ТЕРМОРЕГУЛИРУЕМЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭКРАН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к области систем отображения оптической информации, в частности к конструкции жидкокристаллических экранов (ЖКЭ).

Известны ЖКЭ с жидкокристаллической ячейкой (ЖКЯ), включающей две пластины, одна из которых (в ЖКЭ отражательного типа) или обе (в ЖКЯ просветного типа) прозрачны, со слоем жидкого кристалла и системой активной адресации в зазоре между пластинами (В.А.Осика, A.M.Васильев, В.И.Кислый и др. Цветной ЖК-экран с активной матрицей МДМ-элементов. Информатика: Науч.-техн. сб. Сер. Средства отображения информации. Под ред. В.Н.Уласюка. ВИМИ, 1991, вып.2-3, 99 с.).

Недостатком этих устройств является то, что при прямом солнечном освещении экранов или повышении температуры окружающей среды может происходить перегрев жидкокристаллического слоя, приводящий к неработоспособности экрана.

Известен также лишенный этих недостатков жидкокристаллический экран, поляризатор (или поляризаторы) которого установлен с зазорами по отношению к ЖКЯ и в зазорах циркулирует хладагент (Заявка RU 2001107087 А).

Недостатком последнего можно считать сложность конструкции, оправданную лишь при изготовлении экранов для использования в особо тяжелых тепловых условиях.

Прототипом предлагаемого устройства является ЖКЭ, в котором стенки ЖКЯ выполнены из сапфира, материала с высокой теплопроводностью, что увеличивает отвод тепла от жидкокристаллического слоя (через установленные на торцах стенок радиаторы) приблизительно в 40 раз (James В. Armstrong, James M. Henz, Sonia R. Dodd. Accomodation of COTS LKDs in military displays. Part of the SPIE Conference on Cockpit Displays V: Displays for Defence Applications, Orlando, Florida, April 1988, SPIE Vol.3363, pp.83-92).

Недостатком устройства-прототипа является недостаточная интенсивность теплоотвода от жидкокристаллического слоя из-за транспортирования тепла в направлении наибольшего теплового сопротивления (минимальное сечение и максимальное расстояние), что приводит к неравномерному по площади экрана нагреву ЖКЯ и, как следствие, короблению ЖКЯ с искажением изображения. При интенсивной солнечной засветке такого экрана разогрев жидкокристаллического слоя может приводить к переходу его в изотропное состояние и прекращению работы экрана. Принципиальным его недостатком является невозможность охлаждения жидкого кристалла до температуры ниже температуры окружающей среды. Дополнительным недостатком устройства является сложность получения и полировки сапфира, имеющего твердость 9 по шкале Мооса.

Целью предлагаемого изобретения является равномерное по площади экрана охлаждение жидкокристаллического слоя ЖКЭ при высоких уровнях освещенности и высокой внешней температуре, повышение технологичности изготовления ЖКЭ, а также расширение возможностей применения за счет возможности охлаждения жидкокристаллического слоя до температуры ниже температуры окружающей среды.

Указанный технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что жидкокристаллический экран содержит на всей внутренней поверхности одной или обеих стенок ЖКЯ термоэлемент из двух слоев проводящих материалов с отличающимися коэффициентами Пельтье, выступающих за пределы площади жидкокристаллического слоя, т.е. за пределы терморегулируемой области. Выступающие части служат электрическими контактными площадками. В просветных ЖКЭ слои описанного термоэлемента выполнены из прозрачных материалов, а в отражательных ЖКЯ термоэлемент на задней стенке может быть непрозрачным. Ток, возникающий при подаче напряжения между слоями термоэлемента, приводит, благодаря эффекту Пельтье, к охлаждению (или нагреву - в зависимости от полярности напряжения) в области контакта пленок, т.е. по всей площади жидкого кристалла. Обратный описанному тепловой процесс происходит на контактных площадках, расположенных за пределами жидкокристаллического слоя. Теплообмен между контактными площадками и окружающей средой обеспечивается любым известным способом.

Кроме функций теплообмена описанный термоэлемент может выполнять в ЖКЭ и функцию датчика температуры жидкокристаллического слоя.

Положительный технический эффект достигается за счет того, что описанный пленочный термоэлемент находится в непосредственном тепловом контакте с тонким (порядка 5 мкм) жидкокристаллическим слоем и термостабилизирует в первую очередь его и прилегающие поверхности стенок, а не всю массу стенок и других конструкций ЖКЯ. Это резко уменьшает тепловую инерционность системы и расходуемую на термостабилизацию электрическую мощность.

При выполнении слоев термоэлемента из полупроводниковых материалов достигается более высокий тепловой эффект.В этом случае, для оптимизации свойств термоэлемента (например, для увеличения обратного тока образующегося p-n-перехода), смежные поверхности полупроводниковых пленок могут быть модифицированы или разделены пленкой третьего материала (например, для создания омического контакта).

Для расширения возможностей применения термоэлемент жидкокристаллического экрана содержит ряд описанных единичных двухслойных термоэлементов, коммутированных (последовательно, параллельно или комбинированно) с помощью вынесенных за пределы области жидкого кристалла контактных площадок. Вариантом исполнения является также жидкокристаллический экран, содержащий два и более нанесенных друг на друга с изолирующими слоями между ними термоэлемента (многокаскадный вариант).

Пленочный термоэлемент описан ранее в заявке №2006117845, изобретательский же замысел настоящего изобретения в том, что предлагаемое применение пленочного термоэлемента в жидкокристаллическом экране приводит к неожиданному эффекту: исключению термостабилизации тех элементов жидкокристаллического экрана, для которых она не нужна. Термостабилизируемая в данном изобретении масса в сотни раз меньше той, которую термостабилизируют в устройствах-аналогах и в прототипе.

Для повышения эффективности терморегуляции предложенного устройства стенки ЖКЯ выполнены из материала с низкой теплопроводностью. Эта мера уменьшает тепловой поток извне к жидкокристаллическому слою, что позволяет достичь большей разности между температурами жидкого кристалла в ЖКЭ и окружающей среды.

В качестве одного из слоев описанного термоэлемента может использоваться, путем совмещения функций, какой-либо элемент ЖКЯ, например общий электрод в просветном ЖКЭ или отражающий слой отражательного ЖКЭ.

Управляемое электропитание предлагаемого устройства может осуществляться с использованием описанного термоэлемента в качестве датчика температуры путем переключения его в заданные моменты времени в режим измерения.

Предлагаемое устройство обеспечивает преимущественный отвод тепла от более нагретых областей, т.к. при приложенном напряжении ток в локальной области термоэлемента зависит от температуры этой области: чем выше температура, тем выше ток и больше отводится тепла.

Нанесение слоев, составляющих термоэлемент, находится в рамках технологии, применяемой при формировании других элементов ЖКЯ.

На чертежах изображены варианты предлагаемого изобретения со слоями термоэлемента, выполненными из полупроводниковых материалов (не показаны поляризаторы, блок подсветки и др. стандартные элементы ЖКЭ).

Цифрами обозначены:

1 - стенки ЖКЯ, 2 - слой р-типа проводимости; 3 - слой n-типа проводимости; 4 - области электродов формирования изображения; 5 - жидкокристаллический слой; 6 - герметик; 7 - контактные площадки; 8 - отражающий слой; знаками «+» и «-» показаны полярности напряжения при охлаждении и нагревании (в скобках) объекта.

На фиг.1 - вариант просветного ЖКЭ с одним термоэлементом на задней стенке, в котором слои 2 и 3 выполнены из прозрачного материала.

На фиг.2 - вариант отражательного ЖКЭ с термоэлементом на задней стенке, в котором слои 2 и 3 могут быть и непрозрачными.

Примером конкретного исполнения предлагаемого изобретения может служить просветный ЖКЭ по схеме на фиг.1 с размером изображения 211,8×157,7 мм (10,4 дюйма по диагонали), разрешающей способностью 640×480 полноцветных элементов изображения, в котором охладителем служит единичный термоэлемент с электродами в виде пленок оксида цинка n- и р-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,0001 ом·см. Толщины пленок, нанесенных методом химического транспорта, составляют по 0,01 мм. Стенки ЖКЯ толщиной 1 мм изготовлены из боросиликатного стекла с низкой теплопроводностью (˜0,5 Вт/м·град). Такой термоэлемент позволяет отводить от рабочей области 30 Вт тепла, что, например, превышает возможный поток тепла при солнечной засветке (и значительно превышает ту часть этого потока, которая поглощается жидкокристаллическим слоем), а также превышает поток тепла через стенки при температуре окружающей среды на 40 градусов выше температуры жидкокристаллического слоя.

Изобретение относится к области отображения информации. Жидкокристаллическая ячейка (ЖКЯ) экрана содержит на всей внутренней поверхности одной или обеих стенок термоэлемент в виде двух слоев из прозрачных проводящих материалов, выступающих за пределы площади жидкокристаллического слоя. Ток, возникающий при подаче напряжения между слоями термоэлемента, приводит, благодаря эффекту Пельтье, к охлаждению или нагреву в области контакта пленок, т.е. по всей площади жидкого кристалла. В варианте отражательного ЖКЭ описанный термоэлемент на внутренней поверхности задней (непрозрачной) стенки может быть выполнен из непрозрачных материалов и располагаться под отражающим слоем. Технический результат - обеспечение возможности равномерного охлаждения жидкокристаллического слоя по всей площади экрана. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Жидкокристаллический экран, включающий жидкокристаллическую ячейку (ЖКЯ), отличающийся тем, что ЖКЯ содержит на внутренней поверхности одной или обеих стенок термоэлемент в виде двух (или более) слоев из проводящих прозрачных материалов с отличающимися коэффициентами Пельтье, выступающих за пределы площади жидкокристаллического слоя.2. Экран по п.1, отличающийся тем, что стенки ЖКЯ выполнены из материала с низкой теплопроводностью.3. Жидкокристаллический экран отражательного типа, включающий жидкокристаллическую ячейку (ЖКЯ), отличающийся тем, что ЖКЯ содержит на внутренней поверхности задней (непрозрачной) стенки под отражающим слоем термоэлемент в виде двух (или более) слоев из прозрачных или непрозрачных проводящих материалов с отличающимися коэффициентами Пельтье, выступающих за пределы площади жидкокристаллического слоя.4. Экран по п.3, отличающийся тем, что стенки ЖКЯ выполнены из материала с низкой теплопроводностью.