ЭЛЕМЕНТ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИСПЛЕЯ Российский патент 2003 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к индикаторной технике, в частности к цветным жидкокристаллическим дисплеям, в которых селекция цветов производится разнесенными по плоскости светофильтрами с тремя первичными цветами (триадами), а модуляция каждого из цветов производится посредством жидкого кристалла (ЖК).

Известен элемент ЖК дисплея, содержащий слой ЖК, размещенного между двумя подложками с прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями на внутренних сторонах, и триаду светофильтров, пропускающих свет одной из трех первичных длин волн: R-красный, G-эеленый, В-синий [1]. Светофильтры триады выполнены из полимера и в каждый из них внедрен краситель одного из первичных цветов. Напротив каждого из светофильтров расположен участок ЖК, который с помощью поляроидов при приложении напряжения регулирует количество света, проходящего сквозь каждый из светофильтров, благодаря чему и создается цветное изображение.

Недостатками известного дисплея являются малая светосила (большая доля света поглощается светофильтром) и высокая стоимость, обусловленная технологическими трудностями при изготовлении: на обычно легкоплавкий полимер нужно наносить прозрачные электроды и ориентирующие покрытия, а это процессы обычно высокотемпературные. Долговечность элемента ограничена, т.к. ЖК может химически реагировать с полимером светофильтра и/или с красителем. Это может привести к его деградации и потере работоспособности.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является элемент ЖК дисплея, аналогичный по конструкции, в котором для селекции цветов используются полоски фотополимера, способного при освещении УФ-излучением изменять величину двулучепреломления. В каждой из полосок триады светофильтров наведена разная величина двулучепреломления, такая что при соответствующем расположении поляроидов каждая из полосок пропускает свет с длиной волны одного из первичных цветов.

Достоинством такого исполнения триады светофильтров в известном элементе дисплея является более высокая светосила, т.к. нет красителей, поглощающих свет. Остальные недостатки те же, что и у предыдущего технического решения, т. е. технологические трудности при изготовлении и, следовательно, высокая стоимость и возможность деградации ЖК за счет химического взаимодействия ЖК и полимерного светофильтра.

Техническим результатом изобретения является повышение светосилы и упрощение технологии изготовления, приводящее к снижению стоимости и увеличению долговечности.

Указанный технический результат достигается созданием элемента жидкокристаллического дисплея, содержащего слой ЖК, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами на внутренних сторонах, триаду светофильтров, пропускающих первичные длины волн и выполненные из полимера, и поляроиды. В элементе установлена непрозрачная выходная маска с отверстиями. Каждый из светофильтров триады выполнен в виде линзы Френеля. Фокусные расстояния линз Френеля зависят от длины волны света. В предлагаемом решении фокусные расстояния каждой из линз заданы одинаковыми, но для разных первичных длин волн в каждом из светофильтров триады. Выходная маска и светофильтры расположены на внешней стороне одной из подложек и таким образом, чтобы фокусы линз приходились на отверстия в маске. Каждая из линз триады фокусирует свет одной из первичных длин волн на соответствующее отверстие в выходной маске, так что сквозь отверстие к слою ЖК проходит свет только одной из первичных длин волн, тогда как свет других длин волн поглощается выходной маской, т.е. производится селекция цветов без применения красителей или двулучепреломляющих материалов, в той или иной степени поглощающих свет. Благодаря такому способу селекции светосила элемента увеличивается, а поскольку триада полимерных светофильтров расположена с наружной стороны подложек и вне контакта с ЖК, то технология изготовления существенно упрощается и стоимость изготовления снижается. Отсутствие контакта ЖК и полимерного светофильтра исключает возможность деградации ЖК, т.е. увеличивает долговечность.

Сущность настоящего решения поясняется на чертежах, где на фиг.1 приведена конструкция одного элемента изображения дисплея (пикселя), а на фиг.2 приведен ход лучей в одном из светофильтров триады.

Элемент жидкокристаллического дисплея состоит из слоя нематического ЖК 1 с твист- или супертвист-структурой или может быть использован ЖК с другим электрооптическим эффектом, например сегнетоэлектрический ЖК. Жидкий кристалл заключен между двумя подложками 2 и 3 с прозрачными электродами сплошным 4 и разделенным на три участка 5. На внешней стороне подложки 2 размещена непрозрачная выходная маска 6 со щелями 7. На расстоянии f от маски 6 расположены цилиндрические линзы Френеля 8, рельефные (с разной толщиной оптического материала по плоскости линзы) или однородные по толщине, но с вариациями показателя преломления по плоскости линзы полученные, например, за счет разной степени фотополимеризации отдельных участков линзы по определенному закону. Это расстояние может быть задано, например, прозрачной буферной прокладкой 9, либо сами линзы сформированы на поверхности полимера, а общая толщина полимера выбрана равной расстоянию f.

Принцип селекции цветов поясняется на фиг.2, где приведен ход лучей в круглой амплитудной линзе Френеля.

Известно, что система концентрических прозрачных и непрозрачных колец, радиусы которых подчиняются соотношению:
R_k = (2kλf)^1/2,
действует на проходящий сквозь нее свет как положительная линза при условии, что сегменты зачернены через один.

Здесь f - фокусное расстояние линзы, k - номер радиуса кольца, R - радиус кольца, λ - длина волны света. Как видно из выражения, при заданном наборе радиусов-колец фокусные расстояния для разных длин волн разные, т.е. имеется набор фокусов. Если в фокус линзы, например, R - красного цвета поместить узкую диафрагму (отверстие или щель в непрозрачной выходной маске определенной ширины), то на выходе за маской будет наблюдаться только красный цвет, тогда как остальные будут поглощены маской. Аналогично можно выделить любой другой цвет. Спектральная ширина цвета и интенсивность на выходе маски определяется шириной щели. Более узкая щель дает более чистые цвета, но с меньшей интенсивностью.

Для получения трех первичных цветов (триады светофильтров) необходимо иметь три линзы Френеля, причем каждая из них должна иметь собственный набор фокусов для трех первичных цветов. Должно быть соблюдено условие: фокусное расстояние одной линзы для синего цвета должно равняться фокусному расстоянию другой линзы для красного цвета и равняться фокусному расстоянию третьей линзы для зеленого цвета (на фиг.1 это расстояние обозначено f). Если использовать не круглую, а цилиндрическую линзу Френеля, как в нашем случае, то роль радиусов будут играть расстояния краев полосок от центра.

Если сегменты линзы Френеля зачернены через один, такая линза называется амплитудной и она способна собрать в фокусе незначительную часть световой энергии. Если же сегменты через один будут иметь разные показатели преломления, причем такие, что набег разности фаз между соседними сегментами будет равен π, то такая фазовая линза может собрать в фокусе до 80% света одной длины волны. Именно такого типа линзы используются в настоящем элементе.

После того как с помощью линз Френеля произведена селекция цветов и в каждую из щелей маски 6 проходит один из первичных цветов, модуляция их интенсивности происходит приложением напряжения к участкам ЖК под электродом 5. Поляроиды 10, 11 и переориентированный ЖК регулируют поток света через каждый из светофильтров триады, создавая полноцветное изображение.

Таким образом, из приведенного выше видно, что элемент дисплея обеспечивает достижение указанных результатов. В светофильтре нет элементов, поглощающих свет, а значит светосила его повышена. Полимерные элементы расположены вне ЖК ячейки и не могут реагировать с ЖК материалом, поэтому изготовление такого элемента дисплея не представляет технологических сложностей и затраты малы. Пространственное разделение ЖК и полимерного светофильтра исключает возможность химической деградации ЖК и, следовательно, обеспечивается высокая долговечность элемента.

Источники информации
1. Патент РСТ(WO) 85/04962 МКИ₆ G 02 F 1/133, опублик. 19.04.85 г.

2. Патент Швейцарии RAN 4701/139-00 МКИ₆ G 02 F 1/133, опублик. 14.02.95 г.

Элемент жидкокристаллического дисплея содержит слой жидкого кристалла (ЖК) между двумя подложками с прозрачными электродами и триаду светофильтров, производящую селекцию цвета на три первичные длины волн: R, G, B. Селекция цветов производится посредством трех фазовых линз Френеля, выполненных из фотополимера. Каждая из линз фокусирует свет одной длины волны в щели выходной маски. Роль жидкого кристалла сводится к модуляции интенсивности света каждой из трех длин волн. Технический результат - повышение светосилы и увеличение долговечности. 2 ил.

Элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, триаду светофильтров, пропускающих первичные длины волн и выполненных из полимера, поляроиды с внешних сторон, отличающийся тем, что в него введена выходная маска со щелями, каждый из светофильтров триады выполнен в виде линзы Френеля с одинаковыми фокусными расстояниями, но для разных длин волн в каждом из светофильтров, выходная маска и светофильтры расположены на внешней стороне одной из подложек, фокусы линз Френеля совмещены со щелями в выходной маске.