DE2310733A1

DE2310733A1 - Verfahren zur elektrooptischen lichtmodulation und farbwiedergabevorrichtung

Info

Publication number: DE2310733A1
Application number: DE19732310733
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl-Chem Dr Pohl
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 1973-03-03
Filing date: 1973-03-03
Publication date: 1974-09-12

Description

Verfahren zur elektrooptischen Lichtmodulation und Farbwiedergabevorrichtung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elehtrooptischen Lichtmodulation und eine Farbwiedergabevorrichtung, die mit nichtpolarisiertem Licht betrieben werden kann und von farblos nach farbig schaltet.
Der Aufbau von derartigen Anzeigevorrichtungen mit Hilfe einer Flüssigkristall-Matrix ist bekannt. Sie bestehen z. B. aus zwei Glasplat-ten, von denen entweder beide lichtdurchlässig sind oder die eine Licht reflektIert, und die normalerweise mit einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht, z. B. SnO2, In2O3 oder Au, versehen sind. Zwischen zwei derar-tigen Plat-ten befindet sich ein etwa 10 bis 50 µ starker Flüssigkristall-Film. An solche Platten kann ein Wechsel- oder Gleichspannungsfeld bis zu etwa 40 000 Volt/cm angelegt werden. Derartige Displays kiinnen also entweder in Transmission oder in Reflexion betrieben werden.
Ein Farbbild kann mit solchen Displays erzeugt werden entweder durch Irterferenz von Licht, hervorgerufen durch Deformation aufgerichteter Flüssigkristall-Schichten, wobei ein Umschlag von farblos nach farbig erfolgt, oder durch eine Umorientierung eines dichroitischen Farbstoffes, der gelöst ist in einem homogen orien-tierten, d. h. parallel zur Plattenoberfläche orientierten nematischen flüssigen Kristall mit positiver Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten, wobei ein Wechsel von farbig nach farblos erfolgt. Der Farbumschlag wird jeweils mit Hilfe eines elektrischen Feldes erreicht. Für diese Arten der Farbbilderzeugung ist jedoch stets polarisiertes Licht erforderlich. Das hat technisch erhebliche Nachteile und durch die Polarisationsfilter wird die Intensität des Farbbildes geschwächt.
Es wurde nun gefunden, daß man eine Farbänderung in solchen Farbwiedergabevorrichtungen auch durch unpolarisiertes Licht erreichen kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur elektrooptischen Lichtmodulation mit Hilfe von nematische Flüssigkristalle enthaltenden Farbwiedergabevorrichtungen, die darin bestehen, daß man zur Erzielung eines Farbumschlages von farblos nach farbig nichtpolarisiertes Licht silf eine Farbwiedergabevorrichtung einwirken läßt, je mit di- oder pleochroitischen Farbstoffen dotierte Fliissigkristalle enthält, die homöotrop orientiert sind und eine negative Anisotropie ihrer Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Farbwiedergabe-Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bestehend aus einer oder mehreren Flüssigkristall-Zellen, in der die nematische Flüssigkristall-Schicht mit einem di- oder pleochroitischeia Farbstoff dotiert ist und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Flüssigkristalle homootrop orientiert sind und eine negative Anisotropie ihrer Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
Durch die Wechselwirkungskräfte zwischen Flüssigkristall und Farbstoffmolekül weisen die Farbstoffmoleküle die gleichc Orientierung auf wie die Matrix-Moleküle, d. h. sie sind mit ihrer Längsachse senkrecht zur Plattenoberfläche ausgerichtet. Da im Falle der Senkrechtorientierung die Fortpflanzungsrichtung des einfallenden Lichtes in der Längsachse des Farbstoffmoleküls liegt, tritt keine oder nur eine minimale Wechselwirkung zwischen Farbstoff und Licht auf. Das Display ist daher farblos. Bei Anlegen einer elektrischen Gleich- oder Wechselspannung klappen die Flüssigkristall-Moleküle zusammen mit den darin gelösten Farbstoff-Molekülen aus der Senkrecht- in die Parallelorientierung um. Bei parallel orientierter Schicht aber stehen Lichtvektor und Längsachse des Farbstoffmoleküls senkrecht aufeinander. Der Farbstoff absorbiert nun das einfallende Licht und das Anzeigeelement erscheint farbig. Da die Stärke der Parallelorientierung und damit auch gleichzeitig die Farbtiefe des Displays durch Variation der angelegten elektrischen Spannung verändert werden kann, hat man eine Farbanzeige in der Hand, die ohne optische Hilfsmittel stufenlos zwischen farblos und tief gefärbt geschaltet werden kann.
Durch Hintereinanderschaltung mehrerer mit unterschiedlichen Farbstoffen versetzten Flüssigkristall-Zellen, wobei jede Zelle gesondert elektrisch angesteuert werden kann, ist es dariiber hinaus möglich, eine Farbwiedergabevorrichtung zu bauen, die nicht nur ein Schalten von farblos nach farbig, sondern das Erzeugen jeder Farbe aus dem Bereich des gesamten Spektrums erlaubt. Eine entsprechende Anordnung besteht z. B. aus drei hintereinander angeordneten Zellen, wobei die eine von farblos nach blau, die zweite von farblos nach rot und die dritte von farblos nach gelb geschaltet werden kann.
Verwendet man darüber hinaus anstelle von Platten, deren Oberfläche mit einer einheitlichen Leitschicht versehen ist, solche mit Elektrodenraster, dann kann durch Ansteuerung einzelner Kreuzungspunkte in den einzelnen Zellen der Anordnung ein farbiges Bild erzeugt werden.
Um den Effekt der dynamischen Streuung auszuschalten, der oberhalb von Feldstärken von 5000 bis 10000 Volt/cm auftritt und eine Eintrübung des klaren Farbbildes bewirkt, empfiehlt es sich bei Feldstärken, die höher als die erwähnten Grenzfeldstärken sind, mit Wechselspannung zu arbeiten, deren Frequenz größer als ungefähr 4,5 KHz ist, da in hochfrequenten Wechselfeldern eine dynamische Streuung nicht auftritt.
Die Farbstoffkonzentration in der nematischen Lösung sollte vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 , liegen, je nach Größe des Extinktionskoeffizienten des benutzten Farbstoffes.
Vorteilhaft ist eine Farbstoffkonzentration von 0,8 bis 2 %.
Bei Konzentrationen unter 0,5 und über 5 % tritt häufig ein Verlust im Kontrastverhältnis zwischen aus- und eingeschaltetem Zustand auf.
Die Senkrechtorientierung der Flüssigkristall-Schicht kann in bekannter Weise, z. B. durch Behandlung der Glasoberflächen mit Lecithin oder Polyamiden erreicht werden. Es können aber auch nematische Mischungen, auch dotierte, in solchen FarbwiedergaSevorrichtungen verwendet werden, die von sich aus ein homöotropes Orientierungsvermögen besitzen, sofern sie eine negative Ariisotropie ihrer Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Zu den hevorzugten flüssigen Kristallen, die als nematische Lösungsmittel fiir den beschriebenen Anwendungszweck dienen, gehören die in starken elektrischen Feldern besonders stabilen p-Alkyl-p'-alkoxy- und p-Alkyl-p'-acyloxy-azoxybenzole bzw. Mischungen derselben, p-Alkylp'-alkoxy- und p-Alkyl-p'-acyloxy-phenyl-benzoesäureester bzw. Mischungen derselben, p-Alkyl-p'-alkoxy- und p-Alkylp' -acyloxy-benzylldeii-aniline bzw. Mischungen derselben, p-4Çlkyl-p'-alkoxy-«-Halogen-bzw. a-Alkyl-trans-Stilbene bzw.
Mischungen derselben oder p-Alkyl-p'-alkoxy- und p-Alkylp'-acylox-to1ane. Die Mischungen sollten bei Zimmertemperatur nematisch ein. Normalerweise werden eutektische Mischungen eingesetzt.
Beispielsweise seien hier erwähnt die eutektischen Gemische von p-Methoxy-p'-n-butyl-azoxy-benzol und p-n-Butyl-p'-methoxy-azoxybenzol sowie insbesondere zur Senkrechtorientierung dotierte Gemische dieser Phase mit dem eutektischen Gemisch des Isomerenpaares p(p')-Methoxy-p'(p)-äthyl-azoxybenzol.

Als Farbstoff können alle üblicherweise für diesen Zweck gebräuchlichen eingesetzt werden. Sie müssen pleo- oder dichroitisch und in der gewählten nematischen Flüssigkeit löslich sein. Bevorzugt sind dichroitische Farbstoffe, die z. B. die folgenden Farbänderungen zeigen:

F a r b ä n d e r u n g

F a r b s t o f f ohne Feld mit Feld

Indophenol-Blau farblos blau

N,N'-Dimethylindigo " cyanblau

Phenol-Blau " blau

p-Nitrobenzyliden- " gelb

phenylhydrazon

Alizarin II rot

6,6'-Dibromindigo " rot

Tetracen " orange

Ölgelb gelb

In den Figuren 1 bis 3 werden entsprechende Farbwiedergabe vorrichtungen gezeigt. Den farblosen Zustand ohne angelegte Spannung zeigen Figur 1 und 3, den farbigen Zustand Figur 2.

Zwlschen den Glasplatten (1) in Figur 1 und 3, versehen mit einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht (2), befinc7et sich die homöotrop ausgerichtete Flüssigkristall-Schicht (3), die in Figur 1 mit einem Farbstoff (4) dotiert ist, in Figur 3 mit den verschiedenen Farbstoffen (4 (5) und (6). wird an die Anordnung in Figur 1 eine Feldstärke angelegt zwischen 10000 und 40000 Volt/cm, dann geht die Flüssigkristall-Schicht in den in Figur 2 dargestellten farbigen Zustand mit paralleler Molekülorientierung über.
Das neue Verfahren und die Farbwiedergabevorrichtung werden wie die bisher üblichen angewendet, nur kann eben hier normales anstelle von polarisiertem Licht verwendet werden. Auch der Farbumschlag von farblos nach farbig ist für die vorgesehenen Verwendungszwecke von besonderem Vorteil, denn im nichteingeschalteten Zustand sind die Vorrichtungen farblos. Anwendungsgebiete sind Bildschirme, Lichtventile und jede Art von Displays mit Farbeffekten.
Beispiele: 1. Farbänderung von farblos nach gelb.
1,2 Gewichtsprozente Ölgelb werden in dem Eutektikum aus 65 Mol% 4-n-Butyl-4'-methoxy-azoxybenzol und 35 Moi% 4-Äthyl-4'-methoxyazoxybenzol (Fp.: -5° C, Klp.: 750 c) gelöst. Ein Display wird mit einer 15 p dicken Schicht dieser Mischung gefüllt. Beim Anlegen einer Feldstärke von 10 000 Volt/cm findet eine Farbänderung von farblos nach gelb statt.
2. Farbänderung von farblos nach rot.
1 Gewichtsprozent Alizarin wird in einem Gemisch von 70 Mol% 4-n-Butylbenzoesäure-4'-hexyloxyphenylester und 30 Mol% 4-n-Hexyloxybenzoesäure-4'-n-butylphenylester (Fp.: 00 C, Klp.: 420 C) gelöst. In einer Farbwiedergabearorrichtung nach Beispiel 1 erfolgt beim Anlegen eines elektrischen Feldes eine Farbänderung von farblos nach rot.
3. Farbänderung von farblos nach blau.
0,8 Gewichtsprozent Indophenolblau werden in einem Gemilch von 52 MolX 4-Methoxy-4'-n-heptyl-tolan und 48 Mol 4-hthexy-4'-n-octyl-tolan (Fp.: 13° C, Klp.: 640 C) gelöst. In einer parbwiedergabevorrichtung nach Beispiel 1 zeigt sich in nichtpolarisiertem Licht eine Farbänderung von farblos nach blau.
Die einzelnen Displays können auch hintereiander geschaltet werden.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur elektrooptischen Lichtmodulation mit Hilfe von nematische Flüssigkristalle enthaltenden Farbwiedergabevorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzielung eines Farbumschlages von farblos nach farbig nichtpolarisiertes Licht auf eine Farbwiedergabevorrichtung einwirken läßt, die mit di- oder pleochroitischen Farbstoffen dotierte Flüssigkristalle enthält, die homöotrop orientiert sind und eine negative Anisotropie ihrer Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Farbstoffe zwischen 0,5 und 5 Gew.%, vorzugsweise etwa 0,8 und 2 C-ew.% liegt.
3.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmodulation in einer Farbwiedergabevorrichtung durchgeftilirt wird, die aus mehreren hintereinander angeordrieten Flüssigkristall-Zellen besteht, wobei die einzelnen FlUssigkriEtall-Schichten mit verschiedenfarbigen Farbstoffen dotiert sind.
4.) Farbwiedergabevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer oder mehreren Flüssigkristall-Zellen, in der die nematische Flüssigkristall-Schicht mit einem di- oder pleochroitischen Farbstoff dotiert i st, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristalle homöotrop orientiert sind und eine negative Anisotropie ihrer Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
5.) Farbwiedergabevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Farbstoffes in dem nematiscnen Flüssigklistall 0,5 bis 5 Gew.,4', vorzugsweise etwa 0,8 bis 2 Gew.% beträgt.
6.) Farbwiedergabevorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren hintereinander angeordneten Flüssigkristall-Zellen besteht, in denen die Flüssigkristall-Schichten mit verschiedenfarbigen Farbstoffen dotiert sind.
7.) Verwendung von nematischen Flüssigkristallen, die eine negative Anisotropie ihrer Dielektrizitätskonstanten aufweisen und homöotrope Orientierung in einer Flüssigkristall-Zelle besitzen und mit einem di- oder pleochroitischen Farbstoff dotiert sind, in mit elek-trooptischer Lichtmoduiation arbeitenden Farbwiedergabevorrichtungen.

L e e r s e i t e