DE69533909T2

DE69533909T2 - Flüssigkristalldisplay mit wenigstens zwei Verzögerungsschichten

Info

Publication number: DE69533909T2
Application number: DE69533909T
Authority: DE
Inventors: Adiel Farmington Hills Abileah; John Highland Vanderploeg; Gang Royal Oak Xu
Original assignee: Guardian Industries Corp
Current assignee: Guardian Industries Corp
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2015-04-29
Also published as: EP0679921B1; US5594568A; EP1126313A1; CA2148156C; CA2148156A1; EP1126313B1; DE69524472T2; ATE286604T1; EP0679921A1; DE69524472D1; DE69533909D1; ATE210841T1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkristalldisplay mit wenigstens zwei Verzögerungsschichten. Speziell bezieht sich diese Erfindung auf ein normalerweise weißes Flüssigkristalldisplay mit einem Paar enthaltener Verzögerungsschichten, die zur Verbesserung der Betrachtungseigenschaften des Displays an einer Seite der Flüssigkristallage angeordnet sind.
Die Materialien aus Flüssigkristall sind für elektronische Displays nützlich, da der Durchgang des Lichts durch eine Lage des Flüssigkristallmaterials (LC) durch den Wert der Anisotropie oder der Doppelberechnung (ΔN) des Materials beeinflußt wird, welcher wiederum durch die Anwendung der Spannung quer zu dem Flüssigkristallmaterial geregelt werden kann. Die Flüssigkristalldisplays sind erwünscht, weil der Durchgang oder die Reflexion des Lichtes einer externen Quelle, inklusive dem Umgebungslicht und der Hintergrundbeleuchtung, mit viel weniger Energie gesteuert werden kann, als typischerweise für die Beleuchtung herkömmlicher Displays benötigt wird. Flüssigkristalldisplays (LCDs) werden jetzt gewöhnlich in Anwendungen wie digitalen Uhren, Rechnern, tragbaren Computern, Displays in Flugzeugcockpits und vielen anderen elektronischen Vorrichtungen verwendet, welche die Vorteile der Flüssigkristalldisplays, wie Ausdauer und Betrieb mit niedriger Spannung/Stromstärkeaufnahme nutzen.
In einigen Flüssigkristalldisplays werden die Informationen in Form eines Matrixgitters aus Reihen und Spalten als Zahlen oder Zeichen dargestellt, welche durch eine Anzahl von in einem solchen Matrixmuster angeordneten segmentierten Elektroden gebildet werden. Diese Segmente sind zur elektronischen Ansteuerung durch individuelle Leitungen miteinander verbunden, welche an eine geeignete Kombination aus Segmenten eine Spannung anlegen, um die gewünschten Daten und Informationen durch die Regelung des Lichtdurchgangs durch das Flüssigkristallmaterial anzuzeigen.
Graphische Informationen, z. B. bei Anwendungen in Flugzeugcockpits oder Fernsehdisplays, können durch ein Matrixgitter aus Pixeln erreicht werden, welche mittels eines sequentiellen X-Y Adressierungsschemas zwischen zwei herkömmlichen Sets aus senkrechten Stromleitungen (z. B. Reihen- und Spaltenleitungen) miteinander verbunden sind. Bevorzugte Adressierungsschemata verwenden typischerweise Gitter aus Dünnfilmtransistoren, Dioden, MIMS etc., welche an den individuellen Pixeln als Schalter zur Regelung der Steuerspannung funktionieren.
Das Kontrastverhältnis ist eine der wichtigsten Eigenschaften zur Bestimmung der Qualität und sowohl normalerweise weißen (NW) als auch normalerweise schwarzen (NB) Flüssigkristalldisplays. Das Kontrastverhältnis eines NW-Displays wird bei niedrigen Umgebungsbedingungen durch die Division des „Ausschaltzustands"-Lichtdurchgangs (hohe Intensität des weißen Lichts) durch den „Einschaltzustand" oder der Verdunkelungsintensität bestimmt. Zum Beispiel beträgt das Kontrastverhältnis des Displays, wenn der „Ausschaltzustand"-Durchlaß bei einem bestimmten Betrachtungswinkel 200 fL beträgt und die „Einschaltzustands"-Durchlässigkeit unter dem gleichen Betrachtungswinkel 5 fL beträgt, für die verwendete bestimmte Steuerspannung 40 fL oder 40 : 1.
Demnach ist in normalerweise weißen (NW)-LCDs der hauptsächliche Faktor für die ungünstige Begrenzung des Kontrastverhältnisses die Menge des Lichts, welche im verdunkelten oder „Einschaltzustand" durch das Display hindurch sickert. In normalerweise schwarzen Flüssigkristalldisplays ist der hauptsächliche Faktor zur Begrenzung des erreichbaren Kontrasts die Menge des Lichts, welche im verdunkelten oder „Ausschaltzustand" durch das Display hindurch sickert. Desto höher und gleichförmiger das Konstrastverhältnis eines Displays über einen weiten Bereich des Betrachtungswinkels ist, desto besser ist das LCD.
Die Probleme des Kontrastverhältnisses sind mit leuchtenden Umgebungen wie Sonnenlicht oder anderen hochintensiven Umgebungsbedingungen verbunden, bei denen eine beachtliche Menge des reflektierten und gestreuten Umgebungslichts das Display erreicht. Desto geringer die Menge des von dem Displaypaneel reflektierten Umgebungslichts ist, desto besser sind die Betrachtungseigenschaften des Displays. Daher ist es wünschenswert, ein LCD zu haben, das so wenig Umgebungslicht wie möglich reflektiert. Die Menge des von dem Displaypaneel reflektierten Umgebungslichts wird typischerweise mittels herkömmlicher Spiegel- und DiffusionsReflexionstests gemessen.
Die Lesbarkeit des von sowohl normalerweise schwarzen (NB) als auch von normalerweise weißen (NW) Flüssigkristalldisplayvorrichtungen gebildeten Bildes hängt vom Betrachtungswinkel ab, speziell bei Vorrichtungen mit einer Matrixadressierung aus einer großen Anzahl von Abtasttransistoren. Ohne eine Verzögerungsschicht liegt das Kontrastverhältnis eines typischen NW (und manchmal NB) Flüssigkristalldisplays mit seinem Maximum gewöhnlich nur innerhalb einer engen und um die flächennormale zentrierten (0° horizontaler Betrachtungswinkel, 0° vertikaler Betrachtungswinkel) Betrachtungs- oder Betrachtungsumgebung und fällt mit der Vergrößerung des Betrachtungswinkels ab.
Eine technisch signifikante Verbesserung stellt das Zurverfügungstellen eines Flüssigkristalldisplasy dar, das mit nur geringen oder keinen Reflexionen des Umgebungslichts ein einheitliches Bild mit hohen Kontrastverhältnissen über einen weiten Betrachtungsbereich hoch qualitativ darstellen kann.
Normalerweise schwarze (NB) nematisch gedrehte Displays weisen typischerweise bessere Kontrastverhältnisse in Form von Konturkurven oder Charakteristiken als ihre Gegenspieler, die NW-Displays, auf, so daß ein von einem NB dargestelltes Bild unter größeren Betrachtungswinkeln besser gesehen werden kann. Allerdings sind NB-Displays viel schwieriger herzustellen als NW-Displays, dies ist durch ihre höhere Abhängigkeit von der Zellücke „d" des Flüssigkristallmaterials, wie auch von der Temperatur des Flüssigkristallmaterials selbst bedingt. Demnach bestand lieber ein lange wahrnehmbarer technischer Bedarf an der Fähigkeit, ein NW-Display mit hohen Kontrastverhältnissen über einen großen Bereich des Betrachtungswinkels zu konstruieren, als von der umfangreicheren Schwierigkeit, NB-Displays herzustellen, Gebrauch zu machen, um diese Eigenschaften zu erreichen.
Was generell in normalerweise weißen Displays benötigt wird, ist/sind ein (mehrere) optische(s) Kompensations- oder Verzögerungselement(e), z. B. eine Verzögerungsschicht, welche eine Phasenverzögerung einbringt, die den ursprünglichen Polarisationsstand des Lichts wiederherstellt, was es ermöglicht, das Licht im Einschaltzustand durch den Austrittspolarisator oder Austrittspolarisierer blockieren zu lassen. Optische Kompensationselemente oder Verzögerer sind technisch bekannt und sind z. B. in den Schriften US-PS 5,184,236 , US-PS 5,196,953 , US-PS 5,138,474 und US-PS 5,071,997 offenbart. Es ist bekannt, daß Polyimide und Copolyimide, offenbart in der vorgenannten US-PS 5,071,997 , in normalerweise weißen Flüssigkristalldisplays als negativ doppelbrechende Verzögerungselemente verwendet werden können und diese genau auf den gewünschten negativen Doppelbrechungswert, ohne die Anwendung des Dehnens, zurecht gemacht werden können. Die Polyimidverzögerungsschichten aus der US-PS 5,071,997 sind uniaxial, aber mit einer optischen, in Z-Richtung orientierten Achse, d. h. senkrecht zu der durch die Schicht bestimmten Ebene.
1 zeigt graphisch die Kurve des Kontrastverhältnisses eines normalerweise weißen nematisch gedrehten Lichtventils nach dem Stand der Technik. Das Lichtventil, für welches die Kurven des Kontrastverhältnisses in 1 dargestellt sind, beinhaltet einen rückseitigen linearen Polarisator oder Polarisierer mit einer eine erste Richtung bestimmenden Transmissionsachse, einen vorderseitigen oder lichtauslassenden linearen Polarisator oder Polarisierer mit einer eine zweite Richtung bestimmenden Transmissionsachse, wobei die erste und die zweite Richtung im wesentlichen senkrecht zueinander stehen, einem Flüssigkristallmaterial mit einer Zellücke (d) von etwa 5,86 μm, einer rückseitigen in die zweite ausgerichtete Polierzone (d. h. Ausrichtungsschicht) und einer vorderseitigen in die erste Richtung ausgerichteten Polierzone. Das LC-Material hat die Modellnummer ZLI-4718 und ist bei Merck erhältlich. Als der Graph, gezeigt in 1, gezeichnet wurde, betrug die Temperatur etwa 34,4°C. Dieses Lichtventil beinhaltet keinen Verzögerer. Die oben aufgeführten Werte mit Bezug auf 1 sind ebenso auf die 2 und 3 anwendbar.
Die graphische Darstellung des Kontrastverhältnisses aus 1 wurde unter Verwendung einer 6,8 Volt Steuerspannung, d. h. V_on, einer 0,2 Volt „Ausschaltzustands"-Spannung V_off und durch eine Hintergrundbeleuchtung des Displays mit weißem Licht gezeichnet. Es ist aus 1 ersichtlich, daß sich nur zwischen den Winkeln von etwa –40° horinzontal und +38° horizontal ein Kontrastverhältnis von wenigstens etwa 10 : 1 entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse erstreckt. Ebenso erstreckt sich das Kontrastverhältnis von wenigstens 30 : 1 zwischen den horizontalen Winkeln ±29° entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse. Diese graphische Darstellung zeigt die herkömmlichen Probleme im Zusammenhang mit typischen normalerweise weißen Flüssigkristalldisplays durch die Begrenzung der Kontrastverhältnisse bei großen horizontalen und vertikalen Betrachtungswinkeln.
2 zeigt graphisch die Kurve des Kontrastverhältnisses des gleichen, oben mit Bezug auf 1 beschriebenen, normalerweise weißen Lichtventils. Die Zeichnung der 2 wurde unter Verwendung einer V_on von etwa 5,0 Volt und einer V_off von etwa 0,2 Volt aufgetragen. Wieder betrug die Temperatur etwa 34,4°C, und es wurde weißes Licht benutzt. Bei dem Vergleich der graphischen Darstellungen der 1 und 2 zeigt sich, daß sich die Kurven der Kontrastverhältnisse bei der Verringerung der auf das Flüssigkristallmaterial angewendeten „Einschaltzustands"-Spannung horizontal ausdehnten und vertikal zusammenzogen.
Das Gebiet des Kontrastverhältnisses mit 10 : 1 der 1 entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse erstreckt sich über einen Gesamtwinkel von etwa 85° (horizontal von etwa –45° bis etwa +45°), im Gegensatz zu den nur etwa 78° in 1. Ebenso erstreckt sich das Gebiet mit dem Kontrastverhältnis 30 : 1 der 2 entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse horizontal über etwa 67°, im Gegensatz zu nur etwa 58° in 1, das 30 : 1 Verhältnis wird natürlich durch die Konturlinie, die zwischen der 10 : 1 und 50 : 1 Konturlinie angeordnet ist, dargestellt. In Bezug auf die vertikalen Betrachtungswinkel erstrecken sich die Gebiete mit den 10 : 1 und 30 : 1 Kontrastverhältnissen in 2 entlang der 0° horizontalen Betrachtungsachse nicht in dem negativen vertikalen Umfang, wie sie es in 1 tun. Insgesamt weist das normalerweise weiße Lichtventil aus den 1 bis 3 über große Betrachtungswinkel geringere, als die gewünschten, Kontrastverhältnisse auf, bei der Verringerung der „Einschaltzustands"- oder Steuerspannung quer zu dem Flüssigkristallmaterial vergrößern sich diese Konstrastverhältnisse horizontal und verkleinern sich vertikal.
3 zeigt graphisch die Verläufe der Intensitäten (fL) gegen die Steuerspannungen eines Lichtventils nach dem Stand der Technik, wie oben im Bezug auf die 1–2 beschrieben, wobei diese graphische Darstellung des Graustufenverhalten eines Lichtventils nach dem Stand der Technik zeigt. Die verschiedenen Kurven stellen horizontale Betrachtungswinkel von etwa –60° bis +60° entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse dar.
Das Graustufenverhalten und die dazu korrespondierende Menge der Inversion sind bei der Bestimmung der Qualität des LCDs wichtig. Herkömmliche Flüssigkristalldisplays verwenden typischerweise irgendwelche der zwischen 8 bis 64 verschiedenen Steuerspannungen. Diese verschiedenen Steuerspannungen werden generell als „Graustufen"-Spannungen bezeichnet. Die Intensität des durch die Pixel oder des Displays hindurchtretenden Lichts hängt von der Steuerspannung ab. Demnach werden Graustufenspannungen verwendet, um verschiedene Schattierungen einer Farbe ebenso wie verschiedene Farben darzustellen, indem z. B. diese Schattierungen miteinander gemischt werden.
Vorzugsweise gilt, je höher die Steuerspannung in einem NW-Display ist, desto geringer ist die Intensität (fL) des hindurchtretenden Lichts. Ebenso gilt, je geringer die Steuerspannung ist, desto höher ist die Intensität des den Betrachter erreichenden Lichts. Das Gegenteil gilt bei normalerweise schwarzen Displays. Daher kann man bei der Verwendung vielfältiger Graustufenspannungen entweder ein NW- oder NB-Flüssigkristalldisplay so manipulieren, daß die gewünschten Intensitäten und Schattierungen des Lichts emittiert werden. Eine Graustufen-V_on ist allgemein als die Steuerspannung bekannt, die größer ist als die V_th (Grenzspannung) oberhalb von etwa 5,0–6,5 Volt.
Die Graustufenintensität in den LCDs ist von der Steuerspannung der Displays abhängig. In NW-Displays ist ein Verlauf der Intensität gegenüber der Steuerspannung wünschens wert, bei dem die Intensität des vom Display oder Pixel emittierten Lichts kontinuierlich und monoton so abfällt, wie die Steuerspannung ansteigt. Mit anderen Worten, es wird bei einem NW-Pixel ein Graustufenverhalten gewünscht, bei der die Intensität (fL) bei 6,0 Volt kleiner ist als bei 0,5 Volt, welche wiederum kleiner ist als bei 4,0 Volt, welche wiederum kleiner ist als bei 3,0 Volt, welche wiederum kleiner ist als bei 2,0 Volt usw.. Solche guten Graustufenkurven über einen weiten Bereich der Betrachtungswinkel gestatten es, die Intensität des den Betrachter erreichenden Lichts mittels der Pixel oder des Displays einfach und gleichmäßig zu regeln.
Zurück zu 3, die dort gezeigten Kurven der Intensität gegen die Steuerspannung, dargestellt für ein Lichtventil ohne Verzögerungsschicht nach dem Stand der Technik in den 1 bis 2, sind wegen der Inversionsbuckel, erkennbar in den Gebieten der Kurven mit einer Steuerspannung größer als etwa 3,2 Volt, unerwünscht. Die Gestalt der Kurve für die Intensität fällt im Bereich von etwa 1,6 bis 3,0 Volt mit dem Ansteigen der Steuerspannung monoton ab, aber ab einer Steuerspannung von etwa 3,2 Volt steigen die Intensitäten der mit Erhöhung der Steuerspannung von etwa 3,2 Volt auf 6,8 Volt bei einer Vielzahl von Betrachtungswinkeln an. Dieser Anstieg der Intensität mit der Erhöhung der Spannung ist als „Inversionsbuckel" bekannt. Die Inversionsbuckel aus 3 beinhalten nur ansteigende Anteile. Derartige Inversionsbukkel beinhalten jedoch meist, wie es von Fachleuten bevorzugt wird, sowohl ansteigende als auch fallende Anteile, die es dem „Inversionsbuckel" ermöglichen, wie ein Buckel auszusehen.
Ein theoretisch perfekter Verlauf der Steuerspannung gegenüber der Intensität in Bezug auf ein NW-Display würde für jede Erhöhung der Graustufensteuerspannung unter allen Betrachtungswinkeln einen Abfall der Intensität (fL) aufweisen. Im Gegensatz dazu zeigt der Inversionsbuckel aus 3 eine Erhöhung der Intensität der von dem Lichtventil ausgesendeten Strahlung für jede korrespondierende Erhöhung der Graustufensteuerspannung oberhalb von etwa 3,2 Volt an. Demnach würde ein lange vorhandener technischer Bedarf befriedigt werden, wenn ein derartiges Flüssigkristalldisplay mit kleiner oder nur geringer Inversion, zur Verfügung gestellt werden könnte.
Die US-PS 5,184,236 offenbart ein NW-Display mit einem auf einer Seite der LC-Lage angeordneten Paar Verzögerungsschichten, diese Verzögerungsschichten weisen Verzögerungswerte von etwa 300–400 nm auf. Die Betrachtungseigenschaften der LCDs nach diesem Patent könnten in Bezug auf das Kontrastverhältnis, die Inversion, die Gleichförmigkeit der Betrachtungszone und der Flexibilität bei der Position des Betrachtungsumfangs bei der Verwendung von Verzögerern mit verschiedenen Verzögerungswerten verbessert werden.
Die US-PS 5,570,214 stellt ein NW-Display mit einem Paar Verzögerungsschichten mit Verzögerungswerten von etwa 80–200 nm zur Verfügung, wobei auf jeder Seite der LC-Lage eine Schicht angeordnet ist. Während die verschiedenen Ausgestaltungen der US-PS 5,570,214 hervorragende Ergebnisse in Bezug auf alle Betrachtungseigenschaften zur Verfügung stellen, stellt die Offenbarung dieser Anmeldung gleichartige Ergebnisse durch verschiedene optische Strukturen zur Verfügung.
4 zeigt die Winkelabhängigkeit zwischen den horizontalen und den vertikalen Betrachtungsachsen, und die Winkel hierin sind relativ zu dem Flüssigkristalldisplay und in herkömmlichen LCD-Winkeln (φ und Θ dargestellt. Die in 6 gezeigten +X, +Y und +Z-Achsen sind ebenso wie in den anderen Figuren hierin festgelegt. Weiterhin können die hierin gezeigten und beschriebenen „horizontalen Betrachtungswinkel" (oder X_ANG) und „vertikalen Betrachtungswinkel" (oder Y_ANG) wie folgt zu den herkömmlichen LCD-Winkeln transformiert werden: Azimuthwinkel (φ und der Polarwinkel Θ mittels folgender Gleichungen: tan(XANG) = cos(φ)*tan(Θ) sin(YANG) = sin(Θ)*sin(φ)oder cos(Θ) = cos(YANG)*cos(XANG) tan(φ) = tan(YANG) ÷ sin(XANG)
Der Ausdruck „rückseitig", wie er hierin, aber nur zur Beschreibung von Trägermaterialie, Polarisierern, Elektroden, Polierzonen und Ausrichtungsschichten benutzt wird, bedeutet, daß das beschriebene Element sich auf der Seite mit dem natürlich vorkommenden Licht- oder Rücklicht des Flüssigkristallmaterials befindet oder, mit anderen Worten, auf der dem Betrachter gegenüberliegenden Seite des Flüssigkristallmaterials.
Der Ausdruck „vorderseitig", wie er hierin, aber nur zur Beschreibung von Trägermaterialien, Polarisierern, Elektroden, Polierzonen und Ausrichtungsschichten benutzt wird, bedeutet, daß das beschriebene Element auf der Betrachterseite des Flüssigkristallmaterials angeordnet ist.
Die LCDs und Lichtventile hierin beinhalten ein Flüssigkristallmaterial mit einem Doppelbrechungswert (ΔN) von 0,084 bei Raumtemperatur und sind unter der Modellnummer ZLI-4718 bei Merck erhältlich.
Der Ausdruck „Verzögerungswert", wie er hierin verwendet wird, bedeutet „d*ΔN" der Verzögerungsschicht oder -platte, wobei „d" die Schichtdicke und „ΔN" der Doppelbrechungswert der Schicht (entweder positiv oder negativ) ist.
Der Ausdruck „innerhalb", wie er hierin zur Beschreibung einer Oberfläche oder Seite eines Elements (oder einem Ele ment selbst) benutzt wird, meint die Seite oder Oberfläche, die dem Flüssigkristallmaterial am nächsten ist.
Der Ausdruck „Lichtventil", wie er hierin benutzt wird, bedeutet ein Flüssigkristalldisplay mit einem rückseitigen linearen Polarisierer, einem rückseitigen transparenten Trägermaterial, einer rückseitigen Dauerpixelelektrode, einer rückseitigen Ausrichtungsschicht, einer LC-Lage, einer vorderseitigen Ausrichtungsschicht, einer vorderseitigen Dauerpixelelektrode, einem vorderseitigen Trägermaterial und einem vorderseitigen Polarisierer (ohne die Anwesenheit von Farbfiltern und angesteuerten Aktivmatrixschaltkreisen wie bei TFTs). Solch ein Lichtventil kann weiterhin ein Paar auf jeder Seite der LC-Lage angeordnete Verzögerungsschichten beinhalten, wie es mit Bezug für jedes Beispiel hierin beschrieben ist. Mit anderen Worten, ein „Lichtventil" kann als ein Riesenpixel bezeichnet werden.
Aus dem obigen ist offensichtlich, daß ein technischer Bedarf an einem normalerweise weißen Flüssigkristalldisplay besteht, bei welchen die Betrachtungszone des Displays über einen großen Bereich der vertikalen und horizontalen Betrachtungswinkel hohe Kontrastverhältnisse mit geringer oder keiner Inversion und/oder UmgebungsReflexionen von der Displayebene beinhaltet.
Die Erfindung wird nun bezugnehmend auf gewisse Ausgestaltungen anhand bestimmter Darstellungen beschrieben, wobei.
Allgemein ausgedrückt erfüllt diese Erfindung die oben beschriebenen Bedürfnisse des Standes der Technik, indem eine Anzeige mit normalerweise weißem Flüssigkristall bzw. weißes Flüssigkristalldisplay nach Anspruch 1 zur Verfügung gestellt wird.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung weist die Anzeige ein Kontrastverhältnis von mindestens etwa 10 : 1 entlang der vertikalen 0°-Betrachtungsachse bei horizontalen Betrachtungsachsen von etwa ±55° auf.
In noch weiteren anderen bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung ist die Flüssigkristallschicht von etwa 4,8 μm bis 6,5 μm dick mit einer Doppelbrechung von etwa 0,075–0,095 bei Raumtemperatur; und es wird ein Winkel von etwa 80° bis 100° zwischen den entsprechenden optischen Achsen der ersten und zweiten Hemmungsfilme festgelegt.
Zu den Figuren:
1 zeigt die graphische Darstellung eines Kontrastverhältnisses eines Lichtventils nach dem Stand der Technik unter Verwendung von weißem Licht und einer „Einschaltzustands"-Steuerspannung von etwa 6,8 Volt.
2 zeigt den Kurvenverlauf des Kontrastverhältnisses von weißem Licht eines Lichtventils nach dem Stand der Technik aus 1 unter Verwendung einer „Einschaltzustands"-Steuerspannung von etwa 5,0 Volt.
3 zeigt graphisch den Verlauf der Intensität gegenüber der Steuerspannung für eine Lichtventil gemäß dem Stand der Technik aus den 1 und 2. Dieser graphische Verlauf zeigt über einen weiten Bereich der horizontalen Betrachtungswinkel bei einer Steuerspannung größer als etwa 3,2 Volt einen ziemlich großen Bereich der Inversion.
4 zeigt einen Graphen, der die Winkelbeziehung zwischen den hierin diskutierten horizontalen und vertikalen Betrachtungswinkeln zeigt und ihre Beziehung mit den herkömmlichen Winkeln der Flüssigkristalldisplays: dem Azimutwinkel φ und dem Polarwinkel Θ.
5 zeigt ein perspektivisches, schematisches Explosionsdiagramm der optischen Komponente und ihrer jeweiligen Ausrichtung eines Vergleichsbeispiels, wobei vor der Flüssigkristallage ein Paar Verzögerungsschichten angeordnet sind.
6 zeigt einen perspektivischen, schematischen Explosionsblick auf die optischen Komponenten und ihre jeweilige Ausrichtung in einer Ausgestaltung nach dieser Erfindung, wobei ein Paar (uniaxiale) Verzögerungsschichten rückseitig des Flüssigkristallmaterials angeordnet sind, um so die Reflexion des Umgebungslichts durch das Displaypaneel zu vermindern.
7 zeigt von oben die Winkelbeziehungen der optischen Komponenten von jedem der Displays aus den 5 und 6.
8 zeigt von oben die Winkelbeziehungen zwischen den jeweiligen optischen Achsen der optischen Komponenten von jedem der Displays der 5 oder 6 in Übereinstimmung mit einer anderen Ausgestaltung nach dieser Erfindung.
9 zeigt eine vorderseitige Querschnittsansicht des Flüssigkristalldisplays der 6 in Übereinstimmung mit einer Ausgestaltung nach dieser Erfindung.
10 zeigt die graphische Darstellung der Konturkurve des Kontrastverhältnisses von weißem Licht von einem NW-Lichtventil aus dem Beispiel 1 bei der Verwendung einer Steuerspannung von etwa 6,8 Volt.
11 zeigt die graphische Darstellung der Konturkurve des Kontrastverhältnisses von weißem Licht von einem NW-Lichtventil aus dem Beispiel 1 bei der Verwendung einer Steuerspannung von etwa 5 Volt.
12 zeigt den Verlauf der Transmission (fL) gegen die Steuerspannung eines normalerweise weißen Lichtventils aus dem Beispiel 1, dabei stellt der Verlauf die Betrachtungsei genschaften einer Vielzahl von entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse angeordneten horizontalen Betrachtungswinkeln dar.
13 zeigt den Konturverlauf des Kontrastverhältnisses von weißem Licht von einem NW-Lichtventil aus dem Beispiel 2 bei der Verwendung einer Steuerspannung von etwa 6,8 Volt.
14 zeigt den Konturverlauf des Kontrastverhältnisses von weißem Licht von einem NW-Lichtventil aus dem Beispiel 2 bei der Verwendung einer Steuerspannung von etwa 6,0 Volt.
15 zeigt den Konturverlauf des Kontrastverhältnisses von weißem Licht von einem NW a-Si TFT betriebenen AMLCD aus dem Beispiel 3 bei der Verwendung einer Steuerspannung von etwa 6,8 Volt.
16 zeigt den Konturverlauf des Kontrastverhältnisses von weißem Licht von einem NW a-Si TFT betriebenen AMLCD aus dem Beispiel 3 bei der Verwendung einer Steuerspannung von etwa 6,0 Volt.
17 zeigt den Konturverlauf des Kontrastverhältnisses von einem NW nematisch gedrehten Pixel in Übereinstimmung mit einer in dem Beispiel 4 beschriebenen Computersimulation, für diese graphische Darstellung wurde eine Hintergrundbeleuchtung von 550 nm und eine V_on von etwa 6,8 Volt verwendet.
18 zeigt den Konturverlauf des Kontrastverhältnisses von weißem Licht von einem NW AMLCD aus dem Beispiel 5 bei der Verwendung einer Steuerspannung von etwa 6,8 Volt und einem Paar biaxialer, vor der LC-Lage angeordneter Verzögerungsschichten.
19 zeigt den Verlauf der Transmission (fL) gegen die Steuerspannung von einem normalerweise weißen AMLCD aus dem Beispiel 5 für eine Vielzahl von entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse angeordneten horizontalen Betrachtungswinkeln.
20 zeigt den Verlauf der Transmission (fL) gegen die Steuerspannung von einem normalerweise weißen AMLCD aus dem Beispiel 5 für eine Vielzahl von entlang der 0° horizontalen Betrachtungsachse angeordneten vertikalen Betrachtungswinkeln.
21 zeigt ein perspektivisches optisches Diagramm einer biaxialen Verzögerungsschicht mit den optischen Achsen X, Y, Z entlang der Brechungsindizes n_x > n_y > n_z, wobei die Achsen X, Y, Z separat und unabhängig von den Richtungen X, Y, Z der Betrachtungswinkel sind.
Ausführliche Beschreibung bestimmger Ausführungsformen der Erfindung.
Betreffend der Einzelheiten der begleitenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
5 zeigt ein perspektivisches schematisches Explosionsdiagramm der optischen Komponenten und ihre jeweiligen Ausrichtungen eines ersten Vergleichsbeispiels. Wie gezeigt, beinhaltet dieses Display (oder diese Displayzusammenstellung) von der Rückseite her vorwärts in Richtung zum Betrachter eine konventionelle Hintergrundbeleuchtung 3, einen rückseitigen oder linearen Lichteintrittspolarisierer 1, eine rückseitige Polier- oder Ausrichtungsschicht 15, eine Flüssigkristallage 11, eine vorderseitige Polier- oder Ausrichtungsschicht 13, eine erste Verzögerungsschicht 9, eine zweite Verzögerungsschicht 7 und abschließend den vorderseitigen oder linearen Lichtaustrittspolarisierer 5.
Die Hintergrundbeleuchtung 3 ist von herkömmlicher Art und emittiert im wesentlichen in Richtung des Displaypaneels und dem rückseitigen Polarisierer 1 gerichtetes Licht. Die Hintergrundbeleuchtung 3 kann z. B. die Zusammenstellung einer in der US-PS 5,161,041 der Anmelderin offenbarten Hintergrundbeleuchtung sein. Es können ebenso andere herkömmliche Zusammenstellungen einer hoch intensiven, im wesentlichen gerichteten Hintergrundbeleuchtung benutzt werden.
Die rückseitigen und vorderseitigen linearen Polarisierer 1 und 5 sind jeder für sich von herkömmlicher Art und haben jeweils so ausgerichtete lineare Transmissionachsen P_R und P_F, daß das Display von den normalerweisen weißen (NW)-Typ ist. Mit anderen Worten, sobald an die Flüssigkristallage 11 eine Steuerspannung unterhalb von Vth quer angelegt, sind die Transmissionsachsen P_R und P_F so ausgerichtet, daß es in dem von der Hintergrundbeleuchtung 3 ausgesendeten, von dem Polarisierer 1 veränderten, von dem Flüssigkristallmaterial 11 gedrehten und aus dem Polarisierer 5 austretenden Licht gestattet ist, den Betrachter zu erreichen. Daher befindet sich ein Pixel, an das eine Spannung < V_th angelegt wird, im „Ausschaltzustand" und erscheint dem Betrachter weiß.
Sobald jedoch eine wesentliche Steuerspannung (z. B.: etwa 6 Volt) quer an ausgewählte Pixel in der Flüssigkristallage 11 angelegt wird, wird das durch den Polarisierer 1 und die LC-Lage 11 hindurchtretende Licht im wesentlichen durch den vorderseitigen Polarisierer 5 blockiert, verursacht durch die Tatsache, daß die Polarisationsrichtung des die innere Oberfläche des vorderseitigen Polarisierers 5 erreichenden Lichts im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Transmissionsachse P_F steht, weshalb dem Betrachter im wesentlichen kein Licht auf dem Weg durch die ausgewählten Pixel erreicht. Daher erscheinen die ausgewählten Pixel, an welche die Steuerspannung > V_th in der LC-Lage angelegt ist, dem Betrachter dunkel, diese Pixel werden im „Einschaltzustand" befindlich genannt.
In gewissen bevorzugten Ausgestaltungen nach dieser Erfindung sind die Transmissionsachsen PR des rückseitigen Po larisierers 1 und die korrespondierende Transmissionsachse P_F des vorderseitigen linearen Polarisierers 5 in einer im wesentlichen senkrechten Weise zueinander ausgerichtet, um so einen normalerweise weiße, nematisch gedrehte Zelle festzulegen. Andererseits können sie in anderer herkömmlicher Weise ausgerichtet werden, welches es der Zelle oder dem Display ebenfalls erlaubt, vom normalerweise weißen Typs zu sein.
Die rückseitige und die vorderseitige Ausrichtungsschicht 15 und 13 sind jeweils für sich von herkömmlicher Art und bestehen in gewissen Ausgestaltungen dieser Erfindung im wesentliche aus transparentem Polyimidmaterial. Die rückseitige Ausrichtungsschicht 15 ist, wie in 5 gezeigt, in Richtung B₁ herkömmlich poliert oder ausgerichtet. Ebenso ist die vorderseitige Ausrichtungsschicht 13 in Richtung B₂ poliert oder ausgerichtet. Die Polierrichtung B₁ und B₂ sind in gewissen Ausgestaltungen dieser Erfindung im wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet, um es so den Molekülen der Flüssigkristallage 11 zu ermöglichen, zwischen etwa 80° bis 100°, bevorzugt um etwa 90°, gedreht zu werden, wenn sie sich im Ausschalt- oder im nicht angesteuerten Zustand befinden. Der Ausdruck „Ausschaltzustand" bedeutet, daß eine Spannung unterhalb der Grenzspannung, im allgemeinen V_th, quer an das Flüssigkristallmaterial angelegt ist (und daß daher nur ein weißer [oder, wenn Farbfilter benutzt werden, farbiger] Bildschirm angezeigt wird).
Die Polierrichtung B₁ und B₂ der Ausrichtungsschichten 15 und 13 stellen dem LC-Material im Ausschaltzustand eine etwa 90° Drehung zur Verfügung, die Richtungen B₁ und B₂ stehen im wesentlichen senkrecht zueinander. Verursacht durch die Ausrichtung der Polierrichtung B₁ und B₂ der rückseitigen und der vorderseitigen Ausrichtungsschicht 15 und 13 wird, sobald sich das Display im Ausschaltzustand befindet, natürlich von dem nomal vorkommenden, von der Hintergrundbeleuchtung 3 emittierten und das Flüssigkristallmaterial 11 erreichenden Licht die Polarisationsrichtung von den Flüssigkristallmolekülen beim Hindurchgehen durch die Lage 11 gedreht.
Sobald eine im wesentlichen gesättigte Steuerspannung, im allgemeinen etwa 6,0 Volt oder darüber, an einer Flüssigkristallage 11 oder ein daraus ausgewähltes Pixel zur Bildung eines gewünschten Bildes angelegt wird, ist dem normal vorkommenden, von der Hintergrundbeleuchtung 3 her die Flüssigkristallage erreichenden Licht wegen der Beibehaltung seiner eingeprägten Polarisationsrichtung der Durchtritt durch jede polierte Schicht 15 und 13 verboten. Dieser wird durch die Tatsache verursacht, daß die Moleküle bei Anlegung einer Spannung quer zu dem Flüssigkristallmaterial 11 veranlaßt werden, sich im wesentlichen parallel zueinander in der vertikalen Richtung, wie in 5 gezeigt, auszurichten. Daher findet im wesentlichen nur eine geringfügige oder gar keine Drehung statt und die Polarisationsrichtung des durch die Lage 11 hindurchgehenden Lichts bleibt im wesentlichen erhalten.
Die Höhe der quer an das Flüssigkristallmaterial 11 angelegten Spannung bestimmt den Grad der Verdrehung der LC-Moleküle in der Lage 11 und bestimmt damit die Polarisationsrichtung des von der Vorderseite oder der Betrachterseite des Flüssigkristallmaterials 11 emittierten Lichts. Die Polarisationsrichtung des den Polarisierer 5 erreichenden Lichts bestimmt wiederum die Menge des den Betrachter erreichenden Lichts, denn je näher die ausgerichtete Transmissionsachse P_F und die Polarisationsrichtung des Polarisierers 5 vom LC-Material her erreichenden Lichts einander sind, desto mehr Licht ist der Durchgang gestattet und erreicht den Betrachter.
Die Verzögerungsschichten 7 und 9 sind in diesem ersten Vergleichsbeispiel an der Vorder- oder Betrachterseite des Flüssigkristallmaterials 11 angeordnet und dabei zwischen dem vorderseitigen Polarisierer 5 und der LC-Lage eingeklemmt. Es wurde überraschenderweise herausgefunden, daß die Anordnung der beiden Verzögerungsschichten auf einer Seite der LC-Lage 11 die Inversion vermindert und daß das Kontrastverhältnis über viele Betrachtungswinkel verbessert wird, sobald der Verzögerungswert jeder Schicht signifikant gegenüber den Werten nach dem Stand der Technik vermindert wird (z. B. herab bis zu Verzögerungswerten von etwa 100 bis 200 nm).
Verzögerungsschichten 7 und 9 für bestimmte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung können bezogen werden beispielsweise von Nitto Corp., Japan oder Nitto Denko American, Inc., New Brunswick, New Jersey, und zwar als Modell mit der Nummer NRF-RF120 (120 nm-Verzögerer). Derartige Verzögerungsfilme sind uniaxial, positiv doppelbrechend und haben positive Verzögerungswerte, die für den praktischen Gebrauch dieser Erfindung geeignet sind.
Alternativ sind die biaxialen Verzögerungsschichten z. B. von der Allied Signal Corp. erhältlich. Weiterhin können negativ doppelbrechende uniaxiale/biaxiale, auflösbare Polyimidverzögerungsschichten (s. 08/167,652) von der Universität von Akron erhalten werden, die in der US-PS 5,071,997 offenbart sind.
Die optischen Achsen R₁ und R₂ der Verzögerungsschichten 9 und 7 sind in gewissen Ausgestaltungen dieser Erfindung in einer im wesentlichen senkrechten Weise zueinander ausgerichtet. Daher können die optischen Achsen R₁ und R₂ einen Winkel von etwa 75° bis 105° zwischen sich festlegend angeordnet werden. Solch eine Auslenkung aus der Senkrechten erlaubt die Verschiebung der Betrachtungszone des Displays, wie es ausführlich in der US-Anmeldung 08/167,652 diskutiert wird.
Wenn die Schichten 9 und 7 des uniaxialen positiv doppelbrechenden Typs sind, repräsentieren die Achsen R₁ und R₂ die optischen Achsen der Schichten. Wenn allerdings die Schichten 9 und 7 vom biaxialen Typ sind, repräsentieren die Achsen R₁ und R₂ die optische Achse der jeweiligen Schicht mit dem größten Brechungsindex (im allgemeinen n_x), wobei die optische Achse jeder Schicht mit dem dazwischen liegenden Brechungsindex (n_y) im wesentlichen senkrecht zu der dargestellten Achse steht und die optische Achse jeder Schicht mit dem kleinsten Brechungsindex (n_z) in gewissen Vergleichsbeispielen, wie in 21 gezeigt, im wesentlichen normal (senkrecht) zu n_x und n_y ausgerichtet ist.
Mit anderen Worten, wenn die biaxiale Schichten verwendet werden, wird die Gleichung n_x > n_y > n_z mit den Richtungen X, Y und Z der Ausdrücke n_x, n_y und n_z jeweils in 21 gezeigt, erfüllt. 21 zeigt ein Diagramm der biaxialen Verzögerungsschicht 100 mit der Dicke „d" und den Brechungsindizes n_x, n_y und n_z. Die biaxialen Verzögerungsschichten 7 und 9 weisen die Verzögerungswerte Δ_zx und Δ_zy auf, wobei Δ_zx = d*(n_z – n_y) gilt und „d" die Dicke der Schicht ist. Die x, Y, Z Richtungen, wie in 21 gezeigt, der Brechungsindizes n_x, n_y und nz sind jede für sich separat und von den Betrachtungswinkelrichtungen x, y und z, wie in den 1, 2, 4–8 und 10–20 gezeigt, beabstandet.
Wenn in bestimmten Ausführungsbeispielen dieser Erfindung die oben angegebenen positiv doppeltbrechenden uniaxialen Verzögerungsschichten als Schichten 7 und 9 verwendet werden, weisen beide die bevorzugten Verzögerungswerte von etwa 80 bis 200 nm auf. Bevorzugter weisen Verzögerungsschichten 7 und 9, wenn sie uniaxial sind, Verzögerungswerte von etwa 100 bis 180 nm, und am bevorzugtesten haben sie Verzögerungswerte von etwa 120 bis 160 nm. Derartige Verzögerungswerte stehen im krassen Gegensatz zu den Lehren des Stands der Technik. Der Stand der Technik, so wie die US-PS 5,184,236 lehrt allgemein die Verwendung uniaxialer Verzogerungsschichten mit Werten größer als etwa 300 nm in normalerweise weis-sen, nematisch gedrehten Displays. Die Vorteile der Verwendung von Verzögerungsschichten mit Verzögerungswerten in Übereinstimmung mit den Lehren aus dieser Erfindung beinhalten eine größere und wesentlich gleichmäßigere Betrachtungszone, eine verringerte Inversion und die Fähigkeit, die Betrachtungszone vertikal weg von eventuellen Inversionsgebieten, ohne eine wesentliche Verzerrung des Betrachtungsumfangs zu verschieben.
Wenn biaxiale Schichten 7 und 9 verwendet werden, betragen die Verzögerungswerte von etwa d*Δ_zx = –100 bis –200 nm und etwa d*Δ_zy = –10 bis –100 nm.
Die Verzögerungswerte der Schichten 7 und 9 sind in gewissen Ausgestaltungen dieser Erfindung bevorzugt etwa die gleichen, um so eine im wesentlichen symmetrische Betrachtungszone um die 0° horizontale Betrachtungsachse festzulegen. Je größer die Differenz zwischen den Verzögerungswerten der Schichten 7 und 9 ist, desto größer ist der Verlust der Symmetrie bei den Betrachtungen um die 0° horizontale Achse. Dies kann natürlich in gewisser Ausgestaltung nach dieser Erfindung erwünscht sein. Daher können Schichten mit verschiedenen Werten innerhalb der obigen Bereiche zur Einstellung der Betrachtungszone verwendet werden.
Die Anordnung beider Verzögerungsschichten 7 und 9 auf einer Seite der Flüssigkristallage 11, im Gegensatz zur Anordnung einer auf jeder Seite der Lage 11 (s. o. g. 08/167,652), ergibt eine Betrachtungszone, welche, da sie exzellente Betrachtungseigenschaften und Kontrastverhältnisse aufweist, sich in einer horizontalen Richtung stärker erstrecken als in die andere, so daß sie auf einer speziellen Seite der 0° horizontalen Betrachtungsachse bessere Betrachtungseigenschaften aufweist. Dies wird ausführlicher in den unten aufgeführten Beispielen beschrieben.
6 zeigt eine perspektivische schematische Explosionsbetrachtung auf die optischen Komponenten und ihre jeweilige Ausrichtung auf eine Ausgestaltung nach dieser Erfindung. Wie gezeigt, ist der einzige Unterschied zwischen die ser Ausgestaltung und dem ersten oder 5-Vergleichsbeispiel, daß die Verzögerungsschichten 7 und 9 in dieser Ausgestaltung rückseitig an der Flüssigkristallage 11 oder zwischen dem rückseitigen Polarisierer 1 und der LC-Lage 11 angeordnet sind.
Die rückseitige Anordnung der beiden Verzögerungsschichten 7 und 9 an der Flüssigkristallage 11 vermindert die Menge des von dem Displaypaneel reflektierten Umgebungslichts. Die Reflexion des Umgebungslichts ist typischerweise technisch dafür bekannt, mit der Betrachtung des LCDs in Wechselwirkung zu sein und herkömmlich mittels Diffusions- und Spiegelreflexionstests gemessen.
Sobald Umgebungslicht in Richtung der Vorderseite des Displaypaneels gerichtet ist, wird ein bestimmter Anteil davon unvermeidlich von dem Paneel zurück in Richtung des Betrachters reflektiert und interferiert dabei mit der Ansicht des Displays. Derartige Reflexionen werden zum Teil durch Übergänge der Brechungsindizes in dem Displaypaneel verursacht. Die direkte Anordnung zweier optischer Elemente (z. B. einem Trägermaterial und einer Verzögerungsschicht) nebeneinander mit jeweils verschiedenen Brechungsindizes ergibt einen Übergang bei den Brechungsindizes und verursacht dadurch die Reflexion von Umgebungslicht in Richtung des Betrachters. Daher sind nahe der Vorderseite des Displaypaneels so kleine Übergänge der Brechungsindizes wie möglich erwünscht.
In einem typischen vielfarbigen AMLCD erreicht erstmals das in Richtung der Vorderseite des Displaypaneels gerichtete Umgebungslichts die Flüssigkristallage 11 und setzt seinen Weg in und durch eine Vielzahl von im allgemeinen nahe einer Stelle des Displaypaneels angeordneten Farbfiltern (nicht gezeigt) fort. Diese Farbfilter, vorzugsweise rot, grün und blau, sind in dreieckiger oder rechteckiger Weise angeordnet, um jedes Pixel zu bilden und dabei von dem sie erreichenden Umgebungslicht bis zu 50% oder in einigen Fällen auch bis zu 67% zu absorbieren. Daher kann nach dem Erreichen der Farbfilter und der Absorbtion durch diese der absorbierte Teil nicht länger zurück in Richtung des Betrachters reflektiert werden und so die Betrachtungseigenschaften des Displays stören.
Demnach wird ein Übergang der Brechungsindizes rückseitig der Farbfilter (i. a. auf der Seite der Hintergrundbeleuchtung) gegenüber von vor den Farbfiltern angeordnete Übergänge bevorzugt, weil ein Teil des die Farbfilter erreichenden Umgebungslichts durch diese absorbiert und von der Reflexion abgehalten wird. Weiterhin wird durch diese Filter das mittels des Übergangs von rückseitig der Farbfilter angeordneten Indizes reflektierte Licht auf seinem Weg in Richtung zum Betrachter teilweise absorbiert.
Generell gesagt, weisen die Verzögerungsschichten 7 und 9 von den Polarisierern 1 und 2 und den transparenten Glasträgern 21 und 22 abweichende Brechungsindizes auf. Daher verursacht die Anordnung der Verzögerungsschichten 7 und 9 vorderseitig der Flüssigkristallage 11 eine zusätzliche Anzahl von Übergängen der Brechungsindizes an der Vorderseite der Flüssigkristallage 11 und diese Übergänge verursachen natürlich unerwünschte Reflexionen des Umgebungslichts zurück in Richtung zu dem Betrachter.
Jedoch sobald, wie in 6 gezeigt, die Verzögerungsschichten 7 und 9 rückseitig der LC-Lage 11 angeordnet sind, ist die Anzahl der Übergänge der Brechungsindizes vorderseitig der LC-Lage 11 und der Farbfilter in Bezug auf das erste Beispiel (d. h. 5) verringert. Daher wird weniger Umgebungslicht zurück in Richtung des Betrachters reflektiert und das Display weist bessere Betrachtungseigenschaften auf. Damit ist für gewisse Ausgestaltungen nach dieser Erfindung die Begründung für die Anordnung der beiden Schichten 7 und 9 rückseitig der Flüssigkristallage 11 erklärt.
Die 7 und 8 zeigen die zahlreichen Winkelabhängigkeiten zwischen den jeweiligen Achsen der Polarisierer, den Ausrichtungsschichten und den Verzögerungsschichten des ersten Beispiels und der Ausgestaltung nach dieser Erfindung.
Wie in 7 gezeigt, sind die Transmissionsachse PR des rückseitigen Polarisierers 1, die Polierrichtung B₁ der rückseitigen Ausrichtungsschicht 15 und die optische Achse R₂ der Verzögerungsschicht 7 alle im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet (im allgemeinen ± etwa 10°), während die Transmissionsachse P_F des vorderseitigen Polarisierers 5, die Polierrichtung B₂ der vorderseitigen Ausrichtungsschicht 13 und die optische Achse R₁ der Verzögerungsschicht 9 im wesentlichen ebenso parallel zueinander ausgerichtet sind. Diese zwei Gruppen der Achsen sind im wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet, wie in 7, als Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Erfindung gezeigt.
8 stellt die Winkelabhängigkeit zwischen den oben diskutierten optischen Achsen in einer anderen bevorzugten Ausgestaltung nach dieser Erfindung dar. In dieser Ausgestaltung sind die optischen Achsen R₁ und R₂ der Verzögerungsschichten 9 und 7, jeweils für sich, vorzugsweise symmetrisch negativ gedreht, um so die zentrale Lage der Betrachtungszone des Displays unter der wesentlichen Beibehaltung der Gleichförmigkeit seiner Gestalt auf eine Position unterhalb der 0° vertikalen Betrachtungsachse zu verschieben. Diese Ausgestaltung verwendet natürlich die gleichen wie die oben diskutierten Parameter, mit Ausnahme der Winkelausrichtung der optischen Achsen R₁ und R₂ der Verzögerungsschichten 7 und 9. Die Richtung B₁ und B₂, wie auch die der Achsen P_R und P_F legen in dieser Ausgestaltung einen Winkel von etwa 90° zwischen sich fest.
Der Unterschied zwischen dieser Ausgestaltung und der Ausgestaltung aus 7 ist hier, wie in 8 gezeigt, das die optische Achse R₁ gedreht ist, um so einen Winkel θ1 zwischen der Transmissionsachse P_F des vorderseitigen Polarisierers 5 und der optischen Achse R₁ festzulegen. Ebenso ist die optische Achse R₂ gedreht, um so einen Winkel θ2 zwischen der Transmissionsachse Pr des rückseitigen Polarisierers 1 und der Achse R₂ festzulegen. Die optische Achse R₁ der Verzögerungsschicht 9 ist im Uhrzeigersinn relativ zu den Richtungen P_F und B₂ gedreht, während die optische Achse R₂ gegenden Uhrzeigersinn relativ zu P_F und B₁ gedreht ist. Das ist es, was gemeint ist, wenn die optischen Achsen der Verzögerungsschichten „negativ" gedreht sind. Alternativ braucht nur eine der Achsen R₁ bzw. R₂ gedreht zu werden.
In einer Ausgestatlung sind die Winkel θ1 und θ2, wie in 8 gezeigt, im wesentlichen zueinander gleich und legen auf diese Weise eine, im wesentlichen symmetrisch um die 0° horizontale Betrachtungsachse liegende, Betrachtungszone für das normalerweise weiße Display fest. Da die optisch Achse R₂ gegen den Uhrzeigersinn und die optische Achse R₁ der Verzögerungsschicht 9 im Uhrzeigersinn im wesentlichen um die gleiche Grandzahl gedreht wurden, heißt es, daß das Display in dieser Ausgestaltung auf symmetrisch negative Weise gedrehte Verzögerungsschichten aufweist. Der Ausdruck „symmetrisch" bedeutet, daß die Winkel θ1 und θ2 im wesentlichen gleich zueinander sind. Um so das Betrachtungsfeld einzustellen, können die Winkel θ1 und θ2 alternativ auch unterschiedliche Werte haben.
Zum Beispiel betragen die Winkel θ1 und θ2 jeweils um etwa 4°, wie in 8 gezeigt, das normalerweise weiße Display symmetrisch um 8° gedrehte Achsen der Verzögerungsschichten aufweist. Daher beträgt der Winkel δ zwischen den Richtungen R₁ und R₂ etwa 82°, sobald die Verzögerungsschichten 7 und 9 in dieser Ausgestaltung symmetrisch um –8° gedreht werden. ES ist somit klar, daß, wenn die optischen Achsen R1 und R2 der Verzögerungsschichten 9 und 7 in bezug zueinander symmetrisch um –4° gedreht werden, die Winkel θ1 und θ2 jeweils 2° betragen, während der Winkel δ etwa 86° beträgt. Die Achsen R₁ und R₂ sind vorgesehen, um etwa bis zu ±20° symmetrisch gedreht zu werden.
Der Zweck der Drehung der optischen Achsen R₁ und R₂ der Verzögerungsschichten ist, die vertikale Verschiebung der zentralen Lage der Betrachtungszone (vorzugsweise in eine Richtung weg von den potentiellen Gebieten der Inversion, die ind er Region der positiven vertikalen Betrachtungswinkel angeordnet sind) unter der wesentlichen Beibehaltung der Gleichförmigkeit der Darstellung. In der Technik der Flüssigkristalldisplays benötigen verschiedene Anwender of verschiedene Betrachtungscharakteristiken in Bezug auf die Position der Betrachtungszone mit dem effektivsten und höchsten Kontrast. Wegen der oftmals unterschiedlichen Anforderungen für verschiedene Anwender ist es vorteilhaft, ein Display zubesitzen, dessen Betrachtungszone in Übereinstimmung mit den Benutzerbedürfnissen vertikal durch die einfache Drehung der optischen Achsen R₁ und R₂ seiner Verzögerungsschichten verschiebbar ist.
Durch die Drehung der Achsen R₁ und R₂ der Verzögerungsschichten 9 und 7 bis auf eine vorbestimmte negative symmetrische Gradzahl, wird die Betrachtungszone auf eine im wesentlichen unterhalb der 0° vertikalen Betrachtungsachse zentrierte Position und damit weg von den potentiellen oberhalb der 0° vertikalen Betrachtungsachse angeordneten Inversionszonen verschoben, während in Bezug auf die Darstellung alles wesentliche beibehalten wird. Solche Verschiebungen, in Bezug auf die Betrachtungszonen, sind in der oben bereits genannten Anmeldung Nr.: 08/167,652 diskutiert und graphisch dargestellt.
Alternativ können die optischen Achsen R₁ und R₂ vorzugsweise symmetrisch auf vorbestimmte positive Werte gedreht werden. in einem solchen Fall ist das Ergebnis die Verschie bung der Betrachtungszone auf eine im wesentlichen oberhalb der 0° vertikalen Betrachtungsachse zentrierte Position.
9 zeigt eine vorderseitige Querschnittsansicht eines Displaypaneels aus Flüssigkristall und eine korrespondierende Hintergrundsbeleuchtung 3 in Übereinstimmung mit der 6-Ausgestaltung. Wie gezeigt, beinhaltet das Displaypaneel von der Rückseite her vorwärts in Richtung des Betrachters einen rückseitigen linearen Polarisierer 1, eine erste Verzögerungsschicht 9, eine zweite Verzögerungsschicht 7, ein rückseitiges, transparente Trägermaterial 21, vorzugsweise aus Glas oder Plastik hergestellt, die individuellen Pixel- oder gefärbten Subpixelelektroden 17, eine rückseitige, im wesentlichen transparente Polyimidausrichtungsschicht 15, eine Flüssigkristallage 11 mit einer Dicke „d", eine vorderseitige Ausrichtungsschicht 13, eine vorderseitige Zentraleketrode 9, ein vorderseitiges, transparentes Trägermaterial 21, vorzugsweise aus Glas oder Plastik hergestellt, und abschließend einen vorderseitigen linearen Polarisierer 5. Es wird daran erinnert, daß Fachleute die Ausgestaltung dieser Erfindung nach der vorherigen 5 als vorderseitige Querschnittansicht durch die einfache Umpositionierung der Verzögerungsschichten 7 und 9 von ihrer Position in 9 auf eine Position zwischen dem vorderseitigen Trägermaterial 22 und dem vorderseitigen Polarisierer 5 dargestellt werden kann.
Alternativ können die Verzögerungsfilme 7 und 9 noch innerhalb von einem der transparenten Trägermaterialien 21 und 22 angeordnet werden, und zwar im Gegensatz zu ihrer äußeren Anordnung, wie sie in 9 dargestellt ist.
Bei der Verwendung von roten, grünen und blauen Farbfiltern (nicht gezeigt) können diese zwischen der Elektrode 19 und dem Trägermaterial 22 angeordnet werden, wobei jeder Farbfilter korrespondierend zu einer speziellen Subpixelelektrode 17 ausgerichtet wird.
In bezug auf die 6, 7 und 9 arbeitet das Display in einer typischen Anwendung nach dieser Erfindung wie folgt: das Licht wird zuerst von einer herkömmlichen Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung 3 aus ausgestrahlt. Die von der Vorrichtung zur Hintergrundsbeleuchtung ausgehenden Strahlen des normalen vorkommenden Lichts machen ihren Weg in Richtung des Displaypaneels und kommen als erstes mit dem rückseitigen linearen Polarisierer 1 in Kontakt.
Der Polarisierer 1 polarisiert das von der Hintergrundsbeleuchtung ausgesendete Licht in linearer Art und Weise, damit ist nur speziell polarisiertem Licht der Eintritt in das Displaypaneel erlaubt. Das nun linear polarisierte Licht setzt seinen Weg von dem rückseitigen Polarisierer 1 her durch die Verzögerungsschichten 9 und 7 in das transparente Trägermaterial 21 fort, wobei die Verzögerer 7 und 9 im wesentlichen den Verzögerungseffekt der LC-Lage 11 ausgleichen. Die optische Achse R₁ der Verzögerungsschicht 9 ist im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der, von dem rückseitigen, linearen Polarisierer 1 verursachten, Polarisation ausgerichtet, während die optische Achse R₂ der zweiten Verzögerungsschicht 7 im wesentlichen parallel zur Transmissionsachse P_R vom Polarisierer 1 ausgerichtet ist, wobei diese Richtungen oder Ausrichtungen unter Beibehaltung von etwa ±10° in einer Ausgestaltung Bestandteil dieser Erfindung sind.
Nach dem Durchtritt durch die Verzögerungsschichten 9 und 7 und der Beeinflussung durch deren jeweilige optische Achse wird das Licht seinen Weg in und durch das rückseitige transparente Trägermaterial 21 fort, bevor es das individuelle Pixel oder die gefärbten Subpixelelektroden 17 erreicht. Jede individuelle und unabhängige Elektrode 17 bestimmt entweder ein separates Pixel oder gefärbtes Subpixel mit einem korrespondierenden Farbfilter (nicht gezeigt), wobei die Elektroden 17 im wesentlichen transparent und in gewissen Ausgestaltungen nach dieser Erfindung aus ITO hergestellt sind.
Nach dem Austritt aus den Pixelelektroden 17 setzt das Licht seinen Weg durch die im wesentlichen transparente rückseitige Polyimidausrichtungs- oder Polierschicht 15 fort und tritt in die Flüssigkristallage 11 ein. Sobald sich die Flüssigkristallage 11 im Ausschaltzustand befindet, im allgemeinen, wenn an sie keine Spannungen oberhalb der Grenzspannung V_th quer angelegt ist, bewirken die LC-Moleküle darin eine Drehung des eintretenden sichtbaren Lichts, vorzugsweise um etwa 80°–100° und noch mehr bevorzugt um etwa 90°, mit der es dann seinen Weg von der rückseitigen Ausrichtungsschicht 15 zu der vorderseitigen Ausrichtungsschicht 13 fortsetzt. Diese Drehung wird durch die gedrehte Anordnung der LC-Moleküle verursacht, welche durch die Polier- oder Ausrichtungsrichtungen der Schichten 13 und 15 bestimmt ist.
Wie in den 6 und 7 gezeigt, ist die rückseitige Ausrichtungsschicht 15 in Richtung B₁ im wesentlichen parallel sowohl zu der Achse P_R des rückseitigen Polarisierers als auch zur optischen Achse R₂ der Verzögerungsschicht 7 poliert. Währendessen ist die vorderseitige Ausrichtungsschicht 13 in Richtung B₂ im wesentlichen senkrecht zur Polierrichtung B1 der rückseitigen Ausrichtungsschicht 15 poliert. Diese im wesentlichen senkrechte Polierung der Schichten 13 und 15 bewirkt die Drehung der Moleküle der LC-Lage 11 um etwa 90°, sobald keine Spannung quer an sie angelegt ist.
Alternativ können sowohl die Richtung B₁ als auch die Richtung B2 zusammen um etwa 90° gedreht sein, so daß das Display „x-poliert" anstelle von „p-poliert" ist.
Sobald eine Steuerspannung, z. B. etwa 6 Volt, quer an die LC-Lage 11 angelegt wird, richten sich die zwischen den Schichten 13 und 15 eingeklemmten Flüssigkristallmoleküle auf oder werden senkrecht ausgerichtet. Dies erlaubt es dem ursprünglich von der Hintergrundsbeleuchtung 3 ausgestrahlten Licht ohne eine wesentliche Änderung der Polarisationsrich tung durch die Flüssigkristallage 11 hindurchzutreten. Daher sind, sobald die die LC-Lage 11 angesteuert wird oder im Einschaltzustand ist, die Polarisationsrichtung des von der Flüssigkristallage 11 abgehenden Lichts und die der Ausrichtungsschicht 13 im wesentlichen gleich zu der durch die Achse P_R des rückseitigen Polarisierers 1 verursachten. Befindet sich die LC-Lage 11 im Ausschaltzustand und dreht als Ergebnis daraus das eintretende Licht um etwa 80°–100°, am meisten bevorzugt um 90°, so stehen die Polarisationsrichtung des aus der LC-Lage 11 austretenden Lichts und die Polarisationsrichtung der Ausrichtungsschicht 13 im wesentlichen senkrecht zu der durch den rückseitigen Polarisierer 1 verursachten Polarisationsrichtung P_R.
Nach dem Austritt aus der Flüssigkristallage 11 und der direkt anliegenden vorderen Ausrichtungsschicht 13 tritt das Licht vor dem Erreichen des vorderseitigen oder Lichtaustrittspolarisierers 5 durch die transparente ITO-Zentralelektrode 19 und das vorderseitige Trägermaterial 22 hindurch. Die Transmissionsachse P_F des vorderseitigen linearen Polarisierers 5 ist in einer im wesentlichen senkrechten Weise zur Transmissionsachse P_R des rückseitigen Polarisierers 1 ausgerichtet. Daher kann ein großer Teil dieses Lichts durch den Polarisierer 5 hindurchtreten und Betrachter erreichen, wenn das den vorderen Polarisierer 5 erreichende Licht eine im wesentlichen parallel zur Richtung P_F verlaufende Polarisationsrichtung aufweist. Dies tritt natürlich, wie unten diskutiert, ein, sobald sich die LC-Lage 11 im Ausschaltzustand befindet und sie es dadurch ermöglicht, die Polarisationsrichtung des Lichts beim Hindurchtreten durch das LC um etwa 90° zu drehen.
Sobald die Polarisationsrichtung des den vorderen Polarisierer 5 erreichenden Lichts nicht mit der Richtung P_F übereinstimmt, z. B., wenn das Licht, als Ergebnis einer wesentlichen an die LC-Lage 11 anliegenden Steuerspannung, im wesentlichen senkrecht dazu steht, wird das Licht im wesentlichen durch den Polarisierer 5 blockiert und wird somit am Erreichen des Betrachters gehindert.
Wie von jedem Fachmann bevorzugt, können verschiedene Graustufensteuerspannungen (z. B. von etwa 2,0 Volt bis 6,0 Volt) verwendet werden, um so die den Betrachter erreichende Lichtmenge zu steuern. Verschiedene Graustufensteuerspannungen bewirken verschiedene Grade der durch die LC-Lage 11 verursachten Verdrehung, daraus resultieren verschiedene Polarisationswinkel des dem vorderseitigen Polarisierer 5 erreichenden Lichts. Je näher die Polarisationrichtung des den Polarisierer 5 erreichenden Lichts zu der Richtung der Transmissionsachse P_F liegt, desto größer ist die den Betrachter zu erreichen gestattete Lichtmenge. Mit anderen Worten, je näher an 90° die LC-Lage 11 das normal vorkommende Licht dreht, desto mehr Licht kann durch den vorderseitigen Polarisierer 5 hindurchtreten und den Betrachter erreichen, sobald die Achsen P_R und P_F im wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
Die Erfindung wird nun in Bezug auf gewisse Vergleichsbeispiele wie folgt beschrieben:
Beispiel 1
In diesem ersten Beispiel weist ein normalerweise weißes, bei etwa 35° bis 40°C hergestelltes und getestetes Lichtventil eine Zellücke „d" von etwa 4,96 μm und bei Raumtemperatur eine Doppelbrechung des Flüssigkristalls (ΔN) von etwa 0,084 auf. Das verwendete Flüssigkristallmaterial ist von E. Merck Ltd. oder seiner Niederlassung in den vereinigten Staaten, der E. M. Industries, Inc. Hawthorne, New York als Modell Nr. ZLI-4718 erhältlich. In diesem Beispiel strahlt eine herkömmliche Hintergrundsbeleuchtung weißes Licht in Richtung der Rückseite des Lichtventildisplaypaneels.
Das Lichtventil oder Pixel in diesem Beispiel (und allen anderen Beispielen hierin) weist eine in 5 gezeigte op tische Anordnung auf, in der erste und zweite Verzögerungsschichten an der Vorder- oder Betrachterseite der LC-Lage 11 angeordnet sind und zwischen den herkömmlichen, vorderseitigen und transparenten Trägermaterials 22 sowie dem herkömmlichen, vorderseitigen und linearen Polarisierer 5 eingeklemmt sind. Jede der zwei in diesem Lichtventil verwendeten Verzögerungsschichten weist einen Verzögerungswert von etwa 160 nm auf, wobei die optische Achse R₁ der innersten Verzögerungsschichten 9, im wesentlichen parallel zu sowohl der Transmissionsachse P_F des vorderseitigen Polarisierers 5 als auch der Polierrichtung B₂ der vorderseitigen Polyimidausrichtungsschicht 13 ausgerichtet ist. Die optische Achse R₂ der äußersten Verzögerungsschicht 7 ist im wesentlichen senkrecht zu optischen Achse R₁ der direkt anliegenden Verzögerungsschicht 9 ausgerichtet, und die optische Achse R₂ steht im wesentlichen parallel zur Transmissionsachse P_R des rückseitigen linearen Polarisierers 1 und der Polierrichtung B₁ der rückseitigen Ausrichtungsschicht 15.
Beide der in diesem Lichtventil dieses Beispiels verwendeten Verzögerungsschichten 7 und 9 sind vom uniaxialen Typ und weisen positive Doppelbrechungswerte auf, diese Verzögerungsschichten sind bei der Nitto Corp., New Jersey oder der Nitto Denko America, New Brunswick, New Jersey, unter der Modell Nr. NRF-RF160 erhältlich.
Die rückseitigen und vorderseitigen linearen Polarisierer 1 und 5 sind von herkömmlicher Art und sind bei der Nitto Denko Amerika unter der Modell Nr. G 1220DUN erhältlich.
Die 10–12 zeigen die von dem Lichtventil in diesem Beispiel erhaltenen Testdaten, die 10 und 11 zeigen die graphischen Darstellungen des Verlaufs der Konturen der Kontrastverhältnisse und 12 zeigt den Verlauf der Intensitäten gegen die Steuerspannungen.
In bezug auf die 10 wurde der Verlauf der Kontur unter Anwendung einer Steuerspannung von etwa 6,8 Volt in einer Ausschaltzustandspannung von etwa 0.2 Volt dargestellt. Mit anderen Worten, das Kontrastverhältnis für jeden speziellen Betrachtungswinkel wurde durch die Division der Durchgangsintensität (fL) bei 0,2 Volt durch die korrespondierende Durchgangsintensität bei 6,8 Volt bestimmt.
Wird die oben genannte Steuerspannung von 6,8 Volt zum Steuern des Lichtventils verwendet, weist das Lichtventil dieses Beispiels, wie gezeigt, bei einem senkrechten Betrachtungswinkel ein Kontrastverhältnis größer als etwa 150 : 1 und entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse bei horizontalen Betrachtungswinkeln bis zu etwa ±55° Kontrastverhältnisse von wenigstens 10 : 1 auf. Weiterhin behält das Lichtventil in diesem Beispiel entlang der 0° horizontalen Betrachtungsachse bei etwa –35° vertikaler bis etwa 50° vertikaler Betrachtung ein Kontrastverhältnis von wenigstens etwa 10 : 1 bei.
11 zeigt den Verlauf der Kontur der Kontrastverhältnisse dieses Lichtventils, sobald etwa 5,0 Volt als Steuerspannung verwendet werden, wobei die anderen Parameter natürlich die gleichen sind. Es ist erkennbar, daß die Betrachtungszone oder -umgebung vertikal schrumpft und horizontal etwas wächst, sobald die Steuerspannung in 11 von etwa. 6,8 Volt auf etwa 5,0 Volt fällt. Wie in 11 gezeigt, weist dieses Lichtventil auch mit der vertikalen Schrumpfung einen sehr guten Kontrast auf, wobei es ein Kontrastverhältnis von wenigstens 10 : 1 oder 10 entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse über einen Gesamtbetrachtungswinkel von etwa 115° sowie über einen vertikalen Gesamtbetrachungswinkel von etwa 65° entlang der 0° horizontalen Betrachtungsachse aufweist.
12 zeigt den Verlauf der Durchlässigkeit gegen die Steuerspannung des Lichtventils in diesem Beispiel für eine Vielzahl horizontaler Betrachtungswinkel entlang der 0° verti kalen Betrachtungsachse, wobei die vertikale Achse der Graphik für die Intensität (fL) der Durchlässigkeit steht und die korrespondierende horizontale Achse für die einzelne, verwendete Steuerspannung (Volt). Weil dies ein normalerweise weißes nematisch gedrehtes Lichtventil ist, fällt die Intensität des den Betrachter erreichenden Lichts wie erwartet ab, sobald die korrespondierende Steuerspannung ansteigt. Mit anderen Worten, die Intensität des zu dem Betrachter unter allen Betrachtungswinkeln hindurchtretenden Lichts ist bei 2 Volt im wesentlichen größer als 2,5 Volt, die Intensität bei 2,5 Volt ist im wesentlichen größer als die Intensität bei 2,8 Volt, welche wiederum im wesentlichen größer ist als die Intensität bei 3,0 Volt usw.
Es sei vermerkt, daß das Lichtventil aus diesem Beispiel im wesentlichen keine Inversion über die 12 dargestellten Betrachtungswinkel aufweist, diese Betrachtungswinkel verlaufen horizontal von etwa –60° bis +60° entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse. Das Fehlen dieser Inversion wird durch die Tatsache dargestellt, daß die Intensität des zu dem Betrachter hindurchtretenden Lichts monoton mit dem korrespondierenden Ansteigen der Steuerspannung abfällt. Mit anderen Worten, da sind keine solchen Inversionsbuckel, wie die in der dem Stand der Technik entsprechenden 3 gezeigten. Die in der den Stand der Technik entsprechenden 3 dargestellten Inversionsbuckel zeigen bei gewissen Betrachtungswinkeln den zeitnahen Anstieg der Intensität des zu dem Betrachter hindurchtretenden Lichts, sobald die korrespondierende Steuerspannung von etwa 3,0 Volt durchgängig bis auf etwa 6,0 Volt erhöht wird, dieser Anstieg der Intensität zusammen mit dem korrespondierenden Anstieg der Steuerspannung resultiert in einer unerwünschten Inversion.
Werden die 3 und 12 dieses Beispiels miteinander verglichen, wird darauf aufmerksam gemacht, daß die Inversion nach dem Stand der Technik durch die Einfügung der Verzögerungsschichten 7 und 9 in das Displaypaneel, beide auf einer Seite der LC-Lage 11, im wesentlichen eliminiert ist. Ohne diese Inversion ist es dem Betrachter möglich, unter verschiedenen Betrachtungswinkeln im wesentlichen identische Bilder zu betrachten, anstatt, wie bei dem Stand der Technik, ein Bild bei senkrechter Betrachtung und ein anderes bei 40° oder 50° horizontaler Betrachtung zu sehen, sobald die Graustufensteuerungsspannungen zwischen 3,0 Volt und 6,0 Volt verwendet werden, wobei die verschiedenen Bilder aus den oben diskutierten unerwünschten Inversionseffekten resultieren.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurde ein anderes Lichtventildisplay hergestellt und getestet, wobei die optischen Stukturen dieses Lichtventils und die korrespondierenden Testbedingungen indentisch zu denen aus Beispiel 1, ausgenommen der Dicke oder Zellücke „d" des Flüssigkristallmaterials. In diesem Beispiel beträgt die Zellücke „d" etwa 5,86 μm, während sie im Beispiel 1 nur 4,96 μm beträgt. Außer diesem Wechsel in der Zellücke sind alle anderen Parameter inklusive den Verzögerungsschichten in bezug auf das erste Beispiel die gleichen.
Die 13–14 zeigen die resultierenden Kurven der Konturen der Kontrastverhältnisse des Lichtventils in diesem Beispiel. Wie in 13 gezeigt, verändert sich durch die Vergrößerung der Zellücke „d" in diesem Beispiel die Gesamterscheinung der Betrachtungszone oder -umgebung. Werden die Kurven der Konturen der 13 mit denen der 10 verglichen, so fällt auf, daß sich durch die Vergrößerung der Zellücke die Betrachtungsumgebung mit einem Kontrastverhältnis von wenigstens etwa 10 : 1 entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse von einem Gesamtwinkel von etwa 110° in 10 auf einen von etwa 100° in 13 etwas verkleinert.
Weiterhin sind die sich ergebenden Kontrastverhältnisse entlang der 0° horizontalen Betrachtungsachse bei Betrachtungswinkeln um etwa –30° in bezug auf die Kontrastverhältnis se aus 10 erhöht. Wie in 13 gezeigt, weist das Lichtventil dieses Beispiels über eine große Betrachtungszone oder -umgebung sehr gute Kontrastverhältnisse auf.
14 zeigt enfach die konturenhaften Verläufe der resultierenden Kontrastverhältnisse des Lichtventils in diesem Beispiel bei der Verwendung einer Steuerspannung von etwa 6,0 Volt anstelle der 6,8 Volt Steuerspannung aus 13. Wie dargestellt, zeigen sich in den beiden Verläufen als Ergebnis aus dem Wechsel der Steuerspannung nur kleine Unterschiede.
Beispiel 3
In diesem dritten Beispiel wurde ein normalerweise weißes, aus amorphem Silizium bestehendes TFT gesteuertes AMLCD, wie folgt, bei etwa Raumtemperatur hergestellt und getestet. Dieses AMLCD ist vom Vielfarbentypus, wobei jedes Pixel in einer Dreiecksanordnung rote, grüne und blaute Subpixel beinhaltet. Das Flüssigkristallmaterial besitzt rote Subpixellükken „d" um etwa 5,1 μm, sowie blaue und grüne Subpixellücken „d" von etwa 5,6 μm. Natürlich werden in jedem gefärbten Subpixel herkömmliche Farbfilter in technisch bekannter Weise zur Verfügung gestellt. Das Flüssigkristallmaterial und die Polarisierer sind die gleichen, wie die im Beispiel 1 verwendeten und beschriebenen. Die optische Struktur (i. a. die Polierrichtungen, die Richtungen der Verzögerungsachsen, die Polarisationsrichtungen etc.) des AMLCDs in diesem Beispiel ist in den 5 und 7 gezeigt mit der Ausnahme der Anwesenheit der nicht gezeigten Farbfilter.
Die Verzögerungsschichten 7 und 9 dieses AMLCDs sind jeweils vom uniaxialen Typ und weisen positive Doppelbrechungswerte auf, wobei die Verzögerungswerte jeder Schicht 7 und 9 etwa 160 nm betragen. Zur Beleuchtung des Displaypaneels in diesem Beispiel wurde weißes Licht verwendet, um mit den in 7 gezeigten im wesentlichen parallel zueinander stehenden Richtungen P_R, R₂ und B₁ (± etwa 10°) und den ebenso im we sentlichen parallel zueinander stehenden Richtungen R₁, B₂ und P_F (± etwa 10°) die folgenden Testresultate zu erzielen.
Die 15–16 stellen die Verläufe der Konturen der Kontrastverhältnisse des AMLCDs in diesem Beispiel dar, wobei die in 15 unter der Verwendung einer Steuerspannung von 6,8 Volt und die in 16 unter Verwendung einer Steuerspannung 6,0 Volt aufgetragen sind. V_common beträgt in diesem AMLCD-Beispiel etwa 8 Volt. Wie in 15 dargestellt, weist dieses Display über eine große Betrachtungszone oder -umgebung sehr gute Kontrastverhältnisse auf, wie sich bei einem Vergleich mit dem Stand der Technik in 1 zeigt. Das Display weist das Kontrastverhältnis von wenigstens etwa 10 : 1 entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse über einen Gesamtwinkel von wenigstens etwa 115° auf, dies stellt eine Verbesserung gegenüber den 35° nach dem in 1 gezeigten Stand der Technik dar.
Es wird vermerkt, daß die Betrachtungsumgebung in der positiven horizontalen Richtung etwas schiefwinkelig ist, da sie sich entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse etwas mehr in der positiven horizontalen Richtung als in der negativen horizontalen Richtung erstreckt. Vermutlich wird das durch die Tatsache bewirkt, daß beide Verzögerungsschichten 7 und 9 in diesem Beispiel auf der Betrachterseite der Flüssigkristallage angeordnet sind. Sind die Verzögerungsschichten 7 und 9 rückseitig der LC-Lage 11, wie in 6 gezeigt, angeordnet, so ist die sich ergebende Betrachtungszone im wesentlichen ungeklärt zu der in 15 gezeigten. Mit anderen Worten, die Anordnung der Schichten 7 und 9 auf der Rückseite der LC-Lage 11 ergibt eine Betrachtungsumgebung, die sich entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse mehr in die negative horizontale Richtung als in die positive horizontale Richtung erstreckt. Dies kann vorteilhaft sein, sobald spezielle Benutzer verbesserte Betrachtungseigenschaften in bestimmte horizontale Richtungen wünschen, i. a. positiv oder negativ.
16 zeigt den Konturverlauf des Kontrastverhältnisses eines AMLDCs dieses Beispiels, wenn etwa 6,0 Volt als Steuerspannung verwendet werden. Wie gezeigt, zeigt das Display dieses Beispiels einen überlegenen Kontrast gegenüber dem in 2 gezeigten Stand der Technik. Nach dem Stand der Technik, i. a. 2, zeigt der Verlauf des resultierenden Kontrastverhältnisses entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse über einen Gesamtwinkel von etwa 85° Kontrastverhältnisse von etwa 10 : 1 oder größer, während das Display Kontrastverhältnisse von 10 : 1 oder größer entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse über einen Gesamtwinkel von wenigstens etwa 120° zeigt. Diese signifikante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik ist klar ersichtlich.
Beispiel 4
14 zeigt die Computersimulation der graphischen Darstellung der Verläufe der Konturen der Kontrastverhältnisse eines normalerweise weißen Lichtventils in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das in dem Lichtventil verwendete Paar an Verzögerungsschichten 7 und 9 jeweils Verzögerungswerte von 120 nm aufweist und wobei die Verzögerungsschichten vom uniaxialen Typ mit positiver Doppelbrechung sind. Diese Computersimulation wurde unter Verwendung des von Dr. Dwight Berreman, Scotch Plains, New Jersey geschriebenen Simulationsprogramms erstellt. Das Programm ist in einer von Dr. Berreman Veröffentlichungen mit dem Titel „Numerical Modelling of Twisted Nematic Devices", veröffentlicht in Phil. R. Soc. Lond. A309, 203–216 (1983) in Großbritannien, beschrieben und ausgeführt.
Die optische Struktur des Lichtventils in dieser Simulation ist in 5 dargestellt, wobei die Richtungen P_F, R₁ und B₂ im wesentlichen alle parallel (± etwa 10°) zueinander sind und wobei die Richtungen P_R, B₁ und R₂ ebenfalls im wesentlichen parallel zueinander sind. Das Licht, welches zur Bestim mung der in 17 gezeigten Kontrastverhältnisse verwendet wurde, weist eine Wellenlänge von 550 nm auf. Das simulierte Lichtventil dieses Beispiels weist eine Zellücke „d" von etwa 5,7 μm auf, und das verwendete Flüssigkristallmaterial und die Polarisierer sind in Beispiel 1 beschrieben.
Die Verläufe der Konturen der Kontrastverhältnisse in 17 zeigen die Tatsache, daß in dieser Simulation die Anordnung des Paares von 120 nm Verzögerungsschichten vor der LC-Lage 11 die Betrachtungszone oder -umgebung bezogen auf den Stand der Technik in 1 wesentlich vergrößert. Z. B. zeigen die Verläufe der Kontrastverhältnisse das Kontrastverhältnis von wenigstens 10 : 1 für die folgenden Betrachtungswinkel:

(i) –35° vertikal, ±50° bis 60° horizontal und
(ii) +40° vertikal, ±50° horizontal.

Solch hohe Kontrastverhältnisse bei diesen speziellen Betrachtungswinkeln sind bemerkenswerte Verbesserungen gegenüber den Ergebnissen der Lichtventile der 1 nach dem Stand der Technik.
Beispiel 5
In diesem Beispiel wurde ein normalerweise weißes, a-Si TFT gesteuertes AMLCD unter Verwendung eines Paares biaxialer Verzögerungsschichten, erhältlich bei Allied Signal Corporation, herstellt und getestet, wobei die Verzögerungsschichten vorderseitig auf der Flüssigkristallage, wie in 5 gezeigt, angeordnet sind. Das AMLCD ist vielfarbig, dadurch das jedes Pixel rote, grüne und blaue Subpixel aufweist. Die rote Zellücke „d" beträgt etwa 5,1 μm, während die grünen und blauen Zellücken „d" etwa 5,7 μm betragen.
Die Verzögerungsschichten 7 und 9 weisen gemäß dem Lieferanten die Brechungsindizes von etwa n_X = 1,4305, n_y = 1,4275 und n_z = 1,4261. Die Richtungen X, Y und Z der Brechungsindizes n_x, n_y und n_z sind jeweils in 21 gezeigt, diese Richtungen sind von den hierin diskutierten und in den 1–8 und 10–20 gezeigten Richtungen X, Y und Z der Betrachtungswinkel abgesondert und verschieden. Diese zwei biaxialen Verzögerungsschichten weisen identische Verzögerungswerte von etwa d*Δ_ZX = –167,6 nm und d*Δ_Zy = –53,3 nm auf, wobei „d" die jeweilige Dicke jeder Verzögerungsschicht ist. Da die Verzögerungswerte negativ sind, weisen die Verzögerungsschichten eine negative Doppelbrechung auf.
Der Ausdruck d*Δ_ZX ist als d*(n_Z – n_X) festgelegt, wobei n_X in der Schicht der größte Brechungsindex und n_Z der kleinste ist. Daher ist d*Δ_ZX im allgemeinen der größte Verzögerungswert der Schicht. Die „n_Z"-Achse steht natürlich, wie in 21 gezeigt, im wesentlichen senkrecht zur allgemeinen Ebene der Schicht sowie in Bezug auf die „n_X"- und „n_Z"-Achsen.
Wie in 5 gezeigt, sind die Achsen R₁ und R₂ die optischen Achsen der Verzögerungsschicht mit den größten Brechungsindizes (n_X). Daher sind in dem AMLCD dieses Beispiels die Richtungen R₁, B₂ und P_F im wesentlichen parallel zueinander, während die Richtungen P_R, B₁ und R₂ ebenso im wesentlichen parallel zueinander sind. Wie in den anderen Beispielen, stehen natürlich die Achsen R₁ und R₂ im wesentlichen senkrecht, ± etwa 10°, zueinander.
Wie in dem Verlauf der 18 gezeigt, in welcher eine Steuerspannung von etwa 6,8 Volt, eine „Ausschaltzustands"-Spannung von etwa 0,2 Volt und eine V_common von etwa 8 Volt verwendet wurde, zeigt das AMLCD dieses Beispiels unter Verwendung biaxialer Verzögerungsschichten über einen großen Bereich der Betrachtungswinkel hervorragende Kontrastverhältnisse auf. Z. B. wird das 10 : 1 oder größere Kontrastverhältnis entlang der 0° vertikalen Betrachtungsachse unter horizontalen Winkeln bis zu etwa –50° und +65° einen horizontalen Gesamtbereich von etwa 115° festlegend präsentiert. Solch hohe Kon trastverhältnisse bei diesen großen Betrachtungswinkeln sind eine klare Verbesserung gegenüber dem in 1 gezeigten Stand der Technik.
Die biaxialen Verzögerungsschichten mit Verzögerungswerten im Bereich von etwa d*Δ_ZX = –100 bis 200 nm und d*Δ_Zy = –10 bis –100 nm stellen solch verbesserte Betrachungscharakteristiken zur Verfügung.
Die 19–20 zeigen die Verläufe der Transmission oder Intensität (fL) gegen die Steuerspannungen für das NW AMLCDs dieses Beispiels. Wie gezeigt, beseitigt die Anordnung der biaxialen Verzögerungsschichten auf der gleichen Seite der LC-Lage im wesentlichen das Problem der Inversion nach dem Stand der Technik. 19 zeigt im Grunde genommen keine Inversionsbuckel, während 20 nur eine leichte Inversion bei den vertikalen Betrachtungswinkeln von etwa –30° bis –40° zeigt. Insgesamt erlaubt das Zurverfügungstellen der biaxialen Verzögerer mit den vorgenannten Werten nicht nur hervorragende Kontrastverhältnisse über einen großen Bereich vorbestimmter Betrachtungswinkel, sondern ebenso die wesentliche Beseitigung der bei den meisten Betrachtungswinkeln nachteiligen Auswirkungen der Inversion. Dies beendet den Beispielbereich hierin.
Die spezifischen Elektroden, die Trägermaterialien, die Ausrichtungsschichten, das LC-Material und die linearen Polarisierer, welche in dem oben beschriebenen Display oder Lichtventil vorhanden sind, sind von herkömmlicher, dem Fachmann wohlbekannter Art.
Der Winkel für die Vorschräglage der Displays, Lichtventile und Simulationen hierin betrug etwa 3° und der Wert für „d/p" (Dicke/"natürliches Gefälle" des Flüssigkristallmaterials) der Flüssigkristallage dieser Figuren war auf etwa 0,25 gesetzt.
Wie aus den Ergebnissen der vorgenannten Beispiele offensichtlich ist, stellt das zur Verfügung stellen eines Paares Verzögerungsschichten mit im wesentlichen senkrechten optischen Achsen und mit hierin festgelegten Verzögerungswerten auf einzelnen Seite der Flüssigkristallage zwischen dem LC und einem speziellen Polarisierer (Austritt oder Eintritt) verbesserte Betrachtungseigenschaften für ein Flüssigkristalldisplay zur Verfügung, insbesondere eine vergrößerte Betrachtungszone oder -umgebung, in Bezug auf das Kontrastverhältnis und durch die wesentliche Beseitigung der Inversion. Es ist für jeden Fachmann offensichtlich, daß das Zurverfügungstellen eines normalerweise weißen, nematisch gedrehten Displays mit einer vergrößerten Betrachtungszone und verminderter Inversion eine signifikante Verbesserung gegenüber herkömmlichen, normalerweise weißen Displays darstellt, die Verbesserung erlaubt die wesentlich preiswertere Herstellung normalerweise weißer Displays, mit dem Ergebnis, daß die NW-Displays keine oder nur eine geringe Inversion und eine vergrößerte Betrachtungsumgebung aufweisen, ähnlich der von normalerweise schwarzen Displays.
Mit der oben gegebenen Offenbarung werden jedem Fachmann Eigenschaften, Veränderungen und Verbesserungen offensichtlich. Derartige Eigenschaften, Veränderungen und Verbesserungen werden daher als Teil der Erfindung betrachtet, deren Umfang sich durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Anzeige mit normalweißem Flüssigkristall, die aufweist: einen rückseitigen Lichteingangspolarisator (1), der eine in eine erste Richtung orientierte Durchlaßachse (P_R) aufweist; einen vorderseitigen Lichtaustrittspolarisator (5), der eine Durchlaßachse (P_F) aufweist, die mit Hinblick auf die erste Richtung in eine zweite Richtung derart orientiert ist, um eine normalweiße Anzeige festzulegen; erste und zweite positiv doppelbrechende, einachsige Hemmungsfilme (9, 7), die beide rückwärtig angeordnet sind zwischen einer verdrehten, nematischen Flüssigkristallschicht (11), die zwischen den rückseitigen (1) und vorderseitigen (5) Polarisatoren angeordnet ist, und dem rückseitigen Lichteingangspolarisator (1) zum Reduzieren der Menge der Reflektion des Umgebungslichts von der Anzeige; worin die Flüssigkristallschicht (11) im Aus-Zustand mindestens eine normal einfallende sichtbare Wellenlänge des Lichts weniger als um etwa 110° dreht, wenn es hierdurch hindurchtritt, und die ersten und zweiten einachsigen Hemmungsfilme (9, 7) Hemmungswerte von etwa 80 nm–200 nm aufweisen; und worin die Durchlaßachsen der Polarisatoren und optischen Achsen der Hemmungsfilme derart im Hinblick zueinander angeordnet sind, um die Kontrastverhältnisse über einen Bereich von vorbestimmten Blickwinkeln zu verbessern.
Anzeige nach Anspruch 1, worin die ersten und zweiten Hemmungsfilme (9, 7) Hemmungswerte von etwa 100 nm–170 nm aufweisen.
Anzeige nach Anspruch 2, worin die ersten und zweiten Hemmungsfilme (9, 7) Hemmungswerte von etwa 120 nm–160 nm aufweisen.
Anzeige nach Anspruch 2, worin die Flüssigkristallschicht (11) etwa 4,8 μm–6,5 μm dick ist mit einer Doppelberechnung von etwa 0,075–0,095 bei Raumtemperatur.
Anzeige nach Anspruch 4, worin die Flüssigkristallschicht (11) zwischen rückseitigen und vorderseitigen Orientierungsmitteln (13, 15) zum Ausrichten von Molekülen des Flüssigkristallmaterials zwischengelegt ist, die rückseitigen Orientierungsmittel (15) eine durch Reiben ausgerichtete oder Orientierungsrichtung (B1) aufweisen, die im wesentlichen parallel zur Durchlaßachse des rückseitigen Polarisators (P_R) ist und die vorderseitigen Orientierungsmittel (13) eine durch Reiben ausgerichtete oder Orientierungsrichtung (B₂) aufweisen, die im wesentlichen parallel zur Durchlaßachse (P_F) des vorderseitigen Polarisators (5) ist.
Anzeige nach Anspruch 4, worin das Display ein Weißlicht-Kontrastverhältnis von mindestens etwa 10 : 1 bei Blickwinkeln von etwa 0° vertikal und +/– 50° horizontal aufweist, wenn eine Steuerspannung von etwa 6 V an der Flüssigkristallschicht anliegt.
Anzeige nach Anspruch 4, worin bestimmte Kontrastverhältniskonturen der Anzeige sich in einer horizontalen Richtung weiter erstrecken als die anderen, so daß die Anzeige etwa ein 10 : 1 Verhältnis aufweist bei einem Blickwinkel von etwa: (i) 0° vertikal, 55° horizontal; und (ii) 0° vertikal, –55° horinzontal, wenn eine Steuerspannung von etwa 6 V an der Flüssigkristallschicht (11) anliegt.
Anzeige nach Anspruch 4, worin ein Winkel von etwa 80°–100° zwischen den entsprechenden optischen Achsen (R₁, R₂) von den ersten (9) und zweiten (7) Hemmungsfilmen festgelegt ist.
Anzeige nach Anspruch 8, worin ein Winkel von etwa 85°–95° zwischen den optischen Achsen (R₂, R₁) von den ersten und zweiten Hemmungsfilmen (9, 7) festgelegt ist; die optische Achse (R₁) von dem ersten Hemmungsfilm (9) im wesentlichen parallel zur Durchlaßachse (P_F) des vorderseitigen Polarisators (5) angeordnet ist und die optische Achse (R₂) von dem zweiten Hemmungsfilm (7) im wesentlichen parallel zur Durchlaßachse (P_F) des rückseitigen Polarisators (1) ist.