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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft eine Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigevorrichtung
mit reflektierter Strahlung bzw. eine Reflex-Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigeeinrichtung.
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Ganz allgemein bekannt als elektrooptische Effekte von Flüssigkristallen
oder flüssigen Kristallen sind der dynamische Streueffekt, der verdreht-nematische
elektrische Feldeffekt, der Dotierungseffekt (guest-host-Effekt), der cholesterisch-nematische
Phasenübergangseffekt etc.. Diese elektrooptischen Effekte erzeugen durch Streuen
oder Absorption von Umgebungslicht eine Anzeige im Gegensatz zu der Wirkung von
leuchtenden Materialien, die für sich leuchtende Anzeigen erzeugen, wie Lampenanzeigen,
Lumineszenzdiodenanzeigen, Elektrolumineszenzanzeigen, Plasmaanzeigen und dergleichen.
Die auf elektrooptischen Effekten beruhenden Anzeigeeinrichtungen sind denen des
letzteren Typs überlegen, dadurch, daß sie einen geringeren Energieverbrauch aufweisen,
besitzen jedoch den Nachteil der geringeren Brillianz.
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R.D. Larrabee hat bereits vorgeschlagen einem Flüssigkristallmaterial
ein fluoreszierendes Material zuzusetzen und die Fluoreszenzintensität des Materials
durch ein elektrisches Feld zu verändern (RCA Review VoL, 34 (1973) 329). In dieser
Veröffentlichung wird jedoch angegeben, daß der Autor keine Flüssigkristallmaterialien
aufzufinden vermochte, die bei Raumtemperatur kein ultraviolettes Licht absorbieren.
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Dies scheint auf der Tatsache zu beruhen, daß wenn man ein in einem
Flüssigkristallmaterial enthaltenes fluoreszierendes Material variierende Mengen
Lichtes in Abhängigkeit
von der Orientierung der Flüssigkristalle
absorbieren läßt, um die Fluoreszenzintensität in Abhängigkeit von der Lichtabsorption
zu variieren, das anregende Licht von der Flüssigkristallschicht absorbiert wird
ohne das fluoreszierende Material in wirksamer Weise anzuregen.
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In der US-PS 3 844 637 sind fluoreszierende Flüssigkristallzusammensetzungen
beschrieben, die als Flüssigkristallmaterial 4'-Methoxy- (oder -Athoxy-) -benzyliden-4-n-butylanilin
enthalten. Diese Zubereitungen absorbieren jedoch violettes Licht oder nahes ultraviolettes
Licht und ermöglichen keine wirksame Anregung des fluoreszierenden Materials.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, neue und
nützliche Anzeigevorrichtungen anzugeben, die den niedrigen Energieverbrauch der
sogenannten passiven Anzeigen aufweisen, die für sich selbst nicht leuchten, die
jedoch einen selbst-leuchtenden Bestandteil enthalten, der eine brilliante aktive
Anzeige ergibt und die unter Verwendung von Flüssigkristallmaterialien Lichtstreuphänomene
in Abhängigkeit von einer äußeren Anregung durch ein elektrisches Feld, ein magnetisches
Feld, eine thermische Anregung oder eine mechanische Kraft in den nematischen, smektischen
und cholesterischen Mesophasen zeigt.
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Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigeeinrichtung
gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen
dieses Erfindungsgegenstandes.
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Gegenstand der Erfindung ist somit eine Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigeeinrichtung,
die ein Flüssigkristallanzeigematerial und ein darin gelöstes fluoreszierendes Material
enthält.
Hierdurch werden Lichtstreubedingungen in der Fluoreszenz-Fltssigkristallanzeigeeinrichtung
verursacht in Abhängigkeit von äußeren Anregungen, wie durch ein elektrisches Feld,
wodurch eine sichtbare fluoreszierende Strahlung (Fluoreszenz) von dem fluoreszierenden
Material emittiert wird, das in wirksamer Weise aus dem Flüssigkristallmaterial
austritt und eine brilliante Anzeige ermöglicht.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigevorrichtung
des Typs mit reflektierter Strahlung ein fluoreszierendes Material, das in einem
Flüssigkristallmaterial enthalten ist, zur Erzeugung einer fluoreszierenden Strahlung
oder Fluoreszenz in Abhängigkeit von einer absorbierten Strahlung oder Absorption
bzw. Extinktion und ein Filterelement zum Reflektieren mindestens eines Vertreters
aus der Gruppe der fluoreszierenden Strahlung (Fluoreszenz) und der absorbierten
Strahlung (Absorption), welches Filterelement erforderlichenfalls ein geringes Reflexionsvermögen
für jene Strahlung besitzt, die von der fluoreszierenden Strahlung (Fluoreszenz)
und der absorbierten Strahlung (Absorption oder Extinktion) verschieden ist, um
in dieser Weise den Anzeigekontrast der Anzeigeeinrichtung zu verbessern.
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Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht einer
erfindungsgemäßen Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigevorrichtung des Reflexionstyps;
Fig.
2 eine graphische Darstellung, die die Reflexionseigenschaften des selektiven reflektierenden
Films, der für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet ist, wiedergibt; Fig. 3
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigeeinrichtung;
und Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen, die die Reflexionseigenschaften anderer
selektiv reflektierender Filme wiedergeben, die für die erfindungsgemäße Vorrichtung
geeignet sind.
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Die erfindungsgemäße Lehre ist dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte
Flüssigkristallmaterial unabhängig von seiner Mesophase, ob sie nun nematisch, cholesterisch
oder smektisch sei, Lichtstreuphänomene ermöglicht in Abhängigkeit von einer äußeren
Anregung durch ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld, Temperaturänderungen
oder mechanische Schockeinwirkungen. Beispiele für diese Lichtstreuphänomene sind
die dynamische Streuung des Flüssigkristallmaterials, wobei ein Elektrolyt, wie
ein quartäres Ammoniumsalz zu dem nematischen Flüssigkristallmaterial mit negativer
dielektrischer Anisotropie zugesetzt wird; der Speichereffekt des gemischten Flüssigkristallmaterials,
das nematische und cholesterische Flüssigkristallmaterialien umfaßt; und den Phasenübergangseffekt,
gemäß dem die Transformation des Flüssigkristallmaterials von der Grandjean-Textur
der cholesterischen Mesophase in die fokal-konische Textur der cholesterischen Mesophase
und schließlich in die nematische Mesophase erfolgt.
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Die für die erfindungsgemäße Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigevorrichtung
geeigneten Flüssigkristallmaterialien enthalten einen oder mehrere Zusätze zur Erzeugung
einer vorbestimmten Leitfähigkeit, Aktivierungsmittel zur Steuerung der Neigung
der cholesterischen Mesophase,oder Orientierungsmittel zur Erzeugung einer Orientierung
der Flüssigkristallmaterialien.
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Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht nun darin, daß ein organisches
fluoreszierendes Material in dem Flüssigkristallmaterial gelöst oder darin enthalten
ist. Das Flüssigkristallmaterial zeigt dann ein Lichtstreuungsphänomen in Abhängigkeit
von einer Anregung, wobei sowohl das einfallende Licht zu dem fluoreszierenden Material
geführtals auch die erzeugte fluoreszierende Srahlung weitergeführt werden. Dabei
umfaßt die Anzeigeeinrichtung eine Zelle, in der das Flüssigkristallmaterial in
Form einer Schicht enthalten ist. Die Anzeigefläche der Zelle ermöglicht die Weiterleitung
des einfallenden Lichtes und der Fluoreszenz.
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Beispiele für erfindungsgemäß geeignete Flüssigkristallmaterialien
sind die durch die nachstehenden allgemeinen Formeln angegebenen Verbindungen:
worin A und B für Alkylgruppen, Alkoxygruppen, Alkoxycarbonylgruppen und Cyanogruppen
stehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Flüssigkristallmaterialien beschränkt.
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Die erfindungsgemäß verwendeten fluoreszierenden Materialien sollten
sich leicht in dem Flüssigkristallmaterial lösen oder dispergieren lassen und sollten
in Abhängigkeit von der erfolgten Anregung wirksam eine fluoreszierende Strahlung
erzeugen. Dabei ist es erwünscht, daß die fluoreszierenden Materialien ein hohes
Maß von Pleochroismus aufweisen. Dabei sollten die fluoreszierenden Materialien
in ihren Licht-Eigenschaften durch die anregende Strahlung nicht beeinträchtigt
oder geschädigt werden.
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Beispiele für erfindungsgemäß geeignete fluoreszierende Materialien
sind im allgemeinen aromatische Verbindungen wie Anthracen, Tetracen, Pyren, Pyronin
G, Pyronin B, Rhodamin-6G-perchlorat, Cryptocyanin, Coumarin 6, Coumarin 7, Fluorescein,
9,10-Dimethylanthracen, 9,10-Diphenylanthracen, Perylen, Fluoren, p-Quaterphenyl,
Rubren, Terphenyl, 2, 5-Diphenylfuran, 2,5-Diphenyloxazol, 2-Phenyl-5-(4-biphenylyl
-1,3,
4-oxadiazol, 1, 4-Bis[2- (5-phenyloxazolyl) ]benzol, Samaron Brilliant Gelb H6GL,
Brilliant Phosphine, Primulin 0, 1,8-Diphenyl-1,3,5,7-octatetracen, Acridingelb,
Thioflavin S, Pronin GS, 1,12-Benzperylen etc. Die erfindungsgemäß geeigneten Materialien
sind jedoch nicht auf die oben angegebenen Verbindungen beschränkt.
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Es ist erforderlich, daß die Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigeeinrichtung,
die die flüssigen Materialien einschließlich des fluoreszierenden Materials enthält,
Licht mit dem Wellenlängenbereich durchläßt, das der anregenden Strahlung für das
fluoreszierende Material und der fluoreszierenden Strahlung das von dem fluoreszierenden
Material emittiert wird, entspricht.
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Im folgenden sei eine bevorzugte Ausführungsform der Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigevorrichtung
des Reflexionstyps mit einer sandwichartigen Elektrodenanordnung, bei der die äußere
Anregung mit Hilfe eines elektrischen Feldes erfolgt, beschrieben.
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Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt die Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigevorrichtung
ein transparentes oberes Substrat 11-1, ein transparentes unteres Substrat 11-2,
eine Anzeigeelektrode 12, eine Gegenelektrode 15, zwei transparente Isolationsschichten
13-1 und 13-2, eine selektive und reflektierende Schicht 14, Abstandhalter 16 und
eine Schicht, die Flüssigkristallmoleküle 17 und fluoreszierende Materialien 17a
enthält.
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Jedes der Substrate 11-1 und 11-2 besteht aus Natronglas mit einer
Dicke von etwa 1mm. Die Anzeigeelektrode 12 besteht aus In203 oder dergleichen und
besitzt eine Dicke von etwa 50 nm und wird durch Aufdampfen oder dergleichen gebildet.
Sie besitzt ein der Anzeige entsprechendes Muster,
beispielsweise
ein 7-Segmentmuster
oder dergleichen.
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Auf der Anzeigeelektrode 12 ist die transparente Isolationsschicht
13-1 aus SiO2 oder dergleichen ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist eine selektiv und reflektiv wirksame Schicht 14
auf dem Substrat 11-2 angeordnet. Oberhalb der Schicht 14 ist die Gegenelektrode
15 vorgesehen, die aus einem transparenten Material In 203 besteht. Auf der Schicht
15 ist die transparente Isolationsschicht 13-2 aus SiO2 oder dergleichen mit einer
Dicke von etwa 50 nm angeordnet.
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Zur Verbesserung der Flüssigkristallorientierung ist die durch Reiben
oder durch Schrägbedampfen gebildete Orientierungsschicht mit einer Schicht aus
einem oberflächenaktiven Mittel bedeckt, das lange Alkylketten oder lange Fluoralkylketten
aufweist oder eine Silanverbindung mit einer oder mehreren Aminogruppen umfaßt.
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Die Schicht aus dem oberflächenaktiven Mittel dient dazu die Längsachse
der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zu der Ebene des transparenten oberen Substrats
11-1 und des unteren Substrats 11-2 zu orientieren. Diese Flüssigkristallmolekül-Orientierungsschichten
bedecken den Anzeigebereich der durch die Anzeigeelektrode definiert wird und einen
Hintergrundbereich, der den Anzeigebereich umgibt.
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Ein Beispiel eines zur Ausbildung einer solchen Schicht geeigneten
oberflächenaktiven Mittels ist Acid-T, das von der Firma Merck & Co., Inc. erhältlich
ist.
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Die selektiv und reflektiv wirksame Schicht 14, die hierin als Filtereinrichtung
bezeichnet wird, umfaßt eine erste Schicht aus Aluminium oder dergleichen, die dazu
dient, die gesamte Strahlung des sichtbaren Bereiches zu reflektieren,
und
eine zweite Schicht aus einem selektiv absorbierenden Filtermaterial, wie Polyacetat
oder Glas in Kombination mit einem Farbstoff, der nur die Strahlung einer spezifischen
Wellenlänge absorbiert.
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Die Fig. 2 verdeutlicht anhand einer graphischen Darstellung die Reflexionseigenschaften
der selektiv und reflektiv wirksamen Schicht 14. Diese Schicht 14 besitzt ein hohes
Reflexionsverhältnis in bezug auf die absorbierte Strahlung und die fluoreszierende
Strahlung des fluoreszierenden Materials 17a, was zur Folge hat, daß das fluoreszierende
Material 17a angeregt wird. Weiterhin zeigt diese Schicht 14 ein niedriges Reflexionsverhältnis
im Hinblick auf andere Strahlungen des sichtbaren Bereiches.
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Die Schichten der Filtereinrichtung 14 können durch ein sogenanntes
Interferenzfarbfilter ersetzt werden, das nur eine spezifische Strahlung absorbiert
oder reflektiert.
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Die Abstandshalter 16 werden dazu verwendet, zusammen mit den Substraten
13-1 und 13-2 einen Behälter zur Aufnahme der Flüssigkristallschicht zu bilden,
wobei die Substrate vorzugsweise in einem Abstand von etwa 0,1 ptm angeordnet sind.
Die Abstandshalter 16 können aus Epoxidharz oder dergleichen bestehen.
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Beispielsweise besteht das Flüssigkristallmaterial 17 aus einer Flüssigkristallmischung
des nematischen Typs (605 der Firma Hoffman-La Roche), das mit etwa 15 Gew.-* eines
optisch aktiven Mittels (CB-15 der Firma BDH Chemicals Ltd.) unter Bildung einer
gemischten cholesterischen Flüssigkristallmischung versetzt worden ist.
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Als fluoreszierendes Material 17a kann beispielsweise Coumarin 7 (der
Firma Eastman Kodak Company) verwendet werden. Das fluoreszierende Material 17a
wird in einer Menge von 0,3 Gew.-% in dem Flüssigkristallmaterial 17 gelöst oder
dispergiert.
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Bei der erfindungsgemäßen Fluoreszenz-Flüssigkristallanzeigevorrichtung
sind die Anzeigeelemente des Anzeigebereiches hell erleuchtet, während die von Anzeigeelementen
freien Bereiche dunkel sind.
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Erfindungsgemäß wird ein cholesterisches Flüssigkristallmaterial in
der Anzeigeeinrichtung verwendet, wobei die Bereiche, die das Lichtstreuungsphänomen
zeigen, fokalkonische Texturen der cholesterischen Mesophase für die Anzeigezwecke
aufweisen, während die von den Anzeigebereichen verschiedenen Bereiche in der nematischen
Phase mit homöotroper Orientierung vorliegen, was durch Anlegen eines stärkeren
Feldes auf die anderen Bereiche im Vergleich zu den Anzeigebereichen erreicht wird.
Die Anzeigezelle arbeitet somit nach dem Transformationsprinzip von der cholesterischen
Mesophase in die nematische Mesophase.
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Wenn ein geeignetes elektrisches Feld zwischen den transparenten Elektroden
12 und 15 angelegt wird, dringt die einfallende Strahlung durch die Anzeigeseite,
die als transparentes Substrat 11-1 definiert ist, die Anzeigeelektrode 12 und die
-Isolationsschicht 13-1 und schließlich in die Flüssigkristallschicht 17.
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Die Komponenten der einfallenden Strahlung, die der Anregungsstrahlung
entsprechen werden durch die selektiv und reflektiv wirksame Schicht 14 in starkem
Maße reflektiert. In dieser Weise wird schließlich das gesamte fluoreszierende Material
17a stark durch die einfallende Strahlung und deren
reflektierte
Komponenten in starkem Maße angeregt. Weiterhin wird die durch das fluoreszierende
Material 17a erzeugte Fluoreszenz bzw. fluoreszierende Strahlung, die auf das Gegensubstrat
11-2 gerichtet ist, durch die selektiv und reflektiv wirksame Schicht 14 stark in
Richtung auf die Anzeigeseite reflektiert. Wegen der Reflexion der einfallenden
Strahlung und der fluoreszierenden Strahlung ergibt sich für den Betrachter 10 ein
starker Kontrast des fluoreszierenden Anzeigebildes.
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Die Fig. 4 verdeutlicht anhand einer graphischen Darstellung die Reflexionseigenschaften
der selektiv und reflektiv wirksamen Schicht 14. Dabei entsprechen die in der Fig.
4 angegebenen Eigenschaften jenen, die im Hinblick auf die Fig. 2 erläutert wurden.
Wie in der Fig. 4 angegeben ist, besitzt die Schicht 14 ein hohes Reflexionsverhältnis
im Hinblick auf die Strahlung, die von dem fluoreszierenden Material 17a absorbiert
wird und ein geringes Reflexionsverhältnis für Strahlung, die von der Strahlung
verschieden ist, die von dem Material 17a absorbiert wird.
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Durch die Anordnung dieser charakteristischen Schicht 14 wird, wie
es in der Fig. 4 dargestellt ist der Teil der einfallenden Strahlung, der durch
die Flüssigkristallschicht dringt, wovon ein Teil von dem Material 17a unter Anregung
absorbiert wird, durch die Schicht 14 wieder in die Flüssigkristallschicht reflektiert,
die das Material 17a enthält.
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Demzufolge erfolgt eine derart starke Absorption durch das Material
17a, das die durch dieses Material 17a emitierte Fluoreszenz wesentlich verstärkt
wird, so daß sich ein hoher Anzeigekontrast ergibt.
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Die Fig. 5 verdeutlicht anhand einer graphischen Darstellung die Reflexionseigenschaften
der selektiv und reflektiv wirksamen
Schicht 14 (Selektions-Reflexions-Schicht).
Die in der Fig. 5 dargestellten Eigenschaften entsprechen in ihren Bedeutungen jenen,
die für die Fig. 2 angesprochen wurden.
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Wie in der Fig. 5 angegeben ist, zeichnet sich die Schicht 14 dadurch
aus, daß sie ein hohes Reflexionsverhältnis im Hinblick auf die von dem Material
17a erzeugte Fluoreszenz aufweist und ein geringes Reflexionsverhältnis gegenüber
der Strahlung, die von der fluoreszierenden Strahlung des Materials 17a verschieden
ist.
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Wegen dieser Eigenschaften, die in der Fig. 5 dargestellt sind, wird
die auf das Gegensubstrat 11-2 gerichtete Strahlung von der Schicht 14 zu der Anzeigeseite
reflektiert, so daß sich ein hoher Anzeigekontrast ergibt.
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Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Flüssigkristallanzeigevorrichtung, wobei die angegebenenBezugsziffern die gleichen
Bedeutungen besitzen, wie sie für die Fig. 1 angegeben wurden.
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Die in der Fig. 3 dargestellte Anzeigevorrichtung unterscheidet sich
von der der Fig. 1 dadurch, daß eine andere selektiv und reflektiv wirksame Schicht
14' zusätzlich an der äußeren Seite des Gegensubstrats 11-2 angeordnet ist.
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Diese Schicht 14' umfaßt einen ersten Film aus einem reflektierenden
Material, wie einem Metall, beispielsweise Aluminium, und einen zweiten Film, der
durch Aufdrucken eines geeigneten Farbstoffmaterials, wie eines blauen Farbstoffs
gebildet worden ist. Beispielsweise kann die Schicht 14' Blaufilter umfassen (beispielsweise
Model No. SP-6 oder CC-30M der Firma Fuji Photo Film Co., Ltd. oder einen Blaufilter
der Firma Nippon Leaf Manufacturing Co., Ltd.). Diese Schicht 14' besitzt die in
der Fig. 4 dargestellten Eigenschaften.
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Wenn ein elektrisches Feld von beispielsweise etwa 2,5 x 104 V/cm
oder mehr mit Hilfe einer Spannungsquelle von etwa 25 V zwischen den Elektroden
12 und 15 angelegt wird, ergibt sich ein blaues Anzeigebild mit hohem Kontrast.
Wenn ein elektrisches Feld von beispielsweise unterhalb etwa 2,5 x 104 V/cm mit
Hilfe einer Spannungsquelle von weniger als etwa 25 V zwischen diesen Elektroden
angelegt wird, ergibt sich ein grünes Anzeigebild mit hohem Kontrast. Die grüne
Farbe ist die Farbe der fluoreszierenden Strahlung, die von dem fluoreszierenden
Material 17a emitiert wird.
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Es versteht sich, daß die Reflexionseigenschaften der Schicht 14'
den in den Fig. 2 oder 5 angegebenen Eigenschaften entsprechen können.
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Zusammenfassend läßt sich also festhalten, daß die Schicht 14 und/oder
die Schicht 14' ein hohes Reflexionsverhältnis im Hinblick auf die von dem fluoreszierenden
Material 17a absorbierte Strahlung und/oder die von dem fluoreszierenden Material
17a emitierte fluoreszierende Strahlung aufweist und darüberhinaus ein niedriges
Reflexionsverhältnis für jene Strahlung besitzt, die sich von der oben angesprochenen
stark reflektierten absorbierten und/oder fluoreszierenden Strahlung unterscheidet.
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Schließlich zeigen die Schicht 14 und/oder 14' ein hohes Reflexionsverhältnis
im Hinblick auf die Strahlung der Wellenlänge, die von dem fluoreszierenden Material
17a absorbiert wird.
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