DE19505034C2 - Spiegelanordnung bzw. elektrooptische Anordnung mit steuerbarem Reflexionsgrad bzw. steuerbarem Transmissionsgrad - Google Patents
Spiegelanordnung bzw. elektrooptische Anordnung mit steuerbarem Reflexionsgrad bzw. steuerbarem TransmissionsgradInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine
Spiegelanordnung bzw. elektrooptische Anordnung mit steuerbarem
Reflektionsgrad bzw. steuerbarem Transmissionsgrad
gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 bzw. Anspruchs 2.
Bekannt sind Verfahren, bei denen eine Änderung des Reflexionsgrades
durch mindestens eine LC-Schicht, die sich in einem hermetisch abgeschlossenen
spaltförmigen Hohlraum zwischen reflektierender, elektrisch leitfähiger auf einem
Substrat aufgebrachter Spiegelschicht und einen durchsichtigen Substrat mit
aufgebrachter durchsichtiger Elektrode befindet, und deren Transmissions- bzw.
Absorptionsvermögens, ggf. durch Einsatz geeigneter Hilfsschichten wie z. B.
Polarisationsfolien, durch äußeren Energieeintrag geändert werden kann. Dabei sind
mindestens zwei Transmissionszustände einstellbar und somit der Reflexionsgrad des
Spiegelsystems änderbar. Die Substrate sind meist aus Glas. Möglich sind auch
Substrate aus anderen Materialien, insbesondere für das Substrat der Spiegelschicht.
Die Energie wird zweckmäßig durch ein elektrisches oder magnetisches Feld oder in
Form von Wärme eingetragen. Bei Nutzung eines elektrischen Feldes ist die
flüssigkristalline LC-Schicht gewöhnlich von zwei transparenten Indium-Zinn-Oxid-(ITO-)
Elektroden eingerahmt, mit deren Hilfe das elektrische Feld durch Anlegen
einer Spannung in der LC-Schicht aufgebaut wird. Die ITO-Elektroden werden
dabei gewöhnlich in der dem Fachmann bekannten Weise durch Aufsputtern,
thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen oder durch CVD- (Chemical
vapour deposition-) Verfahren aufgebracht. Auf den ITO-Elektroden sind bei
einigen der nachfolgend beschriebenen Verfahren in der-dem Fachmann bekannten
Weise Orientierungsschichten aufgebracht, die eine gewünschte Vorzugsorientierung
der Flüssigkristallmoleküle induzieren.
Prinzipiell ist zwischen drei Arten von LC-Schichten zu unterscheiden. Bei einer
ersten Art werden die Eigenschaft der elektrisch steuerbaren optischen Aktivität
einer verdrillten LC-Schicht oder die der elektrisch steuerbaren Doppelbrechung
einer unverdrillten LC-Schicht, die zwischen zwei Polarisatoren angeordnet sind,
welche sich an geeigneter Stelle des Spiegelsystems befinden, genutzt (z. B.
EP 0079044). Durch diese Eigenschaften ist eine Amplitudenmodulation des durch die
LC-Schicht und die Polarisatoren durchtretenden Lichtes möglich, deren Größe
quasianalog über die Stärke des angelegten elektrischen Feldes geregelt werden
kann.
Eine zweite Art von LC-Schichten, die für Spiegelsysteme mit veränderbaren
Reflexionsgrad eingesetzt werden, sind die sogenannten Guest-Host-Flüssigkristalle
(z. B. DE 35 11 385, DE 35 26 973), bei denen in den Flüssigkristall dichroistische
Farbstoffmoleküle eingelagert sind. Bei diesen Verfahren wird die
Amplitudenmodulation des Lichtes durch über die Stärke des angelegten
elektrischen Feldes quasianalog regelbare Absorptionsänderung der LC-Schicht
erreicht. Der Einsatz einer Polarisationsfolie, die sich an geeigneter Stelle des
Spiegelsystems befindet und deren Schwingungsrichtung parallel zur Richtung des
außerordentlichen Brechungsindexes der LC-Schicht bei nicht angelegten
elektrischen Feld ist, kann den Dynamikbereich der Absorptionsänderung (Kontrast)
erhöhen.
Nachteilig bei den beiden oben beschriebenen flüssigkristallinen Systemen ist der
durch den Einsatz der absorbierenden Schichten (Polarisationsfolie und
dichroistische Moleküle in der LC-Schicht) bedingte hohe Lichtverlust, der bei
Einsatz von Polarisatoren (um einen moderaten Kontrast von < 10 zu erreichen) zu
einem nicht akzeptablen Reflexionsgrad des Spiegelsystems von < 40% im Zustand
hoher Reflexion führt. Bei Einsatz von handelsüblichen Guest-Host-Flüssigkristallen
erweist sich außerdem die mangelnde Langzeitstabilität der eingesetzten
dichroistischen Farbstoffe als Problem. Außerdem stellt sich nach Abschaltung der
Spannung der ursprüngliche Reflexionsgrad des Spiegels ein, d. h. der eingestellte
Reflexionsgrad ist nicht stabil.
Oben genannte Nachteile werden bei Einsatz einer dritten Art flüssigkristalliner
Substanzen, und zwar solchen, die über eine einstellbare Streuung verfügen,
vermieden. Bei diesen Systemen ist ein Reflexionsgrad von < 80% (Werte des
Kontrastes von < 15) des Spiegelsystems im Zustand hoher Reflexion problemlos
einstellbar. Es gibt verschiedene flüssigkristalline Streulichteffekte, die für
Spiegelsysteme mit veränderbarem Reflexionsgrad genutzt werden, wie der dem
Fachmann bekannte Effekt der Dynamischen Streuung (EP 0171766) oder der
PDLC- (Polymer Dispersed Liquid Crystal-) Folien (EP 0236112). Nachteilig bei
den PDLC-Folien für ihre Anwendung in Spiegelsystemen mit veränderbarem
Reflexionsgrad ist ihr nicht stabiles Verhalten, d. h. der nicht streuende Zustand der
LC-Schicht kann nach Stand der Technik nur bei angelegtem elektrischen Feld
beibehalten werden. Negativ ist auch der im Stand der Technik angegebene
eingeschränkte Arbeitstemperaturbereich der LC-Schicht, der sich aus der
Notwendigkeit der Abstimmung der Brechungsindizes von Polymermatrix und
Flüssigkristallsubstanz ergibt. Sowohl beim Verfahren der Dynamischen Streuung
als auch bei den PDLC-Folien ist die optische Wirkung, d. h. die mögliche
Auflösung des Spiegelbildes bei ihrer Anwendung als Spiegel mit einstellbarem
Reflexionsgrad eingeschränkt, da die Streuzentren einen relativ großen
Durchmesser besitzen.
Aus der DE-PS 14 62 919 ist eine optische Einrichtung zum Beeinflussen eines
Lichtbündels bekannt, die auf Basis einer Schicht mit nematischen
Flüssigkristallen arbeitet. Es sind transparente Elektroden vorgesehen, die der
Ausrichtung der nematischen Moleküle in Abhängigkeit von der angelegten
Spannung dienen. Wenigstens eine der Elektroden hat dabei auch noch eine
Heizfunktion, die der Erhaltung der nematischen Phase des Flüssigkristalls
dient, falls diese bei Raumtemperatur nicht vorliegt.
In der Patentschrift DE 27 53 763 C2 ist eine Flüssigkristallzelle offenbart, bei
der ebenfalls Elektroden zur Steuerung der Molekülorientierung und zur
Erwärmung vorgesehen sind. Während die Molekülausrichtung mit einer
Lichtdämpfung durch Absorption an dichroitischen Pigmenten allein mittels
der angelegten Elektrodenspannung gesteuert wird, ist die gleichzeitige
Heizfunktion der Elektroden einerseits zur Erhaltung der smektischen Phase
des Flüssigkristalls und andererseits zur Löschung der vorhandenen
Bildinformation vorgesehen. Die Löschung erfolgt dabei durch Erwärmen bis
zum Übergang des Flüssigkristalls in seine iostrope Phase und langsame
Abkühlung, wobei sich bei langsamer Abkühlung im elektrischen Feld eine
homöotrope Orientierung der Moleküle einstellt. Die bildgemäße,
helligkeitsabhängige Steuerung der Molekülorientierung erfolgt im Gegensatz
dazu durch lokale Erwärmung und rasche Abkühlung, wodurch sich
ungeordnete Mikrobereiche mit hoher Lichtabsorption einstellen. Nachteilig an
dieser Steuerfunktion durch Erwärmung ist der notwendige hohe
Energieeintrag der Beleuchtung, der bei passiver Bilddarstellung nicht
verfügbar ist.
In DE 40 41 209 und DE 40 41 682 wird ein bistabiler streuender Effekt mit
flüssigkristallinen Substanzen, und zwar den sogenannten Filled Nematics (FN),
beschrieben. Dabei werden handelsübliche nematische flüssigkristalline Phasen
verwendet, die einen geringen Volumenanteil fester Teilchen mit einer hohen
spezifischen Oberfläche und einen Durchmesser von vorzugsweise 5-40 nm
enthalten. Die eingesetzten festen feindispersen Teilchen bestehen
vorzugsweise aus anorganischen Verbindungen, wie z. B. Oxide des Siliziums,
Titans, Zirkons, Zinks oder Zinns. Möglich sind auch organische Polymere wie
z. B. pyrogene Kieselsäure. Der Durchmesser der Streuzentren wird von
KREUZER et al. (Applied Phys. Letters 62 (15), 1993, S. 1712) mit 50-100 nm
angegeben. Somit ist eine gute optische Wirkung im Sinne der Auflösung
des Bildes bei der Anwendung als Spiegelsystem mit veränderbarem
Reflexionsgrad gewährleistet. Die Form des möglichen äußeren
Energieeintrages zur Einstellung des streuenden bzw. nicht streuenden
Zustandes ist nach DE 40 41 209 vielfältig. So kann der nicht streuende Zustand
sowohl durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes geeigneter Stärke als
auch durch Temperatur- oder Druckänderung erreicht werden und zwar
derart, daß die flüssigkristalline Substanz vom nematischen in den isotropen
Zustand übergeht. Der streuende Zustand kann durch Einwirkung einer
mechanischen Kraft (wie z. B. durch Ultraschall induzierte mechanische
Krafteinwirkung oder durch geeignete dem Fachmann bekannte Verschiebung
der Spiegelschicht und des durchsichtigen Substrats zueinander), durch
Temperaturerhöhung und anschließende Temperaturerniedrigung oder durch
Einwirkung eines elektrischen Wechselfeldes geeigneter Stärke erreicht
werden.
Von besonderem Interesse vom Standpunkt der einfachen technischen
Realisierung sind offensichtlich Systeme bei denen sowohl der streuende als
auch der nicht streuende Zustand durch das Anlegen von elektrischen
Wechselfeldern geeigneter Stärke und Form, wie es durch Anlegen von
Wechselspannungen geeigneter Größe und Form an die ITO-Elektroden
möglich ist, erreicht wird. Ein solches System wird von Eidenschink und de Jeu
(Electronics Letters, 1991, Band 27, Nr. 13., S. 1195) beschrieben. Dazu wird
ein FN-Effekt genutzt, bei dem die nematische Phase der flüssigkristallinen
Substanz aus einem dem Fachmann als Zwei-Frequenz-Mischung bekannten
Material besteht. Diese Mischungen ändern das Vorzeichen ihrer dielektrischen
Anisotropie bei Frequenzen einer angelegten Spannung von
typischerweise einigen Kilohertz. Somit kann durch Anlegen einer Spannung
niedriger bzw. hoher Frequenz der nicht streuende bzw. streuende Zustand
eingestellt werden. Nachteilig bei diesen Verfahren ist die große
Temperaturabhängigkeit der Cross-Over-Frequenz. Dies erfordert, ebenso wie
die Synthese der Zwei-Frequenz-Mischungen einen erhöhten technischen
Aufwand. Nachteilig ist außerdem, vom Standpunkt des technischen
Aufwandes, die Handhabung der relativ großen Wechselspannungen
(typischerweise < 50 V Effektivwert) mit hohen Frequenzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit für die
Realisierung einer elektrooptischen Anordnung zur Steuerung der Transparenz
eines Schichtsystems zu finden, die eine zuverlässige Umschaltung zwischen
Zuständen hoher und niedriger Transparenz gestattet, wobei die Zustände
beliebig einstellbar sind und die Umschaltung schnell sowie weitgehend
unabhängig von der Umgebungstemperatur erfolgt.
Die Aufgabe wird bei einer Spiegelanordnung mit steuerbarem Reflexionsgrad,
bei der eine hochreflektierende Spiegelschicht mit einem elektrooptischen
Schichtsystem mit steuerbarer Transparenz gekoppelt ist und das
Schichtsystem im wesentlichen eine LC-Schicht vom Typ der Filled Nematics
enthält, die sich in einem hermetisch abgeschlossenen spaltförmigen
Hohlraum zwischen transparenten Elektroden befindet und mittels dieser
Elektroden mit verschiedenen Spannungen zur Erzeugung eines transparenten
und eines lichtstreuenden Zustandes der LC-Schicht kurzzeitig ansteuerbar ist,
wobei zur Erreichung des transparenten Zustandes der LC-Schicht zwischen
den zwei Elektroden eine Wechselspannung von einer ersten Spannungsquelle
angelegt ist, dadurch gelöst, daß die Elektroden aus InSnOx bestehende
Schichten (ITO-Schichten) mit einer Schichtdicke zwischen 50 und 300 nm
sind, die mit der ersten Spannungsquelle in Verbindung stehen, von der
unterschiedliche Wechselspannungen bezüglich Effektivspannung und
Frequenz bereitstellbar sind, wobei eine Wechselspannung mit einer Frequenz
zwischen 20 Hz und 5 kHz zwischen 30 und 80 V in Abhängigkeit vom
gewünschten Reflexionsgrad der Spiegelanordnung eingestellt und kurzzeitig
eingeschaltet wird, um den erforderlichen Grad des nichtstreuenden
Zustandes der LC-Schicht zu erreichen, daß mindestens eine der Elektroden
einen geringen Flächenwiderstand zwischen 15 und 100 Ω/cm² aufweist und
als Heizelektrode schaltbar ist, wobei an elektrisch nicht benachbarten Orten
Kontakte vorhanden sind, die mit einer zweiten Spannungsquelle in
Verbindung stehen, und daß die zweite Spannungsquelle Spannungen im
Bereich zwischen 5 und 60 V bereitstellt, die kurzzeitig einen bestimmten
Strom zwischen 170 und 2000 mA in der Heizelektrode verursacht, wobei je
nach erreichbarem Stromfluß zwischen 10 und 0,1 s als Einschaltzeit der
zweiten Spannungsquelle einzustellen sind, um den streuenden Zustand der
LC-Schicht zu erreichen.
Verallgemeinert wird die Aufgabe bei einer elektrooptischen Anordnung mit
steuerbarem Transmissionsgrad mit einer LC-Schicht vom Typ der Filled
Nematics, die sich in einem hermetisch abgeschlossenen spaltförmigen
Hohlraum zwischen transparenten Elektroden befindet und mittels dieser
Elektroden mit verschiedenen Spannungen zur Erzeugung eines transparenten
und eines lichtstreuenden Zustandes der LC-Schicht kurzzeitig ansteuerbar ist,
wobei zur Erreichung des transparenten Zustandes zwischen den zwei
Elektroden eine Wechselspannung von einer ersten Spannungsquelle angelegt
ist, dadurch, daß die Elektroden aus InSnOx bestehende Schichten (ITO)
Schichten mit einer Schichtdicke zwischen 50 und 300 nm sind, die mit der
ersten Spannungsquelle in Verbindung stehen, von der unterschiedliche
Wechselspannungen bezüglich Effektivspannung und Frequenz bereitstellbar
sind, wobei eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 5
kHz zwischen 30 und 80 V in Abhängigkeit vom gewünschten
Transmissionsgrad der elektrooptischen Anordnung eingestellt und kurzzeitig
eingeschaltet wird, um einen erforderlichen Grad des nichtstreuenden
Zustands der LC-Schicht zu erreichen, daß mindestens eine der Elektroden
einen geringen Flächenwiderstand zwischen 15 und 100 Ω/cm² aufweist und
als Heizelektrode schaltbar ist, wobei an elektrisch nicht benachbarten Orten
Kontakte vorhanden sind, die mit einer zweiten Spannungsquelle in
Verbindung stehen, und daß die zweite Spannungsquelle Spannungen im
Bereich zwischen 5 und 60 V bereitstellt, die kurzzeitig einen definierten Strom
zwischen 170 und 2000 mA in der Heizelektrode verursacht, wobei je nach
erreichbarem Stromfluß zwischen 10 und 0,1 s Einschaltzeit der zweiten
Spannungsquelle einzustellen sind, um den streuenden Zustand der LC-Schicht
zu erreichen.
Die Erfindung fußt auf der Überlegung, die an sich bekannten vorteilhaften
Eigenschaften der flüssigkristallinen FN-Substanzen, vor allem ihr bistabiles
Schaltverhalten, die gute Transparenz von daraus hergestellten Schichten
sowie die sehr gute optische Auflösung infolge der geringen Durchmesser der
Streuzentren, auszunutzen und durch geeignete Maßnahmen eine
zuverlässige Umschaltung vom streuenden in den nichtstreuenden Zustand der
LC-Moleküle zu erreichen. Dazu werden erfindungsgemäß die im Stand der
Technik üblichen ITO-Elektroden so gestaltet, daß über bestimmte
Schichtdicken und Flächenwiderstandswerte ein Heizstromimpuls definiert
eingestellt wird, der die Flüssigkristallschicht in einen stabilen lichtstreuenden
Zustand versetzt, und durch anschließendes kurzzeitiges Anlegen eines
variabel einstellbaren elektrischen Feldes ein gewünschter Grad der
Lichtstreuung eingestellt wird. Die mit diesen Schaltmechanismen eingestellten
Zustände bleiben über lange Zeiträume ohne äußere Stromversorgung stabil
und sind bei Schaltdauern im Zehntelsekunden- bis Sekundenbereich
ausreichend schnell für die vorgesehenen Anwendungen zur Minderung einer
Blendwirkung bzw. zur Dämpfung des Lichts beliebiger Lichtquellen.
Gemäß der Erfindung sind die ITO-Elektroden in ihren mechanischen,
elektrischen und optischen Eigenschaften so gestaltet, daß eine Überführung
der flüssig kristallinen Substanz in den streuenden Zustand des FN-Effektes
durch Temperaturerhöhung und anschließende Temperaturerniedrigung
mittels Abgabe von bei Stromdurchfluß der ITO-Elektroden entstehender
Wärme möglich ist. Das Maximum der Temperatur der LC-Schicht muß dabei
über dem dem Fachmann als Klärpunkt bekannten Wert der Temperatur des
Übergangs der Flüssigkristallsubstanz aus der nematischen in die isotrope
Phase liegen. In bestimmten Ausnahmefällen wird derselbe Effekt auch bereits
geringfügig unterhalb des Klärpunktes erreicht.
Vorteilhaft wird durch die erste Spannungsquelle eine Wechselspannung von
50 V mit einer Frequenz von 100 Hz für eine Dauer von mindestens 0,5 s an
die Elektroden gelegt, um den optimal nichtstreuenden Zustand der
LC-Schicht einzustellen.
Zur Einstellung unterschiedlicher Niveaus zwischen dem vollständig streuenden
und dem optimalen nichtstreuenden Zustand der LC-Schicht werden -
ausgehend vom streuenden Zustand der LC-Schicht - von der ersten
Spannungsquelle Effektivwerte der Wechselspannung von weniger als 50 V
durch Steuerung von Spannung und Frequenz für mindestens 0,5 s
zugeschaltet.
Zweckmäßig ist als zweite Spannungsquelle für die Heizfunktion eine
Gleichspannungsquelle eingesetzt. Dabei sind bei vorzugsweise gleicher Dicke
von ca. 120 nm und gleichem Flächenwiderstand von 20 Ω/cm² der
Heizelektrode folgende Betriebsregimes zur Einstellung des streuenden
Zustandes der LC-Schicht zweckmäßig. Bei einer Gleichspannung von 40 V,
die für die Dauer von 2 s auf die Heizelektrode zugeschaltet wird, ergibt sich
ein Strom von 1 A. Für eine vorteilhafte niedrigere Gleichspannung von 20 V,
die über die Heizelektrode einen Strom von 0,5 A zuläßt, ist zur Erreichung der
gleichen Wirkung die Spannung für eine Dauer von 5 s anzulegen. Es ist
weiterhin ebenfalls möglich, für die Heizfunktion als zweite Spannungsquelle
eine Wechselspannungsquelle einzusetzen.
Mindestens eine der ITO-Elektroden kann dabei erfindungsgemäß in einer zur
Realisierung optimaler Eigenschaften des Spiegelsystems geeigneten Weise
strukturiert sein. Insbesondere sind dies auch Geometrien der Elektroden, die
zur gleichmäßigen Verteilung des Wärmeeintrages über die gesamte aktive
Fläche des Spiegelsystems geeignet sind, wie z. B. streifenförmige Geometrien
mit geringem Zwischenraum oder mäanderförmige Geometrien. Möglich sind
dadurch erfindungsgemäß, über ein Spiegelsystem mit homogen über die
gesamte aktive Fläche änderbarem Reflexionsgrad hinausgehend, zusätzliche
funktionelle Eigenschaften des Spiegelsystems, wie etwa unterschiedliche
Reflexionsgrade in verschiedenen Teilflächen, die in ihrer Geometrie der
Geometrie der Elektroden entsprechen, innerhalb der gesamten aktiven Fläche
des Spiegelsystems.
Möglich ist zusätzlich, daß die beiden ITO-Elektroden der elektrooptischen
Anordnung unterschiedliche Eigenschaften, insbesondere unterschiedliche
optische oder elektrische (d. h. elektrischen Flächenwiderstand) Eigenschaften
besitzen, um den FN-Effekt zu optimieren. Aus diesem Grund läßt es die
Erfindung auch zu, daß die Eigenschaften der ITO-Schichten, insbesondere die
optischen und elektrischen Eigenschaften, einen Gradienten in mindestens
einer Richtung innerhalb einer ITO-Schicht aufweisen.
Möglich ist außerdem die Substitution einer ITO-Elektrode durch Elektroden
aus anderen Materialien, insbesondere auch durch eine elektrisch leitfähige
Spiegelschicht im Spezialfall des steuerbaren Spiegels.
Erfindungsgemäß besteht die elektrooptische Anordnung aus der Schichtfolge
transparentes Substrat - transparente Elektrode - Orientierungsschicht -
LC-Schicht - Orientierungsschicht - transparente Elektrode - Substrat - ggf.
Spiegelschicht. Im Falle des steuerbaren Spiegels kann die Spiegelschicht auch
zwischen der transparenten Elektrode und dem letztgenannten Substrat
angeordnet sein. Bei der technischen Realisierung der erfindungsgemäßen
elektrooptischen Anordnung sind gegebenenfalls zusätzliche Hilfsschichten,
wie etwa eine zusätzliche Schutzschicht auf der Spiegelschicht, zweckmäßig.
Die bei der erfindungsgemäßen elektrooptischen Anordnung zur Schaffung
eines Spiegelsystems verwendete Flüssigkristallsubstanz ist so beschaffen, daß
sich eine
großtechnische Fertigung des Spiegelsystems realisieren läßt. Dies betrifft
insbesondere die Einführung des Flüssigkristalls in den Hohlraum zwischen den
beiden Elektroden. Erfindungsgemäß wird hierzu eine geeignete Variation der dem
Fachmann bekannten Vakuumfülltechnik verwendet. Durch geeignete Verfahren ist
es möglich, eine luftblasenfreie und homogene Füllung des Hohlraumes zu erreichen,
ohne daß Entmischungserscheinungen auftreten. Möglich sind auch andere
Fülltechniken.
Die durch diese Fülltechniken einstellbare Dicke der LC-Schicht ist sehr variabel und
liegt vorzugsweise zwischen 5 µm und 20 µm.
Die nach der erfindungsgemäßen elektrooptischen Anordnung hergestellten
Spiegelsysteme zeichnen sich durch hohen Reflexionsgrad im nicht streuenden
Zustand aus, der wesentlich durch die Transmission eines Schichtsystems der Form
Glas - ITO-Elektrode - Orientierungsschicht - LC-Schicht -Orientierungsschicht -
ITO-Elektrode - Glas bestimmt wird. Hierzu muß die Transmission eines solchen
Schichtsystems mit Hilfe eines Lasers, dessen Strahl senkrecht auf das
Schichtsystem gerichtet wird, mit Hilfe einer geeigneten Photodiode, die in einer
Entfernung von 1 cm vom hinteren Substrat des Schichtsystem angeordnet wird,
gemessen werden. Die aktive Fläche beträgt ca. 1 × 1 cm². Die Transmission des
Schichtsystems beträgt bei Anlegen der zum Erreichen des nicht streuenden
Zustandes notwendigen Wechselspannung < 85%. Eine weitere Erhöhung dieses
Wertes ist durch Entspiegelung der Glassubstrate möglich.
Die angelegte Wechselspannung beträgt dabei 30 V bis 120 V, vorzugsweise 50 V
bis 80 V (alles Effektivwerte) bei einer Frequenz der Spannung von 5 Hz bis
10 kHz, vorzugsweise 20 Hz bis 5 KHz. Es wurde festgestellt, daß nach dem
Abschalten der zum Erreichen des nicht streuenden Zustandes notwendigen
Wechselspannung die Transmission unwesentlich geringer wird. Als unwesentlich
werden Werte einer Transmissionsänderung von < 5% bezeichnet. Zum Erreichen
des streuenden Zustandes wird erfindungsgemäß an die sich gegenüberliegenden
Enden mindestens einer Elektrode eine Spannung von 5 V bis 60 V, vorzugsweise
12 V bis 50 V angelegt. Dabei fließt im Zeitraum von 0,1 s bis 10 s bei einer Fläche
der Elektroden von ca. 1 cm × 1 cm bei einen Flächenwiderstand von 30 Ω/cm² ein
Strom von 170 mA bis 2000 mA, vorzugsweise von 400 mA bis 1700 mA. Diese
Spannung kann eine Gleichspannung sein, andere Spannungsformen sind möglich.
Nach Beendigung des Stromflusses stellt sich nach einer bestimmten Relaxationszeit
eine Transmission von bis zu < 6% ein. Die nach der erfindungsgemäßen
elektrooptischen Anordnung hergestellten Spiegelsysteme weisen somit bistabiles
Verhalten auf.
Als vorteilhaft erweist sich die Möglichkeit der Einstellung von Zwischenstufen im
Sinne der streuenden Wirkung. Die Streuwirkung kann durch Änderung der Dauer
und der Größe der zum Erreichen des streuenden oder nicht streuenden Zustandes
notwendigen angelegten Spannung beeinflußt werden.
Die nach der erfindungsgemäßen elektrooptischen Anordnung hergestellten
Spiegelsysteme zeichnen sich durch schnelle Umschaltzeiten aus. So wird bei
Zimmertemperatur sowohl der streuende als auch der nicht streuende Zustand
innerhalb eines Zeitraums von < 1 s erreicht. Bei anderen Umgebungstemperaturen
sind die erforderlichen Umschaltspannungen einfach anpaßbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen elektrooptischen
Anordnung.
In Fig. 1 wird die Prinzipdarstellung einer elektrooptischen Anordnung, die
vorteilhaft Spiegelsystem mit veränderbaren Reflexionsgrad genutzt werden soll,
gezeigt. Das Substrat 1, auf dem die Spiegelschicht 2 aus Chrom in der dem
Fachmann bekannten Weise aufgebracht wurde, hat eine Dicke von 1,5 mm, die
geometrischen Abmaße betragen 20 × 15 mm². Darauf wird als transparente
Elektrode 3 eine 120 nm dicke ITO-Schicht 3 aufgesputtert, deren
Flächenwiderstand ca. 20 Ω/cm² beträgt. Das zweite Substrat 1 hat die
geometrischen Abmaße 20 × 15 × 0,7 mm³. Somit ergibt sich eine aktive Fläche von
ca. 10 × 10 mm². Das zweite Substrat 1 besteht z. B. aus ITO-beschichteten Glas der
Firma Balzers. Der Flächenwiderstand des ITO beträgt ca. 100 Ω/cm².
ITO-Schichten 3 mit einer Dicke von weniger als 50 nm sind ungeeignet, da sie bei
gleichem Grad der Oxydation des ITO zu einer wesentlichen Erhöhung des
elektrischen Flächenwiderstandes führen, der die erfindungsgemäße Nutzung des
FN-Effektes unmöglich macht. Außerdem sind bei derart geringen ITO-Schicht
dicken, die zum Erreichen des für den Zustand notwendigen Wärmeeintrages
notwendigen Spannungen sehr groß, so daß eine einfache großtechnische
Realisierung der Anordnung schwierig wird. Eine Verringerung des elektrischen
Flächenwiderstandes durch Verwendung von Schichten mit geringerem Grad der
Oxydation führt andererseits zur Verschlechterung der optischen Eigenschaften der
ITO-Schichten 3, d. h. der Transmissionsgrad wird geringer, da die dem Fachmann
bekannte, braune Einfärbung der Schichten bestehen bleibt. Andererseits sind Dicken
der ITO-Schicht von mehr als 300 nm, was bei dem notwendigen Grad der
Oxydation einem elektrischen Flächenwiderstand von < 10 Ω/cm² entspricht,
ungeeignet, da bei großen Schichtdicken der Transmissionsgrad der
ITO-Schichten 3 geringer wird. Außerdem verringert sich bei großen Schichtdicken
bei den zur Nutzung für den erfindungsgemäß beschriebenen FN-Effekt
vorgesehenen ITO-Schichten 3, deren Haftfestigkeit auf den Substraten 1, so daß
eine einfache großtechnische Realisierung der Anordnung erschwert wird.
Die beschichteten Substrate 1 werden in geeigneter Weise mit Hilfe von Ultraschall
gereinigt und in einem nachfolgenden Temperprozeß getrocknet. Zur homöotropen
Vorzugsorientierung der LC-Moleküle sind auf die ITO-Schichten 3 der Substrate 1
Orientierungsschichten 4 durch Aufschleudern von 0,1%-iger Lecithin-Lösung in
Ethanol und anschließendes Tempern aufgebracht. Durch gezieltes Bestäuben sind
Plastikabstandshalter 5 mit einem Durchmesser von 12 µm zur Einstellung einer
definierten und homogenen Dicke der LC-Schicht 6 und zur Vermeidung von
Kurzschlüssen zwischen den ITO-Elektroden 3 über die gesamte aktive Fläche der
Anordnung verteilt aufgebracht. Auf die Kanten des verspiegelten Substrats 1 sind
vier Klebepunkte aus UV-empfindlichem Kleber (z. B. von der Firma Panacol)
gesetzt. Die aktive Fläche des verspiegelten Substrates 1 wurde mit dem
FN-Flüssigkristall (z. B. FN 189 der Firma NEMATEL, Mainz) benetzt. Durch die dem
Fachmann bekannte Klapptechnik werden die beiden Substrate 1 zusammengeführt
und anschließend die Klebepunkte ausgehärtet. Die Anordnung wird auf bekannte
Weise mit UV-empfindlichem Kleber versiegelt und letzterer anschließend
ausgehärtet. Abschließend wird die Anordnung durch Befestigung von Drähtchen 7
an den Rändern der ITO-Elektroden 3 mit Silberleitkleber (z. B. von der Firma
Polytec) mit den Spannungsquellen 8a und 8b elektrisch kontaktiert.
Nach Einfüllen des Flüssigkristalls befindet sich die Anordnung in einem streuenden
Zustand, jedoch nicht im Zustand maximaler und über die aktive Fläche homogener
Streuung. Anschließend wird zum Erreichen des nicht streuenden Zustandes an die
Spannungsquelle 8a eine Wechselspannung von 50 V (Effektivwert) mit einer
Frequenz von 100 Hz für die Zeitdauer von 0,5 s angelegt. Zum Zeitpunkt des
Abschaltens der Spannung ist der nicht streuende Zustand erreicht. Es wurde
festgestellt, daß nach dem Abschalten der zum Erreichen des nicht streuenden
Zustandes notwendigen Wechselspannung die Transmission unwesentlich geringer
wird. Zum Erreichen des streuenden Zustandes wird an mindestens eine der
ITO-Elektroden 3 eine Spannungsquelle 8b mit einer Gleichspannung von 40 V für einen
Zeitraum von 2 s angelegt. Dabei fließt ein Strom von ca. 1000 mA. Nach
Beendigung des Stromflusses stellt sich nach einer Zeit von ca. 2 s der streuende
Zustand der LC-Schicht 6 ein.
Die Anordnung wird mit den im Beispiel 1 beschriebenen Materialien gefertigt. Die
Abmaße des verspiegelten Substrats 1 betragen zweckmäßig 60 × 60 × 2 mm³, die
des zweiten Substrates 1 sind vorteilhaft 70 × 50 × 0,7 mm³. Somit ergibt sich eine
aktive Fläche der Anordnung von ca. 45 × 45 mm². Nach der analog zum Beispiel 1
erfolgten Reinigung der ITO-beschichteten Substrate 1, dem Aufbringen der
Orientierungsschichten 4 und der Abstandshalter 5 auf die Substrate 1 wird das
zweite Substrat 1 auf das mit der Spiegelschicht 2 versehene Substrat 1 in geeigneter
Weise aufgelegt. Die Anordnung wird dann in bekannter Weise bis auf einen
Einfüllstutzen mit UV-empfindlichem Kleber versiegelt und letzterer anschließend
ausgehärtet. Durch eine geeignete Variation eines dem Fachmann als
Vakuumfülltechnik bekanntes Verfahren wird ein Filled-Nematic-Flüssigkristall (z. B.
FN 189 der Firma NEMATEL, Mainz) bei einen Anfangsdruck von 10-2 mbar in
den zwischen den Substraten entstandenen spaltförmigen Zwischenraum am
Einfüllstutzen eingebracht. Der Einfüllstutzen wird mit einem UV-empfindlichen
Kleber versiegelt und dieser anschließend ausgehärtet. Abschließend wird die
Anordnung auf die in Beispiel 1 beschriebene Art mit den Spannungsquellen 8a und
8b elektrisch kontaktiert.
Nach dem Einfüllen des Flüssigkristalls befindet sich die Anordnung in einem
streuenden Zustand, jedoch nicht im Zustand maximaler und über die aktive Fläche
homogener Streuung. Anschließend wird zum Erreichen des nicht streuenden
Zustandes an die Spannungsquelle 8a eine Wechselspannung von 55 V
(Effektivwert) mit einer Frequenz von 100 Hz für die Zeitdauer von 0,5 s angelegt.
Zum Zeitpunkt des Abschaltens der Spannung ist der nicht streuende Zustand
erreicht. Es wurde festgestellt, daß nach dem Abschalten der zum Erreichen des
nicht streuenden Zustandes notwendigen Wechselspannung die Transmission
unwesentlich geringer wird. Zum Erreichen des streuenden Zustandes wird an eine
der Spannungsquellen 8b eine Gleichspannung von 20 V für einen Zeitraum von 5 s
angelegt, dabei fließt ein Strom von ca. 500 mA. Nach Beendigung des Stromflusses
stellt sich nach einer Zeit von ca. 5 s der streuende Zustand ein.
Insbesondere letzteres Herstellungsverfahren ist für den Anwendungsfall der
erfindungsgemäß beschriebenen elektrooptischen Anordnung als abblendbarer
Autospiegel, der bei Verbindung der Anordnung mit entsprechender Sensorik und
entsprechenden elektronischen Regelkreisen einen automatischen Blendschutz des
Autofahrers gewährleistet, gut geeignet, da bei diesem Anwendungsfall eine
großtechnische Produktion realisiert werden muß. Insbesondere ist durch das
beschriebene Füllverfahren eine homogene Füllung von Anordnungen mit aktiven
Flächen, wie sie für Autoinnen- bzw. Autoaußenspiegel typisch sind, möglich.
Das beschriebene Herstellungsverfahren erlaubt die Produktion von Autospiegeln
mit gewölbten Substraten. Besonders vorteilhaft für die Anwendung der
beschriebenen Anordnung als Autospiegel ist die Eigenschaft der Bistabilität des
streuenden bzw. nicht streuenden Zustandes des Spiegels, der den aus
sicherheitstechnischer Sicht notwendigen hohen Reflexionsgrad des Spiegels bei
Ausfall des Bordnetzes des Kraftfahrzeuges ohne zusätzliche sekundäre
Energiequellen garantiert. Günstig ist auch die gute optische Wirkung des
verwendeten FN-Effektes im Sinne der Auflösung des Bildinhaltes durch das
menschliche Auge im streuenden Zustand des Spiegels, der durch den geringen
Durchmesser der Streuzentren in der LC-Schicht gewährleistet wird. Eine optimale
Anpassung an die persönlichen Anforderungen des Autofahrers ist gewährleistet
durch die Möglichkeit der stufenlosen Einstellung der Größe der Streuwirkung und
die Möglichkeit die Umschaltzeit zwischen nicht streuenden und streuenden Zustand
des Spiegels variabel und somit optimal zu gestalten, und zwar um einerseits die ggf.
gewünschte Warnfunktion einer kurzzeitigen Blendung des Autofahrers zu erhalten
und andererseits den nachfolgenden Umschaltvorgang möglichst kurzfristig zu
realisieren.
Claims (15)
1. Spiegelanordnung mit steuerbarem Reflexionsgrad, bei der eine
hochreflektierende Spiegelschicht mit einem elektrooptischen Schichtsystem mit
steuerbarer Transparenz gekoppelt ist und das Schichtsystem im wesentlichen
eine LC-Schicht vom Typ der Filled Nematics enthält, die sich in einem
hermetisch abgeschlossenen spaltförmigen Hohlraum zwischen transparenten
Elektroden befindet und mittels dieser Elektroden mit verschiedenen
Spannungen zur Erzeugung eines transparenten und eines lichtstreuenden
Zustandes der LC-Schicht kurzzeitig ansteuerbar ist, wobei zur Erreichung des
transparenten Zustandes der LC-Schicht zwischen den zwei Elektroden eine
Wechselspannung von einer ersten Spannungsquelle angelegt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - die Elektroden (3) aus InSnOx bestehende Schichten mit einer Schichtdicke zwischen 50 und 300 nm sind, die mit der ersten Spannungsquelle (8a) in Verbindung stehen, von der unterschiedliche Wechselspannungen bezüglich Effektivspannung und Frequenz bereitstellbar sind, wobei eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 5 kHz zwischen 30 und 80 V in Abhängigkeit vom gewünschten Reflexionsgrad der Spiegelanordnung eingestellt und kurzzeitig eingeschaltet wird, um den erforderlichen Grad des nichtstreuenden Zustandes der LC-Schicht (6) zu erreichen,
- - mindestens eine der Elektroden (3) einen geringen Flächenwiderstand zwischen 15 und 100 Ω/cm² aufweist und als Heizelektrode schaltbar ist, wobei an elektrisch nicht benachbarten Orten Kontakte vorhanden sind, die mit einer zweiten Spannungsquelle (8b) in Verbindung stehen,
- - die zweite Spannungsquelle (8b) Spannungen im Bereich zwischen 5 und 60 V bereitstellt, die kurzzeitig einen bestimmten Strom zwischen 170 und 2000 mA in der Heizelektrode verursacht, wobei je nach erreichbarem Stromfluß zwischen 10 und 0,1 s als Einschaltzeit der zweiten Spannungsquelle (8b) einzustellen sind, um den streuenden Zustand der LC-Schicht (6) zu erreichen.
2. Elektrooptische Anordnung mit steuerbarem Transmissionsgrad mit einer
LC-Schicht vom Typ der Filled Nematics, die sich in einem hermetisch
abgeschlossenen spaltförmigen Hohlraum zwischen transparenten Elektroden
befindet und mittels dieser Elektroden mit verschiedenen Spannungen zur
Erzeugung eines transparenten und eines lichtstreuenden Zustandes der
LC-Schicht kurzzeitig ansteuerbar ist, wobei zur Erreichung des transparenten
Zustandes zwischen den zwei Elektroden eine Wechselspannung von einer
ersten Spannungsquelle angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Elektroden (3) aus InSnOx bestehende Schichten mit einer Schichtdicke zwischen 50 und 300 nm sind, die mit der ersten Spannungsquelle (8a) in Verbindung stehen, von der unterschiedliche Wechselspannungen bezüglich Effektivspannung und Frequenz bereitstellbar sind, wobei eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 5 kHz zwischen 30 und 80 V in Abhängigkeit vom gewünschten Transmissionsgrad der elektrooptischen Anordnung eingestellt und kurzzeitig eingeschaltet wird, um einen erforderlichen Grad des nichtstreuenden Zustands der LC-Schicht (6) zu erreichen,
- - mindestens eine der Elektroden (3) einen geringen Flächenwiderstand zwischen 15 und 100 Ω/cm² aufweist und als Heizelektrode schaltbar ist, wobei an elektrisch nicht benachbarten Orten Kontakte vorhanden sind, die mit einer zweiten Spannungsquelle (8b) in Verbindung stehen,
- - die zweite Spannungsquelle (8b) Spannungen im Bereich zwischen 5 und 60 V bereitstellt, die kurzzeitig einen definierten Strom zwischen 170 und 2000 mA in der Heizelektrode verursacht, wobei je nach erreichbarem Stromfluß zwischen 10 und 0,1 s Einschaltzeit der zweiten Spannungsquelle (8b) einzustellen sind, um den streuenden Zustand der LC-Schicht (6) zu erreichen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Spannungsquelle (8a) eine Wechselspannung von 50 V mit einer
Frequenz von 100 Hz für eine Dauer mindestens 0,5 s zuschaltet, um den
optimal nichtstreuenden Zustand der LC-Schicht (6) zu erreichen.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Spannungsquelle (8a) Effektivwerte der Wechselspannung von
kleiner 50 V durch Regelung von Spannung oder Frequenz für eine Dauer von
mindestens 0,5 s zuschaltet, um unterschiedliche Niveaus zwischen dem
streuenden und dem optimal nichtstreuenden Zustand der LC-Schicht (6) zu
erreichen.
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Spannungsquelle (8b) eine Gleichspannungsquelle ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß durch die zweite Spannungsquelle (8b) eine Gleichspannung von 40 V für
eine Dauer von 2 s an der als Heizelektrode verwendeten Elektrode (3)
zuschaltbar ist, wobei die Heizelektrode bei einer Dicke von 120 nm und einem
Flächenwiderstand von 20 Ω/cm² einen Strom von 1 A zuläßt.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß durch die zweite Spannungsquelle (8b) eine Gleichspannung von 20 V für
eine Dauer von 5 s an der als Heizelektrode verwendeten Elektrode (3)
zuschaltbar ist, wobei die Heizelektrode bei einer Dicke von 120 nm und einem
Flächenwiderstand von 20 Ω/cm² einen Strom von 0,5 A zuläßt.
8. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Spannungsquelle (8b) eine Wechselspannungsquelle ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die besagte Elektrode (3) mäanderförmig strukturiert ist.
10. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die besagte Elektrode (3) in separate Flächenelemente unterteilt ist, wobei
jedes Widerstandselement separat mit einer zweiten Spannungsquelle (8b)
verbunden ist, so daß Flächen mit unterschiedlichem Streuzustand in der
LC-Schicht (6) erzeugbar sind, und wobei alle Flächenelemente eine
gemeinsame Verbindung zur ersten Spannungsquelle (8a) aufweisen.
11. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die besagten Flächenelemente zueinander parallele Streifen sind.
12. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die parallelen Streifen abgestuft unterschiedliche optische und elektrische
Eigenschaften aufweisen, so daß senkrecht zur Streifenrichtung ein Gradient
innerhalb der gesamten Elektrode (3) besteht.
13. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine der Elektroden (3) unterschiedliche optische und elektrische
Eigenschaften besitzen, so daß ein Gradient in mindestens einer Richtung
innerhalb der Elektrodenfläche besteht.
14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden (3) und die Spiegelschicht (2) auf gewölbten Substraten (1)
aufgebracht sind.
15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegelschicht (2) elektrisch leitend ist und eine der transparenten
Elektroden (3) ersetzt, wobei die Spiegelschicht (2) beide Steuerfunktionen
bezüglich der LC-Schicht (6) übernimmt.
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8125 | Change of the main classification |
Ipc: G02F 1/133 |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: HAWLITSCHEK, NORBERT, 07774 FRAUENPRIESSNITZ, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |