ЭЛЕМЕНТ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИСПЛЕЯ Российский патент 2003 года по МПК G02F1/133 

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 - зеленый, В - синий [1]. Светофильтры триады выполнены из полимера, и в каждом 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 выравнивающие и ориентирующие покрытия, прозрачные электроды, 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 изобретению является элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя подложками с прозрачными электродами, один из которых сплошной, а другой выполнен в виде двух гребенок с взаимно проникающими зубцами [2] . Период зубцов одной гребенки 2 d, суммарный период двух гребенок d. Элемент снабжен входной и выходной масками со щелями. Взаимное положение щелей масок согласовано таким образом, что в отсутствие управляющего напряжения свет сквозь маски не проходит. При подаче управляющего напряжения к сплошному общему электроду и одной из гребенок ЖК переориентируется в частях, находящихся под зубцами. Слой ЖК с участками, имеющими исходную ориентацию и переориентированными, представляет собой фазовую дифракционную решетку. Пучки белого света, прошедшие сквозь щели входной маски, дифрагируют на образовавшейся фазовой дифракционной решетке, образуя систему дифракционных спектров в плоскости выходной маски. В тех местах выходной маски, на которые попадают определенные длины волн, например λ, предусмотрены щели, сквозь которые свет этой длины волны проходит. Когда напряжение приложено к общему и двум гребенчатым электродам, в слое ЖК возникает дифракционная решетка с вдвое меньшим периодом и сквозь те же щели будет проходить свет с вдвое большей длиной волны. Таким образом, элемент обеспечивает получение трех оптически различимых состояний: ТЕМНО, ЦВЕТ 1, ЦВЕТ 2, причем длины волн цветов отличаются строго в два раза. Элемент имеет высокие эксплуатационные свойства, как-то: стабильные цвета, независимые от температуры или разбросов толщины, в контакте со слоем нет химически взаимодействующих с ним слоев и потому долговечность его повышена.

Недостатком известного элемента является ограниченный набор цветов (всего два) и потому невозможность создания полноцветного дисплея. Кроме того, элемент имеет существенные потери света, поскольку из всей падающей на элемент интенсивности используются только лучи света, параллельные оптической оси, которые приходятся на щели входной маски.

Возможность реализации полноцветного дисплея осуществляется только при наличии трех независимых цветов и достаточной яркости. Обеспечение такой возможности и является целью изобретения.

Поставленная цель достигается тем, что в известный элемент, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде двух гребенок с взаимно проникающими зубцами, входную и выходную маски со щелями, взаимное положение которых согласовано, введены линзовый растр-конденсор в промежуток между входной маской и первой подложкой, линзовый растр-объектив в промежуток между второй подложкой и выходной маской, второй электрод выполнен в виде двух гребенок с взаимно проникающими зубцами, периоды гребенок на первой подложке различаются между собой в дробное число раз и не совпадают с периодом гребенок второй подложки, в местах совпадения зубцов первой и второй гребенок первой подложки предусмотрены разрезы, исключающие электрическое замыкание гребенок.

По п.1 установлены определенные соотношения между периодами гребенок на первой и второй подложках, в частности: период одной гребенки первой подложки равен d, период второй гребенки равен 1,2 d, период гребенки на второй подложке равен 1,5 d.

Благодаря такой конструкции в слое ЖК можно сформировать фазовые решетки трех различных, независимых периодов: 1,5 d, 1,2 d и d, пропускать сквозь щели выходной маски цвет трех длин волн и обеспечить 4 оптически различимых состояния: ТЕМНО, ЦВЕТ 1 (λ), ЦВЕТ 2 (1,2 λ) и ЦВЕТ 3 (1,5 λ).

Именно такое соотношение периодов позволяет обеспечить в дисплее цветовые координаты, точно соответствующие принятым международным стандартам (система CIE).

Наличие линзовых растров позволяет увеличить КПД использования света и повысить яркость изображений в дисплее за счет обеспечения возможности использования параксиальных лучей от источника света.

На чертеже изображены:
а - конструкция элемента (для удобства изложения изображены три элемента),
б - форма электродов на первой из подложек,
в - форма электродов на второй из подложек.

Элемент жидкокристаллического дисплея (см. а) содержит слой жидкого кристалла 1, заключенного между двумя прозрачными подложками 2 и 3, на внутренние стороны которых нанесены прозрачные электроды 4 и 5. Прозрачный электрод 4 выполнен в виде двух гребенок 4а, 4b с взаимно проникающими зубцами. Период зубцов одной из гребенок d_B=d, период второй гребенки d_G=1,2 d. Поскольку периоды гребенок 4а и 4b соотносятся между собой дробным отношением, то при любом из значений d возникнет ситуация, при которой зубцы гребенок должны наложиться друг на друга. Для того, чтобы устранить эту возможность, в местах возможного наложения зубцов предусмотрены разрезы каждого из совпадающих зубцов, например посередине каждого из зубцов (см. б).

Прозрачный электрод 5 выполнен в виде двух гребенок, период зубцов которых d_R составляет величину 1,5 d.

На внешней стороне подложки 2 размещены линзовый растр-конденсор 6 и входная маска 7 со щелями. На внешней стороне подложки 3 размещены линзовый растр-объектив 8 и выходная маска 9.

Лучи белого неполяризованного света 10 (аксиальные и параксиальные) освещают входную маску 7 и узкие пучки света проходят сквозь щели входной маски. Щели входной маски расположены в фокусах линзового растра-конденсора 6, поэтому на выходе конденсора 6 формируется практически параллельный пучок света, равномерно освещающий площадь ЖК-ячейки с гребенчатым электродом.

Линзовый растр-объектив 8 формирует изображение источника света (щели входной маски 7) в своей фокальной плоскости, т.е. на выходной маске 9.

В исходном состоянии в осевом направлении (O-O) на выходной маске будет сформировано яркое белое изображение щели. Поскольку в этих местах выходной маски 9 находятся непрозрачные участки, то все прошедшее излучение будет поглощено и, таким образом, будет реализовано первое из оптических состояний элемента: ТЕМНО.

Три других оптических состояния: ЦВЕТ 1, ЦВЕТ 2, ЦВЕТ 3 могут быть получены при приложении управляющих напряжений к гребенчатым электродам 4 и 5 в различных комбинациях.

Примем за систему основных цветов, соответствующую Международному стандарту CIE:
В - синий 0,440 мкм,
G - зеленый 0,528 мкм=(0,440•1,2) мкм,
R - красный 0,660 мкм=(0,440•1,5) мкм.

Если управляющее напряжение приложить к электроду 4а и электрически соединенным электродам 5а, 5b (в этом случае они используются как общий, практически сплошной электрод), то в слое ЖК возникнет периодическая система с переориентированным ЖК и ЖК с исходной ориентацией. Система участков с разной ориентацией ЖК представляет собой фазовую дифракционную решетку с периодом d (в данном варианте приложения напряжений).

Свет, прошедший сквозь фазовую дифракционную решетку, с помощью линзового растра-объектива 8 сформирует в плоскости выходной маски 9 систему дифракционных спектров ±m порядков.

Углы относительно нулевого максимума (осевое направление О-О), под которыми наблюдаются определенные длины волн, определяются выражением
sinϕ = ±mλ/2d,
где ϕ - угол, под которым распространяется свет с длиной волны λ, m - номер дифракционного максимума (принимает целые значения), d - период гребенки.

Под углом ϕ_B в плоскости выходной маски 9 будет сфокусирован синий цвет В, под углом ϕ_G будет сфокусирован зеленый цвет G, под углом ϕ_R будет сфокусирован красный цвет R.

В местах фокусировки синего цвета (расстояние l под углом ϕ_B для периода d) в выходной маске 9 предусмотрены прозрачные участки - щели, которые пропускают свет только заданной длины волны.

Таким образом, при описанной выше комбинации вариантов приложения напряжений сквозь щели выходной маски будет проходить ЦВЕТ 1 - синий цвет В (ситуация изображена на правом из трех элементов).

При подаче напряжений к электроду 4b и электрически соединенным электродам 5а, 5b в слое ЖК возникнет фазовая решетка с периодом 1,2 d и через эти же щели выходной маски будет проходить свет с длиной волны, в 1,2 раза большей, т. е. ЦВЕТ 2 - зеленый цвет G (ситуация изображена на среднем из трех элементов).

При приложении управляющего напряжения между электродами 5а и 5b (к электродам 4а, 4b напряжение не прикладывается вообще) в слое ЖК возникнет периодическая система с переориентированным ЖК (в зазоре между зубцами) и ЖК с исходной ориентацией (над зубцами). Образовавшаяся фазовая решетка имеет период 1,5 d. Сквозь эти щели выходной маски будет проходить свет с длиной волны, в 1,5 раза большей, чем при периоде d (левый из изображенных элементов). Таким образом, будет реализовано четвертое оптическое состояние: ЦВЕТ 3 - красный цвет R.

Периоды гребенчатых электродов 4а и 4b различаются в дробное число раз (в конкретном случае в 1,2 раза). Поэтому независимо от величины периодов и ширины зубцов и промежутков между ними при достаточно большом числе зубцов возникнет ситуация, когда зубцы одной гребенки должны наложиться на зубцы другой гребенки. Для того, чтобы устранить возможное электрическое замыкание гребенок, накладывающиеся зубцы разрезаны, например, посередине. Периоды гребенок от разреза зубцов не изменяются и, следовательно, способность функционирования их в качестве дифракционных решеток не теряется. Некоторое количество укороченных зубцов решетки приводит к незначительному уменьшению эффективности.

Таким образом, исполнение обоих электродов в форме гребенок с взаимно проникающими зубцами, периоды которых соотносятся в дробное число раз, и введение в состав элемента линзовых растров позволяют получить в элементе три независимых ярких цвета, что позволяет создавать на его основе полноцветные дисплеи.

Источники информации
1. Патент РСТ (WO) 85/04962, МКИ 6 G 02 F 1/133, опубликованный 19.04.1985.

2. Авт. свид. СССР 488177, МКИ 2 G 02 B 5/24, опубликованное 10.06.1976.

Элемент жидкокристаллического дисплея содержит слой жидкого кристалла (ЖК), заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами. Электроды на обеих подложках выполнены в виде гребенок с взаимно проникающими зубцами. Периоды зубцов на одной из подложек соотносятся между собой через дробное соотношение. В местах возможного наложения зубцов гребенок совпадающие электроды разрезаны. Периоды гребенок на второй подложке одинаковы. При подаче управляющего напряжения к гребенчатым электродам в слое ЖК возникает фазовая дифракционная решетка, на которой проходящий свет разлагается на несколько дифракционных спектров. Технический результат - повышение яркости изображений и устойчивости к неблагоприятным условиям эксплуатации. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде двух гребенок с взаимно проникающими зубцами, входную и выходную маски с щелями, взаимное положение которых согласно, отличающийся тем, что в него введены линзовый растр-конденсор в промежуток между входной маской и первой подложкой, линзовый растр-объектив в промежуток между второй подложкой и выходной маской, второй электрод выполнен в виде двух гребенок с взаимно проникающими зубцами, периоды гребенок на первой подложке различаются между собой в дробное число раз и не совпадают с периодом гребенок второй подложки, в местах совпадения зубцов первой и второй гребенок первой подложки предусмотрены разрезы, исключающие электрическое замыкание гребенок. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что соотношение периодов решеток выбрано следующим: период одной гребенки первой подложки равен d, период второй гребенки равен 1,2 d, период гребенки на второй подложке равен 1,5 d.