DE69425281T2

DE69425281T2 - Chirale nematische flüssigkristallzusammensetzung und vorrichtungen,die diese enthalten

Info

Publication number: DE69425281T2
Application number: DE69425281T
Authority: DE
Inventors: J. Jones
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: CA2171826C; JPH09503873A; EP0760964A1; US5463482A; KR100320157B1; KR960705251A; JP3490086B2; WO1995011475A1; DE69425281D1; CA2171826A1; EP0760964B1; ATE194718T1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkristall/Polymer- Verbundstoff, der zur Verwendung in Lichtschaltern und daraus hergestellten Vorrichtungen geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

Flüssigkristall-Displays sind im Stand der Technik bekannt. Im allgemeinen bilden sie eine zweckmäßige Methode zur Darstellung verschiedener visueller Zustände, indem man steuert, ob Licht durch ein Flüssigkristall-Material hindurchgelassen wird oder nicht. Ihr optisches Verhalten ist jedoch oft mittelmäßig.
Bei einer Art von Flüssigkristall-Displays, nämlich vom verdrillten nematischen (TN) Typ, muß ein Polarisator, der eine Hälfte des einfallenden Lichts absorbiert, vorhanden sein. Das Ergebnis ist ein Display, der nicht zu hell ist, und schwarze Bildrasterpunkte gegen einen silbergrauen Hintergrund aufweist, und das schwierig zu lesen ist, wenn die Lichtbedingungen der Umgebung schlecht sind.
Flüssigkristall-Displays, die auf einer Veränderung der Lichtabsorptionseigenschaften eines dichroitischen Farbstoffes beruhen, der im Flüssigkristall gelöst ist, sind ebenfalls bekannt. Selbst in dem Zustand, in dem der Farbstoff nominell nicht absorbierend ist, ist jedoch eine beträchtliche restliche Absorption vorhanden, was es schwierig macht, eine 50%-ige Helligkeit zu übersteigen, und ein hohes Kontrastverhältnis beizubehalten.
Eine andere Klasse von Flüssigkristall-Displays beruht auf den Streueigenschaften eines Flüssigkristall-Materials, das in einer polymeren Matrix dispergiert ist. Das meiste des gestreuten Lichtes wird jedoch nach vorne gestreut. Wenn der Display auf direkte Weise betrachtet wird, ist dies nachteilig, weil nur wenig einfallendes Licht gegen den Betrachter zurückgestreut wird. Wenn es transmissiv verwendet wird, ist dies nachteilig, weil das nach vorne gestreute Licht den Kontrast verringert.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines Flüssigkristall-Displays, der einen stark weißen (papierweißen) ersten visuellen Zustand und einen zweiten visuellen Zustand darstellen kann, der stark transmissiv ist (oder durch Absorption des durchgelassenen Lichtes stark dunkel sein kann), und der deshalb gegenüber einem Betrachter hell und mit einem hohen Kontrast wirkt.
Erfindungsgemäß wird ein Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff bereitgestellt, der umfaßt:
ein Matrixpolymer,
Volumenanteile eines im Matrixpolymer dispergierten ersten Flüssigkristallmaterials, wobei das erste Flüssigkristallmaterial chiral nematisch und positiv dielektrisch anisotrop ist und ein charakteristisches Reflexionsband besitzt; und
Volumenanteile von mindestens einem zusätzlichen ebenfalls im Matrixpolymer dispergierten Flüssigkristallmaterial, wobei das mindestens eine zusätzliche Flüssigkristallmaterial ebenfalls chiral nematisch und positiv dielektrisch anisotrop ist, aber ein charakteristisches Reflexionsband besitzt, das vom charakteristischen Reflexionsband des ersten Flüssigkristallmaterials verschieden ist;
und der Verbundstoff einfallendes Licht in Abwesenheit eines ausreichenden elektrischen Feldes reflektiert und/oder streut und gegenüber einfallendem Licht in Gegenwart eines ausreichenden elektrischen Feldes im wesentlichen transparent ist.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Flüssigkristall-Lichtschalter bereitgestellt, der umfaßt: (a) beabstandet angeordnete erste und zweite transparente Elektroden und (b) einen zwischen den ersten und zweiten Elektroden angeordneten Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff, wie er vorstehend beschrieben wurde.
In einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Projektor bereitgestellt, der umfaßt: (a) eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, (b) eine Linse zur Projektion des Lichtes auf einen Bildschirm, und (c) einen Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff, wie er vorstehend beschrieben wurde, der zwischen der Lichtquelle und der Linse angeordnet ist, um zu steuern, welcher Anteile des Lichtes die Linse erreichen.
In einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Display bereitgestellt, das umfaßt: (a) einen Lichtabsorber und (b) einen Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff, wie er vorstehend beschrieben wurde, der auf der Betrachterseite des Displays und zwischen dem Lichtabsorber und dem von der Betrachterseite auf das Display einfallende Licht angeordnet ist, wobei der Verbundstoff steuert, ob das einfallende Licht den Lichtabsorber erreicht und davon absorbiert wird oder zurück zur Betrachterseite reflektiert oder gestreut wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die gewöhnlichen Brechungsindices no des ersten und des mindestens einen zusätzlichen Flüssigkeitskristallmaterials im wesentlichen die gleichen wie der Brechungsindex np des Matrixpolymers.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verleihen die kombinierten Reflektionsbanden des ersten und des mindestens einen zusätzlichen Flüssigkeitskristallmaterials dem Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff ein kombiniertes Reflektionsband zwischen 400 und 700 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Volumenanteile des ersten und des mindestens einen zusätzlichen Flüssigkristallmaterials Volumenanteile von Flüssigkristallmaterial mit rechtsgängiger Chiralität und Volumenanteile vom Flüssigkristallmaterial mit linksgängiger Chiralität.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1a bzw. 1b zeigen den nicht unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes und den unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes stehenden Zustand eines erfindungsgemäßen Lichtschalters. Die Fig. 1c zeigt eine bevorzugte Ausführungsform in abgeschaltetem Zustand.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Projektor.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Display zur Direktbetrachtung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 1a wird ein erfindungsgemäßer Lichtschalter 10 schematisch dargestellt. Er umfaßt einen Flüssigkristall/Polymer-Verbundkörper 11, der zwischen einer ersten und einer zweiten transparenten Elektrode 15a und 15b sandwichartig angeordnet ist. Der Verbundkörper 11 enthält Tröpfchen 12a von Flüssigkristallmaterial 13a, die in einem Matrixpolymer 14 dispergiert sind. Das Flüssigkristallmaterial 13a ist chiral nematisch und optisch und dielektrisch anisotrop. Aufgrund der optischen Anisotropie (auch Doppelbrechung genannt) weist das Flüssigkristallmaterial 13a zwei Brechungsindices auf, einen außergewöhnlichen Brechungsindex (ne) und einen gewöhnlichen Brechungsindex (n&sub0;). Die dielektrische Anisotropie ist positiv, was bedeutet, daß die Flüssigkristallmoleküle die Tendenz zeigen, sich mit ihren langen molekularen Achsen parallel zu einem angelegten elektrischen Feld auszurichten. Innerhalb jedes Tröpfchens 12a ist das Flüssigkristallmaterial 13a in helikalen Ebenen angeordnet, die für die chirale nematische Mesophase unikal sind, und mit einer charakteristischen helikalen Ganghöhe Pa. Die Orientierung der helikalen Achsen von Tröpfchen zu Tröpfchen ist zufällig, wie dies für die verschiedenen Orientierungen der dargestellten Tröpfchen 12a und 12a' symbolisiert ist. Der Verbundstoff 11 enthält außerdem Tröpfchen 12b aus einem anderen Flüssigkristallmaterial 13b, das im Matrixpolymer 14 dispergiert ist. Das Flüssigkristallmaterial 13b ist wie das Flüssigkristallmaterial 13a chiral nematisch, doppelbrechend und positiv dielektrisch anisotrop, weist aber eine unterschiedliche charakteristische helikale Steigung Pb auf. Die helikalen Achsen von verschiedenen Tröpfchen 12b sind ebenfalls zufällig orientiert. Die Tröpfchen 12a und 12b sind untereinander etwa gleichmäßig dispergiert. Die Elektroden 15a und 15b bestehen aus einem transparenten Leiter, wie z. B. Indiumzinndioxid (ITO), und sind mit einer Stromquelle 16 verbunden.
Wenn der Schalter 17, der den Kreis steuert, wie in Fig. 1a dargestellt in seiner offenen Position (im "abgeschalteten Zustand") ist, wird über den Verbundstoff 11 keine Spannung angelegt, und das auf die Flüssigkristallmaterialien 13a und 13b wirkende elektrische Feld ist 0. Einfallendes Licht, durch die Strahlen 18a und 18b dargestellt, wird durch die planare Struktur der Flüssigkristallmaterialien 13a und 13b zurückreflektiert. Für ein bestimmtes chiral nematisches Flüssigkristallmaterial wird nicht das gesamte einfallende Licht reflektiert. Nur Licht mit einer Wellenlänge λ innerhalb eines charakteristischen Reflektionsbandes der Breite Δλ, die von der helikalen Steigung abhängig ist, wird reflektiert. Flüssigkristallmaterial 13a wird deshalb einfallendes Licht innerhalb eines Bandes reflektieren, das durch seine charakteristische helikale Steigung Pa bestimmt wird, während Flüssigkristallmaterial 13b Licht innerhalb eines zweiten Bandes reflektieren wird, das durch seine charakteristische helikale Steigung Pb bestimmt wird. Durch geeignete Auswahl von Flüssigkristallmaterialien kann man einen Verbundstoff 11 erhalten, der ein kombiniertes Reflektionsband aufweist, das eine Bandbreite besitzt, die weißem Licht entspricht - d. h., das gesamte sichtbare Spektrum (400 bis 700 nm) umfaßt - wodurch der Verbundstoff 11 papierweiß erscheint. Für einen Fachmann auf diesem Gebiet ist es verständlich, daß, wenn erwünscht, mehr als zwei chiral nematische Flüssigkristallmaterialien verwendet werden können, um ein kombiniertes Reflektionsband für weißes Licht zu erzeugen, und daß die Fig. 1a der Einfachheit halber nur 2 zeigt.
Weil nur die Lichtkomponente, die eine zirkulare Polarisation aufweist, die der Chiralität der helikalen Achsen entspricht, reflektiert wird, kann man gegebenenfalls Tröpfchen, die Flüssigkristallmaterial einer Chiralität enthalten, mit Tröpfchen, die Flüssigkristallmaterial der entgegengesetzten Chiralität (aber mit der gleichen helikalen Steigung) enthalten, kombinieren, um sicherzustellen, daß eine Reflektion des einfallenden Lichts innerhalb des Reflektionsbandes unabhängig von seiner zirkularen Polarisation stattfindet. Im Beispiel der Fig. 1a bis b kann das Matrixpolymer Tröpfchen von vier Arten von Flüssigkristallmaterial enthalten: solche mit rechtsgängiger Chiralität und einer helikalen Steigung Pa, solche mit linksgängiger Chiralität und einer helikalen Steigung Pa, solche mit rechtsgängiger Chiralität und einer helikalen Steigung Pb, und solche mit linksgängiger Chiralität und einer helikalen Steigung Pb. Der Nettoeffekt ist der, daß mehr des einfallenden Lichtes reflektiert wird, wodurch ein intensiveres weißes Aussehen im abgeschalteten Zustand erzeugt wird.
Eine andere mögliche Ausführungsform ist es, die Flüssigkristallmaterialien 13a und 13b so auszuwählen, daß jedes einen außergewöhnlichen Brechungsindex ne aufweist, der verschieden sind vom gewöhnlichen Brechungsindex n&sub0;, der im wesentlichen der gleiche ist wie der Brechungsindex np des Matrixpolymers. Einfallendes Licht, das durch den Verbundstoff 11 hindurchgeht, weist eine hohe statistische Wahrscheinlichkeit auf, mindestens auf eine Grenzfläche zwischen dem einschließenden Medium 14 und dem Flüssigkristallmaterial 13a oder 13b aufzutreffen, in dem der Flüssigkristall-Brechungsindex, mit dem es in Wechselwirkung tritt, ne ist. Da ne verschieden ist vom Brechungsindex n des umgebenden Mediums, tritt eine Brechung oder Streuung des Lichtes ein. In dem Ausmaß, in dem eine Rückstreuung eintritt, wird das Licht gegen die Einfallsseite zurückreflektiert (Licht, das nach vorne gestreut wird, kann durch den Reflektionsmechanismus immer noch nach hinten zurück gestreut werden). Die Nettowirkung ist auch eine Erhöhung der Lichtmenge, die zur Einfallsseite des Verbundstoffes 11 zurückgeführt wird, wodurch wieder die Weißintensität des abgeschalteten Zustands verstärkt wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die parallele Ausordnung der helikalen Ebenen zu Ebene des Lichtschalters gefördert, indem man die Tröpfchen abflacht, wie dies schematisch in Fig. 1c dargestellt ist. Wenn die helikalen Ebenen auf diese Weise parallel sind, wird eine erhöhte Rückreflektionseffizienz erreicht, was wieder zu einem intensiveren weißen Aussehen im abgeschalteten Zustand führt.
Die Fig. 1b zeigt die optische Wirkung, wenn der Schalter 17 geschlossen ist (im "angeschalteten Zustand"). Zwischen den Elektroden 15a und 15b und über den Verbundstoff 11 wird ein elektrisches Feld angelegt, das die durch den Pfeil 19 angezeigte Richtung besitzt. Die Flüssigkristallmaterialien 13a und 13b, die positiv dielektrisch anisotrop sind, richten sich parallel zum elektrischen Feld aus (die erforderliche Spannung ist von der Dicke des Verbundstoffes abhängig und liegt typischerweise zwischen 3 und 50 Volt. Diese Ausrichtung mit dem Feld tritt in jedem Tröpfchen 12a und 12b auf, weshalb die Tröpfchen richtungsmäßig geordnet sind, wie dies symbolisch in Fig. 1b dargestellt ist. Wenn die Flüssigkristallmoleküle auf diese Weise ausgerichtet sind, beträgt der Flüssigkristall-Brechungsindex, mit dem die einfallende Lichtstrahl 18a und 18b in Wechselwirkung treten, n&sub0;. Weil n&sub0; im wesentlichen gleich ist mit np, findet keine Streuung an der Grenzfläche Flüssigkristall/umgebendes Medium statt. Weil die helikale Struktur der chiralen nematischen Mesophase durch die Wiederausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zerstört wurde, findet auch keine Rückreflektion des einfallenden Lichtes statt. Als Ergebnis wird der Strahl 18 durch den Verbundstoff 11 hindurchgelassen, der nun transparent erscheint. Es können Durchlässigkeitsraten von mindestens 50%, und vorzugsweise in der Größenordnung von 70% oder mehr, erreicht werden (in der weniger bevorzugten Ausführungsform, in der n&sub0; und np nicht gleich sind, würde der Verbundstoff 11 ein leicht trübes Aussehen besitzen. In dieser Beschreibung bedeutet eine solche Trübe nicht, daß der Verbundstoff nicht "im wesentlichen transparent" ist).
Der erfindungsgemäße Lichtschalter ist insbesondere geeignet für reflektierende Displays zur direkten Betrachtung und Projektoren.
Die Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Projektors, der einen erfindungsgemäßen Lichtschalter enthält. Der Projektor 20 weist eine Lichtquelle 22 (z. B. eine Glühbirne oder eine Bogenlampe) und einen parabolischen Reflektor 23 zur Ausrichtung von kollimiertem Licht (Strahlen 31a, 31b und 31c) gegen die Platte 24, die den vorstehend beschriebenen Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff umfaßt, auf. Alternativ oder zusätzlich kann eine Linse (nicht dargestellt) zwischen der Lichtquelle 22 und der Tafel 24 zur Kollimation und Richtungsgebung des Lichtes verwendet werden. Die Tafel 24 umfaßt mehrere Bildelemente, von denen jedes zwischen einem reflektierenden und/oder streuenden abgeschalteten Zustand und einem durchlässigen angeschalteten Zustand, wie vorstehend beschrieben, geschaltet werden kann. Eine Steuerung, ob die Bildelemente der Tafel 24 im angeschalteten oder abgeschalteten Zustand sind, um ein Bild auszubilden, wird durch den elektrischen Antrieb 27 (z. B. einen Mikrocomputer), der mit der Tafel 24 über die Verbindung 26 verbunden ist, bewirkt. In der Figur sind die Bildelemente 24a und 24b im angeschalteten Zustand gezeigt, während das Bildelement 24 im abgeschalteten Zustand gezeigt ist (für einen Fachmann auf diesem Gebiet ist es verständlich, daß tatsächlich die Zahl der Bildelemente viel größer ist, während zum Zwecke der Einfachheit der Darstellung hier nur drei gezeigt sind). Die Strahlen 31a und 31b werden deshalb durch die Tafel 24 hindurchgelassen, während der Strahl 31c nach hinten reflektiert und/oder gestreut wird (mit einem geringen Ausmaß an Streuung nach vorne). Die Strahlen 31a und 31b werden durch die Linse 25 auf den Projektionsschirm 29 fokkussiert, wo das zu betrachtende Bild ausgebildet wird. Weil nur wenig nach vorne gestreutes Licht vorhanden ist, kann eine Linse 25 mit großer Öffnung verwendet werden, ohne daß das Risiko besteht, zu viel Streulicht zusammeln, was zu einem helleren Projektor mit hohem Kontrast führt.
Fig. 3 (worin die aus den vorhergehenden Figuren wiederholten Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen) zeigt ein Display 40 zur direkten Betrachtung, das einen erfindungsgemäßen Lichtschalter verwendet. In der Tafel 24 sind die Bildelemente 24a und 24b im abgeschalteten Zustand, während das Bildelement 24c im angeschalteten Zustand ist. Die Lichtquelle 22 (die Licht aus dem umgebenden Raum oder eine Tischlampe sein kann) erzeugt Licht, das auf das Display 40 von der Betrachterseite 44 aus einfällt. Dieses Licht wird durch das Bildelement 24c hindurchgelassen und von einem dunkelgefärbten Lichtabsorber 41, wie z. B. eine matte schwarz gefärbte Oberfläche oder eine Bienenaugestruktur, absorbiert, wodurch das Bildelement 24 für den Betrachter 42 dunkel erscheint. Das auf die Bildelemente 24a und 24b einfallende Licht wird jedoch stark zurückreflektiert und/oder gestreut, weshalb diese Bildelemente für den Betrachter 42 papierweiß erscheinen. Das Display 40 bildet deshalb einen hohen Kontrast zwischen papierweißen Bildelementen im abgeschalteten Zustand und dunklen (gefärbten) Bildelementen im angeschalteten Zustand aus.
Als nächstes wird auf zwei ähnliche Flüssigkristall/Polymer- Verbundstoffe des Standes der Technik bezuggenommen, wodurch für einen Fachmann auf diesem Gebiet die Unterschiede und Vorteile der vorliegenden Erfindung besser verständlich werden.
Der erste Verbundstoff des Standes der Technik wird in Fergason US 4435047 beschrieben. Der Verbundstoff umfaßt Tröpfchen von positiv dielektrisch anisotropen nematischen Flüssigkristallen, die in einem Matrixpolymer dispergiert sind. Der normale Brechungsindex no der nematischen Flüssigkristalle ist dem Brechungsindex np des Matrixpolymers angeglichen, während der außergewöhnliche Brechungsindex ne es nicht ist. Im abgeschalteten Zustand ist die Orientierung der Flüssigkristalle in Bezug auf die Betrachterebene zufällig (innerhalb jedes Tröpfchens ist die Ausrichtung aufgrund der Oberflächenwirkungen mit den Oberflächenwechselwirkungen mit dem Matrixpolymer krummlinig). Durch den vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1a besprochenen Mechanismus findet eine Streuung statt, und der Verbundstoff erscheint transluzent oder matt. Fast die gesamte Streuung ist eine Streuung nach vorne, und nur eine geringe Menge (ca. 5%) wird zurückgestreut. Im angeschalteten Zustand richten sich die nematischen Flüssigkristalle mit den langen molekularen Achsen parallel zum elektrischen Feld aus. Aufgrund der Angleichung zwischen no und np tritt kein Streuen auf und das einfallende Licht wird durchgelassen. Dieser Verbundstoff kann im angeschalteten Zustand eine hohe Durchlässigkeit erzielen, die Eigenschaften im abgeschalteten Zustand sind jedoch schlechter als die, die mit dem erfindungsgemäßen Lichtschalter erhältlich sind - die Menge an zurückgestreutem Licht ist zu gering, um das hohe papierweiße Aussehen auszubilden, das für einen hervorragenden Kontrast bei niedrigen Spannungen erforderlich ist.
Der Verbundstoff des zweiten Standes der Technik wird in Crooker et al. (US 5200845 (1993)) beschrieben. Dieser Verbundstoff umfaßt Tröpfchen von chiralen nematischen Flüssigkristallen mit einer negativen dielektrischen Anisotropie, die in einem Matrixpolymer dispergiert sind. Es wird angegeben, daß die Flüssigkristallmoleküle im abgeschalteten Zustand zufällig ausgerichtet sind, wodurch ein Streuen verursacht wird, das wieder verursacht, daß der Verbundstoff transluzent oder nicht reflektierend erscheint. Weil die dielektrische Anisotropie der Flüssigkristalle negativ ist (zum Unterschied zur positiven elektrischen Anisotropie der flüssigen Kristalle der vorliegenden Erfindung), richten sie sich im angeschalteten Zustand mit ihren langen Molekülachsen senkrecht zur Feldrichtung in einer planaren Struktur aus. Einfallendes Licht wird somit reflektiert, was verursacht, daß der Verbundstoff gefärbt erscheint. Deshalb erreicht der Verbundstoff nach Crooker weder im angeschalteten Zustand noch im abgeschalteten Zustand die visuellen Eigenschaften, die mit der vorliegenden Erfindung erhältlich sind - nämlich einen papierweißen Zustand oder einen hochdurchlässigen Zustand.
Nach der vorliegenden Erfindung kann, wenn ein chirales nematisches Flüssigkristallmaterial in seiner planaren Struktur (auch Grandjean genannt) vorliegt, die Breite Δλ des Reflektionsbandes wie folgt berechnet werden:
Δλ = λ · Δn/n
worin λ das Zentrum (Maximum) des Reflektionsbandes ist, und mit der helikalen Steigung direkt in Beziehung steht, Δn die Doppelbrechung (gleich no - ne ) ist, und n der Brechungsindex des chiralen nematischen Flüssigkristallmaterials. Für n kann man einen Mittelwert von no und ne verwenden:
n = 2n&sub0; + ne/3
Für ein chirales nematisches Flüssigkristallmaterial mit einem Reflektionsband mit einem Zentrum bei 500 nm, einer Doppelbrechung von 0,3 und einem Brechungsindex von 1,5 beträgt z. B. die Breite des Reflektionsbandes 100 nm. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Flüssigkristall- Verbundstoff drei Arten von Tröpfchen des chiralen nematischen Flüssigkristallmaterials; eine mit einer Reflektionsbande im roten Bereich des sichtbaren Spektrums, eine zweite mit einer Reflektionsbande im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums und eine dritte mit einer Reflektionsbande im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums.
Chirale nematische Flüssigkristallmaterialien (aus historischen Gründen auch als cholesterisch bezeichnet) können durch Zugabe eines chiralen Additivs zu einem sonst normalen nematischen Flüssigkristallmaterial hergestellt werden. Dieses Additiv induziert die Flüssigkristallmoleküle dazu, sich in der helikal verdrillten planaren Struktur dieser Mesophase anzuordnen. Unter den chiralen Additiven sind Cholesterylhalogenide, die eine rechtsgängige Helix induzieren, und Cholesterylalkylester, die eine linksgängige Helix induzieren; Zuckerderivate (im Handel von Merck unter den Handelsnamen CE4 bis CE7 erhältlich), die eine rechtsgängige Helix induzieren; und Cyanobiphenylderivat (im Handel von Merck unter den Handelsnamen C15 und CB15 erhältlich), die eine links- oder rechtsgängige Helix, abhängig von der genauen Molekülstruktur des Additivs, induzieren. Durch Auswahl des geeigneten chiralen Additivs und seiner Menge in Kombination mit dem geeigneten nematischen Flüssigkristall kann man chirale nematische Flüssigkristallmaterialien mit bestimmter Chiralität und bestimmten Reflektionsbanden herstellen.
Obwohl bisher die Erfindung in Bezug auf Reflektionsbanden im sichtbaren Bereich beschrieben wurde, ist es verständlich, daß auch eine Reflektion im Infrarotbereich in Betracht kommt. Durch Steuern der Menge des chiralen Additivs in der Formulierung kann man leicht chirale nematische Zusammensetzungen herstellen, die Steigungen im Bereich von 1 bis 10 um aufweisen, und dazu fähig sind, infrarotes Licht zu reflektieren. Solche Zusammensetzungen können verwendet werden, um Wärmeschutzfolien mit einem guten Rückstrahlvermögen herzustellen.
Der mittlere Durchmesser der Tröpfchen liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 10 um, und insbesondere zwischen 2 und 4 um, Der Durchmesser der Tröpfchen beträgt vorzugsweise auch mindestens das mehrfache der helikalen Steigung, weil sonst die helikale Struktur durch Oberflächenkräfte zerstört werden könnte.
Der übliche Brechungsindex n&sub0; wird als im wesentlichen der gleiche wie der Brechungsindex np des Matrixpolymers angesehen, wenn die Differenz zwischen den beiden weniger als 0,05, und vorzugsweise weniger als 0,02 beträgt.
Ein einfacher Weg zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundstoffe ist es, eine Emulsion eines ersten chiralen nematischen Flüssigkristallmaterials im Matrixpolymer herzustellen, und dann eine andere Emulsion eines zweiten chiralen nematischen Flüssigkristallmaterials im Matrixpolymer, und dann die beiden Emulsionen zu mischen. Es wurde festgestellt, daß, obwohl die individuellen Tröpfchen innerhalb der kombinierten Emulsionen mehr oder weniger homogen verteilt werden, wenig oder keine Wanderung von Flüssigkristallmaterial aus einem Tröpfchen in ein anderes stattfindet. Die gemischte Emulsionen werden dann auf einem Substrat aufgetragen, das eine transparente Elektrode sein kann, und trocknen gelassen. Methoden des Standes der Technik zur Herstellung von nematischen Flüssigkristall/Polymer- Verbundkörpern nach einem Emulsionsverfahren sind hier mutatis mutandis anwendbar. In dieser Hinsicht beispielhafte Beschreibungen umfassen Fergason US 4435047 (1984); Andrews et al., US 5202063 (1993); und die Anmeldung Nr. 08/105658 von Reamey, angemeldet am 12. August 1993. Alternativ können die Tröpfchen aus der ersten Emulsion isoliert werden, z. B. indem man sie in einer Zentrifuge abzentrifugiert, und zur zweiten Emulsion zugegeben werden.
Geeignete Matrixpolymere umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Gelatine, Polyvinylalkohol, Polyurethan, Polyethylenoxid, Polyvinylpyrrolidon, Cellulosepolymere, natürliche Kautschuke, Acryl- und Methacrylpolymere und - copolymere, Epoxyharze, Polyolefine, Vinylpolymere und dergleichen. Polyurethanlatices, wie z. B. in Pearlman US 4992201 (1991) beschrieben, können ebenfalls verwendet werden.
Erfindungsgemäße Displays können direkt betätigt werden, oder können einen aktiven Matrixantrieb aufweisen, bei dem jedes Bildelement durch ein aktives Schaltelement, wie z. B. einen dünnen Folientransistor ("TFT"), Varistor, eine Diode, oder MIM, angetrieben wird (d. h. von einem visuellen Zustand in einen anderen geschaltet wird). Das Schaltelement hilft, eine gegenseitige Beeinflussung zu eliminieren, und eine anfänglich angelegte Spannung am entsprechenden Bildelement aufrechtzuerhalten, und zwar sogar dann, wenn es nicht aktiv angesprochen wird, wodurch das Bildelement "angeschaltet" bleibt, während andere Bildelemente angesprochen werden. Je länger die Bildelemente die anfangs angelegte Spannung behalten, um so länger können sie im "angeschalteten"-Zustand erhalten werden, bis sie als nächstes angesprochen werden, was die Konstruktion von Displays mit einer größeren Zahl von Bildelementen ermöglicht. Wenn die Matrix eine ausreichend hohe Zahl von Schaltelementen mit ausreichend geringer Größe enthält, sind Displays mit hoher Auflösung möglich. Aktive Matrixdisplays sind für Television, Computer und Instrumentenbildschirme von Bedeutung. Aktive Matrixdisplays, die Flüssigkristall-Verbundkörper verwenden, werden in Becker et al., US 5153554 (1993) und Kamath et al. US 5233445 (1993) beschrieben.

Beispiel

Es wurden chirale nematische Flüssigkristallmaterialien A und B, von denen jedes eine positive dielektrische Anisotropie aufweist, hergestellt:
A: 38% CB15 (Merck GmbH, Deutschland) und 62% RYC1011 (Chisso Corporation, Japan), mit rot-oranger Reflektion. B: 49% CB15 und 51% RYC1011, mit blauer Reflektion.
Diese wurden unabhängig voneinander in 10%-igen Lösungen von Vynol 205TM Polyvinylalkohol auf eine mittlere Tröpfchengröße von ca. 3 um emulgiert. Das Verhältnis von Polyvinylalkohol zu Flüssigkristallmaterial betrug 83: 12 (Gew/Gew). Gleiche Mengen der zwei Emulsionen wurden kombiniert, auf ein ITO- beschichtetes Glas aufgetragen, getrocknet, und mit einem anderen Blatt eines ITO-beschichteten Glases unter Bildung einer elektrooptischen Zelle (als Zelle I bezeichnet) laminiert. Als Kontrolle wurden die Bezugszellen II und III auf ähnliche Weise aus jeder der Emulsionen der Flüssigkristallmaterialien A und B hergestellt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben:
Die vorstehend detaillierte Beschreibung der Erfindung umfaßt Textstellen, die hauptsächlich oder ausschließlich besondere Teile oder Aspekte der Erfindung betreffen. Es ist verständlich, daß dies zur Klarheit und Zweckmäßigkeit geschieht, und daß ein besonderes Merkmal auch für mehrere Textstellen relevant sind, und nicht nur für die Textstelle, in der es beschrieben wurde, und daß die Offenbarung hier alle geeigneten Kombinationen oder Informationen, die sich in verschiedenen Textstellen befinden, umfaßt. Obgleich die verschiedenen Figuren und ihre Beschreibung sind auf spezifische Ausführungsformen der Erfindung beziehen, ist es verständlich, daß auch ein spezifisches Merkmal, das im Zusammenhang mit einer bestimmten Figur beschrieben wird, auch im geeigneten Ausmaß im Zusammenhang mit einer anderen Figur, in Kombination mit einem anderen Merkmal, oder ganz allgemein erfindungsgemäß verwendet werden kann.

Claims

1. Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff (11) umfassend:

ein Matrixpolymer (14),

Volumenanteile (12a) eines im Matrixpolymer dispergierten ersten Flüssigkristallmaterials (13a), wobei das erste Flüssigkristallmaterial chiral nematisch und positiv dielektrisch anisotrop ist und ein charakteristisches Reflexionsband besitzt; und

Volumenanteile (12b) von mindestens einem zusätzlichen ebenfalls im Matrixpolymer dispergierten Flüssigkristallmaterial (13b), wobei das mindestens eine zusätzliche Flüssigkristallmaterial ebenfalls chiral nematisch und positiv dielektrisch anisotrop ist, aber ein charakteristisches Reflexionsband besitzt, das vom charakteristischen Reflexionsband des ersten Flüssigkristallmaterials verschieden ist;

und der Verbundstoff einfallendes Licht in Abwesenheit eines ausreichenden elektrischen Feldes reflektiert und/oder streut und gegenüber einfallendem Licht in Gegenwart eines ausreichenden elektrischen Feldes im wesentlichen transparent ist.

2. Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gewöhnliche Brechungsindex n&sub0; des ersten und des mindestens einem zusätzlichen Flüssigkristallmaterials im wesentlichen der gleiche ist wie der Brechungsindex np des Matrixpolymers.

3. Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierten Reflexionsbanden des ersten und des mindestens einen zusätzlichen Flüssigkristallmaterials dem Flüssigkristall/Polymer- Verbundstoff ein kombiniertes Reflexionsband zwischen 400 und 700 nm verleihen.

4. Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei zusätzliche Flüssigkristallmaterialien umfaßt, wobei das erste Flüssigkristallmaterial ein Reflexionsband im roten Bereich des sichtbaren Spektrums besitzt, eines der zwei zusätzlichen Flüssigkristallmaterialien ein Reflexionsband im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums besitzt, und das andere zusätzliche Flüssigkristallmaterial ein Reflexionsband im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums besitzt.

5. Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenanteile des ersten und des mindestens einen zusätzlichen Flüssigkristallmaterials jeweils Anteile von Flüssigkristallmaterial mit rechtsgängiger Chiralität und Anteile von Flüssigkristallmaterial mit linksgängiger Chiralität umfassen.

6. Flüssigkristall-Lichtschalter umfassend:

(a) beabstandet angeordnete erste und zweite transparente Elektroden (15a, 15b) und

(b) einen zwischen den ersten und zweiten Elektroden angeordneten Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff (11), wobei der Verbundstoff umfaßt:

ein Matrixpolymer (14),

wobei der Verbundstoff einfallendes Licht reflektiert und/oder streut, wenn ein mittels der ersten und zweiten Elektroden angelegtes elektrisches Feld unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, und gegenüber einfallendem Licht im wesentlichen transparent ist, wenn ein mittels der ersten und zweiten Elektroden angelegtes elektrisches Feld diesen bestimmten Wert erreicht.

7. Projektor umfassend:

(a) eine Lichtquelle (22) zur Erzeugung von Licht;

(b) eine Linse (25) zur Projektion des Lichtes auf einen Bildschirm; und

(c) einen Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff (24), der zwischen der Lichtquelle und der Linse angeordnet ist, um zu steuern, welche Anteile des Lichtes die Linse erreichen, wobei der Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff umfaßt:

ein Matrixpolymer,

Volumenanteile eines im Matrixpolymer dispergierten ersten Flüssigkristallmaterials, wobei das erste Flüssigkristallmaterial chiral nematisch und positiv dielektrisch anisotrop ist und ein charakteristisches Reflexionsband besitzt; und

Volumenanteile von mindestens einem zusätzlichen ebenfalls im Matrixpolymer dispergierten Flüssigkristallmaterial,

wobei das mindestens eine zusätzliche Flüssigkristallmaterial ebenfalls chiral nematisch und positiv dielektrisch anisotrop ist, aber ein charakteristisches Reflexionsband besitzt, das vom charakteristischen Reflexionsband des ersten Flüssigkristallmaterials verschieden ist;

8. Display umfassend:

(a) einen Lichtabsorber und

(b) einen Flüssigkristall/Polymer-Verbundstoff (24), der auf der Betrachterseite (44) des Displays und zwischen dem Lichtabsorber und dem von der Betrachterseite auf das Display einfallenden Licht angeordnet ist, wobei der Verbundstoff steuert, ob das einfallendes Licht den Lichtabsorber erreicht und davon absorbiert wird, oder zurück zur Betrachterseite reflektiert und/oder gestreut wird, und das umfaßt:

ein Matrixpolymer,

Volumenanteile von mindestens einem zusätzlichen ebenfalls im Matrixpolymer dispergierten Flüssigkristallmaterial, wobei das mindestens eine zusätzliche Flüssigkristallmaterial ebenfalls chiral nematisch und positiv dielektrisch anisotrop ist, aber ein charakteristisches Reflexionsband besitzt, das vom charakteristischen Reflexionsband des ersten Flüssigkristallmaterials verschieden ist;