DE2058543A1

DE2058543A1 - Anisotrope Fluessigkeit enthaltende Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2058543A1
Application number: DE19702058543
Authority: DE
Inventors: Kahn Frederic Jay; Yoshitake Ohnishi
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1969-11-29
Filing date: 1970-11-27
Publication date: 1971-06-09
Also published as: NL7015257A; JPS4929472B1; GB1335834A

Description

DR.-ING. HERBERT

8 MÜNCHEN^ 71

HINDEiAMOSTH. 8 TEtBPON 0811/75 77 25 TElEGRAMM ADRESSE: PATITIA MÜNCHEN

Nippon Electric Gompany, Limited 7-15» Shiba G-ochome, Minato-Ku - Tokio, Japan

Anisotrope Flüssigkeit enthaltende Anzeigevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige von Farbänderungen in Abhängigkeit von Feldstärkeänderungen elektrischer Felder, die auf eine anisotrope Flüssigkeit mit quasi kristallinen Eigenschaften (Flüssigkeitskristalle), insbesondere Gholesterine, zwischen parallelen Elektroden einwirken, von denen wenigstens eine Elektrode zum Durchdringen von Lichtstrahlen transparent ist und wobei die in übereinander liegenden .tab en en angeordneten Moleküle jeweils in einer Ebene eine bestimmte Richtung einnehmen.

Vorrichtungen der eingangs bezeichneten Art sind bekannt, die zu Anaeigezwecken den elektro-optischen Effekt solcher Flüssigkeiten ausnützen, deren optische Achse in Richtung der angelegten elektrischen Felder liegt. Zu solchen anisotropön Flüssigkeiten gehören Gholesterine, die als dünner Film oder dünne Üchicht zwischen Plattenelektroden angeordnet sind, von denen eine XLektrode transparent ist,

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DEUTSCHE BANK AO KONTO-NH. 38/22931 POSTSCHECK MÜNCHEN MSB IB

so daß die Färbänderungen der Flüssigkeit in Abhängigkeit von den angelegten elektrischen Feldern beobachtet werden können.

Bei den bekannten "Vorrichtungen ist die Farbansprechänderung der anisotropen Flüssigkeit sehr klein. Die höchste Ansprechfrequenz liegt bei 20 Hz im Wechselstromfeld. Außerdem ist der wirksame Beobachtungswinkel im Verhältnis zur Ebene der dünnen Flüssigkeitsschicht und der einfallenden Lichtstrahlen sehr begrenzt, weil die Beobachtungsperson der Lichtquelle zugewandt sein muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine schnellere Anzeigeänderung aufweist und die besser und bequemer beobachtet werden kann.

Die Aufgabe nach der Erfindung wird in der Weise gelöst, daß elektrische Mittel vorgesehen sind, mittels denen die Flüssigkeit in,einer Weise beeinflußbar ist, daß ihre optische Achse im wesentlichen parallel zu den Elektroden verläuftο

Dabei liegt der Erfindung ein besonderer, bei Wissenschaftlern und Technikern bisher nicht bekannter elektrooptischer Effekt anisotroper Flüssigkeiten, insbesondere Oholesterinen, zugrunde, infolge dessen die optische Achse der anisotropen Flüssigkeit, die normalerweise senkrecht zwischen zwei parallelen Elektroden verläuft, in eine Ebene parallel zu den Elektroden gebracht werden kann.

Die Erfindung besteht somit auch in einem Verfahren zur Beeinflussung der anisotropen Flüssigkeit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld bestimmter Feldstärke während einer bestimmten Zeitspanne angelegt wird, bevor ein weiteres elektrisches Feld ange~ .gt wird, auf Grund dessen Feldstärkeänderungen die Farbänderungen der Flüssigkeit beobachtbar sind.

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weitere Vorrichtungs- und Verfahrensmerkmale der Erfindung können der nachfolgendeη Beschreibung oder den weiteren Unteransprüchen entnommen werden. Dabei werden anisotrope Flüssigkeiten der vorstehenden Art mit den quasi kristallinen Eigenschaften auch als sogenannte "Flüssigkristalle" bezeichnet.

In den Zeichnungen wird die Erfindung mehr im einzelnen beschrieben und erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung der Molekularschichten eines Gholesterin-Flüssigkristalls;

Fig. 2 im Prinzip eine herkömmliche Anzeigevorrichtung mittels eines Oholesterin-Flüssigkristallsj

Fig. 3 im Prinzip eine Anzeigevorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 4- einen Querschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 befinden sich die koleküle eines Oholesterin-Flüssigkristalls im allgemeinen in Schichten. Dabei sind die koleküle 11 innerhalb einer Ebene 12 in einer Sichtung ausgerichtet. Von Ebene zu Ebene ist die Sichtung der Moleküle verdreht.

Von außerhalb betrachtet ergibt die Änderung der Molekülrichtungen von Ebene zu Ebene einen schraubenlinienförmigen Verlauf. Die Steigung dieser Schraubenlinie innerhalb des Abstandes 14 zwischen nächstliegenden Ebenen mit gleicher Molekülausrichtung kann mittels elektrischer Felder geändert werden, die quer zum Flüssigkristall angelegt; werden.

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Liegt solch ein Flüssigkristall in einer herkömmlichen Vorrichtung in einer dünnen Schicht vor, wie Fig. 2 zeigt, wobei parallel Schichtelektroden 27» 28 die dünne Schicht begrenzen, verläuft die optische Achse 23 des Flüssigkristalls stets rechtwinklig zu deß Elektroden 27 und 28 und die Ebenen 12 der Molekülschichten verlaufen parallel zu diesen. Bei Anlegung eines elektrischen Feldes 26 zwischen den Elektroden 27 und 28 und einer Änderung der Feldstärke ändert sich die Schraubenliniensteigung, wobei die Richtung der optischen Achse unverändert bleibt. Im Ergebnis lassen sich Farbänderungen der dünnen Flüssigkristallschicht beobachten. Mehr im einzelnen wird ein Lichtstrahl 24, der unter einem bestimmten Einfallswinkel auf die Flüssigkristallschicht auffällt, an den Molekülebenen 22 der BRAGG-Reflektion ausgesetzt, welche sich auf Grund der Eigenschaften des Flüssigkristalls 21 als ein optisches Gitter darstellen. Der reflektierte Strahl wird dabei wahrgenommen, der durch die sich ändernde Schraubenliniensteigung selektiv zerstreut wird. Liegen die Steigungsänderungen im Wellenlängenbereich der sichtbaren Lichtstrahlen, lassen sich verschiedene Färbungen des Flüssigkristalls in dem reflektierten Lichtstrahl 25 wahrnehmen. Die Anlegung von elektrischen Feldern zur Änderung der Schraubenliniensteigung bewirkt somit die Änderung der Färbung der reflektierten Lichtstrahlen. Auf diese tfeise kann die Änderung eines elektrischen Feldes optisch sichtbar gemacht werden.

vorstehend erläutert, liegt der herkömmlichen Anzeigevorrichtung der besondere elektro-optische Effekt des Flüssigkristalls zugrunde, wobei Farbänderungen durch die Anlage elektrischer Felder parallel zur optischen Achse 23 wahrnehmbar sind. Ein Beobachter muß jedoch der Lichtquelle der ausgesende.-ten Lichtstrahlen zugewandt sein. Aus diesem Grunde ist die Beobachtung des Flüssigkristalls unbequem und der wirksame Beobachtungswinkel in bezug auf die Ebenen des Flüssigkristalls ist begrenzt.

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Anders bei der Erfindung, der ein anderer, bisher unbekannter elektro-optischer Effekt zugrunde liegt.

So wurde erfinderseits beobachtet, daß wenn ein Flüssigkristall zwischen zwei parallelen Elektroden sandwith-artig angeordnet ist, die optische Achse, die mit der Achse der die .Sichtung der Moleküle in den einzelnen Ebenen .Kennzeichnenden Schraubenlinie zusammenfällt, stets rechtwinklig zu den Elektroden verläuft. Es wurde weiterhin beobachtet, daß die optische Achse gewisser Arten von Cholesterin-Flüssigkristallen in einer anderen Sichtung und zwar parallel zu den Elektroden verläuft, wenn sie. einem elektrischen Feld bestimmter Feldstärke eine bestimmte Zeit lang ausgesetzt werden. Die Länge der Einwirkzeit ist abhängig von der Feldstärke. Ist einmal die xiichtung der optischen Achsen durch Anlage eines elektrischen Feldes festgelegt, bleibt dieser Zustand auch nach dem Abschalten des elektrischen Feldes unverändert. Optimal bleibt dieser Zustand über mehrere Tage lang unverändert. Die Zeitspanne hangt im wesentlichen von der Art des Flüssigkristallmaterials ab.

Weiterhin wurde erfinderseits festgestellt, daß wenn ein elektrisches Feld erneut angelegt wird und zwar verändert, nachdem es abgeschaltet worden war, zeigt sich eine ünderung der Schraubenliniensteigung,während die Richtung der optischen Achsen unverändert bleibt. , ,, „ ,

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Bei einer derartigen Behandlung zeigte es sich, daß auf G-rund der Anlage elektrischer Felder bei 1 bis 2 Millisekunden erfolgt und im wesentlichen 10 mal schneller vor sich geht, als bei den herkömmlichen Vorrichtungen der eingangs beschriebenen Art.

Im allgemeinen ist ein Cholesterin-Flüssigkristall anisotrop bezüglich seiner elektrischen Suszeptibilität, welche zwei Anteile aufweist. Der eine Anteil Xjj ergibt sich in .Richtung parallel zu der Achse der Moleküle in einer Molekülebene, während der andere Anteil X. sich in Jßichtung

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senkrecht zur ersteren ergibt, Es stellte sich heraus, daß die angelegten elektrischen Felder bewirken, daß die Moleküle in einer //eise ausgerichtet sind, wie es schon in den herkömmlichen Vorrichtungen beobachtet wurde, und zwar daß der senkrechte Anteil X» der Suszeptibilität größer ist als ihr paralleler Anteil X-r-r· Andererseits werden die Verhältnisse in erfindungsgemäßer Weise geändert, wenn der parallele Anteil Xyj größer ist, als die erstere Komponente X^ , da dann die optische Achse des Flüssigkristalls parallel zu den Elektrodenplatten verläuft.

Wie sich hieraus ergibt, besteht der technische Fortschritt der Erfindung unter anderem darin, daß die Ansprechzeit um etwa ein Zehntel verkürzt werden kann und daß Farbänderungen von einem Beobachter wahrgenommen werden können, der von der i^uelle äer ausgestrahlten Lichtstrahlen abgewandt ist. Hierdurch wird die Beobachtung der Färbänderungen wesentlich bequemer und der nutzbare Beobachtungswinkel wird wesentlich vergrößert.

Mehr im einzelnen auf Fig. 3 bezogen, ist das Gholesterin-Flüssigkristallmaterial 31 in der Vorrichtung nach der Erfindung zwischen der transparenten Elektrodenplatte und der reflektierenden Elektrodenplatte 33 angeordnet. Die Achse der Schraubenlinie bzw. die optische Achse 34-liegt parallel zu den Elektrodenplatten 38 und 33 und rechtwinklig zu den angelegten elektrischen Feldern 37· Lichtstrahlen 35, die von der Atmosphäre auf den Flüssigkristall 31 fallen, werden daher von der reflektierenden Elektrode 33 und ebenso durch die Bragg-Heflektionen an molekularen Ebenen 32 zurückgeworfen, so daß die reflektierten Lichtstrahlen von einer Person beobachtet werden können, die der Lichtquelle abgewandt ist. Die Lichtquelle könnte aber auch unterhalb der Elektrode 33 angeordnet sein, die dann transparent sein müßte.

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In einem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung besteht der Flüssigkristall 31 aus einem Gemisch von 42 Gewichtsprozent Cholesteryl-Oleylkarbonat, 30 Gewichtsprozent Cholesterylehlorid und 28 Gewichtsprozent Gholesterylnonanoat. Bei -Raumtemperatur hat dieses Gemisch eine gut stabilisierte Schraubenlinie als Kennzeichen für die Drehung der Achsen der Moleküle von einer Ebene zu einer anderen. Sofern kein elektrisches Feld angelegt ist, ist das Gemisch des Cholesterin-Flüssigkristalls blau.

Nach Fig. 4 befindet sich eine düsse Schicht 44- von 6 Mikron zwischen einer Basiselektrode, bestehend aus einem farbigen bzw. gefärbten Äluminiumoxidfilm 45 einem Aluminiumoxidfilia 46 und einer abschließenden Aluminiumplatte 47 einerseits und einer transparenten Elektrode andererseits, bestehend aus einer transparenten Glasplatte 41 und einem Zinnoxidfilm 42. Um die Dicke der Schicht 44 von 6 Mikron zu erhalten, sind Abstandshalter zwischen die Elektroden eingesetzt. Ein elektrisches Feld von 18 Volt Gleichstrom wird an die Schicht 44 zwischen Zinnoxidfilm 42 und Aluminiumplatte 47 etwa drei Minuten lang gelegt. Das elektrische Feld dreht die Schraubenlinienachse (optische Achse), die anfangs senkrecht zu den Elektroden stand, in die Richtung parallel zu den Elektrodenplatten oder rechtwinklig zu dem angelegten elektrischen Feld.

Nach der anfänglichen Anlegung des elektrischen Feldes wird ein Impulssignal überlagert auf 155 Volt Gleichstrom zwischen den Zinnoxidfilm 42 und der Aluminiumplatte 47 angelegt. Das Impulssignal weist eine Amplitude von 150 Volt Gleichstrom auf, ist 6 Millisekunden breit und wird in einem Intervall von etwa 30 Millisekunden abgegeben. Bezogen auf das Impulssignal beträgt die Anklingzeit der Farbänderung 1 Millisekunden und die Abklingzeit 2 Millisekunden. Diese Zeiten betragen etwa nur ein Zehntel derjenigen herkömmlicher Vorrichtungen. Dieses schnelle Ansprechen wurde sogar bei 300 Hz Wechselspannung experi-

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mentell bestätigt. Im letzteren Fall wurde außerdem beobachtet, daß die ausfallenden Lichtstrahlen mit der Elektrodennormalen einen Winkel bilden, der im wesentlichen gleich ist mit dem Einfallswinkel (siehe 3).

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, daß die Farbänderungen von der angelegten Spannung abhängen. Bo erscheint der Flüssigkristall bei 0 Volt in blauer Färbung und in roter Färbung bei 260 YoIt. Kontinuierliche Färbänderungen von blau nach rot wurden in dem opannungsbereich zwischen 0 und 260 Volt beobachtet. Weiteres Ansteigen der Spannung führt zu einer selektiven Zerstreuung im infraroten Bereich.

Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist, versteht es sich, daß die zahlenmäßigen Angaben sowie die Materialangaben nur beispielsweise angeführt sind und die Erfindung in keiner rfeise beschränken. Es versteht sich außerdem, daß die Erfindung für jeden Oholesterin-Flüssigkristall anwendbar ist, dessen paralleler Anteil X-j-j der elektrischen Suszeptibilität größer ist als der ihres ^ueranteiles

Die Vorrichtung zur Anlegung eines elektrischen Feldes kann vorteilhafterweise kombiniert werden mit einem piezoelektrischen Element, so daß mechanische Deformationen zu Änderungen der elektrischen Felder führen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche:

Vorrichtung zur Anzeige von Färbänderungen in Abhängigkeit von Feldstärkeänderungen elektrischer Felder, die auf eine anisotrope Flüssigkeit mit quasi kristallinen Eigenschaften (Flüssigkristalle), insbesondere Oholesterine, zwischen parallelen Elektroden einwirken, von denen wenigstens eine Elektrode zum Durchdringen von Lichtstrahlen transparent ist und wobei die in übereinanderliegenden Ebenen angeordneten Moleküle jeweils in einer Ebene eine bestimmte dichtung einnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Mittel vorgesehen sind, mittels denen die Flüssigkeit (31) in einer Weise beeinflußbar ist, daß ihre optische Achse (34-) im wesentlichen parallel zu den Elektroden (33, 38) verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Suszeptibilität der Flüssigkeit (31) derart beeinflußt ist, daß ihr einer Anteil (Xjt) in .Sichtung der Moleküle einer Molekülebene (32) größer ist als ihr anderer Anteil (Xi) senkrecht hierzu.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in die Flüssigkeit einfallende Lichtstrahlen (35) einer Lichtquelle jenseits einer transparenten elektrode (38) an den Molekülebenen (32) senkrecht zur optischen Achse (34) der Flüssigkeit entsprechend der angelegten Spannung eines Feldes brechen und die ausfallenden Lichtstrahlen mit der ü-lektrodennormalen einen «Vinkel bilden, der im wesentlichen mit dem Einfallswinkel der Lichtstrahlen übereinstimmt.

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4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden Cholesterin enthalten ist, das aus einem Gemisch von etwa 42 Gewichtsprozenten Gholesteryloleylkarbonat, etwa 30 Gewichtsprozenten Cholesterylchlorid und etwa 28 Gewichtsprozenten Cholesterylnonanoat besteht.
5· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes mit einem piezoelektrischen Element kombiniert sind.
6. Verfahren zur Beeinflussung der anisotropen Flüssigkeit in der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld bestimmter Feldstärke während einer bestimmten Zeitspanne angelegt wird, bevor ein weiteres elektrisches Feld angelegt wird, auf Grund dessen Feldstärkeänderungen die Sarbänderungen der Flüssigkeit beobachtbar sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenrzeichnet, daß das zweite elektrische Feld zur -Beobachtung der Farbänderungen im wesentlichen eine höhere Spannung aufweist als das erste Feld zur Änderung der Lage der optischen Achse der Flüssigkeit.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden etwa drei Minuten lang etwa 18 Volt Gleichspannung gelegt werden, wobei die optische Achse der Flüssigkeit parallel zu den Elektroden zu liegen kommt, und daß anschließend an die Elektroden elektrische Impulse bestimmter Breite und Frequenz angelegt werden und in einem Spannungsbereich von 0 bis etwa 260 Volt die Farbe der Flüssigkeit kontinuierlich von Blau nach rot wechselt.

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