ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ С ОТРАЖАЮЩИМ ПОЛЯРИЗАТОРОМ Российский патент 2004 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к устройствам отображения информации, в частности к жидкокристаллическим (ЖК) дисплеям и может быть использовано в средствах индикаторной техники различного назначения.

Известны ЖК-дисплеи, выполненные в виде плоской кюветы, образованной двумя параллельными стеклянными пластинами, на внутренних поверхностях которых нанесены электроды из оптически прозрачного электропроводящего материала и ориентирующие слои. После сборки кюветы ее заполняют жидким кристаллом, который образует слой толщиной 5-20 мкм, являющийся активной средой, изменяющей свои оптические свойства (угол вращения плоскости поляризации) под действием электрического поля. Изменение оптических свойств регистрируется в скрещенных поляризаторах, которые обычно наклеиваются на внешние поверхности кюветы. При этом участки дисплея, на электроды которых не наложено напряжение, пропускают свет и выглядят светлыми, а участки дисплея под напряжением выглядят как темные области [Л.К.Вистинь. ЖВХО, 1983, том XXVII, вып. 2, с.141-148].

В отражающих дисплеях, позади ЖК ячейки размещается зеркало или отражатель, при этом падающий свет дважды проходит через ЖК ячейку. Формирование изображение происходит аналогично пропускающим дисплеям [Pochi Yeh, Claire Gu, Optics of liquid Crystal Displays, N. - Y., 1999, p.p.233-237].

Основными недостатком традиционных дисплеев является малый угол обзора, так как многослойная конструкция ЖК дисплея эффективно управляется потоком света, распространяющимся к лицевой поверхности дисплея только в пределах ограниченного телесного угла. В качестве поляризаторов в таких дисплеях обычно используют поглощающие поляризаторы на основе полимера, например поливинилового спирта, обладающие оптической анизотропией, получаемой путем одноосного растяжения пленки из этого полимера [US 5007942, 1991] и последующей окраской пленки в парах йода или в органическом красителе. При этом эллипсоиды угловой зависимости действительной и мнимой частей показателя преломления поляризатора имеют вытянутую (игольчатую) форму.

К недостаткам устройств такого типа можно отнести также относительно низкую яркость, контраст изображения и достаточно высокое энергопотребление, что обусловлено большим числом поглощающих слоев.

Цветные дисплеи обычно имеют аналогичную конструкцию, в которой используют цветные фильтры. Каждый пиксель цветного изображения формируется путем смешения трех базовых цветов (красный, синий, зеленый) в соответствующем соотношении [Nikkei Electronics, 1983, 5-23, p.p.102-103]. Использование поглощающих фильтров приводит к дополнительным потерям света в приборе и, как следствие, увеличению энергопотребления.

Известны ЖК дисплеи, в которых слой поляризатора получают из ориентированных надмолекулярных комплексов дихроичного красителя. Такие поляризаторы имеют достаточно высокие оптические характеристики и малую толщину, что позволяет размещать их внутри дисплея. Это упрощает конструкцию и повышает надежность дисплея, кроме того, особенности технологии получения таких слоев позволяют совмещать в одном слое несколько функций (например, функцию поляризатора и ориентирующего ЖК слоя) [RU 2120651, 15.04.96].

В заявке РСТ WO 99/31535 описывается ЖК индикаторный элемент, включающий поляризатор, содержащий двулучепреломляющий анизотропно поглощающий слой, который имеет показатель преломления, возрастающий с увеличением длины волны поляризуемого света. В частности, такой поляризатор может быть получен из ЛЖК дихроичного красителя и иметь толщину, при которой реализуется интерференционный экстремум, по крайней мере, с одной стороны поляризатора. В том числе в этой заявке описывается и отражающий поляризатор.

К недостаткам использования таких поляризаторов для цветных дисплеев можно отнести отражение ими света в широком спектральном диапазоне, что приводит к смазанности цветов. Кроме того, дальнейшее развитие дисплейной техники требует более высоких оптических характеристик от поляризующих элементов и, в частности, увеличения угла обзора, при котором происходит эффективное преобразование света.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение яркости дисплея, получение в изображении спектрально чистых цветов, возможность формирования в цветном изображение белой, черной и цветной компонент, что позволяет усилить контраст и насыщенность изображения, а также увеличение угла обзора изображения на дисплее.

Технический результат достигается тем, что жидкокристаллический дисплей содержит переднюю и заднюю панели с электродами и поляризаторами и слоем жидкого кристалла между ними. При этом поляризатор задней панели является отражающим поляризатором, по крайней мере, в одной области спектра и содержит, по крайней мере, один элемент, представляющий собой многослойную структуру. Многослойная структура содержит, по крайней мере, два анизотропных слоя, разделенных, по крайней мере, одним промежуточным слоем, оптически прозрачным в указанной спектральной области, причем соотношение показателей преломления и толщин указанных слоев многослойной структуры выбрано из условия обеспечения экстремума для отношения прошедшей и отраженной поляризации в указанной области спектра.

По крайней мере, один анизотропный слой многослойной структуры может быть оптически прозрачным в указанной области спектра для обеих компонент поляризации.

Предпочтительно, чтобы, по крайней мере, один анизотропный слой имел степень анизотропии не ниже 0,4 в указанной области спектра.

По крайней мере, один анизотропный слой многослойной структуры может быть поляризатором Е-типа, по крайней мере, в одной области спектра.

Обычно анизотропные слои получают, по крайней мере, из одного органического красителя, который(-ые) и/или производные которого(-ых) способны к образованию лиотропного жидкого кристалла (ЛЖК).

Предпочтительно, чтобы в дисплее, по крайней мере, один из поляризаторов был расположен между передней и задней панелями.

Обычно за поляризатором задней панели по направлению падающего излучения располагают слой материала, поглощающего, по крайней мере, в указанной области спектра или во всем видимом диапазоне длин волн.

Предпочтительно, чтобы, по крайней мере, один анизотропный слой в дисплее был, по крайней мере, частично кристаллическим.

Для цветного дисплея поляризатор задней панели обычно состоит из матрицы цветных отражающих элементов, каждый из которых отражает, по крайней мере, в одной области спектра. При этом выбор элементов матрицы определен условием обеспечения набора базисных цветов. Обычно базисными цветами являются синий (с длиной волны из диапазона 400-500 нм), зеленый (с длиной волны из диапазона 500-600 нм) и красный (с длиной волны из диапазона 600-700 нм).

Для такого дисплей за поляризатором задней панели, состоящим из матрицы цветных отражающих элементов, предпочтительно располагать слой материала, поглощающего во всем видимом диапазоне длин волн.

Такой дисплей характеризуется наличием белой, черной и цветной компонент в цветном изображении.

ЖК дисплей по заявленному изобретению содержит переднюю и заднюю панели с электродами, поляризаторами и другими функциональными слоями и слой жидкого кристалла между ними. Поляризатор передней панели обычно является нейтральным, пропускающим одну поляризованную компоненту света и эффективно поглощающим другую.

Поляризатор задней панели для монохромного дисплея представляет собой многослойную структуру, содержащую, по крайней мере, два оптически анизотропных слоя, разделенных оптически прозрачным промежуточным слоем. Толщина и коэффициенты преломления всех слоев структуры подобраны таким образом, чтобы поляризатор эффективно отражал излучение одной поляризации в определенной области спектра и пропускал ортогонально поляризованное излучение, которое затем поглощается фильтрами.

Для цветного дисплее поляризатор задней панели представляет собой матрицу цветных отражающих элементов, каждый из которых выполнен аналогично отражающему поляризатору, описанному выше для монохромного дисплея. Выбор элементов матрицы определен обеспечением набора базисных цветов в изображении. Для получения спектрально чистых, контрастных цветных изображений предпочтительно, чтобы каждый элемент матрицы отражал в достаточно узком спектральном диапазоне.

При формировании многослойной структуры, эффективно отражающей свет одной поляризации, необходимо получать однородные слои с высокой степенью анизотропии, высоким значением одного из показателей преломления и предпочтительно тонкие (сравнимые с длиной волны). Для этих целей оптимальными являются кристаллические пленки (слои), полученные методами Optiva Technology [Lazarev P., Paukshto M., Proceeding of the 7^th International Display Workshops, Materials and Components, Kobe, Japan, November 29 - December 1 (2000), p.p.1159-1160].

Начальный выбор материала для формирования такого слоя определяется подходящими спектральными характеристиками и наличием развитой системы π-сопряженных связей в ароматических сопряженных циклах и наличием в молекулах групп типа аминных, фенольных, кетонных и т.д., лежащих в плоскости молекулы и являющихся частью ароматической системы связей. Сами молекулы или их фрагменты имеют плоское строение. Например, это могут быть такие органические вещества, как индантрон (Vat Blue 4), или дибензоимидазол 1,4,5,8-нафталинтетракарбоновой кислоты (Vat Red 14), или дибензоимидазол 3,4,9,10-перилентетракарбоновой кислоты, или хинакридон (Pigment Violet 19) и другие, производные которых или их смеси образуют стабильную лиотропную жидкокристаллическую фазу.

При растворении такого органического соединения в подходящем растворителе образуется коллоидная система (жидкокристаллический раствор), в котором молекулы объединяются в супрамолекулярные комплексы, являющиеся кинетическими единицами системы. ЖК является предупорядоченным состоянием системы, из которой в процессе ориентации супрамолекулярных комплексов и последующего удаления растворителя образуется анизотропная кристаллическая пленка (или в других терминах пленочный кристалл).

Способ получения тонких анизотропных кристаллических пленок из коллоидной системы с супрамолекулярньгми комплексами предусматривает:

- нанесение этой коллоидной системы на подложку (или изделие, или один из слоев многослойной структуры); коллоидная система должна также обладать свойством тиксотропии, для этого коллоидная система должна находиться при заданной температуре и иметь определенную концентрацию дисперсной фазы;

- приведение нанесенной или наносимой коллоидной системы в состояние повышенной текучести путем любого вида внешнего воздействия, обеспечивающего уменьшение вязкости системы (это может быть нагрев, деформация сдвига и т.д.); внешнее воздействие может продолжаться в течение всего последующего процесса ориентирования или занимать время, необходимое для того, чтобы система не успела релаксировать в состояние с повышенной вязкостью за время ориентирования;

- внешнее ориентирующее воздействие на систему, которое может быть произведено как механическим, так и любым другим способом; степень указанного воздействия должна быть достаточна для того, чтобы кинетические единицы коллоидной системы получили необходимую ориентацию и образовали структуру, которая и будет являться основой будущей кристаллической решетки получаемого слоя;

- перевод ориентированной области получаемого слоя из состояния с уменьшенной вязкостью, которое было достигнуто первоначальным внешним воздействием, в состояние с первоначальной или более высокой вязкостью системы; ее осуществляют таким образом, чтобы не произошла разориентация структуры формируемого слоя и не возникли дефекты на поверхности слоя;

- завершающей операцией является процесс удаление растворителя, в ходе которого и происходит непосредственно образование кристаллической структуры.

В полученном слое плоскости молекул параллельны друг другу и образуют трехмерный кристалл, по крайней мере, в части слоя. При оптимизации способа производства возможно получение монокристаллического слоя. Оптическая ось в таком кристалле будет перпендикулярна плоскости молекул. Такой слой обладает высокой степенью анизотропии и, по крайней мере, для одного направления высоким показателем преломления. Толщина слоя обычно не превышает 1 мкм.

Толщину получаемого слоя можно контролировать по содержанию твердой фазы в исходном ЖК и толщине нанесенного слоя ЛЖК. Кроме того, для получения слоев с промежуточными оптическими характеристиками возможно смешивать коллоидные системы (в этом случае в растворе будут образовываться совместные супрамолекулярные комплексы). В слоях, полученных из смесей коллоидных растворов, поглощение и преломление могут принимать различные значения в пределах, определяемых исходными компонентами. Смешивание различных коллоидных систем с образованием совместных супрамолекулярных комплексов возможно в связи с плоскостностью молекул (или их фрагментов) и совпадением одного из размеров молекул указанных выше органических соединений (3,4А). Во влажном слое молекулы имеют дальний порядок в одном направлении, что связано с ориентацией супрамолекулярных комплексов на подложке. При испарении растворителя молекулам оказывается энергетически выгоднее образовывать трехмерную кристаллическую структуру.

Многослойная структура включает, по крайней мере, два анизотропных слоя, полученных описанным выше способом. При этом оптические оси отдельных анизотропных слоев обычно сонаправленны. Отражение света поляризатором в определенном спектральном диапазоне происходит за счет эффекта интерференции в тонких слоях. Выбор толщины слоев и показателей преломления для каждого направления поляризации осуществляют таким образом, чтобы одна поляризационная компонента света эффективно отражалась такой структурой, а другая проходила без отражения. Для поглощения прошедшего через многослойную структуру света за ней (по ходу падения излучения) обычно располагают слой абсолютно поглощающего материала. Это устраняет блики света от задней панели дисплея и усиливает контраст изображения, кроме того, такая конструкция дисплея позволяет получать черный цвет в изображении.

Поскольку получаемые слои являются тонкими (толщиной менее 100 нм), а их количество может быть минимально (например, 3) благодаря высокой степени анизотропии, такая многослойная структура может быть расположена внутри ЖК дисплея.

Поляризатор передней панели может быть также получен по описанной технологии при соответствующем выборе органического вещества, образующего ЛЖК, или смеси веществ, имеющих подходящий спектр поглощения. При этом поляризатор также может быть расположен внутри дисплея.

Внутреннее расположение всех функциональных слоев дисплея позволяет уменьшить его размеры, повысить надежность и упростить технологию производства.

Кроме того, особенности формирования анизотропных слоев приводят к тому, что эллипсоиды угловой зависимости действительной и мнимой частей показателя преломления имеют дискообразную форму. Изменение формы эллипсоида мнимой части показателя преломления существенно сказывается на параметрах поляризатора и в том числе на его угловых характеристиках. Использование таких поляризаторов в дисплее позволяет увеличить угол обзора практически до 180°.

Поляризатор задней панели для цветного дисплея, представляющий собой матрицу цветных отражающих элементов, может быть также получен по описанной выше технологии. Например, с использованием защитных масок для формирования локальных покрытий. При этом слои анизотропного материала наносятся последовательно друг за другом по описанной выше технологии. В местах, где необходимо сохранить покрытие для формирования локального отражающего элемента поляризатора, материал покрытия переводится в нерастворимую форму. В остальных местах он удаляется путем смыва. Сверху наносится слой другого анизотропного материала и процедура повторяется. При необходимости можно использовать дополнительные планаризующие слои. Таким образом, формируется многослойная структура поляризатора, являющаяся матрицей отдельных элементов. Каждый из элементов матрицы отражает свет определенного спектрального диапазона и одной поляризации.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами: на фиг.1 представлена конструкция монохромного дисплея с внутренними поляризаторами; на фиг.2 представлена схема многослойного отражающего поляризатора; на фиг.3 даны спектральные характеристики трехслойного отражающего поляризатора.

Пример реализации

ЖК дисплей (фиг.1) содержит переднюю 1 и заднюю 2 панели со сформированными на них функциональными слоями (системой электродов, планаризующим слоем, адгезионным слоем и т.д.) и слой ЖК 3 между ними. С внутренней стороны передней панели сформирована тонкая кристаллическая пленка 4, выполняющая функцию дихроичного поляризатора. Кристаллическую пленку могут формировать описанным выше способом из ЛЖК, содержащего 12,5% смеси красителей (Vat Blue 4; бис-бензимидазол-[2,1-а:1’2’b’]антра[2,1,9-def:6,5,10-d’e’f’]диизохинолин-6,9-дион; Vat Red 15 в соотношении 5,2: 2: 1) с последующим переводом ее в нерастворимую форму путем обработки ионами Ва. Толщина кристатлической пленки составляет около 100 нм. Поскольку пленка 4 является высокоупорядоченной анизотропной пленкой, она одновременно может выполнять функцию ориентирующего слоя для ЖК.

На внутренней стороне задней панели сформирована многослойная структура отражающего поляризатора 5. На задней панели расположен также поглощающий слой 6.

Отражающий поляризатор 5 состоит из трех слоев (фиг.2): начиная с задней панели дисплея, кристаллического слоя 7, полученный из ЛЖК красителя Vat Red 15, толщиной 60 нм; изотропного, прозрачного слоя 8 поливинилацетата, толщиной 100 нм и кристаллического слоя 9, полученный из ЛЖК красителя Vat Red 15, толщиной 60 нм. Кристаллические слои отличаются высокой степенью анизотропии, в интервале длин волн 570-600 нм она достигает величины 0,8. Слои формируются на задней панели последовательно описанным выше способом. Отражающий поляризатор 5 имеет интегральную эффективность отражения около 44% поляризованного света для необыкновенного направления и около 1% - для обыкновенного. На фиг.3 представлены соответствующие спектральные зависимости отраженного света для разных направлений поляризации.

Описанный дисплей имеет яркий, насыщенный цвет (зеленый), высокий контраст и широкий угол обзора.

Список используемой литературы

Л.К.Вистинь, ЖВХО, 1983, т. XXVII, вып. 2, с.141-148.

Pochi Yeh, Claire Gu, Optics of liquid Crystal Displays, N. - Y., 1999, p.p.233-237.

US 5007942, 1991.

Nikkei Electronics, 1983, 5-23, p.p.102-103.

RU 2120651, 15.04.96.

WO 99/31535.

Изобретение относится к устройствам отображения информации. Жидкокристаллический дисплей содержит переднюю и заднюю панели с электродами и поляризаторами и слоем жидкого кристалла между ними. При этом поляризатор задней панели является отражающим поляризатором, по крайней мере, в одной области спектра и содержит, по крайней мере, один элемент, представляющий собой многослойную структуру. Многослойная структура содержит, по крайней мере, два анизотропных слоя, разделенных промежуточным слоем, оптически прозрачным в указанной спектральной области, причем соотношение показателей преломления и толщин указанных слоев многослойной структуры выбрано из условия обеспечения экстремума для отношения прошедшей и отраженной поляризации в указанной области спектра. Жидкокристаллический дисплей по заявленному изобретению имеет яркий, насыщенный цвет, высокий контраст и широкий угол обзора. Техническим результатом изобретения является увеличение яркости дисплея, получение в изображении спектрально чистых цветов, возможность формирования в цветном изображение белой, черной и цветной компонент, что позволяет усилить контраст и насыщенность изображения, а также увеличение угла обзора изображения на дисплее. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Жидкокристаллический дисплей, содержащий переднюю и заднюю панели с электродами и поляризаторами и слоем жидкого кристалла между ними, отличающийся тем, что поляризатор задней панели является отражающим поляризатором и содержит, по крайней мере, один элемент, представляющий собой многослойную структуру, содержащую, по крайней мере, два анизотропных слоя, разделенных, по крайней мере, одним оптически прозрачным слоем, причем соотношение показателей преломления и толщин указанных слоев многослойной структуры выбрано из условия обеспечения экстремума для отношения прошедшей и отраженной поляризации.2. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, один анизотропный слой многослойной структуры, является оптически прозрачным для обоих компонентов поляризации.3. Дисплей по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, по крайней мере, один анизотропный слой имеет степень анизотропии не ниже 0,4.4. Дисплей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по крайней мере, один анизотропный слой является поляризатором Е-типа.5. Дисплей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что анизотропный слой получен, по крайней мере, из одного органического красителя, который и/или производные которого способны к образованию лиотропного жидкого кристалла.6. Дисплей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из поляризаторов расположен между передней и задней панелями дисплея.7. Дисплей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что за поляризатором задней панели по направлению падающего излучения расположен слой поглощающего материала.8. Дисплей по п.7, отличающийся тем, что материал поглощает во всем видимом диапазоне длин волн.9. Дисплей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по крайней мере, один анизотропный слой является, по крайней мере, частично кристаллическим.10. Дисплей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что поляризатор задней панели состоит из матрицы цветных отражающих элементов.11. Дисплей по п.10, отличающийся тем, что выбор элементов матрицы определен условием обеспечения набора базисных цветов.12. Дисплей по п.11, отличающийся тем, что базисными цветами являются синий, с длиной волны из диапазона 400-500 нм; зеленый, с длиной волны из диапазона 500-600 нм и красный, с длиной волны из диапазона 600-700 нм.13. Дисплей по любому из пп.10-12, отличающийся тем, что за поляризатором задней панели, состоящим из матрицы цветных отражающих элементов, по направлению падающего излучения расположен слой материала, поглощающего во всем видимом диапазоне длин волн.14. Дисплей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что дисплей характеризуется наличием белой, черной и цветной компоненты в цветном изображении.