DE1928003A1

DE1928003A1 - Elektrooptischer Lichtmodulator

Info

Publication number: DE1928003A1
Application number: DE19691928003
Authority: DE
Inventors: Castellano Joseph Anthony
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-09-03
Filing date: 1969-06-02
Publication date: 1970-03-12
Also published as: FR2017223A1; GB1273779A; US3597044A

Description

6802-69/Dr.Sd/Bru

(RCA 6Ο₃Ο87)

Priorität: 2.September 1968

Radio Corporation of America, New York,N.Y.(USA)

Elektrooptischer Lichtmodulator

Nematische flüssige Kristalle in ihrer Verwendung als Lichtventile und Bildschirme werden durch ein elektrisches Feld gesteuert und arbeiten, wenn das Kristallmaterial sich in seinem mesomorphen Zustand befindet. Allgemein lässt sich sagen, daß ohne ein elektrisches Feld an einer dünnen Schicht einer nematischen flüssigen Kristallzusammensetzung diese Zusammensetzung für Licht verhaltnismässig durchlässig ist. Wenn ein elektrisches Feld oberhalb eines Schwellenwertes der flüssigen Kristallschicht zugeführt wird, wobei der Schwellenwert von j der besonderen Zusammensetzung des flüssigen Kristalls abhängt, die Schicht die Intensität des durchgelassenen Lichtes im Bereich des angelegten Feldes beeinflusst. Diese Änderung der Lichtintensität ist auf die Streuung des Lichtes in sogenannten j

Domänen der flüssigen Kristallmoleküle zurückzuführen, welche | sich in die Richtung des Feldes einstellen.

Der elektrooptische Effekt der Einstellung der Domänen der Kristallmoleküle in einem elektrischen Feld kann .verwendet werden, in einem durchlassenden, einem reflektierenden «der in einem absorbierenden plattenartigen Bildschirm, in Lichtverschlüssen oder auch zu' anderen Zwecken, Bereits vorgeschlagene bzw. bekannte flüssige Kristalle dieser Art besitzen kristallnematische Übergangstemperaturen erheblich oberhalb Zimmertemperatur. Diese sogenannte (C-N)-Temperatur ist diejenige Tem-

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peratur, bei welcher das Material in seinen nematischen mesomorphen Zustand übergeht. Da eine derartige Vorrichtung mit einem nematischen flüssigen Kristall betrieben werden muss, während die nematische Zusammensetzung sich in ihrem nematischen mesomorphen Zustand befindet, ist es wünschenswert, Zusammensetzungen zu benutzen, welche eine niedrige Übergangstemperatur besitzen. Es ist ferner erwünscht, Materialien zu benutzen, die bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen mit Fernsehgeschwindigkeiten oder mit höheren Geschwindigkeiten als sie für Bildwiedergabe beim Fernsehen erforderlich ist, geschaltet werden können.

W- Ein Lichtventil gemäss der Erfindung enthält eine nematische flüssige Kristallzusammensetzung aus einem Acyloxbenzyliden-Anil. Das Lichtventil enthält Mittel zur Anlegung eines elektrischen Feldes an die flüssige Kristallzusammensetzung.

Figur 1 der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrooptische Einrichtung gemäss der Erfindung.

Figur 2 ist eine schematische Darstellung der elektrooptischen Einrichtung nach Figur 1 in einem Laser-Modulator.

Figur 3 bis 5 sind graphische Darstellungen der Ausgangsgrösse einer Einrichtung nach Figur 2, welche die relative Absorbierung von Licht in der betreffenden Einrichtung als Funktion j der Feldstärke und als Funktion der Konzentration von pleochroischem Farbstoff, welcher der Kristallzusammensetzung beigemischt ist, darstellen.

Allgemein lässt sich sagen, daß ein Lichtventil mit einem flüssigen Kristall zwei ebene Bauelemente enthält, zwischen' denen sich ein dünner Film eines flüssigen Kristalls befindet. Eines dieser Bauelemente ist lichtdurchlässig, während das andere ebenfalls lichtdurchlässig oder reflektierend oder absorbierend sein kann, je nachdem, welche Betriebsweise für die

ÜOWTT/09 3 3 ^:

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betreffende Einrichtung gewünscht wird. Bei der Benutzung als
Bildschirm sind sogenannte Zeilenleiter und sogenannte Reihenleiter vorhanden, welche ihrerseits transparent ausgeführt werden und auf der Oberfläche jedes der erwähnten ebenen Bauteile
angebracht werden, um ein elektrisches Feld in bestimmten Flächenbezirken des flüssigen Kristallfilms zu erzeugen. Man kann
,stattdessen auch Leiter zur Anlegung eines elektrischen Feldes , an den Kristallfilm als kontinuierliche Fläche ausführen, sodaß ; ein elektrisches Feld dem ganzen Film gleichzeitig zugeführt . wird.

Eine Ausführungsform dieses Lichtventils gemäss der Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. Dieses Lichtventil besteht >■ aus einer Vorderplatte 11 und einer Rückplatte 12, die aus \ Glas, aus Quarz, aus Saphir oder dgl. bestehen können, parallel < zueinander verlaufen und einen Abstand von etwa 0,013 bis 0,006 ; mm besitzen können. Dieser Abstand wird durch eine Zwischenlage j aus Kunststoff (Teflon) gewahrt. Auf der Innenfläche 14 der ·, Rückplatte 12 befindet sich eine transparente und leitende Rück-j

elektrode 15. Auf der Innenfläche 16 der Vorderplatte 11 befin- '; det sich eine transparente leitende Elektrode 17. Die Elektro- j den 15 und 17 dienen zur Anlegung eines elektrischen Feldes
an das Lichtventil. .

j Bei der beschriebenen Einrichtung wird der Zwischenraum
zwischen der Vorderplatte 11 und der Rückplatte 12 mit einer i Schicht 18 aus einer flüssigen Kristallzusammensetzung , näm- ι lieh mit einem pj-n^Acyloxybenzyliden-p' -Aminobenzonitril gefüllt ^ Diese Kristallzusammensetzung kann in das Lichtventil 10 mit- j tels eines Epoxy-Kittes angeschlossen werden. Im Betrieb wird, j wenn das Licht durch das Ventil hindurchtreten soll, eine
Lichtquelle 19 und der Beobachter 20 auf entgegengesetzten Seiten des Ventils 10 angebracht. Wenn dem Ventil 10 kein Feld
zugeführt wird, erreicht eine erste Intensität des Lichtes den
Beobachter. Wenn eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung

von beispielsweise etwa IO Volt an die Elektroden 15 und 17 angelegt wird, ändert sich die Intensität des den Beobachter erreichenden Lichtes. ·

Ein derartiges Lichtventil kann auch Mittel 21 zur Polarisierung des auf das Ventil aufgestrahlten Lichtes enthalten oder kann auch gekreuzte Polarisatoren 21 und 22 enthalten. Bei einer anderen Ausführungsform kann die flüssige Kristallzusammensetzung eine pleochroische Farbe enthalten, welche in dem flüssigen Kristallmaterial gelöst ist. Durch die Ausrichtung des flüssigen Kristallmaterials in einem elektrischen Felde werden die Farbstoffmoleküle gleich orientiert. Diese Orientierung der Farbstoffmoleküle hat zur Folge, daÄ das Ventil von einem farbigen Zustand infolge der Absorption des Lichtes durch den feldfreien Farbstoff in einen farblosen Zustand übergeht, wenn ein orientierendes Feld zugeführt wird. Die vorstehend beschriebenen Kristalle haben tiefere Arbeitstemperaturen als · vergleichbare bekannte oder schon vorgeschlagene Kristalle. Ausserdem sind infolge der stark polaren Natur Umschaltgeschwindigkeiten bis zu 15 000 Hz möglich , und zwar bei Temperaturen unter etwa 35⁰C. Dies ist die Geschwindigkeit, die gegenwärtig für Fernsehempfangszwecke erforderlich ist.

Flüssige Kristalle, die für den geschilderten Zweck verwendbar sind, enthalten jv-n-Acyloxybenzyliden-p'-Aminobenzonitri Bevorzugte Ausführungsformen bestehen aus Mischungen der eben genannten Klasse von Verbindungen mit Alkoxybenzyliden-p-Aminobenzonitrilen.

Beispiele von Verbindungen, die für die Zwecke der Erfindung benutzbar sind, sind in Tabelle 1 aufgeführt. Bevorzugte Mischungen der Verbindungen nach Tabelle 1 finden sich in Tabelle 2 unter gleichzeitiger Angabe der kristallnematischen Temperaturen (C-N) und der nematisch-isotropen flüssigen Übergangstemperaturen (N-I) der Mischungen.

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' Tabelle

ALKOXY UND ACYLOXYBENZYLIDEN-ANILE

RO-Verbindung Nr.

1 (Butoxy)

2 (Pentoxy)

3 (Hexoxy)

4 (Heptoxy)

5 (Aeetyl)

6 (Propionyl)

7 (Butyryl)

8 (Valeryl)

9 (Caproyl) lO(Heptoyl)■ ll(Capryl)

- CH=N-

CH₃CO C_oH_cC0

ⁿ~^C6^H13^CO

-C=N

Übergangs-Temperaturen C CN N-I

63	106
62	93
55	100
66.5	95
158	116
111	125
108	111
(monotrop bei 96°C) 66	99 98
54	94
52	93

Die Acyloxybenzyliden-Anile können durch Kondensation von p-Aminobenzontril mit dem betreffenden Acyloxybenzaldehyd in einer verflüssigenden Benzollösung hergestellt werden.

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-6-TABELLE 2

Bevorzugte	1	Mischungen von	Verbindungen nach	Tabelle 1	11	C-N	N-I
Mischung Mol-#	1 33.3	der Verbindung	Nr.	übergangs-Temp. ⁰C	—	31	90
ι Nr.	2				33.7	32	87
3	3 9	10	33.3	26	88
33.3 33.3	•TI·
33.3	33.0
33.3	33.3

Die Mischungen können dadurch hergestellt werden, daß man die kristallinen Bestandteile unmittelbar in Hartglasröhrchen von 175 mm Länge .und 5mm Durchmesser einwiegt. Die Mischungen werden bis auf ihren isotropen flüssigen Zustand erhitzt und dann heftig gerührt, um eine homogene isotrope Flüssigkeit zu erhalten. Die homogene Flüssigkeit lässt man dann auf 0⁰C abkühlen und bewahrt sie bei dieser Temperatur für mehrere Tage auf, um die Kristallisation zu begünstigen. Die Röhrchen werden dann in ein Ölfaß eingebracht und die Temperatur wird langsam über die kristallnematische Temperatur der Mischung erhöht. Sodann können die Mischungen in das beschriebene Lichtventilgehäuse eingefüllt werden. Dies lässt sich dadurch erreichen, daß man den flüssigen Kristall jln den Zwischenraum zwischen den transparenten Trägerplatten mit-

i ■ " ■' -

pels einer subcutanen Spritze einführt.

! Die neuen Kristallmischungen zeigen eine Unterkühlung unter> die C-N-Übergangstemperaturen und viele der Mischungen bleiben

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in einem unterkühlten nematischen flüssigen Kristallzustand . bei oder unterhalb Zimmertemperatur. Infolgedessen können die Geräte mit derartigen unterkühlten Mischungen bei Zimmertemperatur betrieben werden. *

Tabelle 3 zeigt verschiedene pleochroische Farbstoffe, die in Kombination mit flüssigen Kristallzusammensetzungen der hler beschriebenen Art benutzt werden können. Die Tabelle gibt die Färbänderungen an, die man beobachten kann, wenn die Vorrichtung zur Modulation durchgelassenen polarisierten weißen Lichtes benutzt wird. Es wurde gefunden, daß die Konzentration der pleochroischen Farbstoffe in den Kristallzusammensetzungen vorzugsweise im Bereich von etwa 1/2 bis 5% liegt. Bei grdtseren Konzentrationen als etwa 5% und weniger als etwa 1/2 % zeigt sich im allgemeinen ein Verlust an Kontrastverhältnis zwischen dem erregten und feldfreien "Zustand.

TABELLE 3

Pleochroische Farbstoffe in flüssigen Kristallen

Farbstoff

Farbänderung bei durchgelassenem polarisiertem weißen Licht

Indophenol-Blau

N,N·-Dimethy!indigo N,N'Dipalmitoy!indigo

p_-Diraethylarainocinnamyliden-2*,4*-Dinitrophenylhydrazol

;p_-Nfcrobenzylidenpneny lhydrazol ^! Phenol-Blau

■p_-Diraethylaminobenzyliden-' 2 *,k'-Dinitrophenylhydrazol

Mit Feld

farblos

blaß gelb

farblos

gelb

Ohne Feld

blau cyan magenta

rot ge Ii

blau

rot

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Das erreichbare maximale Kontrastverhältnis ist typischerj weise bei einer Konzentration der pleochroischen Farbe zwischen ' 1 und 2% in dem flüssigen Kristall erreichbar. Dieses Maximum ! entspricht vermutlich der Konzentration mit der maximalen Zahl von Farbmolekülen , die durch die Kristallmolftküle ausgerichtet werden können. Bei cBcs Konzentrationen ist die Absorption des Lichtes durch den Farbstoff im ungeschalteten oder feldfreien Zustand geringer als die Absorption bei maximaler Konzentration. Bei grösseren Konzentrationen als der maximalen Konzentration sind mehr Farbmoleküle vorhanden als ausgerichtet werden können und es bleibt daher keine beträchtliche Absorption in dem geschalfc teten Zustand (mit eingeschaltetem Feld) zurück, so daß also ein Kontrastverlust durch Abweichung von dieser maximalen Farbkonzentration auftritt.

Figur 2 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung ! zur Modulation eines Laserstrahls. In dieser Figur 2 enthält die im ganzen mit 40 bezeichnete Einrichtung eine flüssige Kristallmischung 41 Nr.3 nach Tabelle 2 und enthält 1 Gewichts-? Indophenol-Blau. In Figur 2 ist eine Laserstrahlenquelle mit 42 bezeichnet, die einen Laserstrahl 43 aussendet. Dieser Strahl 43 durchsetzt ein polarisierendes Medium 44 und sodann die den flüssigen Kristall enthaltende Vorrichtung 40. Nachdem der Strahl diese Vorrichtung 40 wieder verlassen hat, trifft er auf einen ) Detektor 45 auf, der ein Ausgangssignal liefert, welches eine Funktion der Intensität des auf ihn auffallenden Laserstrahles ist. Der Detektor kann beispielsweise ein gewöhnlicher Foto- ^: detektor sein, d.h. aus Cadmiumsulfid bestehen. Die Vorrichtung enthält eine Vorderplatte 46 und eine Rückplatte 47 und zugehörige transparente Zinnüberzüge 48 bzw. 49 auf den Innenflächen der Platten. Eine Spannungsquelle 50 liefert ein Feld in der Kristallmischung 41, die sich zwischen den Platten 46 und 4? befindet. Der Polarisator 44 ist so orientiert, daß eine maximale Lichtmenge absorbiert wird, solange kein Feld an der Vorrichtung 40 liegt. Wenn der Lichtstrahl eines Heliumneon-Lasere, welcher

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Licht bei einer Wellenlänge von 6 328 S durch die Kristallzelle ! hindurchfällt, so erreichen etwa 3% des Lichtes den Detektor ; Wenn eine Feldstärke von 40 χ ICT Volt/cm der Zelle 40 zugeführt 'wird, so erreichen etwa 50Ji des Lichtes den Detektor 45.

J Es wurde gefunden, daß , wenn Wechselstrom statt Gleich- ^: strom benutzt wird, man eine Modulation des Laserstrahls durch \ Veränderung der Frequenz statt durch Veränderung der Spannung erreichen kann. Durch Wahl eines pleochroischen Farbstoffs, der !Licht bei der Frequenz der Läseremission absorbiert, kann man andere Laser in der gleichen Weise modulieren.

Figur 3 ist eine graphische Darstellung , welche die Absorption , die anhand der Figur 2 beschrieben wurde, bei verschiedenen Wellenlängen im feldfreien Zustand (Kurve A) und im felderregten Zustand (Kurve B) zeigt. Die Kurve mit Felderregung wurde erhalten unter Benutzung eines Feldes von 40 χ 10 Volt/cm. Die Absorption ist gleich dem Logarithmus des Rezoproken der Transmission. ·

Das erreichbare Kontrastverhältnis bei einer derartigen Zelle kann durch die Differenz der Absorption zwischen dem feldfreien Zustand und dem felderregten Zustand gemessen werden. Die ¹ Kurven der Figur 3 zeigen, daß dieses Kontrastverhältnis von der jeweilig benutzten Wellenlänge abhängt. Das erreichbare Kontrast- :verhältnis ist auch eine Funktion der benutzten Farbe·

Figur 4 zeigt die Änderung der Absorption zwischen dem feld-■ freien Zustand und einem felderregten Zustand in Abhängigkeit von :der Färbstoffkonzentration in Prozent im flüssigen Kristall. Die Kurven wurden bei Indophenol-Blau gemessen. Da die Änderung der {Absorption kein Maß für das Kontrastverhältnis ist, zeigt die \Kurve die Wirkung der Färbstoffkonzentration auf das Kontrast-•verhältnis. Man sieht, daß ein ziemlich scharfes - Maximum im Kon- j ;tastverhältnis zwischen etwa 1% und 1,5# des Farbstoffs auftritt.|

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-ΙΟ-

Dieses Maximum tritt im allgemeinen im Bereich zwischen 1 und 2% des Farbstoffs im flüssigen Kristall,unabhängig von dem jeweils benutzten besonderen Farbstoff auf.

Figur 5 zeigt eine Kurve, welche die relative Absorption· des Lichtes eines Helium-Neon-Lasers durch Indophenol-Blau als Funktion der Feldstärke für verschiedene Färbstoffkonzentrationen. Diese Kurven zeigen, daß keine Änderung der Absorption bei einem kleinen anfänglichen Feld auftritt. Dieses Feld ist äquivalent dem Schwellenwertfeld der Zelle. Bei Feldstärken oberhalb dieses Schwellenwertes tritt eine starke Änderung in der Absorption bis zu einer Feldstärke von etwa 1,6 χ 10' Volt/cm auf. Oberhalb dieser Feldstärke ist bei stärker ansteigenden Werten des Feldes die Änderung in der Absorption verhältnismässig klein.

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Claims

Patentansprüche .

(1·J) Elektrooptisches Lichtventil mit einem flüssigen Kri- J

stall, dadurch gekennzeichnet, daß dieser ·

den Stoff Acyloxybenzyliden-Anil enthält und daß an diesen Stoff : ein elektrisches Feld angelegt wird.

2.) Ventil nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß dieser Stoff eine Nitrilgruppe in ParaOrientierung enthält.

j 3.) Ventil nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e η η -

ζ e i ch η e t, daß dieser Stoff ein ß-n-Acyloxybenzyliden-p^- Aminobenzonitril ist und daß die Acyloxyestergruppe bis zu sieben Kohlenstoffatome enthält.

4.) Ventil nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß der flüssige Kristall eine Mischung eines £-n -Acyloxybenzyliden-^-Aminobenzonitrils und eines p_-n-Alkoxy- ί

i benzyliden-E'-Aminobenzoritril ist.

'· 5·) Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung^-n-Hexyloxybenzyliden-^-Amino- : benzonitril zusammen mit entwedei^para-substituiertem Caproyl ; j oder Heptoy!ester oder Caprylester von Benzyliden-£'-Aminobenzo- ι ί nitril oder Kombinationen dieser Stoffe enthält.

• 6.) Ventil nach Anspruch 4,dadurch gekenn-

jzeichnet, daß die Mischung von 53 bis 34$ von £-n-Hexyl- i

ί oxybenzyliden-p'-Aminobenzontril, von ^n-Heptoylbenzyliden-fi¹- _:

; amonobenzonitril und/oder ^n-Caprylbenzyliden-fi¹ -Aminobenzo- ■

nitril. '

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7·) Lichtventil nach Anspruch I₉ gekennzeichnet durch einen pleochroischen Farbstoff.

8.) Lichtventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 0,5 bis 5 Gewichts-^ eines pleochroischen Farbstoffs, der dem flüssigen Kristall beigemischt ist.

9-) Lichtventil nach Anspruch 8, da'durch gekennzeichnet, daß der pleochroische Farbstoff im Bereich von 1 bis 2 Gewichts-? vorhanden ist.

io.) Lichtventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der pleochroische Farbstoff aus Indophenol-Blau besteht.

11.) Lichtmodulationseinrichtung , gekennzeich.-n e t durch

a) eine monochromatische Lichtquelle, deren Licht auf einen flüssigen Kristall auffällt,

b) ein Lichtventil , bestehend aus einem flüssigen Kristall, nach Anspruch 1, mit 0,5 bis Gewichts-ί eines pleochroischen Farbstoffs, wobei dieser Farbstoff das von der monochromatischen Lichtquelle emittierte Licht absorbiereη kann,

c) durch Mittel zur Ausrichtung der Moleküle des Kristalls und des Farbstoffs.

12.) Lichtmodulationssystem nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet , daß der Farbstoff aus Indophenol-Blau besteht und daß die monochromatische Lichtquelle ein Helium-Neon-Laser ist, der Licht innerhalb der Absorptionsbande des genannten Farbstoffs emittiert und einen Polarisator zwischen der Lichtquelle und dem Lichtventil enthält.

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