DE2658568A1

DE2658568A1 - Darstellungseinrichtung aus fluessigen kristallen

Info

Publication number: DE2658568A1
Application number: DE19762658568
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Funada; Masataka Matsuura
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1975-12-25
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1977-07-14
Also published as: DE2658568C2; CH607078A5; US4383738A

Description

KRAUS & WEISERT

PATENTANWÄLTE

DR.WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER-DR₁-ING₁ANNEKAtEWEISERT DIPL-ING. FACHRICHTUNG CHEMIE IRMGARDSTRASSE 15 ■ D-SOOO MÜNCHEN 71 -TELEFON O89/797O77-7S7O78 - TELEX OS-212156 kpatd

TELEGRAMM KRAUSPATENT

•3.

1432 AW/MY

SHARP KABUSHIKI KAISHA, Osaka / Japan

Darstellungs einrichtung aus flüssigen Kristallen

Die Erfindung betrifft Darstellungs- bzw. Anzeigeeinrichtungen aus flüssigen Kristallen ₉ bei denen ein Gemisch aus einem pleochroitischen Farbstoff und cholesterinischen oder chiralen₉ nematischen flüssigen Kristallen als Dielektrikum in einer Zeil© verwendet wirdo Di© optische Dicht© des Gemisches kann durch Anwendung eines elektrischen Feldes an es geändert werden. Das Gemiaeiä enthält ein© Verbindung., die die charakteristische. Zaiehendicht© d@r flüssigen Kristalle so beeinflußt, "daß ©in verbessertes Sohaltansprechen erreicht wird. Die flüssigen Kristall© besitzen ©ine solche Molekülstruktur₉ daß ©ia verbesserter Kontrast ersielt wird=

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Sie Erfindläng betrifft Farbdarstellungs- tzw, -anzei-

kung in ©inem ©tmis©h aus pl@©©Sn=©it£s©I«©si

ICristallen ausgenutzt wirde Di© irfiMung betrifft insbeson dere eine Flüsaigkristalldarstelliings- bsw_o -anzeigeeinrich tung j, bei der die. ©lektronisch© Farbs©haltseit verkürzt ist ■und ein verbesserter. Kontrast b©± der Farbdarstellung erreicht wird. ' -. ■

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Wenn in der vorliegenden Anmeldung von "Darstellungseinrichtung¹¹ gesprochen wird, soll darunter auch eine Anzeigeeinrichtung verstanden werden.

Ein pleochroitisches Farbstoffmaterial ist ein Farbstoff material ₉ das Licht spezifischer Wellenlängen absorbiert und eine charakteristische Farbe zeigt, wenn seine Moleküle parallel zu dem elektrischen Vektor von einfallendem, polarisiertem Licht angeordnet sein, das aber das „Licht fast unverändert durchläßt, wenn die langen Achsen seiner Moleküle senkrecht zu dem elektrischen Vektor des einfallenden, polarisierten Lichts angeordnet sind, wobei die charakteristische Farbe des Farbstoffmaterials verschwindet. Wie von G.H. Heilmeier und L.A. Zanoni in Appl.Phys.Lett. 1j5, 91 (1968), berichtet wird, richten sich in einigen Gemischen aus einem pleochroitischen Farbstoffmaterial, das das "Gast"-Material darstellt, und nematischen flüssigen Kristallen, die das "Wirt"-Material darstellen, die Moleküle des Gast-Farbstoffmaterials mit den "Wirt"-Flüssigkristallen aus, und durch die Anwendung eines elektrischen Feldes kann die Orientierung der Kristalle geändert werden und somit kann auch die der Farbstoffmoleküle geändert werden. Mit anderen Worten ist es durch nacheinanderfolgendes Anlegen und Entfernen eines elektrischen Felds möglich, Änderungen in der optischen Dichte des Gemisches zu erzeugen und somit das Gemisch abwechselnd zu färben oder farblos zu machen. Nematische flüssige Kristalle, die verwendet werden können, gehören der sog. positiven Art an und werden im folgenden als "Np-Materialien" bezeichnet. In diesen Materialien sind normalerweise, d.h. in Abwesenheit eines getrennt angelegten elektrischen Felds, die Moleküle ^J mit ihren langen Achsen parallel zu dem elektrischen Vektor des einfallenden, polarisierten Lichtes ausgerichtet. Die verwendeten nematischen flüssigen Kristalle können auch der sog. negativen Art angehören, die im folgenden als "Nn-Materialien" bezeichnet werden, wobei die Moleküle normalerweise

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mit ihren langen Achsen senkrecht zu dem elektrischen Vektor des einfallenden, polarisierten Lichtes ausgerichtet sind.

Ein Gemisch aus pleochroitischem Farbstoff und nematischen flüssigen Kristallen kann für Farbdarstellungs- bzw. -anzeigezwecke in einer Zelle verwendet werden, wie sie z.B. in Fig. 1 dargestellt ist, wo die Verwendung von Np-Material erläutert wird, oder in Fig. 2_S wo die Verwendung von Nn-Material erläutert wird. In den Fig. 1 und 2 wir/1 ein Gemisch aus nematischen flüssigen Kristallmolekülen 9 und pleochroitischen Farbstoffmolekülen 10 als Dielektrikum in einer Zelle verwendet, die von den Elektroden 3 und 4 begrenzt ist, wobei die Elektroden so geformt sind, daß sie einen Buchstaben oder eine Zahl der gewünschten Darstellung oder ein Segment davon darstellen bzw. definieren,, Die Elektroden sind an Trägerplatten 1 und 2 angebracht bzw. werden von diesen gehalten. In dem dargestellten Beispiel sind beide Trägerplatten 1 und 2 und beide Elektroden 3 und 4 transparente Licht kann durch die Zelle hindurchgehen, einfallendes Licht, das auf die Platte 2 der Seite der Zelle trifft und schematisch durch den Pfeil 7 in den Zeichnungen dargestellt wird„ und das hindurchgegangene Licht ₃ das aus der entgegengesetzten Seite der Zelle herauskommt und durch den Pfeil 8 dargestellt wird. Selbstverständlich können eine Platte und eine daran befestigte Elektrode undurchlässig sein₉ wobei in diesem Fall nur eine Elektrode die geforderte Form definieren muß_s oder das geforderte Darstellungssegment kann durch einen offenen Teil einer undurchlässigen Trägerplatt©, auf der eine transparente Elektrode befestigt ist₉ definiert werden. Ein elektrisches Feld kann an die Wirtmoleküle 9 und an die Gastmoleküle 10, die zwischen den Elektroden 3 und 4 liegen, mittels einer Wechselstroraquelle 5 angelegt werden, die direkt mit der Elektrode 4 und durch einen normalerweise geöffneten Schalter 6 mit der Elektrode 3 verbunden

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Bei Fig. 1(a) richten ..sich, da die nematischen flüssigen Kristalle, die verwendet werden, Np-Material sind, wenn der Schalter 6 nicht betätigt wird und offen ist, d.h. in Abwesenheit eines mittels der Spannungsquelle 5 angelegten elektrischen Feldes, die Wirtmoleküle 9 und die Gastmoleküle 10 mit ihren langen Achsen im allgemeinen parallel zu dem elektrischen Vektor des einfallenden Lichts 7 aus. Die optische Dichte der Zelle ist daher vergleichsweise hoch, was durch

die ausgezogene Kurve der Durchlässigkeit in Fig. i(c) angeln

zeigt wird. Das durchgelassene Licht 8 ist die charakteristische Farbe des Gast-Farbstoff materials. Wird der Schalter 6, wie in Fig. i(b) gezeigt wird, geschlossen, so rotieren die Wirtmoleküle 9 und die Gastmoleküle 10 zwischen den Elektroden 3 und 4 um etwa 90° um ihre Zentralgruppen und richten sich so aus, daß ihre langen Achsen im allgemeinen senkrecht zu dem elektrischen Vektor des einfallenden Lichts 7 angeordnet sind, was bewirkt, daß eine bemerkenswerte Erhöhung in der Durchlässigkeit der Zelle auftritt, was durch die gestrichelte Durchlässigkeitskurve der Fig. i(c) dargestellt wird, und das durchgelassene Licht 8 ist mehr oder weniger farblos. In Fig. 2 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, wobei jedoch die nematischen flüssigen Wirtkristalle, die verwendet werden, Nn-Materialien sind und die Zelle farblos ist, wenn der Schalter 6 nicht in Betrieb ist,und gefärbt, wenn der Schalter 6 geschlossen ist.

Wenn in der vorliegenden Anmeldung von "Durchlässigkeit" gesprochen wird, so soll darunter auch Transparenz bzw. Durchlaßgrad bzw. Transmission verstanden werden.

Gas-Wirt-Gemische besitzen definierte Möglichkeiten bei ihrer Verwendung in Darstellungseinrichtungen, da die oben beschriebenen Wirkungen mit Elektrodenabständen von etwa 5 bis 15/um und einem angewendeten elektrischen Feld in der Größenordnung von 1 bis 5 V erreicht werden. Obgleich solche Darstellungs einrichtungen gute Eigenschaften hinsichtlich der

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dynamischen Streuung und des nematischen Torsionsfeldeffekts vom Schwingungstyp bzw. Schwingbereich (der als TNFEM bezeichnet wird) besitzen, besitzen die bekannten Einrichtungen einen großen Machteil im Hinblick auf die Schaltzeit _ΰ d.h. die minimale Zeit, die für die Durchführung des Zyklus gefärbt-farblos-gefärbt in ©iner Zelle bei Verwendung von Wp-Material oder des Zyklus- farblos-gefärbt-farblos in einer Zelle bei Verwendung von Nn-Material erforderlich ist. Ss wurde gefunden, daß bei Nn-Material eine bestimmte, jedoch noch nicht ausreichende Verbesserung der Schaltzeit durch Erhöhung der angelegten. Spannung erreicht werden kann. Es besteht jedoch eine obere Grenze₀ über die hinaus ©ine Erhöhung der angelegten Spannung keine weitere Wirkung zeigt. Weiterhin tritt der Nachteil auf_s daß der Energieverbrauch erhöht wird.Man nimmt an₅ daß bei ©iner Z©!!©? "bei der Wn=A-terial verwendet wird^ dieee Erscheinung auf di© Tatsach© zurückzuführen ist_f daß die Elektroden der Zellen vergleiehs« weise-bei der Ausrichtung der Molekül© des Gas-Wirt-Gemisehes _g das das Dielektrikum darstallt„ wirksam sind und daß bei niedrigeren Werten für die angelegt© Spannung ein® langsamere und weniger vollständig© Orientierung der Moleküle des Gast-Wirt-Gemisches .mit ihren l@ag©s Aeksen parallel &u ü trischen Vektor des einfall©ad©a Lichts stattfindet_o für Np° als auch für Nn-Sfet@s°iai läßt ei eh di© Setelts Verwendung eines Dpei-AnscSiluJS^Stgudruagssyiitferas vosfee wodurch eine zwangsweise Rückkehr der Molekül® in ihre lnfangsorientierung erreicht wirdο Dies besitzt ^edoeb. den Nachteil, daß ein höherer Energieverbrauch erforderlich ist, und bei praktisch verwendeten Darst@lltmgseinrichtmig©a_s bei denen eine Vielzahl von Zellen, wie ia den Figo 1 vmd 2 dargestellt ist, verwendet wird_s wird di© Verwendung eines Drei~Ansehluß-Steuersystems für jede einzelne Zolle eia© komplizierte Schaltkreiskontrolle für di© Darstellung®einrichtung als Ganzes darstellen, und dies bewirkt Schwierigkeiten bei dem Einbau und ■ der Wartung_f und außerdem erhöhen sich, 'die Kosten.. -

Ein weiterer Nachteil von Gast-Wirt-Gemischen ist der, daß der absolute erreichte Kontrastwert niedrig ist, verglichen mit dem, den man mit anderen Darstellungseinrichtungen erhält, obgleich die Gemische einen Kontrast ergeben» der nur sehr wenig von dem Winkel abhängt, von dem aus die Darstellung betrachtet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Dar st ellungs einrichtung zu schaffen,

Cr

bei der ein Gasfe-Wirt-Gemisch aus pleochroitischem Farbstoffmaterial in cholesterinischen oder chiralen, nematischen flüssigen Kristallen verwendet wird.

Erfindungsgemäß soll eine Darstellungseinrichtung mit verkürzter Schaltzeit geschaffen werden, die ein Gast-Wirt-Gemisch enthält.

Erfindungsgemäß soll eine Darstellungs einrichtung mit einem Gast-Wirt-Gemisch geschaffen werden, die bei der Darstellung einen verbesserten Kontrast zeigt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Darstellungsein*· richtung bzw. Anzeigeeinrichtung, in der ein Gemisch aus pleochroitischem Farbstoff material in einem Gastmaterial, das die nematischen flüssigen Kristalle darstellt, die durch Dopieren mit einem geeigneten Material in ein chirales nematisches Material überführt werden, verwendet wird, wobei seine charakteristische Zeichendichte Po, d.h. die axiale Länge der 2iTSpiralrotatiön des Moleküls um seine Spiralachse in der Größenordnung der 0,7- bis 1Qfachen Dicke der Schicht des-Gast-Wirt-Gemisches, das als Dielektrikum in der Darstellungs zelle verwendet wird, liegt. Die Verwendung dieses Materials ergibt eine verbesserte Schaltzeit in Darstellungseinrich» tungen.

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Ein verbesserter Kontrast in der Darstellung wird durch Verwendung nematischer flüssiger Kristalle erreicht,, deren Moleküle eine gerade Anzahl von Kohlenstoff- : atomen in mindestens einer ihrer endständigen Gruppen, besitzen.

Anhand der "beigefügten Zeichnungen wird äle vorliegende Erfindung näher erläutert^ es zeigen

Fig. 1 und 2 schematische Barstellungen von Darstellungszellen, bei denen ein Gemisch aus pleocjaroitischem. Färbstoffmaterial in nematischen flüssigen Kristallen, nie oben beschrieben» verwendet wirdj

- Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der charakteristischen Zeichendichte Fo bzw. dem Abstands-Po !pitch Ρα} von nematischen fllissigen Kristallen und die Stenge an zugegebenem Cholesterylnonanoat» das als Bopierungsmittel verwendet wirdj

Fig* 4 eine schematische Barstellung» in der &le Faktoren, die bei der Bestimmung der bevorzugten relativen Orientierung nematischer flüssiger KristailmoleMile benachbart zu entgegengesetzten Flatten der Barstellungszelle beachtet werden» dargestellt sinöi

Fig. 5 eine schematische Layout-Ünsicht einer Torrichtung zur Bestimmung des Kontrastes, der mit üen. erfindungsgemäßen. Barstellungseinrichtungen erreichbar ist?

Fig« 6 eine graphische Barstellung» in der die Beziehung zwischen dem Ordnungsgrad und dem dichroitischen Verhältnis in nematischen flüssigen Kristallen dargestellt istf

Fig. 7 eine graphische Darstellung, ale die Beziehung zwischen dem Ordnungsgrad nematischer flüssiger Kristalle und der AnaaftX aer Kohlenstoffatome in endständigen Gruppen der Moleküle, die ale Kristalle ergeben, zeigt;

Fig. 3 eine graphische Barstellung;, In der das Ansprechen der Anzeigeeinrichtung und die Türschwellenspannung

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gegenüber der optisch aktiven Dopierungssittelkonzentration in einer erfindungsgemäßen Darstellungseinrichtung gezeigt ist;

Fig. 9 eine graphische Darstellung eines dichroitischen Spektrums der Anzeige des spezifischen erfindungsgemäßen Beispielsj

Fig. 10 eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen dem. Kontrast und der angewendeten Spannung in. einer erfindungsgemäßen Darstellungseinrichtung gezeigt istjund _β

Fig. 11 eine graphische Darstellung, in der die Temperatiirabhangigkeit der Änsprech-, Kontrast- und Türschwellenspannung in erf indungsgemäßen Darstellungseinrichtungen dargestellt ist.

nematische flüssige Kristalle "besitzen typischerweise die Formel

X und T endständige Gruppen bedeuten* wie

η "normal ⁿ bedeutet und

D eine ganze Zahl bedeutet, die die Zahl der Kohlenstoffatome angibt.

Die zentrale G-ruppe Z bedeutet eine Gruppe wie eine -GH=K-, -K=K(O)-, -K=K-, -COO-, -C=C-,
-(Biphenyl)-_f -/o\-(Terphenyl)- oder -CiH=CH-Gruppe.

Die ÄQmelderin.hat überraschenderweise gefunden, daß ein verbessertes elektronisches Farb-Schaltansprechen der Gast-Wirt-Darstellungseinrichtung erreicht wird, wenn das nematische flüssige Kristallsystem, das äsn. Wirt darstellt, ein chirales, nematisches flüssiges Kristallsystem ist. Ghira lität wird den nematischen flüssigen Kristallen, die die oben

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-r-

angegebene allgemeine Formel besitzen, durch Zugabe eines Dopierungsmittels in Form einer optisch aktiven Substanz, wie Cholesterylnonanoat, Cholesterylmyristat, Cholesterylchlorid, Gholesteryl-p-nitrobenzoat, Cholesteryl-oleylcarbonat, 2-Methylbutyl-p-N-p' -cyanobenzyliden-aminocymnamat, 4-Amino-4^l-sek.-butoxybiphenyl-,:l-Menthol, 1-Linanol, / d-Mannit, d-Borneol, d-3-Methylcyclohexanon, d-Citronellinsäure oder d-Weinsäure, oder einer Verbindung, die ein asymmetrisches Kohlenstoffatom enthält, verliehen. „

Beispiele von pleochroitischen Farbstoffen, die zusammen mit dem chiralen nematischen Wirt verwendet werden können, sind Indophenolblau, Ν,Ν'-Dimethylindigo, N^N'-Dipalmitoylindigo, Methylrot, Phenolblau, p-Nitrobenzylidenphenylhydrazon, NjN^-Dimethylbenzyliden-p'-cyanoanilinj N-p-Anisal-4-(4·-cyanophenylazo) -1 -naphthylamin., Butylorange, und 5-Nitro-2-(p-N,N-dimethylphenylazo)-thiazol. Weiterhin können vorteilhaft dichroitische Farbstoffe der Formeln

verwendet werden. .

Die charakteristische Zeichendichte bzw» Abstand bzw. Zwischenraum Po (diese Ausdrücke werden in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet; der angelsächsische Ausdruck lautet "Pitch Po") der chiralen, nematischen Materialien₉ die

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INSPECTED

durch Zugabe von optisch aktiven Materialien, wie oben beschrieben, zu den nematischen flüssigen Kristallen hergestellt werden, variiert, in Abhängigkeit von der Menge an zugegebenem optisch aktivem Material. Wie aus Fig. 3 erkennbar ist, in der die optisch aktiven Dopierungsmittelzugaben in Gew.$ angegeben werden, wird,wenn z.B. die nematischen flüssigen Kristalle vier Biphenylverbindungen enthalten,

CN, ^C5^H15°-<yK|Q>--^CN' ^{and C}8^H17^Oi0~O"^r^^d als optisch

aktives Substanz Cholesterylnonanoat verwendet wird, eine geradlinige Abnahme der charakteristischen Zeichendichte Po der nematischen flüssigen Kristalle mit steigender Zugabe an Cholesterylnonanoat erhalten. Es wurde gefunden, daß eine ähnliche Beziehung besteht, wenn andere nematische flüssige Kristalle und Dopierungs- bzw. Dopiermittel (diese Ausdrücke werden in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet) verwendet werden.

Zur Bestimmung des Einflusses, den verschiedene Werte der charakteristischen Zeichendichte Po des chiralen nematischen Wirt-Materials, die durch unterschiedliche Zugaben von Dopierungsmitteln erreicht werden, auf das Schaltansprechen der Darstellungszellen besitzen, bei denen Gemische aus Gast und Wirt, die eine Zwischenwirkung besitzen, verwendet werden, wurden Versuche durchgeführt. Die Messungen bei den Versuchen wurden unter Bezugnahme auf die Anschaltzeit Tr durchgeführt. Die Anschaltzeit ist als die Zeit definiert, die vom Beginn des Anlegens eines elektrischen Felds an eine Darstellungszelle durch Schließen des Schalters 6, der in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, vergeht, bis ein 9C#iger Gerätewert bzw. eingestellter Wert erreicht wird, der in Beziehung zu der optischen Dichte der Zelle steht. Weiterhin wird die Abschaltzeit Td bestimmt, die als die Zeit definiert ist, die

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vergeht vom Wiederöffnen des Schalters 6 bis zur Rückkehr zu 10% des gesetzten Wertes bzw«, des Gerätewertes. Für die in Fig. 1 dargestellte Np-ZeIle gibt der relevante, eingestellte Wert bzw. Gerätewert den Prozentgehalt der Transmission an Licht an und für eine Nn-Zelle, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, gibt der relevante, eingestellte Wert bzw. Gerätewert die Absorption des Lichts an. In Tabelle I sind die Ergebnisse von einer Reihe von Vergleichsversuchen angegeben, bei denen das Wirt-Material der Darstellungs^elle

Gr

chirale flüssige nematische Kristalle sind, hergestellt durch Vermischen der oben angegebenen flüssigen Biphenylkristalle mit unterschiedlichen Mengen an Cholesterylnonanoat. Das Gast-Material wird durch Zugabe von 0,7 Gew.% pleochroitischem Farbstoffmaterial ,- Dimethylrot erhalten. Die Dicke des Gast-Wirt-Dielektrikums in jeder Zelle beträgt 10/um, das elektrische Feld wird mit einer 7,0.V,-1 kHz-Quelle angelegt und die Versuche und Messungen werden bei Umgebungstemperatur von 25⁰C durchgeführt.

Po (/um)

Tr (msec) 24 Td (msec) 200

worin d = 10 ra, 25°C, 1 kHz, AC 7,0 Vrms Af- 2ΐΓά/Ρο.

Aus Tabelle I ist erkennbar, daß Td in direktem Verhältnis und Tr in umgekehrtem Verhältnis zu der erhöhten Po. zunehmen. Erfindungsgemäß können so unterschiedliche Anschalt- und Abschaltzeiten in einer Darstellungszelle, bei der ein Gast-Wirt-Zwischenwirkungssystem verwendet wird, erreicht werden, indem man die charakteristische Zeichendichte Po des chiralen, nematischen Wirts verändert. Wenn schnelle Anschaltzeiten erforderlich sind, wird die charakteristische Zeichendichte Po geeigneter Weise gleich gemacht wie die Dicke der Schicht des Gast-Wirt-Gemisches. Für die meisten Darstellungs-

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Tabelle I	20	12	8
120	28	160	400
24	150	120	70
190

zwecke ist eine schnelle Anschaltzeit ebenfalls erforderlich, und ein geeigneter Bereich der Werte für die charakteristischen Zeichendichten Po des Wirt-Materials beträgt daher 0,7d^,Po ;£.10d, wobei d die Dicke der Schicht aus dem Gast-Wirt-Gemisch bedeutet.

Bei dem oben betrachteten Fall ist der pleochroitische Farbstoff, der das Gast-Material darstellt, eine optisch inaktive Substanz. Wenn jedoch das pleochrod,tische Farbstoffmaterial selbst optisch aktiv ist, und gleichzeitig das Gast-Material darstellt, kann der Farbstoff gleichzeitig als Dopierungsmittel für die Bildung der chiralen, nematischen flüssigen Kristalle dienen, und die getrennte Zugabe einer unabhängigen, optisch aktiven Substanz ist nicht erforderlich.

Man nimmt an, daß der Grund für die oben erwähnte Verbesserung in der Anschaltzeit Td in Beziehung zu der Viskosität η , der Dicke d und der Elastizität k der flüssigen Kristallschicht, die das Dielektrikum in der Darstellungszelle darstellt, steht. Experimentell wurde bewiesen, daß Td proportional zu 1\ *d /k ist. Da die wirksame Elastizität k das chirale nematische System erhöht bzw. verbessert, wird die Abschaltzeit entsprechend verkürzt.

Andere Faktoren, die zur Erzielung einheitlicher Ergebnisse und zur Erzielung einer einheitlichen Qualität der Farbdarstellung wichtig sind,sind die Dicke des Gast-Wirt-Gemisches in der Darstellungszelle und der Winkel der flüssigen Kristallmoleküle, bezogen auf die Grundplatten der Zelle. Das Material oder die Materialien der entgegengesetzten Platten der Zelle sollten so sein, daß der Unterschied der Ausrichtung von Molekülen, die benachbart zu einer Platte sind, bezogen auf Moleküle, die benachbart zu entgegengesetzten-Platten sind, etwa V/Z beträgt, wenn die charakteristische Zeichendichte Po des chiralen, nematischen Wirt-Materials etwa

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das 4fache der Dicke d der Schicht des Gast-Wirt-Gemisches beträgt, und TT₁ wenn die charakteristische Zeichendichte Po =* 2d beträgt, und 2 ^* oder O₅ wenn Po ^ d beträgt. Ausgedrückt als Formel sollte, wenn, wie in Fig. 4 dargestellt, die Stellung bzw. Lage der langen Achsen der Moleküle benachbart zu einer Platte A, bezogen auf die Vergleichsachse, wie die X-Achse, yM beträgt und die Stelle bzw. Lage der langen Achsen der flüssigen Kristallmoleküle benachbart zu der entgegengesetzten Platte ByS-2 beträgt, der absolute Wert des Unterschieds A ψ zwischen ψ 1 und ψ 2

betragen.

Diese Bedingung ist wichtig, nicht nur, damit die Verbesserung beim Ansprechen erreicht wird, sondern ebenso, daß eine gute Ausrichtung erzielt wird, ohne Verzerrung (disclination) der flüssigen Kristallmoleküle der Darstellungszelle und somit eine gute Farbqualität bei der Darstellung. In einigen Fällen kann das Licht zur Beleuchtung der Darstellungszelle, bei" der die Gast-Wirt-Zwischenwirkungen in chiralen, nematischen flüssigen Kristallösungen ausgenutzt werden, natürliches Licht sein. In den meisten Fällen sollte das Licht ein solches sein, das auf solche Weise polarisiert ist, daß der elektrische Vektor des Lichts, das durch einen Polarisator hindurchgegangen ist, parallel zu den Ausrichtungsebenen der langen Achsen der flüssigen Kristallmoleküle benachbart zu der Platte ist, auf die das Licht einfällt.

Erfindungsgemäß soll weiterhin eine Farbdarstellungseinrichtung, bei der ein Gast-Wirt-Gemisch verwendet wird, geschaffen werden,.die einen verbesserten Kontrast besitzt. Der Kontrast bei solchen Einrichtungen hängt von der Dicke des Gast-Wirt-Gemisches, das das Dielektrikum darstellt, ab. Das Kontrastverhältnis wird zweckdienlieherweise als Absorp-

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tion oder dichroitisches Verhältnis A'^ax/A'siax dargestellt, das bei irgendeinem Gast-Wirt-Gemisch im allgemeinen gleich bleibt, unabhängig von der Dicke der Schicht, die das Gemisch besitzt. A"raax bedeutet die Absorptionsfähigkeit bzw. das Absorptionsvermögen für die Lichtwellenlänge, bei der die Absorption des Lichts durch die Gast-Wirt-Gemischschicht maximal ist, d.h. der maximale Wert des Absorptionsspektrums eines Gast-Wirt-Gemisches, wenn die langen Achsen der Moleküle des Gemisches parallel zu dem elektrischen Vektor des einfallenden polarisierten Lichts ausgerichtet sind. A'max bedeutet den maximalen Wert des Absorptionsspektrums eines Gast-Wirt-Gemisches, wenn die langen Achsen der Moleküle der Gast-Wirt-Mischungsschicht senkrecht zu dem elektrischen Vektor des einfallenden polarisierten Lichts angeordnet sind. Je größer das dichroitische Verhältnis A^ax/A'ciax ist, umso besser ist der Kontrast, den man mit den Anzeigevorrichtungen, die das Gast-Wirt-Gemisch enthalten, erhält. Das dichroitische Verhältnis

des Farbstoffs "₂" X=y ■ X^/ ¹^CHJ beträgt z.B. 5,7,. und das dichroitische Spektrum ist in Fig. 9 dargestellt. Das dichroitische Verhältnis solcher Farbstoff materialien, die das Gast-Material in einem Gast-Wirt-Gemisch sind, kann als unendlich angesehen werden, verglichen mit dem das Wirt-. , Materials. Angenommen, daß die Farbstoffmoleküle wirksam mit den flüssigen Kristallmolekülen in einem Gast-Wirt-Gemisch ausgerichtet werden, wurde gefunden, daß das dichroitische Verhältnis als ganzes zu dem Ordnungsparameter S der flüssigen Wirt-Kristalle folgendermaßen in Beziehung steht:

A'^ax/A^ax = (1 + 2S)/(1 - S) (2)

Aus der Gleichung (2) ist erkennbar, daß zur Erhöhung des Verhältnisses A"max/A'max der Ordnungsparameter S der flüssigen Kristalle so nahe wie möglich bei 1 liegen sollte.

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. 4. ■

Unter Verwendung der Gleichung (2) ist die Beziehung von A"max/A^smax und S in Figo 6 graphisch, dargestellt. Aus dieser graphischen Darstellung ist erkennbar;, daß A"max/A'max stetig zunimmts obgleich mit niedrigerer Rate bei steigendem S, Es wurden daher Versuch© unternommen, ein Verfahren zur Herstellung eines Wirt-Materials zu entwickeln, bei dem der Ordnungsparameter S, wie gefordert, hoch ist und der Vorteil eines guten Schaltansprechens, wie oben angegeben, beibehalten wird.

Es wurde der Einfluß der Anzahl der Kohlenstoffatome m in den endständigen Gruppen der Moleküle aus flüssigen Kristallen auf den Ordnungsparameter S der flüssigen Kristalle untersucht= Es ist bekannt ₉ daß der Ordnungsparameter S der flüssigen Kristalle durch Zwischenwirkungen der Moleküle bestimmt wird und daß, wenn die zentrale Gruppe der Moleküle fixiert ist, die Anzahl der Kohlenstoff atome m der Alkylteile der endständigen Gruppen gerade oder ungrade sein kann« Es wurde gefunden, daß eine ungrade Zahl an Kohlenstoffatomen in den endständigen Gruppen einen niedrigen Ordnungsparameter S ergibt und daß eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen m einen höheren Ordnungsparameter S ergibt. Dies ist in Fig. 7 dargestellt. In Fig° 7 ist der Ordnungsparameter S gegenüber der Anzahl der Kohlenstoffatome m in den endständigen Gruppen der Moleküle verschiedener Proben aus nematischen, flüssigen Kristallen der allgemeinen Formel

ⁿ"^Cm ^H2m+1° -Cj^"·⁰¹¹ ^ "%^~^€A' dargestellt. Aus Fig. 7 ist erkennbar, daß, wenn die Anzahl der Kohlenstoff atome m 5 be- trägt, der Ordnungsparameter S etwa O₉29 beträgt, wohingegen, wenn die Anzahl der Kohlenstoffatome m 6 beträgt, der Ordnungsparameter S wesentlich höher ist und 0,33 beträgt. Diese Ordnungsparameter S_a werden an dem Schlußübergangspunkt bzw. an dem Übergangspunkt der Schlußzeichenangabe (clearing transition point) eines nematischen flüssigen Kristallsystems bestimmt.

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Zur Bestimmung der dichroitischen Verhältnisse dieser Proben wird, wie in Fig. 5 erläutert, jede Probe als dielektrische Schicht in einer Zelle verwendet, die mit einer Spannungsquelle V verbindbar ist. In jedem Fall wird Licht aus einer Lampe durch eine Linse und einen Polarisator durch . die Zelle, durch ein Bandfilter G533, das nur Licht mit einer Wellenlänge im Absorptionsbereich durchläßt, zu einem Photomultiplikator PM geleitet, dessen Output einem X-Y-Aufzeichnungsgerät und einem Synchroskopk zugeführt wird. Messungen mit dieser Vorrichtungen zeigen, daß das dichroitische Verhältnis der flüssigen Kristalle, wenn die Anzahl der Kohlenstoff atome m 6 beträgt, um etwa 11?6 höher ist als wenn die Anzahl der Kohlenstoff atome m 5 beträgt. Daraus wird geschlossen, daß die Verwendung eines Wirt-Materials, dessen Moleküle eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen in den Alkylteilen der endständigen Gruppen besitzen und die charakteristische Zeichendichte Po, wie oben angegeben, aufweist, eine Darstellungsvorrichtung, die auf der Gast-Wirt-Zwischenwirkung beruht, ergibt, die einen verbesserten Kontrast aufweist wie auch ein schnelleres Schaltansprechen. Man hat weiterhin angenommen,und durch die nachfolgende Versuche wurde bewiesen, daß dies richtig ist, daß die gleichen Ergebnisse erhalten werden können, wenn das Wirt-Material aus einem Gemisch aus unterschiedlichen nematischen flüssigen Kristallen besteht, dessen Moleküle eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen in ihren endständigen Gruppen besitzen. Beispiele solcher Wirt-Materialgemische, die in den erfindungsgemäßen Darstellungseinrichtungen verwendet werden können, sind ein Gemisch aus C^Hq-^-COO-Z^S-CN und CgH^-^c^-COO-^ö^-CN und ein Gemisch aus CgH₁ ^-^o^-/A-CN und CqH₁«

Weiterhin wurde gefunden, daß es bevorzugt ist, daß alle Komponenten des Wirt-Materialgemisches Moleküle mit gera den Anzahlen von Kohlenstoffatomen in ihren endständigen Grup pen besitzen, daß dies jedoch keine wesentliche Bedingung ist

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und daß ein vergleichsweise hoher Ordnungsparameter ebenfalls bei Wirt-Materialgemischen erhalten wird₅ "bei denen einige der Komponenten Moleküle mit einer ungraden Anzahl von Kohlenstoff atomen in ihren endständigen Gruppen "besitzen» Ss wurde jedoch gefunden₅ daß bei einem solchen Gemisch zur Erzielung eines geeigneten hohen '- Ordnungsparameters und somit eines geeigneten hohen -diehroitischen Terhältnisses eine Bedingung die ists daß die Komponenten«, deren Moleküle eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen in ihren endständigen Gruppen besitzen, mindestens 60 Gew_e% des Gemisches ausmachen. Ein Beispiel eines solchen Gemisches ist CjH™-/o\-CH=N-/o\-CN vermischt mit C/-H,,-2-/öVcH=N-/oVcN. Wenn die letztere Komponente 60 Gew.% oder mehr des Gemisches ausmacht ₉ erhält man den geforderten hohen Ordnungsparameter zusätzlich dazu₉ daß das Gemisch in einer nematischen Phase mit einem vergleichsweise breiten Bereich von -30 bis ^6Q⁰C vorliegt.-

Erfindungsgemäß kam man so einen großen Bereich an Materialien verwenden., um ein verbessertes Farbschaltanspre» chen und verbesserten Kontrast in Farbdarstellungseinrichtungen zu erhalten., bei denen ®ia Gast^Wirt-Gemisch verwendet wird. Diese Verbesserungen wsrdga eteeh di© VerweMung von " Farbstoff material! en in dem Wirt-Materials, <äas aus ©iaer a©aatischen Phase, einer chol©st@riniselien Phas© und. ©in@r smektischen Phase besteht, erhaltene Es ist besonders bevorzugt„ flüssige Kristalle zu verwenden^ ia denen die endständigen Gruppen der Moleküle Kohlenwasserstoff gruppen sind mit gerader Anzahl von Kohlenstoff atomen ο

In den Fig. 9 bis 11 sind die verbesserten Ergebnisse dargestellt, die man bei @ia©r erfiadisngggemäßen Ausfühnmgsform erhält. Es werden, wie in Figo 1 g©2©igt, viele Darstellungszellen geschaffen, bei denen di© dielektrische Schicht aus Gast-Wirt-Gemischen besteht_D- die di@ in Tabelle II aufgeführte Zusammensetzung besitzen,, . .

?Q982I/QBU ■ ■ ' ■

Tabelle II

■ ^C7^H15°

^c8^Hi7° ^^y^^CN ι ,

i ; J

Gast - j

(4-p-Nitro-p^f -dimethylami noazobenzol)

Optisch aktiver Zusatzstoff
Cholesterylnonanoat

Bei allen Dielektrika beträgt der Anteil bzw. das Verhältnis an Gast-Material, dessen dichreitische Spektren in Fig. 9 dargestellt sind, auf das oben Bezug genommen wurde, 1,0 Gew.% und die Dicke der aktiven Fläche der dielektrischen Schicht beträgt in jeder Zelle.10/um. Zu den verschiedenen Proben werden Zugaben verschiedener Mengen an Cholesterylnonanoat als optisch aktives Dopierungsmittel gemacht..

Aus Fig. 8 ist erkennbar, daß, wenn die Menge an zugegebenem Cholesterylnonanoat von etwa 0,3 Gew.?6 auf etwa 1,0 Gew.?6 erhöht wird, eine geringe Erhöhung im Türschwellenwert der für die Betätigung der Darstellungszelle erforderlichen Spannung erfolgt und daß die Abschaltzeit Td schnell von einem vergleichsweise hohen Wert auf gut unter 100msec abnimmt, während ^: nur eine geringe Erhöhung in der Einschaltzeit Tr auftritt.

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Zur Einstellung eines optimalen Gesamtansprechens "bei diesem Gast-Wirt-Gemisch muß daher die Menge an zugegebenem Cholesterylnonanoat geeigneterweise in der Größenordnung von 1 Gew.Jo liegen.

In Fig. 10 ist der Kontrast dargestellt, den man mit einem Gast-Wirt-Gemisch erhält, das 0,5 Gew.% zugegebenes Cholesterylnonanoat enthält, wenn die Umgebungstemperatur 25° beträgt, und eine sinusförmige Wechselsijromquelle mit einer Frequenz von 1 kHz zur Betätigung der Zelle verwendet -wird. Wenn die Betätigungsspannung erhöht wird,nimmt der Strom, der durch die Zelle fließt, ständig zu und der Kontrast nimmt schnell auf einen hohen Wert zu, verglichen mit dem des Farbstoffmaterials allein.

Aus Fig. 11, in der auf der Abszisse der reziproke Wert der in °Kelvin bestimmten Temperatur χ 1O^-^ dargestellt ist, ist erkennbar, daß die Türschwellenspannung Vth langsam zunimmt,.wenn die Temperatur fällt, und daß beide, nämlich die Anschaltzeit Tr und die Abschaltzeit Td schnell zunehmen, wenn die Temperatur unter etwa O⁰C fällt. Der Kontrast jedoch ist über den gesamten Bereich von etwa -20 bis +60°C gut und tatsächlich verbessert, wenn die Temperatur abnimmt.

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Claims

-Patentansprüche

"Λ,)· Darstellungseinrichtung aus flüssigen Kristallen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung aus mindestens einem Farbstoff material als Gastmaterial und flüssigen Kristallen als Wirt-Material die dielektrische Schicht zwischen zwei Elektroden, wovon mindestens eine transparent ist, bildet und die mit einer elektrischen Quelle verbunden werden · können,' mit der. ein elektrisches Feld an die* dielektrische Schicht zur Änderung der ursprünglichen Ausrichtung in eine andere, so daß die Absorption moduliert wird, angelegt .--.. werden kann . und worin die Moleküle aus dem Farbstoffmaterial durch die flüssigen Kristalle orientiert werden, wobei in der Einrichtung der Wert der charakteristischen Zeichendichte der flüssigen Kristalle, die in paralleler Ausrichtung, bezogen auf die Ebenen der Elektroden, angeordnet sind, auf einen Wert eingestellt ist, der im Bereich der Oj7- bis 1Ofachen Dicke der zwischen den Elektroden liegenden Lösung liegt.
2. Darstellungseinrichtung aus flüssigen Kristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied der relativen Lage Δ ψ der flüssigen Kristalle benachbart zu den gegenüberliegenden Elektroden

£γ~ 2/Td/Po

beträgt, worin d die Dicke der Lösung zwischen den beiden Elektroden und Po die charakteristische Zeichendichte der flüssigen Kristalle bedeuten.
3. Darstellungseinrichtung aus flüssigen Kristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der endständigen Gruppen der Molekülstruktur, die mindestens eine der Komponenten der flüssigen Kristalle darstellt, eine geradkettige gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe mit einer ge raden Anzahl von Kohlenstoffatomen enthält.

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4. Darstellungseinrichtung aus flüssigen Kristallen nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente, die eine Molekülstruktur besitzt, worin mindestens eine endständige Gruppe eine geradkettige gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen ist, mindestens 60 Gew.56 der flüssigen Kristalle ausmacht.

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