DE1811529A1 - Elektro-optisches Lichtventil mit einer nematischen Fluessigkeit - Google Patents
Elektro-optisches Lichtventil mit einer nematischen FluessigkeitInfo
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Description
Elek t r O1-Op tische s Licht ve ntil mit einer'ne ■
matisehen Flüssigkeit
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrooptisches Lichtventil mit einer nematischen Flüssigkeit ("Flüssigkeit
skristall") und einer Anordnung zum Anlegen eines Feldes
an die Flüssigkeit.
Elektro-optische Lichtventile und Wiedergabeeinrichtungen
sowie hierfür .geeignete nematische Flüssigkeiten.,
die hüufig auch als "Flüssigkeitskristalle" bezeichnet werden,,
sind aus der USA-Patentschrift 3;. 322,485 bekannt. Einrichtungen
dieser Art lassen sich durch ein elektrisches Feld steuern und arbeiten während sich die nematische Flüssigkeit in ihrem mesonorphen
Zustand befindet. T-Jenn auf die nematische Flüssigkeit
der Einrichtung kein elektrisches Feld einwirkt, ist die eine
dünne Cchicht dieser Flüssigkeit enthaltende Einrichtung gewöhnlich
relativ lichtdurchlässig. Uird dagegen an die nematische Fl.'issi jkeit ein elektrisches Feld angelegt, das einen
ücnwalluert übersteigt,, 'welcher von der jeweiligen Zusammensetzung
der Flüssigkeit abhängt ., so erscheint die Einrichtung
im Bereich de^ Feldes dunkler. Dieses Dunkelwerden beruht auf
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der Streuung von Licht, durch Domunon aus Ilolekillen der nematischen
Flüssigkeit, welche sich im Feld ausrichten. Bei den
hier beschriebenen nematischen Flüssigkeiten ("Flüssigkeitskristallen")
beruht die Änderung der optischen Eigenschaften nämlich vermutlich auf der Ausrichtung von Domänen oder Sehwärmen
von doppelbrechenden Flüssigkeitsraolekülen in elektrischen
Feld. . -■■
Der iiuf der Ausrichtung von Donänen aus [lolekü-
len der nematischen Flüssigkeit in einen elektrischen Feld be- *
ruhende elektro-optische Effekt kann in nit Transmission, Reflexion
oder Absorption arbeitenden flachen <;ilawiedergabe- oder
Anzeigevorrichtungen., optischen Verschlüssen und anderen Anwendungen
nutzbar gemacht v/erden» ßei den bekannten nematischen
Flüssigkeiten liefen die kristall-nernatischen Obergangstenperaturen,
d.h. also die Temperaturen y-b-ei denen da ο -laterial denmesomorphen
Zustand a.nnii:mt, verl-.ultni8nur.ij hoch. Da die neraatischen
Hatcrialien sich bein Betrieb von --.ip.richtun.oen'der hier
interessierenden Art iia nenatischon ncsor.orpneii Zustand befinden,
müssen 3 ist es erwünscht; Zusammensetzungen zu verwendena die
eine niedrige kristall-nenatische über^ancütera-peratur haben. Es
ist außerdem uünschcnsirert 3 stark polare Materialien zu verwenden
so daß die für die Ausrichtung der Doin-ir.^n in einem elektrischen
Feld erforderliche Zeit möglichst kurz :..-ird.
Durch die vorliegende Erfindung sollen diese Probleme
gelost vierden. Fs vrird bei oine?n olektro-optischen. Lichtventil mit einer ncnatischen Flüssigkeit und einer Anordnung zum
Anlegen eines elektrischen Feldes an die Flüssigkeit"gemäß der
Erfindung dadurch erreicht, daß die Flüssigkeit p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
und/oder o-n-Octoxybenzyliden-p*-
aminobenzonitril enthält oder aus mindestens einem dieser Haterialien besteht. . '
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher
" 1
erläutert, es zeigen:
B1 ig. 1 eine schematische Darstellung einer neiaatischen
Flüssigkeit im Normalen Zustand, ohne daß an diese Flüs-
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BAO ORIGINAL
sigkeit ein elektrisches Pela angelegt ist;
Fig. 2 eine scheinatische Darstellung der nema-
tischen Flüssigkeit in ihrem durch ein elektrisches Feld verursachten
ausgerichteten Zustand;
Fig. 3 eine teilweise weggebrochene perspektivische
Darstellung einer elektro-optischen Ein-1" htung, bei der
die Erfindung Anwendung finden kann, und
Fig. k eine schematische Darstellung der elektrooptischen
Einrichtung gemäß Fig. 3 während ihres Betriebes zwischen
gekreuzten Polarisatoren.
In Abwesenheit eines elektrischen Feldes sind bei einer nenatischen Flüssigkeit der hier beschriebenen Art die
Moleküle 11 vermutlich in kleinen, willkürlich orientierten Domänen
angeordnet, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wenn sich die
Flüssigkeit in nesomorphen Sustand befindet. Wenn an diese Flüssigkeit
ein genügend hohes elektrisches Feld angelegt wird>
richten sich die Domänen dann vermutlich in'bezug aufeinander aus,
wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so daß dann ein beträchtlicher
Teil der Domänen und damit ein beträchtlicher Teil der Flüssigkeit
smoIekille parallel zur Richtung des angelegten Feldes liegen.
Der Grau der Ausrichtung ist eine Funktion der Feldstärke.
In der Praxis enthält ein elektro-optisches Lichtventil,
z.B. eine '.-."iedergabeeinrichtung, zwei ebene Bauteile.
zvf is ehe η denen sich eine dünne Schicht der nematischen Flüssigkeit
befindet. Eines cer Bauteile ist transparent, während das andere transparent, reflektierend oder absorbierend sein kann,
was von der für die betreffende einrichtung vorgesehenen Betriebsart
abailnjo. £ine Oberfläche jedes Bauteils ist mit gegebenenfalls
transrarenten Seilen- und Cpaltenleitern versehen,
so daß an wählbare Bereiche der I>" lüssi^keitsschicht ein elektrisches
r'eld an je Ie0, t ;;erden kann. 12inzelhaiten hierüber können
aus der cOen ervrlhntei: Patentschrift entnommen werden. Eine spezielle
Ausführunjsfor:. eines Lichtventils dieses Typs ist in
Fig. 3 aargestellt. Diese Einrichtung 30 enthält eine vordere
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und eine hintere transparente: Trägerplatte 31 bzw. 32. Die Trägerplatten
31, 32 sind in einem Abstand von etwa 12,5 ym parallel
zueinander angeordnet. Auf der Innenseite der hinteren Platte 31 ist eine Anordnung von. im Abstand voneinander verlaufenden
transparenten, leitenden Rückelektrodenstreifen 35 angeordnet. Auf der Innenseite J>k der vorderen Platte 32 befindet sich eine
Anordnung von beabstandeten parallelen, transparenten leitenden
Streifen 36. Die leitenden- Streifen 35 verlaufen senkrecht zu
den Streifen 36.
Der Zwischenraum zwischen der vorderen und hinteren Platte 31 bzw. 32 ist mit einer "Flüssigkeitskristall"-Ilischung
37 gefüllt, die gleiche Gewichtsteile von p-n-ftthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
und p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
enthält. Die Mischung kann durch einen an den Rändern der Platten vorgesehenen Epocykleber in die Einrichtung 30-eingeschlossen
sein. Beim Betrieb in Durchsicht wird auf der Vorderseite der Einrichtung 30 eine Lichtquelle angeordnet, während
sich der Betrachter auf der Rückseite der Einrichtung befindet. Wenn an der Einrichtung 30 kein Feld liegt, erscheint sie dem
Betrachter gleichförmig hell. Wird dagegen an irgend einen Teil
der Flüssigkeit ein Gleich- oder Wechselfeld angelegt, das z.B. durch eine Spannung von 10 Volt erzeugt wird, so erscheint der
betreffende Teil dem Betrachter heller als der Rest der Einrichtung.
Diese Betriebsart wird anderen Betriebsarten vorgezogen, da sich mit ihr die höchsten Kontrastverhältnisse erreichen lassen.
V/enn die.Einrichtung mit Reflexion oder Absorption betrieben
wird, befinden sich die LichtqueQß und der Betrachter beide
auf der Seite der vorderen Platte 32 der Einrichtung, während die hintere Platte· dann reflektierend oder absorbierend ausgebildet
ist.
Um das Kontrastverhältnis bei dem bevorzugten Betrieb
mit Transmission zu verbessern, wird die Einrichtung 30 " . vorzugsweise zwischen gekreuzten Polarisatoren kl und k2 verwendet,
wie es in Fig. H dargestellt ist. In diesem Falle wird dann die Doppelbrechung der nematischen Flüssigkeit ausgenützt,
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dle eine Drehung der Polarisationsebene des einfallenden polarisierten
Lichtes bewirkt. Im Betrieb wird das von einer Lichtquelle 44 ausgehende Licht 43 durch einen ersten Polarisator 41
polarisiert. Das polarisierte Licht fällt durch die Einrichtung 30 und wenn an der Einrichtung kein nennenswertes Feld liegt,
wird ein beträchtlicher Teil des Lichtes zum zweiten Polarisator 42 durchgelassen. Wenn kein Feld angelegt ist, erscheint die
Einrichtung dann für den Betrachter 45 gleichmäßig hell. Dies be ruht darauf, daß die wi11kürlieh orientierten Domänen einen
Teil des polarisierten Lichtes so drehen , daß es vom zweiten Polarisator
42 durchgelassen wird. Wenn jedoch an die Einrichtung 30 ein elektrisches Feld angelegt wird, richten sich die Domänen
in der Flüssigkeit parallel zur Richtung des einfallenden Lichtes aus. Die Polarisationsebene des Lichtes wird dann nicht gedreht
und der zv/eite Polarisator 42, dessen Polarisa'tionsrichtung
senkrecht auf der des ersten Polarisators 4l steht, läßt das Licht dann nicht mehr durch, so daß die Einrichtung im Bereich
des angelegten Feldes für den Betrachter 45 dunkel aussieht.
Bei einem Betrieb der Einrichtung mit gekreuzten Polarisatoren können Kontrastverhältnisse von etwa 10:1 erreicht
werden. Es läßt sich auch eine Grauskale darstellen, da der Grad der Drehung der Domänen von der Feldstärke des angelegten elektrischen Feldes abhängt.
Unter Ausnutzung desselben Prinzips kann die Einrichtung auch mit nur einem Polarisator in Reflexion betrieben
werden.
Eine andere Betriebsmöglichkeit der vorliegenden Einrichtung besteht in einer Kombination mit pleochroischen
Farbstoffen. Man mischt hierbei einen pleochroischen Farbstoff mit der nematischen Flüssigkeit, wobei dann eine Drehung und
Ausrichtung der Moleküle der nematischen Flüssigkeit eine Drehung und Ausrichtung der Farbstoffmoleküle bewirkt. Hierbei ändern
sih die Absorptionseigenschaften der Einrichtung bei Betrachtung in Durchsicht mit polarisiertem Licht. Als Farbstoff kann z.B.
Methylrot verwendet werden.
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4811529
Die für die vorliegende Einrichtung geeigneten Flüssigkeiten sind p-n-itthoxybenzyliden-p ' -aminobenzonitriit,
p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und p-n-Octoxybenzyliden-p'
-aminobenzonitril. Diese iiaterialien können getrennt verwendet
werden } vorzugsiieise benutzt man jedoch Ilischungen von
p-n-Athoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril mit entweder p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
oder p-n-Octoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
oder Mischungen aus allen drei Verbindungen. Um eine wesentliche ErnMrigung der kristall-nematischen Übergangstemperatur
zu erreichen, werden Mischungen von 10 bis 90 Gewichtsprozent p-n-Butoxybenzyliden-p1-aminobenzonitril mit
p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril oder Ilischungen 3 die
15 bis 70 Gewichtsprozent aller drei Bestandteile (insgesamt
100 Gewichtsprozent) enthalten, bevorzugt. Die niedrigste kri~
stall-nematische Ubergangstemperatur, die'gefunden wurde, hatte
eine Ilischung aus gleichen Gewichtsteilen von p-n-Äthoxybenzyliden-p
'-aminobenzonitril und p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril oder eine Mischung aus gleichen Gewichtsteilen von
p-n-Äthoxybenzyliden-p' -aminobenzonitril ·3 p-n-Butoxybenzylidenp'-aminobenzonitril
und p-n-Octoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
In der folgenden Tabelle sind die Temperaturen
für die Übergänge vom kristallischen in den nematischen Zustand
und vom nematischen in den isotropen Zustand einiger spezieller bekannter Verbindungen und der vorliegenden p-n-Alkoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril-Verbindungen
sowie deren Ilischungen angegeben.
9 0 9 8 A 9/122 2
Material
kristallin/ nematisch/ nematisch isotrop
p-Azoxyanisol
4 ,i|' -Diäthoxyazoxybenzol
k,4'-di-n-Pentoxyazoxybenzen
116
137
p-n-Äthoxybenzyliden-pf-amino- 105
benzonitril
p-n-Butoxybenzyliden-pf-amino-
benzonitril 63
p-n-Octoxybenzyliden-pr-amino-
benzonitril 79
p-n-Äthoxybenzylinden-p'-aminobenzonitril
und
p-n-3utoxybenzyliden-p'-amino-
benzonitril
(gleiche Gewichtsteile) 4l
(gleiche Gewichtsteile) 4l
p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
p-n-Butoxybenzyliden-p1-amino-■ .
benzcmitril
p-n-Octoxybenzyliden-pf-amino:— .
benzonitril
(gleiche Gewichtsteile) 50
(gleiche Gewichtsteile) 50
135 167 121 130
106 94,5
109
üie Schwellwertspannun^en für eine 12,7 ym dicke
Zelle, die die vorliegenden Mischungen enthält ^ beträgt etwa
10 Volt Gleich- oder Wechselspannung. Die Schaltzeit für eine solche* Zelle beträgt bei 100 Volt Gleichspannung größenordnungsmäßig
etwa 10 ms für die Anstiegszeit und etwa 30 bis 100 ms für
die Abfallszeit. Unter Anstiegszeit ist die Zeitspanne zu verstehen,
die zur Ausrichtung der Domänen erforderlich ist. Die
Abfallszeit ist die Zeitspanne . die die nematisch^ Flüssigkeit
nach dem Abschalten des elektrischen Feldes braucht, um wieder ihren regellosen Zustand anzunehmen.
Die bei den vorliegenden Einrichtungen verwendeten
neuen Mischungen bestehen aus Anilen nit der Strukturformel
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BAD
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-3-
2n+
Generell kann man diese Materialien durch Kondensation von p-Aminobenzonitril
mit dem entsprechenden p-Alkoxybenzaldehyd gelöst in Benzol im Rückfluß mit Benzolsulfosäure als Katalysator
und mit azeotroper Entfernung von Wasser herstellen. Die Reinigung der Verbindung erfolge im allgemeinen durch wiederholte Rekristallisation
aus einer Lösung in Hexan, bis eine konstante · ubergangstempe.ratur vom nematisehen" in den isotropen Zustand erreicht
ist. ,
Die Verbindung p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
kann z.B. in der folgenden -Weise hergestellt werden: Eine Lösung von 0,1 Molen p-Aminobenzonitril, O5I Molen p-A"th~
oxybenzaldehyd } 0,1 g Benzolsulfosäure in 500 ml Benzol werden
ungefähr drei Stunden im Rückflußkühler destilliert. Zum Sammeln
des azeotrop entfernten VJassers .wird eine Dean-Stark_Vorlage
verwendet. !lach der Rückflußdestillation wird das Lösungsmittel
durch Verdampfen unter verringertem Druck in einem rotierenden Dünnschichtverdampfer entfernt. Der Rückstand wird gesammelt und
mehrmal mit Hexan umkristallisiert. .
p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril wird in
ähnlicher Weise hergestellt mit der Ausnahme, daß anstelle des oben erwähnten Äthoxybenzaldehydes nun ρ-But oxybenzaldehyd verwendet
wird. In entsprechender Weise läßt sich p-n-Octobenzyliden
-ρ'-aminobenzonitril herstellen, indem man bei dem obigen Beispiel
p-Octobenzaldehyd anstelle des Athoxybenzaldehyd verwendet.
Zur Herstellung der neuen Mischungen .werden die
reinen kristallinen Verbindungen in dem gewünschten Gewichtsverhältnis
in ein Becherglas eingewogen und die Mischung wird dann auf den isotropen Schmelzpunkt erhitzt, so daß sich eine isotrope
Lasung bildet. Man läßt die isotrope Lösung dann auf O 0C
erkalten., wobei sie erstarrt. Die resultierende feste Masse kann
zu kleinen Stücken zerbrochen und zur Schmelzpunktbestimmung in ein Kapillarröhrchen oder auf einen Objektträger gebracht werden
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BAD ORiGf-NAL
Man ,kann die Mischungen dann in die optische Einrichtung einbringen,
indem man die ebenen Trägerplatten entweder durch Abstandshalter trennt oder indem man drei Seiten der in einem geringen
Abstand zwischen einander angeordneten Platten mit einem Epoxykleber verbindet. Die nematische Zusammensetzung wird dann
auf eine Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur vom kristallischen
in den nematischen Zustand erhitzt und in den Zwischenraum zwischen den ebenen Platten oder Elementen eingeführt,
z.B. mittels einer Injektionsnadel.
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Claims (8)
1. Elektro-optisches Lichtventil mit einer nematischen Flüssigkeit und einer Anordnung zum Anlegen eines
elektrischen Feldes an die Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeit p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
und/oder p-n-Octoxybenzyliden-p1-aminob.enzonitril
enthält.
2. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit p-n-Äthoxybenzyliden~p'-aminobenzonitril
enthält.
3. Lichtventil nach Anspruch 2 , dadurch
gekennzeichnet, daß dieFlüssigkeit im wesentlichen
aus 10 bis 90 Gewichtsprozent p-n-Athoxybenzyliden-p'-aminobenzonetril
und 90 bis 10 Gewichtsprozent p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril
besteht.
4. Lichtventil nach Anspruch 3,dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im wesentlichen aus jeweils etwa 50$ der angegebenen Verbindungen besteht und daß die Flüssigkeit (37) zwischen gekreuzten Polarisatoren
(41, 42) angeordnet ist.
5· Lichtventil nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit 15 bis 70 Gewichtsprozent p-n-Äthoxybenzyliden-p1-aminobenzonitril, 15
bis 70 Gewichtsprozent p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und 15 bis 70 Gewichtsprozent p-n-Octoxybenzyliden-pf-aminobenzonitril enthält.
bis 70 Gewichtsprozent p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und 15 bis 70 Gewichtsprozent p-n-Octoxybenzyliden-pf-aminobenzonitril enthält.
6. Lichtventil nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die nematische Flüssigkeit ungefähr gleiche Gewichtsteile der genannten Verbindungen ent-
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BAD ORIGi-NAL
hält und zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordnet ist.
7· Lichtventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche
, dadurch gekennzeichnet, daß
die Flüssigkeit eine dünne Schicht bildet.
8. Lichtventil nach Anspruch 73 dadurch
gekennzeichnet^ daß in der neiriati sehen
keitsmischung ein jAeochroischer Farbstoff gelöst ist.
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Leerseite
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