DE2363219A1

DE2363219A1 - Anzeigeelement auf der basis fluessiger kristalle mit farbwechselnder darstellung

Info

Publication number: DE2363219A1
Application number: DE19732363219
Authority: DE
Inventors: Komei Asai; Masakazu Fukai; Akio Moriyama
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1972-12-19
Filing date: 1973-12-19
Publication date: 1974-06-27
Also published as: US3864022A; JPS5942287B2; CA1005893A; DE2363219C3; JPS4984670A; GB1446628A; DE2363219B2; FR2211154A5

Description

Anzeigeelement auf der Basis flüssiger Kristalle mit farbwechselnder Darstellung

Die Erfindung betrifft ein Anzeigeelement auf der Basis flüssiger Kristalle mit Farbwechseldarstellung für die Steuerung durch ein elektrisches Feld.

Anzeigeelemente der genannten Art können durch Anlegen eines äussereii elektrischen Feldes mit einer Binsatzspannung, die über der für die Wiedefausrichtung der Moleküle des flüssigen Kristalls, erforderlichen Spannung liegt, so gesteuert werden, dass sie zweifarbig anzeigen. Weder aufgrund der ver v/ende ten Spannungen noch aufgrund· der verwendeten Frequenzen darf dabei eine dynamische Streuung ver-

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■ursacht werden. Eine zweifarbige Anzeige kann auch in der Weise herbeigeführt v/erden, dass man ein elektrisches Feld mit einer über der Einsatzspannung für die dynamische Streuung liegenden Spannung verwendet und diese Spannung und die Frequenz so wählt, dass eine zur Anzeige kontrolliert .ausnutzbare dynamische Streuung erzeugt wird.

Die Vorteile von Anzeigeelementen auf der Basis flüssiger Kristalle sind bekannt. Es sei vor allem auf die Möglichkeit flacher Baufonnen, auf die niedrigen Betriebsspannungen und·die geringe Leistungsaufnahme.verwiesen. Weitere Vorteile dieser Art Änzexgeeiemente 'können durch eine farbige Infor- mationsdarsteilung ersielt werden.

Zur farbigen Informationsdarstellung mit Anzeigeelementen auf der Basis flüssiger Kristalle sind im wesentlichen drei Verfahren bekannt:

(.1) Verwendung· externer Mittel, beispielsweise von Farbfiltern oder farbigem Licht im Sichtgerät zur färbung des flüssigen Kristalls; ■ - ".

(2) Zusatz dichromatischer oder pleochromatischer Farbstoffe zu den flüssigen Kristallen zur Veränderung der Absorption des Anzeigeelementes unter Ausnutzung der Absorptionsanisotropie der Farbstoffe und

(3) Ausnutzung der Doppelbrechung des flüssigen Kristalls selbst zwischen zwei gefärbten Polarisatoren bzw. zwischen einem Polarisator und einem Analysator unter genauer Steuerung zur Herbeiführung einer kontrollierten Farbänderung.

Die Erfindung betrifft Anzeigeelemente, die im wesentlichen auf dem Verfahren (2) basieren, nach dem pleochromatische

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Farbstoffmoleküle dem flüssigen Kristall zugemischt werden und die im Zusammenwirken mit den Molekülen des flüssigen Kristalls die Ausrichtung ihrer Äfosorptionsachsen verändern, wobei sie die Äbsorptionscharakteristiken des Anzeigeelementes unter Steuerung eines elektrischen Feldes verändern.

Die meisten der herkömmlicherweise in solchen Anzeigeelementen verwendeten pleochromatischen Farbstoffe weisen Absorptionscharakteristiken auf, dass die Färbung der Anzeigeelement e von farblos bzw. einem fast farblosen Zustand unter elektrischer Feldeinwirkung in einen gefärbten Zustand umschlägt. Für Anzeigeelemente auf der Basis eines nematischen flüssigen Kristalls mit Farbstoffen nur dieser Art gilt allgemein, dass mit zunehmender Farbstoffkonzentration auch der Kontrast des Farbumschlags stärker wird, jedoch durchläuft diese Kontrastverstärkung als Funktion der Farbstoffkonzentration ein Maximum. Bei Zugabe waterer Farbstoff mengen zum flüssigen Kristall nimmt die Anzahl der durch die .elektrische Feldeinwirkung nicht ausgerichteten Moleküle zu, so dass daraus eine Kontrastabnahme resultiert. Auch bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes können bei zu hohen Farbstoffkonzentrationen Färbungen durch nicht ausgerichtete Farbstoffmoleküle eintreten, so dass ebenfalls leistungsschwächere Anzeigeelemente erhalten werden. Aufgrund dieser effekte war es in den Anseigeelementen nach dera Stand der Technik erforderlich, die Konzentration der zugemischten Farbstoffe im Bereich von weniger als etwa 1-2 Gew.-^r,£ zu halten. Bei so niedrigen Farbstoffkonzentrationen konnten jedoch in der Anzeige nur schwache Färbungen erzielt werden, die unter normaler Innenbeleuchtung nur schlecht erkennbar waren.

per Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Anzeigefarbkontrast der· bekannten Anzeigeelemente der genannten Art

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zu verstärken, auf einen Zweifarbenkontrast beruhende Änzeic;elemente hoher Anzeigeleistungsfahigkeit zu schaffen, und zwar insbesondere auf der Basis eines nematischen flüssigen Kristalls, der in Abwesenheit eines elektrischen Feldes eine homöotrope Molekülausrichtung zeigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Anzeigeelement der genannten Art vorgeschlagen, gekennzeichnet durch eine. Schicht eines nematischen Kristalls rait negativer dielektrischer Anisotropie, der in Abwesenheit eines elektrischen Feldes eine homöotrope Ausrichtung zeigt, und durch mindestens zwei Farbstoffe mit voneinander verschiedener optischer Absorption, von denen mindestens einer pleochromatisch ist und von denen mindestens zwei unter elektrischer Feldeinwirkung voneinander verschiedenes, zur Anzeige ausnutzbares Verhalten zeigen.

Änzeigeelemente gemäss der Erfindung weisen den Vorteil auf, dass sie eine kräftig- mehrfarbige Informations darstellung ermöglichen, bei der die Färbung der Anzeigefläche des Anzeigeelementes durch elektronische Steuerung des flüssigen Kristalls umschlagartig verändert werden kann. Mit Vorrichtungen dieser Art v/erden die Nachteile der entsprechenden Änzeigeelemente nach dem Stand der Technik, die entweder eine Farbverschleierung oder eine zu schwache Färbung aufweisen, wirkungsvoll ausgeschaltet. Weiterhin können durch eine relativ freie und beliebige Wahl der zu verwendenden Farbstoffe die zur Anzeige verwendeten Farbkombinationen in recht breitem Rahmen gewählt v/erden.

Hach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Anzeigeelement auf der Basis eines flüssigen Kristalls mit Farbumschlag vorgeschlagen, das einen nematischen flüssigen Kristall mit homöotroper Struktur in Abwesenheit eines elektrischen Feldes und mit einer negativen dielektrischen

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Anisotropie neben mindestens zwei verschiedenen Arten von Farbstoffen enthält, die ein. voneinander verschiedenes optisches Absorptionsverhalten auf v/eis en und von denen, mindestens .einer ein pleochromatischar farbstoff ist und von - ' denen weiterhin mindestens zwei ein voneinander zur Anzeige ausnutzbares abweichendes Feldverhalten zeigen. ;Jur Steuerung dieses Anzeigeelementes werden elektrische Felder verwendet. Die Anzeigeelemente weisen den speziellen Erfordernissen entsprechende Anordnungen zum Anlegen der elektrischen Felder auf. Die zur Parbumschlaganzeige in Verbindung mit dem nematisehen flüssigen Kristall lait homöotroper Struktur verwendeten Farbstoffε werden dabex hinsichtlich ihrer Anzeigefunktion elektronisch gesteuert. Die flüssigen Kristalle besitzen eine negative dielelctrische Anisotropie.

Bei der Auswahl der erfindungsgeraäss zu verwendenden Farbstoffkonibination ist Folgendes zu beachten:

Unter den mit dem flüssigen Kristall zu mischenden Farbstoffen muss zumindest einer ein pleoChromatiseher Farbstoff sein, der unter elektrischer Feldeinwirkung einen . Farbumschlag aus einem gefärbten Zustand in einen farblosen oder zumindest doch kaum gefärbten Zustand oder einen Umschlag in einen anders gefärbten Zustand unterschiedlicher Färbung oder Farbtönung zeigt. Weiterhin muss zumindest einer der zuzurni sehen den Farbstoffe ein Farbstoff sein,, der unter elektrischer Feldeinwirkung aus einem farblosen Zustand in einen gefärbten Sustand umschlägt oder aber keine oder nur eine nicht ins Gewicht fallende Farbänderung· zeigt. Mit anderen Worten enthält der flüssige Kristall des Anseigeeleraentes mindestens zwei Farbstoffe unterschiedlicher Färbung, von denen zumindest einer beim Anlegen eines äusseren elektrischen Feldes aus einem gefärbten Zustand in einen farblosen oder doch zumindest praktisch farblosen Zustand umschlägt oder in einen anders gefärbten Sustand

-G-

umschlägt und von denen ferner mindestens einer von einem farblosen Zustand in einen gefärbten Zustand umschlägt oder aber unter elektrischer Pelaeim.arkung i;ei:ie oder nur eine praktisch vernachlässicrbare Farbänderung aufweist.

_>ie Nachteile d^r bekannten Än^eigesleusrite auf der 'ia.s±s eines flüssigen Kristalls werden so-durch das Anzeigeelement gemäss der Erfindung aufgehoben, bei den mindestens zwei . Farbstoffs unterschiedlicher färbung und mit unterschiedlichen zur Anzeige verwendbaren eigenschaften kombiniert einem flüssigen Kristall zugemischt werden.

In i'-in^si'reslsraent gemäss der Erfindung wird der Kontrast zwischen deia untergrund, d.h. zwischen dem Kiorraalsustand, und dem. Bereich, der die darzustellende Information beinhaltet, d.h.. also zwischen dem angeregten -Zustand, dadurch herbeigeführt, dass man die beiden £'ustände unterschiedlichen Farben mit unterschiedlicher Färbung zuordnet. Bei Verwendung grosser .?'arbstoff>onzen trat ionen und darait beim Auftreten nicht ausgerichteter f'arbstoffmoleküle in Abwesenheit eines elektrischen Feldes warden diese mit anderen Farbstoffnolekülen vermischt und zur Darstellung anderer Färbungen verwendet, so dass dadurch der Kontrast su den Bereichen des angerec>ten. Zustandes des Kristalls nicht vermindert wird. Da' der !Kontrast zwischen dem Untergrund und den darstellenden Änregungsbereichen also als Kontrast zwischen zwei Farben aufgebaut wird, kann die Farbstoffkonzentration im flüssigen Kristall wesentlich erhöht werden, so dass dadurch eine Intensitätsverstärkung des gefärbten Lichtes erreicht wird, ohne die zuvor beschriebene Abnahme des Kontrastes in Kauf nehmen zu müssen.

Das Anzeigeelement gemäss der Erfindung auf der Basis eines flüssigen Kristalls arbeitet also zur Informationsdarstellung auf der Basis eines Farbumschlags. DaJoei wird ein Gemisch von

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EAO ORIGINAL

farbstoffen, rnit unterschiedlichem Änseigeverhalten verv.^rendet. Weiterhin v.^rerden die molekularen Konfigurationen der MoIekülausrichtung rür die Ausrichtung der Far.ostoffraoleküle und der lioleküle des nematischen flüssigen Kristalls in spezielle Richtungen kombiniert gesteuert. Die Aktivierunc dieser Konfigurationen wird dabei durch ein elektrisches Feld gesteuert.

Durch die Erzeugung, des Darsteliungskontrastes durch zwei verschiedene .farben werden die Macht ei Ie des Standes der Technik, insbesondere eine Farbverv.'ischung und eine Farbschattenbildung, oder auch eine zu schwache Farbintensität, Nachteile, die bei Änzeigeelementen, die nur auf einer Parbstorfbasis aufbauen, häufig auttreten, vermieden. Jurch eine geeignete Koaibination von verschiedenen farbstoffen liann praktisch jede beliebige Farbe zur Darstellung rebracht T/erden. Diese neue Möglichkeit der mehrfarbigen Darstellung mit Änseigeelementen auf der Basis flüssiger Kristalle eröffnet der industriellen i-raxis vollkommen neue Möglichkeiten.

,Die Erfindung ist nachstehend anhand von Äusführunqsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben, äs zeigen:

Fig. la den Absorptionsverlauf eines

flüssigen Kristalls mit einer Art Farbstoff;

Fig. Ib einen dem in der Fig. la ent

sprechenden Absorptionsverlauf;

Fi ~. 2 den Spannungs-Frequenz-Bereich

des elektrischen Feldes für die Aktivierung des Änzeigeeleraentes geraäss der Erfindung;

Figuren 3Λ,3Β und 3G in schenatischer Darstellung Orien-

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tierungskonfigurationen der rioleküle des flüssigen Kristalls in Anzeigeelementen gemäss der Erfindung;

Figuren 4a

4d in schematischer Darstellung

Ausrichtungskonfiguratiönen der Moleküle in Anzeigeelementen gemäss der Erfindung und

Fio:. 5

das elektrische Feldverhalten des optischen Absorptionsverlaufs für ein Ausführungsbeispiel der ■ürf ixidung.

Vom Standpunkt des elektrischen Feldverha It ens der /\nzeigeeigenschaften können die Farbstoffe nach den vier in der Tabelle I gezeigten Gruppen klassifiziert werden, wobei der Farbwechsel beim Umschalten der elektrischen Feldbedingungen zugrunde gelegt ist.

Tabelle I

Farbe in Abwesenheit eines elektrischen Feldes

Farbe in Gegenwart eines elektrischen Feldes

gefärbt

gefärbt gefärbt

farblos oder praktisch farblos

farblos oder praktisch farblos gefärbt

gefärbt mit unterschiedlicher Färbung

keine oder praktisch keine Färbung

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BAD

Die in der vorstehenden Tabelle x wieder cregebene Klassifizierung basiert auf der relativen Beziehung zwischen der Äusi~icntungskonfiguration der i-ioleküle des flüssigen Kristalls und der Absorptionsachsen der nach Kassgabe der Moleküle des flüssigen Kristalls ausgerichteten Färbstoffmoleküle. Insbesondere spielt die Färbungänderung bei Verwendung eines nematischen flüssigen Kristalls eine Rolle, wenn der Kristall eine homö'otrope Struktur und eine negative dielektrische Anisotropie aufweist, wobei beim Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes eine Rotationsumorientierung der Moleküle stattfindet.

In den Figuren la und Ib sind typische Äbsorptionskurven eines flüssigen Kristalls gezeigt, der je einen einzigen Typ dieser Farbstoffe enthält. In den Figuren ist die Absorption auf der Ordinate als Funktion der 'ΐ/ellenlange auf der Abszisse dargestellt. Die in den Figuren mit O bezeichnete stark ausgezogene Kurve gibt das Absorptionsspektrum bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes wieder. Die unterbrochen, dargestellten Kurven A, B und ü beschreiben die Absorptionsspektren in Gegenwart eines elektrischen Feldes, das, einer Schicht eines flüssigen Kristalls aufgeprägt, eine Ilotationsumorientierung der Koleküle auslöst. Bei Verwendung eines in der vorstehenden Tabelle unter die Gruppe A fallenden Farbstoffs, also bei seiner Zumischung zu einem flüssigen Kristall, wird beim Anlegen eines elektrischen Feldes statt des mit 0 bezeichneten Absorptionsverlaufes der mit A bezeichnete Absorptionsverlauf erhalten. Entsprechendes gilt für die Kurven B und G, die für flüssige Kristalle erhalten werden, die Farbstoffe der Gruppen D oder C der Tabelle I enthalten. Entsprechend der Klassifizierung der Farbstoffe der Gruppe D wird das in Abwesenheit eines elektrischen Feldes im sichtbaren Bereich gemessene Absorptionsspektrum durch ein Anlegen eines elektrischen Feldes praktisch nicht verändert.

^409826/0849 «Ρ ORBINAI.

- IO -

Das Anzeigeelement gemass der Erfindung enthält mindestens zv/ei Farbstoffe verschiedener Färbung., die zumindest zwei verschiedenen der Gruppen A, B, C und D angehören.

Beispiele für die Korabination zweier farbstoffe mit unterschiedlichem 2\nzeigeverhalten und ^nderung der darcres teilten farbe je nach Kombination sind in der nachstehenden Tabelle II zusammengefasst.

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Farbstoff ·:ί

Farbstoff H

Farbumschlag des Elementes

ohne Feld mit !'"eld - (Untergrund- (Anseicj-ef ä'rf ärbunc;) bung)

gefärbt
(D)

ohne Feld 'mit 'Feld

(Urxt ergrund- (Ans ei gef ar-

färbunrj) bung)

oiins Jj'.eld mit^: Feld

(Untergrund- (Anzeigerär-

färbung) bung)

	gefärbt	•	farblos oder	gefärbt	A	+	B	A¹	+	B¹
	(A)		fast farblos	(B' ) '
		farblos	(3)
		oder fast	gefärbt	gefärbt mit	A	.+	rs \~*	A'	+	C
		farblos	(C)	anderer
		(A¹ )		Färbung (C¹)					+
ο co			gefärbt	unverändert	A	+	D	A"		D¹
OO	aefärbt		(D)	(D')
	(C)		farblos oder	gefärbt	G	.J-	3	C		B'
■*<			fast farblos	(3¹)
GD		gefärbt	(B)
-Ρ"»		mit an-	Gefärbt	gefärbt mit	C	+	C	C	+	C
		' derer	(C)	anderer
	Färbung (C)		Färbung (C)
	aefärbt	unverändert	C	+	D	η I	D¹
	(D)	(D')

unverändert (D')

farblos oder fast farblos (B)

D + D

(E¹)'

D" + 3'

CO CO CO

Die Färbungen A bis D und A⁸ bis D^s in der Tabelle Il bezeichnen die dem Jmzeigeelement verliehene Färbung, während die Kombinationen dieser Bezeichnungen„ beispielsweise also Ä + B ■ oder A." + B' ,diejenige Färbung bezeichnen, die das Element durch die Kombination der farbstoffe M und N erhält»

-In der Tabelle II sind Beispiele für den Fall zusammengestellt, dass jeder der Farbstoffe M und N unterschiedlich gefärbt sind und unterschiedliches Anzeigeverhalten zeigen, wenn sie einem flüssigen Kristall zugemischt sind«, Die Anzahl der Kombinationen kann durch Erhöhung der Art und der Anzahl der Farbstoffe praktisch beliebig erhöht werden«, Erfindungsgemäss werden in Verbindung mit einem nematischen flüssig-en Kristall, der in Abwesenheit eines elektrischen Feldes eine homöotrope Struktur und eine negative dielektrische Anisotropie zeigt, mindestens- zwei verschiedene Arten der genannten Farbstoffe verwendet. Bei der Verwendung eines nematischen flüssigen Kristalls mit negativer dielektrischer Anisotropie kann eine iinderung der homöotropen Struktur durch Anlegen eines elektrischen Feldes herbeigeführt werden, das auf die senkrecht zur Längsachse der Moleküle stehende Dipolkomponente einwirkt. Unter der "homöotropen Struktur" wird dabei in üblicher Weise eine Molekülausrichtung in der Weise verstanden, dass die Längsachsen der Moleküle senkrecht zur Oberfläche der den flüssigen Kristall einschliessenden Wände der optischen Zelle ausgerichtet sind« Durch die Steuerung der Ausrichtungskonfiguration solcher Moleküle kann die Absorptionsanisotropie der Farbstoffe wirkungsvoll ausgenutzt werden.

Homöotrope Strukturen flüssiger Kristalle können beispielsweise nach einem der folgenden Verfahren erhalten werden:

(a) Es wird ein Zusatzmittel zur Stabilisierung der entsprechenden Ausrichtungskonfiguration zu dem flüssigen Kristall

zugesetzt, beispielsweise Dodecyltrimethylaxnraoniurrtbroraid oder Gallussäurecetylester.

(b) Es wird auf die Oberfläche des Glassubstrats der optischen Zelle ein Stoff aufgetragen, der die Konfiguration der Moleküle des flüssigen Kristalls beeinflusst, beispielsweise -Lecithin·

(c) Die Glasoberfläche der optischen Zelle wird geätzt _g und zwar beispielsweise mit Chrorasclwefelsäure oder Plu£3säure.

(d) Auf die Oberfläche des Slassubstrats der optischen Zelle wird durch Aufdampfen eine Schicht eines Metalloxide oder eines MetalIfluorids aufgebracht.

Zur praktischen Durchführung der Erfindung wirkt auf die Schicht eines flüssigen Kristallsj dessen Moleküle in einer der vorstehend beschriebenen Weisen in eine horaöotrope Ausrichtungskonfiguration überführt ■worden ist, ein elektrisches Steuerfeld ein. Die Äufprägunc? einer solchen Steuerspannung kann in zweierlei Weise erfolgen:

(1) Es \iärd eine Steuer spannung aufgeprägt, die zwar höher als die erforderliche Kinsatzspannung für eine geordnete Umorientierung der Moleküle ist, wobei jedoch die aufgeprägte Spannung und die angewendete Frer;uenz so bemessen sind, dass noch keine dynamische Streuung auftritt.

(2) Bine Spannung, die über der Einsatzspannung für die dynamische Streuung und ein Spannungs-Frequenz-Verhältnis, die in einem Bereich liegen, dass sie eine dynamische Streuung zu erzeugen vermögen, werden eingesetzt»

Hach den beiden Verfahren wird der flüssige Kristall in

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unterschiedlicher Weise zur Anzeige und Informationsdarstellung verwendet. Während nach dem ersten Verfahren lediglich eine Farbänderung erzeugt wird, tritt nach dem zweiten Verfahren sowohl eine Farbänderung "als auch eine Intensitätsmodulation des Lichtes auf«

Der in der Fig» 2 gezeigten Graphik kann der effektive Spannungs-Frequenz-Bereich zur Auslösung dieser Doppeiaktivierung und, zur Anregung nach dem ersten Verfahren entnommen werden ο Während der Anregungsbereich nach dem ersten Verfahren in der Fig. 2 schraffiert dargestellt ist, ist der Anregungsbereich zur Auslösung der dynamischen Streuung punktiert kenntlich gemacht»

. In der in Pig«, 2 gezeigten Graphik ist die Spannung auf der Ordinate und die Frequenz des angelegten Feldes auf der Abszisse aufgetragen,, Die Kurve 0 gibt die Grenzspannung oder Einsatzspannung für die Erzeugung einer linearen Moleküla us richtung wieder*, Die Kurve P gibt den Spannungsverlauf für die Grenzspannung zur Erzeugung einer dynamischen Streuung- wieder. Durch die Kurve Q wird die . Kinsatzspannung sura Auftreten winkliger Geometrien wiedergegeben. Die Kurven P und C lassen sich durch die BKLFRICH-ORSAY-Theorie gut beschreiben. Im Leitungsbereich Il und im dielektrischen Bereich N liegen unterschiedliche Leitungsmechanismen des flüssigen Kristalls und entsprechend unterschiedliche 3etrie3Dsmoden des Anzeigeelementes vor. Der Übergang vom Leitungsbereich M zum dielektrischen Bereich. 3F wird durch eine kritische Grenzfrequenz f bestimmt. Der Kurvenverlauf P-Q weist also an der Grenzfrequenz f einen Knickpunkt auf, an dem sich in scharf definierter Form die Spannungs-Frequenz-Abhängigkeit ändert.

Der Bereich für die Spannungssteuerung eines Änzeigeelementes auf der Basis flüssiger nematischer Kristalle nach dem vor—

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steftend beschriebenen Verfahren (1) ist in der Fig. 2 also durch die Kurven 0$ P und Q sowie im Bereich höherer Spannung durch die der Grenzfrequenz f entsprechende Bereichsgrenze R umschrieben* Das vorstehend beschriebene Steuerverfahren (1) kann also in den in Fig. 2 gezeigten Spannungs-Frequenz-Bereichen B und D durchgeführt v/erden.

Das unter Ausnutzung der dynamischen Streuung arbeitende Steuerverfahren (2) kann in dem in Fig. 2 gezeigten Spannungs-Frequenz-Bereich C durchgeführt werden„ der durch die Kurve P und die Bereichsgrenze R definiert ist ο In dein durch eine durch die Kurve 0 wiedergegebene konstante Einsatsspannung begrenzten Bereich A zeigt eine Schicht des flüssigen Kristalls keine für eine Informationsdarstellung ausnutzbare Reaktion auf äussere elektrische Felder.

In den Figuren 3A bis 3C ist das elektrische Feldverhalten der Orientierungskonfigurationen der I-Ioleküle eines nematischen flüssigen BIr is tails in der optischen zelle eines Anzeigeelementes wiedergegeben.·In Abwesenheit eines elektrischen Feldes oder in Gegenwart eines elektrischen Feldes, dessen Parameter in den Hereich A der in Fig. 2 gezeigten Graphik fallen, sind die Moleküle des flüssigen Kristalls in der Weise ausgerichtet, dass ihre lange Hauptachse a senkrecht zur Übene der einander gegenüberliegenden Elektroden c steht. Ein Ausschnitt dieser Orientxerungskonfiguratxon der Moleküle des flüssigen Kristalls ist in Fig. 3A gezeigt.

In Gegenwart eines elektrischen Feldes, das die Bedingungen des zuvor beschriebenen Steuerverfahrens (I) erfüllt» wird aufgrund der Einwirkung des Feldes auf die senkrecht zur Hauptachse a' des Moleküls stehende Dipolkomponente b durch Rotation ein Umklappen der Orientierungskonfiguration 'der Moleküle des flüssigen Kristalls bewirkt» Die langen Hauptachsen -a der Moleküle des flüssigen Kristalls liegen nach dem Umklappen unter Feldeinwirkung parallel sur Haupt-

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ebene der elektroden c, und zwar in der in Fig. 3B gezeigten Weise.

Bei Anlegen eines äusseren elektrischen .Feldes, das den unter dem Steuerverfahren (2). beschriebenen Bedingungen der Feldparameter entspricht, dessen Parameter also im Spannungs-Frequenz-Bereich C der in Fig. 2 gezeigten Graphik liegt, wird eine statistische Verteilung der Ausrichtungen der langen Hauptachsen a der Moleküle des flüssigen Kristalls, also eine statistische Orientierungskonfiguration, eingestellt. Dieser Effekt wird durch den ionischen Leitungsmechanismus im flüssigen Kristall bewirkt (Fig» 3C).

Die axiale Ausrichtung, also auch die Ausrichtung der optischen Achsen von Farbstoffmolekülen, die dem flüssigen Kristall zugemischt sind,, ändert sich nach Massgabe der Änderungen der■Orientierungskonfiguration der Moleküle des flüssigen Kristalls, so dass sich dadurch auch die Absorptionscharakteristiken der optischen Zelle bzw. des Anzeigeelementes ändern.

Weitere ins einzelne gehende Details des Anzeigeelementes gemäss der Erfindung sind nachstehend in Verbindung mit der Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

In den Figuren 4a bis 4d ist in schematischer Darstellung ein Querschnitt durch die optische Zelle des Anzeigeelementes gemäss der Erfindung gezeigt. Insbesondere sind die molekularen Ausrichtungskonfigurationen des flüssigen Kristalls unter den verschiedenen Aktivierungsmoden dargestellt.

In der Fig. 4a ist die Konfiguration der Moleküle des flüssigen Kristalls in Abwesenheit eines elektrischen Feldes oder eines elektrischen Feldes gezeigt, dessen Farameter

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in den in Pig. 2 gezeigten Spannungs-Frequenz-Bereich Ä fallen. In der Fig. 4b ist die entsprechende Konfiguration in Gegenwart eines elektrischen Feldes gezeigt, dessen Parameter dem Steuerverfahren (1) entsprechen, dessen Parameter also in die in Fig. 2 gezeigten Spannungs-Frequens-Bereiche B oder D fallen. In der Fig. 4c ist die entsprechende Orientierungskonfiguration der Moleküle des flüssigen Kristalls in Gegenwart eines elektrischen Feldes gezeigt _s dessen Parameter den für das Steuerverfahren (2) erforderlichen Bedingungen entsprechen, d.h., also dessen Parameter in den Spannungs-Frequenz-Bereich C (Fig_e 2} fallen. In der Fig« 4d schliesslich ist die Anordnung des Anzeigeelementes gemäss .der Erfindung zwischen zwei Polarisatoren IO und 11 gezeigt.

Die inneren Oberflächen, der Glassubstrate 1 und 2 (Fig. 4) der optischen Seile des Anzeigeeiementes sind mit durchsichtigen Indiumoxidelektroden 3 und 4 bedampft. Zwischen den Substraten befinden sich die Moleküle 5 des flüssigen nematischen Kristalls, die Moleküle 6 eines die Orientierung der Moleküle steuernden und unterstützenden Zusatzstoffes und die Moleküle 7 und 8 der beiden verschiedenen Farbstoffe mit voneinander verschiedener Absorptionsanisotropie. Die in der Fig. 4 eingezeichnete WechselSpannungsquelle 9 kann gleicherweise· als Gleichspannungsguelle ausgebildet sein. In der Fig. 4d sind.weiterhin die Polarisatoren 10 und 11 vor bzw. hinter der optischen Zelle des Anzeigeelementes dargestellt.

Der flüssige Kristall kann beispielsweise aus einen Gemisch von p-Anisyliden-p-n-heptylanilin, p-Äthoxybensyliden-p-.n-butylanilin und p-n-Propoxybenzyliden-p-n-pentylanilin zu gleichen Gewichtsteilen oder einer entsprechenden Verbindungskoinbination bestehen» Diesem flüssigen Kristall können zur Einstellung und Stabilisierung der Orientierungskonfiguration der Moleküle beispielsweise 2 G&v?_a—% Gallussäure-

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IS

cetyXesfcer zugesetzt werden_o

Farbstoffe₅ die die in Tabelle III zusammengestellten Anzeigeeigenschaften in Abhängigkeit eines ausseren elektrischen Feldes zeigen, wenn sie einem flüssigen Kristall allein zugesetzt werden*, werden in der in Tabelle IV gezeigten Kombination dem Stoffgemisch zugesetzt, erwärmt, gerührt und zumindest so weit gelöst _t dass icein fester Rückstand verbleibt. Der auf diese Weise erhaltene flüssige Kristall„' der ein spezielles Ausführungsbeispiel darstellt,, kann in den in Fig_o 4 dargestellten Strukturen als Anzeigeelement gemäss der Erfindung verwendet v/erden.

Tabelle III

Farbstoff Färbung in Gegenwart Färbung in Äbwesen-

eines elektrischen heit eines elektri-Feldes sehen Feldes

farblos oder fast farblos

blau

O HNC₄H₉

GEL / ^J

rot

farblos oder fast färblos

~,e.Lo

farblos oder rast farblos

/084

Tabelle IV

Probe Farbstoff zusammensetzung (Gew.-%)

Farbstoff III

O 1 1 0 3

	Farbstoff I	Farßstoft II
1	1	1
2	1	0
3	1	1
4	2	0,5
5	1	1

Die in dar Tabelle III genannten Farbstoffe II und III

sind - Farbstoffe, die ein typisches Äbsorptionsverhalten zeigen, wie es ähnlich auch eine Reihe anderer Farbstoffe aufweisen. Das Absorptionsverhalten des Farbstoffs I
ist jedoch neu, und zwar auch in seiner Art nach neu
und bisher einschlägig noch nicht bekannt.

Wenn diese Farbstoffe einzeln einem flüssigen Kristall zugemischt werden, weisen sie den Nachteil auf, dass sie bei höheren Konzentrationen molekular in der Schicht des nematischen flüssigen Kristalls nicht mehr so vollständig ausgerichtet werden können, dass der Kristall nach dem Umklappen tatsächlich vollständig farblos wird. Bei zu geringer Konzentration sind jedoch die optischen Intensitäten der Untergrundfärbung und die Färbungen der darstellenden Bereiche so gering, dass der Unterschied bzw- der Kontrast zwischen beiden Bereichen bei normaler • i-laurobeleuchtung nicht mehr ausreichend gut wahrgenommen

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werden kann.

Die Anzeigefärbungen der in der Tabelle IV zusammengestellten Proben in Abwesenheit eines elektrischen Feldes und in Gegenwart eines elektrischen Feldes, dessen Parameter den Steuerbedingungen (1) entsprechen (beispielsweise 20 V und 1 kHz) sind in der Tabelle F zusammengestellt» Der in der Tabelle V dargestellten Zusammenfassung kann entnommen werden, dass die farbige Anzeige bzw,, Informationsdarstellung durch einen Kontrast zwischen zwei verschiedenen Färbungen im Änzeigelicht bewirkt wird«,

Tabelle V

Probe Färbung des Änzeigeelementes

Nr. '■ : ■ : ^;

ohne elektrisches Feld in Gegenwart eines elek-(Untergrund) trisehen Feldes

(Darstellungsbereich)

1 violett rot

2 grün gelb

3 braun rot

4 blau rot

5 grün orange-rot

Beim Anlegen eines elektrischen Feldes, dessen Parameter die Steuerbedingungen (2), also die Bedingungen des Spannungs-Frequenz-Bereiches C (Fig_o 2) erfüllen„ beispielsweise 20 V bei 60 Hz, beginnen die Moleküle des nematischen flüssigen

Kristalls dynamisch zu- streuen. Der flüssige Kristall bleibt dadurch nicht mehr, wie im vorigen IPaIl₁ durchsichtig. Im Gemisch mit dem Streulicht treten jedoch im wesentlichen gleiche Farben wie im vorangegangenen ^aIl auf.

Der überraschende Effekt, der in Anzeigeelementen mit den gemischten Farbstoffen, beispielsweise auch.mit den Farbstoffen der in Tabelle V genannten Kombination, erhalten wurde, liegt darin, dass überschüssige und nicht ausgerichtete Farbstoffmoleküle in der Weise niit den anderen zugemischten Farbstoffen Kopplungseffekte zeigten, dass, su keiner Zeit und unter keinen Bedingungen eine Störung oder Farbbeeinträchtigung der Anzeigefläche des Anzeigeelementes auftraten.

In der Fig. 5 ist als Beispiel das optische Absorptionsspektrum für ein Anzeigeelement gemäss der Erfindung wiedergegeben, bei dem" die Probe 1 der Tabelle V zwischen zwei Elektroden gegeben wurde, deren Abstand voneinander 10 ,um betrug. Die durch eine ausgezogene Linie dargestellte und mit "AUS" bezeichnete Kurve zeigt den Äbsorptionsverlauf in Abwesenheit eines äusseren elektrischen Steuerfeldes. Die unterbrochen dargestellte und mit "EIN" bezeichnete Kurve stellt den Äbsorptionsverlauf für ein elektrisches ??echselfeld mit 20 V und 1 IcHz dar, das über die Elektroden (3,4) auf den flüssigen Kristall einwirkt. Die Einsatzspannung für die kollektive lineare Umorientierung der in Tabelle V zusammengestellten Beispiele lag bei etwa 5 V bei einer Frequenz von IGO Hz. Anzeigeelemente der beschriebenen Ausführung können also bereits mit einer über dieser Sinsatzspannung liegenden Spannung gesteuert werden.

Neben dem vorstehend beschriebenen spezieilen Ausführungsbeispiel für den nessatischen flüssigen Kristall mit negativer

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dielektriseher Anisotropie können auch die nachstehend genannten Verbindungen allein oder in anderen Korabinationen verwendet werdens p-Änisyliden-p-n-butylanilin, p-ÄnisyXidenp-aminophenylacetatj p-Azoxyanisol_f p-(p~iithoxyphenylazo}-phenyl-heptanoat oder n-Butyl-p- (p-äthoxyphenoxy-carbonyi)-phenylcarbonate

Weitere Farbstoffe, die Absorptionscharakteristiken nach Art des Farbstoffs I in Tabelle III enthalten, sind jene _t wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung Kayeset Blue 214 (Nippon · Kayaku} erhältlich sind.,

Als Beispiele für Farbstoffe mit Absorptionscharakteristiken, die jenen der Farbstoffe II und III der Tabelle III entsprechen _B seien die folgenden genannte

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vi-N = N-/ ^-

OCH₁
//W-C

OCH, OH

(blau),

-\ γ (scharlachrot),

(violett),

V-(J)-CH₃

(grün)

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Weiterhin können im einschlägigen Fachgebiet an sich bekannten Farbstoffe verwendet werden _s die je nach der Ausrichtung ihrer optischen Achse von einer in die andere Färbung umschlagen* beispielsweise p-Dimethylamino-cinnamyliden-2 ',4"-dinitrophenylhydrazon oder p-Dimethylamino-= benzyliden-2^δ _f4*-dinitrophenylhydrason und andere.

Sin weiterer Betriebsmodus des Änzeigeelementes gemäss der Erfindung ist in der Fig«, 4d gezeigt ₀ bei der gekreuzte Polarisatoren vor und hinter die den flüssigen Kristall enthaltende optische Zelle des Anzeigeelementes gesetzt sinde In Abwesenheit eines elektrischen Feldes bleibt die Änzeigeflache dunkel„ da das Licht die gekreuzten Polarisatoren nicht durchdringen kann«, Beim Anlegen eines elektrischen Feldes dagegen wird das durch den ersten Polarisator einfallende Licht durch die Orient i erungsdef ormat ion der Moleküle des flüssigen Kristalls weiter polarisiert und kann dadurch durch den zweiten Polarisator mit der ihm durch den Farbstoff gegebenen Farbe austreten.

Claims

Patentansprüche

f Iy Anzeigeelement auf der Basis flüssiger Kristalle mit Farbwechseldarstellung für die Steuerung durch ein elektrisches Feld* gekennzeichnet durch eine Schicht eines nematischen Kristalls mit negativer dielektrischer Anisotropie, der in Abwesenheit eines elektrischen Feldes eine homöotrope Ausrichtung zeigt, und durch mindestens zwei Farbstoffe mit voneinander verschiedener optischer Absorption_e von denen mindestens einer plaochroraatisch ist und von denen mindestens zwei unter elektrischer Feldeinwirkung voneinander verschiedenes zur Anzeige ausnutzbares Verhalten zeigen.

2» Anzeigeelement nach Anspruch I₄, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der verwendeten Farbstoffe ein pleochromatischer Farbstoff ist_f der aus einem gefärbten Zustand in einen farblosen Zustand umschlägt,und dass mindestens einer der restlichen Farbstoffe ein Farbstoff ist, der vom farblosen Zustand in einen gefärbten Zustand umschlägt, wenn man ein elektrisches Feld anlegt«,

3. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Farbstoffe ein pleochromati- * scher Farbstoff ist, der bei Anlegen eines elektrischen Feldes von einem gefärbten Zustand in einen unterschiedlich gefärbten Zustand umschlägt, und dass zumindest einer der restlichen Farbstoffe aus einem farblosen Zustand unter der Wirkung des elektrischen Feldes in einen gefärbten Zustand wechselt.

4ο Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,' dass zumindest ein pleochromatischer Farbstoff zugegen ist, der unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes

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-* von einem gefärbten Zustand in einen ungefärbten Zustand umschlägt _t und dass zumindest einer der restlichen Farbstoffe ein Farbstoff ist, der von einem gefärbten Zustand in einen unterschiedlich gefärbten Zustand umschlägt.

So Anzeigeelement nach Anspruch I₄ dadurch gekennzeichnet _t dass es zumindest einen plsochromatischen Farbstoff enthält, der beim Anlegen eines elektrischen Feldes von einem gefärbten Zustand in einen anders gefärbten Zustand umschlägt und dass zumindest'einer der restlichen Farbstoffe ebenfalls aus einem -gefärbten Zustand in einen anderen, unterschiedlich 'gefärbten Zustand umschlägt»

6« Anzeigeelement nach Anspruch l_e dadurch gekennzeichnet _t dass zumindest einer der Farbstoffe ein pl eochroraa ti scher Farbstoff XSt₄ der in Gegenwart eines elektrischen Feldes von einem gefärbten Zustand in einen farblosen Zustand umschlägt, und dass zumindest einer der übrigen Farbstoffe unter diesen Bedingungen praktisch keine' Farbänderung zeigt. ■ '

7» Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Farbstoffe ein pleochromatischer Farbstoff ist_ä. der in Gegenv/art eines äusseren elektrischen Feldes von einem gefärbten Zustand in einen anderen, unterschiedlich gefärbten Zustand umschlägt, und dass zumindest einer der übrigen Farbstoffe ein Farbstoff ist₈. der durch Anlegen des elektrischen Feldes praktisch keine Farbänderung erfährt.

Si- Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der verwendeten Farbstoffe beim Anlegen eines äusseren elektrischen Feldes aus einem farblosen Zustand in einen gefärbten Zustand umschlägt und dass zumindest einer der übrigen Farbstoffe unter dieser

Bedingungen praktisch keine Farbänderung bewirkt.

9. Anzeigeelement nach einem, der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung des an die'Zelle des Änzexgeelementes angelegten elektrischen Feldes grosser als die Einsatzspannung für eine kollektiv geordnete üraorientierung der Moleküle des flüssigen Kristalls ist und dass die Spannung und die Frequenz des angelegten Feldes keine dynamische Streuung herbeiführen.

Anzeigeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 _e dadurch gekennzeichnet, dass das angelegte, elektrische Feld eine Spannung aufweist, die höher als die Einsatzspannung für die Erzeugung einer dynamischen Streuung ist, und dass die Spannung und die Frequenz des Feldes so gewählt sind_{ dass eine dynamische Streuung herbeigeführt werden kann.

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