DE1952023A1

DE1952023A1 - Verfahren und Einrichtung zum Erhoehen der Ansprechgeschwindigkeit einer einen fluessigen Kristall enthaltenden Zelle

Info

Publication number: DE1952023A1
Application number: DE19691952023
Authority: DE
Inventors: Heilmeier George Harry
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-10-16
Filing date: 1969-10-15
Publication date: 1970-09-03
Also published as: DE1952023B2; US3575491A; GB1288598A; FR2020860A1

Description

6857-69/Dr. ν.B/E

RCA 61,099

U.S. Ser.No. 768,145

Piled: October 16, 1968

RCA Corporation
New York, N.Y. (V.St.A.)

Verfahren und Einrichtung zum Erhöhen der Ansprechgeschwindigkeit einer einen flüssigen Kristall enthältenden Zelle

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine j Einrichtung zum Erhöhen der Ansprechgeschwindigkeit einer einen ! flüssigen Kristall, d.h. eine hochorganisierte, anisotrope Plus- \ sigkeit, enthaltenden Zelle. Mit anderen Worten gesagt, soll die i Zeitspanne zwischen dem Anlegen eines Einschaltimpulses oder Er- : regungssignales an eine eine anisotrope Flüssigkeit enthaltenden Zelle und das Eintreten der maximalen Opazität der Flüssigkeit so kurz wie möglich gemacht werden.

Das Problem, die Ansprechzeit einer anisotropen Flüssigkeit herabzusetzen, ist bereits in der deutschen Patentanmeldung P 17 64 966.O behandelt. Bei bestimmten Anwendungen von anisotropen Flüssigkeiten oder flüssigen Kristallen, wie sehr schnellen, ! elektrisch gesteuerten Verschlüssen, bei denen z.B. Ansprechzeiteil von 500 ys oder weniger gefordert werden, stellt das vorgeschla- ! gene Verfahren keine voll zufriedenstellende Lösung dar, da sich

so kurze Ansprechzeiten nicht erreichen lassen. J

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird an die anisotrope :

Flüssigkeit eine Vorspannung "angelegt, die unter dem Schwellwert liegt, bei dem die Flüssigkeit dynamisch zu streuen beginnt. Die

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Ansprechverzögerung wurde dabei ,zwischen dem Auftreten eines Einsch altimpulses und dem Zeitpunkt, in dem die Flüssigkeit dynamisch zu streuen beginnt, gemessen.

Durch die vorliegende Erfindung, soll nun die zwischen der Vorderflanke des Einschaltimpulses und dem Erreichen der maximalen Trübung (also des maximalen Streuvermögens) der anisotropen Flüssigkeit verstreichende Zeitspanne so kurz wie möglich gemacht werden. Das vorliegende Verfahren eignet sich daher besonders für Anwendungen j wie den erwähnten elektrisch gesteuerten Verschluß, bei denen die anisotrope Flüssigkeit in der kürzesten Zeit ihre maximale Opazität annehmen soll.

" Bei Untersuchungen an flüssigen Kristallen wurde festgeste.31, daß sich die Ansprechempfindlichkeit eines flüssigen Kristalls j

einfach dadurch erheblich steigern läßt, daß man das steuernde !

elektrische Feld erhöht. Der Grenzwert, bis zu dem die Feldstärke i erhöht werden kann, ist die Durchscäagsfeidstärke_s die größenord- j nungsmäßig etwa 3 x 10³V/cm betragen kann. Leider treten in einer j

anisotropen Flüssigkeit elektrochemische Reaktionen, die ihre Funk!-

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tionsfähigkeit beeinträchtigen₃ auf, wenn die Feldstärke für eine ^! nennenswerte Zeitspanne in der Nähe der Durchbruchsfeldstärke gehalten wird. Insbesondere wird die Lebensdauer der anisotropen ^: Flüssigkeit stark verkürzt. Es ist daher nicht möglich, eine an- )■■'■ isotrope Flüssigkeit derart zu betreiben, wenn eine nennenswerte Anzahl von Arbeitszyklen gefordert wird. "

. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein _; Verfahren und eine Einrichtung zum Erhöhen der Ansprechgeschwindigkeit einer eine anisotrope Flüssigkeit oder einen flüssigen Kristall enthaltenden Zelle anzugeben, die frei von den oben er- ; wähnten Mängeln sind.

Gemäß der Erfindung wird an die Zelle ein elektrisches Feld ' angelegt, dessen Feldstärke wesentlich größer als die Mindestfeldstärke ist, welche benötigt wird, um ein im wesentlichen maximales; LichtstreuvermSgen der anisotropen Flüssigkeit zu erreichen_s und > die Feldstärke wird nach einem relativ kurzen Zeitintervall auf 1

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einen Wert in der Nähe des Feldstärkewertes, bei dem die anisotrope Flüssigkeit praktisch ihr maximales Streuvermögen annimmt, abgesenkt. -

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Opazität einer hochorganisierten anisotropen Flüssigkeit in Abhängigkeit von der angelegten Spannung;

Fig. 2 ein Diagramm einer Schwingung, wie sie bei dem Verfahren gemäß der Erfindung an eine anisotrope Flüssigkeit angelegt werden kann;

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Einrichtung gemäß der Erfindung, die als Verschluß verwendet werden kann, und

Fig. 4,5 und 6 Schaltbilder von verschiedenen, zum schnei- S len Einschalten dienenden Schaltungsanordnungen, die in der Einrichtung gemäß Fig. 3 verwendet werden können. .

In Fig. 3 ist die Opazität einer 12,5 ym dicken, eine hochorganisierte, anisotrope Flüssigkeit (flüssigen Kristall) enthal- \ tende Zelle in Abhängigkeit von der angelegten Spannung dargestellt. Die maximale Opazität wird bei etwa 60 Volt erreicht. Eine weitere Sparinungserhöhung hat keine nennenswerte Erhöhung der Opazität mehr zur Folge. Bei einer 12,5 um dicken Zelle entsprechen 60 Volt einem Feld an der Flüssigkeit, dessen Feldstärke ungefägr gleich einem Fünftel der Durchbruchsfeldstärke ist. Beim Anlegen eines Feldes dieser Stärke dauert es beträchtlich länger als 500 ys, bis die maximale Opazität, also das maximale Streuvermögen, erreicht werden.

• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die die anisotrope Flüssigkeit enthaltende Zelle anfänglich beträchtlich übersteuert i und die elektrische Feldstärke wird dann wieder auf einen Wert herabgesetzt, der nahe bei demjenigen Wert liegt, der zur Erzeugung einer im wesentlichen maximalen Opazität in der Zelle benötigt wird. Bei. der Steuerspannung für die 12,5 ym dicke Zelle kann es

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sich um eine Gleichspannung handeln, wie s-ie in ihrem Verlauf in Fig. 2 durch die ausgezogene Linie dargestellt ist. Die Spannung beträgt anfänglich 180 V und wird auf diesem Spannungswert für eine kurze Zeitspanne in der Größenordnung von 10 ms gehalten. Diese Spannung entspricht einer elektrischen Feldstärke von etwa

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der Hälfte der Durehbruchsfeldstärke von 3 x 10^ V/cm. Die Spannung kann sogar noch höher sein, die Durehbruchsfeldstärke soll jedoch nicht wesentlich überschritten werden. Anschließend wird die Spannung auf 60 V herabgesetzt. Es wurde gefunden, daß die Lebensdauer der anisotropen Flüssigkeit durch die Einwirkung der hohen elektrischen Feldstärke während eines Intervalles in der Größenordnung von 10 ms nicht wesentlich herabgesetzt wird. Andererseits wird jedoch die Ansprechzeit sehr erheblich verkürzt, nämlich von etwa 10 ms auf weniger als 500 us.

Die an die anisotrope Flüssigkeit angelegte Spannung kann, wie erwähnt, eine Gleichspannung sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Wechselspannung oder eine pulsierende Spannung relativ niedriger Frequenz, z.B. 60 Hz, zu verwenden, die "| in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist und eine Einhüllende ahn- j lieh wie die in Fig. 2 dargestellte Spannung hat. Bei einer spe- ; ziellen Schaltung, bei der eine Wechselspannung verwendet wurde, · betrug die Anstiegszeit 500 ys bei 25 ⁰C und einer Erregungs- ι spannung von 125 ^v _eff* 60 Hz. Die Einhüllende dieser Wechselspan-^! nung entsprach der Darstellung in Fig. 2. Die die anisotrope _{ Flüssigkeit-enthaltende Zelle war 12,5 ym dick und hatte trans- j parente, mit Zinnoxid beschichtete Glaselektroden.

Figi 3 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Es enthält eine Lichtquelle 10 und einen Verschluß 12. Dieser Verschluß kann z.B. aus einer Maske Vor den Augen eines Beobachters 14 bestehen. Der Verschluß kann auch z.B. die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges oder die Kanzelverglasung eines Flugzeuges bilden. >

Der Verschluß 12 enthält zwei Glasplatten l6, l8, deren ' Innenflächen mit transparenten, elektrisch leitenden Schichten

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20 und 22 überzogen sind, welche z.B. aus Zinnoxid bestehen können. Die Ränder können mit Abdichtungen 24, 26 aus Glas oder irgend einem anderen Isoliermaterial versehen sein. Zwischen den beiden mit Zinnoxid beschichteten Glasplatten befindet sich eine nematische anisotrope Flüssigkeit mit dynamischem Streuvermögen.

Vor dem Verschluß ist ein Lichtfühler 32 angeordnet, der z.B. eine Photozelle und einen Verstärker enthalten kann. Der Lichtfühler 32 ist mit der Setzklemme S eines Flip flops 34 verbunden. Die 1-Ausgangsklemme des Flipflops ist mit einem schnell arbeitenden Einschaltkreis 36 verbunden, der eine Spannung an die beiden leitenden Schichten 20, 22 liefert.

Wenn die Lichtquelle 10 bei Verwendung der Einrichtung gemäß Fig. 3 am Ort des Lichtfühlers 32 eine Bestrahlungsstärke erzeugt, die einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, liefert der Lichtfühler 32 ein Ausgangssignal, das das Flipflop 34 setzt. Die Lichtquelle 10 kann z.B. aus den Scheinwerfern eines entgegenkommenden Kraftfahrzeuges oder aus dem Lichtblitz eines hellen Leuchtfeuers oder einer Explosion bestehen. Beim Setzen des Flipflops 34 wird der schnelle Einschaltkreis 36 betätigt, der seinerseits dann eine Spannung der in Fig. 2 dargestellten Art an den Verschluß liefert. Bei dieser Spannung kann es sich, wie gesagt, um eine Gleichspannung (unipolare Spannung) oder _{ eine Wechselspannung, die wie es Fig. 2 Zeigt moduliert ist, han~j dein. !

Die Spannung erzeugt an der anisotropen Flüssigkeit ein elektrisches Feld, dessen Feldstärke anfänglich in der Nähe der ^! Durchb—ruchsfeidstärke der Flüssigkeit liegt und nachher auf einen Wert absinkt, der in der Nähe desjenigen Wertes liegt, der zum Erzeugen der maximalen Opazität, d.h. des maximalen Streuvermögens der Flüssigkeit, erforderlich ist. Wenn also der Schwellwert der Beleuchtungsstärke des Lichtfühlers 32 überschritj ten wird, geht die anisotrope Flüssigkeit in einer extrem kurzen j Zeitspanne, die in der Größenordnung von 500 ys oder darunter liegt, vom transparenten in den trüben oder opaken~f5ustand über.

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Die Ansprechgeschwindigkeit ist so hoch, daß keine Beschädigung der Augen des Beobachters 14 oder bei weniger intensiven Lichtquellen eine vorübergehende Blendung des Beobachters vermieden wird.

Das Flipflop 34 kann dadurch automatisch zurückgestellt werden, daß das elektrische Ausgangssignal des Lichtfühlers 32 unter einen vorgegebenen Wert absinkt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Rückstellung des Flipflops von Hand mittels eines Schalters 42 vorzusehen, der zwischen eine Batterie 42 und die Rückstellklemme R des Flipflops geschaltet ist. Wieder eine andere Möglichkeit besteht darin, den Lichtfühler 32, der eine Photozelle oder dgl. (zuzüglich der erforderlichen Energieversorgung) und einen Verstärker enthalten kann, direkt an den schnellen Einschaltkreis 36, der in Fig. 6 dargestellt ist, anzuschließen. In diesem Falle kehrt die anisotrope Flüssigkeit automatisch wieder in ihren transparenten Zustand zurück.

Zum Erzeugen der in Fig. 2 dargestellten Spannungen können verschiedene Schaltungsanordnungen verwendet werden. Zwei typische S ehalt ungs an Ordnungen für diesen Zweck sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 wird der bei 50 dargestellte plötzliche Spannungssprung, der z.B. beim Setzen des Flipflops 34 auftritt, einem Differenzierglied zugeführt, das aus einem Widerstand 52 und einem Kondensator 54 be» steht. Bei entsprechender Wahl der Parameter dieser Schaltungselemente und eines Widerstandes 56, der der die anisotrope Flüssigkeit enthaltenden Zelle 58 (die dem Verschluß 12 in Fig. 3 entspricht) parallelgeschaltet ist, liefert die Schaltungsanordnung eine Spannung mit einem Verlauf wie er in Fig. 2 etwas idealisiert durch die ausgezogene Kurve dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt eine gegenüber Fig* 4 abgewandelte Schaltungsanordnung , die ebenfalls das Differenzierglied 52, 54 sowie den Widerstand 56 enthält. Der Widerstand 56 ist jedoch zwischen die Quellenelektrode 60 und die Steuerelektrode 62 eines Feldeffekttransistors 64 geschaltet. Die die anisotrope Flüssigkeit.enthai-

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tende Zelle 58 ist zwischen die Quellenelektrode 60 und die Abflußelektrode 66 des Transistors 64 geschaltet. Der Abflußelektrode 66 wird über einen Widerstand 66 eine Betriebsspannung (+) zugeführt. Bei geeigneter Wahl der Schaltungsparameter liefert auch diese Schaltungsanordnung, wie die Schaltungsanordnung nach Fig. 4, eine Spannung mit dem in Fig. 2 dargestellten Verlauf.

Mit der in Fig. 6 dargestellten Schaltungsanordnung kann eine Wechselspannung mit einer Modulation, wie sie in Fig. 2 generell dargestellt ist, erzeugt werden. Die Frequenz der erzeug ten Spannung beträgt jedoch nicht 60 Hz, sondern ist etwas höher, z.B. 200 bis 300 Hz₉ so daß während des anfänglichen, 10 ms dauernden Intervalles mehrere Zyklen der Wechselspannung auftreten.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6 enthält die auch schon in Fig. 5 vorhandenen Schaltungselemente 52, 5^ und 56. Das Differenzierglied 52a 54 ist über einen Widerstand "3 mit der Basis 82 eines npn-Transistors 8H gekoppelt. Der Emitter 86 des Transistors ist mit Masse verbunden und der Kollektor 88 ist über einen Arbeitswiderstand 90 mit einer Wechselspannungsquelle 92 verbunden. Die die anisotrope Flüssigkeit enthaltende Zelle 58, die der Zelle 12 in Fig. 3 entsprechen kann, ist in Reihe mit einem Kondensator 92 dem Arbeitswiderstand 90 parallelgeschaltet.

Beim Betrieb der in Fig. 6 dargestellten Schaltungsanordnung liefert die Differenzierschaltung 52, 5¹^₃ 56 an die Basis 82 des Transistors BH eine Spannung entsprechend der in Fig. 2 ausgezogen gezeichneten Kurve, jedoch mit niedrigeren Spannungswerten, wenn am Eingang der Schaltungsanordnung ein einem Lichtblitz entsprechender Spannungssprung 50 auftritt. Hierdurch wird der Transistor aufgetastet und er leitet während der ersten zehn Millisekunden bei jeder positiven Halbwelle der.von der Wechselspannungsquelle 92 gelieferten Sinusschwingung verhältnismäßig stark. Dabei tritt am Arbeitswiderstand 90 und damit an der Reihenschaltung aus der Zelle 58 und dem Kondensator 92 eine entsprechende Wechselspannung auf. Diese Wechselspannung bewirkt, daß die Zelle mit der anisotropen Flüssigkeit in der oben be-

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schriebenen Weise sehr rasch eingeschaltet wird. Nach einem verhältnismäßig kurzen Zeitintervall, wie 10 ms, fallen die Spannung an der Basis 82 und damit auch die Wechselspannung an der Zelle 58 auf niedrigere Werte ab.

Wenn eine Wechselspannung mit einer niedrigeren Frequenz erzeugt werden soll, ist es wichtig, daß die Wechselspannung während der ersten zehn ms nach dem Einschalten die richtige Phasenlage hat, wie anhand von Fig. 2 leicht einzusehen ist. Um dies zu gewährleisten, kann man Oszillatorschaltungen speziel· len Typs (siehe z.B. US-PS 2 991 469) verwenden, die durch das Eingangssignal 50 eingeschaltet werden. Ein solcher Oszillator beginnt bei jedem Einschalten mit der gleichen Phasenlage zu schwingen. Diese kann dann so gewählt werden, daß sich eine Kosinus schwingung ergibt, ähnlich wie sie in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Erhöhen der Ansprechgesehwindxgkext einer eine hochorganisierte, anisotrope Flüssigkeit enthaltenden Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zelle (58) ein elektrisches Feld angelegt wird, dessen Feldstärke wesentlich größer ist als die Mindestfeldstärke, welche benötigt wird, um ein im wesentlichen maximales Lichtstreuvermögen der anisotropen Flüssigkeit zu erreichen, und daß die Feldstärke nach einem relativ kurzen Zeitintervall auf einen Wert in der Nähe des jenigen Feldstärkewertes, bei dem die anisotrope Flüssigkeit praktisch ihr maximales Streuvermögen annimmt, abgesenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zelle anfänglich ein elektrisches Feld angelegt wird, dessen Feldstärke in der Nähe der Durchschlagsfeldstärke der Zelle liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das relativ kurze Zeitintervall eine Dauer in der Größenordnung von einer hundertste! Sekunde hat.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Feld abgelegt wird, dessen Wert mindestens das Doppelte des Feldstärke^ wertes ist, der zum Erzeugen des im wesentlichen maximalen Lichtstreuvermögens der Flüssigkeit erforderlich ist, daß die Feldstärke herabgesetzt wird, bevor eine wesentliche Beeinträchtigung der anisotropen Flüssigkeit eintritt und daß der Wert, auf den die Feldstärke herabgesetzt wird, in der Nähe desjenigen Feldstärkewerfces liegt, bei dem die anisotrope Flüssigkeit im wesentlichen beginnt ihr maximales Lichtstreuvermögen anzunehmen.

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5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem optischen Verschluß, der zwei transparente Isolierschichten, auf deren Innenseiten jeweils eine transparente elektrisch leitende Schicht angeordnet ist, und eine zwischen den leitenden Schichten angeordnete hochorganisierte anisotrope Flüssigkeit enthält, und einer beim Verschluß angeordneten lichtempfindlichen Vorrichtung, die ein elektrisches Signal liefert, wenn die Bestrahlungsstärke einen bestimmten Schwellwert überschreitet, gekennzeichnet du rchj einen Schnelleinschaltkreis (36 in Fig. .3; Fig. 4; Fig. 5; Fig.6)j, der bei Auslösung durch das von der lichtempfindlichen Vorrich- ■ tung (32) erzeugte elektrische Signal zwischen den beiden trans- ' parenten, elektrisch leitenden Schichten (20, 22) eine Spannung erzeugt, deren Betrag anfänglich wesentlich größer ist als der Spannungswert, der mindestens erforderlich ist, um praktisch das ■;. maximale Lichtstreuvermögen der Flüssigkeit zu bewirken, und der nach einempruchteil einer Sekunde auf einen Wert in der Nähe des für das maximale Streuvermögen erforderlichen Mindestwertes ab- ; fällt. " ;

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