeichnet), und indem man die Menge des dem nematischen Flüssigkristall zugegebenen optisch aktiven Materials ent-

gc sprechend einstellt. Dies sei im folgenden noch ausführlicher dargestellt:

Es sei zunächst angenommen, daß die Flüssigkristall-Mischung mit der Zugabe des optisch aktiven Materials einen natür-

» CO ft 4 · * *

- 7

lichen Abstand P aufweist {der Abstand in demjenigen Fall, bei dem die verdrillte Orientierung frei von jeglicher Einspannung ist, die zwischen dem oberen und dem unteren Substrat verwendet wird), und daß das optisch aktive Material in einer Menge C zugegeben wird. In diesem Falle ergibt sich folgende Beziehung:

P = K/C (K ist eine Konstante) ... (1)

Wenn die Flüssigkristall-Schicht eine Dicke d aufweist und einen Flüssigkristall-Verdrillungswinkel Θ, dann läßt sich der Wert von d/P der zu einem

θ = \ + nTr (n ist eine ganze Zahl, - Tr/2 ^L ^ir/2) ..(2)

führt, ausdrücken durch folgende Beziehung

ξ /2* + n/2 - 1/4 4 d/P<-5/2tr + n/2 + 1/4 ... (3)

Um den Flüssigkristall-Verdrillungswinkel zu erhalten wie er durch Beziehung 2 ausgedrückt ist, muß die Menge des zugegebenen optisch aktiven Materials auf der Basis der Beziehungen 1 und 3 wie folgt eingestellt werden:

K/d($/2ir + n/2 - 1/4)<C < K/d(g/2<<r + n/2 + 1/4) ...(4)

Durch Anpassung von P an d berechnet sich die zugegebene Menge C aus Gleichung 4 wie folgt:

C = K/d{£/2tr + n/2) ... (5)

Ausgehend von Gleichung 5 wurden verschiedene Werte für den Verdrillungswinkel θ bestimmt. Als Wirt-Flüssigkristall

wurde ein Phenylcyclohexan Flüssigkristall ZIJ-I694 verwendet (hergestellt von Merck, mit einer optischen Doppelbrechung A η = 0,14_; wobei Λ η = η - n_Q bedeutet, wenn mit n_e der Brechungsindex bezüglich eines außerordentlichen Strahles und η der Brechungsindex bezüglich eines ordentlichen

··■· · J J^ / JUU

Strahles bezeichnet ist). Als optisch aktives Material wurde ein chiral-nematisches Material CB-15 (hergestellt durch BDH) und als Farbstoff ein Anthraquinonfarbstoff M137 (hergestellt von Mitsui Toatsu Chemicals, Inc.) verwendet.

Die Glassubstrate wurden mit Filmen eines macromolekularen Ausrichtungsmittels PIX #5400 überzogen (hergestellt von Hitachi Kasei Co., Ltd.).

Die WT-GH Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung mit homogener Orientierung von dem vorstehend beschriebenen Aufbau, zeigt allgemein eine Hysterese der Durchlässigkeit in Abhängigkeit von angelegter Spannung, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Zur genaueren Beschreibung dieses Phänomens werden definiert: eine Schwellenspannung Vth "-zum Zeitpunkt des Spannungsanstiegs (OV -*> 20V mit einer Geschwindigkeit von 0,1 V/s), eine Schwellenspannung Vth I zum Zeitpunkt einer Spannungsabnahme (20V-^OV bei einer Geschwindigkeit von 0,1 V/s) und das Verhältnis der Durchlässigkeit Ts bei OV und 4V zum Zeitpunkt des Spannungsabfalles als Kontrastverhältnis CR = Ts(4V)/ Ts(OV).

Die Beziehungen zwischen θ und Vth^, Vth<i, und CR sind in Fig. 3 wiedergegeben, wobei d = 10 um,Λ = 640 nm und die Farbstoffkonzentration 1 Gew.-% beträgt. Fig. 3 zeigt,daß mit einer Zunahme des Verdrillungswinkels θ das Kontrastverhältnis CR und die Schwellenspannung Vthf zunehmen, während die Schwellenspannung Vth|, abnimmt. Für einen Multiplexbetrieb ist es von dem Standpunkt des besten Kontrascverhältnisses CR vorzuziehen, daß der Verdrillungswinkel θ zuniirmt. Wenn jedoch der VerdrJllungswinkel θ zu groß ist, nimmt die Differenz zwischen den Schwellenwert-Spannungen Vtht und Vth J, zu, was zu einem kleineren Betriebsbereich und einer größeren Hysterese führt. Der Flüssigkristall-Verdrillungswinkel θ sollte daher derart bestimmt werden, daß man auch das Tastverhältnis in Betracht zieht. Dies wird im folgenden näher erläutert. Es sei zunächst angenommen, daß ein Spannungseffektivwert·. V (rms) an einem unausoewählten oder AUS-Punkt besteht und aus

Daß em Spannungserfektivwert V . (rms) an einer, ausgewählten oder EIN-Punkt besteht sowie daß die Anzahl der Abtastlinien N betrage. Die Beziehung läßt sich sodann durch folgende Gleichung- in einem optimierten Amplituden-Auswahlverfahren wiedergeben:

V„„„(rms) 10

V . (rms) I ·ψτ + 1

^ein M _ίΜ

aus \| "ftf¹- 1

Wenn die Spannung V (rms) = Vth4- und die Spannung V .

äUS G XTi

(rms) = Vthi⁴ ist läßt sich die maximale Zahl von Abtastlinien N für die in Fig. 3 dargestellten Charakteristiken max ^{3 J}

aus Gleichung 6 bestimmen. Im folgenden sind die Ergebnisse

dieser Rechnung wiedergegeben: 15

θ 0° 90° 180° 270° 315° 340° 360°

Vthf/Vthi 1 1.1 1.07 1,14 1.44 1.83

\ax * - « 219 58 8 3

Wo der Abstand P und die Dicke d nicht zueinander passen, ändert sich der Wert von Vthi/Vth^ um ungefähr 30% in obiger Tabelle für θ ^ 270°. Wenn die Anzahl N in diesem Falle

max

durch N¹ wiedergegeben wird, ergibt sich für die Be-

ICl 3.x

Ziehung zwischen der Zahl N' und dem Verdrillungswinkel θ

folgende Beziehung:

θ 0° 90° 180° 270° 315° 340° 360°

N¹ max

Betrachtet man die vorstehenden Tabellen so zeigt sich, daß mit zunehmendem Verdrillungswinkel θ (aufgrund der Zunahme des Wertes von Vthf/ VthtJdie Maximalzahlen N

Iu ei X

und N¹ des Abtastlinien abnehmen. Für einen MuItimax

plexbetrieb mit einem Abtastverhältnis von 1/4(N¹ ,„ <*a

max

4) sollte der Verdrillungswinkel in dem Bereich von

-ΙΟΙ 270° = θ = 315° gewählt werden, wenn die vorstehenden Ergebnisse und das gewünschte hohe Kontrastverhältnis CR berücksichtigt werden. Es bestätigte sich durch andere Versuche, daß die vorstehend diskutierten Winkeleinstellungen und Ergebnisse für jegliche Art von Wirt-Flüssigkristallen, jegliche Art von dichroitischen Farbstoffen und jegliche Art von Ausrichtmitteln für die homogene Ausrichtung ungeändert verbleiben.

Im folgenden soll der Einfluß beschrieben werden, den die Dicke d der Zelle ausübt. Es wurden Fiüssigkristall-Zellen hergestellt und untersucht, bei denen die vorstehenden Gast-Wirt Flüssigkristall-Materialien verwendet wurden, mit Flüssigkristall-Schichten die einen Verdrillungswinkel von 270° und Dicken von 10 pm, 7 pm und 5,6 pm aufwiesen. Die Anzeigecharakteristiken dieser Flüssigkristall-Zellen wurden untersucht, wobei die Ergebnisse in den Figuren 4 (A) bis 4(C) wiedergegeben sind. Das optisch aktive Material wurde in Mengen zugegeben, welche den entsprechenden ZeIldicken angepaßt waren. In Fig. 4 (A) zeigt die Anzeige eine große Hysterese bei d = 10 pm. Durch ein Dünnermachen der Flüssigkristall-Schicht auf d = 7 pm (Fig. 4 (B)) und auf d = 5,6 pm (Fig. 4 (C)) wird sich die Hysterese im wesentlichen eliminieren. Eine weitere Verringerung der Zellendicke füh rt zu einem scharfen Anstieg der Durchlässigkeit in Nachbarschaft der Schwellenspannung und auch zu einer Verringerung in der Schwellenspannung Vth. Eine Verringerung der Zellendicke bewirkt daher eine Verbesserung der Multiplexcharakteristiken sowie eine Verbesserung in den Ansprechcharakteristiken und im Kontrast. Wenn man daher die Zelle 7 pm dick oder dünner macht, läßt sich eine Anzeigevorrichtung schaffen, die ein relativ hohes Tastverhältnis aufweist und in der Lage ist, im Multiplexbetrieb betrieben zu werden. Der Anzeigekontrast kann weiter verbessert werden, indem man ein Material mit einer Brechungsindex-Anisotropie von A η *> 0,14 wählt (J η χ dc 1,0 pm) Als diesbezügliches Beispiel zeigt Fig. 5 die Anzeigencharakteristiken (d = 7 1m) eines Phenylcyclohexan Flüssig-

- 11 -

kristall-Materials mit /Jn = 0,11. Ein Vergleich zwischen diesem Material und dem vorstehenden Material mit ^n = 0,14 für das Kontrastverhältnis CR = Ts (4V)/TS (OV) zeigt, daß CR gleich 2,1 für ein Material mit /In = 0,14 wird, während CR gleich 2,4 ist, für das Material mit in = 0,11.

Für eine Flüssigkristall-Zelle mit einer Dicke im vorstehend erwähnten Bereich würde sich eine unzureichende optische Rotationsdispersion ergeben, wenn, ein Flüssigkristall-Material mit ^n>0,15 verwendet würde. Die Lichtabsorption wäre daher verringert und daß Kontrastverhältnis würde erheblich beeinflußt werden. Es ist daher notwendig, den Wert für 4 η derart zu wählen, daß A η ^ 0,14 ist für Flüssigkristall-Zellen mit d ^ 7 μΐη.

Die homogen orientierte WT-GH Flüssigkristall-Anzeige, bei der wie vorstehend beschrieben die folgenden Beziehungen erfüllt sind:

270° ± θ £ 315°

Aⁿ - 0,14 und

d = 7

weist einen verbesserten Kontrast und ein verbessertes Ansprechen auf und ist in der Lage mit einem 1/4 Tastverhältnis oder mehr in Multiplexbetriebsweise betrieben zu werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher eine wirksame Farbanzeigetechnik.

Leerseite

Claims

β β · β · · 9 » a ο a β · e β · ο· ο * 1 β O · β β Ο««· )O e a · ■· * ·· «0 DIEHL & KRESSIN Patentanwälte European Patent Attorneys Kanzlei/Office: F!uggenstra3e 17 D-8000 München 28. Juli 1983 S 4102-D Sharp Kabushiki Kaisha No. 22-22, Nagaike-chof Abeno-ku, Osäka-shi, Osaka, Japan Flüssigkristall-Anzeige 5 Patentansprüche

1. Flüssigkristall-Anzeige enthaltend ein erstes und ein zweites Substrat (3, 3¹) und eine zwischen diesen angeordnete Flussigkristall-Sohicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Schicht bei Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes einen Verdrillungswinkel zwischen 270° und 315° einnimmt.

• · * · OO/l/OUU

— 2 —

2. Flüssigkristall-Anzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Schicht eine Dicke (b) aufweist, die kleiner oder gleich 7 um ist.

3. Flüssigkristall-Anzeige nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Schicht Wirtsmoleküle (2) mit einer optischen Doppelbrechung (A n) von weniger oder gleich 0,14 aufweist.

4. Flüssigkristall-Anzeige nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Flüssigkristall-Schicht die folgende Beziehung gilt

^n χ d < 1,0 ρ
wenn Λ η die optische Doppelbrechung und d die Dicke der Flüssigkristall-Schicht ist.

5. Flüssigkristall-Anzeige enthaltend ein erstes und ein zweites Substrat (3, 3') und eine zwischen diesen angeordnete Flüssigkristall-Schicht welche gekennzeichnet ist durch einen Verdrillungswinkel im Bereich von 270° bis 315° bei Abwesentheit eines angelegten elektrischen Feldes, Wirtsflüssigkristallmoleküle (2) mit einer optischen Doppelbrechung (A n) die kleiner oder gleich 0,14 ist und eine Dicke (d) die kleiner oder gleich 7 um ist.

6. Flüssigkristall-Anzeige nach einem der vorstehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristalle (2) eine positive Dielektrizitätskonstante aufweisen und daß ihnen ein optisch aktives Material und ein dichroitigg scher Farbstoff zugegeben ist.