DE1812479A1

DE1812479A1 - Elektro-optisches Lichtventil

Info

Publication number: DE1812479A1
Application number: DE19681812479
Authority: DE
Inventors: Goldmacher Joel Edward; Heilmeier George Harry
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-12-05
Filing date: 1968-12-03
Publication date: 1970-02-19
Also published as: IL30859A0; MY7400104A; US3650603A; ES361007A1; CH504008A; SE344245B; IL30859A; FR1592944A; NL6817348A; AT287082B; GB1227616A; BE725009A

Description

HCA 59,559

U.S. Serial No. 688,123

Filed December 5, I967

Radio Corporation of Amorica NEW YOHK, F.Y. (V.St.A.)

El vV. t ro- op ti s ehe s Lichtventil

Lichtventile auf Basis nemati.icher flüssiger Kristalle, Vorführeinrichtungen und hierfür anwendbare nematische flüssige Kristallverbindungen sind Lichtventile, die durch ein elektrisches Feld gesteuert werden. Sie arbeiten, wenn sich das flüssige Kristallmaterial in seinem niesomorphen Zustand befindet. Wenn kein elektrisches Feld an das nematische flüssige Kristallmaterial Λ angelegt ist, erscheint dieses Material im allgemeinen etwas trüb und streut Licht in einem gewissen Maß. Eine dünne Schicht aus einem derartigen Material ist jedoch verhältnismäßig durchlässig gegenüber einfallendem Licht, Wenn ein elektrisches Feld oberhalb eines Schwellenwertes, der von der jeweiligen flüssigen Kristallmasse abhängt, an die Schicht aus dem flüssigen Krietallmaterial angelegt wird, kommt es zu einer Änderung des Aussehens der Schicht im Gebiet des Feldes. Die Schicht kann einem Beobachter, der das durch die Schicht weitergeleitete Licht beobachtet entweder heller oder dunkler

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erscheinen, was von der Richtung der Ausrichtung der flüssigen Kristallnioleküle in dein Feld inbezug auf ihre Molekiilaclisen abhängt. Wenn sich die flüssigen Kristallmoleküle im wesentlichen senkrecht zu dor Richtung dos einfallenden Lichtes ausrichten, dann konmit es zu einer zusätzlichen Streuung und das betreffende Gebiet der Einrichtung erscheint einem Beobachter auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden «κ Seite der Einrichtung dunkler» Wenn sich die flüssigen Krista Llr'ioleküle mit ihren Molekiilachsen im wesentlichen parallel zur Richtung des einfallenden Lichtes ausrichten, dann wird die Streuung des einfallenden Lichtes geringer und dieses Gebiet erscheint dem Beobachter heiler. Die Richtung der Ausrichtung der flüssigen Kristallnioleküle, welche in Abwesenheit eines elektrischen Feldes in willkürlich orientierten Schwärmen oder Domänen vorliegen, in einem elektrischen Feld hängt von der Richtung des Dipolmoments des Moleküls inbezug auf seine Molekularachse ab.

fe Der auf der Ausrichtung der nematischen flüssigen

Kristallmoleküle in einem elektrischen Feld basierende elektrooptisch* Effekt kann in das Licht durchlassenden, reflektierenden oder absorbierenden flachen Plattengerftten, in Lichtblenden und anderen Einrichtungen Verwendung finden.

Da die nematische flüssige Kristallmasse dieser Einrichtungen arbeiten muß, während sie sich in ihrem nematischen mesomorphen Zustand befindet, ist es

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daher wünschenswert, Hassen anzuwenden, die eine niedrigere kristall-nematische Übergangstemperatur aufweisen als die bekannten Kassen. Ee ist auch wünschenswert, Massen zu verwenden, bei denen das Kontrastverhültnis zwischen einem erregten odei^ ausgerichteten Teil der Masse und einem unerre&ten oder nichtausgerichteten Teil der Masse größer ist als bei den bekannten Einrichtungen.

Ein elektro-optisches Lichtventil gemKß der Erfindung ^

entliHlt eine Mischung, die aus einer nematischen flüssigen Kristallmasse, deren Moleküle sich in oineni elektrischen Feld ausrichten, mit mindestens einer der folgenden Verbindungen, nämlich Cholesterin, einem Cholesterinderivat oder einem eholesterinähnlichen flüssigen Kristall (cholesteric liauid crystal) besteht. Das Lichtventil enthält Einrichtungen, wel-, ehe es gestatten, ein elektrisches Feld an diese Mischung anzulegen.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines flüssigen Kristalls in seinem nichterregten Zustand} Figur 2 ist eine schematisehe Darstellung eines "

flüssigen Kristalls in seinem erregten Zustand; Figur 3 ist eine perspektivische, zum Teil weggeschnittene Ansicht einer elektro-optischen Einrichtung gemäß der Erfindung.

In Abwesenheit eines elektrischen Feldes ist das Dipolmoment einer bevorzugten nematischen flüssigen Kristallverbindung gemäß der Erfindung im wesent-

ORIGINAL

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lichen parallel au ihrer Molekülachse und man nimmt an, daß ihre Moleküle 11 in kleinen, willkürlich orientierten Schwärmen angeordnet sind, wie es in Figur 1 gezeigt ist, wenn sie sich In ihrem mesomorphen Zustand befindet. Wenn ein genügend starkes elektrisches Feld an die Masse flüssiger Kristalle angelegt wird, tendieren - wie man annimmt - die Schwärme dazu, sich wie in Figur 2 gezeigt auszurichten, sodaß ein wesentlicher Teil der Schwärme und damit ein wesentlicher Teil der flüssigen Kristallmoleküle im wesentlichen parallel zur Richtung des angelegten Feldes ausgerichtet wird. Der Grad der Ausrichtung ist eine Funktion der Feldstärke.

Praktisch weist die Vorführeinrichtung für die flüssigen Kristalle zwei ebene Elemente auf, zwischen denen sich ein dünner Film flüssiger Kristalle befindet« Eines dieser Elemente ist durchsichtig,, während das andere durchsichtig, reflektierend oder absorbierend sein kann, was davon abhängt, nach welcher Arbeitsweise die Einrichtung betrieben werden soll. -

tU.Vh/ I "ja. \ j r J¹A^l ^¹M₁I til ff ( ,

* .(row conductors) und — (column conductors), welche durchsichtige Leiter sein können, können an einer Seite jedes ebenen Elementes angebracht werden, indem ein elektrisches Feld an bestimmten Stellen des flüssigen Krietallfurne¹ angelegt wird*

Es wurde gefunden, daß man durch Vermischen von Cholesterin, und/oder einem Cholesterinderivat, und/ oder einem cholesterinartigen flüssigen Kristall mit einer nematischen flüssigen Kristallmasee, deren

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Moleküle sich in einem elektrischen Feld auerichten, eine stark lichtetreuende Mischung erhält. Die Mischung· zeigt auch eine Erniedrigung; der kristallnematischen Übergangstemperatur der nematischen flüssigen Kristalle. Wenn ein elektrisches Feld an eine solche Mischung angelegt wird, eodaß sich die nematischen flüssigen Kristallmoleküle der Mischung mit ihren Achsen im wesentlichen parallel zur Richtung des einfallenden Lichts ausrichten, streut die Mischung im wesentlichen das Licht nicht mehr, wie in ύ ihrem unerregten Zustand, sondern wird durchsichtig gegenüber einfallendem Licht. Hierdurch werden Lichtventile und Vorführeinrichtungen möglich, die verbesserte Kontrastverhältnisse zeigen, verglichen mit den bekannten Einrichtungen .auf Basis flüssiger Kristalle, welche von der Ausrichtung nematischer flüssiger Kristallmoleküle in einem elektrischen Feld abhängig sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines neuen flüssigen Kristallelements ist in Figur 3 gezeigt in Form einer mit einem kreuzförmigen Gitter versehenen reflektierenden elektro-optischen Vorführeinrichtung 30. " Die neue Einrichtung 30 besteht aus einer rückwärtigen und einer vorderen durchsichtigen Trägerplatte bzw. 32. Die Trägerplatten -&■*■■* 31 und 32 sind parallel und getrennt in einem Abstand von etwa l_t27 x 10 cm voneinander angeordnet. An der Innenseite 33 der rückwärtigen Platte 31 ist eine Reihe von parallelen, in einem Abstand voneinander befindlichen leitenden rückwärtigen Elektrodenstreifen 35

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angeordnet« An der Innenseite fyk der vorderen Platte ist eine Reihe von parallelen, in einem Abstand voneinander befindlichen durchsichtigen leitenden vorderen Elektrodenstreifen 36 angeordnet. Die vorderen leitenden Streifen 36 stehen senkrecht zu den rückwärtigen leitenden Streifen 35. Die Außenfläche 37 der rückwärtigen Platte 31 ist mit einem reflektierenden Material 38, wie Aluminium beschichtet.

In der neuen Einrichtung 30 ist der Raum zwischen der vorderen Platte 3I und der rückwärtigen Platte 32 mit einer Mischung 39 ausgefüllt, die zu 80 Gewichtsprozent aus einer nematischen flüssigen Kristallmasse und zu 20 Gewichtsprozent aus Cholesterinderivaten besteht. Die nematische Masse besteht im wesentlichen aus gleichen Gewichtsmengen von p-n~Athoxybenzylidenp^-aminobenzonitril .und p-n—Butoxybenz^rliden-pi-amino— benzonitril. Die Cholesterinderivat** bestehen im wesentlichen aus 23 Gewichtsprozent Cholester3^rlehlorid und 77 Gewichtsprozent Cholesteryloleat. Die Mischung kann in <ier Einrichtung 30 abgedichtet werden, indem man rund um die Kanten der Einrichtung 30 ein Epoxyd-Bindemittel verwendet. Die nematische Masse selbst weist eine kristall-nematische Übergangstemperatur von etwa ^l C auf, Jedoch wird diese Übergangstemperatur beim Vermischen mit den Cholesterylverbindungen auf etwa Zimmertemperatur verringert.

Wenn die Einrichtung reflektierend betrieben wird, befinden sich eine Lichtquelle ^O und ein Beobachter kl auf derselben Seite der Einrichtung wie die vordere

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Trägerplatte 32, Wenn kein Feld an die Einrichtung angelegt ist, erscheint die Einrichtung 30 dem Beobachter kl gleichförmig hell. Wenn an irgendeinen Teil der flüssigen Kristallmasse ein G-leich- oder Wechsel« feld .von beispieleweise etwa 10 Volt angelegt wird, erscheint dieser Teil dunkler als der restliche Teil der Einrichtung. Einzelne Teile der Einrichtung können nach Wunsch durch Anlegen geeigneter Spannungen an die jeweiligen Paare der vorderen und rückwärtigen Elektrodenstreifen abgedunkelt werden. Λ

Die neue Einrichtung 30 kann in einer lichtdurchlassenden Arbeitsweise betrieben werden, wenn sich auf der rückwärtigen Platte 31 keine reflektierende Beschichtung 39 befindet und wenn die rückwärtigen Elektrodenetreifen 35 durchsichtig sind· Bei dieser Arbeitsweise befindet sich ein Beobachter auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Einrichtung und beobachtet das durchtretende anstelle des reflektierten Lichtes. Bei dieser Arbeitsweise erscheint die Einrichtung dem Beobachter in dem Gebiet, in dem ein elektrisches Feld angelegt ist, heller,

wenn das einfallende Licht im wesentlichen parallel *

zur Richtung des Feldes ist. Dieser Effekt beruht auf der Verringerung der Lichtstreuung durch Anliegen des elektrischen Feldes und dem direkten Durchgang des Lichtes zu dem Beobachter..

Wie bereits angegeben, enthalten, die für die Durchführung der Erfindung wertvollen Mischungen einen Anteil aus nematischen flüssigen Kristallen und einen

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Anteil, der entweder Cholesterin, zumindest ein Cholesterinderivat oder mindestens einen cholesterinähnlichen flüssigen Kristall oder Kombinationen dieser Substanzen enthält. Ein Beispiel für nematische flüssige Kristallmaterialien, bei denen sich die Moleküle in der zur Richtung des angelegten elektrischen Feldes parallelen Richtung ausrichten, ist die Gruppe der p-n-Alkoxybenzyliden-p¹-aminobenzonitrlle« Mischungen der Verbindungen p-n-Äthoxybenzyliden-p¹·- aminobenzonitril, p-n-Butoxybenzyiiden-p'-aminobenzonitril und p-n-Octoxybenzyllden-p'-aminobenzonitril haben sich als besonders wertvoll in Kombination mit Cholesterin, Cholesterinderivaten oder chole— sterinartigen flüssigen Kristallen erwiesen. Mischungen dieser Verbindungen vereinen kurze Einstellzeiten oder Erregungszeiten, was auf dem großen Dipol— moment des nematischen flüssigen Kristallmoleküls beruht, mit verringerten kristall-nematisehen Übergangstemperaturen. Mit den erfindungsgemäßen verringerten Übergangstemperaturen können die Einrichtungen und Geräte bei niedrigeren Temperaturen als die bekannten Geräte betrieben werden. Bevorzugte Bereiche in Gewichtsprozent der Verbindungen, welche den nematischen flüssigen Kristallanteil der Gesamtmischung umfassen, liegen bei 10 bis 90 Gewichtsprozent p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril mit 10 bis 90 Gewichtsprozent p-n-Butoxybenzyliden«p' aminobenzonitril oder die nematischen flüssigen Kristallmassen enthalten 15 bis 70 Gewichtsprozent jeder der drei obenerwähnten Verbindungen. Die niedersten kristall-nematisehen Übergangstemperatüren wurden mit Mischungen gefunden, die aus gleichen Ge-

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wichtsteilen p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aniinobenzonltril und p-n-Butox-benzyliden-p'-aminobenzonitril oder Mischungen aus gleichen Teilen von p-n-Äthoxybenzylidenp*-aminobenzonitril, p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und p-n-Octoxy-benzyliden-p^f-aminobenzonitril bestehen. Die ersterwähnte Mischung hat eine kristall-nematische Übergangstemperatur von etwa ^l C und die letztere Mischung hat eine kristall-nematische Übergangstemperatur von etwa 50 C. Bei Zugäbe des Cholesterinanteils zu der nematienhen Mischung werden diese beiden Übergangstemperaturen auf noch geringere Temperaturen erniedrigt.

Diese nematischen flüssigen Kristallverbindungen können durch Kondensieren von p-Aminobenzonitril mit dem entsprechenden p-Alkoxybenzaldehyd in einer unter Rückfluß kochenden Benzollösung und unter Verwendung von Benzolsulfonsäure als Katalisator bei azeotroper Entfernung von Wasser hergestellt- werden. Die Reinigung dieser Verbindungen erfolgt im allgemeinen durch wiederholte Kristallisation aus Hexan bis zu einer konstanten nematisch-isotropischen Übergangstemperatür.

Beispiele für andere Gruppen nematischer flüssiger Kristallverbindungen, welche sich in einem elektrischen Feld ausrichten und mit den erfindungsgemäßen Cholesterinverbindungen kombiniert werden können, sind: p-Alkoxybenzyliden-p'-aminoacylphenone, wie p-Butoxybenzyliden-p^f-amino%etophenonj Dimere der p-Alkylbenzoesäure, wie das Dimere der p-Butoxybenzoe-

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Säure; normale oder substituierte Benzyliden-p-amino· azobenzole wie Benzyliden-p-aminoazobenzol; 4,4"-Alkoxynitro-p-terphenyle, wie 4-Methoxy-4"--nitro-p" terphenyl; p-,p»-Alkyldiphenyl-pyridazine, wie p- ,p·-Butyldiphenylpyridazin; p-Alkylbenzyliden-paminophenyl-alkoxy Verbindungen, wie p-Äthylbenzylidenanisidin und andere Verbindungen wie ρ,ρ'-Dibenzalbenzidin und p-Butylbenzyliden-p¹-aminophenylbutyrat.

Jedes Choleaterinderivatoder jeder cholesterinartige flüssige Kristall (cholesteric liquid crystal) kann in den neuen Mischungen verwendet werden. Die Tabelle unten zeigt eine Aufführung von einigen Beispielen von Cholesterinderivaten und cholesterinähnlichen flüssigen Kristallen, die zusammen mit den nematischen flüssigen Kristallverbindungen, wie oben beschrieben, wertvoll sind für die neue Einrichtung.

Tabelle I

Choleaterinderivate und cholesterinartlge flüssige Kristalle.

Cholesteryl-oleat (Pract.)

Cholesteryl-palmitat

Cholesteryl-decanoat

Cholesteryl-JLaurat

Cholesteryl-propionat

Cholesteryl-heptafluorobutyrat Choles teryl-2-f ilStfat

Cholesteryl—cinnamat

Cholesteryl-cyclohexancarboxyiat

- 11 -

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¹ "" ■ '" ' "τ !."!!Ii ρ«; ι nqm>m<>' ;■; is j·

Cholesteryl-anisoat Dicholesteryl-phthalat Cholesteryl-p-nitrobenzoat Cholesteryl-p-phenylazobenzoat Cholesteryl-3, 5-dinitrobenzoat Cholesteryl-2-(2-äthoxyäthoxy)-äthyl-carbonat Cholesteryl-2-(2-methoxyäthoxy)äthyl-carbonat CholesteryjL-geranyl-carbonat

Cholesteryl-octadecyl-carbonat λ

Choleeteryl-2-propin-l-yl-carbonat Cl^.olesteryl-2-methyl-2-propen-l—yl-carbonat Allyl-cholesteryl-carbonat Cliolesteryl-2,2_t2-tr±fluoroäthyl-carbonat Cholesteryl-methyl-carbonat Cholesteryi-cinnamyl-earbonat Cliolesteryl-p-m^xh-l-en-e-yl-carbonat Cholestei?yl-nitrat Cholestanyl-propinyl-carbonat 3H-ChOrOChOIeSt-5-en Cholesteryl-methansulfonat 5a-Cholestan-3^—yl-chloroformat Cholesteryl-chloroformat

Cholesterin
Stigmasterin

Es wird bevorzugt, daß der nematische flüssige Kristallanteil der Gesamtmischung mindestens 50 Gewichtsprozent der Gesamtmischung, und vorzugsweise etwa 75 bis 95 Gewichtsprozent der Gesamtmischung umfaßt« Es ist jedoch möglich, Mischungen anzuwenden,

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die nur 5$ nematische flüssige Kristalle und bis zu ?o Cholesterinverbindungen enthalten.

Die neuen Mischungen können dadurch hergestellt werden, daß die gewünschten Anteile der reinen Verbindungen in ein Gefäß gegeben werden und erhitzt werden, bis sich eine einheitliche isotropische flüssige Lösung gebildet hat. Im allgemeinen ist ein Erhitzen auf eine Temperatur von 100 G ausreichend« Diese isotropische Flüssigkeit läßt man dann langsam auf Zimmertemperatur abkühlen, Während dee Abkühlens tritt die Mischung in ihren mesomorphen Zustand ein und kann, was von der jeweiligen Mischung abhängt, erstarren. Die neuen Mischungen können in die Einrichtung eingebracht werden, indem beispielsweise ein Teil der Mischung im mesomorphen Zustand auf eine Trägerplatte gebracht wird und die andere Trägerplatte vorsichtig über die erste gelegt wird, sodaß sich die Mischung unter Bildung eines gleichförmigen Films zwischen den beiden Platten ausbreitet. Eine andere Methode besteht darin, die Trägerplatten durch Ein— legestücke voneinander getrennt zu halten und/oder auf drei Seiten abzudichten und die Mischung in den Räum dazwischen mit einer Spritze zu injizieren.

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Claims

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Patentansprüche

1. Elektro-optisches Lichtventil, gekennzeichnet durch eine Mischung, die aus einer nematischen flüssigen Krlstallmasse, de«

ren Moleküle sieh in einem elektrischen Feld aus— Λ

richten und mindestens einer der folgenden Verbindungen, nämlich Cholesterin, einem Cholesterinde— rivat oder einem cholesterinarti^en flüssigen Kristall, besteht; und durch Vorrichtungen zum Anbringen eines elektrischen Feldes an diese Mischung»

2. Lichtventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in oinem Abstand voneinander angeordnete Platten, von denen mindestens eine lichtdurchlässig ist, wobei die Mischung in dem Raum zwischen den Platten angeordnet wird.

3· Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Mischung mindestens eine nematische flüssige Kristallverbindung enthält, nämlich p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril, p-n-«Butoxybenzyliden-p^l-aminobenzonitril oder p-n-Oetoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril.

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k. Lichtventil nach Anspruch 3i d a d u r c h gekennzeichnet , dass der nematische
flüssige Kristallanteil der Mischung zwischen 10
und 90 Gewichtsprozent p-n-Äthoxyhenzyliden-p¹-aminobenzonitril und p-n-Butoxybenzyliden-p'—aminobenzonitril enthält.

5· Lichtventil nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, dass der nematische
flüssige Kristallanteil der Mischung zwischen I5
und 75 Gewichtsprozent p-n-Äthoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril, p-n-Butoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril und p-n-Octoxybenzyliden-p'-aininobenzonitril enthält.

6» Lichtventil nach Anspruch k, dadurch gekennzeichne t , dass die nematische
flüssige Kristallverbindung der Mischung gleiche Gewichteteile p-n-Xthoxybenzyliden-p¹-aminobenzonitril
und p-n-Butoxybenzyliden-p·-aminobenzonitril enthält.

7· Lichtventil nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , dass die nematische»
flüssigen Krietallverbindungen in dieser Mischung
gleiche Gewichtsmengen p-n-»ÄthoXybenzyliden«-pⁱ-"aininobenzonitril, p-n-Butoxybenzyliden-p¹-aminobenzonitril und p-n-Octoxybenzyliden-p¹—aminobenzonitril enthalten,

8* Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung im, wesentlichen aus 5 bis 95 Gewichtsprozent nematischen

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flüssigen Kristallen und 5 bis 95 Gewichtsprozent Cliolesterinverbindungen besteht.

9. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nematische flüssige Kristallanteil der Mischung etwa 75 bis 95 Gewichtsprozent der Mischung umfaßt.

10. Lichtventil nach Anspruch 3, dadurch ge- ä kennzeichnet , dass die Mischung 5 bis 30 Gewichtsprozent der Kombination von Cholesteryloleat und Cholesterylchlorid enthält.

11« Elektro-optische reflektierende Vorführeinrichtung -. nach Anspruch 1, gekennzeichnet außerdem durch eine durchsichtige vordere Trägerplatte, eine spiegelnd reflektierende und parallel in einem gewissen Abstand zu der vorderen Trägerplatte ange»> ordnete rückwärtige Trägerplatte, zahlreiche parallele durchsichtige leitende Stufen auf der vorderen

Trägerplatte, zahlreiche parallele leitende Bänder g

auf der rückwärtigen Trägerplatte, welche in einer im wesentlichen senkrechten Richtung jbu der der durchsichtigen leitenden Bänder auf der vorderen Trägerplatte verlaufen, wobei die Mischung den Raum zwischen den Trägerplatten ausfüllt«

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12· Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung mindestens eine nematische flüssige Kristallverbindung aus der öruppe der p-n—.A.lk0xybenzyliden-pⁱ«-amlnobenzonitrile enthält·

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