DE2933408A1

DE2933408A1 - Elastomer-anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2933408A1
Application number: DE19792933408
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Funada; Shigehiro Minezaki; Toshiaki Takamatsu
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1978-08-18
Filing date: 1979-08-17
Publication date: 1980-02-28
Also published as: US4299450A; GB2033125B; GB2033125A; DE2933408C2

Description

Sharp K.K.

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BESCHREIBUNG

Gegenstand der Erfindung ist eine Elastomer-Anzeigevorrichtung, also ein Anzeigesystem, bei dem ein Deformationseffekt eines Elastomeren unter der Wirkung eines definierten elektrischen Felds ausgenutzt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elastomer-Anzeigevorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist ein Elastomer-Anzeigesystem bekannt, bei dem ein auf ein Elastomer auftreffender Lichtstrahl aufgrund der durch ein zugeführtes Spannungssignal bewirkten Deformation des Elastomermaterials moduliert wird. Dieses Elastomer-Anzeigesystem zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß die erforderliche Ansteuerleistung niedrig liegt.

Bekannte Elastomer-Anzeigen sind jedoch für viele Anwendungsfälle ungeeignet, da die Lesbarkeit unbefriedigend ist, weil das Elastomer selbst kein Licht emittiert. Auch wird bei bekannten Anzeigen dieser Art die Entspannungsverformung des Elastomeren für Anzeigezwecke ausgenützt, was jedoch ein zusätzliches optisches System, etwa ein Phasenüberwachungssystem in Verbindung mit einem System mit Doppelbrechung erforderlich macht, um eine solche Anzeige in konstruktiver Hinsicht zu vervollständigen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Elastomer-Anzeigevorrichtung mit guter Ablesbarkeit der Anzeigegrößen zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist hinsichtlich ihrer wesentliehen Merkmale im Patentanspruch 1 angegeben.

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Sharp K.K.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des
Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungswesentlich ist die Verwendung eines elastomeren Fluoreszenzanzeigesystems. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung läßt sich durch ein elektrisches Feld, das über eine oder mehrere Elektroden anlegbar ist, eine stabile Kontraktionsverformung im Elastomeren erzeugen, aufrechterhalten und zu Anzeigezwecken ausnutzen.

Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist auf beiden Hauptflächen eines transparenten Elastomeren aufgebrachte Elektroden auf, um die erwähnte Kontraktionsverformung oder "Frostdeformation" in dem Elastomeren
zu erzeugen. Das transparente Elastomer enthält Fluoreszenzzentren, die Lumineszenz erzeugen, wenn ein Lichtstrahl auf das transparente Elastomer auftrifft. Ein

Streuabschnitt ist dort angeordnet, wo die Kontraktionsverformung erzeugt wird, so daß sich ein von den
FluoreszenzZentren ausgehendes Fluoreszenzphänomen zur
Anzeige eines gewünschten Musters ausnutzen läßt, das am Streuabschnitt entsprechend gestreut wird.

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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden gitterförmig oder kammartig gestaltet, um ein ungleichmäßiges elektrisches Feld über der transparenten Elastomerschicht zu erzeugen. Dieses ungleichförmige elektrische Feld bewirkt die erwähnte Kontraktionsverformung im Elastomeren.

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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Schnittdarstellung eine Ausführungsform einer

Elastomer-Anzeige gemäß der Erfindung; Fig. 2(A) und 2(B) in Prinzipschnittdarstellung das Elastomermaterial, das in der Elastomer-Anzeige der Fig. 1 verwendet wird, wobei die Fig. 2(A) den AUS-Zustand und die Fig. 2(B) den EIN-Zustand

veranschaulicht;
Fig. 3 in graphischer Darstellung die Kontrastkennlinie

der Elastomer-Anzeige gemäß Fig. 1;

Fig. 4 in Schnittdarstellung eine andere Ausführungsform einer Elastomer-Anzeige gemäß der Erfindung;

Fig. 5 erläutert in einer Schnittdarstellung das Betriebsverhalten der Elastomer-Anzeige gemäß Fig.4; Fig. 6, 7 und 8 Draufsichten auf Ausführungsformen einer

Elektrode, wie sie erfindungsgemäß für die Elastomer-Anzeige der Fig. 4 verwendet werden kann; Fig. 9 ein graphischer Darstellung die Kontrastkennlinie

der Elastomer-Anzeige der Fig. 4 und Fig. 10 in Schnittdarstellung eine andere Ausführungsform einer Elastomer-Anzeige mit erfindungsgemäßen Merkmalen.

Das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elastomer-Anzeigevorrichtung wie es in Fig. 1 dargestellt ist, besteht im wesentlichen aus einem transparenten Substrat 1, einer auf diesem aufgebrachten Transparentelektrode 2, einer Gegenelektrode 4 und einem zwischen der Transparentelektrode 2 und der Gegenelektrode 4 angeordneten transparenten Elastomer 3. Die Transparentelektrode 2 und die Gegenelektrode 4 sind über einen Schalter 7 mit einer Stromquelle 8 verbunden, die ein elektrisches Feld über

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die transparente Elastomerschicht 3 festlegt. Die transparente Elastomerschicht 3 enthält durch Anwendung geeigneter Lösungs- oder Dispersionstechniken Fluoreszenzzentren 5. Die Gegenelektrode 4 muß eine Transparentelektrode sein, wenn ein transmissives Anzeigesystem gewünscht wird. Die Gegenelektrode 4 jedoch braucht nicht notwendigerweise transparent zu sein, nämlich dann nicht, wenn ein reflektierendes Anzeigesystem gewünscht wird. Für die Elektrode kann ein leitendes Elastomeres oder eine leitende Flüssigkeit verwendet werden.

Ein reflektierender Film 6 umgibt den Kantenbereich des transparenten Substrats 1, die Transparentelektorde 2 und das transparente Elastomer 3, so daß ein Lichtaustritt anders als über die Anzeigefläche verhindert ist. Einem Betrachter 9 stellt sich die durch eine Lichtquelle 10 verursachte Lichterregung eines bestimmten Fluoreszenzmusters als Anzeigeinformation dar.

Das transparente Elastomer 3 weist vorzugsweise einen Brechungsindex auf, der größer ist als der des transparenten Substrats 1, so daß das von den Fluoreszenzzentren 5 ausgehende Fluoreszenzlicht innerhalb des transparenten Elastomer 3 aufgrund von Totalreflexion zurückgehalten wird. Weist das transparente Elastomer einen Brechungsindex auf, der kleiner oder gleich jenem des Substrats 1 ist, so ist zwischen dem transparenten Substrat 1 und dem Elastomer 3 eine Transparentschicht vorzusehen, deren Brechungsindex kleiner ist als jener des Elastomeren 3. Dieses Verhältnis des Brechungsindex muß auch auf der Seite der Gegenelektrode 4 befriedigt sein, wenn diese nicht aus reflektierendem Material hergestellt ist.

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Das transparente Elastomer 3 wird für die erwähnte Kontraktionsverformung oder "Frostdeformation" (im Gegensatz zur Ausnutzung lediglich der Entspannungsdeformation) benötigt, wenn ein bestimmtes elektrisches Feld am Elastomer 3 über die Transparentelektrode 2 und die Gegenelektrode 4 angelegt wird. Die so erzeugte Kontraktionsverformung bewirkt eine Streuung des einfallenden Lichtstrahls. Die Arbeitsweise der soweit beschriebenen Elastomer-Anzeigevorrichtung der Fig. 1 wird nachfolgend unter Bezug auf die Fig. 2(A) und 2(B) näher beschrieben.

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Die Fluoreszenzzentren 5 emittieren Fluoreszenz r- wenn Erregerlicht r- einfällt. Dieses so entstehende Fluoreszenzlicht Xj wird durch das transparente Elastomer 3 in ähnlicher Weise übertragen wie bei einer optischen Faser und die Mehrzahl des Fluoreszenzlichts r- wird entlang einer zur Dickenausdehnung senkrechten Ebene in der transparenten Elastomerschicht 3 gesammelt. Ist die Elastomerschicht 3 durch das elektrische Feld nicht aktiviert, so erreicht nur ein Teil des Fluoreszenzlichts r~ den Beobachter 9, der jetzt den AüS-Zustand feststellt (Fig. 2(A)). Wird eine bestimmte Spannung zwischen den Elektroden 2 und 4 angelegt, so wird das transparente Elastomer 3 aktiviert und es entsteht die Kontraktionsverformung im Elastomeren 3, die als Streuzentrum wirkt. Dies bedeutet, daß das Fluoreszenzlicht r^ jetzt aufgrund der Kontraktionsverformung gestreut wird und den Beobachter 9 erreicht, der nun den EIN-Zustand feststellt (Fig. 2(B)).

BEISPIEL 1

Das transparente Substrat 1 besteht aus Quarzglas, Pyrex-Glas, Natronglas, Plexiglas (einer Acrylglasplatte) oder Polyäthylen. Die Auswahl des Materials für das trans-

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parente Substrat 1 erfolgt im Hinblick auf das gewünschte Absorptionsspektrum und das FluoreszenzSpektrum der Fluoreszenzzentren 5. Das Substrat 1 weist eine Dicke von 0,5 bis 3mm auf. Die Transparentelektrode 2 besteht aus In₀O-, oder SnO-. Falls gewünscht, kann der Transparentelektrode 2 eine gewünschte Form unter Anwendung eines Ätzverfahrens oder eines Maskenaufdampfverfahrens verliehen werden.

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Die Transparentschicht 11 mit niedrigem Brechungsindex wird auf der Transparentelektrode 2 durch ein Aufdampfverfahren oder ein Aufstreichverfahren aufgebracht. Die Transparentschicht 11 besteht vorzugsweise aus folgenden Materialien (der Brechungsindex ist mit η bezeichnet)ϊ

BaF₂	Cn = 1,48)
CaF₂	(η = 1,43)
Na₅AA₅	F₁₄ Cn = 1,33)
LiF	Cn = 1,36)
MgF₂	Cn = 1,38)
SiO₂	(η = 1,46)
SrF₀	Cn = 1,44)

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Die Transparentschicht 11 mit niedrigem Brechungsindex weist eine Stärke von etwa 50 bis 500nm auf.

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Die transparente Elastomerschicht 3 besteht vorzugsweise aus einem Siliciumelastomer mit hohem Brechungsindex etwa aus dem unter der Handelsbezeichnung MP-011 (n=1,51) von der Firma Toray Silicone Company, Ltd. vertriebenen Elastomermaterial. Die Siliciumelastomerschicht wird auf die Transparentschicht 11 aufgestrichen und unter Verwendung einer Polierscheibe auf eine Dicke von etwa 1μΐη bis 15μπι gebracht.

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Die Gegenelektrode 4 besteht aus einem elastischen Leitermaterial, das Kohlenstoffpartikel in fein verteilter Form enthält. Eine Indiumschicht überdeckt die elastische Leiterschicht in einer Dicke von etwa lOOnm. Diese als Reflexionsschicht dienende Schicht wird mittels eines Verdampfungsverfahrens aufgebracht. Die Gegenelektrode muß so beschaffen sein, daß eine Kontraktionsverformung der transparenten Elastomerschicht 3 möglich ist, wenn zwischen den Elektroden 2 und 4 eine bestimmte Spannung angelegt wird.

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Die Fluoreszenzzentren können durch organisches Fluoreszenzmaterial gebildet sein. Zu bevorzugende Materialien sind die folgenden:

Anthracen

Tetracen

Pyren

Fluorescin

9.1O-Dimethylanthracen

9.1O-Diphenylanthracen

Perylen

Fluoren

p-Quaterphenyl

Rubrecen

2.5-Diphenylfuran

2.5-Diphenyloxazol

Samaron Brilliant gelb H6GL

Brilliantphosphin

Primulin 0

Acridin gelb

Thioflavin S

Rhodamin 6G Perchlorat

Pyronin G

Pyronin B

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Sharp K.K.

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Cumarin 7
Cumarin 10
Cumarin 138
Cumarin 337

Europium-thenoyltrifluorncotonat-

trihydrat-tris- [4.4.4.4-trif luor (2-thienyl) 1,3-butanedion]-europium

Die Stromquelle 8 kann eine Gleichspannungsquelle, ein Gleichspannungs-Impulsgenerator oder ein Wechselspannungs-Impulsgenerator sein. Der Ausgangspegel wird im allgemeinen unter 100V gewählt.

Die Fig. 3 zeigt die Kontrastkennlinie der Elastomer-Anzeige nach Fig. 1 für den Fall, daß als Fluoreszenz-Zentren 5 Cumarin 7, hergestellt von der Firma Eastman Kodok Company verwendet wird. Die Überprüfung erfolgt unter Verwendung eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge von 550nm. Die Ansprechdauer beträgt etwa 10msec bis 100msec und der Leistungsverbrauch liegt bei etwa 0,01μίί/

2
cm .

Um die Kontraktionsverformung sicherzustellen ist es erforderlich, ein nicht gleichmäßiges elektrisches Feld über der transparenten Elastomerschicht 3 anzulegen.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform einer Elastomer-Anzeige mit erfindungsgemäßen Merkmalen, wobei in diesem Fall die Fluoreszenzzentren nicht im transparenten Elastomer 3 verteilt sind. Dies bedeutet, daß nur das von der Lichtquelle 10 stammende Licht zu Anzeigezwecken dient. Die bereits aus der Fig.1 bekannten Teile sind mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet.

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Die Gegenelektrode 4 ist gitterförmig gestaltet und besteht aus KZ, Ni, Co₇ Au, In-O, oder SnO₂. Die Gegenelektrode 4 ist auf einer Isolatorschicht 12 aufgebracht, um die transparente Elastomerschicht 3 abzudecken. Die Isolatorschicht 12 ist als Verdampfungsschicht aufge

bracht und besteht aus SiO₂,

^Y2°3 ^oder

Si₃N₄ oder aus einer dünnen Filmschicht eines organischen Isolationsmaterials. Die Reflexionsschicht 13 liegt auf der Isolatorschicht 12 und besteht aus Al oder Au oder aus übereinander liegenden Schichten dielektrischer Materialien.

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Wird eine bestimmte Spannung zwischen der Transparentelektrode 2 und der gitterförmigen Gegenelektrode 4 angelegt, so entsteht die Kontraktionsverformung in der transparenten Elastomerschicht 3 aufgrund des ungleichförmigen elektrischen Felds, das durch die gitterförmige Gegenelektrode 4 entsteht, wie die Fig. 5 erkennen läßt.

Selbstverständlich können auch in diesem Fall Fluoreszenz-Zentren bildende Materialien der transparenten Elastoinerschicht 3 zugesetzt sein.

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BEISPIEL 2

Das transparente Substrat 1 besteht aus einer Floatglasplatte von 3mm Dicke. Unter Anwendung der Elektronenstrahlverdampfungstechnik ist auf das transparente Substrat 1 eine In₃O,-Schicht mit einer Dicke von 50nm aufgebracht. Diese In-O^-Schicht wird in einem Photoätzprozess in eine gewünschte Musterverteilung gebracht und bildet dann die Transparentelektrode 2. Die transparente Elastomerschicht 3 besteht aus einem Siliciumelastomer, etwa dem unter der Handelsbezeichnung MP-011 durch die Firma Toray Silicone Company, Ltd. vertriebenen Elastomermaterial. Diese Schicht ist auf die Transparentelektrode 2

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in einer Dicke von etwa 3μΐη bis 15μηι unter Verwendung einer Polierscheibe aufgebracht.

Die Gegenelektrode 4 besteht aus AZ₁ Au, Ni, In oder Co; sie ist mittels eines Verdampfungsverfahrens oder Aufsprühverfahrens in einer Stärke von etwa 100nm bis 1μπι auf die transparente Elastomerschicht 3 aufgetragen. Sodann wird die Gegenelektrode 4 auf ein gewünschtes Muster, etwa ein Gittermuster, mittels eines Photoätzverfahrens gebracht.

Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen Beispiele von Flächenmustern für die Gegenelektrode 4. Das Elektrodenmuster ist jedoch nicht auf die in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigten Beispiele beschränkt. Hinsichtlich der Gestaltung ist lediglich wichtig, daß ein ungleichmäßiges elektrisches Feld erzeugt wird, um die Kontraktionsdeformation zu erhalten.

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Die Isolatorschicht 12 weist vorzugsweise eine Dicke von 1μΐη auf und besteht beispielsweise aus dem unter der Handelsbezeichnung CX52-003LTV von der Firma Toray Silicone Company, Ltd. vertriebenen Material. Wie bereits erwähnt, kann die Isolatorschicht 12 auch aus einem anorganischen Material, etwa aus SiO-, MgF- oder aAO, bestehen. Die Reflexionsschicht 13 besteht aus h£ , Au oder In; sie ist durch ein Verdampfungsverfahren in einer Stärke von etwa 100nm aufgebracht.

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Fig. 9 zeigt die Kontrastkennlinie der Elastomer-Anzeige nach Fig. 4, wobei auf der Abszisse die angelegte Spannung und auf der Ordinate das Kontrastverhältnis aufgetragen sind. Der Versuch wird bei einer Temperatur von 25⁰C durchgeführt und die transparente Elastomerschicht 3 weist eine Dicke von 5μΐη auf. Es zeigen sich folgende

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Ansprechkennwerte:

Ansprechzeit: 7msec

Abfallzeit: 5msec,

bei einer angelegten Spannung von 50 Volt.

Die Reflexionsschicht 13 kann aus einem entsprechend angepaßten Material bestehen, wenn die Gegenelektrode 4 die Transparentelektrode ist, beispielsweise aus In₂O, oder SnO₂. Besteht die Gegenelektrode 4 jedoch aus Metall, so ist für die Reflexionsschicht 13 ein Material zu bevorzugen, das ähnliche Reflexionseigenschaften zeigt wie die Gegenelektrode 4, um eine saubere,scharfe Anzeige zu erzielen.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elastomer Anzeige mit erfindungsgemäßen Merkmalen. Auch hier sind die aus Fig. 4 bereits bekannten Elemente mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist die Transparentelektrode 2 weggelassen und auf einer Hauptfläche der transparenten Elastomerschicht 3 ist ein Elektrodenpaar in Interdigitalanordnung aufgebracht. Insbesondere bilden die Elektroden 14 und 14' eine Mehrzahl von Paaren von Elektroden.

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Claims

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter Prof. Representatives before the European Patent Office - Mandatalres agrees pres !Office european des brevets Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister Dipl.-lng. F. E. Müller o. . „ _ Triftstrasse 4, S.ekerwall 7, D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1 1273-GER-T Mii/hm 17. August 1979 SHARP KABUSHIKI KAISHA 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku Osaka 545 /Japan Elastomer-Anzeigevorrichtung Prioritäten: 18. August 1978 - Japan - No. 101192/1978 23. August 1978 - Japan - No. 103217/1978 PATENTANSPRÜCHE

1. Elastomer-Anzeigevorrichtung mit einem transparenten Elastomeren geringer Dicke, gekennzeichnet durch

- an eine Spannungsquelle (8) angeschlossene Elektroden (2,4,-2,13,-13,14,14') zur Beaufschlagung des transparenten Elastomeren(3) mit einem nicht gleichförmigen elektrischen Feld und

- innerhalb des transparenten Elastomeren verteilten Fluoreszenzzentren (5).

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2. Elastomer-Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Elastomer eine elastomere Siliciumschicht mit hohem Brechungsindex ist und daß sich durch eine über die Elektroden zugeführte festgelegte Spannung unter Kontraktion eine Verformung in der elastomeren Siliciumschicht mit hohem Brechungsindex ergibt.

3. Elastomer-Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzzentren organisches Fluoreszenzmaterial enthalten.

4. Elastomer-Anzeige nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet . durch

- ein transparentes Substrat;

- eine auf dem transparenten Substrat aufgebrachte Transparentelektrode;

- eine auf der Transparentelektrode ausgebildete transparente Elastomerschicht;

- eine über der transparenten Elastomerschicht aufge-

If)
brachte Gegenelektrode und

- eine mit der Transparentelektrode und der Gegenelektrode verbundene Spannungsquelle zur Erzeugung eines ungleichförmigen elektrischen Felds über der transparenten Elastomerschicht derart, daß in der Elastomerschicht eine Verformung durch Kontraktion auftritt.

5. Elastomer-Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine zwischen der Transparentelektrode und der elastomeren Siliciumschicht mit hohem Brechungsindex angeordnete Transparentschicht mit niedrigem Brechungsindex,die

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eine Totalreflexion eines über die Elastomerschicht einfallenden Lichtstrahls bewirkt.

6. Elastomer-Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode gitterförmig ausgebildet ist.

7. Elastomer-Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode kammförmig gestaltet ist.

8. Elastomer-Anzeigevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

- eine auf der Gegenelektrode ausgebildete Isolatorschicht und

- eine auf der Isolatorschicht aufgebrachte Reflexionsschicht.

9. Elastomer-Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode eine Metallelektrode ist und daß die Reflexionsschicht einen Reflexionsfaktor aufweist, der jenem der metallischen Gegenelektrode ähnlich ist.

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