DE2410557C2

DE2410557C2 - Elektrooptische Vorrichtung mit Gast-Wirt-Flüssigkristallmaterial

Info

Publication number: DE2410557C2
Application number: DE19742410557
Authority: DE
Inventors: Walter Bryan Fair Haven N.J. Hatfield; Gary Newton Fanwood N.J. Taylor; Donald Lawrence Bernardsville N.J. White
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-03-08
Filing date: 1974-03-06
Publication date: 1984-08-30
Also published as: FR2220804A1; JPS6222153B2; DE2410557A1; FR2220804B1; GB1464791A; JPS49127645A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrooptische Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine derartige elektrooptische Vorrichtung ist z. B. aus der DE-OS 21 58 563 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung setzt sich das Flüssigkristallmaterial aus nematischen und cholesterischen sowie weiteren optisch aktiven Substanzen zusammen. Das Material weist im nicht-angeregten Zustand eine wendeiförmige Molekularanordnung auf. Die Steigung bei diesem bekannten Flüssigkristallmaterial ist größer als der Abstand zwischen den beiden Platten der das Material einschließenden Zelle. Das Hell/Dunkel-Verhältnis bei dieser bekannten Vorrichtung ist nicht besonders stark ausgeprägt, so daß die Vorrichtung nur begrenzt einsetzbar ist.

Aus »Electro Technology«, Band 85, Nr. 1, Januar 1970, Seiten 41 —50 ist eine Flüssigkristallzelle bekannt, die eine sogenannte gedrillte nematische Struktur aufweist. Die beiden Platten der Zelle, zwischen denen sich das Flüssigkristallmaterial befindet, sind um 90° bezüglich der anderen Platte gedreht. Falls die Moleküle des nematischen Flüssigkristallmaterials ursprünglich parallel zu den Längsachsen beider Platten ausgerichtet sind, ruft die Drehung einer der beiden Platten um 90° bezüglich der anderen Platte eine geringfügige Wendelung (3) im Molekülaufbau des Flüssigkristallmaterials hervor. Die Steigung dieser Wendelung entspricht der doppelten Zellendicke, so daß dann, wenn kein elektrisches Feld angelegt ist, nur eine einzige Polarisationsrichtung von beliebig einfallendem Licht absorbiert wird. Hierdurch wird von der Zelle in deren feldstärkelosem Zustand halb soviel Licht übertragen wie in heilem Zustand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß das Hell/Dunkel-Verhältnis ausgeprägter ist als im Stand der Technik.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die vorteilhafte Steigung der wendeiförmigen Molekularanordnung mit Hilfe einer Mischung aus einem nematischen Flüssigkristallmaterial und einem optisch aktiven Material erzielt Diese Mischung zeichnet sich dadurch aus, daß die wendeiförmige Molekularanordnung erreicht wird, ohne daß irgendwelche äußeren Maßnahmen, z. B. kreuzweises Anordnen der Platten, erforderlich wären. Darüber hinaus läßt sich durch eine einfachere Änderung der Zusammensetzung der Mischung die Steigung der wendeiförmigen Molekularanordnung auf jeden gewünschten Wert bringen. Diese Möglichkeit gestattet wiederum, die Schaltspannung und die KontrasUsigenschaften der Vorrichtung so »maßzuschneidern«, daß sich verschiedenartige Forderungen für unterschiedliche Anwendungsfälle erfüllen lassen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zei^t

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer Flüssigkristall-Vorrichtung,
F i g. 2 die molekulare Ordnung und die zugeordnete Licht-Ausbreitungsmode in dem Flüssigkristall nach F i g. 1 ohne angelegte elektrische Spannung,

F i g. 3 die Molekularordnung bei Anwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes und die entsprechende Lichtausbreitungsmode und

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer vielzelligen, matrixartigen Wiedergabeanordnung gemäß Erfindung.

Die in F i g. 1 dargestellte Flüssigkristall-Vorrichtung weist zwei parallele Glasplatten 12 und 14 und einen Farb-Flüssigkristallfilm 16 auf, der zwischen den Glasplatten eingeschlossen ist. Dünne leitende Schichten 13 und 15 aus beispielsweise Ιη2θ3—SnÜ3 auf den einander zugewandten Seiten der Platten 12 und 14 stellen durchsichtige Elektroden dar, durch welche ein gleichförmiges elektrisches Feld an den Film 16 angelegt werden kann. Abstandsstücke 18 und 20 aus Glasschmelzmasse oder einem Polymer wie Polytherephthalat oder Polyäthylen halten die Dicke des Films auf einem gewünschten Wert im Bereich von ungefähr 5 bis 30 mm, gemesseninderz-Richtung.

Eine Lampe 22 sorgt für eine Umgebungsbeleuchtung der Einrichtung 10.

Der Film 16 weist als Hauptbestandteil ein Flüssigkristallmaterial wendelartiger Molekularordnung auf. Diese Komponente kann beispielsweise ein cholesterisches Flüssigkristall-Material der von F. J. Kahn in »Cholesteric Liquid Crystals for Optical Applications« in Applied Physics Letters vom März 1971, Seiten 231—233 beschriebenen Art sein.

Aus später im einzelnen dargelegten Gründen ist es vorteilhaft, das Flüssigkristall-Material des Filmes 16 als eine Mischung eines nematischen Flüssigkristalls und eines optisch aktiven Materials, beispielsweise eines cholesterischen Materials der in dem erwähnten Artikel

h5 von Kahn beschriebenen Art, zusammenzusetzen. (Der Ausdruck »optisch aktiv« wird bekanntlich zur Kennzeichnung eines Materials verwendet, in welchem die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht ge-

dreht wird, wenn das Licht durch das Material hindurchgeht) Andere Beispiele von optisch aktiven Materialien, die zum Einschluß in die Mischung geeignet sind, sind folgende: das aktive Amylester der N-p-cyanobenzyliden-p-aminozimtsäure, nachfolgend CBACAA genannt, der aktive Amylester von N-(p-carboxybenzyliden)-paminobenzonitril und -menthol. Vorteilhafterweise sollten die Moleküle des optisch aktiven Materials ähnlich dem des Wirt-Flüssigkeitskristalls sein, d.h. lang und stabartig ausgebildet sein, wie dies mit CBACAA der Fall ist

Eine derartige Mischung zeigt eine wendelartige Molekularstruktur, deren Sieigung eine Funktion der relativen Konzentrationen des nematischen Flüssigkristall-Materials und des optisch aktiven Materials sind. Wenn im einzelnen die Dichten der gemischten Substanzen nur wenig voneinander unterschiedlich sind, ist das Verhältnis der Steigung des reinen optisch aktiven Materials zu dem der Mischung gleich der Konzentration der optisch aktiven Komponente der Flüssigkristallmischung.

Durch Anwendung einer derartigen Mischung ist es schließlich möglich, eine Substanz zu bilden, deren Wendelsteigung jeden beliebigen Wert annimmt. Dadurch wird eine wichtige Flexibilität der Konstruktion geschaffen, die es dem Konstrukteur ermöglicht, die Schaltspannung und das Kontrastverhältnis der Einrichtung 10 entsprechend den Anforderungen der zahlreichen speziellen Anwendungen einzustellen.

Es ist kennzeichnend für eine derartige Mischung, de.3 sie eine andere Strukturordnung als cholesterische Materialie oder Mischungen aus cholesterischen Materialien allein hat. Diese Eigenschaft ist die Grundlage für eine Maximierung der Anisotropie und der Absorptionseigenschaften des Filmes 16.

Eine vorteilhafte Flüssigkristall-Mischung zum Einschluß in die Vorrichtung 10 nach F i g. 1 umfaßt eine nematische Flüssigkristallmischung mit positiver dielektrischer Anisotropie, gemischt mit einem optisch aktiven Material, wie das erwähnte CBACAA. Die nematische Flüssigkristall-Mischung weist beispielsweise gleiche Gewichtsanteile von N-(p-butoxy), N-(p-hexyloxy), und N-(p-octanoyloxy)-benzylidin-p-aminobenzonitrile, oder Mischungen aus 4-N-(4'-n-hexylbenzylidene)-aminobenzonitril und 4-N-(4'n-propylbenzylidene)-aminobenzonitril oder Mischungen aus 4'-cyanophenyl-4-n-butylbenzoat und 4'-cyanophenyi-4-n-heptylbenzoat, wie von A. Boiler, H. Scherrer, M. Schodt und P. Wild in »Proc. of the I. E. E. Ε.« 60, 1002 (1972) angegeben. Mischungen des nematischen Flüssigkristalls und des optisch aktiven Materials im Bereich von ungefähr 5 bis 15 Gewichtsprozent des optisch aktiven Materials verleihen der Mischung eine wendelartige Molekularanordnung mit einem Steigungswert von ungefähr 1,0 bis 3 μίτι.

Beide zuvor erwähnten Materialien in der Flüssigkristall-Mischung schließen stabartige Moleküle ein und zeigen eine positive dielektrische Anisotropie. In einem derartigen Material ist die elektrische Suszeptibilität parallel zur Längsachse des Moleküls größer als die elektrische Suszeptibilität senkrecht zur molekularen Längsachse.

Wenn die wendelartige Mischung der Wellenlänge des auf den Film 16 gerichteten Lichts nahekommt, breitet sich das Licht durch den Film als rechts- und linksdrehender, elliptisch polarisierter Mode aus. Wenn die Steigung größer als 5 bis 10 Wellenlängen ist, erscheint die Mischung dem einfallenden Licht wie eine nicht wendeiförmige, nematischartige Struktur, durch welche sich linear polarisierte Moden ausbreiten. Dieser zweitgenannte Ausbreitungsmode wird in Abwesenheit eines elektrischen Feldes in dem Film vermieden. Als praktisehe Maßnahme hierzu wird die Steigung der Mischung gewöhnlich so bestimmt, daß sie weniger als 10 Wellenlängen des einfallenden sichtbaren Lichtes ist

Die Steigung der wendeiförmigen Ausbildung der in Rede stehenden Mischung sollte nicht viel kleiner als

ίο eine Wellenlänge des eintreffenden sichtbaren Lichtes sein. Wenn die Steigung viel kleiner gemacht wird, ist die Spannung am Film 16 zum Aufbau eines elektrischen Feldes, welches für das »Aufdrehen« der Wendel ausreicht, für die meisten Anwendungsfälle zu groß.

Demnach wird die Steigung gewöhnlich so eingestellt, daß sie nicht kleiner als ungefähr eine Wellenlänge ist.

Wenn ein elektrisches Feld an ein cholesterisches Flüssigkristallmaterial angelegt wird, welches durch positive dielektrische Anisotropie gekennzeichnet ist, nimmt die Steigung des Materials zu und gegebenenfalls, wenn das elektrische Feld einen gewissen kritischen oder Übergangswert E_c erreicht, wird die Steigung im wesentlichen unendlich, d. h. das Material erscheint nematisch zu sein. Das kritische Feld für ein derartiges Material wird durch folgenden Ausdruck definiert:

E -1

dabei ist q die Steigung in cm, K die elastische Konstante und A ε die dielektrische Anisotropie.

Wenn die Steigung relativ lang gemacht wird, beispielsweise nur einige Steigungen gleich der Dicke der Zellen, und die dielektrische Anisotropie sehr groß ist, wie dies für die genannten Flüssigkristall-Materialien zutrifft, kann die entsprechende kritische Spannung derart gesteuert werden, daß sie ziemlich klein ist.

Die zweite Hauptkomponente in dem Film 16 ist ein pleochroitisches Material aus beispielsweise einem löslichen nichtionischen Farbstoff. Ein geeigneter Farbstoff ist 2-(4-N,N-diethylaminoazophenyl)-5-nitrothiazol, welcher in der Flüssigkrisiall-Mischung in einer Konzentration von ungefähr ¹Z₄ bis 1 Gewichtsprozent des Farbstoffs zugemischt wird.

Es ist ein charakteristisches Verhalten eines derartigen Farbstoffes, daß er Licht in bevorzugter Weise absorbiert: Das optische Absorbtionsspektrum ist eine strenge Funktion der Polarisation des einfallenden Lichtes mit Bezug auf die Ausrichtung der Farbstoffmoleküle. Wenn speziell der die Lichtpolarisation repräsentierende elektrische Vektor parallel zu der Längsachse eines derartigen Farbstoffmoleküls ausgerichtet ist, absorbiert das Molekül besonders stark den Teil des einfallenden Lichtes, dessen Wellenlänge innerhalb eines vorbestimmten Bereiches fallen. Als Resultat dieser Absorbtion zeigen die im Film 16 dispergierten Farbstoffmoleküle eine charakteristische Farbe. Man sagt, daß die Einrichtung in ihrem dunklen Zustand ist. Wenn andererseits der elektrische Vektor des einfallenden Lichtes senkrecht zur Längsachse eines solchen Farbstoffmoleküls ausgerichtet ist, erscheint das Molekül relativ transparent. Demgemäß nimmt der Film 16 oder ein bestimmter vorgewählter Bereich des Films unter den

b^r> geschilderten Umständen einen relativ klaren oder hellen Zustand ein.

Das charakteristische Absorbtionsverhalten. wie es bei der Hrfindting benutzt wird, kann unter Bezugnahme

auf F i g. 2 und 3 besser verstanden werden, welche die leitenden Schichten 13 und 15 zum Einschluß des Filmes 16 schematisch darstellen, welcher die beschriebene Farbstoff-Flüssigkristall-Mischung aufweist. Bei den Fig.2 und 3 ist das einfallende, aus der Umgebung stammende, unpolarisierte Licht durch einen gestrichelten Vektor 25 dargestellt, der auf die Schicht 13 gerichtet ist.

In F i g. 2 ist angenommen, daß keine Spannung an die Schichten 13 und 15 angelegt ist. Demgemäß wird der Film 16 nicht von einem elektrischen Feld durchsetzt. Unter dieser Voraussetzung nehmen die Moleküle der Flüssigkristall-Mischung und deshalb auch die Moleküle des gelösten Farbstoffes eine wendeiförmige Ordnung oder Ausrichtung an. Da in erster Linie die Farbstoffmoleküle das beschriebene selektive Absorbtionsverhalten zeigen, ist eine repräsentative Wendel oder Schraube von stäbchenartigen Farbstoffmolekülen 30a bis 30/ in Fig.2 gezeigt, deren Wendelachse mit 35 bezeichnet ist.

Es sind zahlreiche technische Verfahren dafür verfügbar, daß die Wendelachse 35 nach F i g. 2 ursprünglich senkrecht zu den ebenen Überzügen 13 und 15 ausgerichtet ist. Beispielsweise durch Reiben und/oder Anlegen eines geeigneten Oberflächenmittels an die einander zugewandten Seiten der Schichten 13 und 15 werden das oberste und das unterste Molekül der schraubenförmigen Anordnung (dargestellt durch die Moleküle 30a und 30/in F i g. 2) so ausgerichtet, daß sie mit ihrer Längsachse parallel zu der xy-Ebene orientiert sind. Dies wiederum stellt sicher, daß die Achse 35 parallel zu der z-Achse ausgerichtet ist und senkrecht zu den ebenen Schichten 13 und 15.

Ein geeignetes Oberflächenmittel zum Ausrichten des wendelartig orientierten Films 16 ist 3-N-methylaminopropyltrimethoxysilan. Eine gleichförmige Schicht des Oberflächenmittels kann dadurch erhalten werden, daß es in einem wäßrigen organischen Lösungsmittel gelöst wird und die mit Elektroden überzogenen Platten 12 und 14 in dieses Lösungsmittel eingetaucht werden, wobei überschüssiges Lösungsmittel mit deionisiertem Wasser weggespült und die Schicht getrocknet bzw. ausgehärtet wird. Hierdurch erhält man ein stabiles, kreuzweise miteinander verkettetes zweidimensionales Polymerisatnetzwerk.

Das Reiben kann beispielsweise selektiv auf den Schichten 13 und 15 erfolgen, z. B. mit Linsenpapier vor der Aushärtung der mit Oberflächenmittel bedeckten Schichten 13 und 15. Reiben der Schichten in y- Richtung mit mäßigem Druck führt zu der gewünschten Orientierung in dem dünnen Film 16. Bei dieser Behandlung scheint weder das Reibmaterial, die Anzahl der Hübe noch der Druck kritisch zu sein.

Es ist charakteristisch für einen wendelförmig geordneten Farbstoff-Flüssigkristall-Film 16 der beschriebenen Art, daß bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes unpolarisiertes Licht sich in zwei elliptischen Moden ausbreitet Diese Moden, die als rechts- und linksdrehende wendelartig polarisierte Moden bezeichnet werden, sind in Vektorform in Fi g. 2 dargestellt Das durch die transparente Schicht 13 eingetretene Licht breitet sich im Film 16 in zwei Moden aus, die durch zwei Sätze von gekreuzten Vektoren 40a bis 40/ bzw. 42a bis 42/ dargestellt sind.

Es ist aus F i g. 2 ersichtlich, daß der längere Vektor jedes Paares der Vektoren 40a bis 40/ eine Spur einhält, die jeweils parallel zu den Farbstoffmolekülen 30a bis 30/ist. wenn das Licht durch den Film 16 in der z-Richtung wandert. Als Ergebnis wird fast die gesamte Energie dieser Mode von den Farbstoffmolekülen absorbiert.

Ähnlich ist aus F i g. 2 ferner zu ersehen, daß der kürzere Vektor des Paares der Vektoren 42a bis 42/ ein paralles Verhältnis zu den jeweiligen Farbstoffmolekülen 30a bis 30/hält, wenn dieser Teil des Lichts, welches durch den anderen elliptischen Moden dargestellt wird, durch den Film 16 wandert. Als Ergebnis dieser Einwirkung wird viel von der in dem anderen Moden gespeicherten Energie während des Durchsetzens des Films 16 aufgezehrt.

In der Praxis ist festgestellt worden, daß in dem in F i g. 2 dargestellten Fall ohne Anlage eines Feldes nur ungefähr 5 bis 10 Prozent des durch die durchsichtige Schicht 13 dringenden Lichtes durch die transparente Schicht 15 der Vorrichtung 10 durchtritt und als Ausgangslicht (Vektor 45) erscheint. In der Darstellung nach F i g. 3 wird angenommen, daß eine Spannung zwisehen den Schichten 13 und 15 anliegt. (Eine Quelle 25 dient zum Anlegen variabler Spannungen.) Diese Spannung kann eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein. Für Wechselspannung können Frequenzen bis zu 50 kHz verwendet werden, wobei Frequenzen von 30 bis 1000 Hz bevorzugt werden. Wenn die angelegte Spannung einen Punkt erreicht, bei dem das entsprechende Feld in dem Film 16 einen sogenannten Übergangswert erreicht, ist die erwähnte schraubenförmige molekulare Anordnung im Endeffekt »aufgedreht« und stellt eine homeotropische molekulare Ordnung dar, wie in F i g. 3 dargestellt. Für Filmdicken und Wendelsteigungen mit Werten in den diskutierten Bereichen sind Wechselspannungen von ungefähr 10 bis 30VoIt (eff) zur Durchführung solcher molekularen Unordnungen wirksam.

Wenn die molekulare Ordnung wie in F i g. 3 vorliegt, ist es für den Film 16 in der Vorrichtung 10 charakteristisch, daß sich das Licht in den linear polarisierten Moden ausbreitet. Über den größten Bereich der Dicke des Filmes 16 sind die elektrischen Vektoren 50 und 52, welche diese Moden darstellen, senkrecht zu der Längsachse der Farbstoffmoleküle 54a bis 54/. Deshalb wird relativ wenig des sich ausbreitenden Lichtes in dem Film 16 während des Durchgangs absorbiert In der Praxis wurde beobachtet, daß ungefähr 55 bis 60 Prozent des eintreffenden Lichtes durch die Vorrichtung 10 übertragen wird, wenn die Farbstoffmoleküle in dem Film 16 gemäß F i g. 3 ausgerichtet sind.

Die Vorrichtung 10 nach F i g. 1 kann als sogenannter

so Transmissionstyp betrieben werden. Bei dieser Betriebsweise ist die Lichtquelle 22 auf der einen Seite der Vorrichtung und der Beobachter auf der anderen Seite, um das durch die transparente Platte 14 durchtretende Licht zu sehen. Alternativ kann die Oberfläche der Schicht 15 mit einem hochreflektierenden Material, beispielsweise Silber, beschichtet sein. Der Beobachter sieht das von dieser Schicht reflektierte Licht, das zurück durch die obere Platte 12 übertragen wird. Bei dieser Betriebsweise spricht man vom Reflexionstyp, bei dem sich sowohl die Quelle 22 als auch der Beobachter auf derselben Seite der Vorrichtung 10 befindet

Die Vorrichtung 10 kann als Sieben-Segment-Anzeige ausgebildet sein.
Wenn ferner die Elektroden 13 und 15 im Sinne einer Mehrzahl von voneinander im Abstand angeordneter Zeilen und Spaltenleiter ausgebildet sind, kann eine Matrix mit selektiv schaltbaren Bereichen in den Film 16 definiert werden.

In einer speziellen Betriebsart werden eine Anregungsspannung und eine mittlere, oberhalb von Null liegende Haltespannung angelegt, um den sogenannten metastabilen Zustand zu erzielen. Wie nachfolgend beschrieben, bildet die Feststellung der Existenz eines metastabilen Zustandes in einer derartigen Zelle die Basis für eine verbesserte Art von matrixadressierter Flüssigkristall-Wiedergabevorrichtung.

Die Erfindung in ihrer Anwendung auf den metastabilen Zustand beruht auf der Feststellung, daß, wenn die an den Film 16 nach F i g. 1 angelegte Spannung zuerst unterhalb den kritischen oder Übergangsspannungswert V_c auf einen Wert oberhalb der spontanen Spannung V₄ abgesenkt wird, der sichtbare Zustand der Zelle iO im wesentlichen unverändert bleibt, im Verlaufe der Zeit werden cholesterische Bereiche beobachtet, die von Leitungsversetzungen erzeugt werden und von einigen Kernstellen in der Flüssigkristallmischung aus wachsen. Wenn die angelegte Spannung auf einen Punkt gerade unterhalb der kritischen Spannung (beispielsweise auf einen Wert um 95% der kritischen Spannung) reduziert wird, ist die Anzahl solcher Bereiche relativ klein und ihre Wachstumsgeschwindigkeit ist relativ gering. In diesem Fall verbleibt die Flüssigkristallmischung in ihrem klären metastabilen Zustand für eine beträchtliche Zeit, beispielsweise für Minuten. Wenn die angelegte Spannung auf einen Punkt beträchtlich unterhalb des kritischen Wertes abgesenkt wird (beispielsweise auf einen Wert um 50% des kritischen Wertes, aber noch oberhalb der spontanen Spannung), wird die Anzahl und Wachstumsgeschwindigkeit dieser Bereiche vergrößert. In diesem Fall verbleibt die Mischung für ein kürzeres Intervall im metastabilen Zustand, beispielsweise für Sekunden oder Bruchteile einer Sekunde.

Demnach kann eine Zelle der in F i g. 1 gezeigten Art so gesteuert werden, daß sie mehrere unterschiedliche Zustände zeigt. Oberhalb von V_c existiert nur ein Zustand, nämlich der klare nematische Zustand. Unterhalb V₅ gibt es ebenfalls nur einen Zustand, nämlich den trüben cholesterischen Zustand. Zwischen V₁- und V,. existieren zwei Zustände, der stabile farbige Zustand und der metastabile klare Zustand, welche im Verlauf der Zeit zu dem farbigen oder trüben Zustand als Ergebnis der erwähnten Domänenwachstumsphänomene umschalten. Indem an die Zelle eine sogenannte Haltespannung mit einem Wert zwischen V_c und V₅ angelegt wird, wird die Flüssigkristallmischung entweder in dem farbig-trüben Zustand (wenn die zuvor angelegte Spannung unterhalb V_c war) oder zeitweise im klaren Zustand (wenn die zuvor angelegte Spannung oberhalb V₁-war) aufrechterhalten. Umschalten des farbigen Zustands zum klaren Zustand wird durch zeitweiliges Anheben der angelegten Spannung oberhalb von V_c erreicht Um beinahe augenblicklich vom klaren Zustand in den farbigen Zustand überzugehen, wird die angelegte Spannung unterhalb V₅ abgesenkt.

Die besprochenen Erscheinungen sind in signifikanter Weise polaritätsunabhängig. Daher ist sowohl eine positive als auch eine negative Spannung mit einem Wert zwischen V_c und V₁ zur Aufrechterhaltung einer zuvor angeregten oder klaren Zelle in ihrem metastabilen klaren Zustand wirksam. In ähnlicher Weise ist sowohl eine positive als auch eine negative Haltespannung zur Aufrechterhaltung des zuvor farbigen Zustandes in der trüben Bedingung wirksam.

Mehrere Zellen der in F i g. 1 dargestellten Art können miteinander kombiniert werden und bilden dann

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50 eine matrixadressierte Flüssigkristall-Wiedergabevorrichtung. Ein Beispiel ist in F i g. 4 dargestellt.

Die Anzeigevorrichtung nach Fig.4 enthält zwei transparente, im Abstand voneinander angeordnete Platten 30 und 32. Senkrecht zueinander angeordnete Sätze von streifenförmigen Elektroden sind auf den inneren, sich gegenüberstehenden Seiten der Platten 30 und 32 niedergeschlagen. Zu Darstellungszwecken ist eine Anordnung aus vier horizontalen oder A-Richtungs-Elementen 34 bis 37 und der andere Satz als viervertikale oder y- Richtungs-Elemente 38 bis 41 gezeigt.

Die beiden Sätze der xy-Elektroden nach Fig.4 bestimmen 16 Überlappungsstellen. Beispielsweise ist ein derartiger Bereich durch die sich direkt gegenüber stehenden Teile der Elektroden 34 und 41 begrenzt. In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsfläche eines solchen Bereichs ungefähr 0,75 mm mal 0,75 mm.

Die Platten 30 und 32 nach F i g. 4 werden im vorgeschriebenen Abstand durch ein isolierendes rechteckförmiges Rahmenwerk 44 gehalten. Dieser Abstand ist im Hinblick auf die Dicke der erwähnten 16 Regionen oder Bereiche ausgewählt, d. h. die Entfernung der beiden Sätze der sich gegenüberstehenden Elektroden fällt innerhalb des Bereiches, der für die Dicke der Flüssigkristallmischung 16 in F i g. 1 angegeben worden ist.

Die in F i g. 4 gezeigte Anordnung enthält eine Flüssigkristallmischung der Art, wie sie in Verbindung mit der Beschreibung von F i g. 1 angegeben worden ist. Diese Mischung wird zwischen den sich gegenüberstehenden Oberflächen der Platten 30 und 32 eingegeben und wird darin durch das Rahmenwerk 44 gehalten. Infolgedessen ist der gesamte Raum zwischen den Platten mit der Flüssigkristallmischung ausgefüllt. Die erhaltene Struktur weist effektiv 16 einzelne Flüssigkristallzellen auf, die jeweils von dem Typ nach F i g. 1 sind. Wie sich aus F i g. 4 ergibt, hat jede Zelle Elektroden mit anderen Zellen gemeinsam.

Die elektrische Steuerung der jeweiligen Zustände der Flüssigkrisiallzcllen in F i g. 4 wird durch wahlweise Anregung der x-y-Elektroden bewerkstelligt. Bekannte x- und y-Auswahlschaltungen 46 bzw. 48 und eine bekannte Hauptsteuerschaltung 50 sind in der Anordnung der F i g. 4 für diesen Zweck vorgesehen.

Es kann an jede dargestellte Flüssigkristallzelle nach Fig. 4 eine Wechselstromspannung angelegt werden, welche entweder oberhalb von V₁. oder zwischen V_fund Vj liegt. Wie erläutert, stellt die erste Spannung eine Erregungsspannung dar und die an zweiter Stelle genannte Spannung ist die sogenannte Haltespannung. Wenn eine Zelle periodisch mit der obigen V_c-Spannung angesteuert wird, kann diese Zelle gemäß praktischer Tatsache in dem klaren oder transparenten Zustand gehalten werden. Jedes Domänenwachstum, welches während der Anlage der Haltespannung an die Zelle ausgehl, wird durch die nachfolgende Anlage der Erregungsspannung zerstört. Deshalb ist das Domänenwachstum nicht kumulativ. Dieses muß vielmehr jedesmal erneut beginnen, wenn die angelegte Spannung zeitweilig auf den Haltewert reduziert wird. Durch solche periodische erneute Erregung von einer oder mehrerer Zellen in der Wiedergabeeinheit erscheinen diese in ihrem relativ transparenten Zustand zu verharren. Die Anzahl der Zellen, welche ein derartiges Speicherphänomen zeigen und gemäß einer Matrix angesteuert werden können, ist abhängig von dem Verhältnis der Länge der Zeit, während welcher der klare Zustand der Zelle infolge der Haltespannung im wesentlichen unver-

ändert bleibt, zu der Zeit, die zum Umschalten einer Zelle von dem trüben Zustand in den klaren Zustand benötigt wird.

Ein spezielles beispielhaftes Format zur Adressierung der vielzelligen Flüssigkristall-Wiedcrgabeeinheit nach Fig.4 in zeilenweiser Art wird nunmehr beschrieben. Es sei angenommen, daß an jeder Zelle eine Spannung anliegt, deren Wert entweder V oder V/3 ist, wobei Inzwischen V/3 und V liegt und das V/3 zwischen V_r und Vj ist. V ist die Erregungsspannung und V/3 ist die HaI-tespannung.

Es sei beispielsweise angenommen, daß es erwünscht ist, lediglich zwei von sechzehn Zellen in F i g. 4 zu aktivieren. Speziell sei angenommen, daß die beiden zu aktivierenden Zellen von den sich überlappenden Elektroden 34 und 40 sowie den Elektroden 34 und 41 gebildet werden. Die Aktivierung dieser beiden Zellen wird durch die Anlage von Steuerspannungen an die acht x-y-Leitungen durchgeführt, die sich zwischen den Auswahlschaltungen 46 und 48 sowie den Elektroden 34 bis 41 erstrecken. Die jeweiligen an diese acht Leitungen angelegten Spannungen sind in F i g. 4 angedeutet. Die beiden linken sich vertikal erstreckenden y-Leitungen führen Null-Volt-Spannung, während die rechten bei-

2 V

den y-Leitungen jeweils — Volt aufweisen. Die obere

-Y
sich horizontal erstreckende x-Leitung führt -r- Volt,

während die restlichen x- Leitungen jeweils — Volt aufweisen. Offensichtlich ist die Spannungsdifferenz, welche an den beiden ausgewählten Zellen anliegt, gleich V. Deshalb werden diese Zellen in ihrem klaren Zustand geschaltet An den anderen Zellen liegt entweder

+ V -V

— oder — Volt an. Da, wie bereits erwähnt, die betrachteten physikalischen Phänomene polaritätsunabhängig sind, weisen alle diese anderen Zellen einen Wert unterhalb der Haltespannung V_cauf. Diese anderen Zellen verbleiben deshalb in ihrem farbigen Zustand, wobei angenommen ist, daß keine frühere Aktivierung der Zellen der beschriebenen Anordnung vorgenommen worden war.

Als nächstes sei angenommen, daß die zweite Zeile der Wiedergabevorrichtung nach Fig.4 durch die An-

— V

lage einer Spannung von — an die Elektrode 35 und

+ V
von —— an die anderen x-Elektroden angesteuert wird.

Wenn angenommen wird, daß keine der Zellen in der zweiten Zeile aktiviert werden soli, würden 0 Voii an jede y-Elektrode 38 bis 41 angelegt werden. In diesem Fall würde jede der 16 Zellen eine angelegte Haltespannung aufweisen. Demnach würden die zuvor unaktivierten 14 Zellen farbig bleiben, während die beiden zuvor aktivierten Zellen in ihren metastabilen klaren Zustand geschaltet werden würden.

In ähnlicher Weise findet die nachfolgende Adressierung der dritten und der vierten Zeile der Zellen in F i g. 4 in Abhängigkeit von den Steuersignalen von der Schaltung 50 statt. Während dieser Adressierung zerfallen die jeweiligen Zustände der beiden zunächst aktivierten Zellen aus ihrem voll klaren Zustand. Dieser Zerfall kann aber genügend klein gesteuert werden, so daß es einem Beobachter vorkommt, als ob diese Zellen in ihrem relativ klaren Zustand verbleiben. Zu Darstellungs/wccken sei angenommen, daß keine zusätzlichen Zellen klar gemacht werden sollen. Dies trifft zu, wenn die speziell angenommenen Spannungsbedingungen, wie sie für die zweite Zeile ausgeführt worden sind, einfach nachfolgend für die dritte und vierte Zeile wiederholt werden.

Schließlich wird der zuvor beschriebene Adressierzyklus dadurch wiederholt, daß die erste Zeile der Zellen in Fig.4 erneut adressiert wird. Die Errichtung der in F i g. 4 aufgeführten Spannungsbedingungen bringt die beiden ursprünglich aktivierten Zellen in der ersten Zei-Ie dazu, reaktiviert oder aufgefrischt zu werden. In Abhängigkeit davon wird der Zerfall dieser beiden Zellen von ihrem voll klaren Zustand beendet und die Zellen werden erneut in ihren voll transparenten Zustand geschaltet. Auf diese Weise ist die zeilenweise Adressierung der beschriebenen Matrix irn Hinblick darauf wirksam, spezielle Flüssigkristallzellen in ihrem relativ klaren Zustand zu halten.

Um die von der dargestellten Einheit wiedergegebene Information zu ändern, kann eine rasche Auslöschung der aktivierten Zellen ausgeführt werden. Dies wird durch rasche Reduzierung der an die zuvor aktivierten Zellen angelegte Spannung bewirkt. Durch Reduzierung der angelegten Spannung auf 0 oder mindestens unterhalb V₅ werden klare Zellen ziemlich rasch in ihren farbigen Zustand geschaltet.

Die beschriebenen Flüssigkristallzellen sind durch ein hohes Ausmaß von dielektrischer Anisotropie gekennzeichnet. Beispielsweise kann die dielektrische Konstante einer derartigen Zelle ungefähr 20 in ihrem klaren Zustand und ungefähr 10 bis 15 in ihrem farbigen Zustand betragen. Deshalb ist die Kapazität einer typischen, 10 mm dicken Zelle ungefähr 200 pf/cm². Bei einer Betriebsfrequenz von 50 Hz und einer Haltespannung von ungefähr 6 bis 7 Volt ist der Leistungsverbrauch einer derartigen Zelle ungefähr 5 · 10~⁷ Watt/ cm².

Haltespannungen (-r)im Bereich von 6—7 Volt und

Aktivierungsspannungen (V) im Bereich von 18 bis 20 Volt sind mit komplementären MOS-integrierten Schaltungen verträglich. Demnach können die zugeordneten Schaltungen, welche zur Steuerung und dem Betrieb der Flüssigkristallzellen nach F i g. 4 benötigt werden, vorteilhaft von dieser Art sein. Wegen der geringen Leistungsaufnahme der Flüssigkristallzellen sind darüber hinaus die Leistungsanforderungen an die zugeordneten Schaltungen relativ niedrig.

In der Praxis hat sich herausgestellt, daß dieser Leistungsverbrauch so niedrig ist, daß eine Gesamt-Wieso dergabeanordnung der Art nach F i g. 4 beispielsweise direkt von konventionellen Fcrr.sprechleitursgen betrieben werden kann, die mit dem Stationsapparat beim Teilnehmer verbunden sind. Demnach ist die Anordnung nach F i g. 4 gut geeignet zur Konstruktion eines Wiedergabefeldes in Zusammenhang mit einem derartigen Gerät

Ein wichtiger Faktor zur Erzielung eines hohen Kontrastverhältnisses und von Helligkeit in einer Vorrichtung der beschriebenen Art besteht darin, daß der Obergangsmoment Vektor des pleochroitischen Gastes eine Ausrichtung mit Bezug auf die kristallografische Achse des Flüssigkristallwirtes aufweist die sehr nahe parallel dazu ist Im idealen Fall sollten die Übergangsmomentachsen der Farbstoffmoleküle beinahe vollständig parallel zu ihrer langen molekularen Achse sein. Die Ausrichtung des Farbstoffes relativ zu der optischen Achse des Flüssigkrislalls hängt von der Ausrichtung der Flüssigkristall-Wirtmolckülc und von der Natur der Färb-

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sloffmoleküle ab. Durch die Auswahl geeigneter Farbstoffmoleküle kann die Ausrichtung der Farbstoffmoleküle größer sein als die der Wirtmoleküle. Farbstoffe mit diesem Verhalten sind das erwähnte 2-(4-N,N-diethylaminoazophenyl)-5-nitrothiazol und zusätzlich der 5 nematische Flüssigkristall-Farbstoff N-(p-melhoxybcnzylidene-l-amino-4-(4'-cyanophenylazo)naphtalen. Klassen von länglichen Farbstoffen, welche das Erfordernis erfüllen, sind ferner die azoische Farbstoffe, die Azo-Farbstoffe, die Quinonfarbstoffe, die Merocyanin- 10 farbstoffe, verteilte (disperse) Farbstoff und Flüssigkristall-Farbstoffe.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Elektrooptische Vorrichtung mit einem Gast-Wirt-Flüssigkristallmaterial, welches bei Abwesenheit eines Feldes für einfallendes Licht vergleichsweise absorbierend und bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes für einfallendes Licht vergleichsweise nicht-absorbierend ist, wobei das Gast-Wirt-Flüssigkristallmaterial eine Komponente enthält, die eine wendeiförmige Molekularanordnung hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gast-Materiai ein pleochroitischer Farbstoff ist, wobei das Wirt- und das Gast-Material einander entsprechende Molekularanordnungen annehmen,
die wendilförmige Molekularanordnung eine Steigung von nicht mehr als 10 Wellenlängen des einfallenden Lichtes aufweist,

das Gast-Material bei wendeiförmiger Molekularanordnung das Licht absorbiert und bei homöotroper Molekularanordnung das Licht nicht absorbiert, und das Material bei Anlegen einer Anregungsspannung oberhalb eines Schwellenwertes durch Durchlassen von Umgebungslicht anspricht und bei Anlegen einer Haltespannung mit einem knapp unterhalb des Schwellenwertes liegenden Wert durch Absorption von Umgebungslicht anspricht, es sei denn, daß die angelegte Spannung zunächst von der Anregungsspannung auf die Haltespannung verringert wird und dabei das Material in einen metastabilen Zustand, in dem es während eines vorbestimmten Zeitintervalls weiterhin Umgebungslicht durchläßt, übergeht.