DE2417811A1 - Bildwiedergabevorrichtung mit einer schicht aus fluessigem kristall - Google Patents

Description

PHN.6864« Va/EVH. Dr.-ϊπ* Γ,-..DtaiA Zeil« 20.12.1973,

!'al- ι... ..Γ! 9 A 1 7ft 1 1

Anmelder: M.V. Philips' GloeHampenfabrieken ^ .' ^/O ' '

Akte No.' PHN- 6864
Anmeldung vom: 9. April 1974

Bildwiedergabevorrichtung mit einer Schicht aus flüssigem Kristall

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildwiedergabevorrichtung mit einem Gemisch aus einem nematischen flüssigen Kristall mit negativer dielektrischer Anisotropieä£(^£ - £-u~ ^j.) und einem optisch aktiven Stoff zwischen zwei mit Elektroden versehenen Stützplatten, bei der Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe mindestens zwei Elektroden eine Wechselspannung zum Einschreiben von Informationen zugeführt wird.

Eine derartige Bildwiedergabevorrichtung ist aus dem Artikel "A new electric field-controlled reflective optical storage effect in mixed liquid crystal systems" in Preceedings of the I.E.E.E., Band 57, Kr. 1 vom 1.Januar 1969_t S. 3^-3S bekannt. In diesem Artikel wird beschrieben, dass eine im

409845/0791

- 2 - 20.12.73.

Ruhezustand transparente Schicht aus flüssigem. Kristall unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes stellenweise Licht streut» Zu diesem Zweck wird zwischen "den Elektroden eine Gleichspannung oder eine ¥echselspannung mit einer Frequenz von z.B. 100 Hz angelegt. Die eingeschriebene Information bleibt nach dem Ausschalten der.Spannung geraume Zeit erhalten, kann aber auch schnell mit Hilfe einer Spannung mit einer grosseren Frequenz von z.B. 10Ö0 Hz gelöscht werden. Als optisch aktiver Stoff wird ein eholesteriniseher flüssiger Kristall verwendet, der die Ursache der Speicherwirkung der Vorrichtung ist. Der optisch aktive Stoff verhindert nämlich, dass der nematische flüssige Kristall aus eigener Bewegung in den im Ruhezustand transparenten Zustand zurückkehrt, wodurch dieser Kristall wie eine Art Emulsion nach wie vor Licht streut*. Wenn sie sich einmal wieder im ausgerichteten Zustand befinden, fügen sich die' cholesterinischen Moleküle gut in das Gitter der nematischen Moleküle, wodurch der transparente Zustand erhalten wird.

Die Erfindung bezweckt, eine derartige Bildwiedergabevorrichtung zu schaffen, bei der die Information mit Hilfe einer viel einfacheren Schaltung eingeschrieben und gelöscht wird.

Nach der Erfindung ist eine Bildwiedergabevorrichtung der im ersten Absatz erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass zum Löschen der Information den Elektroden eine Wechselspannung mit derselben Frequenz wie beim Einschreiben und mit einer grSsseren Amplitude zugeführt wird,

409845/0791

- 3 - 20.12.73.

Günstige Ergebnisse werden mit einer Rechteckspannung mit einer Frequenz von weniger als 3000 Hz erzielt. Die genannte Amplitude ist beim Löschen vorzugsweise 1-, 2- bis 3mal grosser als beim Einschreiben. Günstige Ergebnisse werden weiter mit nematischen flüssigen Kristallen aus der Gruppe ρ,ρ· —substituierter Cyano-trans-stilbene erzielt. Der genannte optisch aktive Stoff ist vorzugsweise ein cholesterinischer flüssiger Kristall,

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Bildwiedergabevörrichtung nach der Erfindung

Fig. 2 eine graphische' Darstellung des Verhaltens eines

nematischen flüssigen Kristalls mit grosser negativer dielektrischer Anisotropie,

Die in Fig. 1 gezeigte Bildwiedergabevorrichtung enthält eine erste Stützplatte 1 und eine zweite Stützplatte 2, Die Platten 1 und 2, die aus Glas hergestellt sind, werden durch Distanzstücke 3 vtnd K auf Abstand gehalten. Zwischen den Platten 1 und 2 befindet sich eine etwa 0,02 mm dicke Schicht 13 aus einem nematisch-cholesterinischen Flüssigkristallgemisch, das aus p-Aethoxy-p^f -hexyloxy- e(,_ cyano-transstilben und etwa 2 ^o Cholesterylnonaoat besteht. Auf den Platten 1 und 2 sind dünne transparente Elektroden 5 bis 10 aus Zinnoxid angebracht. Die Elektroden 6 und 9 sind an die elektrische Schaltung 11 angeschlossen. Mittels des Schalters kann die Spannung· zwischen den Elektroden 6 und 9 auf 0 V, 30 V/200 Hz und 60 V/200 Hz eingestellt werden. Bei 30 V/200 Hz

409845/0 791

PHN.6864. '- 4 - 20.12.73.

streut die im Ruhezustand transparente Schicht aus flüssigem Ejristall stellenweise das hindurchfallende Licht. Auf diese Weise können z.B. Ziffern mit Hilfe von sieben Elektroden dargestellt werden, die in Form einer Acht angeordnet sind. Auch kann ein aus Punkten aufgebautes Bild dargestellt werden.

Venn danach die Spannung ausgeschaltet wird, bleibt ^: das eingeschriebene Bild geraume Zeit erhalten, was bei nicht schnell wechselnder Bildinformation (z.B. bei Uhren) ein grosser Vorteil ist. Es ist, wie bereits erwähnt wurde, bekannt, dass die Information mit Hilfe einer höheren Frequenz, z.B. 1000 Hz gelöscht werden kann. Dadurch wird jedoch die Schaltung verwickelt, weil diese nun zwei Frequenzen liefern können muss. Nach der Erfindung kann das Bild mit einer höheren, aber nicht zu hohen Spannung mit derselben Frequenz gelöscht werden. Dazu wird eine Spannung von 60 V/200 Hz über den Elektroden 6 und 9 angelegt. Dies braucht nur kurz zu dauern. Nach etwa 100 bis 500 msec tritt der transparente Zustand wieder ein. Beim Ausschalten der Löschspannung wird kurzzeitig das Gebiet der Spannungen durchlaufen, in dem Informationen eingeschrieben werden können. Da dies schnell erfolgen kann, wirkt sich dies nicht störend aus.

Die obenerwähnten Erscheinungen werden an Hand der Fig. 2 erläutert. Als Ordinate ist der Effektivwert der Wechselspannung zwischen zwei Elektroden zu beiden Seiten einer 0,02 mm dicken Schicht aus p-Aethoxy-p'-hexyloxy-cC-cyanotrans-stilben aufgetragen, welcher nematische flüssige Kristall eine dielektrische Anisotropie von etwa —5»5 bei Temperaturen

409845/0791

PIIN. 6864. - 5 - 20.12.73.

bis zu etwa 75"C aufweist. Als Abszisse ist die Frequenz dieser Spannung aufgetragen. Die Linien Ik und 15 begrenzen die Gebiete als Funktion der GrSsse und der Frequenz der Spannung, in denen die Schicht aus flüssigem Kristall Licht streut. Diese Gebiete liegen auf der schraffierten Seite der Linien 14 und 15· Der Zweig zwischen den Punkten 16 und der Line lh sowie die Linie 15 für höhere Frequenzen als f sind aus dem Stand der Technik in bezug auf nematische flüssige Kristalle mit einer dielektrischen Anisotropie von etwa -0,5 bekannt. Dies geht z.B. aus dem Artikel ."Transition between conduction and dielectric regimes of the electrohydrodynamic instabilitis in a nematic liquid crystal" in "Physics Letters", Band 39 A, Nr. 3 vom 8.Mai 1972, S. 181-182, insbesondere Fig. 1, hervor. Bei einer gerade oberhalb des Zweiges 16-17 liegenden Spannung tritt eine schwache Lichtstreuung infolge der Bildung sogenannter Williams-Domänen auf, die eine Ausdehnung in der GrSssenordnung der Dicke der Schicht aufweisen. Bei Erhöhung der Spannung tritt anschliessend eine starke Lichtstreuung durch Turbulenz im flüssigen Kristall auf.

Bei einer gerade oberhalb der Linie 15 liegenden Spannung tritt eine schwache Lichtstreuung infolge der Bildung sogenannter Chevrons auf, wonach bei noch höherer Spannung wieder Turbulenz auftritt.

Es stellt sich nun heraus", dass bei nematischen flüssigen Kristallen mit stark negativer dielektrischer Anisotropie die Linie lh sich jenseits des Punktes 17 zurückbiegt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Dies hat zur Folge,

409845/0791

- 6 - 20.12.73.

dass ein Gebiet Λ^ oberhalb des Zweiges 17-18 der Linie 1k und unter der Linie 15 erhalten wird, in dem keine Lichtstreuung auftritt« Weiter stellt sich heraus, dass eine mit im Gebiet 19 liegenden Spannungen eingeschriebene Information schnell gelöscht werden kann, falls zum Erhalten einer Speicher-"wirkung ein optisch aktiver Stoff zugesetzt ist. Dies bedeutet, dass infolge der negativen dielektrischen Anisotropie die Schicht aus flüssigem Kristall unter der Einwirkung des elektrischen Feldes zwangsweise in den transparenten Zustand zurückgeführt wird* Dies ist dem bereits bekannten Löschen bei höheren Frequenzen analog.

Das Vorhandensein des Zweiges 17-18 der Linie 14 lässt sich qualitativ wie folgt erklären: Im transparenten Zustand liegt die grosse Achse der langgestreckten Moleküle des nematische! flüssigen Kristalls zu den Stützpunkten 1 und 2 parallel. Das elektrische Feld E zwischen den Elektroden 6 und 9 übt auf diesen Zustand einen stabilisierenden Einfluss aus, denn ** ^ ^< 0, Die Grosse des stabilisierenden Kräftepaares ist proportional zu &£·Ε . Die ¥irbelströme treten dadurch auf, dass die Leitung des flüssigen Kristalls gleichfalls anisotrop ist, d.h., dass sich die Elektronen leichter parallel zur grossen Achse der Moleküle als senkrecht zu dieser Achse bewegen· Also Gυ > £ ι , und zwar £f( ««1 ,5 &±. · Dies hat zur Folge, dass eine geringe anfängliche Störung der zu den Stützplatten parallelen Lage der Moleküle eine inhomogene Stromverteilung herbeiführt, wodurch eine Rauraladungsverteilung erhalten wird.

409845/0791

— 7 - 20.12.73.

Dadurch, werden in mikroskopischem Masstab Querfelder erhalten, die mit E proportional sind und die' anfängliche Störung vergrSssem, wodurch im Endergebnis Turbulenz auftritt.

2 Da das stabilisierende Kräftepaar aber mit E proportional ist, wird dies bei zunehmendem E und bei grossem/^Sjwieder vorherrschend. Im beschriebenen Kräftespiel sind weiter noch wirksam ein elastisches Kräftepaar, das den parallelen Zusammenhang der Moleküle aufrechtzuerhalten sucht und also stabilisierend wirkt, und ein viskoses Kräftepaar, das mit E proportional ist und das durch die Tatsache herbeigeführt wird, dass die Moleküle die Neigung haben, sich parallel zu ihrer Strömungsrichtung zu richten, welches letztere Kräftepaar also eine entstabilisierende Wirkung hat.

Nematische flüssige Kristalle mit einer stark negativen dielektrischen Anisotropie waren bisher unbekannt. Die Erfindung beschränkt sich naturgemäss nicht auf die Anwendung des beispielsweise genannten p-Aethoxy-p¹ -h exyl oxy- <λ. cyano trans-stilbens« Grundsätzlich sind alle nematischen flüssigen Kristalle mit einerA?C-1, also mit einer stark negativen dielektrischen Anisotropie, anwendbar, insbesondere diejenigen Kristalle, die in der deutschen Patentanmeldung P 2317327.5 vorgeschlagen worden sind. Als optisch wirksamer Stoff kann jeder cholesterinische flüssige Kristall in Konzentrationen bis zu etwa 10 fo_t z.B. das im Ausführungsbeispiel genannte ChoIesterylnonaoat, verwendet werden. Auch nichtflüssigkristalline optisch wirksame Stoffe sind in Konzentrationen

409 8 4 5/0791

- 8 - 20.12.73.

anwendbar, bei denen der flüssigkristalline Zustand des Gemisches erhalten bleibt. Beispiele für derartige Stoffe sind L-Menthol (linksdrehend; Chemical Physics Letters, Band 6 (i97O) S. 5) und D-Weinsäure (rechtsdrehend; Chemical Physics Letters, Band 3 (1969) S. 540).

409845/0 791

Claims (1)

1. 9 - ' 20.12.73.

   PATENTANSPRUECHE :

   1 .J Bildwiedergabevorrichtung mit einem Gemisch aus einem nematischen flüssigen Kristall mit negativer dielektrischer Anisotropie^£(Ax ^S Ü ~* ^J.) ^⁰¹*³ einem optisch aktiven Stoff zwischen zwei mit Elektroden versehenen Stützplatten, bei der Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe mindestens zwei Elektroden eine Wechselspannung zum Einschreiben von Informationen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Löschen der Information den Elektroden (5 bis 10) eine Wechselspannung mit derselben Frequenz wie beim Einschreiben und mit einer grosseren Amplitude zugeführt wird.

   2, Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Wechselspannung eine Rechteckspannung mit einer Frequenz von weniger als 3000 Hz ist,

   3. Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Amplitude beim Löschen 1-, 2- bis 3raal grosser als beim Einschreiben ist.

   k, Biidwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Gemisch einen nematischen flüssigen Kristall aus der Gruppe ρ,ρ«-substituierter Cyanotrans-stilbene enthält.

   5. Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ' gekennzeichnet, dass der genannte optisch aktive Stoff ein · cholesterinischer flüssiger Kristall ist.

   409845/079

   Leerseife