ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ПРОВОДЯЩИМИ СЛОЯМИ, ОБРАБОТАННЫМИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНОЙ Российский патент 2010 года по МПК G02F1/00 B82B1/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области современных жидкокристаллических систем, применяемых в системах записи-считывания оптической информации и жидкокристаллических дисплейных элементах нового поколения. Более конкретно, изобретение касается жидкокристаллического дисплейного элемента с быстрым электрооптическим откликом и проводящими покрытиями, специально обработанными поверхностной электромагнитной волной.

Уровень техники

Известно, что свойства регистрирующих сред очень важны для систем записи-считывания оптической информации, в том числе для развития современных дисплеев. Эти свойства обеспечивают обратимые процессы записи информации, например, в таких материалах, как жидкие кристаллы (ЖК), что стимулирует развитие устройств оптической памяти, корректоров амплитудно-фазовых аберраций, работающих в реальном масштабе времени, а также новых дисплейных элементов. В этих средах запись, считывание, модуляция и переключение информации реализуются, в частности, на основе изменения показателя преломления. Немаловажную, а зачастую и определяющую, роль в этих процессах играет граница раздела фаз между жидким кристаллом и ориентирующим или проводящим слоями.

Влияние рабочих и граничных условий на динамические характеристики жидкокристаллических регистрирующих сред было изучено в работах [1-6]. Авторы указанных выше публикаций ясно показали возможности улучшения динамических параметров ЖК-устройств, изменяя геометрические размеры структуры, характеристики прикладываемого напряжения питания, выбирая задержку между импульсом питания и импульсом засветки структуры, оптимизируя динамический и спектральный диапазоны облучения, модифицируя физико-химические свойства нематического жидкого кристалла (НЖК), применяя подложки с различным микрорельефом поверхности и т.п. Работы [4-6] могут быть выбраны в качестве аналога настоящего изобретения. Недостатком указанных выше разработок является наличие дополнительного ориентирующего слоя в сложной сэндвич-структуре жидкокристаллического элемента, что снижает прозрачность устройства, а также предполагает использование достаточно высоких по амплитуде значений напряжения питания.

До настоящего времени вопрос об улучшении динамики релаксационных процессов, определяющих скорость переключения электрооптического отклика жидкокристаллических систем, в том числе новых дисплейных элементов, остается открытым. Эта проблема и является предметом обсуждения и реализации настоящего изобретения.

Стоит заметить, что времена переключения нематических жидких кристаллов в новых дисплеях от различных производящих их компаний, при использовании различных технологических усовершенствований, как отмечается в ссылках [7-10], регистрируются в диапазоне 4-16 мс. Для примера в работе [8] указываются времена переключения электрооптического отклика типичных нематических ЖК, находящиеся в диапазоне 4-8 мс для ЖК-материалов, используемых фирмой Самсунг. При этом стоит сказать, что толщина электрооптического слоя, используемого в работах [8, 12], находится в диапазоне 3-4 микрометра. Для снижения времен переключения электрооптического отклика используются уникальные схемы питания ЖК-элемента, синхронизации импульса питания и засветки, а также применяются сегнетоэлектрические смектические ЖК. Однако при использовании смектических ЖК материалов существуют проблемы с их качественным ориентированием. Более того, смектические смеси из-за их многокомпонентности относительно дороги. Отмеченные особенности использования смектических ЖК существенно сдерживают их применение в промышленности и разработку смектических ЖК-дисплеев. В качестве нового пути по улучшению времен переключения новых жидкокристаллических элементов за счет сокращения времени релаксации может быть рассмотрен способ, предложенный в публикации [11], где показана экспериментальная реализация времени релаксации тонкого слоя нематика (толщиной 10-12 микрометров), обеспечивающего весь цикл включения-выключения отклика за 1 мс. Авторы работы [11] использовали как обычный нематический жидкий кристалл из класса цианобифенилов, так и оптимизированный твист-нематик (TN), имеющий меньшую проводимость. Недостатком указанной разработки является использование только планарно-ориентированных конфигураций для создания нового дисплейного элемента. Тем не менее, стоит заметить, что показанные времена переключения за счет снижения времени релаксации в аналогичных ЖК-системах не обнаружены при анализе отечественных и зарубежных источников.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предложен жидкокристаллический дисплейный элемент, состоящий из двух подложек с предварительно нанесенными прозрачными проводящими покрытиями и жидкокристаллического слоя между этими подложками, в котором жидкий кристалл представляет собой чистую или сенсибилизированную нанообъектами нематическую электрооптическую смесь, а проводящие покрытия обработаны поверхностной электромагнитной волной.

Предпочтительно в предложенном жидкокристаллическом дисплейном элементе для сенсибилизации матричной жидкокристаллической компоненты использованы нанообъекты в количестве 1 мас.% или менее.

Предпочтительно в предложенном жидкокристаллическом дисплейном элементе для сенсибилизации матричной жидкокристаллической среды использованы фуллерены, нанотрубки и/или наночастицы.

Предпочтительно в предложенном жидкокристаллическом дисплейном элементе электрооптическая компонента представляет собой жидкокристаллический материал с жидкими кристаллами, имеющими положительную величину оптической (Δn>0) и диэлектрической (Δε>0) анизотропии.

Предпочтительно в предложенном жидкокристаллическом дисплейном элементе времена переключения электрооптического жидкокристаллического слоя составляют 1 мс (миллисекунду) или менее.

Предпочтительно в предложенном жидкокристаллическом дисплейном элементе в качестве источника генерации поверхностной электромагнитной волны служит квазинепрерывный щелевой СО₂-лазер с р-поляризованным излучением на длине волны 10,6 микрометра, с мощностью 30 Вт.

Предпочтительно в предложенном жидкокристаллическом дисплейном элементе при обработке проводящих покрытий поверхностной электромагнитной волной толщина скин-слоя должна составлять не менее ~0,05 мкм (микрометра).

Толщина электрооптического жидкокристаллического слоя в настоящем изобретении предпочтительно составляет 10-12 мкм.

Таким образом, техническим результатом и достижением настоящего изобретения является следующее: с целью оптимизации процессов переключения электрооптического отклика чистых и сенсибилизированных нанообъектами жидкокристаллических структур достигнуто сокращение времен релаксации, а значит, и повышение быстродействия дисплейного элемента нового поколения при отсутствии ориентирующего слоя и при обработке прозрачных проводящих покрытий поверхностной электромагнитной волной. Это обеспечивает, во-первых, существенное, т.е. в 10 раз и более, сокращение времени релаксации нематической ЖК фазы. Как результат, быстродействие ЖК-дисплеев может быть существенно увеличено. Во-вторых, обеспечивается уменьшение числа слоев за счет отсутствия ориентирующего покрытия, что увеличивает прозрачность ЖК-элемента и обеспечивает ориентацию ЖК фазы за счет специфической обработки проводящего покрытия поверхностной электромагнитной волной. В-третьих, обеспечивается снижение амплитуды управляющего напряжения питания с 30-50 В до 7-15 В, за счет непосредственного распределения напряжения между электрооптическим слоем и проводящей поверхностью, без учета сопротивления высокоомного ориентирующего слоя. В-четвертых, при указанном способе обработки проводящих покрытий возможно создание различных конфигураций ЖК-элементов, в которых реализуются S-, В- и T-эффекты в ЖК фазе.

Новизна настоящего изобретения основана на следующем.

Для проявления малых времен релаксации в новом ЖК-элементе достаточно выбрать широкий класс органических нематических жидкокристаллических молекул. Нематические ЖК могут быть как чистыми, так и просенсибилизированными нанообъектами, такими как фуллерены, нанотрубки и/или наночастицы.

Для проявления малых времен релаксации в новом ЖК-элементе проводящие покрытия должны быть предварительно обработаны поверхностной электромагнитной волной. Этот процесс изменяет анизотропию на поверхности раздела фаз и существенно уменьшает времена релаксации. В результате достигается отклик нематического ЖК-элемента, составляющий 1 мс или менее.

С технологической точки зрения, обработка проводящих покрытий поверхностной электромагнитной волной приводит к созданию эффективного рельефа для ориентации ЖК-молекул. С физической точки зрения граничные условия на поверхности раздела твердое тело-электрооптическая жидкокристаллическая мезофаза изменяются, что приводит к изменению диэлектрической и оптической анизотропии. В результате время релаксации ЖК-мезофазы уменьшается до 1 мс или менее.

Таким образом, после обработки проводящего покрытия поверхностной электромагнитной волной времена переключения уменьшаются в 10 раз и более. То есть получаемые времена переключения могут быть сравнимы с временными параметрами смектических ЖК-слоев. При этом уменьшается общее число слоев в жидкокристаллическом элементе, а также уменьшается амплитуда прикладываемого напряжения питания.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлен общий вид ЖК-ячейки, которая может быть рассмотрена как новый ЖК-элемент.

На Фиг.2 показан общий вид осциллограммы, регистрирующей электрооптический отклик ЖК-элемента с использованием сенсибилизированного нанообъектами ЖК-материала.

На Фиг.3 представлено полученное методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) изображение одного из вариантов рельефа поверхности, полученного при обработке проводящего покрытия поверхностной электромагнитной волной и использованного в настоящем изобретении.

Подробное описание изобретения

Как работает способ/устройство

ЖК-материал, чистый или сенсибилизированный нанообъектами (например, фуллеренами, нанотрубками и/или наночастицами), размещают между двумя подложками, например кварцевыми или стеклянными, с нанесенными на них проводящими покрытиями (например, на основе окислов индия и олова, ITO).

Для создания геометрического и потенциального рельефа поверхности проводящие покрытия должны быть предварительно обработаны поверхностной электромагнитной волной. Для создания такой волны используют квази-непрерывный СO₂-лазер. В частности, в качестве источника генерации поверхностной электромагнитной волны может служить квази-непрерывный щелевой СО₂-лазер с р-поляризованным излучением на длине волны 10,6 мкм с мощностью 30 Вт. При такой обработке проводящих покрытий поверхностной электромагнитной волной толщина скин-слоя должна составлять не менее ~0,05 мкм.

К полученному в результате ЖК-элементу прикладывают напряжение питания в форме прямоугольных импульсов. В качестве источника облучения ЖК-элемента могут быть использованы лазерное излучение видимого диапазона спектра, а также белые светодиоды для исследований и реализации временных и модуляционных характеристик нематических ЖК-ячеек - ключевых элементов новых ЖК-устройств.

Промышленная применимость

В связи с относительной простотой технологической обработки проводящих покрытий, отсутствием дополнительного ориентирующего слоя, легкостью в управлении ЖК-элементом по настоящему изобретению возможно промышленное применение настоящего изобретения. Для подачи напряжения питания на ЖК-элемент, а также его облучения светом видимого диапазона спектра используют традиционные способы управления. Более того, в качестве электрооптической компоненты в ЖК-элементе могут быть использованы традиционные ЖК, такие как 5СВ, Е7 (BDH), TN LC. Электрооптическая компонента может быть чистой или сенсибилизированной нанообъектами, например фуллеренами, нанотрубками и/или наночастицами. Кроме того, новый ЖК-элемент включает в себя электрооптическую компоненту на основе нематических смесей, а не смектических структур, при этом в нем исключен дополнительный ориентирующий слой. В результате заявляемый новый дисплейный элемент достаточно дешев, функционирует в широком спектральном и временном диапазонах, причем его функционирование происходит при относительно малых управляющих напряжениях.

Источники информации

1. R.S.McEwen. "Liquid crystals, displays and devices for optical processing", J. Phys. B: Sci. Instrum., Vol.20, pp.364-377 (1987).

2. M.Schadt. "Linear and non-linear liquid crystal materials, electro-optical effects and surface interactions. Their application in present and future devices", Liq. Cryst., 14, pp.73-104 (1993).

3. N.V.Kamanina and N.A.Vasilenko. "High-speed SLM with a photosensitive polymer layer," Electron. Lett., Vol.31, pp.394-395 (1995).

4. N.V.Kamanina and N.A.Vasilenko. "Influence of operating conditions and of interface properties on dynamic characteristics of liquid-crystal spatial light modulators", Opt. Quantum Electron., Vol.29, No.1, pp.1-9 (1997).

5. N.V.Kamanina. "Fullerene-dispersed liquid crystal structure: dynamic characteristics and self-organization processes", Physics-Uspekhi, Vol.48, No.4, pp.419-427 (2005).

6. В.В.Беляев. «Применение подложек с различным микрорельефом поверхности в оптоэлектронике и устройствах отображения информации». Оптический журнал, Т.72, No.9, с.79-85 (2005).

7. http://www.astera.ru/displaynews/?id=37795 ("Производители ЖК-дисплеев ищут "золотую середину").

8. http://www.astera.ru/displaynews/?id=37228 ("ЖК-монитор с ТВ-тюнером от Samsung").

9. http://www.astera.ru/displaynews/?id=38080 ("Два новых LCD-монитора от компании IIYAMA".

10. htpp://www.meadowlark.com ("Custom liquid crystal capabilities").

11. П.Я.Васильев, Н.В.Каманина. "Фуллеренсодержащий жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света с обработанным поверхностной электромагнитной волной проводящим покрытием". Письма в ЖТФ, Т.33, Вып.1, с.17-22 (2007).

12. В.В.Беляев. "Мировой рынок дисплеев большого размера", Электронные компоненты, No.10, с.18-30 (2004).

Изобретение относится к области записи-считывания оптической информации. Предложен жидкокристаллический дисплейный элемент, состоящий из двух подложек с предварительно нанесенными прозрачными проводящими покрытиями и жидкокристаллического слоя между этими подложками, в котором жидкий кристалл представляет собой чистую или сенсибилизированную нанообъектами нематическую электрооптическую смесь, а проводящие покрытия обработаны поверхностной электромагнитной волной. Технический результат - повышение быстродействия дисплейного элемента за счет снижения времени переключения электрооптического жидкокристаллического слоя до 1 мс или менее; уменьшение числа слоев в дисплейном элементе за счет отсутствия ориентирующего покрытия, что увеличивает прозрачность элемента; снижение амплитуды управляющего напряжения питания и возможность создания различных конфигураций ЖК-элементов. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Жидкокристаллический дисплейный элемент, состоящий из двух подложек с предварительно нанесенными прозрачными проводящими покрытиями и жидкокристаллического слоя между этими подложками, в котором жидкий кристалл представляет собой чистую или сенсибилизированную нанообъектами нематическую электрооптическую смесь, а проводящие покрытия обработаны поверхностной электромагнитной волной.

2. Жидкокристаллический дисплейный элемент по п.1, в котором для сенсибилизации матричной жидкокристаллической компоненты использованы нанообъекты в количестве 1 мас.% или менее.

3. Жидкокристаллический дисплейный элемент по п.1, в котором для сенсибилизации матричной жидкокристаллической среды использованы фуллерены, нанотрубки и/или наночастицы.

4. Жидкокристаллический дисплейный элемент по п.1, в котором электрооптическая компонента представляет собой жидкокристаллический материал с жидкими кристаллами, имеющими положительную величину оптической (Δn>0) и диэлектрической (Δε>0) анизотропии.

5. Жидкокристаллический дисплейный элемент по п.1, в котором времена переключения электрооптического жидкокристаллического слоя составляют 1 мс или менее.

6. Жидкокристаллический дисплейный элемент по п.1, в котором в качестве источника генерации поверхностной электромагнитной волны служит квази-непрерывный щелевой СО₂-лазер с р-поляризованным излучением на длине волны 10,6 мкм, с мощностью 30 Вт.

7. Жидкокристаллический дисплейный элемент по п.1, в котором при обработке проводящих покрытий поверхностной электромагнитной волной толщина скин-слоя должна составлять не менее ~0,05 мкм.