DE69518912T2

DE69518912T2 - Elektrooptische farbvorrichtungen

Info

Publication number: DE69518912T2
Application number: DE69518912T
Authority: DE
Inventors: Caroline Guy; Robert Mason; Gerard Mcdonnell
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2015-02-18
Also published as: DE69518912D1; CA2184078A1; GB2301449A; GB2287096A; WO1995023354A1; JPH09510300A; US5760860A; EP0746795A1; GB9617581D0; GB2301449B; GB9403630D0; EP0746795B1; KR970701367A

Description

Die Erfindung betrifft neue elektrooptische Farbvorrichtungen, und zwar insbesondere Flüssigkristall-Farbblenden und -Schalter.
Flüssigkristallmaterialien werden weit verbreitet in Flüssigkristallanzeigen wie Uhren, Rechnern usw. verwendet. Die meisten Anzeigen dieses Typs bestehen aus einer dünnen Schicht aus einer Flüssigkristallzusammensetzung, die sandwichartig in einer Zelle zwischen zwei Trägern eingeschlossen ist, von denen mindestens einer lichtdurchlässig ist, und die lichtdurchlässige Elektroden auf ihren inneren Oberflächen aufweist. Durch Anlegen einer Potentialdifferenz an die Elektroden wird die Orientierung der Moleküle der Flüssigkristallzusammensetzung verändert, was in dem Material einen elektrooptischen Effekt erzeugt, der durch die Anzeige genutzt wird. Am häufigsten werden in derartigen Anzeigen elektrooptische Effekte in der nematischen Flüssigkristallphase genutzt. Beispiele für Anzeigetypen sind Vorrichtungen, die auf der verdrillten nematischen Phase beruhen, Vorrichtungen, die auf dem Freedericksz-Effekt beruhen, Vorrichtungen, die auf dem cholesterischen Memory-Modus beruhen, Vorrichtungen, die auf dem Effekt beruhen, der sich durch den Übergang von der cholesterischen zur nematischen Phase ergibt, Vorrichtungen, die auf dem dynamischen Streueffekt beruhen, Vorrichtungen, die auf dem Zweifrequenzen-Schaltungseffekt beruhen und Vorrichtungen, die auf dem "superverdrillten" Effekt beruhen. Andere Typen von Anzeigen sind beispielsweise die Aktivmatrix mit verdrillter nematischer Phase und Pi-Zellen.
Im allgemeinen weisen die obigen Flüssigkristallvorrichtungen Zellen auf, die aus Glasträgern hergestellt sind. Es gibt zahlreiche Probleme, die mit der Herstellung von Glaszellen und daher auch mit den Vorrichtungen verbunden sind. Beispielsweise limitieren die Beschränkungen in bezug auf den Betrachtungswinkel derartiger Vorrichtungen in der Praxis die Größe derartiger Zellen auf ungefähr 50 cm in der Diagonalen.
Es ist ein Typ einer Flüssigkristallanzeige entwickelt worden, bei dem Tröpfchen aus einer geeigneten Flüssigkristallzusammensetzung in einer festen, lichtdurchlässigen Polymermatrix dispergiert sind. Im Stand der Technik sind derartige Materialien als polymerdispergierte Flüssigkristalle (PDLC) und/oder als Materialien mit nematisch-krummlinig ausgerichteter Phase (NCAP) bekannt, und zwar aufgrund ihrer Konstruktion bzw. physikalischen Eigenschaften. Typischerweise bestehen PDLCs und NCAPs aus einer Dispersion aus nematischen Flüssigkristallmaterialen in einer kontinuierlichen Polymermatrix. Das Licht wird von derartigen Materialien gestreut, weil die Brechungsindices der Tröpfchen und der Matrix nicht übereinstimmen. Wenn kein Feld angelegt ist, wird das einfallende Licht effektiv aufgrund der nicht übereinstimmenden Brechungsindices der Tröpfchen und der Matrix gestreut. Wenn ein Feld angelegt wird, führt die Ausrichtung der Flüssigkristalle dazu, daß die Tröpfchen einen effektiven Brechungsindex haben, der näher bei dem ordentlichen Brechungsindex des Flüssigkristall, n&sub0;, für in Richtung der Normalen auf das Material einfallendes Licht liegt. Die Matrix hat einen Brechungsindex, np, der im wesentlichen n&sub0; entspricht, so daß daher das Material für einfallendes Licht durchlässig wird.
Die Probleme, die mit diesem Typ von Anzeigen verbunden sind, umfassen beispielsweise einen geringen Kontrast.
In kürzlich veröffentlichten Arbeiten ist gezeigt worden, daß ein verbessertes Kontrastverhältnis erzielt werden kann, indem die Depolarisationseigenschaften von gekreuzten Polarisatoren genutzt werden, Yoshida et al., Journal of the SID, 1/4, 1993 S. 417-22.
Einige der Eigenschaften, die zur Optimierung des Verhaltens von PDLCs und verwandten Vorrichtungen berücksichtigt werden müssen, sind nachstehend angegeben.
Der ordentliche Brechungsindex n&sub0; der Zusammensetzung sollte mit dem Brechungsindex des Polymermaterials zusammenpassen oder diesem ähneln, so daß in Gegenwart eines angelegten Feldes das Material so lichtdurchlässig für einfallendes Licht wird wie möglich. Weitere erwünschte Eigenschaften der Flüssigkristallzusammensetzung sind eine hohe Doppelbrechung, Δn, eine hohe Übergangstemperatur von der nematischen in die isotrope Phase, T(N-I) und eine niedrige Schwellenspannung, Vth, bei der die Vorrichtung betrieben wird.
Es gibt zahlreiche Verfahren, nach denen PDLCs konstruiert werden können. Beispielsweise werden einige davon in J. W. Doane, Liquid Crystals, Applications and Uses, Band I, Hrsg. B. Bahadur, S. 361-95, 1990 und den darin angegebenen Literaturstellen beschrieben. Eines dieser Verfahren ist die polymerisationsinduzierte Phasentrennung (PIPS). Beim PIPS-Verfahren ist es wichtig, daß das Flüssigkristallmaterial sich mit einem Monomer vermischt, in dem es löslich ist. Die Flüssigkristallzusammensetzung sollte in dem gewählten Monomer ausreichend löslich sein und in dem Polymer ausreichend schlechter löslich sein, so daß es zur Phasentrennung kommt. Einige andere Techniken sind beispielsweise die thermisch induzierte Phasentrennung (TIPS), die lösungsmittelinduzierte Phasentrennung (SIPS) und die Verkapselung.
Aus derartigen Materialien können großflächige Anzeigevorrichtungen hergestellt werden, beispielsweise Fenster, Lichtschutzschirme usw., ohne daß die oben erwähnten Probleme auftreten. Literaturstellen in bezug auf derartige Materialien und Vorrichtungen finden sich in Mol. Cryst. Liq. Cryst. Inc. Nonlin. Opt. (1988), 17, 427-441, Liquid Crystals (1988) 3(11), 1543-1559, FR 2 139 537, US 4 435 047 und US 4 688 900.
In Zusammensetzungen für PDLC-Materialien ist eine Anzahl von Verbindungen verwendet worden. Die oben erwähnten Literaturstellen beziehen sich auf die Verwendung von Benzylidinanilinen, 4-Alkyl- oder -Alkoxy-4'-cyanobiphenylen oder -4"-cyanoterphenylen, Alkyl- oder Alkoxycyanophenylcyclohexanen oder -cyanobiphenylcyclohexanen und aromatischen Estern in diesen Zusammensetzungen. In der internationalen Patentanmeldung PCT/GB90/01947 mit der internationalen Veröffentlichungs-Nr. WO 91/09092 wird die Verwendung von seitlich fluorierten 4-Alkyl- oder -Alkoxy-4"-cyanoterphenylen, die mit anderen Flüssigkristallverbindungen vermischt sind, in PDLCs beschrieben.
Yoshida et al., Journal of the SID, 1/4, 1993, S. 417-422, diskutieren die Verwendung von PDLCs in Dünnschichttransistor-Flüssigkristallvorrichtungen.
Die Verwendung von PDLC-Vorrichtungen als Farbblenden oder -schalter ist bekannt. Es ist gezeigt worden, daß einfache Farbschalter wie in der PaperwhiteTM-Anzeige von Merck konstruiert werden können, indem eine farbige Karte hinter einem PDLC-Film angeordnet wird. Diese zeigen jedoch nur eine Umschaltung zwischen einem "gebrochen weißen" und einem farbigen Zustand. Außerdem ist bekannt, Farbstoffe in das PDLC- Material einzuführen. Durch Zugabe eines Farbstoffs wird das Polymer ebenfalls farbig, wodurch der Kontrast signifikant abnimmt.
Im UK-Patent GB 1 491 471 wird ein Farbanzeigesystem beschrieben, das unter anderem einen Flüssigkristallfilter aufweist, und im UK-Patent GB 1 469 638 wird eine Flüssigkristallvorrichtung beschrieben, mit der die Farbe des durch die Vorrichtung hindurchtretenden Lichtes gesteuert werden kann.
Die Erfindung löst die obigen Probleme in bezug auf die Verwendung von PDLC-Vorrichtungen als Farbblenden oder -schalter durch Verwendung eines lichtmodulierenden Materials, beispielsweise von polymerdispergierten Flüssigkristallen, in Kombination mit farbigen Polarisatoren.
Erfindungsgemäß weist eine elektrooptische Farbvorrichtung eine Schicht aus einem lichtmodulierenden Material zwischen zwei Polarisatoren, wobei mindestens einer der Polarisatoren farbig ist, sowie Einrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das lichtmodulierende Material auf, wobei die Anordnung derart ist, daß die Farbe des hindurchtretenden Lichtes durch ein elektrisches Feld moduliert wird, das an das lichtmodulierende Material angelegt ist.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung so betreiben, daß ohne angelegtes Feld Licht einer Farbe sichtbar wird und im Zustand mit angelegtem Feld eine andere Farbe sichtbar wird.
Vorzugsweise weist das lichtmodulierende Material eine Polymermatrix auf, in der Tröpfchen einer Flüssigkristallzusammensetzung dispergiert sind, z. B. polymerdispergierte Flüssigkristalle.
Vorzugsweise können die Einrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das lichtmodulierende Medium beispielsweise bereitgestellt werden, in dem die Polymermatrix sandwichartig zwischen zwei Indiumzinnoxid-Elektroden angeordnet wird, die selber auf der Oberfläche von zwei lichtdurchlässigen Trägern, beispielsweise aus Glas, montiert sein können. Die Elektroden können außerdem zu den folgenden Typen gehören: numerische 7-Segmentanzeigen, Zeile/Spalte-Anzeigen oder Anzeigen mit r/theta-Muster.
Die lichtdurchlässigen Träger können von den Polarisatoren gebildet werden.
Die Vorrichtung kann sowohl im lichtdurchlässigen als auch im reflektierenden Modus arbeiten. Eine Lichtquelle kann beispielsweise in Form einer Birne oder einer großflächigen Hintergrundbeleuchtung vorgesehen werden. Die Lichtquelle kann eine beliebige Farbe im Bereich des sichtbaren Lichtes haben, und es können auch Farbfilter in der Vorrichtung vorgesehen werden.
Der farbige Polarisator kann aus einem oder mehreren farbigen Polarisatoren bestehen, vorzugsweise aus mindestens zweien.
Die Erfindung wird nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die folgenden Abbildungen beschrieben.
Die Fig. 1A und 1B zeigen eine Querschnittsansicht einer Zelle mit polymerdispergierten Flüssigkristallen im streuenden bzw. nicht-streuenden Zustand.
Fig. 1C veranschaulicht den ordentlichen und den außerordentlichen Brechungsindex von Flüssigkristallmolekülen in einem Tröpfchen.
Fig. 2 ist eine Darstellung eine elektrooptischen Blende, die als Farbschalter wirkt.
Fig. 3 ist eine Darstellung einer elektrooptischen Blende, die als Membranschalter wirkt.
Fig. 4 ist eine 1931-C.I.E.-Farbtafel, welche die Farben, die durch Verwendung von blauen und gelben Polarisatoren erhalten werden, und den durch Umschaltung zwischen blauen und gelben Zuständen bei verschiedenen Frequenzen erzeugten Effekt veranschaulicht.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 Beispiele für die Verwendung eines in eine Vorrichtung nach der Erfindung eingeführten lichtmodulierenden Materials beschrieben.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, weist eine elektrooptische Blende eine Zelle 7 mit polymerdispergierten Flüssigkristallen (PDLCs) auf, die aus einem Film aus einer lichtdurchlässigen festen Polymermatrix 1 mit einem Brechungsindex np besteht. Innerhalb der Matrix sind Tröpfchen 2 einer Flüssigkristallzusammensetzung dispergiert. Die Matrix 1 mit den dispergierten Tröpfchen 2 befindet sich sandwichartig zwischen zwei Indiumzinnoxid-Elektroden 3, 4, die selbst auf der Oberfläche von zwei lichtdurchlässigen Trägern 5, 6 montiert sind, welche beispielsweise aus Glas hergestellt sind. Innerhalb der Tröpfchen 2 ist der Direktor der Flüssigkristalle infolge von Oberflächenwechselwirkungen zwischen den Flüssigkristallen und der Polymermatrix 1 an der Tröpfchen-Matrix- Grenzfläche orientiert.
Die Flüssigkristallzusammensetzung hat einen ordentlichen Brechungsindex n&sub0; normal zum Direktor und einen außerordentlichen Brechungsindex ne parallel zum Direktor. Der ordentliche Brechungsindex n&sub0; ähnelt dem Brechungsindex np der Matrix, wobei aber n&epsi; und np nicht übereinstimmen. Wenn kein elektrisches Feld an den Film 1 angelegt ist, nämlich wie in Fig. 1A dargestellt, sind die Direktoren der Flüssigkristalltröpfchen 2 zufällig orientiert, wodurch die Tröpfchen einen höheren Brechungsindex haben als das umgebende Polymer, so daß die Tröpfchen als Streuzentren wirken und das einfallende Licht I&sub0; als Streulicht Is gestreut wird. Ein Teil des Streulichts (Is) wird reflektiert und ein Teil davon wird durch die Zelle 7 hindurchgelassen.
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den Film 1, wie in Fig. 1B dargestellt, nämlich durch Anlegen einer Potentialdifferenz V an die Elektroden 3, 4 richten sich die Direktoren der Flüssigkristalltröpfchen (positive dielektrische Ani sotropie) parallel zur Richtung des Feldes aus. In diesem Zustand stimmen die Brechungsindices des Polymers und der Tröpfchen im wesentlichen überein und die Vorrichtung wird lichtdurchlässig, so daß einfallendes Licht I&sub0; als durchgelassenes Licht IT hindurchtreten kann.
Wenn die Flüssigkristalle eine negative dielektrische Anisotropie haben oder zum Zweifrequenzentyp gehören, kann die PDLC-Zelle zum Betrieb im umgekehrten Modus ausgestaltet werden. Im umgekehrten Modus stimmen im VAN-Zustand die Brechungsindices nicht und im VAUS-Zustand im wesentlichen überein.
In Fig. 2 ist die PDLC-Zelle 7 zwischen einem Planpolarisator 8 und zwei gekreuzten Polarisatoren 9, 10 angeordnet. Die Farbe des durchgelassenen Lichts IT wird durch eine elektrische Spanndung moduliert, welche an die Zelle 7 angelegt wird. Die Blende besteht aus einer Lichtquelle 11, die so angeordnet ist, daß Licht durch einen Planpolarisator 8 durchtreten kann. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine Glühbirne oder eine großflächige Hintergrundbeleuchtung handeln. Das durch den Planpolarisator 8 hindurchtretende Licht wird linear polarisiert und fällt dann auf die Zelle mit polymerdispergierten Flüssigkristallen 7 ein. Die PDLC- Zelle 7 kann entweder das einfallende, linear polarisierte Licht streuen oder es weitgehend unverändert hindurchlassen. Die PDLC-Zelle wird durch Anlegen einer Spannung vom streuenden Modus in den nicht-streuenden Modus geschaltet. Wenn die PDLC-Zelle sich im streuenden Modus befindet, wird das einfallende polarisierte Licht durch Streuung entpolarisiert während es durch die Zelle 7 tritt. Die Anordnung der gekreuzten farbigen Polarisatoren 9, 10 bestimmt die Farbe des durchgelassenen Lichtes IT.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein Farbfilter zwischen der Lichtquelle 11 und dem Planpolarisator 8 oder zwischen dem Planpolarisator 8 und der Zelle mit polymerdispergierten Flüssigkristallen 7 oder zwischen 7 und 9 oder nach 10 angeordnet sein.
Ein Membranschalter ist in Fig. 3 dargestellt. Dieser umfaßt eine Zelle mit polymerdispergierten Flüssigkristallen 7, die zwischen zwei flexiblen lichtdurchlässigen Trägern 12, 13 angeordnet ist, wobei diese flexiblen lichtdurchlässigen Träger von Polarisatoren 14, 15 gebildet oder getrennte Einheiten und an den Trägern (wie gezeigt) befestigt sein können. Der Polarisator 14 ist typischerweise ein gekreuzter farbiger Polarisator. Auf den Innenoberflächen der Träger 12, 13, die der PDLC-Vorrichtung gegenüberliegen, sind lichtdurchlässige leitende Schichten 16, 17, beispielsweise aus Indiumzinnoxid, angeordnet, wodurch es möglich ist, ein Feld an die Zellen anzulegen. Eine Isolierschicht 18, z. B. Luft oder aus einem Kleber, trennt den Planpolarisator 15, der eine oder mehrere lichtdurchlässige Elektroden 19 auf seiner äußeren Oberfläche trägt, von einer Schicht 20, die eine oder mehrere lichtdurchlässige Elektroden 21 aufweist. Hinter dieser Schicht befindet sich eine Lichtquelle 22, z. B. eine Glühbirne oder eine großflächige Hintergrundbeleuchtung.
Vorzugsweise sind die Polymerträger optisch isotrop oder so eingestellt, daß der Polarisationszustand des darauf einfallenden Lichtes nicht beeinflußt wird. Beispielsweise ist der Polymerträger einachsig gestreckt und mit dem Polarisator oder Analysator ausgerichtet.
Zum Betrieb des Membranschalters nach Fig. 3 wird die Oberfläche 14 des Membranschalters gedrückt und deformiert sich, wodurch wiederum die sich anschließenden Schichten deformiert werden und ein Kontakt zwischen den zwei lichtdurchlässigen Elektroden 19 und 21 hergestellt wird. Der Schalter ist aktiviert und kann eine oder mehrere Vorrichtungen steuern. Beispielsweise kann es sich bei dem Schalter um einen An/Aus- Schalter eines Fernsehapparates handeln. Durch Aktivierung der Vorrichtung wird eine Spannung an die Zelle mit den polymerdispergierten Flüssigkristallen angelegt und die Zelle von einem streuenden in einen nicht-streuenden Zustand oder umgekehrt geschaltet.
Wenn die PDLC-Zelle sich im streuenden Zustand befindet, fällt Licht von der Lichtquelle 22 auf den Polarisator 20 und wird linear polarisiert. Es wird dann durch Streuung durch die Zelle mit polymerdispergierten Flüssigkristallen 7 depolarisiert. Die Farbe des Lichts IT, das dann durch die Vorrichtung tritt, ist von der Anordnung der Farbpolarisatoren 14 abhängig. Wenn beispielsweise gestreutes Licht auf die gekreuzten Farbpolarisatoren 14 einfällt, wird die Farbe des durchgelassenen Lichtes IT von den relativen Absorptionen der Farbpolarisatoren bestimmt. Wenn dagegen das Licht, das auf die Farbpolarisatoren fällt, linear polarisiert ist, sind die Farbpolarisatoren entsprechend so angeordnet, daß linear polarisiertes Licht durchtreten kann, aus dem dann farbiges linear polarisiertes Licht wird.
Der farbige Polarisator kann farbige Polarisatoren umfassen, die auf anderen farbigen Polarisatoren angeordnet sind. Diese Polarisatoren können dann einen Winkel zueinander einnehmen. Vorzugsweise umfaßt dieser Winkel die Werte 60º bis 120º oder liegt dazwischen. Noch bevorzugter liegt er sogar so nahe bei 90º wie möglich.
Vorzugsweise ist die Beziehung zwischen den farbigen und nicht-farbigen Polarisatoren derart, daß der Winkel, den der nicht-farbige Polarisator in bezug auf den einen Farbpolarisator einnimmt, 0º bis 5º beträgt und der Winkel, den der nicht-farbige Polarisator in bezug auf den anderen anderen Farbpolarisator einnimmt, 85º bis 95º beträgt. Noch bevorzugter betragen diese Winkel 0º und 90º.
Mit jeder der obigen konkreten Ausführungsformen ist es möglich, durch Schaltung der PDLC-Zelle 7 zwischen streuenden und nicht-streuenden Zuständen mit einer geeigneten Frequenz eine dritte Farbe zu erzeugen. Wenn beispielsweise ausreichend schnell zwischen streuenden und nicht-streuenden Zuständen hin- und hergeschaltet werden kann und die gekreuzten Polarisatoren blau und gelb gefärbt sind, wird das durchgelassene Licht grün erscheinen.
Bei einer Alternative zu den beschriebenen Ausführungsformen, bei der die Lichtquelle durch eine Hintergrundbeleuchtung bereitgestellt wird, ist die Verwendung eines die Polarisation aufrechterhaltenden Reflektors möglich, so daß die Vorrichtung im reflektierenden Modus arbeitet. Bei einer alternativen Ausführungsform kann außerdem die Lichtquelle durch eine Kathodenstrahlröhre (CRT) ersetzt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann es sich bei dem Reflektor um einen teilreflektierenden Spiegel handeln, so daß die Vorrichtung entweder im reflektierenden oder im lichtdurchlässigen Modus arbeiten kann.
Es kann eine zweite PDLC-Schicht hinter den farbigen Polarisatoren mit einem dritten Farbpolarisator hinter der PDLC- Schicht angeordnet werden. Durch die Modulation dieser zweiten PDLC-Schicht wird die durchgelassene Farbe moduliert. Es können mehrschichtige Kombinationen konstruiert werden.
Wenn die Tröpfchen größer gemacht werden als die Tröpfchen, die herkömmlicherweise in einer PDLC-Zelle vorgefunden werden, beispielsweise auf etwa 10 um im Durchmesser vergrößert werden, und die Flüssigkristalltröpfchen aus einem cholesterischen Flüssigkristallmaterial mit einer negativen dielektrischen Anisotropie bestehen, dann bewirken die Tröpfchen eine Veränderung des Polarisationszustandes des Lichtes. Wenn die Ganghöhe, die Tröpfchengröße und die Schichtdicke richtig eingestellt sind, kann das aus der Schicht austretende Licht zirkular polarisiert oder linear polarisiert und orthogonal zur Polarisation des einfallenden Lichtes sein und daher nach dem Durchtritt durch die farbigen Polarisatoren eine andere Farbe haben.
Typischerweise beträgt die Dicke des lichtmodulierenden Materials 0,5 um bis 500 um, vorzugsweise 1,0 um bis 250 um, noch bevorzugter sogar 2,0 um bis 20 um.
RDLC-Zellen können im normalen oder im umgekehrten Modus betrieben werden, werden aber herkömmlicherweise im normalen Modus betrieben. Beispiele für nematische Flüssigkristallmaterialien, die in den PDLC-Zellen der Erfindung verwendet werden können, sind beliebige nematische Materialien mit einer dielektrischen Anisotropie von höher als 1 im Falle von im normalen Modus arbeitenden PDLC-Vorrichtungen, oder sie haben im Falle von im umgekehrten Modus arbeitenden PDLC-Vorrichtungen eine dielektrische Anisotropie von weniger als 0, vorzugsweise weniger als -2.
Noch konkreter sind Beispiele für Flüssigkristallmonomere, die in die PDLC-Vorrichtung eingeführt werden können, die folgenden Verbindungen:
wobei R geradkettiges oder verzweigtes Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen ist,
wobei R geradkettiges oder verzweigtes Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen ist,
wobei R geradkettiges oder verzweigtes Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen ist und n 1 oder 2 sein kann. Vorzugsweise ist n 1, und vorzugsweise befindet sich in den PDLC-Tröpfchen die folgende Verbindung:
Geeignete Zusammensetzungen aus Flüssigkristallmaterialien, welche in den erfindungsgemäß beschriebenen Vorrichtungen enthalten sein können, enthalten mindestens eine Verbindung der Formel I:
wobei n 1 oder 2 ist und der/die Fluor-Substituent(en) sich an einer beliebigen der verfügbaren Substitutionspositionen befinden kann/können und R&sub1; C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;-Alkinyl, Wasserstoff, R, RO oder RCO darstellt und R Alkyl oder Perfluoralkyl ist, und mindestens eine andere Verbindung der allgemeinen Formel II:
wobei m 0 oder 1 und R&sub2; Wasserstoff oder C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;-Alkyl oder -Alkoxy ist.
Zusätzlich zu den durch die Formeln I und II beschriebenen Materialien kann die Flüssigkristallzusammensetzung Verbindungen des folgenden Typs enthalten:
wobei R&sub3; C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;-Alkyl oder -Alkoxy und l 0 oder 1 ist.
Zusätzlich zu den durch die Formeln I, II und III beschriebenen Verbindungen kann die Flüssigkristallzusammensetzung eine oder mehrere Verbindungen der folgenden Typen IV, V, VI, VII enthalten:
wobei R&sub4;, R&sub5;, R&sub5;&sub1;, R&sub6; und R&sub7; jeweils unabhängig C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;-Alkyl oder -Alkoxy bedeuten, die Ringe A und B unabhängig voneinander Phenyl oder Cyclohexyl bedeuten, p, q, r und s jeweils unabhängig 1 oder 2 sind und der Fluor-Substituent in VI sich an einer beliebigen der verfügbaren Substitutionspositionen befinden kann.
Geeignete, durch die allgemeinen Formeln IV, VI und VII dargestellte Verbindungen haben die Formeln IVA, VIA bzw. VIIA:
wobei R&sub4;, R&sub6; und R&sub7; das oben definierte bedeuten.
Andere geeignete Verbindungen umfassen Verbindungen der folgenden Formel:
wobei R C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;-Alkyl oder -Alkoxy ist und R' unabhängig von R unter C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;-Alkyl oder -Alkoxy ausgewählt ist.
Beispiele für geeignete Polymermatrices umfassen eine oder mehrere der folgenden Verbindungen:
Epoxyharze, Polyvinyl-Polymere, Polyacrylate, Polyurethane, Polyester und Polyarylalkene. Diese Polymeren können mit funktionellen Gruppen substituiert sein.
Außerdem ist es möglich, die zur Verwendung in der Erfindung geeigneten Materialien in poröse Polymere einzuführen, so daß sich mit Flüssigkristallen imprägnierte poröse Polymere ergeben. Ein bekanntes Beispiel für ein poröses Polymer oder eine Emulsion mit hoher innerer Phase (HIPE) ist PolyHIPETM.
HIPEs stellen ein Beispiel für offenzellige Schäume dar, vgl. die Literaturstellen Williams und Wrobleski, Langmuir 1988, 4, 656-662 und Williams, Gray und Wilkerson, Langmuir 1990, 6, 437-444.
HIPEs werden gebildet, indem ein Monomer, ein Vernetzungsmittel, ein grenzflächenaktives Mittel und Wasser verwendet werden. Es wird eine Emulsion gebildet und dann ein Dünnfilm hergestellt. Anschließend wird das System polymerisiert und dann das Wasser entfernt. Der übrigbleibende Dünnfilm aus offenzelligem Schaum kann dann mit Flüssigkristallen gefüllt werden. Der Vorteil dieses PDLC-Typs besteht darin, daß das Polymernetzwerk in Abwesenheit der Flüssigkristalle gebildet wird, was bedeutet, daß praktisch keine Vermischung zwischen den Flüssigkristallen und dem monomeren Material stattfindet. Die HIPEs können gründlich gereinigt und/oder beschichtet werden (beispielsweise mit einem Orientierungsmittel), bevor sie gefüllt werden. Die Erfinder dieser Erfindung haben aus Styrol und Divinylbenzol HIPEs hergestellt und erfolgreich gefüllt und diese von einem streuenden in einen nichtstreuenden Zustand geschaltet: Mason, Guy, McDonnell, unveröffentlichte Ergebnisse.
Zum Erhalt der in der folgenden Tabelle 1 dargestellten Daten wurden weniger als 60 Gew.-% des optischen Klebers Norland Nr. 65, der von Tech Optics Ltd. Kent erhältlich ist, und 40 Gew.-% BL36, ein Gemisch aus nematischen Flüssigkristallen, das von Merck UK erhältlich ist, unter Erhalt eines klaren isotropen Materials vermischt, das dann zum Füllen in eine aus zwei Glasplatten, die auf einer Seite einen klaren Indiumzinnoxid-Leiter besaßen, sandwichartig zusammengefügt und mit Hilfe von Abstandshaltern aus Mylar getrennt worden waren, bestehende Zelle fließen gelassen wurde. Nachdem die Zelle mit dem Gemisch aus Kleber/Flüssigkristallen gefüllt war, wurde sie UV-Licht ausgesetzt. In dem Gemisch befand sich ein Photoinitiator. Einige Beispiele für Photoinitiato ren sind Darocures und Igacures, die von Merck UK erhältlich sind, beispielsweise Darocure 1173 oder 4265 und Igacure 651. Es gibt verschiedene verfügbare UV-härtbare Materialien, beispielsweise die Materialien der Electrolite Corporation, z. B. ELC 4481, das über Intertronics Ltd Kidlington Oxon erhältlich ist.
Es wurden farbige Polarisatoren vom Typ SanritzR verwendet. Beispielsweise wurde ein roter Polarisator auf einem grünen Polarisator angeordnet, so daß im VAUS-Zustand das austretende Licht rot erscheint und im VAN-Zustand die Farbe grün erscheint. Die Farben wurden mit einem schnellen Spektralscanner Typ Photo ResearchTM PR-713 Spot SpectrascanTM gemessen.
Typischerweise wurde für den AN-Zustand eine 1-kHz-Rechteckwelle mit einem quadratischem Mittelwert von 60 V angelegt. Der AUS-Zustand entsprach 0 V. Tabelle 1: Für das 1931-CIE-Diagramm erhaltene Werte
In Fig. 4 sind die erfindungsgemäßen Daten in Form eines 1931-CIE-Diagramms veranschaulicht. Die Daten wurden unter Verwendung der in der obigen Tabelle 1 detailliert angegebenen blauen und gelben Polarisatoren erhalten. Durch Umschalten zwischen dem gelben und blauen Zustand mit geeigneter Frequenz kann eine grüne Farbe erhalten werden. Die "Koordinaten" der grünen Farbe sind in Fig. 4 bei verschiedenen Frequenzen (5 Hz, 10 Hz und 30 Hz), mit denen zwischen gelbem und blauem Licht umgeschaltet wurde, dargestellt. Bei 30 Hz betragen die Koordinaten X = 0,3043 und Y = 0,3818.
Grün, Grün, Rot bedeuten in der obigen Tabelle, daß drei Farbpolarisatoren verwendet wurden.

Claims

1. Elektrooptische Farbvorrichtung, die eine Schicht aus einem lichtmodulierenden Material, das eine Schicht aus einer Polymermatrix (7), in der eine Flüssigkristallzusammensetzung dispergiert ist, aufweist, wobei die Schicht aus lichtmodulierendem Material zwischen mindestens zwei Polarisatoren (8, 9, 10) angeordnet und mindestens einer der Polarisatoren (9, 10) farbig ist, und Einrichtungen (3, 4) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das lichtmodulierende Material umfaßt, wobei die Anordnung derart ist, daß die Farbe des von der Vorrichtung durchgelassenen Lichtes durch ein an das lichtmodulierende Material angelegtes elektrisches Feld moduliert wird.

2. Elektrooptische Farbvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung derart ist, daß sich durch die Schaltung des lichtmodulierenden Materials zwischen streuenden und nicht-streuenden Zuständen eine Änderung der Farbe des von der Vorrichtung durchgelassenen Lichts ergibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Flüssigkristallzusammensetzung in der Polymermatrix in Form von diskreten Tröpfchen (2) dispergiert ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Polymermatrix aus einer Matrix aus miteinander in Verbindung stehenden Poren besteht.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei die Schicht aus lichtmodulierendem Material sich sandwichartig zwischen zwei lichtdurchlässigen Elektrodenstrukturen (3, 4) befindet und die Elektrodenstrukturen auf der inneren Oberfläche von zwei lichtdurchlässigen Trägern (5, 6) montiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Elektrodenstrukturen in Form einer numerischen 7-Segmentanzeige ausgestaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Elektrodenstrukturen in Form von Zeilen/Spalten-Elektroden ausgestaltet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Elektrodenstrukturen in Form eines r/θ-Musters ausgestaltet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das lichtmodulierende Material 0,5 um bis 500 um dick ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das lichtmodulierende Material 1,0 um bis 250 um dick ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das lichtmodulierende Material 2,0 um bis 20 um dick ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, wobei der farbige Polarisator mindestens 2 Platten aus farbigem, polarisierenden Material aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei zwei Farbpolarisatoren in einem Winkel von 60º bis 120º zueinander angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die zwei Farbpolarisatoren in einem Winkel von praktisch 90º zueinander angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14, wobei die Polarisatoren einen nicht-farbigen und zwei farbige Polarisatoren umfassen und die Beziehung des nicht-farbigen Polarisators zu den farbigen Polarisatoren derart ist, daß der von dem nicht-farbigen Polarisator zu einem der farbigen Polarisatoren eingenommene Winkel 0º bis 5º beträgt und der von dem nicht-farbigen Polarisator zu dem anderen farbigen Polarisator eingenommene Winkel 85º bis 95º beträgt.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15, wobei die Flüssigkristallzusammensetzung ein Gemisch aus mindestens zwei Verbindungen ist, von denen mindestens eine der Verbindungen die allgemeine Formel I hat:

wobei n 1 oder 2 ist und die Fluor-Substituenten sich an einer beliebigen der verfügbaren Substitutionspositionen befinden können und R&sub1; C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;-Alkinyl, Wasserstoff, R, RO oder RCO bedeutet und R Alkyl oder Perfluoralkyl ist, und mindestens eine andere der Verbindungen die allgemeine Formel II hat:

wobei R&sub2; Wasserstoff oder C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;-Alkyl oder -Alkoxy ist und m 0 oder 1 ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Zusammensetzung außerdem eine oder mehrere Verbindungen der Formel III enthält:

wobei R&sub3; C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;-Alkyl oder -Alkoxy ist und 10 oder 1 ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei mindestens eine Verbindung der Zusammensetzung die folgende Formel hat:

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Zusammensetzung eine oder mehrere Verbindungen enthält, die unter den folgenden ausgewählt ist:

wobei R&sub4;, R&sub5;, R&sub5;&sub1;, R&sub6; und R&sub7; jeweils unabhängig C&sub1;&submin;&sub1;&sub2;- Alkyl oder -Alkoxy bedeuten, die Ringe A und B unabhängig voneinander Phenyl oder Cyclohexyl bedeuten, p, q, r und s jeweils unabhängig 1 oder 2 sind und der Fluor-Substituent in VI sich an einer beliebigen der verfügbaren Substitutionspositionen befinden kann.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Verbindungen der Formeln IV, VI bzw. VII folgende Formeln haben:

wobei R&sub4;, R&sub6; und R&sub7; wie in Anspruch 19 definiert sind.

21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 20, wobei die Polymermatrix unter einer oder mehreren der Verbindungen Epoxyharze, Polyvinyl-Polymere, Polyacrylate, Polyurethane, Polyester und Polyarylalkene ausgewählt ist.

22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 21, wobei die Polymermatrix aus einer polymerisierten Emulsion mit hoher innerer Phase gebildet ist.

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 22, wobei die Vorrichtung zum Betrieb im umgekehrten Modus angepaßt ist.