DE2234522A1

DE2234522A1 - Elektro-optische lichtsteuerzelle

Info

Publication number: DE2234522A1
Application number: DE19722234522
Authority: DE
Inventors: Arthur Dr Boller; Wolfgang Dr Helfrich; Martin Dr Schadt; Hanspeter Dr Scherrer
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 1971-07-16
Filing date: 1972-07-13
Publication date: 1973-01-25
Also published as: NL7209780A; CA971259A; DD99449A5; GB1395795A; CH540500A; FR2146277B1; CA971260A; FR2146277A1

Description

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1A-41 601

Beschreibung zu der Patentanmeldung

F. HofFmann-Lä Roche & Co. Aktiengesellschaft, Basel/Schweiz

Elektro-optische Lichtsteuerzelle

Die Erfindung "betrifft eine elektro-optische Lichtsteuerzelle, die aus einem zwischen Elektroden angeordneten Dielektrikum besteht, welches beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden infolge des elektro-optischen Eerr-Effektes doppelbrechend wird.

Solche Lichtsteuerzellen oder Kerr-Zellen sind bekannt, wobei als Dielektrikum wegen seiner hohen Kerr-Konstante bisher ausschliesslich Uitrobenzol verwendet wurde.

Kerrzellen mit Mtrobenzol als Dielektrikum haben jedoch den Nachteil, dass zu ihrem Betrieb elektrische Spannungen von einigen Kilovolt notwendig sind, was hohe Anforderungen an die Anstiegszeiten und die Hochspannungsfestigkeit der Steuerelektronik stellt. Bei starker Modulation der Zellen kann deshalb die theoretisch sehr kurze Ansprechzeit des Nitrobenzols nicht

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ausgenützt werden. Ein weiterer Nachteil der Kerr-Zellen mit Nitrobenzol als Dielektrikum besteht darin, dass sie in Strahlenrichtung relativ dick sein müssen. Um beispielsweise mit einer Feldstärke von 24 kVcuT einen Gangunterschied von S= 0,835 Λ (,X = 583 μπι, T = 24⁰C) zu erzeugen, muss die Dicke in Strahlenrichtung 5 cm betragen. Derartig dicke Zellen sind für viele praktische Anwendungen unbrauchbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrooptische Lichtsteuerzelle anzugeben, die eine hohe Ansprechgeschwindigkeit aufweist und deren Steuerspannung in einem Bereich liegt, der mit relativ geringem Schaltungsaufwand möglichst mit Transistorschaltungen zugänglich ist.

Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch eine Lichtsteuerzelle der eingangs beschriebenen Art, deren Dielektrikum aus einer nematogenen Flüssigkeit im isotropen Zustand besteht, wobei die nematogene Flüssigkeit insbesondere eine der Temperatur des Phasenwechsels benachbarte Temperatur besitzt.

Nachfolgend ist anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Lichtsteuerung, die eine erfindungsgemässe Lichtsteuerzelle enthält.

Die Lichtsteuerzelle 10 besteht im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten rechteckigen Elektroden 16 und 17 und einem dazwischenliegenden Dielektrikum 13 aus einer nematogenen Substanz.

Die Elektroden bestehen aus rostfreiem Stahl. Als Elektrodenmaterial kann auch Jedes andere gegenüber den nematogenen Substanzen inerte Metall, z.B." Gold, verwendet werden.

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Der Elektrodenabstand hängt vom Durchmesser des zu steuernden Lichtbündels ab. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Elektrodenabstand so klein gewählt, dass die nematogene Substanz durch Eapillarkräfte zwischen den Elektroden gehalten wird. In diesem Fall sind keine zusätzlichen Wände zur seitlichen Begrenzung des zwischen den Elektroden liegenden Baumes nötig. Bei grösserem Elektrodenabstand muss der Raum für das Dielektrikum allseitig dicht abgeschlossen werden. Zu diesem Zweck können Platten geeigneter Grosse aus elektrisch isolierendem Material verwendet werden, wobei mindestens zwei einander gegenüberliegende Platten für das zu steuernde Lichtbündel durchlässig sein müssen, d.h. also zweckmässigerweise aus Glas, Acrylglas oder dergleichen bestehen.

Als Dielektrikum dient eine nematogene Substanz, d.h. . eine Substanz, die in einem bestimmten Temperaturbereich eine nematische kristallinflüssige Phase besitzt. Es eignen sich besonders dielektrisch und optisch stark anisotrope nematogene Substanzen, die ein starkes, zur Richtung der maximalen Polarisierbarkeit der Moleküle parallel gerichtetes elektrisches Dipolmoment besitzen. Ausserdem müssen die geeigneten Substanzen eine ausgeprägte Tendenz zur Parallelorientierung über mehrere Molekülabstande, d.h. zur Schwarmbildung haben. Da die Tendenz zur Schwarmbildung in unmittelbarer Nähe der Umschlagstemperatur T vom isotropen in den nematischen Zustand besonders stark

C *

ausgeprägt ist wird die Zelle im Temperaturbereich T < t5 T +1⁰G betrieben.

Die nachfolgenden nematogenen Substanzen und Substanzmischungen haben sich als besonders geeignet herausgestellt:

Eine 1:1:1- Mischung aus N-(4¹-Butoxy benzyliden)-4-aininobenzonitril, IT- ( 4' -Hexoxybenzyliden)-4-aminobenzonitril und N- ( 4' -Octoyloxybenzyliden )'-4-aminobenzonitril; N- (4' -Aethoxy-

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benzyliden)-4-aminobenzonitril, das sogenannte PEBAB; eine 1:1 Mischung aus N-(4^t-Butoxy-benzyliden)-4-aminobenzonitril und N-(4'-Butoxybenzyliden)-4-nitroanilinj 4'-Cyanopheny1-4-hexoxybenzoat; 4-Cyano-4'-hexoxyazobenzol; eine 9 ι 1 - Mischung von N-(4^l-Butoxybenzyliden)-4-aminobenzonitril und N-(4'-Bimethylaminobenzyliden)-4-nitroanilin; eine 85 ϊ 15-Mischung aus N-(4^f-Butoxybenzyliden)-4-aminobenzonitril und N-(4'-Dirne thylaminobenzyliden)-4-aminobenzonitril.

Ferner eignen sich auch Verbindungen der allgemeinen

Formel

CH=N

worin ß Aethyl, n-Propyl, η-Butyl, n-Pentyl, n-Hexyl, Isohexyl, n-Heptyl oder n-Octyl bedeutet,
oder Verbindungen der allgemeinen Formel

COO

worin R η-Butyl, n-Pentyl, n-Hexyl, n-Heptyl oder

n-Octyl bedeutet,

sowie deren Gemische untereinander und/oder mit anderen nematogenen Substanzen.

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In diesem Zusammenhang sind ganz besonders bevorzugt Gemische von p-[( p-n-Hexylbenzyliden) amino ]benzonitril und von p-[(p-n-Butylbenzyliden)amino]benzonitriI in einem molaren Verhältnis von 2:1 bis 1:2;

von p-[(p-n-Propylbenzyliden)amino]benzonitril und von P-E(p-n-Hexylbenzyliden)amino]benzonitril in einem molaren Verhältnis von 1:2;

von p-[(p-n-Heptylbenzyliden)amino]benzonitril und von p-[(p-n-Butylbenzyliden)amino]benzonitril in einem molaren Verhältnis von 2:1;

von p-[(p-n-Octylbenzyliden)amino]benzonitril und von p-£(p-n-Pentylbenzyliden)amino]benzonitril in einem molaren Verhältnis von 2:1;

von p-n-Heptylbenzosäure-p'-cyanophenylester mit p-n-Butylbenzosäure-p'-cyanophenylester oder p-n-Pentylbenzosäurep'-cyanophenylester in einem molaren Verhältnis von 2:1;

von p-n-Octylbenzoöäure-p'-cyanophenylester mit p-n-Butylbenzosäure-p'-cyanophenylester oder p-n-Hexylbenzoesä'urep'-cyanophenylester in einem molaren Verhältnis von 2;1;

von p-n-Hexylbenzoesäure-p^f-cyanophenylester mit p-n-Butylbenzoesäure-p'-cyanophenylväster in einem molaren Verhältnis von 2:1.

Darüberhinaus gibt es selbstverständlich eine grosse Zahl weiterer nematogener Substanzen und Substanzmischungen, die sich aufgrund der vorstehend beschriebenen Eigenschaften für erfindungsgemässe Zellen eignen. Beispielsweise sind auch solche Substanzen geeignet, bei denen der nematogene Bereich so klein ist, dass praktisch ein Uebergang fest kristallin-isotrop

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sntsteht.

Die Anordnung zur Lichtsteuerung enthält ausser der Lichtsteuerzelle IO noch einen vor der Lichtsteuerzelle angebrachten Polarisator 12 und einen hinter ihr angebrachten Analysator 14. Ein von einer Lichtquelle 11 kommendes Lichtbündel durchsetzt den Polarisator 12, die Lichtsteuerzelle parallel zu den Elektroden und trifft auf den Analysator Wenn Polarisator 12 und Analysator 14 wie in der Zeichnung durch die Pfeile angedeutet um 90° gegeneinander verdreht sind und das Dielektrikum der Lichtsteuerzelle isotrop ist, gelangt das Lichtbündel nicht durch den Analysator 14 zu einem dahinter befindlichen Beobachter 15.

Wird an die Elektroden der Lichtsteuerzelle 10 eine Gleichspannung angelegt, so wird das Dielektrikum 13 doppelbrechend. Infolgedessen entsteht aus dem vom Polarisator 12 kommenden linear polarisierten Licht elliptisch polarisiertes Licht, von dem ein Teil den Analysator passieren kann. Der Beobachter sieht eine Aufhellung.

Maximale Aufhellung ergibt sich bei einem optischen Gangunterschied von£ = (2i + l)-^ mit i - 0,1,2... . Der optische Gangunterschied ist direkt proportional zur Wellenlänge, zur Dicke der Zelle bzw. des Dielektrikums in Strahlenrichtung, zur Kerrkonstante und zum Quadrat der elektrischen Feldstärke.

Die Kerrkonstante γ der vorstehend genannten 1:1:1-Mischung hat bei T + 0,1⁰C mit T = 93,3°C den Wert 4,2 . 10~¹⁰

ο C C

mV" , ist also 145 mal grosser als die Kerrkonstante von Nitrobenzol. Das bedeutet, dass die Spannung an den Elektroden einer Zelle mit der 1:1:1- Mischung als Dielektrikum um den Faktor*/ 145/fw 12 niedriger sein kann, um denselben optischen Gangunterschied zu erreichen wie mit einer geometrisch gleichen Kerr-Zelle mit ITotrobenzol als Dielektrikum. Andererseits kann

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bei gleicher Elektrodenspannung die Dicke einer Zelle mit der 1 i 1 i 1 - Mischung in Strahlenrichtung um. den Faktor 14-5 geringer sein als die Dicke einer Zelle mit Kitrobenzol.

So ist "beispielsweise bei- einer Zelle mit 1:1:1-Mischung als Dielektrikum mit einem Elektrodenabstand von I₁5 mm und einer Zellendicke in Strahlenrichtung von 5 nun zur · maximalen Aufhellung (S = ^j-) eine Elektrodenspannung von 730 V nötig. Eine geometrisch gleiche Nitrobenzolzelle würde zur vollen Aussteuerung ( = maximale Aufhellung) eine Elektrodenspannung von 8800 V benötigen. Man sieht also, dass für die Zelle mit Γ : 1 : Γ- Misehttngals Dielektrikum eine transistorisierte Steuerelektronik infrage kommt, nicht aber für die Nitrobenzolzelle.

Die hier beschriebene Lichtsteuerzelle kann mit Gleichspannung und mit Wechselspannung betrieben werden. Messungen haben ergeben, dass sie bis 200 kHz frequenzunabhängig ist.,

Ein wichtiges Kriterium für die Leistungsfähigkeit von elektro-optischen Lichtsteuerzellen ist der mit ihnen erzielte Kontrast zwischen der Lichtintensität ohne Spannung an den Elektroden und derjenigen bei voller Ansteuerung. Der mit der hier beschriebenen Zelle erreichbare Kontrast liegt in der Grössenordnung 1 i 1000. Dieser Kontrast ist von der vierten Potenz der- Feldstärke abhängig.

Für elektro-optische Lichtsteuerzellen gemäss der Erfindung bestehen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Allgemein könne sie zur Steuerung und Modulation von Licht bis weit über den akustischen Frequenzbereich hinaus eingesetzt w erden. Eine wichtige Anwendung ist die in elektronischen Verschlüssen, speziell in Fällen, in denen grosse Aperturen erforderlich sind. Für sehr' spezifische Anwendungen kann die Doppelbrechung auch

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optisch, d*h. mit dem PeId von starken Lichtquellen, induziert werden.

Verbindungen der allgemeinen Formel I können in Analogie zum nachstehenden Beispiel hergestellt werden.

Ein Gemisch von 5,9 g (0,05 Mol) p-Aminobenzonitril und ⁶»7 g (0,05 Mol) p-Aethylbenzaldehyd wird in 100 ml Benzol nach Zusatz von 150 mg p-Toluolsulfosäure mit Stickstoff begast und während 1 Stunde unter Rückfluss erhitzt (Badtemperatur 120 ). Das entstehende Wasser wird mit einem Wasserabscheider getrennt. Während einer weiteren Stunde wird nun das im Rückflusskühler kondensierende Benzol durch eine Schicht von 50 g Aluminiumoxid (Akt. I) in das Reaktionsgefass zurückgeleitet. Nach dem Abkühlen werden 2 g festes Kaliumcarbonat zugesetzt, die Mischung filtriert und das Filtrat im Vakuum bei 50 Badtemperatur vom Lösungsmittel befreit. Es verbleiben 11,5 g gelbes OeI, das beim Abkühlen kristallisiert. Zur Reinigung kristallisiert man mehrmals aus i-Propanol bis zum konstanten Smp. und bis zum Verschwinden der Nebenprodukte im Gaschromatogramm um. Das reine P-. , ßp-Aethylbenzyliden)amino- benzonitril schmilzt bei 76,2-77»Ό und ist beim Abkühlen von 63,0-59,7° flüssigkristallin. UV (EtOH) · E277 = 25800 (Schulter bei 316 mn). NMR, MS, IR und Mikroanalyse entsprechen der Substanz»

Verbindungen der allgemeinen Formel II können in Analogie zum nachstehenden Beispiel hergestellt werden.

5,6 g (28,5 mMol) p-n-Butylbenzoesäurechlorid werden in 12 ml abs. Benzol zu 3,1 g (26 mMol) p-Hydroxybenzonitril in 25 ml abs. Pyridin'gegeben. Man lässt über Nacht bei Zimmertemperatur und anschliessend noch 2 Stunden bei 50 C rühren. Nach dem Abkühlen wird mit Aether extrahiert und der Extrakt mit verdünnter Salzsäure und Wasser· gewaschen. Man erhält schliesslich 9 g roher p-n-Butylbenzoesäure-p'-cyanophenylester. Dieses Rohprodukt wird in Toluol gelöst und an 250 g Kieselgel chromatographiert. Aus den im Dünnschicht reinen Fraktionen erhält man nach Umkristallisieren aus Hexan 4 g Produkt. Smp. 67⁰C, Klärpunkt monotrop 41,5°C» NMR- und IR-Spektren entsprechen der erwarteten Struktur.

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Claims

Patentansprüche

Elektro-optische Lichtsteuerzelle, bestehend aus einem zwischen Elektroden angeordneten Dielektrikum, das beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden doppelbrechend wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einer nematogenen Flüssigkeit im isotropen Zustand besteht.
2. lichtsteuerzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nematogene Flüssigkeit eine der Temperatur T des

Phasenwechsels zwischen dem isotropen und dem anisotropen Zustand benachbarte Temperatur besitzt.
3. Lichtsteuerzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur t der nematogenen Flüssigkeit im

Bereich T 4. t£T +1⁰C liegt,
c c
4. Lichtsteuerzelle nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einer 1:1:1-Mischung aus N-(4'-Butoxybenzyliden)-4-aminobenzonitril, N-(4^f-Hexoxybenzyliden)-4-aminobenzonitril und N-(4'-Octoyloxybenzyliden)-4-aminobenzonitril besteht.
5. Lichtsteuerzelle nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus N-(4'-Aethoxybenzyliden)-4-aikiinobenzonitril besteht.
6. Lichtsteuerzelle nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einer 1 : 1 Mischung aus N-(4'-Butoxybenzyliden)-4-aminobenzonitril und jt„- (41 -Butoxybenzyliden)—^Λ, — nitroanilin besteht *
7. Lichtsteuerzelle nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet,^dass das Dielektrikum aua 4'-Cyanophenyl-4-

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-IQ-

hexoxybenzoat besteht,
8. Lichtsteuerzelle nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus 4-Cyano-4'-hexoxyazobenzol besteht.
9. Lichtsteuerzelle nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einer 9:1- Mischung von N-(4'-Butoxybenzyliden)-4-aminobenzonitril und Ή-(4'-Dimethylaminobenzyliden )-4-nitroanilin besteht.
10. Lichtsteuerzelle nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einer 85 : 15 Mischung aus F-^'-ButoxybenzylidenJ^-aminobenzonitril und N-(4'-Dimethylaminobenzyliden)-4-aminobenzonitril besteht.
11. Lichtsteuerzelle nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet _t dass das Dielektrikum aus einer Verbindung der Formel

worin R Aethyl, n-Propyl, η-Butyl, n-Pentyl, n-Hexyl, Isohexyl, n-Heptyl oder n-Octyl bedeutet, oder Verbindungen der allgemeinen Formel

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II

worin R η-Butyl, n-Pentyl, n-Hexyl, n-Heptyl öder n-Octyl bedeutet,

sowie deren Gemische untereinander und/oder mit anderen nematögenen Substanzen "besteht *
12» Lichtsteuerzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einein Gemisch von p-[(p-n-Hexylbenzyliden)amino]benzonitril und von p"[(p-n-Butylbenzyliden)· aminoibenzonitril in einem molaren Verhältnis von 2;1 bis Ii2 besteht. . ■
13. Lichtsteuerzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einem Gemisch von P-[Cp^M*- .Propylbenzyliden)amino]benzonitril und von p-[(p-n-Hexylbenzyliden)aminoIbenzonitril in einem molaren Verhältnis von Ii2 besteht. ■ ·
14. Lichtsteuerzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einem Gemisch von p-[(p-n-Heptylbenzyliden)aminö]benzonitril und von p-[(p-n-Buty!benzyli~ den) amino Ibenzonitril in einem molaren Verhältnis von 2il be- ^: steht.
15. Lichtsteuerzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einem Gemisch .von ρ-[(ρ-η·" Octylbenzyliden)amino]benzonitril und von pr-[(p-n-Pentylbenzyli~ den)amino]benzonitril in einem molaren Verhältnis von 2:1 besteht«

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16. Lichtsteuerzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einem Gemisch von p-n-Heptylbenzoesäure-p¹-cyanophenylester mit p-n-Butylbenzoesäure-p¹-cyanophenylester oder p-n-Pentylbenzoesäure-p¹-cyanophenylester in einem molaren Verhältnis von 2 : 1 besteht.
17. Lichtsteuerzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einem Gemisch von p-n-Octylbenzoesäure-p¹-cyanophenylester mit p-n-Butylbenzoesäure-p¹-cyanophenylester oder p-n-Hexylbenzoesäüre-p¹-cyanophenylester in einem molaren Verhältnis von 2 : 1 besteht.
18. Lichtsteuerzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einem Gemisch von p-n-Hexylbenzoesäure-p¹-cyanophenylester mit p-n-Butylbenzoesäure-p'-cyanophenylester in einem molaren Verhältnis von 2 : 1 besteht.
19. Optische Lichtsteuerzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie je einen in Richtung des durchgehenden Lichts vor und hinter der Zelle 10 angeordneten Polarisator (12, 14) zur kontinuierlichen Steuerung der Transmission aufweist.
20. Optische Lichtsteuerzelle"nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Polarisatoren gekreuzt sind.

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