DE2426881A1

DE2426881A1 - Fluessigkristallanzeige

Info

Publication number: DE2426881A1
Application number: DE19742426881
Authority: DE
Inventors: Gerard John Sprokel
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1974-06-04
Publication date: 1975-01-16
Also published as: US3876287A; FR2235379A1; JPS5023840A; GB1468423A; FR2235379B1

Description

Böblingen, den 16. Mai 1974

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 972 114

Flüs s igkrista11anzeige

Die Erfindung betrifft eine Zeichenanzeige mit Hilfe eines Flüssigkristallfilms, der zwischen Belagsegmenten selektiv elektrischen Feldern aussetzbar ist.

Doppelbrechende Eigenschaften von nematischen Flüssigkristallyerbindungen sind zur Herstellung von elektrooptischen Informationsanzeigen für Datensichtgeräte in mannigfacher Weise vorgesehen. Beispiele hierzu finden sich in den USA-Patentschriften 33 64 433, 36 63 086, 36 69 525, 36 87 515 und 36 94 053. Außerdem sei auf den Artikel "Machin Design" vom 7. Sept. 1972 auf den Seiten bis 117 verwiesen.

Unter den dort beschriebenen Systemen finden sich solche, die unter Ausnutzung von Feldeffekterscheinungen nematische Flüssigkristallsubstanzen verwenden, deren doppelbrechende Eigenschaften in einem elektrischen Feld zur Differenzierung durch Polarisator und Analysator steuerbar sind. In einer solchen Anordnung sind die Moleküle einer nematischen Flüssigkristallverbindung, wie z.B. einer mit dielektrischen Eigenschaften, in einer Bezugsrichtung ausrichtbar, die normalerweise mit der Strahlengangrichtung des durch die Flüssigkristallzelle hindurchgehenden Lichtes zusammenfällt. Ganz allgemein läßt sich die Ausrichtbarkeit der Moleküle durch Dotieren mit bestimmten Substanzen wie z.B. Kunststoffpolymeren erhöhen. Bei einer solchen Molekularorientierung zeigt das nematische Flüssigkristallmaterial isotrope optische Eigenschaften, die nicht den Lichtdurchgang beeinträchtigen, jedoch läßt sich

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unter Anwendung von Polarisatoren und Analysatoren im Strahlengang bei bestimmten Voraussetzungen eine Auslöschung herbeiführen.

Durch Anlegen eines elektrischen Feldes senkrecht zur Bezugsrichtung der ursprünglichen Molekularausrichtung läßt sich eine Reorientierung herbeiführen und zwar in Richtung des angelegten Feldes, durch das die nematische Flüssigkristallsubstanz in eine optisch anisotrope Substanz für den Lichtdurchgang längs des ursprünglichen Strahlengangs gebracht wird, z.B. in die Bezugsrichtung der ursprünglichen Molekülorientierung im Flüssigkristall.

Eine solche selektive Änderung zwischen isotropem und anisotropem Lichtdurchgang durch nematische Flüssigkristallfilme läßt sich durch Anwenden von Polarisatoren und Analysatoren differenzieren zwischen denen die FlüssigkristajLl-Feldeffektzelle im Strahlengang des hindurchgehenden Lichtes angeordnet wird.

Bekannte Zellen dieser Art weisen nun schwerwiegende Nachteile auf. Wird so z.B. keine spezielle Dotierung zur leichteren MoIekülausrichtbarkeit in der nematischen Flüssigkristallverbindung vorgesehen, dann ist es außerordentlich schwierig, eine vollständige und/oder reproduzierbare Molekülausrichtung der Flüssigkristall substanz in einer bestimmten Zelle oder in benachbarten Zellen einer Anzeigevorrichtung zu erzielen. Anzeigevorrichtungen unter Ausnutzung des Feldeffekts zeigen dabei nicht nur große Variationen über der Anzeigefläche, sondern auch innerhalb der Anzeigezellen selbst.

Außerdem hat sich gezeigt, daß die Dotierung, wobei die Dotierungssubstanzen durchaus mit den Flüssigkristallverbindungen verträglich sind, zur Herabsetzung der Lebensdauer von Flüssigkristallzellen beiträgt, indem nämlich eine zunehmende Verschlechterung unvermeidbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Flüssigkristall-Zeichenanzeige bereitzustellen, bei der sowohl die

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doppelbrechenden Eigenschaften als auch die Einstellungen auf anisotrope und isotrope Molekülorientierung in reproduzierbarer Weise auf maximale Wirksamkeit gebracht sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zum wahlweisen Anlegen von elektrischen Feldern in senkrecht zueinander stehenden Richtungen für isotrope oder anisotrope Molekularorientierung der Flüssigkristallsubstanz·jeweils an mehr als zwei Begrenzungsflächen eines jeweiligen Flüssigkristallfilms Belagsegmente angebracht sind und daß Mittel zur Differenzierung vorgesehen sind, um den Lichtdurchgang der Flüssigkristallsubstanz jeweils bestimmen zu können. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel, bei denen Glassubstrate mit transparenten leitenden Schichten auf der jeweils dem Flüssigkristallfilm zugewendeten Seite überzogen sind, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die transparenten leitenden Schichten ihrerseits jeweils vollständig mit einer isolierenden dielektrischen Schicht bedeckt sind und daß auf einer dieser dielektrischen Schichten das Belagsegmentmuster entsprechend den wählbar darzustellenden Zeichen aufgebracht ist, indem die einzelnen, den Teilen der darzustellenden Zeichen entsprechenden Belagsegmente sowohl jeweils mit gemeinsam hiermit auf der dielektrischen Schicht aufgebrachter Zuführung zu ihrer wahlweisen Ansteuerung versehen sind, als auch mit einem, ihrer Kontur folgenden, in Abstand hiervon auf einer der dielektrischen Schichten aufgebrachten, gemeinsamen Belagsegment zusammenwirken, das an Masse anschließbar ist.

Auf diese Weise läßt sich eine positive Reorientierung der nematischen Flüssigkristallsubstanz herbeiführen, ohne daß in nachteiliger Weise Dotierungsmittel für die Flüssigkristallsubstanz vorgesehen werden müssen.

Zum Betrieb einer solchen Flüssigkristallanzeige ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß an die leitenden Schichten eine HF-Signal- bzw. Spannungsquelle mit einer Frequenz von IO kHz und an das Belagsegmentmuster eine Wechselspannungssignal- bzw. Spannungsquelle mit einer Frequenz von Fi 972 114 409883/085 3

100 Hz wahlweise anschließbar ist. Hierdurch läßt sich ein dominierendes elektrisches Feld zwischen Belagsegmenten zur Zeichenanzeige aufbauen, wobei die Steuerung des elektrischen Feldes die Orientierung der isotropen und anisotropen Molekularanordnung der nematischen Flüssigkrxstallsubstanz im Lichtdurchgangspfad bestimmt .

Die Differenzierung des Lichtdurchgangs durch anisotrope bzw. isotrope Orientierung der nematischen Substanz läßt sich durch Anwenden geeigneter Analysatoren und Polarisatoren gewährleisten. In vorteilhafter Weise kann bei durch Strahlungsbetrieb der Polarisator im Strahlengang auf der einen Seite der Flüssigkristallzelle und der Analysator auf der anderen Seite der Flüssigkristallzelle aufgeschichtet sein, so daß sich eine laminierte Struktur für Flüssigkristallanzeige ergibt.

Für Reflexionsbetrieb wird in vorteilhafter Weise eine reflektierende Oberfläche auf der einen Seite der Flüssigkristallzelle und auf der anderen Seite ein Polarisator mit einer 1/4-Wellenlängenplatte vorgesehen, indem ebenfalls eine kompakte laminierte Struktur der Flüssigkristallanzeige ausgeführt wird. .

Für die Betriebsweise gilt allgemein, daß bei Anlegen eines vorherrschenden elektrischen Feldes in Richtung parallel zum Lichtdurchgang die Moleküle des nematischen Flüssigkristalls isotrop orientiert sind, wobei dann das durch die Zelle hindurchgelangende Licht unter der Wirkung der Polarisatormittel gelöscht wird, so daß auf der Sichtfläche entsprechend abgedunkelte Bereiche vorliegen. Wird umgekehrt ein vorherrschendes elektrisches Feld senkrecht zum Lichtdurchgangspfad angelegt, dann sind die Moleküle im nematischen Flüssigkristall anisotrop orientiert, so daß ein Lichtdurchgang durch die Polarisationsmittel gestattet wird und dementsprechend helle Flächenbereiche auf der Sichtfläche in Erscheinung treten.

Da durch die erfindungsgemäße Anordnung eine stets gleichmäßige reproduzierbare Qualität der Zeichendarstellung gewährleistet

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ist und außerdem die Lebensdauer nicht durch Zusätze zur Flüssigkiristallsubstanz herabgesetzt wird, ergibt sich eine leistungsfähige und betriebszuverlässige Anzeigevorrichtung.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der unten aufgeführten Zeichnungen und aus den Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch ein

Ausführungsbeispiel der Erfindung in Transmissionsausführung für die Zeichendarstellung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Schnittebene der An

ordnung nach Fig. 1 längs der dort gezeigten Linie 2-2,

Fig. 3A und 3B Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 zur Erläuterung

der Transmissionsbetriebsweise,

Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen zur Erläuterung

für optische Erscheinungen bei Betrieb des Ausführungsbeipiels nach Fig. 1,

Fig. 5 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch ein

anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das für Reflexionsbetriebsweise ausgelegt ist,

Fign. 6A und 6B Darstellungen des Ausführungsbeispiels nach

Fig. 5 zur Erläuterung der Reflexionsbetriebsweise,

Fign. 7A und 7B schematische Darstellungen des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Erläuterung der optischen Effekte bei Reflexionsbetriebsweise.

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Die Anordnung nach den Fign. 1 und 2 stellt in beispielsweiser Ausführung eine Sieben-Segmentanzeige mit Hilfe einer Feldeffekt-Flüssigkristallzelle dar. Ihr Aufbau enthält ein Elektrodenpaar zum Anlegen von elektrischen Feldern über einen nematischen Flüssigkristall-Dünnfilm (Dicke z.B. in der Größenordnung von 10 bis 20 pm), der positive dielektrische Eigenschaften besitzt, deren Parameter steuerbar sind, um die Flüssigkristallzelle entsprechend der Erfindung zu betreiben. Bekanntlich zeichnen sich nematische Flüssigkristalle durch die Fähigkeit aus, unter dem Einfluß eines angelegten elektrischen Feldes eine Molekülausrichtung parallel hierzu zu zeigen. Entsprechend der Erfindung ist eine solche Molekülausrichtung in Richtung eines wahlweise über zwei ausgelegte Plattenpaare angelegten elektrischen Feldes selektiv orientiert. In typischer Weise wird ein Plattenpaar in Vorzugsrichtung ausgerichtet, normalerweise in Richtung des durch den Kristall hindurchgehenden Lichtes. Ein zweites Plattenpaar wird senkrecht zu dieser Bezugsrichtung, also normalerweise senkrecht zum Lichtdurchgangspfad ausgerichtet. Unter der Einwirkung eines vorherrschenden Feldes über einem ausgewählten Plattenpaar entsteht eine entsprechende Molekularausrichtung des Flüssigkristalls in Richtung dieses dominierenden elektrischen Feldes. Durch Richtungssteuerung des dominierenden elektrischen Feldes läßt sich der Flüssigkristall als optisch doppelbrechendes Element für die Zwecke vorliegender Erfindung anwenden.

Zur Veranschaulichung sei angeführt, daß die Molekularausrichtung des Flüssigkristalls sich isotropisch orientieren läßt, indem ein vorherrschendes elektrisches Feld parallel zum Lichtdurchgangspfad angelegt wird. Umgekehrt läßt sich die Molekularausrichtung des nematischen Flüssigkristalls anisotrop ausrichten, indem ein elektrisches Feld mit einer Richtung angelegt wird, die senkrecht zum Lichtdurchgangspfad ausgerichtet ist.

Bevorzugte Beispiele nematischer Flüssigkristalle dieser Art sind solche, die eine positive Anisotropie besitzen. Der Ausdruck "positive Anisotropie" deutet dabei an, daß die Komponente der Di-

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'elektrizitätkonstanten parallel zur Molekülachse größer ist als diejenige, senkrecht zu dieser Achse. Symbolisch läßt sich das folgendermaßen ausdrucken ε₍₁ > ε₍ „ Hierin bedeutet ε die Dielektrizitätskonstante und die Indizes n und ± beziehen sich dabei auf die Parallel- und Querausrichtung. In gleicher Weise ist auch die Leitfähigkeitsanisotropie positiv, was sich symbolisch so ausdrücken läßt: σ₍| > σ^ .

Typische Beispiele für nematische Flüssigkristalle dieser Art sind:

a) wenn Benzyliden-p-Aminobenzonitrilderivate von der allgemeinen Form:

Hierin stellt R ein Butoxy bis zum Hexyloxy oder ein äquivalentes Anoyloxy-Homolog dar. b) Bestimmte Ester der Form:

Hierin stellen R und R¹ Butyl bis Heptyl dar. c) Materialien, deren Zusammensetzung nicht weiter bekannt ist und nur unter Typenbezeichnungen der jeweiligen Firmen erhältlich sind, vorausgesetzt, daß die jeweilige Mischung positive Anisotropie aufweist, wie Kodak Nematik-Mischung (Katalog-Nr. 11 900).

Es versteht sich, daß die oben angeführten Verbindungen lediglich beispielsweise aufgezählt sind, wobei zu berücksichtigen ist, daß das generelle Kriterium nicht so sehr die Struktur, als die dielektrische Anisotropie ist. Es hat sich gezeigt, daß kleinere elektrische Felder erforderlich sind, wenn die Anisotropie größer ist, bei allerdings vergleichbaren anderen Eigenschaften. So ist für Benzonitril ε^ in der Größenordnung von 20 bis 30 und ε/ etwa 5 bis 7. Für Diester ist ε_(/ etwa 7 und Zj_ etwa 5. Die oben genann-

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te Kodakmischung hat ein ε₍| von etwa 8,5 und ein ε₍ von etwa 7. Die Leitfähigkeitsanisotropie liegt bei etwa 1,4.

Das Plattenpaar in Richtung des optischen Pfades für Lichtdurchgang besteht aus einem geeigneten vorderen dielektrischen Substrat 2 (Glas oder dergleichen) und einem gleichen hinteren Substrat 3, bei denen die sich einander gegenüberliegenden Flächen mit dünnen, transparenten, leitenden Filmen 4 und 5, wie z.B. Indiumoxid, Zinnoxid und dergleichen überzogen sind, die sich in zweckmäßiger Weise über die gesamten Flächenbereiche der Substrate 2 und 3 erstrecken können. Es versteht sich jedoch, daß je nach Anwendungsfall die so gebildeten Belagplatten 4 und 5 auch segmentiert sein können, indem sie deckungsgleich mit diskreten Zellensegmenten für Flüssigkristallanzeige entsprechend den Anforderungen.ausgebildet sind. In typischer Weise lassen sich diese Plattenbeläge in Dicken von etwa 1 000 A niederschlagen.

Die Belagmuster 4 und 5 sind ihrerseits nun wieder mit den Filmen 6 und 7 eines dielektrischen isolierenden Materials überzogen, das sich ebenfalls über die gesamten inneren Flächen der Substrate 2 und 3 erstreckt. Typische dielektrische Verbindungen für diese Anwendungszwecke sind Al«0^, SiO,,, Si^N, und dergleichen, die sich in geeigneter Weise, wie z.B. durch Hochfrequenzzerstäubung auftragen lassen. Beispiele für Schichten dieser Art sind durch Hochfrequenzzerstäubung aufgebrachte Filme mit Dicken von 1 000 S, bestehend aus Al₂O-O und SiO₂. Jedoch sind die speziellen Dicken der dielektrischen Filme 6 und 7 nicht kritisch, da sie sich je nach dem vorzusehenden Betrieb richten, nämlich nach den erforderlichen Betriebsspannungen und/oder Frequenzen ihrer zur Verfügung stehenden Signalquellen, wie sie schematisch mit 8 und 9 in den Darstellungen, Fig. 3A und Fig. 3B gezeigt sind.

Als dielektrischer Isolator läßt sich auch ein organisches Material, wie z.B. ein Polymerfilm verwenden. Insbesondere sind Polyimidüberzüge mit Dicken bis zu einigen pm verwendet worden.

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Zwischen, den inneren dielektrischen Überzügen 6 und 7 liegt ein Muster 20, gebildet aus leitenden Plattensegmenten 10 bis 18, von denen jedes eine diskrete Zuführungsleitung 19 besitzt, die sich jeweils bis zum Rand der Anordnung erstreckt, um dort die Möglichkeit zum Anschluß an Schalt- oder Andreßstromkreise zu ermöglichen, so daß die Übertragung von einer Signalquelle in gewünschter Weise vorgenommen werden kann. Das Plattenmuster 20 ist hier für eine Sieben-Segmentanzeige dargestellt, deren Betrieb durch wahlweise Steuerung eines elektrischen Feldes zwischen den jeweiligen Plattensegmenten erfolgt, die sich quer zur optischen Achse des Lichtdurchgangs erstrecken, so daß sich eine entsprechende Molekülausrichtung ergibt, wenn ein starkes vorherrschendes elektrisches Feld am Flüssigkristallmaterial anliegt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die PlattenSegmente 10 und 11 im Plattenmuster 20 an Masse gelegt; so daß sich für die Sieben-Segmente der Anzeige folgende Plattenkombinationen ergeben: a) 11 bis 12, b) 10 bis 13, c) 10 bis 14, d) 10 bis 15, e) 11 bis 16, f) 11 bis 17 und g) 11 bis 18.

Durch wahlweises Anlegen einer Spannungsquelle über Leitungen 19 lassen sich entsprechende elektrische Felder zwischen den Hauptplatten 12 bis 18 und entsprechend benachbarten Bezugsplatten 10 oder 11, die ja an Masse liegen, bereitstellen. Wie oben angegeben erstrecken sich diese segmentierten Felder quer zur optischen Achse bei Lichtdurchgang. Als Lichtquelle dient zweckmäßigerweise eine kohärente Lichtquelle 21. Ganz allgemein läßt sich das Plattenmuster 20 ebenfalls mit Hilfe eines' üblichen Hochfrequenzzerstäubungsverfahren aufbringen. Dabei ergeben sich typische Schichtdicken von 0,05 bis 0,1 um mit seitlichen Abständen in der Größenordnung von 0,025 bis 0,25 mm. Es versteht sich jedoch, daß solche Abstände sich nach dem jeweils gedachten Verwendungszweck richten. Die Segmentplatten 10 und 18 brauchen sich nicht in der gesamten Zellendicke zu erstrecken, d.h. über den Flüssigkristallfilm zwischen den Isolierschichten 4 und 5, sondern nur über einen Teil, wenn nur gewährleistet ist, daß die Filmdicke der nematisehen Flüssigkristallsubstanz in der gleichen Größenordnung liegt, d.h.

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zwischen etwa 0,5 μΐη und 10 pm.

Zur erfindungsgemäßen Zellenstruktur gehören außerdem Kreuzpolarisationsmittel, um den Lichtdurchgang durch die Zelle steuern zu können, indem die Lichtquelle 23 nötigenfalls mit einem Kollimator ausgerüstet sein kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die verwendeten Kreuzpolarisationsmittel aus einem Polarisator 24 und einem Analysator 25, die auf jeweils gegenüberliegenden Seiten der Zellenstruktur angeordnet sind und natürlich im Strahlengang des Durchgangslichts liegen. Zur Erzielung eines kompakten Aufbaus läßt sich der Polarisator in zweckmäßiger Weise wie in der Abbildung gezeigt, auf die äußere Oberfläche des rückwärtigen Substrats 2 und der Analysator 25 auf die äußere Oberfläche des vorderen Substrats 3 aufschichten.

Zur besseren Erläuterung der Betriebsweise der Erfindung dienen die Fign. 3A, 3B, 4A und 4B, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 verwendet sind, jedoch mit dem jeweiligen Zusatz A. Wie ersichtlich, besitzen die transparenten Belagplatten 4A und 5A auf ihren einander gegenüberliegenden Innenflächen jeweils einen dielektrischen und transparenten Überzug 6A und 7A, zwischen denen senkrecht zur Ausrichtung des zuvor genannten Belagplattenpaars ein zweites Belagplattenpaar 1OA und 15A liegt. Das erste Belagplattenpaar 4A und 5A liegt dabei im Strahlengang 26 des von der Lichtquelle 23A durch die Zelle gesandten Lichtes. Im Zusammenwirken j hiermit liegt das Belagplattenpaar 1OA und 15A quer zum Strahlengang 26. Das Belagplattenpaar 1OA und 15A ist also quer zum Strahlengang 26 angeordnet, so daß bei Verbinden mit einer Signalquelle 9 das dabei auftretende elektrische Feld gewissermaßen das elektrische Feld überkreuzt, das beim Anschalten des Schalters 27 einer Signalquelle 8 zwischen den Belagplattenpaaren 4A und 5A angelegt wird. Zur Veranschaulichung sei darauf hingewiesen, daß die Signalquelle 8 als eine HochfrequenzSpannungsquelle von 10 bis 30 Volt bei einer Frequenz von 10 kHz vorgesehen werden kann, wohingegen die Signalquelle 9 eine WechselSpannungsquelle mit einer Spannung von 5 bis 20 Volt bei 100 Hz sein kann. Es versteht sich, daß, ob-

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gleich als Signalquelle 9 eine Wechselspannungsquelle bevorzugt ist, eine Gleichspannungsquelle ebensogut allein oder in Kombination mit Wechselspannungsquellen statt dessen angewendet werden kann, falls es erwünscht bzw. für einen speziellen Verwendungzweck erforderlich sein sollte.

Wie sich aus der Belagplattenpaarkonfiguration in Fig. 3A ersehen läßt, definieren die jeweils senkrecht zueinander angeordneten Belagplatten 4A/5A/1OA/15A ein in zwei Richtungen definiertes Raumvolumen eines nematischen Flüssigkristallfilms 2OA, der wie bereits angegeben, etwa 12 pm dick sein kann.

Wird keine Spannung an die Belagplatten angelegt, d.h., wenn die Schalter 27 und 28 offen sind, also kein elektrisches Feld ist wirksam, dann läßt sich die Längsachsenmolekülausrichtung des Flüssigkristalls in Film 2OA durch Anlegen eines elektrischen Feldes längs der ursprünglichen Orientierungslinien in der Molekularkonfiguration des nematischen Flüssigkristallsfolgen steuerbar ändern. Generell läßt sich sagen, daß bei molekularer Orientierung des nematischen Flüssigkristalls quer zum Strahlengang eines hindurchgehenden Lichtstrahls die Molekularanordnung zu einer anisotropen Orientierung führt, in der die nematische Substanz als optisch doppelbrechendes Element z. B. als optische Verzögerungsplatte benutzt werden kann. Ist umgekehrt die molekulare Längsorientierung des nematischen Flüssigkristalls in einer Richtung parallel zum Strahlengang des hindurchgehenden Lichtes ausgerichtet, dann bildet die Molekularorientierung eine isotrope Konfiguration, die nicht den Lichtdurchgang durch den Flüssigkristall beeinträchtigt oder verhindert. In den Fign. 3A und 3B läßt sich eine solche isotrope und anisotrope Molekularorientierung im nematischen Flüssigkristallfilm 2OA durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen einem ausgewählten Belagplattenpaar 4A/5A und 10A/15A steuern.

Bei einer bevorzugten positiven Betriebsweise einer Zeichenanzeige wird der nematische Flüssigkristallfilm 2OA normalerweise

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fortwährend in isotroper Orientierung im Strahlengang 26 gehalten, indem ein kontinuierliches elektrisches Feld zwischen dem Belagplattenpaar 4A und 5A aufrechterhalten wird. Dies geschieht durch Schließen des Schalters 27, womit dann das Belagsplattenpaar 4A und 5A während des Betriebs der Zeichenanzeige an der Signalquelle 8 angeschlossen bleibt, die 10 bis 20 Mikrovolt bei 10 kHz liefert.

Wird der Schalter 27 geschlossen und der Schalter 28 geöffnet, dann liegt eine Spannung, von z.B. 10 bis 20 Volt bei 10 kHz, geliefert von der Signalquelle 8, zwischen dem Belagplattenpaar 4A und 5A, so daß hierzwischen ein elektrisches Feld aufgebaut wird, das parallel zum Lichtdurchgangspfad 26 ausgerichtet ist. Als Ergebnis zeigt sich eine isotrope Ausrichtung der Molekülorientierung des nematischen Flüssigkristalls des Films 2OA entsprechend der Feldrichtung zwischen dem Belagplattenpaar 4A und 5A, die ja parallel zur Lichtdurchgangsrichtung des von der Lichtquelle 23A ausgesendeten Lichtes liegt. Diese isotrope Konfiguration des nematischen Flüssigkristalls gestattet ungehinderte und unbeeinflußte Lichtausbreitung durch das Flüssigkristallmedium.

Wie aus Fig. 4A hervorgeht, wird von der Lichtquelle 23B einfallendes Licht bei Durchgang durch einen Polarisator 24B in einer Ebene polarisiert, wie z.B. in Richtung 31, wie durch den Vektor 32 des auf den nematischen Flüssigkristallfilms 2OB einfallenden Lichtes angedeutet. Unter der Wirkung der isotropen molekularen Orientierung des nematischen Flüssigkristalls bleibt die Polarisation des Lichtstrahls 26A bei Durchgang durch das Element unverändert, um in entsprechender Polarisationsrichtung auf den Analysator 25B aufzutreffen. Da der Analysator 25B seine Polarisationsrichtung 33 in Richtung der Normalen zu der des Polarisators 24B hat, ist die am Analysator 25B gezeigte Konfiguration als Andeutung der Lichteigenschaften auf der Einfallsseite dieses Bauelementes zu verstehen. Jedenfalls wird ein Lichtdurchgang des Strahls 26A verhindert, so daß auf der Darstellungsebene 34 keine Lichtwirkung festzustellen ist.

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Um Lichteinwirkungen auf der Sichtebene 34 zu erhalten, also in der Zeichenanzeige überhaupt, bleibt der Schalter 27 zweckmäßigerweise geschlossen und der Schalter 28 wird geschlossen, um den Lichtdurchgang durch die Struktur zu aktivieren, indem ein vorherrschendes elektrisches Feld zwischen dem Belagplattenpaar 1OA und 15A in an sich bekannter Weise angelegt wird, z.B. durch Anlegen eines Signals zwischen dem Belagplattenpaar 1OA und 15A, bereitgestellt durch die Signalspannungsquelle 9 bei einer Frequenz von 100 Hz. Wird das vorherrschende Feld zwischen dem Belagplattenpaar 1OA und 15A, wie in Fig. 3B gezeigt, angelegt, dann ergibt sich eine Molekülorientierung des nematischen Flüssigkristalls in Richtung des vorherrschenden elektrischen Feldes, so daß sich eine anisotrope Konfiguration beim Durchgang des von der Lichtquelle 23A ausgehenden Lichtstrahls 26 einstellt. Diese anisotrope Molekülorientierung des Flüssigkristallfilms 2OA über dem Lichtdurchgangspfad 26A wandelt die Flüssigkristallsubstanz wirkungsvoll in ein doppelbrechendes optisches Element um, das dann als Verzögerungsplatte für durch die Flüssigkristallzellenstruktur hindurchgehendes Licht wirkt. Dies ist in der Darstellung nach Fig. 4B gezeigt, wo der Lichtdurchgang entsprechend angedeutet ist. Ebenso wie in der Darstellung nach Fig. 4A gelangt das von der Quelle 23B ausgehende Licht durch den Polarisator 24B und erhält dabei den Polarisationsvektor 23, der entsprechend der Polarisationsrichtung 31 des Polarisators 24B ausgerichtet ist. Aufgrund der doppelbrechenden Wirkung des Flüssigkristallfilms 2OB infolge seiner anisotropen Molekülorientierung, wird das einfallende Licht in eine ordentliche und außerordentliche Komponente aufgespalten, die bei Durchgang durch den Flüssigkristallfilm 2OB eine unterschiedliche Phasenverschiebung erleiden. Dies führt zu einer elliptischen Polarisation des austretenden Lichtes, wie es durch die Vektoren 37 und 36 auf der Einfallsfläche des Analysators 25B dargestellt ist. Infolge der senkrecht zum Polarisator ausgerichteten Polarisation des Analaysators 25B werden die vertikalen Komponenten der Vektoren 36 und 37 gelöscht, wohingegen die horizontalen Komponenten der Vektoren 36 und 37 durch den Analysator hindurchgelangen können, so daß sich der Vektor 38 auf

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der Bildebene 34 ergibt.

Wird diese Betriebsweise zur Zeichendarstellung auf die zeichenbildenden Belegplatten der Anordnung nach Fig. 2 bezogen, dann lassen sich verschiedene Zeichenkonfigurationen selektiv erzeugen, wie speziell die in der Anordnung nach Fig. 2 gezeigten Zifferndarstellungen. So läßt sich z.B. bei Belagplattensegmenten 10 und 11 an Masse durch Erregen der Belagplatten 14, 13, 12, 18 und

7 die Ziffer 3 darstellen. In gleicher Weise läßt sich die Ziffer

8 darstellen, indem ein Signal jeweils auf die Belagplattensegmente 12 bis 18 (über ihre jeweiligen Zufuhrungsleitungen) zugeführt wird, wobei ebenfalls wieder die Belagplattensegmente 10 und 11 an Masse liegen. Untenstehende Tafel gibt an, welche der verschiedenen Belagplattensegmente 12 bis 18 beaufschlagt werden müssen, um eine numerische Anzeige der Ziffern 0 bis 9 bei an Masse gelegten Belagplattensegmenten 10 und 1T zu erhalten.

Nr. Beaufschlagte Belagplatten

0 13-14-15-16-17-18

1 15-16- oder 13-18

2 14-13-12-16-17

3 14-13-12-18-17

4 14-12-13-18

5 14-15-12-18-17

6 14-15-16-17-18-12

7 14-13-18

9 12-15-14-13-18-17

In Fig. 6A wird ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem ein Spiegel im Zusammenwirken mit Polarisatoren und Vierteilwellenelemente als Kreuzpolarisationsmittel Anwendung findet, um isotrope und anisotrope Orientierung des nematischen Flüssigkristallfilms 20 zu unterscheiden. Im allgemeinen werden hierbei die gleichen Bezugszeichen wie oben verwendet.

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Die Kreuzpolarisationsmittel werden durch Niederschlagen eines reflektierenden Filmes 40, z.B. Chrom und dergleichen auf eine Seite der Flüssigkristallzelle gebildet und zwar normalerweise auf der äußeren Oberfläche der hinteren transparenten Substratplatte 2. Obgleich hier vorausgesetzt ist, daß das reflektierende Element 40 auf die Flüssigkristallzellenstruktur aufgeschichtet ist, versteht es sich, daß auch gesonderte reflektierende Elemente mit einer spiegelnden Oberfläche in einem bestimmten Abstand von der Flüssigkristallzellenstruktur angeordnet sein können, wenn es der spezielle Anwendungsfall erfordern sollte. Das gleiche gilt sinngemäß für die Verwendung einer Viertelwellenlängeplatte und den Polarisator, die, obgleich sie hier in diskreten Formen gezeigt sind, vorzugsweise durch entsprechende Schichtung mit der Flüssigkristallzelle integriert sein können, indem die Viertelwellenlängeplatte 41 auf die äußere Oberfläche des transparenten Frontsubstrats 3 aufgeschichtet wird, worauf dann seinerseits der Polarisator 42 aufgeschichtet ist, so daß sich eine Sandwichstruktur ergibt. Ein solches Ausführungsbeispiel ist schematisch in den Fign. 6A und 6B gezeigt, wo ein reflektierendes Element 4OA, eine Viertelwellenlängeplatte 41A und ein Polarisator 42A vorgesehen ist. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich, ist dieses Ausführungsbeispiel für eine reflektive Betriebsweise der Flüssigkristallanzeige ausgelegt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6A sind auch hier wiederum die Belagplatten 4A und 5A im Strahlengang des hindurchgehenden Lichtes angeordnet und werden von einer Wechselstromsignalquelle 8 gespeist, um ein kontinuierliches elektrisches Feld hierzwischen bereitzustellen, das den Flüssigkristallfilm 2OA isotrop orientiert, indem die Molekularausrichtung in diesem Material in Richtung des angelegten elektrischen Feldes erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel bei isotroper Orientierung des Flüssigkristallfilms 2OB wird das einfallende Licht bei Durchgang durch den Polarisator 42B, wie in den Erläuterungsdiagrammen der Fig. 7 veranschaulicht, in der Ebene polarisiert und zwar' in einer Richtung, wie sie durch den Vektor 50 an der Ausgangsseite des Polarisators angedeutet ist. Bei Durchgang des Lichtstrahls durch die Viertel-Fi 972 114 409883/0853

wellenlängeplatte 41B werden die ordentlichen und außerordentlichen Komponenten des polarisierten Lichtstrahls derart phasenverschoben, daß der Strahl eine zirkuläre Polarisation an der Ausgangsfläche der Viertelwellenlängenplatte 41B, wie angedeutet, aufweist. Wobei der zirkulär polarisierte Lichtstrahl unbeeinflußt durch den Flüssigkristallfilm 2OB gelangt und zwar aufgrund seiner isotropen molekularen Orientierung, die sich Dank des Einwirkens des elektrischen Feldes zwischen den vorderen und hinteren Flächen ergibt, das durch die Signalquelle 8 aufgebaut ist. Hierbei ist kein elektrisches Feld senkrecht zum ersten elektrischen Feld wirksam, da der Schalter 28 zur Signalquelle 9 offen ist.

Wird das zirkulär polarisierte Licht vom reflektierenden Element 40B reflektiert, dann wird die Rotationsrichtung aufgrund der Reflektion umgekehrt, wie auf der Auftreffläche des Flüssigkristallfilms 2OB angedeutet, so daß das Licht auf die Vxertelwellenlängenplatte 41B unbeeinflußt gelangt. Beim Wiedereintritt des Lichtstrahls in die Vxertelwellenlängenplatte wird eine zusätzliche Phasenverschiebung um eine Vierteilwellenlänge dem aus der Vxertelwellenlängenplatte austretenden Lichtstrahl zugefügt. Die Gesamtänderung des zum zweiten Mal durch die Vxertelwellenlängenplatte 41B hindurchgewanderten Lichtstrahls führt zu einer Phasenänderung des Lichtstrahls von einer halben Wellenlänge, indem gleichzeitig beim zweiten Durchgang die zirkulär polarisierte Welle wieder in einen linearen Lichtstrahl zurückverwandelt wird, der in der Ebene um 90° gegenüber der ursprünglichen Eingangsebene polarisiert ist. Infolgedessen wird der zurückreflektierte Lichtstrahl durch den Polarisator 42B absorbiert, so daß der Lichtstrahl in den Abbildungsflächen, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, ausgelöscht ist.

Während das elektrische Feld zwischen den Belagplatten 4A und 5A aufrechterhalten bleibt, unterliegt die Flüssigkristallanzeige einem vorherrschenden Querfeld zwischen den Belegplatten 1OA und 15A, indem der Schalter 28 zur Spannungsquelle 9 geschlossen wird. Dieses vorherrschende Querfeld zwischen dem Belagplattenpaar 1OA und 15A führt zu einer molekularen Reorientierung des Flüssig-

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kristallfilms 2OA, so daß diese Substanz im Bereich des Lichtdurchgangs anisotrop wird.

Wie bei isotropem Betrieb der Flüssigkristallzellen 2OB wird ein Lichtstrahl 23 beim Durchgang durch den Polarisator 42B und 41B zirkulär polarisiert, bevor er auf die Flüssigkristallzelle 2OB auftrifft. Infolge der anisotropischen Konfiguration des Flüssigkristallfilms 2OB tritt die Wirkung einer Verzögerungsplatte ein, so daß sich eine weitere Phasenverschiebung der ordentlichen und außerordentlichen Komponenten der Lichtstrahls ergibt, die eine elliptische Polarisation des Lichtstrahls zur Folge hat; bei Reflexion von der Spiegeloberfläche 4OB wird die Rotationsrichtung wiederum umgekehrt, wie entsprechend an der Auftreffläche des rückkehrenden Lichtstrahls des Flüssigkristallfilms 2OB angedeutet. Verläßt nun der zurückgekehrte Lichtstrahl den anisotrop orientierten Flüssigkristallfilm 2OB, kommt eine weitere Phasenverschiebung zwischen den ordentlichen 'und außerordentlichen Komponenten des Lichtstrahls hinzu, so daß die elliptische Rotation hiervon, wie auf der Auftreffläche der Viertelwellenlängenplatte 41B angedeutet, wiederum umgekehrt wird. Wiedereintritt und Wiederaustritt aus der Viertelwellenlängenplatte 41B ergibt eine zusätzliche Phasenverschiebung der ordentlichen und außerordentlichen Komponenten des Lichtstrahls, gefolgt von weiterer Änderung der elliptischen Polarisation, wie auf der Rückkehrseite des Polarisators 42B angedeutet. Durch den Polarisator 42B wird die sich ergebende Komponente des Lichtstrahls, die senkrecht zur ursprünglichen Rotationsebene des Polarisators 42B liegt, am Durchgang hierdurch gehindert, wohingegen die sich ergebende Komponente parallel zur ursprünglichen Polarisationsebene hindurchgelangt und als Abbildung 45 in der Sichtebene erscheint. Durch entsprechende Steuerung der Abbildungsbelagplatten, wie oben beschrieben, lassen sich Informationsdarstellungen, wie . Zeichenanzeigen, vornehmen. Die oben beschriebene numerische Zeichenanzeige kann dafür als Beispiel dienen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1./ Zeichenanzeige mit Hilfe eines Flüssigkristallfilms, der zwischen Belagsegmenten selektiv elektrischen Feldern aussetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum wahlweisen Anlegen von elektrischen Feldern in senkrecht zueinander stehenden Richtungen für isotrope oder anisotrope Molekularorientierung der Flüssigkristallsubstanz jeweils an mehr als zwei Begrenzungsflächen eines jeweiligen Flüssigkristallfilms Belagsegmente (10 bis 19, 4 und 5) angebracht sind und daß Mittel (24, 25) zur Differenzierung vorgesehen sind, um den Lichtgang durch isotrope und anisotrope Molekularorientierung der Flüssigkristallsubstanz jeweils bestimmen zu können.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Differenzierung aus einem Polarisator (24) und Analysator (25) im Strahlengang (26) zu beiden Seiten der als Zeichenanzeige dienenden Flüssigkristallzelle bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang (26) zwischen Polarisator (24) und Flüssigkristallfilm eine Vierteilwellenlängenplatte (41) und an der gegenüberliegenden Seite des Flüssigkristallfilms eine reflektierende Schicht (40) angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang (26) die Belagsegmente (4, 5) zum Flüssigkristallfilm hin mit isolierenden dielektrischen Schichten (6, 7) überzogen sind, daß zwischen diesen dielektrischen Schichten (6, 7) weitere Belagsegmentpaare 1OA, 15A) den Flüssigkristallfilm in einer zweiten Dimension begrenzen und daß an die Belagsegmentpaare jeweils gesonderte Signalquellen (8, 9) anlegbar sind.

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5. Anordnung nach Anspruch 1 bis Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzelle mit Polarisator (24), Analysator (25), Vierteilwellenlängenplatte (41) und reflektierender Schicht (40) eine laminierte Struktur darstellt.

6. Anordnung, bei denen Glassubstrate (2, 3) mit transparenten leitenden Schichten (4, 5) auf der jeweils dem Flüssigkristallfilm zugewendeten Seite überzogen sind, nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten leitenden Schichten (4, 5) ihrerseits jeweils vollständig mit einer isolierenden dielektrischen Schicht (6, 7) bedeckt sind und daß auf einer dieser dielektrischen Schichten (6, 7) das Belagsegmentmuster (20) entsprechend den wählbar darzustellenden Zeichen aufgebracht ist, indem die einzelnen den Teilen der darzustellenden Zeichen entsprechenden Belagsegmente (13 bis 18) sowohl jeweils mit gemeinsam hiermit auf der dielektrischen Schicht aufgebrachter Zuführung (19) zu ihrer wahlweisen Ansteuerung versehen sindV ~als-~atieh mit einem ihrer Kontur folgenden, im Abstand hiervon auf einer der dielektrischen Schichten (6, 7) aufgebrachten, gemeinsamen Belagsegment (10 bzw. 11) zuammenwirken, das an Masse anschließbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die leitenden Schichten (4, 5) eine HF-Signal- bzw. -Spannungsquelle (8) mit einer Frequenz von 10 kHz und an das Belagsegmentmuster eine Wechselspannungssignal- bzw. -Spannungsquelle (9) mit einer Frequenz von 100 Hz wahlweise anschließbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Belagsegmentmuster (20) auf einer der dielektrischen Schichten (6, 7) in einer Dicke von 0,05 bis 0,1 Jim mit einem Abstand zum gemeinsamen Belagsegment (10 bzw. 11) in der Größenordnung von 0,02 und 0,2 mm aufgebracht ist

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und daß die Flüssigkristallfilmdicke in der Größenordnung zwischen 10 um bis 100 um liegt.

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