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Auf der Basis flüssiger Kristalle arbeitendes Sichtgerät Die Erfindung
betrifft ein auf der Basis flüssiger Kristalle arbeitendes Sichtgerät, insbesondere
ein Sichtgerät dieser Art,.das keine Verechleierung des Bildes zeigt.
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Sichtgeräte, die auf der Basis an sich bekannter flüssiger Kristalle
mit nematischer Struktur arbeiten, weisen den Nachteil auf, dass eine geringe Streuung
des Lichtes auch in den Bereichen des Kristallsystems auftritt, die nicht im Feld
einer elektrischen Spannung liegen. Durch eine solche Streuung im sogenannten
Nullfeldbereich
wird eine Verschleierung der auf dem Sichtgerät dargestellten Information erzeugt.
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Diese Verschleierung beruht auf optischen Streueffekten, die an den
Grenzflächen von Bereichen nematischer flüssiger Kristalle mit statistischer Auarichtung
der Molekülachsen auftreten.
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Ein verschleierungsfreier Zustand kann durch Ausrichten der Mblekülachaen
der flüssigen Kristalle senkrecht oder parallel zu den Oberflächen der das System
einschliessenden optischen Zelle erfolgen. Im Falle der senkrechten Ausrichtung
wird die Struktur der flüssigen Kristalle homöotrop genannt, im Falle der parallen
Ausrichtung homogen. Die Erfindung betrifft ein Sichtgerät auf der Basis flüssiger
Kristalle mit homöotroper Anzeigestruktur.
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Die Ausbildung einer hamöotropen Struktur in Systemen flüssiger Kristalle
wird vom Zustand der Oberflächen der das System einschliessenden optischen Zelle
beeinflusst.
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Weiterhin machen sich physikalische und chemische Eigenschaften des
Wandmaterials der Zelle und das Verhalten der stabförmigen Moleküle des nematischen
flüszeigen Kristallaystems bemerkbar, insbesondere ihr kollektives Ausrichtverhalten
in Richtung der langen Molekülachse.
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Die stäbchenförmigen Moleküle der bekannten nematischen flüssigen
Kristalle weisen eine zu schwache molekulare Auarichtungstendenz auf, um eine Ausrichtung
senkrecht zu den ebenen Wänden der optischen Zelle einstellen zu können. In dieser
nicht ganz ausreichenden Ausrichtungstendenz liegt der Grund für das Auftreten des
Verschleierungseffektes in Anzeigevorrichtungen auf der Basis flüssiger
Kristalle.
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Zur Herstellung homöotroper Strukturen sind zwei verschiedene Verfahren
bekannt geworden, und zwar eines, das von einer Oberflächenbehandlung der Substratplatte,
d.h. also der Wand der optischen Zelle, ausgeht1 und ein anderes, das eine bessere
Steuerung der molekularen Ausrichtung durch Zusätze zum flüssigen Kristallsystem
zu erreichen versucht. Folgende Beispiele für diese Verfahren seien genannt: (1)
Ein Verfahren, das darin besteht, dass man dem System Zusätze zufügt, die die molekulare
Ausrichtung der nemaischen flüssigen Kristalle steuern können. Solche Zusätze sind
bei,spielaweise Dodecyltrimethylammoniumbromid oder Cetylester der Gallussäure.
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(2) Ein Verfahren, das darin besteht,-dass man eine Verbindung wie
Lecithin auf ein Glassubstrat aufträgt.
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(3) Ein Verfahren, das darin besteht, dass man die Oberfläche des
Glassubetrates beispielsweise mit Chromschwefelsäure oder Flußsäure ätzt.
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(4) Ein Verfahren, das darin besteht, dass man auf eine als Substrat
dienende Glasplatte im Vakuüm' eine Schicht aus einem Metalloxid, einem Mstallfluorid
oder einer entsprechenden Verbindung auf dampft.
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Sowohl nach dem Ätzverfahren (3) als auch nach dem Auf dampfverfahreen
(4) bleibt es jedoch nach wie yor durchaus schwierig, in ausreichend guter Ausrichtung
flüssige Kristalle mit homöotropen Strukturen zu erhalten. Selbst wenn eine homöotrope
Struktur ausgebildet wird, so zeigt diene Struktur doch nicht die erforderliche
Langzeitstabilität.
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Durchaus stabile homöotrope Strukturen können dagegen nach einem der
mit Zusätzen arbeitenden Verfahren (1) oder (2) erhalten werden. Als Zusätze, die
die molekulare Ausrichtung der Moleküle des Systems der flüssigen Kristalle steuernd
beeinflussen können, werden Stoffe mit ganz bestimmtem Molekülbau gewählt. Man unterscheidet
dabei zwei grosse Gruppen, deren Wahl nach Massgabe der Art der Substratoberfläche
getroffen wird. Zum einen wird die homöotrope Struktur in Verbindung mit irgendwelchen
unbehandelten Oberflächen hergestellt, während zum anderen die homöotrope Struktur
mit ausserordentlich guter Stabilität in Verbindung mit einer sorgfältig behandelten
polaren Oberfläche erzeugt wird.
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Die als Zusätze verwendeten Stoffe zeichnen sich vor allem durch eine
lange Alkylkette mit endständigen polaren Gruppen hoher Adsorptionsaktivität aus.
Diese polaren Gruppen werden bevorzugt an den Substratoberflächen adsorbiert, wobei
sie die flüssigen Kristalle in der Weise einschliessen, dass diese eine molekular
ausgerichtete Schicht mit der Dicke einer Moleküllage bilden. Diese Monoschicht
überträgt ihre Ausrichtung, nämlich ihre Ausrichtung senkrecht zum Substrat, auf
die angrenzenden Schichten der Moleküle des flüssigen Rrißtallsystams. Die Moleküle
der flüssigen Kristalle werden dabei durch die zwischenmolekularen Kräfte erlangen
Alkylketten der Adsorptionsschicht parallel zueinander gehalten, wa8 zu einer insgesamt
stabilen Ausrichtung der Moleküle der flüssigen Kristalle senkrecht zur Substratoberfläche,
also senkrecht zur Wandfläche der optischen Zelle, führt.
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Als endständige polare funktionelle Gruppen der Zusatzmoleküle, die
an der Substratoberfläche adsorbiert werden, dienen beispielsweise folgende Gruppen:
Hydroxyl, Carboxyl, Carbonyl, ein quaternäres Stickstoffatom, ein Sulfonsäurerest,
eine Phosphonsäuregruppe und andere Die als Zusatz
verwendeten Moleküle
sollten mindestens eine dieser polaren Gruppen aufweisen. Eine stabile Ausrichtung
senkrecht zur Substratoberfläche kann auch eingestellt und aufrechterhalten werden.
wenn zumindest eine der vorgenannten aktiven Gruppen in Verbindung mit einem cyclischen
Kohlenwasserstoff, vorzugsweise auch als Bestandteil des Ringsystems, vorliegt.
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Im allgemeinen werden zur Anzeige mit Hilfe flüssiger Kristalle ebene
Glasplatten verwendet. Azs Elektrodenmaterial werden auf diesen Glasplatten durchsichtige
Metalloxidachichten oder Metallschichten reflektierender Metalle auf die Glasoberfläche,
in der Regel durch Aufdampfen, aufgebracht.
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Zur Bildung der Anzeigezelle werden im allgemeinen zwei ebene Glasplatten
verwendet, die in einem sehr geringen Abstand von nur wenigen Mikrometern bis zu
einigen 10 Mikrometern parallel zueinander gehalten werden. Die wichtigste Forderung
an diese Glasplatten ist, dass sie unbedingt parallel und eben sind. Zur Herstellung
solcher Platten werden Flussgläser ausserordentlicher Ebenheit verwendet.
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Auch werden Gläser als Substrate verwendet. deren Oberflächen zur
Erhöhung der Ebenheit optisch poliert worden sind.
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Eine Reihe dieser Polierverfahren führt jedoch zur Bildung von feinsten
Kratzern auf der Oberfläche, die in der Regel eine Vorzugsrichtung aufweisen. Aufgrund
dieser Kratzer wird die Auarichtung der Moleküle der flüssigen Kristalle lokal gestört.
In jedem Fall jedoch besteht zwischen den flüssigen Kristallen und der Subatratoberfläche,
die die optische Zelle bildet, und den Elektrodenoberflächen selbst ein direkter
Kontakt. Im allgemeinen neigen die Moleküle der flüssigen Kristalle, wenn sie mit
der polaren Oberfläche des Elektrodenmaterials in Beruhrung kommen, dazu, sich senkrecht
zur Oberfläche auszurichten. Auf Oberflächen von Gla8ubstraten ist es bisher jedoch
schwierig gewesen, eine solche Phase mit senkrechter Molekülausrichtung aufzubauen,
da
die Einstellung einer solchen Phase von den Eigenschaften und Zuständen der Substratoberflächen
abhängt.
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Au diesan Grund haben auch Zusätze, die die Molekülausrichtung beeinflussen
können, auf Glassubatraten bislang kaum Ergebnisse gezeigt.
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Als Folge der beschriebenen physikalischen Zusammenhänge ist es in
der Praxis bislang schwierig gewesen, Sichtgeräte mit Anzeigeeinheiten auf der Basis
flüssiger Kristalle herzustellen, die im Gesamtbereich der Anzeigefläche keine Verschleierungen
zeigten.
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Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Sichtgerät
auf der Basis flüssiger Kristalle zu schaffen, das im Gegensatz zu den bekannten
Sichtgeräten eine vollkommen verschleierungsfreie Anzeige ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Sichtgerät der
beschriebenen Art vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch ein flüssiges Kristallsystem
mit nematischer Struktur, das mindestens eine der folgenden Verbindungen als Zusatz
enthält:
(10) R.NH.CH2CH2OH
(13) R2R'2N+X-
(16) C2H5.R.R'2N+X-(17) RCOOCH2CH2.R'2N+X-(18) (RO)3P (19) (RO)3PO (20) R2HPO4 wobei
R in den Formeln (1) - (18) Alkyl mit 10 - 24 Kohlenstoffatomen und in den Formeln
(19) und (20) Alkyl mit 4 - 24 kohlenstoffatomen bedeutet, und R' Methyl oder Äthyl
und X- ein einwertiges Anion sind.
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Die vorstehend aufgeführten Verbindungen haben die Fähigkeit, die
Moleküle der flüssigen Kristalle senkrecht zu den Substratoberflächen bzw. zu den
Gehäuseflächen der optischen Zelle auszurichten.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt
durch eine optische Zelle eines Sichtgerätes mit nicht behandelten Oberflächen der
einschliessenden Platten; Fig. 2 einen Querschlnitt durch eine optische Zelle eines
Sichtgerätes gemass der Erfindung und Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
optischen Zelle eines Sichtgerätes gemäss der Erfindung.
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In der in Fig. 1 gezeigten optischen Zelle ist auf ein Glassubstrat
1 mit optisch polierter Oberfläche eine Indiumoxidschicht 2 im Vakuum aufgedampft
worden. Der Abstand zwischen den beiden Platten, die streng parallel zueinander
ausgerichtet sind, beträgt 10 /um. In diese Zelle wurden flüssige Kristalle mit
nematischer Struktur gegeben, die ca. 1 Gew.-% einer der nachstehend aufgelisteten
Zusätze enthielten.
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Als flüssiger Kristall mit nematischer Struktur diente ein c;emisch.von
p-Anisyliden-p-n-heptylanilin, p-athoxybenzyliden-p-n-butylanilin und p-n-Propoxybenzyliden-pn-pentylanilin
im Gewichtsverhältnis 1 : 1 : 1. Diesem
zu Testzwecken benutzten
flüssigen Kristall wurde jeweils mindestens einer der folgenden Zusätze zugesetzt:
(A) Sorbitane (1) Sorbitanmonolaurat
(2) Sorbitanmonopalmitat
(3) Sorbitanmonostearat
(4) Sorbitanmonodeat
(5) Sorbitandilaurat
(6) Sorbitandipalmitat
(7) Sorbitandistearat
(8) Sorbitandioleat
(9) Sorbitantrilaurat
(10) sorbitantripalmitat
(11) Sorbitantristearat
(12) Sorbitantrioleat
(B) Sorbite (1) Sorbitmonolaurat
(2) Sorbitmonopalmitat
(3) Sorbitmonostearat
(4) Sortibmonooleat
(c) Glycerinester
(1) Glycerin-α-monolaurat
(2) Glycerin-α-monopalmitat
(3) Glycerin-α-monooleat
(4) Glycerin-«-monostearat
(5) Glycerin-α,α'-dilaurat
(6) Glycerin-α,α'-dipalmitat
(7) Glyerin-α,α'-distearat
(8) Glycerin-α,α-dioleat
(9 Glycerintrilaurat
(10) Glycerintripalmitat
(11) Glycerintristearat
(12) Glycerintrioleat
(D) Sarkosinester (1) N-Launylsarkosin
(2) N-Lauroylsarkosinnatriumsalz
(3) N-Oleoylsarkosin
(E) Oxyäthylenalkylamine (1) Oxyäthylendodecylamin CH3(CH2)11NHCH2CH2OH (2) Oxyäthylenhexadecylamin
CH3(CH2)15NHCH2CH2CH (3) Oxyäthylenoctadecylamin CH3(CH2)17NHCH2CH (F) Alkylbenzolsulfonsäulfonsäureverbindungen
(l) n-Dodecylbenzolsulfonsäure
(2) Natrium-n-dodecylbenzolsulfonat
(3) n-Cetylbenzolsulfonsäure
(G) Quaternäre Ammoniumsalze (@) Didodecyldimethylammoniumbromid
(2) Dioctadecyldimethylammoniumbromid
(3) Didodecyldiäthylamnoniumchlorid
(4) Laurylbenzyltrimethylammonulcblorid
(5) Iaurylbenzyltrimethyiammoniumjodid
(6) Cetylbenzyltrimethylammoniumchlorid
(7) Laurylbenzyltriäthylammoniumchlorid
(8) Lauryldimethylbenzylammoniumchlorid
(9) Cetyldimethylbenzylarmnoniumchlorid
(10) Cetyldimethyläthylammoniumbromid
(11) Lauroylcholinchlorid H3C(CH2)10COOCH2CH2(Cl0N(CH3)2 (12) Palmitoylch-Olinchlorid
H3C(CH2)14COOCH2CH2(C1)N(CH3)2 (13) Stearoylcholinchlorid H3C(CH2)16COO(CH)(CI)N(CH3)2
(14) Lauroylcholinjodid H3C(CH2)10COOCH2CH2(J)N(CH3)2 (15) Palmitoylcholinjodid
H3C(CH2)14COOCH2CH2(J)N(CH3)2
(16) Satearoylcholinjodid H3C(CH2)16COOCH2CH2(J)N(CH3)2
(H) Derivate der phosphorigen Säure und der Phosphorsäure (1) Tridecylphosphit (CH3(CH2)9O)3P
(2) Trilaurylphosphit (CH3(CH2)IIO)3P (3) Tristearylphosphit (CH3)CH2)17O)3P (4)
Trioctylphosphat (CH3(CH2)7O)3PO (5) Tridecylphosphat (CH3(CH2)9O)3PO (6) Tridodecylphosphat
(cH3 (cH2 )11O) 3P0
(7) Tristearylphosphat (cH3 (cH2 )17O)3PO (8)
Dioctylphosphat (CH3(CH2)7)2HPO4 (9) Didecylphosphat (CH3(CH2)9)2HPO4 (10) Didodecylphosphat
(CH3(CH2)11)2HPO4 (11) Dihexadecylphosphat (CH3(CH2)15)2HPO4 Die mit den vorstehend
zusammengestellten Zusätzen unternommenen Versuche zeigten. dass der zwischen den
Substratplatten 1 eingeschlossene Bereich 3 des flüssigen Kristalls den Verschleierungseffekt
aufwies, während der zwischen dem Elektrodenmaterial eingeschlossene Bereich 4 des
flüssigen Kristalls keinen Verschleierungseffekt zeigte und vollständig durchsichtig
war. Bei Anordnung eines Paares paralleler Polarisatoren vor und hinter der optischen
Zelle mit dem flüssigen Kristall erschien bei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen
der Bereich 3 des flüssigen Kristalls hell und der Bereich 4 des flüssigen Kristalls
dunkel.
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Diese Ergebnisse zeigen deutliche dass der flüssige Kristall im Bereich
4 zwischen den Elektroden eine reine homöotrope Struktur besass.
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Um eine insgesamt verschleierungsfreie Anzeige mit Hilfe eines flüssigen
Kristalls zu erhalten0 musste also der gesamte flüssige Kristall zwischen das Elektrodenmaterial
gebracht werden bzw müsse mit anderen Worten, die Fläche des Elektrodenmaterials
so vergrössert werden, dass sie die gesamte Anzeigefläche bedeckt.
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Die vorstehend beschriebenen Versuche und Ergebnisse wurden mit einem
nnatischen flüssigen Kristall der oben beschriebenen Zusammensetzung und zunächst
nur einem der vorgenannten Zusätze durchgeführt Die gleichen Ergebnisse wurden jedoch
bei der Verwendung von zwei oder mehreren dieser Zusätze erhalten.
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Die Ergebnisse zeigten weiterhin dass auch durch eine weitere Erhöhung
der Konzentration der Zusätze der Verschleierungseffekt nicht unterdrückt werden
konnte; solange der flüssige Kristall mit der - Oberfläche des Glases in Berührung
stand.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird also
ein Sichtgerät auf der Basis eines flüssigen Kristalls0 das keinerlei Verschleierungseffekt
zeigt, in der Weise erhalten, dass man eine dünne und durch sichtige Elektrodenschicht
oder eine dünne Metallelektrode auf die in der optischen Zelle einander gegenüberliegenden.
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in der Regel aus Glas bestehenden Flächen aufbringt und die nicht
als Elektrode dienenden Bereiche einer Ätzbehandlung
unterwirft
oder im Vakuum mit einer dünnen und durchsichtigen elektrisch isolierenden Schicht
bedampft. stenn man zwischen die beiden Flächen einer solcherart hergestellten optischen
Zelle einen nematiscilen flüssigen Kristall oder ein entsprechendes Kristallsystem
mit mindestena einem der vorerwähnten Zusätze bringt, so erhält man ein Sichtgerät,
das keinerlei Verschleierungseffekte zeigt.
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Beispiele für solche durchsichtigen Aufdampfschichten sind Schichten
aus Metalloxiden, beispielsweise aus Zinnoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Cadmiumoxid.
Die Metallelektroden, die in dünnen Schichten aufgebracht, vorzugsweise aufgedampft,
werden können aus Aluminium, Nickel, Palladium, Silber, Gold oder anderen an sich
bekannten Elektrodenmetallen bestehen.
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Beispiel 1 Eine als Substrat dienende Glasplatte 1 wurde optisch geschliffen
und mit einer elektrisch leitenden dünnen Schicht 2 (Fig. 2) versehen. Die so beschichteten
Proben wurden 1 min lang in Chromschwefelsäure getaucht.
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Aua den so vorbereiteten Glasplatten wurden optische Zellen aufgebaut,
in die ein nematischer flüssiger Kristall mit einem der vorgenannten Zusätze eingebracht
wurde.
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Die in der vorstehenden Weise geätzten Glasflächen wiesen im Inneren
der Zelle einen Abstand von 10 /um auf. Der nematische flüssige Kristall hatte die
gleiche Zusarmuensetzung wie im Rahmen des oben beschriebenen Versuches angegeben.
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In der Fig. 2 ist der flüssige Kristall 7 zwischen den
geätzten
Oberflächen 5 der Glassubstratplatten 1 dargestellt. Ein Bereich 8 des flüssigen
Kristalls befand sich zwischen den Oberflächen 6 der Elektroden 2.
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Unabhängig von der Art der Zusätze zeigten die flüssigen Kristalle
auch im Bereich 7 ebenso wie die flüssigen Kristalle im Bereich S keinerlei Verschleierung
und waren vollkommen gleichmässig durchsichtig.
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Wenn diese optische Zelle mit dem flüssigen Kristall zwischen gekreuzte
lineare Polarisatoren gebracht und gedreht wurde, erachien das durchdringende Licht
gleichförmig dunkel. Diese Erscheinung ist auf die Bildung der homöotropen Struktur
zurückzuführen, die durch die Verwendung der Zusätze gemäss der Erfindung eingestellt
werden konnte.
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Beispiel 2 Der hinsichtlich seiner Zusammensetzung gleiche flüssige
Kristall, wie er auch im Beispiel 1 verwandt wurde0 wurde zwischen zwei Glasplatten
1 (Fig 3) gebracht0 deren Oberflächen durch Aufdampfen im Vakuum mit einer dünnen
elektrisch isolierenden Schicht 9 aus Magnesiumfluorid versehen war. Auf diese Isolatorschicht
9 war ebenfalls durch Aufdampfen im Vakuum eine Schicht 10 aus Indiumoxid aufgebracht
worden.
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In der aus diesen Substratplatten hergestellten optischen Zelle war
also der Bereich des flüssigen Kristalls zwischen den Aufdampfschichten aus Magnesiumfluorid
und der Bereich 12 des flüssigen Kristalls zwischen den Oberflächen der Aufdampfschichten
aus Indiumoxid eingeschlossen.
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Die Leistung dieser Anzeigevorrichtung entsprach derjenigen des Beispiels
1, zeigte also keinerlei Verschleierung und war unabhängig von dem im einzelnen
aus der vorstehenden Liste gewählten Zusatz zu dem flüssigen Kristall gleichmässig
durchsichtig. Die Verwendung der Polarisatoren zeigte das gleiche Ergebnis wie im
Beispiel 1. Der gesamte flüssige Kristall zeigte in allen seinen Bereichen eine
ausserordentlich gut ausgebildete homöotrope Struktur,' Die Isolatorschicht kann
mit gleichem Erfolg auch aus einem der folgenden Stoffe bestehen: Siliciumoxid,
Aluminiumoxid, Bariumoxid, Berylliumoxid, Wismutoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid,
Antimonoxid, Telluroxid, Thoriumoxid, Zinkoxid, Indiumoxid oder Zinnoxid.
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Beispiel 3 Die im Beispiel 1 und im Beispiel 2 beschriebenen Versuche
wurden mit der Abänderung wiederholt, dass ein anderer nematischer flüssiger Kristall
verwendet wurde. In gleicher Weiser wie vorstehend in den Beispielen 1 und 2 beschrieben,
wurde die gleiche gut ausgebildete homöotrope Struktur durch die Zusätze erhalten.
Die untersuchten nematischen flüssigen Kristalle umfassten unter anderem die folgenden
Verbindungen: p-Anisyliden-p-aminophenylacetat, p-Anisylidenp-aminobenzonitril,
p-Azoxyanisol, p-nthoxy-p'-n-hexanoyloxyazobenzol und p-n-'Sexylbenzoesäure-p'-n-hexyloxyphenylester.
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in gleicher Weise wurden vollkommen verschleierungafreie Anzeigeeinheiten
für Sichtgeräte xhalten, wenn neben den vorgenannten Zusätzen gemäss der Erfindung
dem flüssigen Kristall zusätzlich noch Additive zugegeben wurden, die in an sich
bekannter Weise eine Molekülausrichtung bewirken, beispielsweise Gallussäurecetylester
oder Lecithin. Die
Menge an zugesetzten an sich bekannten Additiven
reicht jedoch nicht aus, um den an der Oberfläche der Glasplatten auftretenden Verschleierungseffekt
zu beseitigen.
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Weiterhin konnten andere an sich bekannte Zusätze in Mengen dem System
gemäss der Erfindung zugesetzt werden, die die homöotrope Struktur nicht zerstörten,
aber andere Eigenschaften des Systems verbesserten, beispielsweise den spezifischen
elektrischen Widerstand, die Zeitkonstante, den Kontrast oder die Standzeit.
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Durch die vorstehend beschriebenen Zusätze zu den flüssigen Kristallen
werden Sichtgeräte mit vollkomnen verschleierungsfreier Anzeige erhalten, die in
vielen Bereichen der Industrie und des Konsums vorteilhaft angewendet werden können.