DE1764084A1

DE1764084A1 - Elektrischer Lichtmodulator

Info

Publication number: DE1764084A1
Application number: DE19681764084
Authority: DE
Inventors: Zanoni Louis Anthony; Heileier George Harry
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-03-29
Filing date: 1968-03-29
Publication date: 1972-04-20
Also published as: DE1764084C2

Description

Elektrischer Lichtmodulator Die Erfindung betrifft ein verbessertes Alektro-optisches Gerät welches sich für .Anwendungen eignet, bei denen Licht moduliert wird, etwa bei optischen Anzeigegeräten. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein neues, mit einem nematischen Flüssigkristall arbeitendes elektrooptisches Gerät.
Die neuen Geräte beruhen auf der Entdeckung, daß Schichten bestimmter nematischer Flüssigkristallverbindungen eine nicht zer-_störend wirkende Turbulenz zeigen, wenn bei Anlegen einer Spannung an die Schicht ein elektrischer Strom durch sie hindurch ..flieat. Diese Turbulenz, die auf das Gebiet der angälegten Span-

l@@nnn; Peschränkt ist, hat eine bestimmte Streuung des auf dieses Ge-

biet

ßa###ü,,ffälklenden Lichtes zur Folgen Das. Ausmaß der Lichtstreuung läßt sich dur#fl. Veränderung der Größe angelegten Spannung variieren, wenn digse zwischen einem ,3chwellwert, der zur Auslösung der Turbulehz"erforderlich ist, und einem Sättigungswert, Oberhalb dessen-nur noch wenig oder ,arkeine Aenderung der Lichtstreuung auftritt,' schwankt.
Das Ausmaß der Lichtstreuung, welches bei Verwendung einer nematischen-Flüssigkristallverbindung, die diesen Effekt zeigt, erreicht 'wird, wird im folgenden als dynamischer Streueffekt bezeichnet und ist größer als 'bei der Tierwendung bisher bekannter 1-a-terialien, in denen ein angelegtes elektrisches Feld eine Drehung von Bereichen oder Häufungsstellen der nematischen Flüssigkeit bewirkt. .Anzeigegeräte- mit diesem neuen Zffekt zeigen Kontrastverhältnisse, die größer als 2o:1 sind, und arbeiten mit Geschwindigkeiten, die für übliche Fernsehanwendungen ausreichend sind.
Die bei den neuen Geräten verwendeten nematischen Flüssigkristallverbindungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie bei Anlegen eines elektrischen Feldes, wenn ein Strom durch die Verbindung fließt, Turbulenzerscheinungen zeigen. Die bevorzugten nematischen Verbindungen enthalten ausserordentlich reine Materialien mit spezifischen Widerständen im Bereich von 1o8 bis 1o11 Ohm.cm in ihrem nematischen Zustand. Weniger reine Flüssigkristallverbindungen, bei denen die spezifischen Widerstände infolge der Verunreinigungen unterhalb von 1o8 Ohm,#cm liegen, eignen sich weniger gut für die neuen Geräte. Die nematischen Materialien zeigen in ihrer reinen, für die neuen Geräte verwendeten Form keine Drehung von Bereichen bei Anlegen eines Feldes, wie es bei bekannten nematischen Materialien der Fall ist. Auch zeigen die bekannten nematischen Flüssigkristallverbindungen nicht den nicht zerstörenden (non-destructive) Turbulenzeffekt wie die in dem erfindungsgemäßen Gerät verwendeten Materialien.
Die nematische Flüssigkr4istallverbindung soll einen Ueberschuß beweglicher Ionen enthalten, so daß zwischen den :c#lektroden des 'erfindungsgemäßen Gerätes ein Strom fließen kann. Die Ionen können dauernd in der Flüssigkristallverbindung vorhanden sein, oJ-er sie können auch durch .'eintreten von :rilektronen von der -Lathode aus bei Anlegen einer genügend hohen Spannung induziert werden. Unter dem _,üsdruck 11Ueberschuß bewe;licher Ionen 11 sei verstanden:- ' 1. Der effektive =unterschied der zahl der negativen Ionen im Vergleich zur Zjahl der positiven Ionen 2. eine bevorzugte Absorbtion von Ionen einer Polarität an der Oberfläche des mit den ülüssißkristall in Berührung stehenden -;#ufbäues oder an einer anderen. Stelle, so daß die Ionen der entgegengesetzten Polarität im wesentlichen den .'Z'tromflu3 durch das Gerät bewirken ein sehr »Power 'unterschied in der Ueberführungszahl der Ionen einer --1=olarität im Tergleich zu den Ionen der entgegen-esetzten Polarität, so da..:) der Stromfluß im Gerät im wesentlichen auf den Ionen mit der höchsten Ueberführun;rszahl basiert.
Der 1.nterschied in der Anzahl der Ionen einer Polarität im Ver-'Zä3_tn.is zu_' Ionenzahl der anderen y'olarität kann beispielsweise rlu=ct-, -eine Injektion von Elektronen in das Flüssigkristallmedium erfol-en, dein ein -@inlan?en von Elektronen durch neutrale .ole--iüle- erfolgt, so dac:' ne@-;ative Ionen entstehen.
Die erfind.unz-s emäsen Geräte bestehen aus einer Schicht oder einem Film einer Mssigkristallverbindung. Biese Flüssigkristall-,chicht ze:@t im wesentlichen keine nicht zerstörend wirkende @'izrbul.cnzbewe@#-unbeinle7en einer Anann.unwelche einen elektrischen Ström in der r@c @l.ic@@it zur Joi-e nat. Das Gerät umfasst ferner s_uri chtunr@;en zum lürär;#en d(:r 3c.richt und Mittel zum A-Ul e-#en eines elektrischen .?eldes an. sie. Die letzt-enannton _-iittel erzeugen ausserdem einen elektrischen Stromfluß durch die Flüssigkriställschicht, der ausreicht, um eine Turbulenz in der Schicht im Bereich des angelegten Feldes zu erzeugen, Die Theorie der Wirkung sweise des erfindungsgemäßen Gerätes ist noch nicht vollständig geklärt und ist im folgenden nur so weit angeführt, wie es zur Verbesserung des Verständnisses der Betriebsweise erforderlich ist. :gis sei ausdrücklich bemerkt, daß die erf indun3s#-emäßen Geräte, wie sie hier beschrieben sind, nicht durch die Darstellung dieser Theorie beschränkt sein sollen.
Es gibt verschiedene T,1.lechanismen, mit Hilfe deren ein elektrisches Feld eine Kraft auf ein fluides -iedium ausüben kann. Diese liechanismen umfassen beispielsweise Elektrostriktion, räum-

lieh veränderbare Dielektrizitätskonstanten,dielektrisch4hore-

s ei 11lektrophorese und elektrohydrodynamische Effekte. Die bei den erfindun--sZemäßen Geräten beobachteten*Turbulenzerscheinungen bei .Anlegen eines genügend starken elektrischen Feldes werden auf elektrohydrodynamische Effekte zurückgeführt. Diese resultieren aus mechanischen Kräften, die durch unipolares elektrisches Zeiten hervorgerufen werden. Wenn beispielsweise Ionen in einem teilweise ionisierten Medium sich unter Einfluß eines elektrischen Feldes bewegen, dann wird durch Ueibung und Zusammenstöße mit den Itiolekülen des Trägermediums ein PAoment auf dieses übertragen. Wenn praktisch nur Ionen einer Polarität vorhanden sind, dann können die durch diesen Effekt verursachten Drücke ganz erheblich sein.
Experimentelle Beobachtungen führen zu der Hypothese, daß das Anlegen eines elektrischen Feldes an das Gerät die Turbulenzerscheinungen der Flüssigkristallmoleküle hervorruft, in dem zuerst die beweglichen Ionen,@welche in der Flüssigkristallverbindung vorhanden sind, ein Moment erhalten. Dieses Moment wird dann auf neutrale Moleküle, welche etwa die gleiche Masse'wie die Ionen haben, durch unmittelbare Kollision oder durch nicht gleichmäßige Scherverf ormung in Bereichen, in denen sich Doppelschichten überlappen, oder durch neutralisierende Ladungswollen, welche als die beweglichen Ionen umgebend angesehen werden, übertragen. Diese Doppelschichten oder Neutralisierungsladungswolken können als den bekannten Helmholtz- Doppelschichten entsprechend angesehen werden. Andererseits können sie auch als im wesentlichen ladungsfreie Zone beschrieben werden, welche ein Ion umgibt, in dem die Potentialenergie eines polaren oder polarisierbaren Moleküls im Feld des Iones größer oder gleich der thermischen Energie ist:- Es ist also möglich, daß ein ungleichmäßiges Feldmuster, das durch die beweglichen Ionen hervorgerufen ist, den neutralen Molekülen eine Bewegung erteilt. Die so im Bereich des angelegten Feldes erzeugte turbulente Bewegung hat eine Streuung von auf diesen Bereich auffallenden Licht zur Folge.
Die optische Wirkung, die von einem Beobachter wahrgenommen wird, der das durch den turbulenten Bereich hindurchtretende oder von ihm reflektierte Licht beobachtet, äussert sich in einer Aenderung der Helligkeit infolge der Lichtstreuung in diesem Bereich. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß die turbulente Bewegung nicht zerstörender Art ist, d.h. die Turbulenz beruht nicht auf einem zerstörenden oder nachteiligen Phänomen, wie etwa kochen oder dielektrischer Zusammenbruch in dem Flüssigkristallmedium. Die experimentellen @eobaciitungen, auf denen diese Hypothese beruht, sind die f o1L;enden: -feränderun"; der Anstiegs- und .Ab-:allzeit des Lichtstreuungseff ektes als Funktion der Leitfähigkeit der nematischen 2lüssimkristallverbindung, Abhängigkeit des Effektes von der olarität der Elektroden und den Eisenschäften der Kathode hinsichtlich der :@lektroneninjektion, wenn ein Gleichspannungsfeld angelegt wird, unnormales Verhalten, das beobachtet wird, wenn die ici"ichtdicke die Debye-Länge der Ionen erreicht, Einleitung, und 2or-tpflanzung von feldinduzierten-optischen Effekten von der Kathode aus, Niedriger Druck an der riatnode im Vergleich zum :Druck an der Anode bei Anlegen eines Feldes, Liotwendigkeit eines Stromflusses zur Beobachtung der optischen Effekte.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführunsbeispiels in Verbindung mit der folgenden Beschreibung erläutert: Es zeigt Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines elektro-optischen Anzeigegerätes nach der Erfindung einschließlich einer schematischen Darstellung der elektrischen .-ichaltung zum Betrieb des Gerätes Fig. 2 einen Teilschnitt zur Veranschaulichung des in Fig. 1 gezeigten Gerätes bei durchtretenden Dtrahlen Fig. 3 einen Teilschnitt zur Veranschaulichung des Gerätes im Absorptionsbetrieb Fig. 4 einen Teilschnitt zur Veranschaulichung des Gzerätes im Reflektionsbetrieb Fig. 5 einen Teilschnitt eines -erätes, das 'sö aüfgsbaut ist, da.ß e s ein: hohes Kontrastverhältnis hat ig. 6 einen Teilschnitt durch ein von einem Elektronenstrahl abgetastetes Gerät Figo 7 ein Diagramm. des Reflektionskontrastverhältnisses über der Gleichspannung zur Veranschaulichung der Wirkung der Größe. der angelegten Gleichspannung auf das Kontrastverhältnis und Fg. 8 ein Diagramm der Gesamtreflektionüber eine Impulsspanneng zur -Veranschaulichung der Jirkung einer pulsierenden spannüng auf die Stärke des reflektierten Lichtes.
2igur 1 stellt das erfindungsgemäße optische -,6.n:aeigegerät 1o mit überkreuzten Gittern dar. Es enthält eine vordere und eine rückwärtige durchsichtige gläserne lragnlatte 11 bzwo 12. Die beiden Elatten haben parallele innere Flächen 13 bzw.14; die einen

Abstand d voneinander haben, der im 3ereich von 5 bis 3o jü`#'s# Die

rückwärtige -'Matte 1l trägt auf ihrer inneren Fläche 13 eine Anordnung paralleler, in zegenseitigeznAbstand befindlicher durchsichtiger leitender 1ückelektrodenstreifen, von denen nur D" (15a, 15b,15c und 15d) dargestellt sind. Es kann jedoch eine wesentlich- größere .Anzahl von -zlel=trodenstreifen benutzt werden. Die Trontplatte 12 trägt auf ihrer Innenseite 14 eine Anzahl paralleler , in ge ;enseitigem Abstand angeordneter durchsichtiger leitender 1:Prontelektrodenstreifen 16a,b,c,d. Die Frontstreifen 16 verlaufen senkrecht zu den Räckstreifen 15. huch hier können wesentlich mehr als die vier dargt,stellten Frontstreifen vorgesehen sein. Der Zwischenraum zwischen der uilchplatte 11 und der Frontplatte 12 ist zeit einem Medium gefüllt, das einen Film 17 bildet. Der Film 17 besteht aus einer nematischen Flüssigkristallverbindung, welche bei Anlegen eines elektrischen Feldes durchströmt werden von einem elektrischen Strom, Turbulenzerscheinungen.zeigt. Def Film. kann beispielsweise aus Anisylidene-p-aminophenyl-Acetat bestehen, das einen Ueberschuß beweglicher Ionen enthält.
Der Film 17 ist ein schwacher Elektrolyt.
Das Gerät 1o enthält Anschlüsse 18a bis d und 19a bis d, über die eine Spannung an die Rückelektroden 15abis d, bzw. Frontelektroden 16abis d geführt wird. Im vorliegenden Beispiel umfassen diese Verbindungen und die leitenden Streifen die :Mittel zur Zuführung des elektrischen -eldes oder der Spannung an die Flüssigkristallschicht.
Figur 1 zehrt ferner eine schematische Darstellung der elektrischen >>chaltung für den Betrieb des Gerätes 1o. Die Schaltung enthält einen Wendeschalter 31 für die Rückstreifen, dessen Umschaltkontakt mit einer Seite einer Spannungsquelle 3o und mit Masse verbunden ist. l:Tehrere dendekontakte des @zchalters 31 sind mit den Rückstreifenverbindungen 18a bis d über Leitungen 33a bis 33d verbunden. Ferner ist ein Frontstreifenwendeschalter 55 vorgesehen, der mehrere Wendekontakte aufweist, die mit den Frontstreifenverbindungen 19a-d über Leitungen 56a bis d verbünden sind, und dessen Umscllaltl>:ontakt mit der anderen Seite der Spannungsquelle 3o verbunden ist.

1@e@_^: Durchstr:lllun;sbetrieb, der in @i--. 2 dai:@@st@llf; i;; -L, ist

e1.rei @@@zt<l@@alle 2_1 r1111' einer .;c@-l_t;c des,

' daß Licht in im wesentlichen senkrechte @@ichtung durch die Plat-Len 11 und 12 hindurchtritt. Der Beobachter 22 befindet sich auf der der Lichtquelle 21 gegenüberliegenden .leite des Gerätes loo Liegt-die ileldstärke unter dem Schwellwert, so sieht der Beobachter 22 die gesamte Glasfläche °-;leichmäßig hell. vienn eine !Spannung ausreichender Größe zwischen einen 2.-ückelektrodenstreifen und einen. Frontelektrodenstreifen, also beispielsweise zwischen die Elektrodenstreif en 15a und 16d über die Verbindungen 18a undlgd gelegt wird, dann wird der 111m 17 im Volumen, das durch den Schnittpunkt-der beaufschlagten Elektrodenstreifen bestimmt ist, durch den den Film durchfließenden Strom beeinflusst. Diese Spannung und der 13trom veaursachen eine Turbulenz im 1'i lm dieses Volumenelementes und haben wine Streuung des auf diesem Teil des- Gerätes auffallenden Lichtes zur Folge. Der Beobachter sieht, däß dieses gebiet infolge der Lichtstreuung dunkler wird als der übrige Bereich der Platte: Die zur Erreichung dieser @;Virkung erforderliche Schwellspannung beträgt zwischen o,5 und l x 1ö V.pro cm Filmdicke. Eine zu hohe angelegte Spannung kann einen unerwünschten dielektrischen Durchbruch des -F1ässigkristallmediums zur Fole haben. Die Spannung kann. eine Jechselspannung, eine Gleichspannung@oder eine pulsierende Gleichspannunsein.
Jird nacheinander mehr als ein 3lektrodenstreifen jedes Satzes beauf schlagt, so werden mehrere vorbestimmte Bezirkef.n dieser Meise verdunkelt. Die in der Fernsehtechnik bekannten Abta.stver.fä_hren lassen sich verwenden, um die leitenden Streifen nacheinander und zyklisch unter Spannung zu setzen und die Amplitude der- Spa.nnunsquelle zu modulieren. Auf diese Weise könnenzahlreiche Informationsarten optisch angezeigt werden. Sieht man weiterhin eine große Anzahl dicht benachbarter #,ilektrodenstreifen auf jeder I@latte vor, beispielsweise Llektrodenstreifen in der Gröle von 25/100o mm niit einem .Elbstand von 12,5/1000 nun dann kann mit einem solchen Gerät ein -=")ild dargestellt werden. Auch kann der Anteil des etreuten Lichtes und damit das aß der Abdunklung jedes Elementes durch Steuerung der Größe der angelegten 'Spannung oberhalb des Schwellwertes moduliert werden, so daß eine Grauskala entsteht. Andererseits kann durch gleichzeitige Beaufschlagung mehrerer bestimmter Elektrodenstreifen eine Darstellung hervorgerufen werden.
Der Betrieb dieses optischen Anzeigegerätes beruht auf der Modulation des hindurchtretenden Lichtes, wie dies Fig. 2 veranschaulicht. Andererseits kann der Betrieb auch auf der Modulation der Lichtreflektion oder Lichtabsorption beruhen. Bei einem Absorptionsbetrieb wird ein Gerät loa gemäß Fig. 3 benutzt.

Es unterscheidet sich von dem Gerät 1o dadurch, daß eine Platte beispielsweise die Rückplatte 11, mit einer Schicht aus einem dunklen Material 23 überzogen ist, so daß das durch die durchsichtige Platte 12 und die-nematische Flüssigkristallschicht 1'7 hindurchtretende Licht an der abgedunkelten Platte 11 absorbiert wird. Wahlweise kann auch die Rückplatte selbst aus einer dunklem gefärbten Verbindung bestehen. Eine Lichtquelle'21ä und ein Betrachter 22a befinden sich auf der Seite der durchsichtigen Platte des Gerätes loa. Wenn keine Spannung an den Elektroden der Gruppe 15a bis 15d und den :Elektroden löa bis 16d.liegt, dann erscheint die Oberfläche des Gerätes dem Betrachter dunkel, da das gesamte Licht durch die dunkle Platte 11 absorbiert wird und

nur eine r@@_@@ine üiclltneü;;e ziun betsachter reflektiert wird.

eine -izber der. D'cllviellZTert befindliche rj')annia22g an ir-

gcai,5eines der @,#lelitroden-rjaare, beispielsweise an die lel:troden

l5e: und 13(i, dann wird. ein `feil des Lichtes im Schnittbereich

ai,:ser @lle.'.,_-c,roden durch die :lü.-jsis;krÄt:stallscüicht 17 reflek-

`Giert unü erscheiihj deri Betrachter als helle flächee Bei die-

ser Jetriebs;weise T,ii-id der @:nteil des reflektierten Lichtes

von der @:r@@3e der an@rc,leten `ipannunr; moduliert. Je heller die

hichtaüelle o(ier die '-.'mrebun;sbeleuc'Litun#--, ist, desto heller ist

auch äas reflektl erte -_'ild. Diese jetriebsweise ist allerdi n#rs

ani 1Tez@i:=sten vwirilrsam und daher arn ünzweckmä@'zif.sten, de, etwa (,)o,

des Lichtes durch die turbulente 2lüc-si.f#kristallscliicht nach

vorne anstatt nach hinten gestreut wird. Daher verläuft der

r - 3A 7e--,leil des -L-icirbes in, der selben Jkaupt-richtung wie vor de r

-treuung weiter und wird an der dunklen uberfläche absorbiert.

üie iaevorzu-Jte Zetrieb Bart is b der l:Lelektion :betrieb, bei dem

ein =serät lob der in >ni=_-. 4 dar,.- stellten Art benutzt wird. 'fier

ist eine: der=l aaten des Gerätes, beispielsweise die Rückplatte

11 reflektierend anstatt absinubieren4, beispielsweise vermittels

eines besonderen reflektierenden Ueberzus 24 auf der Aussen-

fläche der Matte 11. bei diesem Reflektionsbetrieb befindet

sich die Lichtquelle 21b und Betrachter 22b auf der Seite der

durchsichtigen rla.tte des üerätes lob. Die Lichtquelle 21b

erzeugt vorzugsweise, wenn. auch nicht notwendigerweise, einen

abgegrenzten lichtsLrahl eines solchen *V`rinkels, da:l das von dein

reflektierenden geberzua4 reflektierte Licht den Beobachter

nicht trifft. ,Te-:nn nun in der vorbeschriebenen Neise eine

nun=; :@_ri die _Elektroden des Geräteswl.e:-@t wird, dann wird das

Licht im Bereich der sich überkreuzenden Elektroden gestreut, so daß ein `feil des Lichtes vom Beobachter wahrgenommen wird. Diese Betriebsweise ist wesentlich wirksamer als der Absorptionsbetrieb, da hier das vorwärtsgestreute Licht zum Betrachter reflektiert wird, so daß ein helleres Bild entsteht.

Eine Vielzahl durchsichtiger fester Stoffe kann für eine durchsichtige Trägerplatte verwendet werden, einschließlich der verschiedenen Arten von Glas, geschmolzenem quarz, durchsichtigem Korund, durchsichtigem Plastik und Harzen. Eine nicht durchsichtige Tragplatte läßt sich aus den gleichen Materialien herstellen, wenn sie mit einem Material, beispielsweise einer schwarzen.organischen Farbe zur Absorption oder einem metallischem Film für eine spiegelnde Reflektion überzogen wird.

Die durchsichtigen leitenden Streifen können beispielsweise durch Ablagerung dünner Schichten von Indium oder Zinnoxyd auf den gewünschten Stellen der Platten 11 und 13 erzeugt werden. Die leitenden Streifen auf der lichtabsorbierenden oder lichtreflektierenden Platte müssen nicht durchsichtig sein und können beispielsweise aus einem Kupfer,Aluminium, Chrom oder Nickelfilm bestehen. `denn ein Gleichspannungsfeld benutzt wird, dann ist die negative Elektrode zweckmäßigerweise ein guter Elektroneninjektor, also ein Metall. Bevorzugte Elektrodenmaterialien sind Filme aus

Nickel,Kobalt,Aluminium, insbesondere eignen sich als Kathoden-

materialien durchsichtiges :-,inno:--yd, !".ickel und Kobalt. Die 1<:i-

Lenden Streifen 15a bis 15d und 1,>a bsi 1.6d sollen in Kontakt mit

dem ilüssi,-kristallfilm 17 stehen, so d e13 ein .-;trog li i ii,lurclif lies-

sen kann. _is ist ferner' @in in@.@@@;7 7 cli, daij (He 1:eiter :?tii,cii (iie

`ragplatten hindurch verlaufen, beispielsweise in Form eingebetteter Drähte oder leibender Steckverbindungen, die aus einem Teil mit der Tragplatte bestehen. In. bestimmten Anwerrdunrsfällen kann die Spannung auch zwischen parallelen Elektroden anstatt zwischen gekreuzten Elektroden angelegt werden.

der x_bs band zT'uiacaen den lätten @zann in ir" _#endeiner beliebigen .-leise aufrechterhalten werden. .:jeispielsweise können hierzu -3@@,jischenstü cke, @\-lamm.ern oder ;eei-nete fahmenähnliche Halter verwendet werden.
Im 3etrieb s;Tird das erfindun,s,;einä.L,')e Gerät auf einer Temperatur ef@alte@l., bei der die nein.atische 2lüssigkriställverbindung in ihrem mesomorphen Zustand ist. Jenn ein #,ufhc-izen notwendig ist, kann dies durch äussere h:izer ._eschehen, beispielsweise durch Infrarotl ampen oder leizspulen, die in unmittelbarer @@fühe des Gerätes angeordnet sind. Die 7-eizun-7 kann: auch mit Hilfe durchsichtiger :iiderstandschichten erfolgen, welche au=L den Aussenflächen der @ lL@tten angeordnet sind, an welche eine .jpannung an-;plegt wird, so da3 die in diesen j*chichten entstehende ;,lärme das Gerät heizt. Ls ist zweckmäßig, iiaL die @'ejnperatur etwas oberhalb der kriställnetnatischen Uebergangstemperatur liegt, da die Ansprechzeit der Flüssigkristallschicht, wenn sie bei oder in der Nähe der Upberrrangä-tem-oeratur betrieben wird, langsamer als bei höheren T'en-r)eraturen in der :.esophase ist. euch ist das Kontrastvernältnis in der Aähe der hebergangstemperatur wegen der Lichtstreuung bei nichtanliegendem 'eld geringer.

@s hat sich ausserdem herausgestellt, daß zur Erreichung eines maximalen Kontrastverhältnisses des im 3eflektionsbetrieb betrie-

.benen Gerätes und bei Verwendung der Umsebungsbeleuchtung oder

eines anderen hichtgebündelten Lichtes als Lichtquelle die 3e-

trachtrangsseite des Gerätes vorzugsweise auf einen dunklen oder

lichtabsorbierenden Hintergrund gerichtet sein soll. Las be-

deutet, daß das Gerät in einem Jirikel stehen soll, bei dem der

grölte Teil des unL;estreuten lichtes, der das Gerit trifft, auf

einen lichtabsorbierten Einterp@rund reflektiert wird. Auf diese

leise erscheint die Oberfläche des :@er@aes dunkel mit Ausnarime

des Lereiches, wo gestreutes Licht auf den 3etrachter reflektiert

wird. Dieser Bereich erscheint als heller funkt mit hohem Fon-:

trast bezüglich der umgebenden dunklen j#,ereiche. Zur Ausschal-

tung störender äpiegelungsreflektionen von diesen umF-,ebenden

:Lsereichen soll die Frontplatte oder eine getrennte DecI@plette

eine leicht aufgerauhte Oberfläche haben, so da., die Urn. ebi&urivs-

beleuchtung in einem solchen Umfang estreut wird, daß spie_Jeln-

de Reflekticnen vermieden werden.

.Figur 5 veranschaulicht e Ine nusfiihrungsform eines @3-ehäuses

für das Gerät lob unter Verwendung der vorbeschriebenen !1n.ord-

run7. Das Gehäuse besteht aus einem :Li;asten 51 mi l einer Län17°e

von etwa 54 cm, einer Breite von etwa 1o cm und einer Tiefe =Fon

etwa 4 cm. der Kasten 51 ist vollständi:eschlossen mit nu.s-

nahm.e einer ausgeschnittenen FlC:Iche von etwa 6x6 cm in der

derseite 52 des Kastens. Diese aus`;esc.znittene Fläche hat von

der Oberkante einen Abstand von etwa 2 1,1/' cm und von den beiden

Kanten der Vorderseite 52 einen Abstand von knapp 2 cm. Inner-

halb des Kastens 51 ist eine nach dem Ref lehtionsprinzip arbei-

tende Anordnung lob der vorbeschriebenen Art, welche eine 21ä-

che von etwa 7, 5x`?, 5 cm hat, -egen-*Liber der in der *,Io:rdersei te =@2

..;.15'"ä.C@7111.ttei:l:?Tl. `,,ffnun:; und mi = -dil@ser aus~erichtet montiert.'

ie:C zta. dient ein `r:`-,'. =e tP.il ), S '1'_3-:i l^Arl 'LJ;3_rti"-;2n _..bS(:@.111itt

- A - des __astens 51 -.t ist, ä@@ .a@:. ai,; ;.inordnunt; lob e@;en-

de 2 ior der seite 52 des -.a:sten:s 51 urn etwa lo° geneigt ist.

An der iberkante des 't=asteLls 51 ist mi-i ;:Hilfe eines Gelenks 56

eine 31ende 55 schwenkbar an earac'Lit, deren Innenseite schwarz

ist. lird die elende in eine #-eei-°nete Zage hochgeklappt, so

trifft der größte feil des beispielsweise von der Umgebungslicht-

quelle 21b kommenden Lichtes die Reflekzionsanordnung lob und,

,:; nn kein"pannun ; an ihr liegt, trird das Licht auf die dunkle

-@nnenf läche 57 der Uende 55 ref lexztiert, so daß die .Anordnung

für den 3etrachter 22b duizkel erscheint. Jird dagegen eine Span-

nung an einen bestimlriten 3ereich des .,,erätes lob gelegt, so wird .

ein Teil des auf diesen _)ereich au:LIallendeii Lichtes gestreut

undzum Beobachter 221) reflektiert, dem dieser üereich im Vergleich

zu den umliegenden 3ereichen, an denen keine Spannung liegt, hell

erscheint.

::,ine andere Auufiihrun-sform des erfindl,n=;sgemäßen Gerätes ist

in gi,ro 6 dar-estellt. 'Tier wird die an dem .Film 17 liegende

S "chicht durch eii-ie . dun- erzeumt, .J._:lc'Iie von einem Elektronen.-

^trähl ii.bertragen wird, der in von :,@ ernsehanordnüngen bekantter

:-ise '--'-b,3, die 21_c=ie geführt wird. Der Elektronenstrahl bringt

eine la#5unn; auf ein::; bestimmte leitende -?läche, die iri Berührunc-

mit dem Film 17 steht: Diese Ladung; ve ursacht in dem betreffen-

den Bereich eine aktivierende Spannung Uber dem film 17. inner-

I-::1?@ e:_nes 'btastintervalls wird die I-::::@azT@ durch- Injektion in

Jobei sie von neutralen

@.31-:l:;len zur i7_dung be;r:e ;licher _'. I.oie@iz #.uf leiac#.ninil @#irdo ;sie

ph@LQcle", W2vicl ,.__ode .-rrcichez@o

Diose Anordnung enthält eine vordere '2räf#erplatte@2, auf deren einer Seite sich eine elektrisch geerdete durchsichtige leitende D"chicht 61 befindet. In einem Abstand und parallel zu der Vorderplatte 12 befindet sich eine rückwärtige Trägerplatte 11c, die mehrere Oeffnungen und einen Leiter, beispielsweise in ii'orm von leitenden Epoxyharzeinsätzen 62, welche die Löcher ausfüllen, hat. Die hpoxyharzeinsätze sind vorzugsweise mit aufgedampftem Aluminium überzogen. Der Film 17 füllt den Zwischenraum zwischen der Vorder- und der Rückplatte aus und befindet sich in Kontakt mit der durchsichtigen leitenden Schicht. Die Anordnung enthält auch eine Vorrichtung, mi-« -,:rilfe deren der Elektronenstrahl über die rückwärtige glatte geführt werden kann, beispielsweise ein übliches E'.ekbronenstrahlsystem.63. Anstelle von leitenden Epoxyeinsätzen können auch metallische :Drähte in die rückwärtige Platte eingebettet sein. Ferner muß ein evakuierter Kolben 64 um die rückwärtige Platte llc und das Llektronenstrahlsystem 63 vorgesehen sein.

Das Elektronenwtrahlabtastsystem kann auch als Farbsystem ausgebildet sein, indem ein Ueberzug vorgesehen ist, der selektiv nur eine bestimmte Hauptfarbe reflektiert. Beispielsweise können die Einsätze nach Art von Farbtrip sln angeordnet sein, wobei die Oberfläche der Einsätze , welche den Film berührt, eine leitende Schicht, beispielsweise eine Aluminiumschicht, trägt, welche eigefärbt ist, so daß selektiv nur eine der Hauptfarben reflektiert wird, wobei jeder Punkt des Tripels eine andere Hauptfarbe reflektiert. Andererseits kann auch zur Erreichung einer Farbdarstellung die Frontplatte benutzt werden, wenn sie selektiv eine bestimmte Hauptfarbe hindurchtreten läßt. :Die Anordnun:" kann dann iiit einem Ublichen Dreifarbstrahlsystem abgetastet werden, wie es bei herkömmlichen Z')chättenmasken-Fe,_nsehröhren benutzt wird. Der Tripelaufbau.oder-die selektiv durch lässige Vorderplatte kann auch zur Dars telluna von Farbbildern verwendet werden, wenn man mit anderen Abtastverfahrenals mit einer Elektronenstrahlröhre.
Für die Verwendung bei den erfindung sr#"eme.-' )en elektrö-optischen Vorriähtungen, die nach dem dynamischen Streuprinzip arbeiten eigenet sich eine groß Vielzahl von Flüs:sigkristallverbindungenö Vorzugsweise haban die namatischen Flüssigkriställverbindungen spezifische :Viderstände- zwischen lob und 1o11 Ohm@cm. Der Spezifische 'viderstand, der für eine bestimmte Anordnung erforderlich ist, hänt von der Ladungsdichte und der Ionenkonzentration des Filmes 17 ab. Eine bevorzute Klasse von U'lüssigkristallverbindunen, -welche in nicht zerstörend wirkenden Turbulenzeffekt zeigen, der f`zr den Betrieb der erfindun;sgemäßen Anordnungen notwendig ist, sind Schiff-Basen, bei denen ein Sauerstoffatom an die äusserste Para-Position des aromatischen Ringes der Verbindung gebunden ist.
Ein bevorzugtes Material für dem Film 17 besteht aus Anisyliden-p-Aminophenylacetat ( im fol-;enden als APAPA bezeichnet ), das Spurenbeträge von p, n-Butoxybenzoe Säure (im folgenden als BBA) bezeichnet enthält. fenn auch das APAPA ohne BBA verwendet werden kann, s'o ist es etwas milchig und ergibt eine unerwünschte Ref lektion, wenn kein Feld anliegt, so daß das Kontrastverhältnis des Gerätes verringert wird. Es hat sich herausgestellt, dal3 durch Zufügen geringer Anteile von BBA das milchige Aussehen verschwindet. Kontrastverhältnisse von mehr. als 2o:1 sind mit Anbrdnunßen erreicht worden, die einen Film aus APAPA und BBA evthalten und im Reflektionsbetrieb arbeiten: Für das Auftreten des dynamischen Reflektionseffektes bei einem aus APAPA bestehenden Film wird angenommen, daß die Ladungsdichte im Film unterhalb eines Maximalwertes von (479 /3) 2 (e=EokT/e2)3 liegen soll, wobei £ die relative Dielektrizitätskonstante der Flüssigkristallverbindung und f 0 die Uielektrizitätskonstante der Flüssi-krisallverbindung im freien Raum, k die Boltzmann-Konstante, I die absolute Temperatur und e die Ladung eines Elektrons ist. `sämtliche Einheiten sind im mks-System gewählt. Dieser Maximalwert beruht auf der berechneten Dicke der Doppelschicht oder der Neutralisierun;swolke, die als die beweglichen Ionen im Film umgebend angenommen werden.- Der Radius des Ions zuzüglich der Doppelschicht oder Ladungswolke ist gleich der Debye-Länge des Ions.

Im Betrieb benötigen APAPA-Filme Spannungen in der Größenordnung von 1o bis loo V. bei einem Fl-m von 125/looo mm .Dicke und 13etriebstemperaturen im Bereich zwischen 650 und 350 C. Die Ausbauzeit für den Lichtstreuungseffekt beträgt typischerweise zwei killisekunden die Abschaltzeit etwa 15 bis 3o :.iillisekunden bezüglich der elektrischen Feldänderungen Andere nematische Flüssigkristallmaterialien, welche sich für die vorliegende Erfindung eignen, jedoch. keine Einschränkung- bedeuten, sind p-Azoxyanisol, p-n Butoxybenzoesäuredimeren, p-n-Butoxybenzyliden-pl-Aminophenyla.cetat, p-s-Octoxyoenzyliden-P'-Aminophenylacetat- p-n-Benzylidenproprionat-gl-Aminophenylmethoxid, 2-n-Anixgliden-p'-Aminophenylbuterat, p-n-Butoxybenzylidene-p'-Aminophenylpentoat und Mischungen von ihnen. .Die spezifischen Iliderstände der vorstehenden Verbindungen bewegen sich im allgemeinen im Bereich zwischen 109 und 5x 10 1o Ohm4cm mit Ausnahme des

ausserordentlich reinen u-_:-zoxyonosol, dessen. spezifischer ddi-

ders Land gleich oder frö.Qer als 1o11 Chm@cm ist. Bei der Verwen-

aazn_- von Filiaen dieses ultrareinen Z-@_zoyyanisols tritt der dyna-

:ai Gci-e @treueffeI."t nicl -t; auf, -,=sie es auch. der Fall bei technisch

reinein(ünnurified re-ent :-ade) ,o-Azox-ranisol der Fall ist. Je-

doch kann diese Wirkung ausgelöst werden durch Dotierung des rei-

nen #i-Azoxyänisols mit Ionen, etwa durch Lösung geringer Mengen

von Dodecylisoquinonium BromiäUrin dem p-Azoxyanisol, so daß

der spezifische Widerstand des Filmes auf weniger als 1o11 Ohm@cm

jedoch oberhalb 109 Ohmr(cm herabgesetzt wird und ein: Ueberschuss

eweelicher Ionen in dem Film entsteht.

Die neuen Anordnungen arbeiten mit Wechselspannung, mit Gleich-

spannung oder mit pulsierender Gleichspannung. Die Ionen im Film

können entweder als Dötiermlttel in den Film eingebracht oder im

.Film durch Anlegen der Spannung erzeugt werden: Im letzteren Fall

wird angenommen, daß die Ionen durch Injektion von Elektronen in

den Film hinein entstehen, wobei sich die Elektronen unmittelbar

neutralen llüssigkristallmolekülen zur Bildung negativer Ionen

anlagern.

'!ür ein x;utes 3etriebsverhalten und eine laiz:-;e Lebensdauer der

neuarti-en rnordiiunmen sollen die Zliis:3is;kristallmaterialien m.in.-

destens so rein sein, da@;-eine konstante Temperatur für einen

rev @rsiblen nema-tisch-isotropen. @; lüssi,zkeitsübergang erhalten wird.

Dies läßt sich durch wiederholte @@ekr =stalisation der Flüssigkr-

stallbestandteile erreichen. 'forzu,sweise führt man. eine weite-

re Rekristallisation durch, nach dem konstante Ueber£;angsverhält-

sind, während der die @?xn durch ein Filter mit

einer Poreno-räße von etwa o,2/'u e _ ebi@n -!!;irdä

Das Dia ;ramm der :!ligur 7 stellt r?as Kontrastverhältnis über der

L.r.Telegten Gleichspannung bei einer Anordnung mit einer Jiilmdik-

ke von 12, 5/looo mm dar, wobei eine ?uischung von Zo-i?.-Anisyliden-

")'-Aminophenylacetat (ArAPA) und p-n-Ucto"-ybenzyliden-p'-Amino-

phenylacetat, eine Siliziumrückelektrode und eine durchsichtige

leitende Frontelektrode verwendet ist.

Die Anderunr; des iiontrastverhültnisses bei einer Aenderung der

an -e ]#;ten Spannung zeigt, daß eine große Grauskala erreichbar ist.

Ebenfalls ist eine Veränderung des °_ontrastverhältnisses-und der

Schwellspannung als Funktion der Filmtemperatur ersichtlich. Bei-

spielsweise hat die zugehörige Anordnung bei einer Betriebstempe-

ratur von 63o C. ein Kontrastverhältnis von etwa 2 für eine Span-

nung von 4 V. und 19 für eine Spannung von 6o V.. Wird die glei-

che Anordnung bei goo betrieben, so beträgt das Kontrastverhält-

nis bei 4 V. etwa 1 und bei 6o J. etwa 11,5-

Figur 8 veranschaulicht eine Darstellung der Gesamtreflektion

(integrierte Reflektion) pro Impuls über der Impulsamplitude eines

mit einer Impulsspannung anstelle einer konstanten Gleichspannun-

betriebenen Anordnung. Der 2ilm war hier bei 12,5/looo mm dick

und bestand aus p-n-Octo@ybenzyliden-P-Aminophenylace-tat mit, eimn

spezifischen giderstand von etwa 1,05 x lolo Ohm/cm. Die Rückelek-

trode bestand aus Chrom, die Frontelektrode aus durchsichtigem

Zinnoxyd. Die Messungen wurden mit Impulsen von 6o @@iikrosekunden

Dauer und einer Impulsfrequenz von 15 Impulsen pro Sekunde durch-

geführt, die Temperatur des Gerätes betrug 860 C. Bei dieser An-

regung wurde ein mehr. als dreifaches Anwachsen der Grö13e der inte-

-rierten Reflektion für eine Verdoppelunder Impulsamplitude fest-

7:es-üellt. Die verwendeten Impulsamplituden wurden (Dabei von 5o V.

ai.' lob v'. vorf"Sröert. 1

Claims

Y a t e n t@a n s v r ü c h e 'r l@ Elektro-optische Vorrichtung mit einer nematischen Flüssigkris-Lallscdicht und einer diese aufrechterhaltenden Einrichtung sowie_itteln zum Anlegen eines elektrischen L eldes an die Schicht, dadurch gekennzeichn e t , dai3 die nemä-tische 21-üssi gkristallschicht (17) eine bei Anles@,en einer einen elektrischen Strom durch die Schicht (17) treibenden Spannung nicht zerstörende Turbulenzerscheinungen zeitigende Schicht ist, und daß.ittel zur Erzeugung der Turbulenzbewegung vorgesehen sind. 2. 3lektro-optische Vorrichtung nach Anspruch 1, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , da S das die Turbulenzbeweggung e--@:@zeugende iiittel ein elektrisches Feld iwt, welches einen elektrischen :31trom in der Flüssigkristallschicht (17) verursacht, der ausreichend groß zur Erzeugung von Turbulenz in der Schicht im Gebiet des angelegten Feldes ist: 3. Elektrooptische Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r ch m e k e n n z e i c h n e t , daß die nematische Flüssigkri:stallscaicht (17) einen Ueberschuss beweglicher Ionen -enthält und einen spezifischen Xiderstand im Bereich von lob bis 1o11 Uhm#'cm besitzt. 4Elektro-optische Vorrichtung nach Anspruch 2, g e k e n n -z e i c h: n e t d u r c h eine Einrichtung (15,16) zum Injizieren von Elektronen in die nemdtische :2lüssi-hristallschicht (17) zur F'rzeugung bewe.--licher Anionen in ihr. 5o Elektro-optische Vorrichtung nach Anspruch 4, d. a d u r c h g e k e n n z e i c 1i n e t , daß die :ainrichtung zur Injizierung von Ionen in die nematische :Nlüssigkristallschicht (17) Zlektroden (15,16) aus einem leitenden Material der Ilickel,Kobalt,Aluminium und durchsichtiges Zinnoj7d umfassenden Gruppe aufweist. 6. Elektrooptische Vorrichtung nach Anspruch 2, d a. d u r c h e k e n n z e i c h n e t , da.3 die Dicke der Schicht (17 ) zwischen der Debye-Länge der bewelichen Ionen in der D'chicht und 301u liegt. 7. Elektrooptische Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d ü r c h g e k e n n z e i c h n e t ;daß die nematische Llüssigkristallschicht (17) mindestens eine Verbindung aus der Klasse der Schiff-Basen, an deren aromatischen .ging in den äussersten Para-Zagen ein Sauerstoffatom gebunden ist, besteht. B. Elektrooptische Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g 'e k e n n z e i c h n e t , da13 die nematische 2lüssig- kristallsehicht (17) Anisyliden-p-Amen19phenylacetat mit

einem spezifischen Widerstand zwischen etwa lob und 1o11 Ohm@cm aufweist. 9, Elektrooptische Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e't , daß die nematische Flüssig- !@ristallverbindun;;ering:e i@iengen von p,n-t@utoxybenzoesäure enthält. 1o. .@@lelä-vro-oi_)-l;ische Torrichtun-r nach @,.nsrruch 1, d .a d u r c h e k c n n z o i c '.i. yi e t die Einrichtungen zur Aufrechterhültün-T der nematiechen Flüssigkristallschicht (1'?) z:rei parallele ZraSplatten (11,12) umfassen, zwischen denen die :@cliicht (1%') erhalten wird, und da.ß mind:;stens eine der @2ramvlatten (12) durc`Lisichtig ist und einen durch-, sichti-en leitenden T)ei@erzu;r (16) auf mindestens einer ID'eite aufwei s l@, und da, . die :2jinrichtung (15,16) zum. Anlegen eine= -3-oannunan die nematische 2lüssz,::;kristal.lschicht (17) einen durchsich%iZen leitenden Ueberzuumfassen. 11. -:#,lektro-op-!@ische lä:,.zeievorl,ichtun#.,- nach Anspruch 1, d a -d u r c h z e k e n n z e i c =i n e t , daß die K'Dcli_icht (17) der nematisc,-i.er_ F?@issiiisr@is-:allverbixidung die nicht zerstörend wirkenden Turbul enzerscheinungen bei Anle:en einer Spannung an die Schicht und 2 ließen eines .Stromes durch die Jchicht zeit, wenn die Schicht einen Ueberschuß beire licher Ionen enthält, da.idie Schicht(17) einen UTeberschüss beweglicher Ionen enthält, daß die Einrichtung zur Aufrechterhaltung, der Schicht (1`(_') eine durchsichtige isolierende Frontplatte (12) und eine isolierende Rückplatte (11) auf uzeist, wobei die inneren überf lachen der Platten parallel zueinander verlaufen und einen gegenseitigen Abstand von weniger als 3o/ u haben,: daß die @@ückplatte (11) eine lichtreflektierende Oberflnclie (24) hat, daß die 2lüssigkristallschicht (17) den Raum zwischen den --2ragplätten (11,12) im wesentlichen ausfüllt' daß die Einrichtung (,15,16) zum Anlegen einer Spannung, welche einen elektrischen Strom und Turbulenzerscheinungen im Bereich der angelegten Spannung in der Schicht hervorrufen, eine erste Anzahl von durchsichtigen, in gegenseitigem Abstand angeordneter leitender Elektrodenstreifen (16a-d) welche an der inneren Oberfläche der Frontplatte (12) angebracht sind, und eine zweite Anzahl von in gegenseitigem Abstand an der Innenfläehe der Rückplatte (11) angebrachten leitenden Elektrodenstreifen (15a-d) umfassen, wobei die zweite Anzahl der 3lektrodenstreifen (15) im wesentlichen rechtwinklig zur -ichtung der ersten Anzahl der hlektrodenstreifen (16) verläuft. 12. Anzeigevorrichtunr; nach luzspruch 11, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h eine Einrichtung (51) zur Halterung der Vorrichtung (lob) und ein derart zu der Vorrichtung (lob) anmeordnetes lichtabsorbierendes i:aterial (57), das ein wesentlicher .hnteil des un etreuten Umgebungslichtes, welches auf die Vorrichtung (lcb)auffällt, in Richtung auf das lichtabSOrbierBnde Material (57) reflektiert wird und ein Teil des durch die Vorrichtung (ldp) gestreuten Lichtes nicht in "1,:ichtung auf das lichtabsorbierende Aaterial (57), sondern auf einen Beobachter (22b) zu refl.e1itiert wird.