DE2363219B2

DE2363219B2 - Fluessigkristallanzeigeelement mit farbwechseldarstellung

Info

Publication number: DE2363219B2
Application number: DE19732363219
Authority: DE
Inventors: Akio Kata.no; Fukai Masakazu Nishinomiya; Asai Komeij Hirakata; Moriyama (Japan)
Original assignee: Maisusbita Electric Jfldusij-ja] Co., Ltd., Kadoma, Osaka (Japa.n)
Priority date: 1972-12-19
Filing date: 1973-12-19
Publication date: 1976-09-09
Also published as: JPS4984670A; JPS5942287B2; US3864022A; DE2363219C3; DE2363219A1; FR2211154A5; GB1446628A; CA1005893A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Flüssigkristallanzeigeelement mit Farbwechseldarstellung für die Steuerung durch ein elektrisches Feld auf der Basis eines nematischen Flüssigkristalls, der mindestens zwei Farbstoffe mit voneinander verschiedener optischer Absorption, von denen mindestens einer pleochromatisch ist, enthält.

Ein Flüssigkristallanzeigeelement der genannten An ist aus der Zeitschrift »Electronics« (Juli 1970), Seiten 64-70 bekannt. Der nematische Flüssigkristall besitzt positive dielektrische Anisotropie. Die Moleküle des Flüssigkristalls sind im feldfreien Zustand nicht substratspezifisch ausgerichtet, sondern bilden über den Flüssigkristall statistisch verteilte nematische Bereiche. Diesem Flüssigkristall sind ein photochromer und ein pleochromer Farbstoff zugesetzt. In Gegenwart eines äußeren elektrischen Feldes ist der so angefärbte Flüssigkristall farblos, während er in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Feldes gefärbt erscheint. Durch Einstrahlen von Licht einer bestimmten Wellenlänge kann die Färbung des Flüssigkristalls von einem ersten Farbton in einen zweiten überführt werden. Bei Einstrahlen von Licht einer zweiten Wellenlänge wird die zweite Färbung wieder in eine erste Färbung zurückgeführt Während unter der Steuerung des elektrischen Feldes also eine Informationsdarste!!un_eunter Verwendung gefärbter und farbloser Kristallbereiche erfolgen kann, kann unter optischer Steuerung eine Informationsdarstellung unter Verwendung zweier verschieden gefärbter Kristallbereiche erfolgen. Die eigentliche Farbwechseldarstellung erfolgt also unter optischer und nicht unter elektrischer Steuerung. Die optische Steuerung weist gegenüber der elektrischen für diese Zwecke zahlreiche Nachteile auf, von denen hier lediglich der wesentlich höhere apparative Aufwand genannt sei.

Aus der DT-OS 2016 566 ist ein Farbwiedergabesystem bekannt, bei dem mehrere verschieden gefärbte Flüssigkristallzellen in Richtung der optischen Achse des Systems hintereinandergeschaltet sind. Jede diese; Zellen ist unabhängig von der anderen elektrisch \oi, gefärbt nach ungefärbt umschaltbar. Das System ist also kein Flüssigkristallanzeigeelement zur Informationsdarstellung, sondern ein farbmodulierbarer optischer Filter Ein Anzeigeelement zur Informationsdarstellung unter Ausnutzung des Farbkontrastes zwischen zwei \cschieden gefärbten Kristallbereichen ist mit diesu Anordnung nicht möglich.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Flüssigkristall«η zeigeelernent der genannten Art für die Farbwechseldarstellung, also für die Informationsdarstellung urne; Ausnutzung des Kontrastes zwischen zwei verschiedenen Farben, zu schaffen, das ausschließlich durch ein elektrisches Feld steuerbar und mit einer einzigen optischen Zelle betreibbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Anzeigeelement der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der nematische Flüssigkristall negative dielektrische Anisotropie und in Abwesenheit eines elektrischen Feldes homöotrope Ausrichtung aufweist und daß mindestens zwei der Farbstoffe für sich genommen unterschiedliches Verhalten entsprechend jeweils einer der Möglichkeiten Änderung der Farbe, keine Änderung der Farbe. Entfärbung oder Färbung beim Anlegen des elektrischen Feldes zeigen.

Das Anzeigeelement der Erfindung weist den Vorteil auf, daß es eine kräftig mehrfarbige Informationsdarstellung ermöglicht, bei der die Färbung der Anzeigefläche des Elements durch elektrische Steuerung des Flüssigkristalls umschlagartig verändert werden kann. Dabei wird eine farbverschleierungsfreie. farbkrallige und kontrastreiche Anzeige erhalten. Durch die Kombination der verschiedenartigsten Farbstoffe sieht eine breite Farbpalette zur Verfügung. Das Anzeigeelement der Erfindung wird ausschließlich durch ein angelegtes äußeres elektrisches Feld gesteuert.

Bei der Auswahl der erfindungsgemäß zu verwendenden Farbstoffkombination ist folgendes zu beachten:

Von den dem Flüssigkristal! zugesetzten Farbstoffen muß zumindest einer ein plcochromaüscher Farbstoff sein, der unter Einwirkung eines elektrischen Feldes einen Farbumschlag aus einem gefärbten Zustand in einen farblosen oder zumindest doch kaum gefärbten Zustand oder einen Umschlag aus einem ersten gefärbten Zustand in einen anders gefärbten Zustand zeigt. Diesem anders gefärbte Zustand kann dabei ein

Zustand unterschiedlicher Färbung oder Farbtönung sein. Weiterhin muß zumindest einer der dem Flüssigkristall zugesetzten Farbstoffe *-in Farbstoff sein, der unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes aus einem farblosen Zustand in einen gefärbten Zustand umschlägt oder aber keine oder nur eine optisch nicht ins Gewicht fallende Farbänderung zeigt

Im Anzeigeelement der Erfindung erfolgt die Anzeige also in der Weise, daß dem Untergrundbereich, der dem Ruhezustand des Kristalls entspricht, und dem Bildbe- ι ο reich, der dem angeregten Kristallzustand entspricht, unterschiedliche Färbungen zugeordnet werden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß auch bei Verwendung großer Farbstoff konzentration en und damit beim Auftreten nicht ausgerichteter Farbstoffmoieküle in Abwesenheit eines elektrischen Feldes solche nicht ausgerichteten Farbstoffmoleküle mit anderen rarbstoffmolekülen vermischt und *:ur Darstellung anderer Färbungen verwendet werden. Bei entsprehender Zusammensetzung der Farbstoffe wird dadurch ..•rreicht, daß der Kontrast zwischen Untergrundbereich und Bildbereich nicht vermindert wird. Da der Anzeigekoritrast also aus dem Kontrast zweier verschiedener Farben abgeleitet wird und nicht auf dem Unterschied zwischen einem ungefärbten Untergrund und einem gefärbten Anzeigebereich aufbaut, kann im Anzeigeelement der Erfindung die Farbstoff konzentration im Flüssigkristall wesentlich erhöht werden, ohne eine Kontrastverschlechterung in Kauf nehmen zu müssen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. la und Ib Absorptionsspektren gefärbter Flüssigkristalle,

F i g. 2 ein Spannung-Frequenz-Diagramm zur Erläuterung der Betriebsbedingungen für das Anzeigeelement der Erfindung,

Fig.3A, 3B und 3C in schematischer Darstellung Orientierungskonfigurationen der Moleküle des flüssigen Kristalls in Anzeigeelementen gemäß der Erfindung,

Fig.4a-4d in schematischer Darstellung Ausrichtungskonfigurationen der Moleküle in Anzeigeelementen gemäß der Erfindung und

F i g. 5 das elektrische Feldverhalten des optischen Absorptionsverlaufs für ein Ausführungsbeispiei der Erfindung.

Vom Standpunkt des elektrischen Feldverhakens der Anzeigeeigenschaften können die Farbstoffe nach den vier in der Tabelle 1 gezeigten Gruppen klassifiziert werden, wobei der Farbwechsel beim Umschalten der elektrischen Feldbedingungen zugrunde gelegt ist.

Tabelle I

Farbe in Abwesenheit Farbe in Gegenwart eines elektrischen Feldes eines elektrischen Feldes

gefärbt

farblos oder praktisch

farblos

gefärbt

D gefärbt

farblos oder praktisch

farblos gefärbt

gefärbt mit unterschiedlicher Färbung
keine oder praktisch
keine Farbänderung

Die in der vorstehenden Tabelle I wiedergegebene Klassifizierung basiert auf der relativen Beziehung zwischen der Ausrichtungskonfiguration der Moleküle k's flüssigen Kristalls und der Absorptionsachsen der nach Maßgabe der Moleküle des flüssigen Kristalls ausgerichteten Farbstoffmoleküle. Insbesondere spielt füe Farbungsänderung bei Verwendung eines nematischcn flüssigen Kristalls eine Rolle, wenn der Kristall line homöotrope Struktur und eine negative dielektrische Anisotropie aufweist, wobei beim Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes eine Rotationsumorien-1 ierung der Moleküle stattfindet.

In den Fig. la und Ib sind typische Absorptionskurven eines flüssigen Kristalls gezeigt, det je einen einzigen Typ dieser Farbstoffe enthä!¹. in den Figuren is; die Absorption auf der Ordinate als Funktion der Wellenlänge auf der Abszisse dargestellt. Die in den Figuren mit O bezeichnete stark ausfre/o^ne Kurve gibt das Absorptionsspektrum bei Abwesenheit eine;, elektrischen Feldes wieder. Dk ^ivvb-oc^ y <iao;e stellten Kurv·!: A. B ι in ei (' besc ■ ·.■ rii.v;i ·>·ι Absorptionsspektren in Gegenwar! eines elektrischen Feldes, das. einer Schicht eine flussipcr· K "i^p-i;ills aufgeprägt.

eine Rotationsumorientierung der Moleküle auslöst. Bei Verwendung eines in der vorstehenden Tabelle unter die Gruppe A fallenden Farbstoffs, also bei seiner Zumischung zu einem flüssigen Kristall, wird beim Anlegen eines elektrischen Feldes statt des mit O bezeichneten Absorptionsverlaufes der mit B bezeichnete Absorptionsverlauf erhalten. Entsprechendes gilt für die Kurven A und C, die für flüssige Kristalle erhalten werden, die Farbstoffe der Gruppen £>oder C der Tabelle I enthalten. Entsprechend der Klassifizierung der Farbstoffe der Gruppe D wird das in Abwesenheit eines elektrischen Feldes im sichtbaren Bereich gemessene Absorptionsspektrum durch ein Anlegen eines elektrischen Feldes im relativen Verlauf

<^c praktisch nicht verändert.

Das Anzeigeelement, gemäß der Erfindung enthält mindestens zwei Farbstoffe verschiedener Färbung, die /uminuest zwei verschiedenen der Gruppen A, B, Cund !^rJ angehören.

;■. Beispiele für c,.. Kombination zweier Farbstoffe mit unterschiedlichem Anzeigeverhalten und Änderung der dargestellten Farbe je nach Kombination sind in der nachstehenden Tjiiielie Π zusammengefaß;.

	5	mit Feld	23 63	219 C.	mit F'elcl	6	Farbumschlag	des Elementes
		(Anzeige		*	(Anzeige-		ohne Feld	mit Feld
Tabelle II		färbung)			färbungj	(Untergrund	(Anzeige
Farbstoff M		Farbstoff N		gefärbt	färbung)	färbung)
ohne Feld		ohne Feld	*(B')*	A + B	*A' λ- Β'*
(Untergrund	farblos oder fast	(Untergrund	gefärbt mit anderer
färbung)	farblos (A')	färbung)	Färbung (C)	*A + C*	*A'Λ C*
		farblos oder fast	unverändert
		farblos (B)	*(D')*	*A + D*	*A'+ D'*
gefärbt		gefärbt	gefärbt
*(A)*		*(C)*	*(B')*	*C+ B*	*C'+ B'*
	gefärbt mit anderer	gefärbt	gefärbt mit anderer
	Färbung (C)	*(D)*	Färbung (C)	*C+ C*	*C+ C*
		farblos oder fast	unverändert
		farblos (B)	*(D')*	*C+ D*	C + D'
gefärbt	unverändert	gefärbt	gefärbt
*(C)*	*(D')*	*(C)*	*(B')*	*D+ B*	*D'+ B'*
	gefärbt
	*(D)*
gefärbt	farblos oder fast
*(D)*	farblos (B)

Die Färbungen A bis D und A 'bis D'in der Tabelle II bezei. '.■.::Y: Uli; dsii.i .\:;*cigeelement verliehene Färbung, während die Kombinationen dieser Bezeichnungen, beispielsweise also A +B oder A'+B\ diejenige Färbung bezeichnen, die das Element durch die Kombination der Farbstoffe /V/und /Verhält.

In der Tabelle II sind Beispiele für den Fall zusammengestellt, daß jeder der Farbstoffe M und N unterschiedlich gefärbt sind und unterschiedliches Anzeigeverhalten zeigen, wenn sie einem flüssigen Kristall zugemischt sind. Die Anzahl der Kombinationen kann durch Erhöhung der Art und der Anzahl der Farbstoffe praktisch beliebig erhöht werden In Verbindung mit einem nematischen flüssigen Kristall, der in Abwesenheit eines elektrischen Feldes eine homöotrope Struktur und eine negative dielektrische Anisotropie zeigt, werden mindestens zwei verschiedene Arten der genannten Farbstoffe verwendet. Bei der Verwendung eines nematischen flüssigen Kristalls mit negativer dielektrischer Anisotropie kann eine Änderung der homöotropen Struktur durch Anlegen eines elektrischen Feldes herbeigeführt werden, das auf die senkrecht zur Längsachse der Moleküle stehende Dipolkomponente einwirkt. Unter der »homöotropen Struktur« wird dabei in üblicher Weise eine Molekülausrichtung in der Weise verstanden, daß die Längsachsen so der Moleküle senkrecht zur Oberfläche der den flüssigen Kristall einschließenden Wände der optischen Zelle ausgerichtet sind. Durch die Steuerung der Ausrichtungskonfiguration solcher Moleküle kann die Absorptionsanisotropie der Farbstoffe wirkungsvoll ausgenutzt werden.

Homöotrope Strukturen flüssiger Kristalle können beispielsweise nach einem der folgenden Verfahren erhalten werden:

(a) Es wird ein Zusatzmittel zur Stabilisierung der entsprechenden Ausrichtungskonfiguration zu dem flassigen Kristall zugesetzt, beispielsweise Dodecyltrimethylammoniumbromid oder Gallussäurecetylester.

(b) Es wird auf die Oberfläche des Glassubstrais der optischen Zelle ein Stoff aufgetragen, der die Konfiguration der Moleküle des flüssigen Kristalls beeinflußt beispielsweise Lecithin.

(c) Die Glasoberfläche der optischen Zelle wird

geätzt, und zwar beispielsweise mit Chromschwefelsäure oder Flußsäure.

(d) Auf die Oberfläche des Glassubstrais der optischen Zelle wird durch Aufdampfen eine Schicht eines Metalloxids oder eines Metallfluorids aufgebracht.

Zur praktischen Durchführung der Erfindung wirkt auf die Schicht eines flüssigen Kristalls, dessen Moleküle in einer der vorstehend beschriebenen Weisen in eine homöotrope Ausrichtungskonfiguration überführt worden ist, ein elektrisches Steuerfeld ein. Die Aufprägung einer solchen Steuerspannung kann in zweierlei Weise erfolgen:

(1) Es wird eine Steuerspannung aufgeprägt, die zwar höher als die erforderliche Einsatzspannung für eine geordnete Umorientierung der Moleküle ist, wobei jedoch die aufgeprägte Spannung und die angewendete Frequenz so bemessen sind, daß noch keine dynamische Streuung auftritt.

(2) Eine Spannung, die über der Einsatzspannung für die dynamische Streuung und ein Spannungs-Frequenz-Verhältnis, die in einem Bereich liegen, daß sie eine dynamische Streuung zu erzeugen vermögen, werden eingesetzt.

Nach den beiden Verfahren wird der flüssige Kristall in unterschiedlicher Weise zur Anzeige und Informationsdarstellung verwendet. Während nach dem ersten Verfahren lediglich eine Farbänderung erzeugt wird, tritt nach dem zweiten Verfahren sowohl eine Farbänderung als auch eine Intensitätsmodulation des Lichtes auf.

Der in der Fig.2 gezeigten Graphik kann der effektive Spannungs-Frequenz-Bereich zur Auslösung dieser Doppelaktivierung und zur Anregung nach dem ersten Verfahren entnommen werdea Während der Anregungsbereich nach dem ersten Verfahren in der Fig.2 schraffiert dargestellt ist, ist der Anregungsbereich zur Auslösung der dynamischen Streuung punktiert kenntlich gemacht

Irt der in F i g. 2 gezeigten Graphik ist die Spannung auf der Ordinate und die Frequenz des angelegten Feldes auf der Abszisse aufgetragen. Die Kurve O gibt die Grenzspannung oder Einsatzspannung für die Erzeugung einer linearen Molekülausrichtung wieder. Die Kurve P gibt den Spannungsverlauf für die

er
ht
■t.
kl
Ir

Grenzspanniing zur Rr/eugung einer dynamischen Streuung wieder. Durch die Kurve Q wird die Kinsat«pannung zum Auftreten winkliger Geometrien wiedergegeben. Die Kurven Pund Q lassen sich durch die HELFRICHORSAY-Theorie gut beschreiben. Im Leitungsbereich M und im dielektrischen Bereich N liegen unterschiedliche Leitungsmechanismen des flüssigen Kristalls und entsprechend unterschiedliche Betriebsmoden des Anzeigeelements vor. Der Übergang vom Leitungsbereich M zum dielektrischen Bereich N wird durch eine kritische Grenzfrequenz f_c bestimmt. Der Kurvcnverlauf P-Q weist also an der Grenzfrequenz f, einen Knickpunkt auf, an dem sich in scharf definierter Form die Spannungs-Frequenz-Abhängigkeit ändert.

Der Bereich für die Spannungssteuerung eines Anzeigeelements auf der Basis flüssiger nematischer Kristalle nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren (1) ist in der F i g. 2 also durch die Kurven O, Fund Q sowie im Bereich höherer Spannung durch die der Grenzfrequenz f_c entsprechende Bereichsgrenze R umschrieben. Das vorstehend beschriebene Steuerverfahren (1) kann also in den in Fig.2 gezeigten Spannungs-Frequenz-Bereichen B und D durchgeführt werden.

Das unter Ausnutzung der dynamischen Streuung arbeitende Stcuervcrfahren (2) kann in dem in Fig. 2 gezeigten Spannungs-Frequenz-Bereich Cdurchgeführt werden, i!er durch die Kurve P und die Bereichsgrenze R definiert ist. In dem durch eine durch die Kurve O wiedergegebene konstante Einsatzspannung begrenzten Bereich A zeigt eine Schicht des flüssigen Kristalls keine für eine Informationsdarstellung ausnutzbare Reaktion auf äußere elektrische Felder.

In den F i g. 3A bis 3C ist das elektrische Feldverhaiton der Orientierungskonfigurationen der Moleküle eines nematischen flüssigen Kristalls in der optischen Zelle eines Anzcigeelemcnts wiedergegeben, in Abwesenheit eines elektrischen Feldes oder in Gegenwart eines elektrischen Feldes, dessen Parameter in den Bereich A der in F i g. 2 gezeigten Graphik fallen, sind die Moleküle des flüssigen Kristalls in der Weise ausgerichtet, daß ihre lange Hauptachse a senkrecht zur Ebene der einander gegenüberliegenden Elektroden c steht. Ein Ausschnitt dieser Orientierungskonfiguration der Moleküle des flüssigen Kristalls ist in Fig. 3A gezeigt.

In Gegenwart eines elektrischen Feldes, das die Bedingungen des zuvor beschriebenen Steuerverfahrens (1) erfüllt, wird aufgrund der Einwirkung des Feldes auf die senkrecht zur Hauptachse a des Moleküls stehende Dipolkomponente b durch Rotation ein Umklappen der Orientierungskonfiguration der Moleküle des flüssigen Kristalls bewirkt Die langen Hauptachsen a der Moleküle des flüssigen Kristalls liegen nach dem Umklappen unter Feldeinwirkung parallel zur Hauptebene der Elektroden c und zwar in der in F i g. 3B gezeigten Weise.

Bei Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes, das den unter dem Steuerverfahren (2) beschriebenen Bedingungen der Feldparameter entspricht, dessen Parameter also im Spannungs-Frequenz-Bereich C der in F i g. 2 gezeigten Graphik liegt, wird eine statistische Verteilung der Ausrichtungen der langen Hauptochsen « der Moleküle des flüssigen Kristalls, also eine statistische Orientierungskonfiguration, eingestellt Dieser Effekt wird durch den ionischen Leitungsmechanismus im flüssigen Kristall bewirkt (F i g. 3C).

Die axiale Ausrichtung, also auch die Ausrichtung de optischen Achsen von Farbstoffmolekülen, die den flüssigen Kristall zugemischt sind, ändert sich nad Maßgabe der Änderungen der Orientierungskonfigura tion der Moleküle des flüssigen Kristalls, so daß sich dadurch auch die Absorptionscharakteristiken dei optischen Zelle bzw. des Anzeigeelements ändern.

Weitere ins einzelne gehende Details des Anzeigeelements sind nachstehend näher beschrieben.

In den F i g. 4a bis 4d ist in schematischer Darstellung ein Querschnitt durch die optische Zelle des Anzeigeelements gezeigt. Insbesondere sind die molekularer Ausrichtungskonfigurationen des flüssigen Kristalls unter den verschiedenen Aktivierungsmoden dargestellt.

In der F i g. 4a ist die Konfiguration der Moleküle des flüssigen Kristalls in Abwesenheit eines elektrischen Feldes oder eines elektrischen Feldes gezeigt, dessen Parameter in den in F i g. 2 gezeigten Spannungs-Frequenz-Bereich A fallen. In der Fig.4b ist die entsprechende Konfiguration in Gegenwart eines elektrischen Feldes gezeigt, dessen Parameter dem Steuerverfahren (1) entsprechen, dessen Parameter also in die in F i g. 2 gezeigten Spannungs-Frequenz-Bereiche Soder Dfallen. In der F i g. 4c ist die entsprechende Orientierungskonfiguration der Moleküle des flüssigen Kristalls in Gegenwart eines elektrischen Feldes gezeigt, dessen Parameter den für das Steuerverfahren (2) erforderlichen Bedingungen entsprechen, d. h. also dessen Parameter in den Spannungs-Frequenz-Bereich C (F i g. 2) fallen. In der F i g. 4d schließlich ist die Anordnung des Anzeigeelements gemäß der Erfindung zwischen zwei Polarisatoren 10 und 11 gezeigt.

Die inneren Oberflächen der Glassubstrate 1 und 2 (F i g. 4) der optischen Zelle des Anzeigeelements sind mit durchsichtigen Indiumoxidelektroden 3 und 4 bedampft. Zwischen den Substraten befinden sich die Moleküle 5 des flüssigen nematischen Kristalls, die Moleküle 6 eines die Orientierung der Moleküle steuernden und unterstützenden Zusatzstoffes und die Moleküle 7 und 8 der beiden verschiedenen Farbstoffe mit voneinander verschiedener Absorptionsanisotropie. Die in der F i g. 4 eingezeichnete Wechselspannungsquelle 9 kann gleicherweise als Gleichspannungsquelle ausgebildet sein. In der Fig.4d sind weiterhin die Polarisatoren 10 und 11 vor bzw. hinter der optischen Zelle des Anzeigeelements dargestellt.

Der flüssige Kristall kann beispielsweise aus einem Gemisch von p-Anisyliden-p-n-heptylanilin, p-Äthoxybenzyliden-p-n-butylanilin und p-n-Propoxybenzyliden- p-n-pentylanilin zu gleichen Gewichtsteilen oder einer entsprechenden Verbindungskombination bestehen. Diesem flüssigen Kristall können zur Einstellung und Stabilisierung der Orientierungskonfiguration der Moleküle beispielsweise 2 Gew.-% Gallussäurecetylester zugesetzt werden.

Farbstoffe, die die in Tabelle IH zusammengestellten Anzeigeeigenschaften in Abhängigkeit eines äußeren elektrischen Feldes zeigen, wenn sie einem flüssigen Kristall allein zugesetzt werden, werden in der in Tabelle IV gezeigten Kombination dem Stoffgemisch zugesetzt erwärmt, gerührt und zumindest so weit gelöst, daß kein fester Rückstand verbleibt Der auf diese Weise erhaltene flüssige Kristall, der ein spezielles Ausführungsbeispiel darstellt, kann in den in Fig.4 dargestellten Strukturen als Anzeigeelement verwendet werden.

Tabelle 111

10

Farbstoff

Färbung in Gegenwart eines elektrischen Icicles

Färbung in Abwesenheit
eines elektrischen Feldes

HNC₄H,

farblos oder fasl farblos

;is

hla

HNC₄H₁,

CH.,

N-N-/

rol

farblos oder last farblos

= N-<? /-N(CH₁),

gelb farblos oder fast farblos

Tabelle IV

Probe Farbstoffzusammensetzung (Gew.-%)

Nr. im Flüssigkristall

Farbstoff 1 Farbstoff Il Farbstoff

0
1
0,5

Tabelle V

}o Probe

Nr.

Die in der Tabelle III genannten Farbstoffe II und III sind Farbstoffe, die ein typisches Absorptionsverhalten zeigen, wie es ähnlich auch eine Reihe anderer Farbstoffe aufweisen. Das Absorptionsverhalten des Farbstoffs I ist jedoch neu, und zwar auch in seiner Art nach neu und bisher einschlägig noch nicht bekannt.

Wenn diese Farbstoffe einzeln einem flüssigen Kristall zugemischt werden, weisen sie den Nachteil auf, daß sie bei höheren Konzentrationen molekular in der Schicht des nematischen flüssigen Kristalls nicht mehr so vollständig ausgerichtet werden können, daß der Kristall nach dem Umklappen tatsächlich vollständig farblos wird. Bei zu geringer Konzentration sind jedoch die optischen Intensitäten der Untergrundfärbung und die Färbungen der darstellenden Bereiche so gering, daß der Unterschied bzw. der Kontrast zwischen beiden Bereichen bei normaler Raumbeleuchtung nicht mehr ausreichend gut wahrgenommen werden kann.

Die Anzejgefärbungen der in der Tabelle IV zusammengestellten Proben in Abwesenheit eines elektrischen Feldes und in Gegenwart eines elektrischen Feldes, dessen Parameter den Steuerbedingungen (1) entsprechen (beispielsweise 20 V und 1 kHz) sind in der Tabelle V zusammengestellt Der in der Tabelle V dargestellten Zusammenfassung kann entnommen werden, daß die farbige Anzeige bzw. Informationsdarstellung durch einen Kontrast zwischen zwei verschiedenen Färbungen im Anzeigelicht bewirkt wird.

Färbung des Anzeigeelemcntes
ohne elektrisches in Gegenwart eines

elektrischen

Feld
(Untergrund)

violett

grün

braun

blau

grün

(Darstellung.sberi'icn)

rot

gelb

rot

orangerot

Beim Anlegen eines elektrischen Feldes, dessen Parameter die Steuerbedingungen (2), also die Bedingungen des Spannungs-Frequenz-Bereiches C(Fig.2)

erfüllen, beispielsweise 20 V bei 60 Hz, beginnen die Moleküle des nematischen flüssigen Kristalls dynamisch zn streuen. Der flüssige Kristall bleibt dadurch nicht mehr, wie im vorigen Fall, durchsichtig. Im Gemisch mit dem Streulicht treten jedoch im wesentlichen gleiche

Farben wie im vorangegangenen Fall auf.

Der überraschende Effekt, der in Anzeigeelementen mit den gemischten Farbstoffen, beispielsweise auch mit den Farbstoffen der in Tabelle V genannten Kombina tion, erhalten wurde, liegt darin, daß überschüssige und

nicht ausgerichtete Farbstoffmoleküle in der Weise mit den anderen zugemischten Farbstoffen Kopplungsef fekte zeigten, daO zu keiner Zeit und unter keinen Bedingungen eine Störung oder Farbbeeinträchtigung der Anzeigefläche des Anzeigeelements auftraten

In der F i g. 5 ist als Beispiel das optische Absorptionsspektrum für ein Anzeigeelement gemäß der Erfindung wiedergegeben, bei dem die Probe 1 der Tabelle V zwischen zwei Elektroden gegeben wurde, deren Abstand voneinander ΙΟμπι betrug. Die durch eine

ausgezogene Linie dargestellte und mit »AUS« bezeichnete Kurve zeigt den Absorptionsverlauf in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Steuerfeldes. Die unterbrochen dargestellte und mit »EIN« bezeich-

riete K-ui ve stellt den Absorpiionsvei lauf für ein elektrisches Wechsclfeld mit 20 V und I kHz dar, das über die Elektroden (3, 4) auf den flüssigen Kristall einwirkt. Die Einsatzspannung für die kollektive lineare Umorientierung der in Tabelle V zusammengestellten Beispiele lag bei etwa 5 V bei einer Frequenz von 100 Hz. Anzeigeelemente der beschriebenen Ausführung können also bereits mit einer über dieser Einsatzspannung liegenden Spannung gesteuert werden.

Neben dem vorstehend beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiel für den nematischen flüssigen Kristall mit negativer dielektrischer Anisotropie können auch die nachstehend genannten Verbindungen allein oder in anderen Kombinationen verwendet werden:

p-Anisyliden-p-n-butylanilin,

p-Anisyliden-p-aminophenylacetat,

p-Azoxyanisol,

p-(p-Äthoxyphenylazo)-phenyl-heptanoat oder

n-Butyl-p-(p-äthoxyphenoxy-carbonyl)-

phenylcarbonat.

Weitere Farbstoffe, die Absorptionscharakteristiken nach Art des Farbstoffs I in Tabelle III enthalten, sind jene, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung Kayeset Blue 214 erhältlich sind.

Als Beispiele für Farbstoffe mit Absorptionscharakteristiken, die jenen der Farbstoffe 11 und III der Tabelle IM entsprechen, seien die folgenden genannt:

■N--=--N—<

OH

— OH

NH

O NH-

(blau)

CH₁

(violett)

O NH-

-CH,

(grün)

(ο ran ue

(1 ο

NH

CH₃

NH,

(sielbi

CH₁

CH,

OH

(rotl

OH

Vn=n

OCH, OH

(scharlachrot)

Weiterhin können im einschlägigen Fachgebiet an sich bekannte Farbstoffe verwendet werden, die je nach der Ausrichtung ihrer optischen Achse von einer in die andere Färbung umschlagen, beispielsweise p-Dime-

thylamino-cinnamyliden-2',4'-dinitrophenylhydrazon
oder p-Dimethylaminobenzyliden^'^'-dinitrophenylhydrazon und andere.

Ein weiterer Betriebsmodus des Anzeigeelements gemäß der Erfindung ist in der F i g. 4d gezeigt, bei der gekreuzte Polarisatoren vor und hinter die den flüssigen Kristal! enthaltende optische Zelle des Anzeigeelements gesetzt sind. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes bleibt die Anzeigefläche dunkel, da das Licht die gekreuzten Polarisatoren nicht durchdringen kann. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes dagegen wird das durch den ersten Polarisator einfallende Licht durch die Orientierungsdeformation der Moleküle des flüssigen Kristalls weiter polarisiert und kann dadurch durch den zweiten Polarisator mit der ihm durch den Farbstoff gegebenen Farbe austreten.

Hier/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flüssigkristallanzeigeelement mit Farbwechseldarstellung für die Steuerung durch ein elektrisches Feld auf der Basis eines nematischen Flüssigkristalls, der mindestens zwei Farbstoffe mit voneinander verschiedener optischer Absorption, von denen mindestens einer pleochromatisch ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der nematisehe Flüssigkristall negative dielektrische Anisotropie und in Abwesenheit eines elektrischen Feldes homöotrope Ausrichtung aufweist und daß mindestens zwei der Farbstoffe für sich genommen unterschiedliches Verhalten entsprechend jeweils einer der Möglichkeiten Änderung der Farbe, keine Änderung der Farbe, Entfärbung oder Färbung bei Anlegen des elektrischen Feldes zeigen.

2. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall 1,4-Bisbutylaminoanthrachinon als pleochromatischen Farbstoff enthält.

3. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall zumindest einen pieochromatischen Farbstoff enthält, der beim Anlegen des elektrischen Feldes von einem gefärbten Zustand in einen anders gefärbten Zustand umschlägt, und daß zumindest einer der restlichen Farbstoffe ebenfalls aus einem gefärbten Zustand in einen anderen, unterschiedlich gefärbten Zustand umschlägt.

4. Verfahren zum Betrieb des Anzeigeelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß entweder an die Zelle des Anzeigeelements eine elektrische Spannung, die größer als die Einsatzspannung für eine kollektiv geordnete Umorientierung der Moleküle des Flüssigkristalls ist, angelegt wird, wobei aber die Spannung und die Frequenz des Steuerfeldes so gehalten werden, daß keine dynamische Streuung herbeigeführt wird, oder daß die Spannung und die Frequenz des elektrischen Steuerfeldes so gewählt werden, daß eine dynamische Streuung herbeigeführt wird.