Elektrooptische Vorrichtung mit steuerbarer Lichtstreuung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrooptische Vorrichtung mit steuerbarer Lichtstreuung, die gekennzeichnet ist durch eine Schicht aus einer nematischkristallinen Flüssigkeit und Mittel zum Anlegen einer elektrischen Spannung an diese Schicht, welche Schicht durch Anlegen der elektrischen Spannung infolge des durch die Schicht fliessenden Stromes aus dem transparenten in den lichtstreuenden Zustand versetzbar ist und bei Ausschalten der Spannung wieder in den transparenten Zustand zurückkehrt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung beruht auf der Entdeckung, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an eine Schicht aus bestimmten nematischzkri- stallinen Flüssigkeiten ein Durchgang von Ionen bewirkt wird, wodurch Bereiche der Flüssigkeit unregelmässige Bewegungen ausführen, wobei die Ausrichtung der Moleküle der nematisch-kristallinen Flüssigkeit gestört wird.
Diese S:örung, die auf den Bereich, an den die Spannung angelegt wird, beschränkt ist, bewirkt eine wirkungsvolle Streuung des Lichts, das auf diesen Bereich einfällt. Der Grad der Lichtstreuung kann durch Verändern der Stärke der angelegten Spannung zwischen einem Schwellenwert, der zur Auslösung des Ionendurchgangs erforderlich ist, und einem Sättigungswert, über dem nur eine geringe oder keine Veränderung des Grades der Lichtstreuung stattfindet, variiert werden.
Der Grad der Lichtstreuung, der bei Verwendung nematisch-kristalliner Flüssigkeiten, die diesen in der Folge als dynamischer Streueffekt bezeichneten Effekt zeigen, erzielt werden kann, ist grösser als derjenige, der erzielbar ist, wenn Materialien nach dem Stand der Technik verwendet werden, bei denen ein elektrisches Feld eine Drehung von Abschnitten oder Ballungen in der nematischen Flüssigkeit bewirkt. Anzeigevorrichtungen, bei denen dieser neue Effekt ausgenützt wird, können Kontrastverhältnisse von mehr als 20 : 1 und Ansprechgeschwindigkeiten aufweisen, die für kommerzielle Fernsehzwecke ausreichend sind.
Die nematisch-kristallinen Flüssigkeiten, die bei der erfindungsgemässen Vorrichtung verwendbar sind, sind vorzugsweise hochreine nematische Materialien, die ohmsche Widerstände im Bereich von etwa 108 bis 1011 Ohm.cm aufweisen. Unreine kristalline Flüssigkeiten, bei denen der ohmsche Widerstand aufgrund der darin enthaltenen Verunreinigungen weniger als 108 Ohm beträgt, sind bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wenig geeignet. Wenn die nematischen Materialien, von denen bisher festgestellt wurde, dass sie für die erfindungsgemässe Vorrichtung geeignet sind, sich in reinem Zustand befinden, zeigen sie im Gegensatz zu den nematischen Materialien gemäss dem Stand der Technik in einem angelegten Feld keine abschnittweise Drehung.
Ebenso zeigen die nematisch-kristallinen Flüssigkeiten gemäss dem Stand der Technik keinen Bewegungseffekt, wie es bei den Materialien der Fall ist, die für die erfindungsgemäs & Vorrichtung brauchbar sind.
Die nematisch-kristalline Flüssigkeit sollte einen tÇberschuss an beweglichen Ionen enthalten, um einen Stromfluss zwischen den Elektroden zu ermöglichen. Die Ionen können ständig in der Flüssigkeit vorliegen, oder sie können durch Injektion von Elektronen nach Anlegen einer genügend hohen SPannung von der Kathode erzeugt werden.
Der Begriff Überschuss an beweglichen Ionen schliesst ein: 1. einen Nettounterschied zwischen der Anzahl der negativen Ionen und der Anzahl der positiven Ionen; 2. eine bevorzugte Absorption von Ionen einer Polarität auf der Oberfläche der- Trägerstruktur oder sonstwo, so dass Ionen von entgegenge setzter Polarität im wesentlichen den Stromfluss in der Vorrichtung verursachen; und 3. einen sehr grossen Unterschied zwischen der Oberführungszahl der Ionen der einen Polarität und der Überführungszahl der Ionen der anderen Polarität, so dass der Stromfluss in der Vorrichtung im wesentlichen auf dem Ion beruht, das die grösste Überführungszahl hat.
Der Nettounterschied zwischen der Anzahl von Ionen einer Polarität und der Anzahl von Ionen der entgegengesetzten Polarität kann beispielsweise daherrühren, dass Elektronen in die Kristalline Flüssigkeit injiziert und darauf ein Elektron von einem ungeladenen Molekül eingefangen wird, so dass ein negatives Ion entsteht.
Die Theorie, auf der die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung beruht, ist noch nicht völlig bewiesen und wird hier nur dargelegt, um zum Verständnis der Arbeitsweise dieser Vorrichtung beizutragen. Es ist zu beachten, dass die hier offenbarte erfindungsgemässe Vorrichtung nicht durch die vorgeschlagene Theorie eingeschränkt werden soll.
Es gibt zahlreiche Mechanismen, durch die ein elektrisches Feld auf ein gasförmiges oder flüssiges Medium eine Kraft ausüben kann. Zu diesen Mechanismen gehören beispielsweise Elektrorestriktion, räumlich verschieden grosse Dielektrizitätskonstanten, Dielektrophorese, Elektrophorese und elektrohydrodynamische Effekte. Es wird angenommen, dass die in der erfindungsgemässen Vorrichtung erzeugte lonenbewegung, die nach dem Aufbau eines ausreichend starken elektrischen Feldes auftritt, auf elektrohydro dynamischen Effekten beruht. Diese Effekte beruhen auf mechanischen Kräften, die durch unipolare elektrische Leitung erzeugt werden.
Wenn sich beispielsweise Ionen in einem teilweise ionisierten Medium unter dem Einfluss eines elektrisdien Feldes bewegen, wird durch Reibung oder Zusammenstösse mit Molekülen des Trägermediums auf die ietzteren ein Impuls übertragen. Wenn im wesentlichen nur Ionen einer Polarität vorliegen, können die bei diesem Effekt auftretenden Drücke bedeutend sein.
Versuchsergebnisse führen zu der Annahme, dass der Aufbau eines elektrischen Feldes in der Vorrichtung die Moleküldesorientierung in der kristallinen Flüssigkeit hervorruft, indem zuerst bewirkt wird, dass die in der Flüssigkeit enthaltenen freien Ionen einen Impuls erhalten. Dieser Impuls wird dann auf ungeladene Moleküle, die im wesentlichen die gleiche Masse wie die Ionen haben, durch direkte Stösse oder durch das Auftreten ungleichmässiger Scherkräfte in Bereichen von sich überlappenden Doppelschichten oder neutralisierenden Ladungswolken, die die beweglichen Ionen nach der Theorie umgeben, übertragen. Diese Doppelschichten oder neutralisierenden Ladungswolken können mit den wohlbekannten Helmholtz-Doppelschichten verglichen werden.
Es ist jedoch auch möglich, sie als einen im wesentlichen ladungsfreien Bereich zu beschreiben, der ein Ion umgibt, wobei die potentielle Energie eines polaren oder polarisierbaren Moleküls im Feld des Ions grösser als die thermische Energie oder ebenso gross wie diese ist. Es ist auch möglich, dass das ungleichmässige Muster des Feldes, das von den beweglichen Ionen erzeugt wird, die neutralen Moleküle in Bewegung versetzt. Die auf diese Weise im Bereich des angelegten Feldes erzeugte Molekülbewegung ergibt eine Streuung des Lichtes, das auf diesen Bereich fällt. Der optische Effekt, wie er für einen Betrachter sichtbar ist, der das durch den gestörten Bereich dringende oder von ihm reflektierte Licht beobachtet, besteht in einer Anderung der Helligkeit, die auf der Streuung des Lichts in diesem Bereich beruht.
Es ist zu beachten, dass die Molekülbewegung keine Zerstörungen hervorruft. D. h., dass die Molekülbewegung nicht auf einem zerstörenden oder Verlustvorgang beruht, wie beispielsweise Sieden oder ein dielektrischer Durchschlag des aus einer kristallinen Flüssigkeit bestehenden Mediums.
Zu den Versuchsergebnissen, auf denen diese Annahme beruht, gehört: die Variierung der Entstehungsund Abklingzeit des Lichtstreueffekts als Funktion der Leitfähigkeit der nematisch-kristallinen Flüssigkeit, die Abhängigkeit des Effekts von der Elektrodenpolarität und den Elektroneninjektionseigenschaften der Kathode, wenn ein Gleichstromfeld verwendet wird; das anomale Verhalten, das beobachtet werden kann, wenn sich die Schichtdicke der Debye-Länge der Ionen annähert; die Auslösung und Verbreitung des feldinduzierten optischen Effekts von der Kathode aus; der im Vergleich zum Druck an der Anode niedrige Druck, der auf die Kathode ausgeübt wird, wenn ein elektrisches Feld vorhanden ist; und die Tatsache, dass Strom fliessen muss, wenn der optische Effekt beobachtet werden soll.
In den Zeichnungen, die einige Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, ist:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemässen elektrooptischen Anzeigevorrichtung, wobei Teile eggebrochen sind, sowie eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Betätigung der Vorrichtung;
Fig. 2 ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäss Fig. 1 bei dem Licht durchgelassen wird;
Fig. 3 ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäss Fig. 1 bei dem Licht absorbiert wird;
Fig. 4 ein Querschnitt durch ein reflektierendes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäss Fig. 1 bei dem Licht reflektiert wird;
Fig. 5 ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung, das so disponiert ist, dass ein hohes Kontrastverhältnis erzielt wird;
;
Fig. 6 ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, wobei ein Elektronenstrahl die Vorrichtung abtastet;
Fig. 7 ein Diagramm, das das Reflexionskontrastverhältnis in Funktion einer Gleichspannung zeigt, um den Einfluss der angelegten Gleichspannung auf das Kontrastverhältnis dazustellen, und
Fig. 8 ein Diagramm, das die integrierte Reflexion in Funktion einer gepulsten Spannung zeigt, um die Wirkung einer solchen Spannung auf die Intensität des reflektierten Lichts zu veranschaulichen.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe optische Anzeigevorrichtung 10 mit einem Kreuzgitter. Die Vorrichtung 10 besteht aus einer hinteren und einer vorderen Trägerplatte 11 und 12 aus transparentem Glas. Die beiden Trägerplatten 11 und 12 weisen im wesentlichen zueinander parallele Innenseiten 13 und 14 auf, die mit einem Abstand d voneinander entfernt sind, der im allgemeinen 5 bis 30 Mikron beträgt. An der Innenseite 13 der hinteren Trägerplatte 11 ist eine Anzahl von parallel im Abstand angeordneten transparenten hinteren Elektrodenstreifen 15a, 15b, 15c und 15d vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind nur vier hintere Elektrodenstreifen (15a, 15b, 15c, 15d) dargestellt. Es kann jedoch eine wesentlich grössere Anzahl von Elektrodenstreifen verwendet werden.
An der Innenseite 14 der vorderen Trägerplatte 12 ist eine Anzahl von parallel im Abstand angeordneten transparenten leitfähigen vorderen Elektrodenstreifen 16a, 16b, 16c, 16d vorgesehen. Die vorderen Elektrodenstreifen 16a bis 16d sind so angeordnet, dass sie in ihrer Längsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der hinteren Elektrodenstreifen 15a bis 15d verlaufen.
Wiederum sind nur vier vordere Streifen (16a, 16b, 16c, 16d) dargestellt, während eine wesentlich grössere Anzahl verwendet werden kann.
Der Raum zwischen der hinteren und der vorderen Trägerplatte 11 und 12 ist mit einem Medium gefüllt, das eine Schicht 17 bildet. Die Schicht 17 besteht aus einer neínatisch-kristallinen Flüssigkeit, in der eine Molekülbewegung ausgelöst wird, wenn ein elektrisches Feld daran angelegt wird, das darin einen elektrischen Stromfluss bewirkt. Als Schichtmaterial dient beispielsweise Anisyliden-p-aminophenylacetat, das einen Über- schuss an beweglichen Ionen enthält. Die Schicht 17 ist ein schwacher Elektrolyt.
Die Vorrichtung 10 weist Verbindungen 18a bis 18d und 19a bis 19d auf, um an die hinteren Elektrodenstreifen 15a bis 15d und an die vorderen Elektroden 16a bis 1 6d eine Spannung anzulegen. Hierbei gehören die Verbindungen und/oder die Elektrodenstreifen zu den Mitteln, die dazu dienen, um an die Schicht aus der nematisch-kristallinen Flüssigkeit ein elektrisches Feld oder eine Spannung anzulegen.
Fig. 1 zeigt ausserdem eine Schaltung zur Betätigung der Anzeigevorrichtung 10. Die Schaltung weist einen Kommutatorschalter 31 für die hinteren Elektrodenstreifen auf, dessen Zentralkontakt 34 an eine Klemme einer Spannungsquelle 30 und an Erde 32 liegt. An die Kontakte des Kommutatorschalters 31 sind die Verbindungen 18a bis 18d der hinteren Elektrodenstreifen über Leitungen 33a bis 33d angeschlossen. Ausserdem ist ein Kommutatorschalter 35 für die vorderen Elektrodenstreifen vorgesehen, dessen Kontakte über Leitungen 36a bis 36d an die Verbindungen 19a bis 19d der vorderen Elektrodenstreifen angeschlossen sind. Sein Zentralkontakt 37 ist mit dem anderen Pol der Spannungsquelle 30 verbunden.
Bei einer Ausführungsform, bei der das Licht die Vorrichtung durchquert und wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist auf einer Seite der Vorrichtung 10 eine Lichtquelle 21 so angeordnet, dass das Licht in einer zu den Hauptfiächen der Trägerplatten 11 und 12 im wesentlichen senkrechten Richtung durch die Vorrichtung geleitet wird. Der Betrachter 22 befindet sich auf der von der Lichtquelle 21 abgewandten Seite der Vorrichtung 10.
Wenn die elektrische Feldstärke unter einem Schwellenwert liegt, sieht der Betrachter 22 eine gleichmässig helle Platte. Wenn zwischen einem hinteren Elektrodenstreifen und einem vorderen Elektrodenstreifen, beispielsweise zwischen den Elektrodenstreifen 15a und 16d, über die Verbindungen 18a und 19d eine genügend hohe Spannung angelegt wird, wird der Bereich der Schicht 17, der sich im Schnittpunkt der unter Spannung stehenden Elektrodenstreifen befindet, vom Strom durchflossen. Dieser Stromfluss bewirkt eine Turbulenz im bezüglichen Schichtbereich, welche eine Streuung des Lichts hervorruft, das in jenen Teil der Vorrichtung einfällt. Der Betrachter sieht, dass dieser Bereich seines Blickfeldes dunkler als der übrige Plattenbereich wird, was auf der Streuung des Lichtes beruht.
Der Schwellenwert der Spannung, der erforderlich ist, um diese Wirkung zu erzielen, beträgt im allgemeinen 5000 bis 10 000 Volt je cm Schichtdicke. Wenn die angelegte Spannung zu gross ist, kann ein unerwünschter elektrischer Durchschlag in der aus der nematischkristallinen Flüssigkeit bestehenden Schicht eintreten.
Die angelegte Spannung kann beispielsweise Wechselstrom, Gleichstrom oder pulsierender Gleichstrom sein.
Wenn nacheinander mehr als ein Elektrodenstreifen aus jedem der Elektrodensätze mit der Spannungsquelle verbunden wird, wird eine Anzahl von bestimmten Bereichen verdunkelt. Abtasttechniken, die vom Wandfernsehen her bekannt sind, können angewandt werden, um nacheinander und zyklisch die Elektrodenstreifen unter Spannung zu setzen und die Amplitude der Spannung zu modulieren. Auf diese Weise können verschiedenartige Informationen optisch sichtbar gemacht werden. Da ausserdem an jeder Trägerplatte eine grosse Anzahl von im geringen Abstand angeordneten Elektrodenstreifen, beispielsweise Elektrodenstreifen, die ca. 0,026 mm breit und ca. 0,013 mm voneinander entfernt sind, vorgesehen ist, kann mit einer derartigen Vorrichtung ein Bild erzeugt werden.
Auch kann die Prozentzahl des gestreuten Lichts und folglich der Verdunkelungsgrad für jedes Element moduliert werden, indem die Höhe der über dem Schwellenwert liegenden Spannung gesteuert wird, wodurch auch Grautöne möglich sind. Es ist auch möglich, ein Bild durch gleichzeitiges Erregen einer Anzahl von ausgewählten Elektrodenstreifen zu erzeugen.
Bei der vorstehend beschriebenen Anzeigevorrichtung wird der Effekt durch Modulation des durchgelassenen Lichtes erzielt, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Es ist auch möglich, die Vorrichtung durch Modulation von reflektiertem oder absorbiertem Licht zu betreiben. Bei einer auf Absorption beruhenden Arbeitsweise wird eine Vorrichtung 10a gemäss Fig. 3 verwendet. Die Vorrichtung 10a unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 dadurch, dass eine Trägerplatte, beispielsweise die hintere Trägerplatte 11, mit einer aus einem dunklen Material bestehenden Schicht 23 bedeckt ist, so dass das Licht, das durch die transparente Platte 12 der Schicht 17 aus der nematisch-kristallinen Flüssigkeit dringt, von der dunkelfarbigen Platte 11 absorbiert wird. Es ist auch möglich, dass die hintere Trägerplatte selbst aus einem dunkelfarbigen Material besteht.
Lichtquelle 21a und Betrachter 22a befinden sich auf der Seite der Vorrichtung 10a, an der sich die transparente Platte befindet.
Wenn zwischen keinem der Elektrodenstreifen 15a bis 15d und 16a bis 16d eine Spannung angelegt wird, bietet sich dem Betrachter eine dunkle Oberfläche der Vorrichtung dar, da im wesentlichen das gesamte Licht von der dunklen Platte 11 absorbiert und nur ein geringer Teil des Lichtes zum Betrachter zurückgespiegelt wird.
Wenn eine über dem Schwellenwert liegende Spannung an irgendeines der aus je einer vorderen und einer hinteren Elektrode bestehenden Elektrodenpaare, beispielsweise an die Elektrodenstreifen 15a und 16d gelegt wird, wird ein Teil des Lichtes im Schnittpunkt dieser Elektroden von dem aus flüssigen Kristallen bestehenden Schicht 17 reflektiert und zeigt sich dem Betrachter als heller Bereich. Bei dieser Arbeitsweise wird der prozentuale Anteil des reflektierten Lichts durch die Stärke der angelegten Spannung moduliert. Ausserdem ist das reflektierte Bild umso heller, je heller die Lichtquelle oder die Umgebung ist. Diese Arbeitsweise ist am wenigsten leistungsfähig und am wenigsten wünschenswert, da etwa 900/0 des Lichts von der Schicht aus der nematisch-kristallinen Flüssigkeit nach vorn und nicht nach hinten gesteuert wird.
Folglich bewegt sich der grösste Teil des Lichts in der gleichen gemeinsamen Richtung wie vor der Streuung und wird von der dunklen Oberfläche absorbiert.
Bei der bevorzugten Arbeitsweise wird das Licht reflektiert, wozu eine Vorrichtung 10b dient, die in Fig.
4 dargestellt ist. Hierbei ist eine Trägerplatte der Vorrichtung 10b, beispielsweise die hintere Trägerplatte 11, reflektierend und nicht absorbierend ausgebildet, indem beispielsweise eine stark reflektierende Beschichtung 24 auf der Aussenfläche der Trägerplatte 11 vorgesehen ist. Bei der auf Lichtreflexion beruhenden Arbeitsweise befinden sich Lichtquelle 21b und Betrachter 22b beide auf der Seite der Vorrichtung 10b, auf der sich eine transparente Platte 12 befindet. Die Lichtquelle 21b stellt vorzugsweise, jedoch nicht unbedingt, ein ausgeblendetes Strahlenbündel her, das unter einem derartigen Winkel auf die Vorrichtung auftrifft, dass das von der reflektierenden Beschichtung 24 zurückgeworfene Licht nicht auf den Betrachter 22b fällt.
Wenn wie im Vorhergehenden schon beschrieben eine Spannung an die Elektrodenstreifen gelegt wird, wird das Licht im Bereich des Elektrodenschnittpunktes gestreut, so dass ein Teil des Lichtes vom Betrachter gesehen wird. Diese Arbeitsweise ist wirkungsvoller als die auf Lichtabsorption beruhende, da hier das vonvärts gestreute Licht zum Betrachter zurückgeworfen wird und somit ein helleres Bild erzielt werden kann.
Eine Vielzahl von transparenten festen Materialien kann für eine transparente Trägerplatte verwendet werden. Dazu gehören verschiedene Arten von Glas, Quarzglas, transparenter Korund und transparente Kunststoffe und Kunstharze. Eine nicht transparente Trägerplatte kann aus den gleichen Stoffen wie die transparente Trägerplatte bestehen, wobei sie mit einem Stoff, beispielsweise einem schwarzen organischen Farbstoff, zwecks Absorption oder einem Metallfilm zur spiegelartigen Reflexion, beschichtet sein kann.
Die transparenten Elektrodenstreifen können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass dünne Schichten aus Indiumoxyd oder Stannioxyd auf den gewünschten Bereich der Platten 11 und 12 aufgebracht werden. Die Elektrodenstreifen auf der lichtabsorbierenden oder lichtreflektierenden Trägerplatte brauchen nicht transparent zu sein und können beispielsweise aus einer Schicht aus Kupfer, Aluminium, Chrom oder Nickel bestehen. Wenn ein Gleichspannungsfeld verwendet wird, wird als negative Elektrode ein guter Elektroneninjektor, beispielsweise ein Metall bevorzugt. Bevorzugte Stoffe für die Elektroden sind Schichten aus Nickel, Kobalt, Aluminium und transparentem Zinnoxyd, wobei Nickel und Kobalt besonders für Kathoden geeignet sind.
Die Elektrodenstreifen 15a bis 15d und 16a bis 16d müssen mit der Schicht 17 aus einer kristallinen Flüssigkeit in Kontakt stehen, um einen Stromfluss zu ermöglichen. Es ist auch möglich, Leiter zu verwenden. die durch die Trägerplatten laufen, beispielsweise Drähte, die in den Trägerplatten eingebettet sind oder die Trägerplatte durchquerende, aus leitfähigem Material gebildete Zapfen sind. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Spannung auch zwischen parallel zueinander angeordneten Elektroden anstelle von kreuzweise zueinander angeordneten Elektroden angelegt werden.
Der Abstand zwischen den Trägerplatten kann auf verschiedene Weisen aufrechterhalten werden. Dazu können beispielsweise Blechzwischenlagen, Klammern oder ein geeigneter rahmenähnlicher Halter verwendet werden.
Im Betrieb wird die Vorrichtung auf einer Temperatur gehalten, bei der die nematisch-kristalline Flüssigkeit sich im mesomorphen Zustand befindet. Wenn eine Erwärmung erforderlich ist, so kann diese durch aussen angeordnete Heizgeräte erfolgen. Beispielsweise können Infrarotheizlampen oder Heizwicklungen sehr nah bei der Vorrichtung angeordnet werden. Andererseits ist es auch möglich, an den Aussenseiten der Trägerplatten Widerstandsschichten vorzusehen, an die eine Spannung angelegt wird, so dass die von diesen Schichten abgegebene Heizleistung die Vorrichtung erhitzt. Vorzugsweise werden die Vorrichtungen auf Temperaturen erhitzt, die etwas über der Übergangstemperatur vom festen in den flüssigen Zustand liegen, weil eine nematisch-kristalline Flüssigkeitsschicht bei oder im Bereich der Ubergangs- temperatur langsamer anspricht als bei höheren Temperaturen.
Auch kann sich das Kontrastverhältnis in der Nähe der Übergangstemperaturen vermindern, da schon ohne ein elektrisches Feld eine Lichtstreuung vorliegt.
Ausserdem wurde entdeckt, dass es zur Erzielung eines maximalen Kontrastverhältnisses einer unter Ausnützung des Reflektionseffektes arbeitenden und nicht gebündeftes Licht als Lichtquelle verwendenden Vorrichtung vorzuziehen ist, wenn die Vorderseite der Vorrichtung vor einem schwarzen oder Licht absorbierenden Hintergrund liegt. D. h., dass die Vorrichtung in einem solchen Winkel angeordnet sein sollte, dass der grösste Teil des auf die Vorrichtung fallenden ungestreuten Lichts, auf einen Licht absorbierenden Hintergrund reflektiert wird. Auf diese Weise sieht die Oberfläche der Vorrichtung mit Ausnahme des Bereiches, in dem gestreutes Licht zum Betrachter zurückgeworfen wird, dunkel aus. Dieser Bereich erscheint als ein Lichtpunkt, der in starkem Kontrast zu den umgebenden dunklen Bereichen steht.
Um störende spiegelungsähnliche Reflexionen der Umgebung zu beseitigen, sollte die vordere Trägerplatte oder eine getrennte Deckplatte mit einer leicht matten Oberfläche versehen sein, um das reflektierte Licht so in den Raum zu zerstreuen, dass spiegelungsähnliche Reflexionen beseitigt sind.
Fig. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel ein Gehäuse für die Vorrichtung lOb. Das Gehäuse besteht aus einem Kasten 51, der eine Länge von etwa 17 cm, eine Breite von etwa 10 cm und eine Tiefe von etwa 4 cm aufweist.
Der Kasten 51 ist mit Ausnahme eines etwa 7 x 7 cm grossen Bereichs, der aus seiner Vorderseite 52 herausgeschnitten ist, völlig geschlossen. Dieser Bereich liegt etwa 2,5 cm von einer oberen Kante und etwa 2 cm von beiden Seiten der Vorderseite 52 entfernt. Eine 7,6 x 7,6 cm grosse Anzeigevorrichtung 10b ist gegen über der von dem ausaeschnittenen Bereich der Vorderseite 52 gebildeten Öffnung im Kasten 51 gelagert. Die Vorrichtung 10b ist mittels eines Trageteiles 53, das an dem hinteren Teil 54 des Kastens 51 befestigt ist, so angebracht, dass sie unter einem Winkel von etwa 100 gegenüber der Vorderseite 52 des Kastens 51 geneigt ist.
An der oberen Kante des Kastens 51 ist ein Deckel 55 mittels eines Scharniers 56 schwenkbar angelenkt. Die Innenfläche 57 des Deckels ist schwarz. Wenn der Deckel 55 in eine schräge, in Fig. 5 gezeigte Stellung angehoben wird, trifft der grösste Teil des Lichts, das beispielsweise von der in der Umgebung vorgesehenen Lichtquelle 21b ausgeht, auf die Vorrichtung 10b. Wenn an die Vorrichtung 10b keine Spannung gelegt wird, wird das Licht auf die schwarze Innenfläche 57 des Deckels 55 reflektiert, so dass die Vorrichtung für den Betrachter 22b dunkel erscheint. Wenn an einen gegebenen Bereich der Vorrichtung 10b eine Spannung angelegt wird, wird ein Teil des Lichts, das auf diesen Bereich auftrifft, gestreut und zum Betrachter 22b zurückgeworfen, so dass dieser Abschnitt gegenüber den benachbarten Bereichen, an die keine Spannung angelegt ist, hell aussieht.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Hier wird die an der Schicht 17 liegende Spannung von der Ladung erzeugt, die von einem Elektronenstrahl geliefert wird, der auf die gleiche Weise wie bei einem Fernsehsystem die Oberfläche der Vorrichtung bestreicht. Der Strahl liefert eine Ladung für einen ausgewählten Bereich.
Diese Ladung induziert die Spannung, die in diesem Bereich an der Schicht 17 liegt. Die Ladung wird während einer Teilbilddauer durch Eindringen in die Schicht aus der nematisch-kristallinen Flüssigkeit abgeleitet, wo sie sich mit einem ungeladenen Molekül unter Bildung eines beweglichen Anions verbindet. Das bewegliche Anion entlädt sich, wenn es die Anode erreicht.
Die Vorrichtung nach Fig. 6 weist eine vordere Trägerplatte 12 auf, auf deren einen Seite eine elektrisch leitende, geerdete transparente Schicht 61 vorgesehen ist. Mit Abstand von und im wesentlichen parallel zu der vorderen Trägerplatte 12 ist eine hintere Trägerplatte 1 1c angeordnet. In der hinteren Platte 11c ist eine Anzahl von Löchern und ein Leitermaterial, beispielsweise leitfähige die Löcher ausfüllende Epoxydharzzapfen 62 vorgesehen. Die Epoxydharzzapfen sind vorzugsweise mit aufgedampftem Aluminium überzogen. Wie oben beschrieben, füllt eine Schicht 17 den Raum zwischen der vorderen und der hinteren Trägerplatte aus und steht mit der transparenten leitfähigen Schicht in Kontakt. Die Vorrichtung weist ausserdem Mittel zur Erzeugung von die hintere Trägerplatte abtastenden Elektronenstrahlen, beispielsweise eine Elektronenstrahlkanone 63, auf.
Anstelle von leitfähigen Epoxyharzzapfen können in der hinteren Trägerplatte Metalldrähte eingebettet sein. Es ist ausserdem erforderlich, ein luftleeres Gehäuse 64 vorzusehen, in dem die hintere Trägerplatte 11c und die Elektronenstrahlkanone 63 untergebracht sind.
Die Elektronenstrahlabtasteinnchtung kann als Farbsystem ausgebildet sein, indem eine Zwischenplatte verwendet wird, die selektiv eine bestimmte Primärfarbe reflcktiert. Beispielsweise können die Zapfen in Farbtripeln angeordnet sein, wobei die Zapfenstirnfläche die mit der Schicht in Kontakt steht, eine leitende Schicht, beispielsweise eine Aluminiumschicht, trägt und wobei diese Aluminiumschicht mit einem Farbstoff behandelt ist, um selektiv eine der Primärfarben zu reflektieren, wobei jeder Punkt eines Farbtripels eine andere Primärfarbe reflektiert. Es ist auch möglich, eine vordere Trägerplatte, die selektiv eine besondere Primärfarbe reflektiert, zu verwenden, um ein Farbbild zu erzielen.
Dann kann die Vorrichtung von einer herkömmlichen, dreistrahligen Elektronenkanone abtetastet werden, wie dies bei herkönmllchen Lochmaskenfarbfernsehröhren üblich ist. Die Farbtripelstruktur oder die zur selektiven Übertragung dienende Trägerplattenstruktur, die oben beschrieben ist, kann auch verwendet werden, um ein Farbbild mit anderen Abtastsystemen als der Elektronenstrahlabtastung, beispielsweise mit Matrixabtastung, herzustellen.
Bei den neuartigen elektrooptischen Vorrichtungen, die aufgrund der dynamischen Abtastweise arbeiten, kann eine grosse Anzahl von nematisch-kristallinen Flüssigkeiten verwendet werden. Vorzugsweise besitzen diese Flüssigkeiten einen Ohmschen Widerstand von etwa 108 bis 1011 Ohm.cm. Der Ohmsche Widerstand, der für irgendeine besondere Vorrichtung erforderlich ist, hängt von der Ladungsdichte und der Ionenkonzentration der Schicht 17 ab. Eine bevorzugte Klasse von nematisch-kristalliner Flüssigkeiten die den früher beschriebenen Molekülbewegungseffekt zeigen, sind Schiff'sche Basen, bei denen Sauerstoffatome an die äussersten Parastellungen der aromatischen Ringe der Verbindung gebunden sind.
Die Schicht 17 besteht vorzugsweise aus Anisylidenp-amino-phenylacetat (in der Folge APAPA bezeichnet), das Spuren von p-(n-Butoxy)-benzoesäure (in der Folge als BBA bezeichnet) enthält. APAPA kann zwar auch ohne BBA verwendet werden. Es ist jedoch etwas milchig und bewirkt eine unerwünschte Nullfeldreflektion, wodurch das Kontrastverhältnis der Vorrichtung vermindert wird. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Spuren von BBA dieses milchige Aussehen wesentlich vermindert. Bei Vorrichtungen, die einen aus APAPA und BBA bestehende Schicht aufweisen und mit Lichtreflexion arbeiten, wurden Kontrastverhältnisse von mehr als 20 : 1 erzielt.
Damit der dynamische Reflexeffekt auftritt, wenn die Schicht aus APAPA besteht, wird angenommen, dass die Ladungsdichte in der Schicht unter dem Maximum von
EMI5.1
liegen sollte, wobei e die relative Dielektrizitätskonstante und ò die absolute Dielektrizitätskonstante der kristallinen Flüssigkeit im freien Raum, k die Boltzmannsche Konstante, T die absolute Temperatur und e die Ladung eines Elektrons ist. Alle Einheiten sind im MKS-System angegeben. Diesem Maximum liegt eine durch Berechnung bestimmte Dicke der neutralisierenden Ladungswolke zu grunde, von der angenommen wird, dass sie die beweglichen Ionen in der Schicht umgibt. Der Radius des Ions plus die doppelte Dicke der Ladungswolke ergibt die Debye-Länge des Ions.
Im Betrieb benötigen APAPA-Schichten Spannungen von 10 bis 100 Volt bei einer Schichtdicke von ca.
0,013 mm, wobei die Betriebstemperaturen im Bereich von 65 bis 95 C liegen. Die Lichtstreuung weist bei Änderungen des elektrischen Feldes gewöhnlich eine Aufbauzeit von zwei Millisekunden und eine Abklingzeit von 15 bis 30 Millisekunden auf.
Andere nematisch-kristalline Flüssigkeiten, die bei der erfindungsgemässen Vorrichtung verwendet werden können, sind beispielsweise p-Azoxyanisol, p-(n-Butoxy)-benzoesäuredimer, p-(n-Butoxy)-benzyliden-p'-ami- nophenylacetat, p-(n- ctoxy)-benzyliden-p'-amino-phe nylacetat, p-Benzyliden-n-proprionat-p'-aminophenylmethylat, p-Anisyliden-p'-aminophenyl-n-butyrat, p-(n Butoxy)-benzyliden-p'-aminophenylpento at und deren Gemische. Die Ohmschen Widerstände der oben genannten Verbindungen liegen im allgemeinen im Bereich von etwa 109 bis 5 x 1010 Ohm.cm, wobei jedoch hochreines p-Azoxyanisol ausgenommen ist, das einen Ohmschen Widerstand von 1011 oder mehr Ohm.cm aufweist. Vorrichtungen, die Schichten aufweisen, bei denen dieses äusserst reine p-Azoxyanisol verwendet wird, zeigen nicht den dynamischen Streueffekt.
Dies ist auch bei nicht reagenzienreinem p-Azoxyanisol der Fall.
Der Effekt kann jedoch ausgelöst werden, wenn das reine p-Azoxyanisol mit Ionen dotiert wird, indem beispielsweise geringer Mengen Dodecylisochinoliniumbromid (dodecylisoquinonium bromide) in p-Azoxyanisol aufgelöst wird, um den Ohmschen Widerstand des Films auf weniger als 10tut Ohm.cm, aber mehr als 109 Ohm.cm zu verringern und einen Überschuss an beweg lichen Ionen in dem Film zu liefern.
Die erfindungsgemässen Vorrichtungen können entweder mit Wechselspannung oder Gleichspannung oder pulsierender Gleichspannung betrieben werden. Ausserdem können die in der Schicht befindlichen Ionen als Dotierungsmittel in die Schicht eingebracht oder durch Anlegen der Spannung an die Schicht erzeugt werden.
Im letzteren Fall wird angenommen, dass die Ionen durch die Injektion von Elektronen in die Schicht entstehen, wobei sich die Elektronen unmittelbar mit ungeladenen Molekülen der nematisch-kristallinen Flüssigkeit unter Bildung negativer Ionen vereinigen.
Für einen guten Betrieb und eine lange Lebensdauer der erfindungsgemässen Vorrichtungen ist es wichtig, dass die nematisch-kristalline Flüssigkeiten wenigstens so lange gereinigt werden, bis eine reversible und konstante Übergangstemperatur von nematisch4:ristalli- ner Flüssigkeit zu isotroper Flüssigkeit erzielt wird. Dies kann im allgemeinen dadurch erreicht werden, dass die nematisch-kristalline Flüssigkeiten bildenden Verbindungen wiederholt umkristallisiert werden. Es ist vorzuziehen, eine zusätzliche Umkristallisation vorzunehmen, nachdem eine konstante Übergangstemperatur erreicht worden ist, wobei die Lösung durch ein Filter mit Poren von etwa 0,2 Mikron filtriert wird.
Das Diagramm gemäss Fig. 7 zeigt eine Kurvendarstellung, in der das Reflexionskontrastverhältnis in Funktion der angelegten Gleichspannung aufgetragen ist, für eine Vorrichtung, die eine ca. 0,013 mm dicke Schicht aus einem Gemisch aus p-Anisyliden-p'-aminophenylacetat (APAPA) und p-(n-Octoxy)-b enzyliden-p'- aminophenylacetat eine hintere Siliziumelektrode und eine vordere transparente Elektrode aufweist.
Die Anderung des Kontrastverhältnisses bei einer Änderung der angelegten Spannung zeigt die erreichbare regelbare Grauskala. Eine Änderung des Kontrastverhältnisses und des Schwellenwerts der angelegten Spannung ist ausserdem als eine Funktion der Temperatur der Schicht dargestellt. Beispielsweise zeigt diese beson dere Vorrichtung bei einer Betriebstemperatur von 63 C und einer Spannung von 4 Volt ein Kontrastver hältnis von etwa 2 und bei einer Spannung von 60 Volt ein Kontrastverhältnis von etwa 19. Wenn dieselbe Vorrichtung bei 90 CC arbeitet, hat sie bei 4 Volt ein Kontrastverhältnis von etwa 11,5.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die integrierte Refle simon je Impuls im Verhältnis zur Impulsamplitude einer Vorrichtung zeigt, die mit pulsierender Spannung und nicht mit stetiger Gleichspannung betrieben wird. Die angewandte Vorrichtung wies eine ca. 0,013 mm dicke Schicht auf, die aus p-(n-Octoxy)-benzyliden-o-aminophenyl-acetat bestand, das einen Ohmschen Widerstand von etwa 1,05 x 1010 Ohm.cm aufweist. Die hintere Elektrode bestand aus Chrom, und die vordere Elektrode aus transparentem Zinnoxyd. Messungen wurden unter Verwendung eines Impulses von 60 Mikrosekunden Dauer bei 15 Impulsen je Sekunde vorgenommen.
Die Temperatur der Vorrichtung betrugt 86 "C. Bei der vorstehend genannten Erregung wurde eine mehr als dreifache Erhöhung der integrierten Reflexion bei Verdoppelung der Impulsamplitude erzielt. Die verwendeten Impulsamplituden variierten zwischen etwa 50 und 100 Volt.