DE2236467C3

DE2236467C3 - Bildanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2236467C3
Application number: DE2236467A
Authority: DE
Inventors: Werner E. L. Webster N.Y. Haas
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1971-12-14
Filing date: 1972-07-25
Publication date: 1986-08-21
Also published as: DE2236467B2; JPS4866992A; CA966919A; NL175952B; DE2236467A1; US3806230A; JPS5313128B2; NL175952C; FR2165547A5; GB1410989A; NL7217036A

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildanzeigevorrichtung, bei der an eine Schicht aus einer flüssigkristallinen Zusammensetzung mit den optischen Eigenschaften der cholesterischen flüssigkristallinen Mesophase, die mindestens eine nematische flüssigkristalline Substanz neben einei optisch aktiven Substanz enthält und die im Ruhezustand in ihrem Grandjean-Strukturzustand vorliegt, ein elektrisches Feld im Feldstärkenbereich für den Übergang der flüssigkristallinen Zusammensetzung aus dem Grandjean- in den fokal-konischen Zustand anlegbar ist.

Flüssigkristalline Substanzen weisen physikalische Eigenschaften auf, die z. T. typisch für Flüssigkeiten, z. T. typisch für Kristalle sind. Flüssigkristalle treten bekanntlich in drei verschiedenen Formen auf: der smektischen.dernematischen und ,der cholesterischen Form. Diese Strukturformen werden manchmal als Mesophasen bezeichnet, womit angedeutet wird, daß es sich dabei um Zwischenzustände zwischen den flüssigen und kristallinen Zuständen handelt. Die drei oben erwähnten Mesophasenformen von Flüssigkristallen sind durch verschiedene physikalische Strukturen charakterisiert, in denen die Moleküle der Verbindung in einer solchen Weise angeordnet sind, die für jede der drei mesomorphen Strukturen charakteristisch ist. Jede dieser drei Strukturen ist auf dem Gebiet der Flüssigkristalle an sich bekannt.

Einige flüssigkristalline Substanzen weisen optisch negative Eigenschaften auf. Die Doppelbrechung ist ein optisches Phänomen, das für einige feste Kristalle und für die meisten Flüssigkristallsubstanzen charakteristisch ist. Wenn ein Strahl von nicht-polarisiertem Licht auf eine doppelbrechende Substanz auftrifft, wird er in zwei polarisierte Komponenten aufgespalten, deren Transversalschwingungen rechtwinklig zueinander sind. Die beiden Komponenten durchlaufen die Substanzen mit verschiedenen Geschwindigkeiten und treten in Form von Strahlen von polarisiertem Licht aus. Unter dem hier verwendeten Ausdruck »optisch negative, flüssigkristalline Substanzen« sind solche Substanzen zu verstehen, deren außergewöhnlicher Brechungsindex H₁. kleiner ist als der gewöhnliche Brechungsindex ii_o. Cholesterische flüssigkristalline Substanzen weisen diese Eigenschaften auf. Bezüglich einer näheren Beschreibung dieses Phänomens vgl. »Optical Crystallography«, Wahlstrom, 4. Auflage, Wiley and Sons, Inc., New York.

In cholesterischen Flüssigkristallen sind die Mole-

küle in sehr dünnen Schichten so angeordnet, daß die fangen Achsen der Moleküle innerhalb jeder Schicht parallel zueinander und parallel zur Ebene der Schichten sind. Wegen der Asymmetrie und der sterischen Natur der Moleküle ist die Richtung der Längsachsen der Moleküle in jeder Schicht gegenüber der entsprechenden Richtung in benachbarten Schichten etwas versetzt. Diese Versetzung bzw. Verschiebung ist über die aufeinanderfolgenden Schichten hinweg kumulativ, so daß die Gesamtverschiebung einen he- ι lixartigen Verlauf ergibt. Eine zusammenfassende Beschreibung der Struktur von cholesterischen Flüssigkristallen ist in »Molecular Structure and the Properties of Liquid Crystals«, G.W. Gray, Academic Press 1962, enthalten.

Cholesterische Flüssigkristalle haben die Eigenschaft, daß dann, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit von linear (eben) polarisiertem oder ni^ht-polarisiertem Licht entlang der helixartigen Achse derselben erfolgt, d. h. wenn das Licht in einer Richtung senkrecht zu den Längsachsen der Moleküle eintritt, dieses Licht (bei Vernachlässigung der Absorption) bei der Transmission durch dünne Filme aus solchen Flüssigkristallen prakisch nicht beeinfluß_wird außer in einem Wellenlängenbereich um die Wellenlänge A₀ herum, wobei A₀ = 2 up (n = der Brechungsindex der Flüssigkristallsubstanz und ρ = die Ganghöhe oder der Wiederholungsabstand [pitch] der Helixstruktur). Die Bandbreite des Wellenlängenbereiches Δλ_ο um den Zeiuralwert von etwa λ_ο herum liegt in der Regol in der Größenordnung von etwa A₀/14. Für Licht einer Wellenlänge von A₀ weist der cholesterische Flüssigkristall unter diesen Bedingungen eine solche selektive Reflexion des Lichtes auf, daß etwa 50% des Lichtes reflektiert und etwa 50% durchgelassen werden, wenn man annimmt, daß die Absorption vernachlässigbar klein ist, was gewöhnlich der Fall ist, wobei sowohl der reflektierte Lichtstrahl als auch der durchgelassene Lichtstrahl in entgegengesetzten Richtungen annähernd zirkulär polarisiert sind.

Wegen dieser optischen Eigenschaften haben sich optisch negative, flüssigkristalline Substanzen als höchst vorteilhaft für die Verwendung auf verschiedenen Anwendungsgebieten, beispielsweise in Bilderzeugungssystemen, optischen Filtern und Detektorsystemen zum Nachweis der Anwesenheit oder von Änderungen der Anwesenheit von verschiedenen Anregungsmitteln, wie z. B. Druck, Temperatur, chemischen Dämpfen, erwiesen. Da diese Materialien mit Vorteil auf derart verschiedenen, potentiell sehr wertvollen Anwendungsgebieten eingesetzt werden können, ist die cholesterische flüssigkristalline Mesophase gründlich untersucht worden. Dabei wurde gefunden, daß man bei Zugabe von geringen Mengen, z. B. von etwa 10 Gew.-% oder weniger, optisch aktiver, nicht-mesomorpher Materialien, wie z. B. !-Menthol und Weinsäure, zu nematischen flüssigkristallinen Materialien Zusammensetzungen erhält, welche die optischen Eigenschaften der cholesterischen flüssigkristallinen Mesophase aufweisen (vgl. z.B. A.D. Buckingham et al., »Chem. Phys. Letters«, 3, Nr. 7, 540 1196¹J]).

Insbesondere im Hinblick auf die Verwendung der flüssigkristallinen Materialien in Bilderzeugungssystemen bzw. Abbildungssystem wurden Untersuchungen hinsichtlich der optischen Speicherungseffekte der Materialien durchgeführt, da, wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, die Fähigkeit zur Erzeugung eines Bildes, das auch nach Entfernung der das Bild erzeugenden Kraft über verhältnismäßig lange Zeiträume hinweg aufrechterhalten werden kann, dem Bilderzeugungssystem eine andere Dimension hinzufügt. In der US-PS 3642348 ist angegeben, daß cholesterische flüssigkristalline Materialien Speicherungseffekte aufweisen, wenn sie in einem Bilderzeugungssystem verwendet werden, in dem ein elektrisches Feld zur Erzeugung von Bildern auf cholesterischen flüssigkristallinen Filmen verwendet wird. Heilmeier und Goldmacher haben in »App. Phys. Letters«, 13, 132 (1968), darauf hingewiesen, daß auch Mischungen von cholesterischen flüssigkristallinen Materialien und nematischen flüssigkristallinen Materialien Speicherungseffekte aufweisen, wenn sie in einem Bilderzeugungssystem verwendet werden. Außerdem wird in der französischen Patentschrift 1598439 darauf hingewiesen, daß Zusammensetzungen mit Speicherungseffekten dadurch hergestellt werden können, daß man nematische flüssigkristalline Materialien mit Cholesierin, Cholesterinderivaten. oder cholesterischen Flüssigkristallen kombiniert.

Dennoch ist das Phänomen der Speicherungswirkung bis heute noch nicht geklärt, das geht schon daraus hervor, daß verschiedene theoretische Erklärungen für das Auftreten dieses Phänomens gegeben wurden. So wird beispielsweise in der oben zitierten Literaturstelle »App. Phys. Letters«, 13, 132 (1969), postuliert, daß die Speicherungseffekte von cholesterisch-nematischen Mischungen eine Folge der Emulgierung der nematischen Komponente seien.

Aus »Chem. Phys. Lett.« 6 (1970), S. 5, 6, war es bekannt, daß eine Mischung aus einer nematischen flüssigkristallinen Substanz und einer optisch aktiven nicht-mesomorphen Substanz eine cholesterische flüssigkristalline Mesophase bilden würde. Das Verhalten dieser Mischung in elektrischen Feldern, speziell in Bildanzeigevorrichtungen, war nicht bekannt. Aus der DE-OS 2051505 ist eine Bildanzeigevorrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt. Das in der bekannten Vorrichtung verwendete optisch aktive Material verwandelt sich bei Verringerung des angelegten Feldes aus der fokal-konischen Textur in die ungeordnete Grandjean-Textur, wodurch das Bild verschwindet. Der Zeitraum, in dem das Bild wieder verschwindet, liegt zwischen Bruchteilen einer Sekunde und Minuten oder Stunden und ist daher nicht ausreichend, wenn man permanente Bilder erzeugen möchte, deren Reproduktion noch nach vielen Stunden und in praktisch beliebiger Anzahl möglich ist.

In Phys. Rev. Lett. 24 (1970), S. 577 wird berichtet, daß die Anwendung eines Wechselspannungsfeldes auf eine cholesterisch-nematische Flüssigkristallmischung zur Ausbildung der cholesterischen Grandjean-Textur mit allen ihren optischen Eigenschaften führt. Es würde festgestellt, daß, nachdem die Flüssigkristallmischung in den streuenden Zustand übergegangen war, sie in diesem während unterschiedlicher Zeitintervalle nach der Em-Ternung des elektrischen Feldes verblieb. Hinweise über das Verhalten einer Mischung aus einer optisch aktiven Substanz, welche keine mesomorphe Phase aufweist, und au= einem nematischen Flüssigkristiillmatcrial sind in dieser Veröffentlichung nicht enthalten.

Aus Phys. Rev. Lett. 24 (1970), S. 209 war es bekannt, durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes auf ein cholesterisches Flüssigkristallmaterial einen Phasenübergang dieses Materials von der cholesterischen Me-

sophase in die nematische Mesophase hervorzurufen. Hierbei handelt es sich also um einen Phasenübergang und um keinen Texturübergang.

In Applied Optics 7 (1968), S. 1203 wird über ein elektrofotografisches Bilderzeugungsverfahren unter Ver- ■-, Wendung von nur cholesterischem Flüssigkristallmaterial oder Mischungen aus cholesterischen Flüssigkristallmaterialien berichtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Bildanzeigevorrichtung mit optischem Speicherungs- in vermögen anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Bildanzeigevorrichtung gelöst, wie sie eingangs angegeben ist und die dadurch gekennzeichnet ist. daß die optisch aktive Substanz ein Material ist, das selbst keine mesomorphe Pha- ι ·> se bildet.

Durch die Erfindung wird in vorteilhafter Weise eine neue Bildanzeigevorrichtung geschaffen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Technik bereichert.

Man erhält so eine Bildanzeigevorrichtung, bei der das Bild praktisch permanent, beispielsweise tagelang, bestehenbleibt. Die Bildanzeigevorrichtung besitzt ein Speicherungsvermögen, wodurch der Lichtstreueffekt, der beim Anlegen eines elektrischen Feldes in dem von dem Feld beeinflußten Bereich beobachtet 2^r> werden kann, auch dann bestehenbleibt, wenn die elektrische Kraft von dem flüssigkristallinen Film weggenommen worden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das elektrische Feld bildmäßig an den J" flüssigkristallinen Film angelegt werden, wodurch unmittelbar auf dem Film das Bild erzeugt wird. Es kann aber auch ein gleichförmiges elektrisches Feld an den flüssigkristallinen Film angelegt werden, so daß der gesamte Film lichtstreuend wird und anschließend i^r> kann der Film bildmäßig »gelöscht« werden zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes, wie es weiter unten näher beschrieben wird.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9. ίο

Mit der erfindungsgemäßen Bildanzeigevorrichtung erhält man in vorteilhafter Weise ein permanentes Bild, das auf den verschiedensten Gebieten verwendet werden kann, beispielsweise als optische Bildvorlage für ein xerographisches Reproduktions- ·)=> system oder für die Belichtung eines photographischen Mediums mit demselben, was zur Bildung einer Hartkopiereproduktion des Bildes führt.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen in '■o Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine z. T. schematische Querschnittsansicht einer flüssigkristallinen Bildanzeigevorrichtung,

Fig. 2 eine z. T. schematische isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer flüssigkristallinen Bildanzeigevorrichtung, in der das gewünschte Bild durch die Gestalt mindestens einer der Elektroden definiert ist,

Fig. 3 eine vergrößerte isometrische Ansicht eines t>o Bilderzeugungssystems, in dem eine flüssigkristalline Bildanzeigevorrichtung an Hand eines X- V-Bezugssystems dargestellt ist,

Fig. 4 eine z. T. schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer flüssigkristallinen Bild- b5 anzeigevorrichtung, in der mindestens eine der Elektroden eine photoleitfähige Oberfläche hat, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der optischen Ansprechempfindlichkeit einer typischen flüssigkristallinen Zusammensetzung auf elektrische Felder.

Die Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen erläutert eine typische flüssigkristalline, elektrooptische BiIderzcugungszelle. In der Fig. 1 ist eine typische flüssigkristalline Bildanzeigevorrichtung 10, manchmal als mit Elektroden versehener Bilderzeugungs- bzw. Abbildungs-Sandwich bezeichnet, im Querschnitt dargestellt, .wobei ein Paar von transparenten Platten 11 mit einem im wesentlichen transparenten, elektrisch leitfähigen Überzug 12 auf der Kontaktoberfläche ein Paar paralleler, im wesentlichen transparenter Elektroden darstellt. Wenn die Bildanzeigevorrichtung im durchfallenden Licht betrachtet werden soll, sind vorzugsweise beide Elektroden transparent, eine flüssigkristalline Bildanzcigevorrichtung kann aber auch im reflektierten Licht betrachtet werden, wobei nur eine einzige transparente Elektrode erforderlich ist, während die andere opak sein kann. Die transparenten Elektroden sind durch ein Abstandsstück 13 voneinander getrennt, das Hohlräume enthält, die eine oder mehrere flache Schalen bilden, welche den flüssigkristallinen Film oder die flüssigkristalline Schicht enthalten, der bzw. die das aktive Element der Bilderzeugungseinrichtung darstellt. Über einen äußeren Stromkreis 15, der in der Regel eine Spannungsquelle 16 aufweist, die durch Leitungen 17 an die beiden Elektroden angeschlossen ist, wird ein elektrisches Feld an die Elektroden angelegt. Bei der Spannungsquelle kann es sich entweder um eine Gleichstromquelle, eine Wechselstromquelle oder Kombination davon handeln.

Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Mechanismus, durch den in dem flüssigkristallinen Film oder in der flüssigkristallinen Schicht Bilder erzeugt werden, um einen Übergang vom Grandjean- in den fokal-konischen Strukturzustand. Ein System zur Überführung einer cholesterischen oder optisch negativen, flüssigkristallinen Substanz von ihrem Grandjean- oder »gestörten« Strukturzustar.d in ihren fokal-konischen oder »nicht-gestörten« Strukturzustand durch ein angelegtes elektrisches Feld ist in der US-PS 3642348 beschrieben.

Wenn ein cholesterisches, flüssigkristallines Material in dem Grandjean-Strukturzustand vorliegt und wenn der X₀ -Wert des Materials in dem sichtbaren Spektrum liegt, scheint ein Film oder eine Schicht aus diesem Material die Farbe zu haben, die X_u entspricht, und wenn X₀ außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt, erscheint der Film farblos und nicht-streuend. Wenn eine cholesterische Flüssigkeit in ihrem fokalkonischen Strukturzustand vorliegt, ist ihr Aussehen in der Regel milchig-weiß. Wenn nun die flüssigkristallinen Zusammensetzungen in ihrem Grandjean-Strukturzustand in einen nicht-vorgespannten Elektroden-Sandwich eingeführt werden, erscheinen sie in der Regel zuerst gefärbt oder farblos und transparent. Wenn der Elektrodensandwich zwischen Polarisatoren betrachtet wird, erscheint der Bilderzeugungssandwich gefärbt oder schwarz. Wenn an den flüssigkristallinen Film ein elektrisches Feld innerhalb des Bereiches der elektrischen Strukturumwandlungsfeldstärke der flüssigkristallinen Zusammensetzung angelegt wird, ist eine induzierte Strukturänderung zu beobachten, da der flüssigkristalline Film in den Bildbereichen weiß wird, wenn der Bilderzeugungssandwich im durchfallenden oder reflektierten Licht betrachtet wird. Deshalb entsteht bei der Bildanzeige-

vorrichtung vorzugsweise ein weißes Bild auf einem transparenten, dunklen oder gefärbten Hintergrund. Anstelle der Polarisatoren kann auch irgendeine andere geeignete Einrichtung zur Verbesserung des Kontrastes der Bildbezirke verwendet werden. Natürlich können in dein flüssigkristallinen Bilderzeugungssandwich entweder die vom elektrischen Feld beeinflußten oder die vom elektrischen Feld nicht beeinflußten Bereiche zur Erzeugung des gewünschten Hildes mit oder ohne Verwendung von Polarisatoren oder anderen Bildverbesserungseinrichtungen verwendet werden.

Die Elektroden in den in der Fig. 1 dargestellten flüssigkristallinen Bildanzeigevorrichtungen können aiib irgendeinem geeigneten transparenten, elektrisch leitfähigen Material bestehen. Beispiele für typische geeignete transparente, elektrisch leitfähige Elektroden sind Glas- oder Kunststoffsubstrate mit im wesentlichen transparenten und kontinuierlich leitfähigen Überzügen aus elektrischen Leitern, wie z. B. Zinn, Indiumoxyd, Aluminium, Chrom, Zinnoxyd oder irgendeinem anderen geeigneten elektrischen Leiter. Diese im wesentlichen transparenten, elektrisch leilfähigen Überzüge werden in der Regel auf ein mehr isolierendes transparentes Substrat aufgedampft. Ein Beispiel für ein typisches transparentes, elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial ist ein mit einem Zinnoxyd-Überzug versehenes Glas, das im Handel erhältlich ist.

Das in der Fig. 1 angegebene Abstandsstück 13, das die transparenten Elektroden voneinander trennt und den Flüssigkristallfilm zwischen den Elektroden enthält, ist vorzugsweise chemisch inert, transparent, vorzugsweise nicht-doppelbrechend, im wesentlichen ein Isolator und hat geeignete dielektrische Eigenschaften. Beispiele für geeignete Materialien für die Verwendung als isolierende Abstandsstücke sind Celluloseacetat, Cellulosetriacetat, Celluloseacetatbutyrat, Polyurethanelastomere, Polyäthylen, Polypropylen, Polyester, Polystyrol, Polycarbonate, Polyvinylfluorid, Polytetrafluoräthylen, Polyäthylenterephthalat und Mischungen davon.

Der Flüssigkristall-Bilderzeugungsflm 14 kann aus irgendeiner geeigneten flüssigkristal'inen Zusammensetzung bestehen, welche die optischen Eigenschaften der cholesterischen flüssigkristallinen Mesophase aufweist und mindestens eine nematische, flüssigkristalline Substanz und mindestens ein optisch aktives, nicht-mesomorphes Material enthält. Die Bilderzeugungszusaminensetzungen enthalten in der Regel etwa 2 bis etwa 60 Gew.- % der optisch aktiven, nicht-mesomorphen Komponente, jedoch werden die Mengen der in irgendeiner für die erfindungsgemäße Verwendung geeigneten flüssigkristallinen Zusammensetzung enthaltenen jeweiligen Komponenten lediglich dadurch bestimmt, daß die Zusammensetzung die optischen Eigenschaften der cholesterischen, flüssigkristallinen Mesophase aufweisen sollte. Außerdem sollte die nicht-mesomorphe Komponente der flüssigkristallinen Zusammensetzung in der nematischen, flüssigkristallinen Komponente praktisch vollständig löslich sein. Typische Beispiele für geeignete nematische, füissigkristalline Materialien sind p-Azoxyanisol, p-Ozoxyanisol, p-Azoxypheneiol, p-Butoxybenzoesäure, p-Methoxyzimtsäure, Butyl-p-anisy-Tiden-p'-aminocinnamat, Anisyliden-p-aminophenylacctat, p-Äthoxybenzylamino-a-methylzimtsäure, 1 ,-t-Bis-ip-äthoxybenzylidenJ-cyclohexanon, 4,4'-Dihexyloxybenzol, 4,4'-Diheptyloxybenzol, Anisalp-amino-azobenzol, Anisaldazin.,, a-Benzolazo-(anisalnaphthylamin), Anisyliden-p-n-butylanilin, n,n'-Nonoxybenzyltoluidin, p-Äthoxybenzyliden-p'-nbutylanilin und Mischungen davon. Bevorzugte nematische Materialien sind beschrieben in den DE-OSen 22 35387 und 22 35397.

In den verwendeten flüssigkrisiiallinen Zusammensetzungen kann irgendein geeignetes, optisch aktives,

ίο nicht-mesomorphes Material verwendet werden. Diese Materialien sollten in den in der Zusammensetzung verwendeten nematischen, flüssigkristallinen Substanzen praktisch vollständig löslich sein. Beispiele für typische geeignete, optisch aktive, nichtig mesomorphc Materialien sind: Alkoho'.derivate, wie 1-Menthol, 1-Linanool, d-Mannit, d-Borneol und d-Guercit, Ketonderivate wie d-Kampher, d-3-Methylcyclohexanon, 1-Menthon und l,6-Isopropyl-3-eydohexanon, Carbonsäurederivate, wie d-Citronellsäure, 1-Citronellsäure, d-ChauImoograsäure, 1-Borneolsäure, 1-Arabonsäure, d-Weinsäure und !-Ascorbinsäure, Aldehydderivate, wie d-Citronellal, Alkenderivate, wie 1-B-Pinan, d-Silvestren und d-Limonen, Aminderivate, wie 1,2-Methylpiperidin, Nitrüderivate, wie d-Mandelnitril, Amidderivate, wie d-Hydrocarbamid und Mischungen davon.

Mischungen aus der nematäschen, flüssigkristallinen Substanz und dem optisch aktiven, nicht-mesomorphen Material können in organischen Lösungsmitteln, wie z. B. Chloroform, Petroläther, Methyläthylketon u. dgl. hergestellt werden, die in der Regel anschließend aus der Mischung abgedampft werden, wobei die flüssigkristalline Zusammensetzung zurückbleibt. Die Einzelkomponenten der flüssigkristallinen Zusammensetzung können aber auch direkt miteinander kombiniert werden durch Erhitzen der gemischten Komponenten auf eine Temperatur, die oberhalb der isotropen Übergangstemperatur der nematischen, flüssigkristallinen Substanz und des Schmelzpunktes des nicht-mescimorphen Materials liegt.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß dann, wenn in einem Elektrodensandvi'ich, wie er im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben worden ist, eine Zusammensetzung verwendet wird, die aus einer nematischen, flüssigkristallinen Substanz und einem optisch aktiven, nicht-mesomorphen Material besteht und die optischen Eigenschaften der cholesterischen, flüssigkristallinen Mesophase hat, die an den Flüssigkristallfilm angelegten elektrischem Feldern zur Folge haben, daß eine Lichtstreuung festzustellen ist und daß dieses Lichtstreuungsphänomen nach der Wegnahme der Felder weiter bestehenbleibt. Es wird angenommen, daß das Fortbestehen der Lichtstreuung in den Flüssigkristallen nach der Entfernung des elektrischen Feldes und dem Abschatten des elektrischen Stromes auf die Gegenwart einer einzelnen cholesterischen, flüssigkristaliinen Mesop hase zurückzuführen ist, die hauptsächlich im fokal-konischen Strukturzustand, dem lichtstreuenden Zustand, vorliegt.

Das Bild, das auf dem flüssigkristallinen Film zurückbleibt, kann im Vorteil auf die verschiedenste Art und Weise verwendet werden. Zum Beispiel kann das Bild als optische Vorlage in einem elektrophotogra-

_fa3 phischen Reproduktionsverfahrein verwendet werden, indem man es auf eine elektrostatisch aufgeladene, photoleitfähige, isolierende Platte nach dem an sich bekannten elektrophotographischen Reproduktions-

verfahren projiziert und eine Hartkopie-Reproduktion des Bildes herstellt. Da das Bild über verhältnismäßig lange Zeiträume hinweg, beispielsweise Tage, bestehenbleibt, kann von dieser Bildvorlage eine beliebige Anzahl von Kopien hergestellt werden. Auf ähnliche Weise kann eine Hartkopie-Reproduktion des auf dem flüssigkristallinen Film verbleibenden Bildes mittels photographischer Verfahren hergestellt werden.

Anschließend kann das Bild zweckmäßig durch mechanisches Abscheren des flüssigkristallinen Filmes oder auf elektrischem Wege durch Anlegen von hochfrequenten Wechselstromfeldern von beispielsweise mehr als etwa 200 Hz an den flüssigkristallinen Film gelöscht werden, wodurch dieser für weitere Anzeigecycien sofort wieder verwendbar gemacht wird, oder die Bildfläche kann durch Anlegen eines Gleichstromfeldes über die gesamte Bildfläche gleichmäßig in den fokal-konischen Zustand übergeführt werden.

Die Fig. 2 der beiliegenden Zeichnungen erläutert eine bevorzugte Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Flüssigkristall-Bildanzeigevorrichtung. In der Fig. 2 ist das gewünschte Bild durch die Gestalt einer Elektrode und damit durch die Form des entsprechenden elektrischen Feldes definiert. Die hier dargestellte Bildanzeigevorrichtung umfaßt transparente Platten 11, die durch eine Abstandsdichtung 13 mit einer Hohlfläche 20, die mit dem flüssigkristallinen Material gefüllt ist, und die praktisch die gesamte Oberfläche des Abstandsstückes 13 ausmacht, voneinander getrennt sind. Das gewünschte Bild ist durch die Gestalt des im wesentlichen transparenten, elektrisch leitenden Überzuges 21 definiert, der auf der inneren Oberfläche einer oder beider transparenter Trägerplatten 11 und nur in der gewünschten Bildkonfiguration befestigt ist. Die in der Fig. 2 erläuterte Ausführungsform zeigt nur eine der beiden Elektroden in der Bildkonfiguration, es ist jedoch klar, daß auch beide Elektroden ein zusammenpassendes Paar bilden können, das das gleiche gewünschte Bild definiert. Wenn die einzelne Bildelektrodenkonfiguration verwendet wird, handelt es sich bei der zweiten Elektrode um eine transparente Platte 11, die auf ihrer gesamten inneren Oberfläche einen im wesentlichen transparenten, elektrisch leitfähigen Überzug 12 aufweist. Es sei darauf hingewiesen, daß ein sehr dünner oder praktisch unsichtbarer elektrischer Leiter 22 erforderlich ist, um die Elektrode mit der gewünschten Bildkonfiguration an den äußeren Kreislauf 15 elektrisch anzuschließen, der entsprechend mit dem elektrisch leitfähigen Überzug der gegenüberliegenden Elektrode in Verbindung steht. Beim Betrieb entsteht In dieser Ausführungsform nur in den Bereichen, in denen parallele Elektroden vorliegen, d. h. zwischen der Elektrode in der gewünschten Bildkonfiguration und der gegenüberliegenden Elektrode, unabhängig davon, ob auch die zweite Elektrode die gewünschte TTildkonfiguration hat oder nicht, ein elektrisches Feld. Auch hier kann eine der Elektroden opak sein, wenn der abgebildete Gegenstand im reflektierten Licht anstatt im durchfallenden Licht betrachtet werden soll.

In der Fig. 3 der beiliegenden Zeichnungen ist ein Λ'-Y'-Bezugssystem, das sich für die Abbildung einer flüssigkristallinen Bildanzeigevorrichtung eignet, in einer vergrößerten isometrischen Ansicht dargestellt. Der flüssigkristalline Bilderzeugungsfilm wird in die Hohlfläche 20 innerhalb der transparenten und im wesentlichen isolierenden Abstandsdichtung 13 gelegt. Der flüssigkristalline Film und das Abstandsstück 13 werden sandwichartig zwischen ein Paar von im wesentlichen transparenten Elektroden gelegt, die aus transparenten Trägerplatten 11 bestehen, auf welche Streifen aus einem im wesentlichen transparenten, elektrisch leitfähigen Material 41 aufgetragen werden. Die im wesentlichen transparenten Elektroden werden so orientiert, daß sich die elektrisch leitfähigen Streifen 4lb und die elektrisch leitfähigen Streifen 41a auf den jeweiligen Elektroden in einem X- V-Raster kreuzen. Jeder elektrisch leitfähige Streifen in jedem Satz von parallelen Streifen 41a und 41fo ist elektrisch an ein Stromkreissystem 42 angeschlossen, das für einen selektiven oder regelmäßigen Betrieb geeignet ist. Mittels des Selektionssystems 42 und des äußeren Stromkreises 15 einschließlich der Spannungsquelle 16 kann an ausgewählte Punkte oder eine ausgewählte Folge von Punkten in der dargestellter. Bildanzeigevorrichtung ein elektrisches Feld angelegt werden, das zur Erzielung des Übergangs von dem Grandjean- in den fokal-konischen Strukturzustand geeignet ist. Es ist klar, daß die im wesentlichen transparenten, elektrisch leitfähigen Streifen 41 hinsichtlich ihrer Breite von einer sehr feinen, drahtähnlichen Struktur bis zu jeder gewünschten Streifenbreite variiert werden können. Außerdem kann eine Trägerplatte 11 opak sein, wenn die Bildanzeigevorrichtung nur unter Verwendung von reflektiertem Licht von einer Seite betrachtet werden soll.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bildanzeigesystems, bei dem die in der Fig. 3 dargestellte Bildanzeigevorrichtung verwendet wird, kann der gesamte Flüssigkristallfilm in seinen überwiegend fokal-konischen Strukturzustand überführt werden, indem man an ihn ein elektrisches Feld innerhalb des Feldstärkenbereiches der Transformation vom Grandjean- in den fokal-konischen Strukturzustand anlegt und anschließend den Film selektiv auslöscht, d. h. das flüssigkristalline Material in selektiven Bereichen durch Anlegen von geeigneten elektrischen Wechselstromfeldern an den Flüssigkristallfilm in ausgewählten Bezirken in seinen überwiegend Grandjean-Strukturzustand zurückführt.

In der Fig. 4 ist eine andere bevorzugte Ausführungsform der flüssigkristallinen Bildanzeigevorrichtung dargestellt, in der eine der Elektroden ein Photoleiter ist und die Bilderzeugung in der Weise bewirkt wird, daß man an die gesamte Fläche der Elektroden eine gleichförmige Spannung anlegt und anschließend den Photoleiter einem bildmäßigen Muster einer aktivierenden elektromagnetischen Strahlung, das der gewünschten Bildkonfiguration entspricht, aussetzt. In der Fig. 4 ist eine elektrooptische Bilderzeugungsquelle 50 dargestellt, in der ein Plattenpaar 52 bzw. 54 ein paralleles Paar von Elektroden darstellt, von denen mindestens eine im wesentlichen transparent ist. In dem dargestellten Falle sind beide Elektroden transparent. Die Elektrode 52 besteht aus einer Schicht 53 aus einem photoleitfähigen isolierenden Material, die auf ein elektrisch leitfähiges Substrat aufgebracht ist, das in diesem Falle, als im wesentlichen transparente, elektrisch leitfähige Schicht 51 darge-,,5 stellt ist, die auf einen im wesentlich transparenten Träger 55 aufgetragen ist. Die Elektrode 54 ist als im wesentlichen transparente, elektrisch leitfähige Schicht 56 dargestellt, die auf ein im wesentlichen

transparentes Substrat 57 aufgetragen ist.

Wenn die Biklanzeigevorrichtung im durchfallenden Licht betrachtet werden soll, sind vorzugsweise beide Elektroden im wesentlichen transparent. In diesem Falle ist natürlich eine Schicht aus einem photoleitfähigen, isolierenden Material erforderlich, die für die für die Betrachtung verwendete elektromagnetische Strahlung im wesentlichen transparent ist. Beispiele für typische geeignete, im wesentlichen transparente, photoleitfähige Materialien sind verhältnismäßig dünne, beispielsweise etwa 5 μπι dicke Schichten aus Selen. Die Bildanzeigevorrichtung kann jedoch auch unter Verwendung von reflektiertem Licht betrachtet werden, wobei nur eine einzige transparente Elektrode erforderlich ist, während die andere opak sein kann. In diesem Falle besteht eine der Elektroden vorzugsweise aus einer opaken, photoleitfühigen, isolierenden Schicht, die auf ein opakes Substrat aufgetragen ist, bei dem es sich um irgendein geeignetes, elektrisch leitfähiges Material, wie z. B. eine Metallschicht, handeln kann.

Die transparenten Elektroden werden durch ein Abstandsstück 13 voneinander getrennt, das Hohlräume aufweist, die eine oder mehrere flache Schalen bilden, welche den flüssigkristallinen Film oder die flüssigkristalline Schicht 14 enthalten. Die Elektroden sind an die gegenüberliegenden Anschlüsse eines äußeren Stromkreises 60 angeschlossen, der in der Regel eine Spannungsquelle 62 aufweist, die durch die Leitungen 64 an die beiden Elektroden angeschlossen ist. Wenn an die elektrisch leitende Oberfläche 54 der Elektrode 52 eine Spannung angelegt wird, so Hießt im Dunkeln kein Strom und es entsteht kein Feld an dem Flüssigkristallfilm, da die Schicht 53 unter diesen Bedingungen isoliert. Wenn jedoch die Bilderzeugungszelle einem bildmäßigen Muster von aktivierender Strahlung ausgesetzt wird, werden die vom Licht getroffenen Bezirke der photoleitfähigen isolierenden Schicht 53 elektrisch leitfähig, so daß ein Strom fließt und ein elektrisches Feld an dem Flüssigkristallfilm in den vom Licht getroffenen Bezirken entsteht. Es wird angenommen, daß der in Verbindung mit dem elektrischen Feld fließende Strom bewirkt, daß sich die optischen Eigenschaften des iiussigkrisiaUinen Materials ändern und der flüssigkristalline Film, der vor dem Anlegen des elektrischen Feldes im Grandjean-Strukturzustand im wesentlichen transparent war, wird »milchig«, d. h. er wird fokal-konisch und streuend, wodurch die Bilderzeugung bewirkt wird. Wenn die Bildanzeigevorrichtung im reflektierten Licht betrachtet wird, erscheint das Bild in der Regel in Form von milchig-weißen Bildflächen auf einem dunklen Hintergrund. Wenn die Bildanzeigevorrichtung im durchfallenden Licht betrachtet wird, erscheint das Bild in der Regel in Form von dunklen Bildflachen mit transparenten bildfreien oder Hintergrundbezirken.

Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere Ausführungsformen der Bildanzeigevorrichtung verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Entwicklung eines latenten elektrostatischen Bildes dadurch erzielt werden, daß man eine ein latentes elektrostatisches Bild tragende Oberfläche in enge Nachbarschaft zu oder in innigen Kontakt mit einem Film aus einem flüssigkristallinen Material bringt. Bei der das latente elektrostatische Bild tragenden Oberfläche kann es sich um irgendeine, praktisch isolierende Oberfläche handeln, die in der Lage ist, ein latentes elektrostatisches Bild beizubehalten, und dabei kann es sich um ein photoleitfähiges isolierendes Material handeln. Das latente elektrostatische Bild kann auf der das Bild tragenden Oberfläche nach irgendeiner

·> der bekannten verschiedenen Methoden erzeugt werden. Außerdem kann das latente elektrostatische Bild auf der das Bild tragenden Oberfläche erzeugt werden, bevor letztere in die Nähe der flüssigkristallinen Bilderzeugungsschicht gebracht wird. Bei bestimmten

ίο Ausführungsformen ist es jedoch auch möglich, das latente elektrostatische Bild auf der das Bild tragenden Oberfläche zu erzeugen, während letztere in die Nähe der flüssigkristallinen Bilderzeugungsschicht gebracht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert.

Alle Teile und Prozentsätze sind, wenn nicht anders angegeben ist, auf das Gewicht bezogen.

Beispiel 1

Es wurde eine zu etwa 10% aus racemischem Menthol (einer optisch inaktiven Verbindung) und zu etwa 90% aus p-Äthoxybenzyliden-p'-n-butylanilin beste- « hende flüssigkristalline Zusammensetzung hergestellt und unter einem Polarisationsmikroskop betrachtet. Die Zusammensetzung wies typische nematische Strukturen auf.

Es wurde eine andere flüssigkristalline Zusammenii) Setzung hergestellt, indem man etwa 10% 1-Menthol (eine optisch aktive Verbindung) und etwa 90% p-Äthoxybenzyliden-p'-n-butylanilin miteinander mischte. Die Zusammensetzung wurde unter dem Polarisationsmikroskop betrachtet und dabei zeigte sich, j-> daß sie beim Scheren stark optisch aktiv war, ein Charakteristikum von cholesterischen, flüssigkristallinen Materialien in dem Grandjean-Strukturzustand.

Dann wurde auf die nachfolgend angegebene Weise die optische Ansprechempfindlichkeit der beiden 4(i flüssigkristallinen Zusammensetzungen auf elektrische Felder untersucht. Eine Schicht aus dem flüssigkristallinen Material wurde zwischen zwei transparenten, mit Zinnoxid überzogenen Glas-Elektroden angeordnet, die durch ein 0,051 mm dickes Abstands-•r, stück voneinander getrennt waren. Die Intensität des durch die Zelle durchfallenden Lichtes wurde als Funktion der Zeit mittels einer Siliciumphotodiode, die auf einem Polarisationsmikroskop befestigt war, und mittels eines Brush-Rekorders aufgezeichnet. Als V) Lichtquelle wurde eine Wolframlichtquelle verwendet. Die Zelle war am Anfang transparent.

An den flüssigkristallinen Film wurde etwa 5 Minuten lang ein elektrisches Gleichstromfeld von etwa 10⁴ V/cm angelegt. Bei der das optisch inaktive, racemische Menthol enthaltenden Zusammensetzung wurde eine Lichtstreuung beobachtet, wenn an den flüssigkristallinen Film ein elektrisches Feld angelegt wurde, die aufhörte, wenn das Feld weggenommen wurde. Es wurde festgestellt, daß die Zelle innerhalb bo von etwa 200 Millisekunden in ihren ursprünglichen transparenten Zustand zurückkehrte.

In scharfem Gegensatz dazu stand jedoch das Verhalten der das optisch aktive 1-Menthol enthaltenden Zusammensetzung. Es wurde beobachtet, daß bei der bs 1-Menthol enthaltenden Zusammensetzung die Lichtstreuung etwa 6 Stunden lang fortbestand. Die Intensität des 30 Minuten nach der Wegnahme des elektrischen Feldes durch die Zelle fallenden Lichtes wurde

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als Funktion der Zeit aufgetragen und ist in der Fi g. 5 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Aus dieser Flg. 5 ist zu ersehen, dai³· nach einer anfänglichen Relaxation die Intensität des durchfallenden Lichtes mit der Zeit langsam zunahm. Bei der unter dem Mikroskop zu beobachtenden Struktur handelte es sich um eine cholesterische, fokal-konische Struktur.

Nach etwa 35 Minuten wurde etwa 5 Minuten lang ein elektrisches Wechselstromfeld von etwa 3,OX 1Ü⁴ V/cm an die flüssigkristalline Zusammen-Setzung angelegt. Aus der Fig. 5 ist zu ersehen, daß durch das Anlegen des Wechelstromfeldes die Zelle klar wurde, d. h. das flüssigkristalline Bilderzeugungsmaterial kehrte in seinen transparenten Zustand zurück. Die zur Erzeugung der Lichtstreuung oder Löschung erforderliche Zeit war in der Regel kürzer als etwa i Sekunde. Die 5-Minuten-Zeitspanne wurde nur zu Meßzwecken ausgewählt.

Beispiel 2 ,₀

Es wurde eine flüssigkristalline Zusammensetzung hergestellt, die zu etwa 5 % aus !-Menthol und zu etwa 95% aus p-Äthoxybenzyliden-p'-n-butylanilin bestand, und auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beschrieben untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß die Zusammensetzung bei der Scherung stark optisch aktiv war und die optische Ansprechempfindlichkeit der Zusammensetzung auf elektrische Felder war ähnlich wie in Fig. 5 dargestellt.

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Beispiel 3

Es wurde eine flüssigkristalline Zusammensetzung hergestellt, die zu etwa 5% aus d-Kampher (einer optisch aktiven Verbindung) und zu etwa 95% aus p-'Äthoxybenzyliden-p'-n-butylanilin bestand, und sie wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß die Zusammensetzung bei der Scherung stark optisch aktiv war. Die optische Ansprechempfindlichkeit der Zusammensetzung auf elektrische Felder war ähnlich wie in Fig. 5 dargestellt.

Beispiel 4

Es wurde eine flüssigkristalline Zusammensetzung hergestellt, die zu etwa 10% aus d-Kampher und zu etwa 90% aus p-Äthoxybenzyliden-p'-n-butylanilin bestand, und auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Auch hier wurde festgestellt, daß die Zusammensetzung bei der Scherung stark optisch aktiv war und daß die optische Ansprechempfindlichkeit ähnlich war wie in Fig. 5 dargestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bildanzeigevorrichtung, bei der an eine Schicht aus einer fliissigkristallinen Zusammen- > Setzung mit den optischen Eigenschaften der cholestcrischen flüssigkristallinen Mesophase, die mindestens eine nematische fliissigkristalline Substanz neben einer optisch aktiven Subsianz enthält und die im Ruhezustand in ihrem Grandjean- i" Strukturzustand vorliegt, ein elektrisches Feld im Feldstärkenbereich für den Übergang der flüssigkristallinen Zusammensetzung aus dem Grandjean- in den fokal-konischen Zustand anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch ak- ι¹· tive Substanz ein Material ist, das selbst keine mesomorphe Phase bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung des Flüssigkristalls auf der gesamten Bildfläche in den 2» Grandjean-Strukturzustand eine Einrichtung zum mechanischen Abscheren der fliissigkristallinen Schicht oder eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Wechselstromfeldes an die flüssigkristalline Schicht vorgesehen ist, oder daß zur Über- 2^r> führung des Flüssigkristalls auf der gesamten Bildfläche in den fokal-konischen Strukturzustand eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Gleichstromfeldes über die gesamte Bildfläche vorgesehen ist. i<>

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Wechselstromfeld eine Frequenz von mehr als 200 Hz aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus η der flüssigkristallinen Zusammensetzung die gewünschte Bildkonfiguration hat und zwischen einem Paar Elektroden angeordnet ist, von denen mindestens eine transparent ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus der flüssigkristallinen Zusammensetzung zwischen einem Paar Elektroden angeordnet ist, von denen mindestens eine die Gestalt der gewünschten Bildkonfiguration hat und mindestens eine trans- -r> parent ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für das an die Schicht aus der flüssigkristallinen Zusammensetzung anlegbare bildmäßige elektrische Feld >o ein latentes elektrostatisches Bild auf einer elektrostatischen Bildträgeroberfläche in unmittelbarer Nähe der flüssigkristallinen Schicht vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge- r« kennzeichnet, daß die elektrostatische Bildträgeroberfläche eine photoleitfähige isolierende Schicht ist.

S. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus der flüssigkri- ω stallinen Zusammensetzung zwischen einem Paar Elektroden angeordnet ist, von denen mindestens eine transparent ist, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, und von denen mindestens eine auf der zum Flüssigkristall hingewandten Seite die b^r> photoleitfähige Oberfläche aufweist, die mit einem bildmäßigen Muster aktivierender elektromagnetischer Strahlung belichtbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus fier flüssigkristallinen Zusammensetzung zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, von denen jede aus einer Vielzahl von getrennt nebeneinanderliegenden, parallelen, elektrisch leitfähigen Filmen besteht, von denen die elektrisch leitfähigen Filme mindestens einer Elektrode transparent sind, und daß die beiden Elektroden so angeordnet sind, daß sie benachbart und parallel zueinander liegen und die Richtung der elektrisch leitfähigen Filme einer Elektrode senkrecht zur Richtung der elektrisch leitfähigen Filme der anderen Elektrode verläuft.