DE1462919A1

DE1462919A1 - Verfahren zur Steuerung von optischen Eigenschaften eines Materials

Info

Publication number: DE1462919A1
Application number: DE19661462919
Authority: DE
Inventors: Heilmeier George Harry
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1965-04-26
Filing date: 1966-04-25
Publication date: 1968-11-21
Also published as: DE1462919C3; DE1462919B2; US3551026A; GB1148724A

Description

RCA 55^17

US-Serial No. 450,9^9

Piled: April 26, I965

Radio Corporation of America New York, N.Y., V.St.A.

Verfahren zur Steuerung von optischen Eigenschaften eines

Materials

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Steuerung von Eigenschaften, insbesondere optischen Eigenschaften eines Materials unter Verwendung sogenannter "flüssiger Kristalle", insbesondere Verfahren zur Steuerung der Eigenschaften von Materialien, die mit flüssigen Kristallen ge- ^!

mischt sind. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen

zum Ausüben solcher Verfahren. ti

Ee sind Flüssigkeiten bekannt, deren Moleküle eine gewisse Nahordnung anzunehmen vermögen, so daß die Flüssigkeit auch gewisse Eigenschaften fester Kristalle zeigt. Solche "flüssigen Kristalle" vermögen zu strömen wie eine Flüssigkeit, zeigen jedoch eine molekulare Ordnung, die mehr für feste Kristalle als für Flüssigkeiten typisch

809809/0926

ist. In flüssigen Kristallen gibt es verschiedene Arten der molekularen Ordnung und man hat drei Klassen von flüssigen Kristallen definiert, die als smetisch, nematisch und cholesterisch bezeichnet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie nematische flüssige Kristalle. In nematischen Kristallen ist die regionale molekulare Ordnung durch eine parallele Ausrichtung der Moleküle gekennzeichnet. Die Orientierung der Moleküle eines nematischen flüssigen Kristalls ist nicht nur geordnet, sondern kann auch mit Hilfe äußerer elektrischer oder magnetischer Felder beeinflußt oder gesteuert werden.

Ziel der Erfindung ist es, die Eigenschaften von nematischen flüssigen Kristallen zur Steuerung der Eigenschaften anderer Materialien, die mit den flüssigen Kristallen gemischt sind, auszunutzen, z.->. der optischen Eigenschaften einer Mischung aus einem nematischen, flüssigen, kristallähnlichen Material und einem zweiten Material.

Durch die Erfindung kann die Farbe eines pleochroischen Farbstoffes in polarisiertem Licht geändert werden. Ferner kann durch die Erfindung die Farbe von Farbstoff gesteuert werden, deren Absorptionsspektren vom elektrischen TPeId in der Nähe der Moleküle des Farbstoffes abhängen.

Gemäß der Erfindung wird eine Mischung aus einem nematischen, flüssigen, kristallähnlichen Wirtsmaterial mit einem zweiten Gastmaterial hergestellt. Die molekulare Orien-

809^09/0926

tlerung des nematischen flüssigen kristallähnlichen Wirtsmateriale wird auf geeignete Weise gesteuert, z.B. durch Einwirkung eines äußeren elektrischen oder magnetischen oder elektromagnetischen Feldes. Die molekulare Ordnung des Wirtsmaterials bewirkt eine entsprechende Ordnung des Gastmaterials, so daß dessen Eigenschaften indirekt durch die Beeinflussung der Ordnung des nematisohen Wirtsmaterials gesteuert werden können, z.B. mittels eines äußeren Feldes.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Absorptionsspektrum eines als Gastmaterial verwendeten pleochroischen Farbstoffes durch Mischung mit einem nema- I tischen Wirtsmaterial gesteuert. Dieser Effekt läßt sich für optische Modulatoren und optische Wiedergabeeinrichtungen verwenden. Er ermöglicht außerdem eine relativ einfache Untersuchung des Pleochronismus von Farbstoffen.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Absorptionsspektrum eines Farbstoffes, dessen Spektrum eine Funktion des elektrischen Feldes in der Nähe der Farbstoffmoleküle ist, durch Mischung des Farbstoffes mit einem nematischen Wirtsmaterial gesteuert. Es lassen eich Modulatoren und Wiedergabeeinrichtungen bauen, die auf der Basis dieses Effektes arbeiten.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, deren Figuren 1, 2 und 3 jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung In sohematischer Darstellung zeigen.

809809/0926

Vor der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung soll kurz auf die bei der Erfindung mitspielenden Effekte eingegangen werden.

Die Struktur von nematischen flüssigen Kristallen ist zwar noch nicht restlos geklärt, für den vorliegenden Zweck kann ein nematischer flüssiger Kristall jedoch als Substanz angesehen werden, bei der eine gewisse Nahordnung vorhanden ist. Die geordneten Bereiche bestehen vermutlich aus Molekülen, deren Molekülachsen parallel zueinander ausge-' richtet sind, und die sich in Richtung parallel zu ihren Achsen frei bewegen können, nicht jedoch in anderen Richtungen. In Abwesenheit irgendwelcher äußeren Kräfte sind die Orientierungsrichtungen der Nahordnungsbereiche in der nematischen Substanz statistisch verteilt.

Zwei Beispiele von nematischen flüssigen Kristallen sind p-n-Butoxybenzoesäure, die zwischen etwa 147 und 165 ⁰C den nematischen Zustand annimmt, und Butylanysilidenaminocinnamat, das den nematischen Zustand zwischen etwa 90 und 110 ⁰C annimmt. Es sind auch noch viele andere nematische Substanzen bekannt, von denen auch einige bei Raumtemperatur nematisch sind. Eine große Anzahl anderer Beispiel sowie eine gute Beschreibung von flüssigen Kristallen im allgemeinen finden sich sowohl in dem Buch von Gray "Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals", Verlag Academic Press, London, 1962 oder in der Arbeit von Brown u.a.

8 0 9 8 0 9/0926 ORIGINAL INSPECTED

_ I T \J C. >J I Kf

"D-

"The Mesomorphic State, Liquid Crystals", erschienen in der Zeitschrift "Chemical Reviews" Vol. 57, No. 6, Dezember 1957.

Die Orientierung der Nahordnungsbereiche einer j neraatischen Substanz kann mittels elektrischer und magne- ! tischer Felder gesteuert werden. Wenn ein elektrisches Feld ausreichender Stärke an eine nematische Substanz angelegt i wird, richten sich die Nahordnungsbereiche so aus, daß die i

elektrischen Dipolmomente der Moleküle in den einzelnen Be- : reichen parallel zum angelegten elektrischen Feld verlaufen. Bei manchen nematischen Substanzen sind die elektrischen Dipolmomente der Moleküle parallel zu den Molekülachsen. Bei ^: solchen Materlallen bewirkt ein angelegtes elektrisches Feld, daß sich praktisch alle Moleküle der Substanz parallel zum angelegten Feld ausrichten. Butylanysilldenaminocinnamat 1st ein solches Material. Bei anderen nematischen Substanzen, ^!

wie p-n-Butoxybenzoesäure stehen die elektrischen Dipolmo- )

rnente senkrecht zu den MolekUlachsen. Wenn ein solches Ma- '

terial in ein elektrisches Feld gebracht wird, richten sich die Dipolelemente parallel zum Feld aus, die Molekülaohsen im Material sind dabei jedoch nicht notwendigerweise parallel ( zueinander ausgerichtet. In beiden Fällen wird durch die Anlegung von elektrischen oder magnetischen Feldern eine !

. I molekulare Ordnung erreicht, die größer ist als der normale | Ordnungszustand in einer nematischen Substanz. Der Grad der Ordnung hängt von der Stärke des angelegten Feldes ab.

M9809/0926

I T W C W IW

Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, daß sich durch die Steuerung der molekularen Orientierung eines nematischen Wirtsmaterials mit geeigneten Mitteln, z.B. einem elektrischen oder magnetischen Feld, auch die Eigenschaften eines mit dem nematischen Wirtsmaterial gemischten Gastmaterials steuern oder beeinflussen lassen. Werden z.B. mit einer nematischen Substanz gewisse Farbstoffe gemischt, so werden deren Absorptionsspektren durch die molekulare Ordnung der nematischen Substanz beeinflußt h und können auf diese Weise gesteuert werden. Außerdem neigen auch kleine Teilchen eines Gastmaterials dazu, eine geordnete Orientierung ähnlich der dee nematischen Wirtsmaterials anzunehmen. Wenn flocken- oder plättchenförmige Teilchen aus z.B. Aluminium mit einem nematischen* Wirtsmaterial gemischt werden, neigen aie langen Abmessungen der plattebenformigen Teilchen dazu, sich parallel zu den Achsen der Moleküle der nematischen Substanz auszurichten. Wenn an das nematische Wirtsaaterial, das ein Gastmaterial enthält, ein elektrisches Feld angelegt wird, hat die hierdurch bewirkte Orientierung der Moleküle des Wirtsmaterials eine entsprechende Orientierung des Gastmaterials zur Folge. Man kann auf diese Weise also z.B. die optischen Eigenschaften des Gastmaterials beeinflussen und nach Wunsch steuern.

Das Absorptionsspektrum eines als Gastmaterial verwendeten pleoohroIschen Farbstoffes, der mit einem nematisohen Wirtsmaterial gemischt ist, läßt sich gemäß den Lehren der Erfindung mit Hilfe eines angelegten Feldes steuern. Das Absorptionsspektrum eines pleochroischen Farbstoffes ist eine Funktion des Winkels zwischen der Richtung der molekularen Aohsen der Farbstoffmoleküle und der Polarisationsrichtung des auf diese Moleküle auffallenden Lichtes. In der Praxis sind fast alle Farbstoffe mehr oder weniger stark pleochroisch. Der Pleochroismus kann von Färb- -stoff zu Farbstoff jedoch ziemlich verschieden sein. Farbstoffe mit ausgeprägtem Pleochroismus sind bekannt. Zwei Beispiele sind Methylrot und Indolphenolblau. Die Farbe von Methylrot, das als Gastmaterial mit p-n-Butoxybenzoesäure als Wirtsmaterial gemischt ist, schwankt zwischen Orange und QeIb je nach der Polarisationsrichtvsng des einfallenden Lichtes bezüglich der Aohsen der Farbstoffmoleküle. Die Farbe von indophenolblau als Gastmaterial im selben Wirtsmaterial ändert sich zwischen einem sehr tiefen Blau und einem blassen Blau· t

Wenn ein pleoohroisoher Farbstoff mit einer nenatischen Substanz gemischt wird, kann die Orientierung der Farbstoffmoleküle Über die Orientierung der Moleküle des nematisohen Wirtematerials gesteuert werden. Auf diese Welse läßt sich also die Farbe des Farbstoffes in linear

809809/0926

polarisiertem.LJLcht ändern.

Die Absorptionsspektren vieler Materialien hängen vom örtlichen elektrischen Feld in der Nähe der Moleküle des Materials ab. Durch Steuerung des örtlichen elektrischen Feldes in der Nähe der Moleküle läßt sich also auch das Absorptionsepektrum beeinflussen. Es wurde gefunden, daß ein nematisches Wirtsmaterial, das der Einwirkung eines äußeren elektrischen oder magnetischen Feldes ausgesetzt wird, zur Steuerung der örtlichen Felder in der Nähe von Gasmolekülen, die mit der nematischen Substanz gemischt sind, verwendet werden kann. Wenn ein Material, dessen Absorptionsspektrum vom örtlichen elektrischen Feld abhängt, mit einer nematischen Substanz gemischt wird, resultiert aus einer Steuerung der Orientierung der Moleküle der nematischen Wirtssubstanz eine Steuerung des elektrischen Feldes in der Nähe der Moleküle des Gastmaterials und dementsprechend eine Steuerung des Absorptionsstpektrums des Materials.

Ein Beispiel eines Materials, dessen Absorptionsspektrum vom örtlichen molekularen Feld abhängt, ist Methylrot. Wie oben erwähnt wurde, ist Methylrot auch stark pleochroisch. Es kann jedoch gezeigt werden, daß das Absorptionsspektrum vom Methylrot auch eine Funktion des örtlichen molekularelektrischen Feldes ist.

809809/0926

Jeder der oben erwähnten Effekte kann zur Modulation der Intensität eines Lichtstrahles verwendet werden. Ein gemäß der Erfindung aufgebauter Lichtmodulator, bei dem ein pleochroisches Gastmaterial in einem nematischen Wirtsmafcerial verwendet wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Eine monochromatische Lichtquelle 1, z.B. ein Laser, liefert einen Lichtstrahl, der einen Polarisator 2 durchsetzt. Das aus dem Polarisator austretende Licht fällt durch einen Modulator 2, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Der Modulator 5 enthält eine Mischung 4 aus einem flüssigen, nematischen, kristallähnlichen Material und einem pleochroischen Farbstoff zwischen zwei transparenten, elektrisch leitenden Elektroden 6, 7. Die Mischung 4 kann die Form einer dünnen Schicht haben, die zwischen den beiden Elektroden 6, 7 durch die Oberflächenspannung gehalten wird. Die Mischung 4 kann sich jedoch auch in einer Küyette oder einem anderen Gtfäß befinden. Die Verwendung einer dünnen Schicht hat den Vorteil, daß nur geringe Steuerspannungen benötigt werden. Die Wahl der nematischen Substanz und des Farbstoffes hängt von dem Jeweiligen Anwendungsgebiet und der Frequenz des von der Lichtquelle 1 gelieferten Lichtes ab.

Bei Fig. 1 fällt die Emissionslinie der monochromatischen Lichtquelle 1 mit dem Absorptionsspektrum des mit der nematischen Substanz gemischten Farbstoffes zusammen. Für eine gegebene monochromatische Lichtquelle

809809/0926

eignet sich ein Farbstoff, dessen Absorptionsspektrum aufgrund seines Pleochroisraus im Bereich der Emissionslinie der Lichtquelle veränderlich ist. Eine geeignete Kombination von Lichtquelle und Farbstoff ist ein Neodymlase, der als erste Oberwelle eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 5500 8 liefert, und Methylrot mit p-n-Butoxybenzoesäure in einer Konzentration von etwa 0,1 bis 1 Gewichtsprozent Farbstoff. Da das Absorptionsspektrum von Methylrot auch 53OO 8 umfaßt und durch den Pleochroismus bei dieser WeI-

^ lenlänge veränderlich ist, kann dieser Farbstoff mit der Zweiten Harmonischen eines Neodymlasers verwendet werden.

Die Zubereitung der Mischung 4 aus der nematischen Substanz und dem pleochroIschen Farbstoff hängt zum Teil vom Typ der verwendeten nematischen Substanz ab. W.enn die molekularen Achsen der nematische Substanz parallel zu den Dipolmomenten der Moleküle verlaufen, was z.B. bei Butylanysilidenaminicinnamat der Fall ist, sind keine besonderen Vorkehrungen erforderlich und die Mischung kann einfach zwischen die beiden Elektroden 6, 7 eingebracht

w werden. Wenn jedoch die Achsen der Moleküle der nematischen Substanz senkrecht auf den Dipolmomenten der Moleküle .stehen, wie es bei p-N-Butoxybenzoesäure der Fall ist, ist es wünschenswert, eine anfängliche Orientierung der molekularen Achsen durch das folgende Verfahren zu bewirken.

809809/0926

Eine der transparenten Elektroden, z.B. die Elektrode 6, wird mit einer Säure behandelt, ζ·Β. Salzsäure« um die Oberfläche aufzurauhen, so daß eine große Anzahl von Punkten zur Verfugung steht, an die sich die Moleküle des flüssigen Kristalles anlegen können. Die Mischung aus der nematIschen Substanz und dem Farbstoff wird dann so auf die aufgerauhte Olasflache aufgebracht, daß sich eine Vorzugsrichtung der Moleküle ergibt. Hierzu kann die Elektrode in einer Richtung mit einem Baumwollelappen oder -bausch abgewischt werden, welcher mit der Mischung aus J

dem nematischen Material und dem Farbstoff getränkt ist. Die zweite Elektrode 7 wird dann auf die Mischung gelegt, die auf die erste Elektrode 6 aufgebracht worden war. Durch dieses Verfahren erhalten die Moleküle der Mischung eine Vorzugsrichtung. Die MolekUlaohsen neigen dazu, sich parallel zur Wischrichtung auszurichten. Eine weitere Grientierung der Moleküle tritt ein, wenn an die Mischung mittels einer Modulationsquelle 10 ein Feld angelegt wird, das eine Ausrichtung der Dipolmomente bewirkt.

Die Elektroden 6, 7 sind in bekannter Weise aufgebaut, sie können belapieleweise aus mit Zinnoxyd überzogenem Glas bestehen. Die eine Elektrode 7 wird außerdem als Heizelement verwendet, um die Temperatur der nemat lachen Substanz auf dem richtigen Wert zu halten. Wenn das Wirtematerial bei Umgebungstemperatur nematisch ist.

809809/0926

kann die Heizung entfallen. Wenn p-n-Butoxybenzoesäure I als nematisches Wirtsmaterial verwendet wird, hält man die Temperatur auf einem Wert zwischen 147 und I65 ⁰C. Die Heizung erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß von einer Heizstromquelle 8 ein Strom durch die die Elektrode 7 bildende leitende Schicht geleitet wird. Durch eine Quelle 10 werden Modulationssignale an die Elektroden 6, 7 angelegt, die quer zur Mischung 4 ein modulierendes elektrisches Feld erzeugen.

Der Lichtstrahl vom Polaisator 2, der in den Modulator $ eintritt, ist in einer Richtung parallel zur Papierebene polarisiert, wie in Fig. 1 durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Wenn an der Mischung 4 kein Feld anliegt, kann die Farbe des Lichtstrahles in eben polarisiertem weißen Licht als Orange beschrieben werden. Die orange Farbe beruht auf dem Fehlen einer Ordnung der Farbstoffmoleküle im Wirtsmaterial. Wenn an die Mischung 4 eine Spannung angelegt wird, ändert sich die Farbe der Mischung in weißem Licht, das in einer Richtung parallel zu den Molekülachsen polarisiert ist, von Orange nach Gelb mit von 0 bis auf ungefähr 10 V/cm zunehmender Feldstärke. Diese Farbänderung wird dadurch verursacht, daß die Dipolmomente der Moleküle parallel zum angelegten Feld ausgerichtet werden. Durch Ändern des von der Quelle 10 an die Mischung 4 angelegten Feldes läßt sich der Ordnungsgrad der Farbstoffmoleküle

809809/0926

ändern und damit auch der Betrag des vom Material bei einer bestimmten Frequenz im Absorptionsband absorbierten Lichtes» Da die Lichtquelle 1 eine praktisch monochromatische Strahlung liefert, bewirken die Modulationssignale von der Quelle 10 eine Intensitätsmodulation des von der Quelle 1 durch die Mischung 4 fallenden Lichtstrahles.

Die bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendete p-n-Butoxybenzoesäure ist ein nematisches Material, dessen optische Achse sich senkrecht zur Richtung des angelegten elektrischen Feldes einstellt. Bei anderen nematischen Materialien, wie Butylanys11idenaminocInnamat, wird die optische Achse parallel zum angelegten elektrischen Feld ausgerichtet. Beide Arten von nematischen Substanzen eignen sich für den in Fig. 1 dargestellten Modulator. Es sei auch darauf hingewiesen, daß anstelle des erwähnten Methylrotes ganz allgemein irgend ©in pleochroischer Farbstoff verwendet werden kann, wenn er zu der monochromatischen Lichtquelle paßt und keine störenden chemischen Reaktionen zwischen dem Farbstoff und der WirtsflUsslgkeit eintreten können. Statt des bei dem Modulator der Fig. 1 verwendeten elektrischen Steuerfeldes kann auch ein magnetisches Steuerfeld verwendet werden.

Flg. 2 zeigt eine Einrichtung zur Intensitätsmodulation eines Lichtstrahles, bei der ein mit einem nematischen Wirtsmaterial gemischter Farbstoff verwendet wird, dessen

809809/0926

Absorptionsspektrum eine Punktion des elektrischen Feldes in der Nachbarschaft der Farbstoffmoleküle ist. Der Aufbau des Modulators gemäß Fig. 2 ist ähnlich dem der Fig. 1 mit der Ausnahme, daß kein Polarisator benötigt wird. Für entsprechende Bauteile sind daher in Fig. 1 und 2 die gleichen Bezugszeichen verwendet worden« Wie erwähnt, ist das Absorptionsspektrum von Methylrot eine Funktion des elektrischen Feldes in der Nähe der FarbstoffraolekUle und Methylrot kann daher in dem Modulator der Fig. 2 als Farbstoff verwendet werden. Selbstverständlich gibt es auch noch andere Farbstoffe, die diesen Effekt zeigen. Die monochromatische Lichtquelle 1 kann wie bei Fig. 1 ein Neodymlasor mit einer der ersten Oberwelle entsprechenden Aurgangsfrequenz entsprechend einer Wellenlänge von etwa 5300 8 sein. Als nematisches Wirtsmaterial eignet sich p-n-Butoxybenzoesäure. Man kann mit derselben Konzentration und derselben Temperatur der Mischung 4 arbeiten wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Ferner kann auch hier eine anfängliche Orientierung der Moleküle auf einer der Glaselektroden bewirkt werden, wie oben beschrieben wurde.

Wenn mittels der Quelle 10 an die Mischung 4 ein elektrisches Feld angelegt wird, ändert sich das Absorptionsspektrum der Mischung. Dies kann dadurch erklärt werden, daß ohne anliegendes Feld die Dipolmomente der nematischen Substanz nicht geordnet sind und die elektrischen

809809/0926

Felder In der Nähe der FarbstoffmoMcUle deshalb ebenfalls ungeordnet sind« so daß die Farbstoffmoleküle in der Mi-* schung unter der Einwirkung unterschiedlicher elektrischer Felder stehen. Wenn an die Mischung 4 ein elektrisches Feld angelegt wird, erhöht sich der Ordnungszustand und die elektrischen Felder in der Nähe der Farbstoffmoleküle werden in höherem Maße ausgerichtet. Das Absorptionsspektrum der Mischung 1st bei geordneten elektrischen Feldern anders als bei statistischer Verteilung der elektrischen Feldvektoren. Da das Absorptionsspektrum der Mischung 4 vom angelegten Feld abhäng« ist auch die Intensität des I

den Modulator durchsetzenden Lichtstrahles eine Funktion des an der Mischung 4 liegenden elektrischen Feldes. Wenn durch die Modulationsquelle 10 Signale an die Mischung 4 gelegt werden, tritt eine Intensitätsmodulation des austretenden Lichtstrahles entsprechend den z.ugeführten Signalen auf.

Bin Modulator, der mit Teilchenarbeit, die in einer nematisohen Substanz dispergiert sind, kann wie der Modulator der Fig. 2 aufgebaut sein. Die Mischung 4 in Fig. 2 a kann dann beispielsweise flocken- oder plattchenartige Aluminiumteilohen in Mischung mit p-n-Butoxybenzoesäure enthalten, wobei etwa 10 Volumenprozent Teilchen in der Mieohung verwendet werden können. Wenn das nematische Wirtsmaterial dispergierte Teilchen enthält, braucht keine mono ohr oma tische Lichtquelle verwendet werden, sondern man

809809/0926

kann mit irgend einer beliebigen Lichtquelle arbeiten. Der Durchlässigkeitsgrad der Mischung für das einfallende Licht hängt von der Orientierung der Teilchen in der Mischung und damit von der Stärke eines an die Misdhung aus Teilchen und nematischer Substanz angelegten elektrischen Feldes ab. Die Durchlässigkeit ist ein Maximum, wenn die Richtung des Lichtstrahles parallel zur Ebene der plattdienförmigen Teilchen verläuft. Eine solche Ausrichtung ist bei einem Peldgradienten von ungefähr 10 V/cm in der Mischung erreicht. Wenn an der Mischung kein Feld liegt, ist die Orientierung Jer plättchenförmigen Teilchen mehr oder weniger statistisch entsprechender Verteilung der Nahordnungsbereiche im ne^tischen Wirtsmaterial. Der den Modulator durchsetzende Lichtstrahl kann auf diese Weise durch die von der Quelle 10 an die Mischung 4 angelegten Modulationssignale in der Intensität moduliert werden. Mit reflektierenden Teilchen, die in einem nematischen Material dispergiert sind, kann ein mit Reflexion arbeitender Modulator gebaut werden. Man läßt dann den zu modulierenden Lichtstrahl nicht durch die Mischung fallen, sondern von der Mischung reflektieren.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier wird ein nematisches Wirtsmaterial und ein geeigneter pleochroischer Farbstoff als Gastmaterial in einer Wiedergabeeinrichtung verwendet. Die Anordnung enthält ein Wiedergabepaneel 49 mit einer Mischung 50 aus einem nematischen Wirtmaterial und einem Gastmaterial, die

8 09.8 09/0926

GAD ORIGINAL

f Γ \j fi, sj ι

zwischen zwei leitenden, transparenten Elektroden 51, 52 angeordnet 1st. Die Aohsen der Moleküle der Mischung 50 sind im wesentlichen parallel zueinander und zu den Elektroden 51, 52. Diese Orientierung kann durch dasselbe Verfahren erreicht werden, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Es läßt sich auch dieselbe Mischung wie bei Fig. 1 verwenden, nämlich Methylrot in p-n-Butoxybenzoesäure. Die transparenten Elektroden 51* 52 können aus Glas bestehen, das mit Zinnoxyd überzogen wurde. Die Elektroden 51, 52 sind an eine Spannungsquelle 53 angeschlossen, die eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung liefern kann. Eine Wechselspannung wird bevorzugt, da dadurch die Gefahr einer elektrochemischen Zersetzung des Farbstoffes verringert wird. Die maximale Feldstärke, die die von der Quelle 53 gelieferte Spannung erzeugt, beträgt etwa 10 V/cm. Da eine sehr dünne Schicht der Mischung 4 genügt, kann die von der Quelle 53 erzeugte Spannung unter 100 Volt liegen. Die Elektrode 52 dient außerdem dazu, die Temperatur der nematischen Substanz auf dem richtigen Wert zu halten, d.h. bei Verwendung von p-n-Butoxybenzoesäure auf einem Wert zwischen 147 und 163⁰. Die Elektrode 52 ist hierfür an eine Heizstromquelle 54 angeschlossen, die einen Strom liefert, der in der widerstandsbehafteten Schicht 52 die erforderliche Stromwärme erzeugt. Die Anordnung enthält außerdem eine Lichtquelle 56 und einen Polarisationsmodulator

809*809/0926

57* dem ein Videosignal von einer Quelle 58 zugeführt wird, welches die Intensität des vom Paneel 49 wiedergegebenen Bildes bestimmt. Die Lichtquelle 56 hat ein Eraiss ionsspektrum, das das Absorptionsspektrum des pleochroischen Farbstoffes in der Mischung 50 umfaßt. Die Lichtquelle 56 kann beispielsweise weißes Licht liefern. Der Polarisationsmodulator 57 kann aus einer üblichen elektrooptischen Einrichtung bestehen.und beispielsweise einen KDP-Kristall enthalten. Die Polarisation des aus dem Polarisationsmodulator 57 austretenden Lichtstrahls hängt vom Wert des dem Modulator 57 zugeführten Videosignales ab. Der aus dem Modulator 57 austretende Lichtstrahl wird einer Abtasteinrichtung 16 zugeführt, die eine Abtastung der Elektrode 52 durch den Lichtstrahl bewirkt. Die Abtasteinrichtung 60 kann beliebig aufgebaut sein und beispielsweise einen Drehspiegel enthalten.

Im Betrieb der in Fig. 2 dargestellten Wiedergabeeinriohtung bewirkt das von der Quelle 53 an die Mischung 50 angelegte elektrische Feld eine Orientierung der mit dem nematischen flüssigen Kristall gemischten Farbstoffmoleküle ; zusätzlich zu der Orientierung, die durch das Aufwischen der Mischung auf die eine Elektrode erzeugt worden war. Das von der Quelle 53 gelieferte elektrische Feld richtet die molekularen- Dipolmomente des nematischen Wirtsmaterials aus. Diese Ausrichtung hat eine entsprechende Ausrichtung der

Farbstoffmoleküle zur Folge. Die Farbe, die das Paneel 49 in linear polarisiertem weißen Licht ergibt, hängt daher wegen des Pleochrolsmus der FarbstofflnolekUle von der Polarisationsrichtung des durch die Mischung 50 fallenden Lichtes ab.

Die Abtasteinrichtung 60 bewirkt, daß der Lichtstrahl die transparente Elektrode 52 abtastet und dann durch die Mischung 50 fällt. Die Polarisation des die Elektrode 52 abtastenden Lichtstrahles wird durch den Polarisationsmodulator 57 entsprechend den von der Quelle 58 zugeführten Videosignalen gesteuert. Die Farbe des Lichtstrahles, der die Mischung 50 durchsetzt hat, ändert sich also entsprechend dem Signal, das dem Polarisationsmodulator 57 zugeführt wurde. Wenn eine Mischung 50 aus Methylrot und p-n-Butoxybenzoesäure verwendet wird, kann die Farbe zwischen Orange und OeIb verändert werden, entsprechend einer Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahles parallel oder senkrecht zur Richtung der Achsen der Farbstoffmoleküle. Das dem Polarisationsmodulator 57 zugeführte Videosignal kann mit der Ablenkung des Lichtstrahles über die Elektrode 52 synchronisiert werden, wie es in der Fernsehtechnik üblich ist.

Wenn eine größere Farbänderung erwünscht ist als mit einem einzigen Farbstoff erreicht werden kann,können mehrere Wiedergabepaneele verwendet werden, die jeweils verschiedene

809809/092«

Farbstoffe in Mischung mit der nematischen Substanz enthalten. Die Paneele werden so aufeinander gestapelt oder hintereinander angeordnet, daß sie alle vom Lichtstrahl durchsetzt werden. Bei geeigneter Wahl der Farbstoffe läßt sich ein gewünschter Farbtonbereich überstreichen.

Statt der als Ausführungsbeispiel beschriebenen speziellen Wiedergabeeinrichtung lassen sich auch noch viele andere entsprechende Anordnungen angeben. Anstatt die Polarisation des Lichtstrahles, der das Wiedergabepaneel abtastet, zu verändern, können die Polarisation auf einem konstanten Wert gehalten und das Feld an der Mischung aus Farbstoff und magnetischer Substanz geändert werden. Zur Abtastung der Mischung aus der nematischen kristallartigen Substanz und dem Farbstoff kann auch statt des Lichtstrahles ein Elektronenstrahl verwendet werden. Die Intensität des Elektronenstrahls wird dann gesteuert, um lokale Änderungen des Absorptionsspektrums über die Wiedergabefläche entsprechend einem Videosignal zu bewirken.

Anstelle eines pleochromatIschen Farbstoffes in Mischung mit einer nemqtischen Substanz kann in Mischung mit der nematischen Substanz auch ein Farbstoff verwendet werden, dessen Absorptionsspektrum eine Funktion des örtlichen molekularen Feldes ist. In diesem Falle braucht der zur Abtastung der Wiedergabefläche verwendete Lichtstrahl nicht polarisiert zu sein. Das elektrische Feld an der Mischung wird dann zur Bewirkung der gewünschten Farbänderung gesteuert.

.8 09809/0926

Teilchen aus einem reflexionsfähigen Material, z.B. Aluminium, können in Mischung mit einer nematischen Substanz ebenfalls in einer Wiedergabeeinrichtung benutzt werden. Eine Wiedergabeeinrichtung, die eine solche Mischung enthält, kann mit einem abtastenden Elektronenstrahl betrieben werden, dessen Intensität durch ein Videosignal gesteuert wird. Der Anteil des von dem Wiedergabepaneel reflektierten Lichtes ist dann eine Punktion der Intensität des auf die Mischung aus Teilchen und nematischer Substanz auftreffenden Elektrönenstrahles.

809809/092&

Claims

Patentansprüche.

1. Verfahren zum Steuern von Eigenschaften eines Materials, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit einer nematischen, kristallähnlichen flüssigen Substanz gemischt wird und daß die molekulare Ordnung der nematischen Substanz beeinflußt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Orientierung der Mo- ^ leküle eines Materials, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Orientierung der Moleküle des nematischen Materials der Mischung und damit die Orientierung der Moleküle des Materials gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch zur Steuerung des Absorptionsspektrums eines pleochroischen Farbstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß der pleochroische Farbstoff mit einer nematischen Substanz gemischt und die molekulare Orientierung der nematischen Substanz

Γ gesteuert wird.

4. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Anordnung (6, 7, 10) zur Steuerung der molekularen Orientierung der flüssigen, nematischen, kristall-

809809/0928

ähnlichen Substanz« der das Material beigemischt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennze lehn et, daß das Material ein pleochroischer Farbstoff ist und die Anordnung die Orientierung der Moleküle der nematischen Substanz steuert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge· kennzeichnet, daß die Mischung einen Farbstoff eithält, dessen Absorptionsspektrum eine Funktion des örtlichen elektrischen Feldes in der Nachbarschaft der Farbstoffmoleküle ist, und daß die Anordnung eine Modulationsquelle (10) enthält, die ein elektrisches Feld an die nematische Substanz liefert, das die räumliche Orientierung der Moleküle der nematischen Flüssigkeit steuert.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein mit einem nematischen flüssigen Kristall gemischter Farbstoff 1st.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein pleochroischer Parbstoff ist und daß die Anordnung zur steuerung der molekularen Orientierung ein elektrisches Feld in der Mischung zu erzeugen gestattet.

009809/0928

9· Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle

(l), die einen Lichtstrahl durch die Mischung liefert, wobei die Intensität des von der Mischung durchgelassenen Lichtes durch die Steueranordnung beeinflußt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung (4) einen pleochroischen Farbstoff enthält und zwischen zwei transparenten parallelen Elektroden (6, 7) angeordnet ist, daß die Steueranordnung (10) eine Spannung zwischen den Elektroden erzeugt, und daß eine Lichtquelle (1) vorgesehen ist, die einen polarisierten Lichtstrahl liefert, der durch die eine Elektrode und durch die Mischung fällt und dessen durchgelassener Anteil von der Spannung abhängt.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung (10) ein elektrisches Modulationssignal an die transparenten Elektroden (6, 7) liefert.

12. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Lichtstrahlabtasteinrichtung (60) zum Abtasten eines die Mischung (50) enthaltenden Paneels

(49) und durch eine Anordnung (57) zur Änderung der Polarisation des Lichtstrahles in Abhängigkeit von einem Videosignal.

809809/0926

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Heizenergiequelle (8, 54), die einen elektrischen Strom durch den leitenden Teil einer der Elektroden (7, 52) liefert, um die nematische Flüssigkeit zu erhitzen.

809809/0926

I .