DE19505034C2 - Spiegelanordnung bzw. elektrooptische Anordnung mit steuerbarem Reflexionsgrad bzw. steuerbarem Transmissionsgrad - Google Patents

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 InSnO_x 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 InSnO_x 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.

Beispiel 1

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.

Beispiel 2

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 InSnO_x 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 InSnO_x 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.