DE2422509A1

DE2422509A1 - Unter verwendung einer fluessigkristallzelle aufgebaute anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2422509A1
Application number: DE2422509A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bradley Harsch
Original assignee: INT LIQUID XTAL CO
Current assignee: INT LIQUID XTAL CO
Priority date: 1973-05-14
Filing date: 1974-05-09
Publication date: 1974-12-05
Also published as: DE2422509C2; JPS5812584B2; NL7406353A; FR2230033A1; CA1011857A; JPS5017788A; AT355104B; GB1477335A; CH578188A5; US3837729A; FR2230033B1; ATA391474A

Description

Dr. W. P. Radt

Dipl.-Ing. W. Emesti

Patentanwälte DITERNAiEIOHAL LIQUID XIJAL COMPANY

463 B ο c Iy u m

Femspre^r4i/₅o,42327 Cleveland, Ohio /USA

4i/₅o,42327

Telegrammadresse: Raotpatent Bochum

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EEF/üS

Unter Verwendung einer Flüssigkristall-Zelle
aufgebaute Anzeigevorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch-optische Anzeigevorrichtung mit einer Flüssigkristall-Zelle, die eine Schicht aus einem flüssig-kristallinen Material mit positiver dielektrischer Anisotropie enthält, die sich
zwischen vorderen und hinteren, parallel zueinander angeordneten, transparenten Platten befindet.

Bei einer derartigen Anzeigevorrichtung, die mit polarisiertem Licht arbeitet und bei der eine verdrehte nematische Struktur verwendet wird, bewirkt die Flüssigkristall-Zelle eine Drehung der Polarisationsebene des
polarisierten Lichtes um 90°. Wenn sich die Flüssigkristall-Zelle (wie es aus dem US-Patent 3 731 986 bekannt ist) zwischen Kreuzpolarisatören befindet, kann Licht
bei nicht aktiviertem Flüssigkristall durchtreten· Wenn sich hinter einer derartigen aus der Flüssigkristall-Zelle und dem Polarisator bestehenden Anordnung ein Reflektor befindet und nach der Reflektion am Reflektor eine ausreichende Polarisation vorhanden ist, kann eine klare Anzeige erhalten werden, wenn die Flüssigkristall-Zelle nicht aktiviert ist. Wird dagegen eine Flüssigkristall-Zelle dieser Art durch Anlegen eines Potentials aktiviert, so wird die Fähigkeit des Flüssigkristalls, die Rotationsebene zu drehen, aufgehoben und die Flüssigkristall-Zelle erscheint dunkel oder lichtundurchlässig, da das einfallende Licht vom Reflektor blockiert wird. Andererseits kann die Flüssigkristall-Zelle auch so ausgebildet wer-

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den, daß sie den Licht durchtritt normalerweise verhindert bis sie aktiviert wird. Das Ergebnis ist im wesentlichen das gleiche, mit dem unterschied, daß die Anzeige weiß auf dunklem Hintergrund erscheint anstatt umgekehrt, wenn die Flüssigkristall-Zelle lichtdurchlässig ist, wenn sie nicht aktiviert ist.

Wenn ein einfacher, mit einer Metallschicht versehener Reflektor hinter einer Anzeigevorrichtung gemäß dem US-Patent 3 731 986 angeordnet wird, hat die Vorrichtung einen äußerst schmalen Betrachtungswinkel. Zusätzlich sind störende Hintergrundreflektionen und ein metallischer Glanz an dem Anzeigegerät vorhanden, die aus physiologischen Gründen unerwünscht sind.

Es wurde bereits eine Reflektoranordnung für derartige Anzeigevorrichtungen vorgeschlagen, die einen breiten Betrachtungswinkel, eine gute Reflektion des polarisierten Lichtes und einen hohen Kontrastgrad ermöglicht, ohne daß unerwünschte Reflektionen auftreten. Insbesondere wurde ein metallischer Reflektor vorgeschlagen, der einfallendes polarisiertes Licht reflektiert und zerstreut, ohne es zu depolarisieren. Eine Ausführungsform eines derartigen Reflektors entsprechend einem nicht zum Stande der Technik gehörenden älteren Vorschlages besteht aus einer transparenten Platte mit einer diffusen Oberfläche auf der Seite, die der Schicht aus dem Flüssigkristall zugewandt ist, und einer reflektierenden Oberfläche auf der anderen Seite. Bas polarisierte Licht, das durch einen Polarisator am hinteren Ende der Vorrichtung tritt, passiert die diffuse Oberfläche und wird dabei zerstreut. Wenn es durch die transparente Platte tritt, trifft es auf die metallische reflektierende Oberfläche auf und wird dann durch die Flüssigkristall-Zelle zurückgeworfen. Es ist auch möglich, einen metallischen Reflektor zu benutzen, der eine aufgerauhte Oberfläche hat, z.B. einen

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metallischen Reflektor, der aus Teilchen oder Körnern aus einem metallischen reflektierenden Material besteht. Bei der den Gegenstand des älteren Vorschlages "bildenden Anordnung wurde es jedoch für erforderlich gehalten, sowohl auf der vorderen, als auch auf der hinteren Seite der Anzeigevorrichtung mit der Flüssigkristall-Zelle Polarisatoren anzuordnen, die Kreuzpolarisatoren oder parallele Polarisatoren sein konnten, je nachdem ob eine dunkle Anzeige auf einem hellen Untergrund oder eine helle Anzeige auf einem dunklen Untergrund gewünscht wurde.

Die mit polarisiertem Licht arbeitende, eine Flüssigkristall-Zelle enthaltende Anzeigevorrichtung gemäß vorliegender Erfindung besteht aus einer Schicht aus einem in nematischer Phase vorliegenden flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie, die zwischen zwei transparenten parallelen Platten angeordnet ist. Seide Platten sind auf der der Schicht aus dem Flüssigkristall zugewandten Seite mit einem Film aus einem transparenten leitenden Material beschichtet. Wenigstens eine der Platten ist nur an bestimmten, ausgewählten Abschnitten mit einem Film aus dem transparenten, leitenden Material versehen, so daß Ziffern oder dergleichen in einer alphanumerischen Anzeige gebildet werden. Die beiden transparenten Platten, die an der flüssig-kristallinen Schicht anliegen, werden in rechten Winkeln zueinander aufgerauht, so daß eine verdrehte nematische Struktur erhalten wird. Vor der transparenten Platte, die nur an bestimmten, ausgewählten Bereichen mit dem transparenten, leitenden Material beschichtet ist und an diese angrenzend befindet sich ein einziger Polarisator. Außer diesem Polarisator wird in der Anzeigevorrichtung kein Polarisator benutzt. Auf der anderen Seite der aus dem flüssig-kristallinen Material bestehenden Schicht wird ohne einen dazwischenliegenden Polarisator ein Reflektor angeordnet. Der Re-

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flektor ist so ausgebildet, daß er polarisiertes licht zerstreut und es durch die Anzeigevorrichtung, ohne es zu depolarisieren, reflektiert.

Bei Abwesenheit eines elektrischen Potentials, das zwischen den transparenten, leitenden Elektroden auf den entgegengesetzt liegenden Seiten der Schicht aus dem Flüssigkristall angelegt wird, tritt polarisiertes Licht von dem vor dem Anzeigegerät angeordneten Polarisator durch die Flüssigkristallschicht und wird um 90° infolge der verdrehten nematischen Struktur gedreht. Wenn dieses polarisierte Licht auf den Reflektor auftritt, wird es zerstreut und reflektiert. Daraufhin wird es erneut um 90° gedreht und tritt durch den vorderen Polarisator, sowohl durch die Bereiche, die mit dem leitenden Film bedeckt sind, als auch durch die nicht beschichteten Abschnitte aus. Wenn ein elektrisches Potential ausreichender Stärke zwischen den transparenten Elektroden angelegt ist, wird die verdrehte nematische Struktur in den mit den Elektroden beschichteten Bereichen zerstört, so daß das zerstreute, polarisierte Licht auf seinem Rückweg von dem Reflektor nicht um 90° gedreht wird und nicht durch den vorderen Polarisator durchtritt.

Auf diese Weise bilden die Anzeigen, die durch die leitenden Filme auf der vorderen Platte der Anzeigevorrichtung entstehen, ein optisches Bild. Die Filme aus dem transparenten Material können wie üblich durch Segmente gebildet werden, die selektiv angeregt werden, um irgendeine Zahl, beispielsweise zwischen 0 und 9» zu bilden.

Anhand der Zeichnung, auf der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

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figur 1 einen schematisehen Verschnitt durch, eine Flüssigkristall-Zelle,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Reflektors, die in Zusammenhang mit "der auf Figur 1 dargestellten Zelle verwendbar ist,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Reflektors, der in Zusammenhang mit der auf Figur 1 dargestellten Zelle "benutzt werden kann,

Figur 4 eine Art, in der leitende Filme auf die vordere transparente Platte der Flüssigkristall-Zelle aufgebracht werden können, um verschiedene optische Bilder zu'erzeugen, wobei das Licht, das durch den hinteren Reflektor der Anordnung gemäß Figur 1 durchtritt, verstärkt wird und

Figur 5 eine andere Art, in der die leitenden Filme aufgebracht werden können, um unterschiedliche optische Bilder zu erhalten.

Auf Figur 1 ist eine Flüssigkristall-Zelle 10 dargestellt, die aus einer ersten oder vorderen transparenten Platte 12, vorzugsweise aus Glas, und einer zweiten oder hinteren transparenten Platte 14, ebenfalls aus Glas, besteht und sich parallel zu der Platte 12 erstreckt. Die Platten 12 und 14 werden durch geeignete Abstandshalter, die nicht dargestellt sind, in einem Abstand von etwa 0,0025 bis 0,05 mm gehalten. Der Zwischenraum ist mit einer Schicht 16 aus einem in nematischer Phase vorliegenden flüssigkristallinen Material mit positiver dielektrischer Anisotropie ausgefüllt, das vorzugsweise 20 bis 80 % bis-(4'-noktyloxybenzal)-2-chlorphenylendiamin und p-methylbenzal-

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p'-n-butylanilin enthält, wobei diese Stoffe 60 bis 97 %, bezogen auf das Gesamtgemisch, ausmachen und die restlichen 5 his 40 % aus p-cyanbenzal-p'-n-butylanilin bestehen. Das Material ist im einzelnen in der deutschen Patentanmeldung P 22 02 555 vom 20. Januar 1972 beschrieben.

Auf den inneren Oberflächen der transparenten Platten 12 und 14 und angrenzend an die Schicht 16 aus dem flüssigkristallinen Material sind Schichten 18 und 20 aus einem du τι η en, transparenten, elektrisch leitenden Material aufgebracht, beispielsweise aus Zinnoxyd oder Indiumoxyd. Diese Schichten sind sehr dünn und haben einen hohen Widerstand, beispielsweise in der Größenordnung von 150 0hm pro Flächeneinheit oder mehr, möglicherweise von 5000 bis 10 000 Ohm pro Flächeneinheit.

Hinter der hinteren transparenten Platte 14 ist ein Reflektor 22 angeordnet, der, wie im folgenden beschrieben wird, die Eigenschaft hat, polarisiertes licht, ohne es -zu depolarisieren, zu zerstreuen und zu reflektieren.

Bei der Herstellung der Flüssigkristall-Zelle werden die Oberflächen der transparenten Platten 12 und 14, die den Film 16 aus dem flüssig-kristallinen Material berühren, im rechten Winkel zueinander gerieben. Auf diese Weise wird eine verdrehte nematische Struktur erzielt, d.h. die Moleküle in einem in nematischer Phase vorliegenden flüssig-kristallinen Material sind alle lang und gerade und neigen dazu, parallel zu liegen, wie Baumstämme in einem Fluß. Die parallele Ausrichtung ist statistisch annähernd vollkommen und genau. Die Moleküle können sich zueinander frei bewegen und es sind einige Moleküle vorhanden, die in einem kleinen spitzen Winkel zu den anderen liegen. Eine Eigenschaft von in nematischer Phase vor-

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liegendem flüssig-kristallinen Material "besteht darin, daß die Moleküle in der Nähe einer geriebenen Oberfläche dazu neigen, sich selbst zu dieser auszurichten. Auf diese Weise sind die Moleküle, die der Oberfläche der Platte 12 am nächsten liegen, geneigt, sich parallel zu den Reiblinien auf dieser Platte auszurichten. Diejenigen Moleküle, die am nächsten an der Platte 14 liegen, haben das Bestreben, sich parallel zu den Eeiblinien. auf dieser Platte auszurichten, die in einem rechten Winkel zu den Linien der vorderen Platte 12 verlaufen.

Als Ergebnis entsteht eine verdrehte nematische Struktur, die die Ebene von polarisiertem Licht, das durch den vorderen Polarisator 11 tritt, um 90° dreht, wenn kein elektrisches Feld zwischen den Platten 12 und 14 angelegt ist. Ist dagegen ein elektrisches Feld angelegt, wird die verdrehte Struktur zerstört und die Polarisationsebene nicht mehr um 90° gedreht. Polarisiertes Licht, das durch den Polarisator 11 tritt, wird also um 90° gedreht, wenn an die Schicht 16 aus dem Flüssigkristall kein elektrisches Feld angelegt ist, tritt durch die Platte 14, wird durch den Reflektor 22 durch die flüssig-kristalline Schicht zurückgeworfen und tritt durch den Polarisator 11 aus. Bei dieser Arbeitsweise wird das polarisierte Licht um 90° gedreht, während es von der vorderen zur hinteren Platte gelangt und nach der Reflektion auf seinem Weg von der hinteren zur-vorderen Platte wiederum um 90° gedreht. Das Ergebnis ist, daß das reflektierte, polarisierte Licht zu dem vorderen Polarisator 11 ausgerichtet ist, wodurch es durch ihn hindurchtreten kann.

Andererseits wird, wenn ein elektrisches Potential an die transparenten Elektroden 18 und 20 angelegt wird, beispielsweise durch Anschließen der Batterie 26 an die Elektroden, mittels des Schalters 24 die verdrehte Struk-

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tür des in nematischer Phase vorliegenden flüssig-kristallinen Materials mit positiver dielektrischer Anisotropie zerstört, so daß das licht in beiden Eichtungen nicht um 90° gedreht wird. Wenn Licht direkt durch die vordere transparente Elektrode zu der hinteren Elektrode durchtritt und dann wieder zu der vorderen Elektrode reflektiert wird, tritt keine Drehung des polarisierten Lichtes auf und der gesamte Bereich des Anzeigegerätes, einschließlich der transparenten Elektrode 18 und 20, erscheint als weißer oder heller Hintergrund.

Wenn jedoch bestimmte Anteile des Lichtes, die durch die vordere Platte 12 in der Nähe der Elektroden 18 und 20 treten, zerstreut werden und aus der Anzeigevorrichtung im Bereich der Elektroden 18 und 20 austreten wollen, ist die Situation anders. Das licht wird um 90° gedreht, wenn es von der vorderen zu der hinteren Platte tritt, jedoch auf seinem Rückweg nicht gedreht, wenn es zerstreut ist und versucht im Bereich der Elektroden 18 und 20 aus der vorderen Platte 12 auszutreten. Dies ist beispielsweise durch die Lichtstrahl en 28 in Figur 1 angedeutet, die die vordere Platte 12 in der Nähe der Elektroden 18 und 20 passiert haben. Nach dem Zerstreuen versuchen diese Strahlen durch die vordere Platte 12 und den Polarisator 11 auszutreten. Da der Polarisationsvektor jetzt in bezug auf die Polarisationsrichtung des vorderen Polarisators 11 90° ist, treten die Strahlen nicht durch den Polarisator und das Gerät erscheint im Bereich der Elektroden und 20 dunkel oder lichtundurchlässig.

Um eine Anordnung zu erhalten, bei der Licht in der Nähe der Elektroden 18 und 20 durch die vordere Platte 12 tritt, und dann versucht, aus dem Gerät im Bereich der Elektroden auszutreten, ist es notwendig, das Licht am hinteren Ende der Vorrichtung mittels des Reflektors 22

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zu zerstreuen und zu reflektieren. Der !Reflektor 22 kann, wie in Figur 2 dargestellt, eine Schicht 30 aus transparentem Material enthalten, das eine diffuse oder aufgerauhte vordere Oberfläche $2 und eine hintere Fläche hat, die mit einem reflektierenden Film 34-, z.B. aus Aluminium oder Silber, beschichtet ist. Der metallische Film oder die Oberfläche 34 hat ausgezeichnete reflektierende Eigenschaften, während die diffuse vordere Oberfläche 32 des Eeflektors unter Vergrößerung des Zerstreuungswinkels das licht zerstreut, sowohl wenn es in die transparente Platte 30 eintritt als auch wenn es reflektiert wird und wieder durch die zerstreuende oder diffuse Oberfläche austritt. Die Folge davon ist, daß das Licht, das zweimal zerstreut wird, eine wesentliche Erhöhung des Betrachtungswinkels aber keinerlei Verlust an Polarisation hervorruft, das heißt, wenn das polarisierte Licht durch die vordere diffuse Oberfläche 32 hindurchtritt, wird es nach vorn zerstreut, ohne depolarisiert zu werden, es wird danach von dem Film oder der Oberfläche 34 reflektiert und tritt wieder durch die vordere Oberfläche 32, in der der Zerstreuungswinkel vergrößert wird. Dies erleichtert den Aufbau einer Einrichtung, bei der Lichtstrahlen durch Abschnitte der vorderen transparenten Platte in der Nähe der Elektroden 18 und 20 hindurchtreten und danach zurück in den Bereich der Elektroden reflektiert werden, so daß die Elektrode dunkel oder lichtundurchlässig erscheint.

Statt einer transparenten Platte mit einer metallischen, reflektierenden Schicht auf der hinteren Oberfläche, kann auch eine Anordnung gemäß Figur 3 verwendet werden, bei der der Reflektor 22 aus einer Folie oder einem Film aus einem metallischen, reflektierenden Material mit einer aufgerauhten vorderen Oberfläche 36 besteht. Die aufgerauhte vordere Oberfläche 36 kann beispielsweise durch

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Sandblasen erzeugt werden. Alternativ kann der gesamte Reflektor aus pulverfönnigen oder feinkörnigen, reflektierenden Teilchen bestehen, um den gewünschten Zerstreuungseffekt ohne Depolarisierung des polarisierten Lichtes zu erzeugen.

Da Licht, das durch die Elektrode 20 geht und dann durch die gleiche Elektrode reflektiert wird, auch durch den vorderen Polarisator 11 treten kann, sollte der Bereich der vorderen Elektrode 20, wenn möglich, verkleinert werden. In Figur 4- ist eine geeignete Einrichtung zur Verkleinerung der Menge des Lichtes dargestellt, das durch "beide Elektroden tritt. Die vordere Platte 12 ist mit transparenten, leitenden Streifen 38 versehen," die, vorausgesetzt, daß sie alle lichtundurchlässig sind, die Ziffer 8 darstellen.

Dadurch, daß ausgewählte Streifen lichtundurchlässig gemacht werden, kann jede Zahl zwischen 0 und 9 erscheinen. Die verschiedenen, voneinander isolierten leitenden Streifen 38 können durch eine Anzahl ebenfalls isolierter Streifen 39 aus transparentem leitendem Material mit äußeren, nicht dargestellten Leitungen verbunden werden. Gleichzeitig kann die hintere transparente Platte mit einer transparenten, „leitenden Schicht überzogen werden, die die gesamte auf Figur 4- dargestellte Anordnung der Streifen 38 abdeckt. Die transparente, leitende Elektrode auf der hinteren Platte 14 wird mit der einen Klemme einer Stromquelle verbunden, während ausgewählte Streifen 38 an die andere Klemme der Stromquelle angeschlossen werden, so daß die verdrehte nematische Struktur in ganz bestimmten Bereichen aufgehoben wird, und je nachdem welche Streifen mit Strom versorgt werden, jede gewünschte Ziffer erhalten wird. In Zusammenhang mit Figur 4- ist darauf hinzuweisen, daß alle Streifen 38 eine mittlere Öffnung

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40 haben, die es erlaubt, mehr lacht durch, die vordere Platte der Einrichtung durchtreten zu lassen, wodurch, die Anzahl der Lichtstrahlen vergrößert wird, die auf den hinteren Reflektor 22 auftreffen und daran gehindert werden können, durch den vorderen Polarisator 11 hindurchzutreten, da sie um 90° gedreht werden, wenn sie zu dem" hinteren Reflektor 22 gelangen und nicht gedreht werden, wenn sie von dem Reflektor zurück durch die Elektrode treten.

Eine ähnliche Einrichtung ist auf Figur 5 dargestellt, bei der die transparenten Streifen 38, die eine alphanumerische Anzeige bilden, mit einer Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten Öffnungen 42 mit dem gleichen Effekt versehen sind. Die Öffnungen 42 erlauben, daß mehr polarisiertes Licht zu dem hinteren Reflektor treten kann, wobei es um 90° gedreht wird, während das reflektierte und zerstreute lacht auf die transparente Elektrode auftritt ohne gedreht zu werden. Auf diese Weise tritt es nicht durch den vorderen Polarisator 11 und die Bereiche der Streifen 38 erscheinen lichtundurchlässig und bilden die gewünschte alphanumerische Anzeige.

Pat ent ansprüche

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Claims

Pat entansprüche

Λ J Unter Verwendung einer Flüssigkristall-Zelle aufgebaute elektrisch-optische Anzeigevorrichtung mit einer Schicht aus einem flüssig-kristallinen Stoff mit positiver dielektrischer Anisotropie, der zwischen einer vorderen und einer dazu parallelen hinteren, transparenten Platte angeordnet ist, wobei die beiden an die flüssig-kristalline Schicht angrenzenden Oberflächen der Platten mit einem Film aus transparentem leitendem Material beschichtet sind, der Film auf der vorderen Platte nur auf bestimmte ausgewählte Bereiche aufgebracht ist, die Anzeigevorrichtung so ausgebildet ist, daß eine verdrehte nematische Struktur in der flüssig-kristallinen Schicht vorliegt und auf einer Seite der Schicht aus dem flüssig-kristallinen Material angrenzend an die vordere Platte ein Polarisator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzeigevorrichtung nur diesen einen Polarisator (11) enthält und daß auf der anderen Seite der flüssig-kristallinen Schicht (16) angrenzend an die hintere Platte (14) ein Reflektor (22) angeordnet ist, der so ausgebildet ist, daß wenigstens ein Teil des Lichtes, das durch den nicht mit dem elektrisch leitenden Material (20) beschichteten Abschnitte der vorderen Platte (12) hindurchgeht, von dem Eeflektor durch einen Abschnitt (20) im Bereich der vorderen Platte reflektiert wird, der mit dem elektrisch leitenden Material bedeckt ist.

2- Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (22) aus einer transparenten Platte (12) besteht, die eine diffuse Oberfläche (32) an der der hinteren transparenten Platte (14) benachbarten Seite und eine reflektierende Oberfläche (34) auf der anderen Seite aufweist.

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3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (22) ein mit einer metallischen Oberfläche versehener Reflektor ist, dessen der hinteren transparenten Platte benachbarte Oberfläche (36) aufgerauht ist.

4·. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor aus metallischen Körnern besteht.

5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filme aus dem transparenten leitenden Material, die auf die vordere Platte (12) aufgebracht sind, aus leitenden Streifen (38) bestehen, die eine alpha-numerische Anzeige bilden und ausgeschnittene Abschnitte (40, 42) haben.

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