DE1811529A1

DE1811529A1 - Elektro-optisches Lichtventil mit einer nematischen Fluessigkeit

Info

Publication number: DE1811529A1
Application number: DE19681811529
Authority: DE
Inventors: Goldmacher Joel Edward; Heilmeier George Harry
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-12-05
Filing date: 1968-11-28
Publication date: 1969-12-04
Also published as: JPS4947154B1; BR6804637D0; GB1228606A; MY7400105A; JPS5140035B1; AT292080B; JPS5024625B1; IL30860A0; CH504009A; FR1595923A; IL30860A; NL6817347A; BE725008A; ES361006A1; US3499702A; SE336405B

Description

Elek t r O₁-Op tische s Licht ve ntil mit einer'ne ■ matisehen Flüssigkeit

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrooptisches Lichtventil mit einer nematischen Flüssigkeit ("Flüssigkeit skristall") und einer Anordnung zum Anlegen eines Feldes an die Flüssigkeit.

Elektro-optische Lichtventile und Wiedergabeeinrichtungen sowie hierfür .geeignete nematische Flüssigkeiten., die hüufig auch als "Flüssigkeitskristalle" bezeichnet werden,, sind aus der USA-Patentschrift 3;. 322,485 bekannt. Einrichtungen dieser Art lassen sich durch ein elektrisches Feld steuern und arbeiten während sich die nematische Flüssigkeit in ihrem mesonorphen Zustand befindet. T-Jenn auf die nematische Flüssigkeit der Einrichtung kein elektrisches Feld einwirkt, ist die eine dünne Cchicht dieser Flüssigkeit enthaltende Einrichtung gewöhnlich relativ lichtdurchlässig. Uird dagegen an die nematische Fl.'issi jkeit ein elektrisches Feld angelegt, das einen ücnwalluert übersteigt,, 'welcher von der jeweiligen Zusammensetzung der Flüssigkeit abhängt ., so erscheint die Einrichtung im Bereich de^ Feldes dunkler. Dieses Dunkelwerden beruht auf

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der Streuung von Licht, durch Domunon aus Ilolekillen der nematischen Flüssigkeit, welche sich im Feld ausrichten. Bei den hier beschriebenen nematischen Flüssigkeiten ("Flüssigkeitskristallen") beruht die Änderung der optischen Eigenschaften nämlich vermutlich auf der Ausrichtung von Domänen oder Sehwärmen von doppelbrechenden Flüssigkeitsraolekülen in elektrischen Feld. . -■■

Der iiuf der Ausrichtung von Donänen aus [lolekü-

len der nematischen Flüssigkeit in einen elektrischen Feld be- * ruhende elektro-optische Effekt kann in nit Transmission, Reflexion oder Absorption arbeitenden flachen <;ilawiedergabe- oder Anzeigevorrichtungen., optischen Verschlüssen und anderen Anwendungen nutzbar gemacht v/erden» ßei den bekannten nematischen Flüssigkeiten liefen die kristall-nernatischen Obergangstenperaturen, d.h. also die Temperaturen y-b-ei denen da ο -laterial denmesomorphen Zustand a.nnii:mt, verl-.ultni8nur.ij hoch. Da die neraatischen Hatcrialien sich bein Betrieb von --.ip.richtun.oen'der hier interessierenden Art iia nenatischon ncsor.orpneii Zustand befinden, müssen ₃ ist es erwünscht; Zusammensetzungen zu verwenden_a die eine niedrige kristall-nenatische über^ancütera-peratur haben. Es ist außerdem uünschcnsirert ₃ stark polare Materialien zu verwenden so daß die für die Ausrichtung der Doin-ir.^n in einem elektrischen Feld erforderliche Zeit möglichst kurz ^:..-ird.

Durch die vorliegende Erfindung sollen diese Probleme gelost vierden. Fs vrird bei oine?n olektro-optischen. Lichtventil mit einer ncnatischen Flüssigkeit und einer Anordnung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Flüssigkeit"gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Flüssigkeit p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und/oder o-n-Octoxybenzyliden-p*- aminobenzonitril enthält oder aus mindestens einem dieser Haterialien besteht. . '

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher

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erläutert, es zeigen:

B¹ ig. 1 eine schematische Darstellung einer neiaatischen Flüssigkeit im Normalen Zustand, ohne daß an diese Flüs-

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sigkeit ein elektrisches Pela angelegt ist;

Fig. 2 eine scheinatische Darstellung der nema-

tischen Flüssigkeit in ihrem durch ein elektrisches Feld verursachten ausgerichteten Zustand;

Fig. 3 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung einer elektro-optischen Ein-¹" htung, bei der die Erfindung Anwendung finden kann, und

Fig. k eine schematische Darstellung der elektrooptischen Einrichtung gemäß Fig. 3 während ihres Betriebes zwischen gekreuzten Polarisatoren.

In Abwesenheit eines elektrischen Feldes sind bei einer nenatischen Flüssigkeit der hier beschriebenen Art die Moleküle 11 vermutlich in kleinen, willkürlich orientierten Domänen angeordnet, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wenn sich die Flüssigkeit in nesomorphen Sustand befindet. Wenn an diese Flüssigkeit ein genügend hohes elektrisches Feld angelegt wird> richten sich die Domänen dann vermutlich in'bezug aufeinander aus, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so daß dann ein beträchtlicher Teil der Domänen und damit ein beträchtlicher Teil der Flüssigkeit smoIekille parallel zur Richtung des angelegten Feldes liegen. Der Grau der Ausrichtung ist eine Funktion der Feldstärke.

In der Praxis enthält ein elektro-optisches Lichtventil, z.B. eine '.-."iedergabeeinrichtung, zwei ebene Bauteile. zvf is ehe η denen sich eine dünne Schicht der nematischen Flüssigkeit befindet. Eines cer Bauteile ist transparent, während das andere transparent, reflektierend oder absorbierend sein kann, was von der für die betreffende einrichtung vorgesehenen Betriebsart abailnjo. £ine Oberfläche jedes Bauteils ist mit gegebenenfalls transrarenten Seilen- und Cpaltenleitern versehen, so daß an wählbare Bereiche der I>" lüssi^keitsschicht ein elektrisches r'eld an je Ie₀, t ;;erden kann. 12inzelhaiten hierüber können aus der cOen ervrlhntei: Patentschrift entnommen werden. Eine spezielle Ausführunjsfor:. eines Lichtventils dieses Typs ist in Fig. 3 aargestellt. Diese Einrichtung 30 enthält eine vordere

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und eine hintere transparente: Trägerplatte 31 bzw. 32. Die Trägerplatten 31, 32 sind in einem Abstand von etwa 12,5 ym parallel zueinander angeordnet. Auf der Innenseite der hinteren Platte 31 ist eine Anordnung von. im Abstand voneinander verlaufenden transparenten, leitenden Rückelektrodenstreifen 35 angeordnet. Auf der Innenseite J>k der vorderen Platte 32 befindet sich eine Anordnung von beabstandeten parallelen, transparenten leitenden Streifen 36. Die leitenden- Streifen 35 verlaufen senkrecht zu den Streifen 36.

Der Zwischenraum zwischen der vorderen und hinteren Platte 31 bzw. 32 ist mit einer "Flüssigkeitskristall"-Ilischung 37 gefüllt, die gleiche Gewichtsteile von p-n-ftthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril enthält. Die Mischung kann durch einen an den Rändern der Platten vorgesehenen Epocykleber in die Einrichtung 30-eingeschlossen sein. Beim Betrieb in Durchsicht wird auf der Vorderseite der Einrichtung 30 eine Lichtquelle angeordnet, während sich der Betrachter auf der Rückseite der Einrichtung befindet. Wenn an der Einrichtung 30 kein Feld liegt, erscheint sie dem Betrachter gleichförmig hell. Wird dagegen an irgend einen Teil der Flüssigkeit ein Gleich- oder Wechselfeld angelegt, das z.B. durch eine Spannung von 10 Volt erzeugt wird, so erscheint der betreffende Teil dem Betrachter heller als der Rest der Einrichtung. Diese Betriebsart wird anderen Betriebsarten vorgezogen, da sich mit ihr die höchsten Kontrastverhältnisse erreichen lassen. V/enn die.Einrichtung mit Reflexion oder Absorption betrieben wird, befinden sich die LichtqueQß und der Betrachter beide auf der Seite der vorderen Platte 32 der Einrichtung, während die hintere Platte· dann reflektierend oder absorbierend ausgebildet ist.

Um das Kontrastverhältnis bei dem bevorzugten Betrieb mit Transmission zu verbessern, wird die Einrichtung 30 " . vorzugsweise zwischen gekreuzten Polarisatoren kl und k2 verwendet, wie es in Fig. H dargestellt ist. In diesem Falle wird dann die Doppelbrechung der nematischen Flüssigkeit ausgenützt,

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dle eine Drehung der Polarisationsebene des einfallenden polarisierten Lichtes bewirkt. Im Betrieb wird das von einer Lichtquelle 44 ausgehende Licht 43 durch einen ersten Polarisator 41 polarisiert. Das polarisierte Licht fällt durch die Einrichtung 30 und wenn an der Einrichtung kein nennenswertes Feld liegt, wird ein beträchtlicher Teil des Lichtes zum zweiten Polarisator 42 durchgelassen. Wenn kein Feld angelegt ist, erscheint die Einrichtung dann für den Betrachter 45 gleichmäßig hell. Dies be ruht darauf, daß die wi11kürlieh orientierten Domänen einen Teil des polarisierten Lichtes so drehen , daß es vom zweiten Polarisator 42 durchgelassen wird. Wenn jedoch an die Einrichtung 30 ein elektrisches Feld angelegt wird, richten sich die Domänen in der Flüssigkeit parallel zur Richtung des einfallenden Lichtes aus. Die Polarisationsebene des Lichtes wird dann nicht gedreht und der zv/eite Polarisator 42, dessen Polarisa'tionsrichtung senkrecht auf der des ersten Polarisators 4l steht, läßt das Licht dann nicht mehr durch, so daß die Einrichtung im Bereich des angelegten Feldes für den Betrachter 45 dunkel aussieht. Bei einem Betrieb der Einrichtung mit gekreuzten Polarisatoren können Kontrastverhältnisse von etwa 10:1 erreicht werden. Es läßt sich auch eine Grauskale darstellen, da der Grad der Drehung der Domänen von der Feldstärke des angelegten elektrischen Feldes abhängt.

Unter Ausnutzung desselben Prinzips kann die Einrichtung auch mit nur einem Polarisator in Reflexion betrieben werden.

Eine andere Betriebsmöglichkeit der vorliegenden Einrichtung besteht in einer Kombination mit pleochroischen Farbstoffen. Man mischt hierbei einen pleochroischen Farbstoff mit der nematischen Flüssigkeit, wobei dann eine Drehung und Ausrichtung der Moleküle der nematischen Flüssigkeit eine Drehung und Ausrichtung der Farbstoffmoleküle bewirkt. Hierbei ändern sih die Absorptionseigenschaften der Einrichtung bei Betrachtung in Durchsicht mit polarisiertem Licht. Als Farbstoff kann z.B. Methylrot verwendet werden.

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Die für die vorliegende Einrichtung geeigneten Flüssigkeiten sind p-n-itthoxybenzyliden-p ' -aminobenzonitriit, p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und p-n-Octoxybenzyliden-p' -aminobenzonitril. Diese iiaterialien können getrennt verwendet werden _} vorzugsiieise benutzt man jedoch Ilischungen von p-n-Athoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril mit entweder p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril oder p-n-Octoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril oder Mischungen aus allen drei Verbindungen. Um eine wesentliche ErnMrigung der kristall-nematischen Übergangstemperatur zu erreichen, werden Mischungen von 10 bis 90 Gewichtsprozent p-n-Butoxybenzyliden-p¹-aminobenzonitril mit p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril oder Ilischungen ₃ die 15 bis 70 Gewichtsprozent aller drei Bestandteile (insgesamt 100 Gewichtsprozent) enthalten, bevorzugt. Die niedrigste kri~ stall-nematische Ubergangstemperatur, die'gefunden wurde, hatte eine Ilischung aus gleichen Gewichtsteilen von p-n-Äthoxybenzyliden-p '-aminobenzonitril und p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril oder eine Mischung aus gleichen Gewichtsteilen von p-n-Äthoxybenzyliden-p' -aminobenzonitril ·₃ p-n-Butoxybenzylidenp'-aminobenzonitril und p-n-Octoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril

In der folgenden Tabelle sind die Temperaturen

für die Übergänge vom kristallischen in den nematischen Zustand und vom nematischen in den isotropen Zustand einiger spezieller bekannter Verbindungen und der vorliegenden p-n-Alkoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril-Verbindungen sowie deren Ilischungen angegeben.

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Material

Übergangstemperatur ( C)

kristallin/ nematisch/ nematisch isotrop

p-Azoxyanisol

4 ,i|' -Diäthoxyazoxybenzol k,4'-di-n-Pentoxyazoxybenzen

116

137

p-n-Äthoxybenzyliden-p^f-amino- 105 benzonitril

p-n-Butoxybenzyliden-p^f-amino-

benzonitril 63

p-n-Octoxybenzyliden-p^r-amino-

benzonitril 79

p-n-Äthoxybenzylinden-p'-aminobenzonitril und

p-n-3utoxybenzyliden-p'-amino-

benzonitril
(gleiche Gewichtsteile) 4l

p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril

p-n-Butoxybenzyliden-p¹-amino-■ . benzcmitril

p-n-Octoxybenzyliden-p^f-amino:— .

benzonitril
(gleiche Gewichtsteile) 50

135 167 121 130

106 94,5

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üie Schwellwertspannun^en für eine 12,7 ym dicke Zelle, die die vorliegenden Mischungen enthält ^ beträgt etwa 10 Volt Gleich- oder Wechselspannung. Die Schaltzeit für eine solche* Zelle beträgt bei 100 Volt Gleichspannung größenordnungsmäßig etwa 10 ms für die Anstiegszeit und etwa 30 bis 100 ms für die Abfallszeit. Unter Anstiegszeit ist die Zeitspanne zu verstehen, die zur Ausrichtung der Domänen erforderlich ist. Die Abfallszeit ist die Zeitspanne . die die nematisch^ Flüssigkeit nach dem Abschalten des elektrischen Feldes braucht, um wieder ihren regellosen Zustand anzunehmen.

Die bei den vorliegenden Einrichtungen verwendeten neuen Mischungen bestehen aus Anilen nit der Strukturformel

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2n₊

Generell kann man diese Materialien durch Kondensation von p-Aminobenzonitril mit dem entsprechenden p-Alkoxybenzaldehyd gelöst in Benzol im Rückfluß mit Benzolsulfosäure als Katalysator und mit azeotroper Entfernung von Wasser herstellen. Die Reinigung der Verbindung erfolge im allgemeinen durch wiederholte Rekristallisation aus einer Lösung in Hexan, bis eine konstante · ubergangstempe.ratur vom nematisehen" in den isotropen Zustand erreicht ist. ,

Die Verbindung p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril kann z.B. in der folgenden -Weise hergestellt werden: Eine Lösung von 0,1 Molen p-Aminobenzonitril, O₅I Molen p-A"th~ oxybenzaldehyd _} 0,1 g Benzolsulfosäure in 500 ml Benzol werden ungefähr drei Stunden im Rückflußkühler destilliert. Zum Sammeln des azeotrop entfernten VJassers .wird eine Dean-Stark_Vorlage verwendet. !lach der Rückflußdestillation wird das Lösungsmittel durch Verdampfen unter verringertem Druck in einem rotierenden Dünnschichtverdampfer entfernt. Der Rückstand wird gesammelt und mehrmal mit Hexan umkristallisiert. .

p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril wird in ähnlicher Weise hergestellt mit der Ausnahme, daß anstelle des oben erwähnten Äthoxybenzaldehydes nun ρ-But oxybenzaldehyd verwendet wird. In entsprechender Weise läßt sich p-n-Octobenzyliden -ρ'-aminobenzonitril herstellen, indem man bei dem obigen Beispiel p-Octobenzaldehyd anstelle des Athoxybenzaldehyd verwendet.

Zur Herstellung der neuen Mischungen .werden die

reinen kristallinen Verbindungen in dem gewünschten Gewichtsverhältnis in ein Becherglas eingewogen und die Mischung wird dann auf den isotropen Schmelzpunkt erhitzt, so daß sich eine isotrope Lasung bildet. Man läßt die isotrope Lösung dann auf O ⁰C erkalten., wobei sie erstarrt. Die resultierende feste Masse kann zu kleinen Stücken zerbrochen und zur Schmelzpunktbestimmung in ein Kapillarröhrchen oder auf einen Objektträger gebracht werden

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Man ,kann die Mischungen dann in die optische Einrichtung einbringen, indem man die ebenen Trägerplatten entweder durch Abstandshalter trennt oder indem man drei Seiten der in einem geringen Abstand zwischen einander angeordneten Platten mit einem Epoxykleber verbindet. Die nematische Zusammensetzung wird dann auf eine Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur vom kristallischen in den nematischen Zustand erhitzt und in den Zwischenraum zwischen den ebenen Platten oder Elementen eingeführt, z.B. mittels einer Injektionsnadel.

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Claims

-10-Patentansprüche

1. Elektro-optisches Lichtventil mit einer nematischen Flüssigkeit und einer Anordnung zum Anlegen eines

elektrischen Feldes an die Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und/oder p-n-Octoxybenzyliden-p¹-aminob.enzonitril enthält.

2. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit p-n-Äthoxybenzyliden~p'-aminobenzonitril enthält.

3. Lichtventil nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß dieFlüssigkeit im wesentlichen aus 10 bis 90 Gewichtsprozent p-n-Athoxybenzyliden-p'-aminobenzonetril und 90 bis 10 Gewichtsprozent p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril besteht.

4. Lichtventil nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im wesentlichen aus jeweils etwa 50$ der angegebenen Verbindungen besteht und daß die Flüssigkeit (37) zwischen gekreuzten Polarisatoren (41, 42) angeordnet ist.

5· Lichtventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit 15 bis 70 Gewichtsprozent p-n-Äthoxybenzyliden-p¹-aminobenzonitril, 15
bis 70 Gewichtsprozent p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und 15 bis 70 Gewichtsprozent p-n-Octoxybenzyliden-p^f-aminobenzonitril enthält.

6. Lichtventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nematische Flüssigkeit ungefähr gleiche Gewichtsteile der genannten Verbindungen ent-

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hält und zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordnet ist.

7· Lichtventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine dünne Schicht bildet.

8. Lichtventil nach Anspruch 7₃ dadurch gekennzeichnet^ daß in der neiriati sehen keitsmischung ein jAeochroischer Farbstoff gelöst ist.

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