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Elektro-optische Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektro-optische Vorrichtung bestehend aus einer vorzugsweise zwischen parallelen Platten eines Gefässes angeordneten Schicht eines flüssigen Kristalls im nematischen Zustand, wobei zur Änderung der Lichtbrechung der Schicht an diese zumindest bereichsweise eine Spannung an- gelegt wird.
Solche Vorrichtungen werden seit der Entdeckung verwendet, dass in aus Zusammensetzungen be- stimmter flüssigerKristalle gebildetenschichten eineströmung entsteht, wenn bei Anlegung einer Span- nung an die Schicht ein elektrischer Strom durch diese fliesst. Diese auf den Bereich der angelegten Spannung beschränkte Strömung bewirkt eine Streuung des einfallenden Lichtes in diesem Bereich. Das Ausmass der Lichtstreuung kann durch Veränderung der Grösse der angelegten Spannung verändert werden, wobei diese zwischen einem Schwellwert, bei welchem die turbulente Strömung eingeleitet wird, und einen Sättigungswert, oberhalb welchem eine geringe oder keine Veränderung der Lichtstreuung eintritt, gehalten wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektro-optische Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welcher ein Kontrastverhältnis von mehr als 20 : 1 sowie eine Wiedergabegeschwindigkeit erhalten wird, welche für kommerzielle Fernsehzwecke ausreicht.
Ausgehend von der elektro-optischen Vorrichtung der eingangs erwähnten Art wird dies erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Schicht aus flüssigem Kristall einen Überschuss an beweglichen Ionen besitzt und/oder Elektronen emittierende Elektroden an der Schicht anliegen, um bei Anlegen einer Spannung einen Ionenstrom und eine dadurch hervorgerufene turbulente Bewegung in jenen Schichtbereichen vorzusehen, an denen eine Spannung anliegt. Die bevorzugten Materialien sind flüssige Kristalle von hoher Reinheit mit Widerstandswerten in einem Bereich von etwa 108 bis 1011 Qcm in ihrem nematischen Zustand. Zusammensetzungen aus verunreinigten flüssigen Kristallen, deren Widerstandswerte auf Grund der Unreinheit unter 108 fallen, sind üblicherweise für erfindungsgemässe Vorrichtungen nicht geeignet.
Der Ausdrück"Überschuss an beweglichen Ionen" bedeutet erstens eineNettodifferenz in der Anzahl der negativen Ionen im Vergleich zur Anzahl der positiven Ionen, zweitens vorzugsweise eine Absorption von Ionen einer Polarität an der Oberfläche der Gefässplatten oder anderswo, so dass die Ionen gegensätzlicher Polarität im wesentlichen für den Stromfluss in der Vorrichtung bestimmt sind und drittens eine grosse Differenz an transportierten Ionen einer Polarität verglichen zu den Ionen der andern Polarität, so dass der Stromfluss im wesentlichen auf Grund der Ionen mit der höheren Transportzahl bewirkt wird.
DieNettodifferenz zwischen der Anzahl der Ionen einer Polarität und der Anzahl der Ionen gegensätzlicher Polarität kann beispielsweise durch Emission von Elektronen in das Flüssigkristallmedium erfolgen, welche dann von neutralen Molekülen eingefangen werden und somit negative Ionen ergeben.
Die theoretische Begründung der Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung ist bis heute noch nicht vollkommen gelungen. Es wird jedoch im weiteren Verlauf der Versuch unternommen, das Wesen dieser Vorrichtung zu erklären. Selbstverständlich soll die hier zu Erklärungszwecken aufgestellte Theorie in keiner Weise einschränkend ausgelegt werden.
Ein elektrisches Feld kann auf verschiedene Weise eine Kraft auf eine Flüssigkeit ausüben, etwa
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durch Elektrorestriktion, eine räumlich sich ändernde Dielektrizitätskonstante, Dielektrophorese, Elek- trophorese und durch elektro-hydrodynamische Effekte. Man nimmt an, dass die Wirbelbildung in der neuenvorrichtung beiAnlegung eines genügend starken elektrischenFeldes auf Grund von elektro-hydro- dynamischen Kräften erfolgt. Diese Wirkung ergibt sich auf Grund mechanischer Kräfte, welche durch unipolare elektrische Leitung erzeugt werden. Wenn beispielsweise sich Ionen in einem teilweise ioni- sierten Medium unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen, kommt es zu einer Reibung und zu Zusammenstössen zwischen den Molekülen des Trägermediums, wodurch Momente auf das Medium übertragen werden.
Wenn lediglich Ionen einer Polarität vorhanden sind, ergeben sich durch diesen Effekt bedeutende Drücke.
Experimentelle Untersuchungen führten zu der Hypothese, dass durch Anlegung eines elektrischen Feldes an die Vorrichtung eine Wirbelströmung der Moleküle der flüssigen Kristalle entsteht, indem auf die anwesenden beweglichen Ionen in der Zusammensetzung aus flüssigen Kristallen ein Moment ausge- übt wird. Dieses Moment wird dann auf die neutralen Moleküle übertragen, welche im wesentlichen dieselbe Masse als die Ionen aufweisen, u. zw. durch direkte Zusammenstösse oder durch ungleichförmige Schübe in Bereichen von überlappenden Doppelschichten oder neutralisierenden Ladungswolken, von denen angenommen wird, dass sie die beweglichen Ionen umgeben. Diese Doppelschichten oder neutralisierendenLadungswolken können mit den bekannten Helmholtz-Doppelschichten verglichen werden.
Sie können aber auch als ein im wesentlichen ladungsfreier das Ion umgebender Bereich angesehen werden, wobei diePotentialenergie eines polaren oderpolarisierbarenMoleküls imFelddesIons grösser oder gleich ist der thermischen Energie. Es ist auch möglich, dass die durch die beweglichen Ionen erzeugte un- gleichförmigeFeldverteilung die Bewegung der neutralen Moleküle hervorruft. Die turbulente Strömung imBereich des angelegten Feldes führte zu einer Streuung des einfallenden Lichtes in diesem Bereich.
Der optische Effekt, welcher vom Betrachter des Lichtes, welches durch den turbulenten Bereich hindurchtritt oder von diesem reflektiert wird, beobachtet wird, besteht in einer Änderung der Helligkeit auf Grund der Lichtstreuung in diesem Bereich.
Die turbulente Bewegung verändert nicht die Natur des Mediums, d. h., die turbulente Strömung entsteht nicht auf Grund eines zerstörenden oder sich verbrauchenden Phänomens, etwa durchKochen oder dielektrischen Zusammenbruch des aus flüssigen Kristallen gebildeten Mediums.
Die Hypothese stützt sich auf folgende experimentell ermittelte Tatsachen : die Veränderung der Anstiegs-und Zerfallzeit des Lichtstreueffektes als Funktion der Leitfähigkeit der Zusammensetzung aus nematischen flüssigen Kristallen ; die Abhängigkeit der Wirkung auf die Elektrodenpolarität und die Elektronenemissionscharakteristiken der Kathode, wenn ein Gleichspannungsfeld verwendet wird ; das beobachtete anormale Verhalten, wenn die Schichtdicke sich der Debye-LängederIonen nähert, die Einleitung und Ausbreitung des optischen Effektes von der Kathode auf Grund des Feldes ; der niedere Druck an der Kathode verglichen mit dem Druck an der Anode bei Anlegung eines Feldes und die Notwendigkeit eines Stromflusses zur Aufrechterhaltung des optischen Effektes.
Es wird nun die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben, in denen Fig. 1 eine perspektivische teilweise im Schnitt gezeigte Darstellung einer elektro-optischen Wiedergabevorrichtung gemäss der Erfindung und eine schematisch dargestellte Schaltung zum Betreiben der Vorrichtung zeigt ; Fig. 2 eineschnittansicht durch die innig. l gezeigte Vorrichtung.
Fig. 3 eineschnittansicht durch eine Vorrichtung gemäss Fig. 1 mit lichtabsorbierender Arbeitsweise ; Fig. 4 eine Schnittansicht durch eine Vorrichtung gemäss Fig. l mit lichtreflektierender Arbeitsweise ; Fig. 5 eine Schnittansicht durch
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flexionskontrastverhältnis in Abhängigkeit von der Gleichspannung aufgetragen ist, und schliesslich Fig. 8 ein Diagramm, in dem die Menge des reflektierten Lichtes in Abhängigkeit von einer pulsierenden Spannung aufgetragen ist, um die Wirkung einer pulsierenden Spannung auf die Intensität des reflektierten Lichtes zu veranschaulichen.
Fig. 1 zeigt eine optische Wiedergabevorrichtung.-10-. Die Vorrichtung-10-besteht aus den parallel ineinander angeordneten Glasplatten-11 und 12--. Die einander zugekehrten Innenflächen
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ordnete transparente und leitende vordere Elektrodenstreifen-16a bis 16d--. Die vorderen Elektroden- streifen-16a bis 16d--liegen im wesentlichen senkrecht zu den rückwärtigen Elektrodenstreifen--15a bis 15d--. Es sind wieder nur vier Streifen --16a bis 16d-- gezeigt, es werden jedoch üblicherweise eine weit grössere Anzahl von solchen Streifen verwendet.
Der Raum zwischen der vorderen und rückwärtigen Platte --11 und 12-- wird mit der Schicht-17- gefüllt. Die Schicht --17-- besteht aus einer Zusammensetzung aus nematischen flüssigen Kristallen, in welchen eine turbulente Bewegung bei Anlegung eines elektrischen Feldes durch den in der Schicht erzeugten elektrischen Strom entsteht. Die Schicht --17-- besteht etwa aus Anisyliden-p-amino-phe- nylacetat, welches einen Überschuss an beweglichen Ionen aufweist. Die Schicht --17-- ist ein schwaeher Elektrolyt.
Die Vorrichtung --10-- besitzt Anschlussklemmen --18a bis 18d und 19a bis 19d-, um eine Span- nung an die leitenden Elektrodenstreifen --15a bis 15d bzw. 16a bis 16d-- zu legen. Die Anschlussklem- men und die leitenden Elektrodenstreifen dienen zum Anlegen des elektrischen Feldes bzw. der Span- nung an die Schicht aus flüssigen Kristallen.
Fig. l zeigt in schematischer Weise eine Schaltung zum Betreiben der Wiedergabevorrichtung --10--.
DieSchaltung schliesst einen Umschalter --31-- ein, der mit dem Kontaktarm --34-- an eine Klemme einer Spannungsquelle--30-- und an Masse --32-- liegt. Die Umschaltkontakte des Schalters --31-- sind mit denRückstreifen über die Leitungen -33a bis 33d-und dieAnschlussklemmen-18a bis 18d- angeschlossen. Ferner ist ein Umschalter --35-- für die vorderen Elektrodenstreifen --16a bis 16d-- vorgesehen, dessen Umschaltkontakte an die Anschlussklemmen --19a bis 19d-über die Leitungen - 36a bis 36d-- angeschlossen sind. Der Kontaktarm-37-ist mit der andernKlemmederSpannungs- quelle --30- verbunden.
Bei der Arbeitsweise gemäss Fig. 2 wird eine Lichtquelle --21-- an einer Seite der Vorrichtung - aufgestellt, so dass das Licht im wesentlichen senkrecht zu den Platten --11 und 12-- durch die
Vorrichtung dringt. Der Betrachter --22-- befindet sich von der Lichtquelle --21-- aus gesehen auf der gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung. Liegt die Stärke des angelegten elektrischen Feldes unter- halb eines bestimmten Schwellwertes, so erscheint dem Betrachter --22- der gesamte Plattenbereich als gleichförmig hell.
Wenn jedoch eine Spannung entsprechender Höhe zwischen einem Rückenelektro- denstreifen und einem Frontelektrodenstreifen angelegt wird, beispielsweise zwischen den Elektroden- streifen-15a und 16d-- über die Anschlussklemmen --18a und 19d--, so wird die Schicht im Schnitt- bereich der erregten Elektrodenstreifen durch den in ihm fliessenden Strom beeinflusst. Die angelegte
Spannung und der Stromfluss im Schnittbereich bewirken eine Wirbelbildung in diesem Teil der Schicht und eine Erhöhung der Lichtstreuung in diesem Teil der Vorrichtung. Der Betrachter sieht diesen Bereich des Feldes dunkler als den seitlichen Plattenbereich. Die benötigte Schwellwertspannung zur Erzielung dieses Effektes liegt im allgemeinen im Bereich von 0, 5 X 104. bis 1 x 104. V/cm der Schichtdicke.
Eine zu hohe Spannung kann zu einem unerwünschten Durchschlag durch das als Dielektrikum wirkenden Me- dium aus flüssigen Kristallen führen. Die angelegte Spannung kann eine Gleichspannung, eine Wechsel- spannung oder eine pulsierende Gleichspannung sein.
Durch aufeinanderfolgende Erregung von mehreren Elektrodenstreifen eines jeden Satzes können so- mit mehrere vorgegebene Bereiche verdunkelt werden. Es können die beim Fernsehen bekannten Ab- tastverfahren verwendet werden, um aufeinanderfolgend und zyklisch die leitenden Streifen zu erregen und die Amplitude der Spannungsquelle zu modulieren. Auf diese Weise können verschiedene Informationen optisch wiedergegeben werden. Weiters kann durch Verwendung einer grossen Anzahl von nahe
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den. Es kann auch der Prozentsatz des gestreuten Lichtes und somit das Ausmass der Verdunkelung für jedes Element durch Regelung der Grösse der über dem Schwellwert liegenden Spannung moduliert werden. Es kann alternativ auch eine Wiedergabe durch gleichzeitige Erregung mehrerer ausgewählter Elektrodenstreifen erzielt werden.
In der optischen Wiedergabevorrichtung gemäss Fig. 2 erfolgt eine Modulation des durchgelassenen Lichtes. Alternativ kann aber auch das reflektierte oder absorbierte Licht moduliert werden. Bei einer
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z. B. die Basisplatte --11--, mit einer dunklen Materialschicht --23-- beschichtet ist, so dass das durch die transparente Platte --12-- und die Schicht --17-- aus nematischen flüssigen Kristallen dringende Licht von der dunklen Platte --11- absorbiert wird. Gegebenenfalls kann auch die Basisplatte selbst
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schenlagsplatten, Klammern oder rahmenartigen Haltern.
Während des Betriebes wird die Vorrichtung auf einer Temperatur gehalten, bei welcher sich die Zusammensetzung aus nematischen flüssigen Kristallen in ihrem mesomorphen zustand befindet. Wenn eine Erwärmung erforderlich ist, kann dies durch äussere Wärmequellen erfolgen, so etwa durchlufrarot- lampen oder Heizspulen in unmittelbarer Nähe der Vorrichtung. Alternativ kann die Erwärmung auch durch transparente Widerstandsschichten auf den Aussenflächen der Trägerplatten erreicht werden, an die eine Spannung gelegt wird, wobei die ohmschen Verluste in diesen Schichten die Vorrichtung erwärmen. Vorzugsweise werden die Vorrichtungen auf eine Temperatur gebracht, die etwas oberhalb der Temperatur liegt, bei der das Medium in seinen nematischen Zustand übergeht.
Liegt die Temperatur bei oder in der Nähe der Übergangstemperatur, dann spricht die Schicht aus flüssigen Kristallen langsamer an, als bei höheren Temperaturen in der Mesophase. Ferner kann auch das Kontrastverhältnis in der Nähe der Übergangstemperaturen auf Grund der Lichtstreuung bei Fehlen eines Feldes vermindert werden.
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Das Wiedergabesystem kann auch als Farbsystem ausgeführt sein, wobei ein Belag verwendet wird, welcher selektiv eine bestimmte Primärfarbe reflektiert.
Beispielsweise können die Pfropfen tripelförmig angeordnet werden, wobei die mit der leitenden Schicht in Kontakt stehende Oberfläche der Pfropfen mit einem Belag, beispielsweise aus Aluminium beschichtet ist, wobei dieser Aluminiumbelag mit einem Farbstoff behandelt ist, der selektiv, d. h. jeder Punkt eines Tripels eine der Primärfarben reflektiert. Alternativ kann eine vordere Platte verwendet werden, welche selektiv eine bestimmte Primärfarbe überträgt, um eine Farbwiedergabe zu erhalten. Die Vorrichtung kann dann von einer üblichen Dreifarbenelektronenschleuder, wie sie etwa bei Schattenmaskenfarbfernsehröhren verwendet werden,
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abgetastet werden.
Bei einer rückwärtigen Platte im Dreipunktaufbau oder bei einer selektiv übertragenden vorderen Platte kann an Stelle einer Elektronenstrahlabtastung etwa auch eine Matrixabtastung erfolgen.
Es können verschiedene Zusammensetzungen von flüssigen Kristallen für die erfindungsgemässen elektro-optischen Vorrichtungen verwendet werden. Vorzugsweise besitzen die Zusammensetzungen aus nematischen flüssigen Kristallen Widerstandswerte zwischen 108 und 10 ss < . cm. DerWiderstandswert hängt von der Ladungsdichte und der Ionenkonzentration der Schicht-17-ab. Eine bevorzugte Klasse von Zusammensetzungen sind Schiff-Basen, deren Sauerstoffatome an die äussersten para-Stellungen der aromatischen Ringe der Verbindungen gebunden sind.
Eine bevorzugte Schicht-17-besteht aus Anisyliden-p-aminophenylacetat mit Spuren von p, n-Butoxybenzoesäure. Obwohl Anisyliden-p-aminophenylacetat auch ohne p, n - Butoxybenzoesäure verwendet werden kann, ist es jedoch etwas milchig und bewirkt bei fehlendemFeld Reflexionen, welche das Kontrastverhältnis der Vorrichtung vermindern. Es wurde gefunden, dass die Zusetzung von Spuren von p, n-Butoxybenzoesäure das milchige Aussehen vermindert. Kontrastverhältnisse von grösser als 20 : 1 wurden bei Vorrichtungen erhalten, deren Schicht Anisyliden-p-amiriophenylacetat und p, n-Butoxybenzoesäure enthielt und in reflektierender Arbeitsweise betrieben wurden.
Auf Grund des dynamischen Reflexionseffektes, welcher auftritt, wenn die Schicht Anisyliden-p-aminophenylacetat enthält, wird
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elektrizitätskonstante des freien Raumes, k die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur und e die Ladung eines Elektrons bedeutet. Alle Einheiten sind im mks-System definiert. Die maximale Dicke der Schicht liegt bei der Debye-Länge der beweglichen Ionen in der Schicht. Die Debye-Länge des Ions ist gleich dem Radius des Ions plus der das Ion umgebenden Doppelschicht oder Ladungswolke.
Im Betrieb benötigen die Schichten ausAnisyliden-p-aminophenylacetatSpannungen in der Grössenordnung von 10 bis 100 V bei einer Schichtdicke von 0,013 mm und Betriebstemperaturen im Bereich von 65 bis 950C. Die Lichtstreuung benötigt 2 msec zum Aufbau und besitzt eine Abfallzeit von 15 bis 30 msec in Abhängigkeit von den Veränderungen des elektrischen Feldes.
Andere Materialien aus nematischen flüssigen Kristallen, welche in den erfindungsgemässen Vorrichtungen verwendet werden können, sind p-Azoxyanisol, dimere p-n-Butoxybenzoesäure, p-n-Butoxy-
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reinem p-Azoxyanisol zeigen keinen dynamischenStreueffekt. Dasselbe trifft zu für p-Azoxyanisol (ungereinigtes Reagens). Der Streueffekt kann jedoch dadurch eingeleitet werden, dass man reines p-Azoxy- anisol mit Ionen dotiert, etwa durch Lösen von kleinen Mengen von Dodecylisochinonium in p-Azoxyanisol, um den Widerstand der Schicht unter 1011 Hern zu vermindern jedoch nicht unter i09 Hcm, um einen Überschuss an beweglichen Ionen in der Schicht vorzusehen.
Die erfindungsgemässen Vorrichtungen arbeiten mit Wechsel-, Gleich- oder pulsierender Gleichspannung. Die Ionen können durch Dotieren in die Schicht eingebracht werden oder in der Schicht durch die Anlegung der Spannung erzeugt werden. Im letzteren Fall nimmt man an, dass die Ionen durch Injektion von Elektronen erzeugt werden, welche sofort mit den flüssigen Kristallmolekülen zu Kationen rekombinieren.
Für einen zufriedenstellenden Betrieb und eine lange Lebensdauer der Vorrichtungen ist es wichtig, dass die flüssigen Kristalle gereinigt werden, zumindestens bis zu einer Temperatur, bei der ein reversibler und konstanter nematisch-isotroper Zustand der Flüssigkeit erreicht ist. Dies kann im allgemeinen durch mehrmalige Umkristallisation der Verbindung aus flüssigen Kristallen erzielt werden. Vorzugweise wird eine zusätzliche Umkristallisation durchgeführt, nachdem ein konstanter Übergang erreicht
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2 p grossen- p'-aminophenylacetat besteht und eine Basiselektrode aus Silicium und eine transparente, leitende vordere Elektrode besitzt.
Durch Veränderung des Kontrastverhältnisses bei Änderung der angelegten Spannung erhält man die Grauskala. Die Veränderung des Kontrastverhältnisses und der Schwellwertspannung ist auch als Funktion der Schichttemperatur gezeigt. Beträgt z. B. die Betriebstemperatur der Vorrichtung 63 C, dann hat diese ein Kontrastverhältnis von etwa 2 bei einer Spannung von 4 V und 19 bei einer Spannung von 60 V.
Wird dieselbe Vorrichtung bei 90 C betrieben, dann ist das Kontrastverhältnis etwa 1 bei 4 V und 11, 5 bei 60 V.
Das Diagramm gemäss Fig. 8 zeigt bei einer mit pulsierender Spannung betriebenen Vorrichtung die Abhängigkeit der reflektierten Lichtmenge pro Impuls von der Impulsamplitude. Die Schichtstärke dieser Vorrichtung beträgt 0, 0127 mm und besteht aus p-n-Octoxybenzyliden-p-aminophenylacetat, dessen Widerstand bei 1, 05. 10 2cm liegt. Die Basiselektrode besteht aus Chrom und die vordere Elek-
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eine mehr als dreifache Vergrösserung der reflektierten Lichtmenge bei Verdoppelung der Impulsamplitude erzielt. Die Impulsamplitude wurde zwischen 50 und 100 V verändert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektro-optische Vorrichtung bestehend aus einer vorzugsweise zwischen parallelen Platten eines Gefässes angeordneten Schicht eines flüssigen Kristalles im nematischen Zustand, wobei zur Änderung der Lichtbrechung der Schicht an diese zumindest bereichsweise eine Spannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus flüssigem Kristall einen Überschuss an beweglichen Ionen besitzt und/oder Elektronen emittierende Elektroden an der Schicht anliegen, um bei Anlegen einer Spannung einen Ionenstrom und eine dadurch hervorgerufene turbulente Bewegung in jenen Schichtbereichen vorzusehen, an denen eine Spannung anliegt.