МУЛЬТИСТАБИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С ПОЛЯРИЗАТОРАМИ Российский патент 2011 года по МПК G02F1/137 

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам и элементам, основанным на жидких кристаллах и предназначенным для управления интенсивностью света с использованием электрического поля.

Известен оптический затвор [В.Я.Зырянов, С.Л.Сморгон, В.А.Жуйков «Оптический затвор», ПТЭ, 1991, №1, с.240], содержащий две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером нематического жидкого кристалла (КПНЖК) с положительной диэлектрической анизотропией. Работа элемента основана на изменении показателя преломления света в каплях нематического жидкого кристалла (НЖК) при воздействии электрического поля, что дает возможность управлять рассеянием света в пленке на границах раздела «капля НЖК - полимерная матрица» и, следовательно, управлять интенсивностью проходящего света. Без воздействия поля КПНЖК пленка интенсивно рассеивает свет, а под действием поля она переходит в прозрачное состояние. После выключения поля пленка возвращается в исходное светорассеивающее состояние.

По механическим свойствам КПНЖК пленки близки к полимерным пленкам: они прочные, гибкие, простые в производстве, надежные в эксплуатации. Это позволяет применять КПНЖК пленки для изготовления гибких дисплеев, используя вместо прозрачных пластин-подложек полимерные пленки.

Недостатком аналога является отсутствие возможности получить мультистабильные оптические состояния электрооптических устройств на основе КПНЖК пленок.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является бистабильный электрооптический элемент дисплея [US Patent №6061107, МПК G02F 1/1333, опубл. 09.05.2000 г. (прототип)], содержащий две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла (КПХЖК) с положительной диэлектрической анизотропией. Здесь капли холестерического жидкого кристалла (ХЖК), капсулированные в полимерной пленке, при выключенном поле могут иметь две стабильные ориентационные структуры: отражающую планарную и светорассеивающую фокально-коническую структуры. В планарной структуре ось холестерической спирали в каплях направлена перпендикулярно плоскости КПХЖК пленки, и такая пленка отражает падающий на нее свет с определенной длиной волны. В фокально-коническом состоянии в каплях ХЖК образуются домены, интенсивно рассеивающие свет. Переключение между селективно отражающим и светорассеивающим состояниями пленки обеспечивается электрическим полем.

Недостатком прототипа является невозможность получения стабильных оптических состояний элемента: светопоглощающего состояния, а также промежуточных состояний между светопоглощающим и прозрачным.

Техническим результатом изобретения является получение мультистабильных оптических состояний электрооптического элемента на основе капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла: светопоглощающего состояния, частично прозрачного состояния и промежуточных между ними, которые могут реализовываться при любых значениях диэлектрической анизотропии используемых ХЖК.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в мультистабильном электрооптическом элементе, содержащем две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла, новым является то, что в качестве холестерического жидкого кристалла использована смесь ионного сурфактанта и холестерического жидкого кристалла с произвольным значением диэлектрической анизотропии, а на внешних сторонах прозрачных пластин расположены поляризаторы, скрещенные относительно друг друга.

Отличия заявляемого электрооптического элемента от прототипа заключаются в том, что в качестве жидкого кристалла используется смесь ионного сурфактанта и холестерического жидкого кристалла с любой величиной и знаком диэлектрической анизотропии, а капли ХЖК, капсулированные в полимерной пленке, могут иметь стабильные ориентационные структуры: закрученную радиальную, однородную и промежуточные между ними. Причем на внешних сторонах прозрачных пластин расположены поляризаторы, скрещенные относительно друг друга.

Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами, на которых схематически изображены поперечные сечения заявляемого электрооптического элемента с различными стабильными ориентационными структурами капель ХЖК, определяющими различные условия для прохождения света (фиг.1а, б, в).

Заявляемый элемент содержит два скрещенных относительно друг друга поляризатора 1, две параллельно расположенные прозрачные пластины 2 с прозрачными электродами 3 на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером жидкого кристалла, представляющего собой полимерную пленку 4 с каплями жидкого кристалла 5 внутри нее. В качестве жидкого кристалла используется смесь холестерического жидкого кристалла и ионного сурфактанта, который в исходном состоянии (фиг.1а) обеспечивает гомеотропное (перпендикулярное) сцепление жидкого кристалла с полимерной матрицей. Ориентация директора - направления преимущественной ориентации молекул ЖК - показана тонкими линиями внутри капли. В исходном случае линии директора, перпендикулярные поверхности, сходятся вместе в центре капель, образуя закрученную радиальную ориентационную структуру с точечным дефектом в центре капель. Свет частично проходит через систему скрещенных поляризаторов и капли ХЖК, имеющие радиальную структуру, за счет фазового рассогласования обыкновенной и необыкновенной компонент световой волны после прохождения через жидкий кристалл.

Работает мультистабильный электрооптический элемент следующим образом.

На электроды 3 подается биполярный электрический сигнал, параметры которого (форма, амплитуда, длительность) определяются характеристиками КПХЖК пленки (составом композиции, толщиной пленки, размером капель ХЖК). Под действием электрического поля происходит перераспределение ионов сурфактанта так, что внутри капель ХЖК образуется новая ориентационная структура (фиг.1б), которая остается стабильной после выключения электрического сигнала. В центре таких капель формируется область с однородной ориентацией директора, направленного перпендикулярно плоскости пленки. Чем больше амплитуда приложенного электрического сигнала, тем большую часть капли занимает однородная область и тем меньше света проходит через элемент. Когда однородная ориентация директора заполняет весь объем капли, то КПХЖК элемент становится темным, поглощая весь падающий свет (фиг.1в).

Пример

На основании предложенной конструкции был изготовлен электрооптический элемент с использованием следующих операций.

1. Приготовлен холестерический жидкий кристалл в виде смеси жидкого кристалла 5ЦБ (98,5%) и холестерилацетата (1,5%).

2. В холестерическом жидком кристалле был растворен ионный сурфактант цетилтриметиламмоний бромид в соотношении 10:1 по весу.

3. С использованием смеси поливинилового спирта и поливинилпирролидона (в соотношении 2:1 по весу) в качестве полимерной матрицы по растворной технологии была изготовлена КПХЖК пленка, в которой молекулы ХЖК исходно были ориентированы перпендикулярно поверхности капель, образуя закрученную радиальную структуру. Характерный вид такой пленки в скрещенных поляризаторах показан на микрофотографии (фиг.2а), где в исходном состоянии капли проявляются в виде светлых кружочков (здесь свет проходит), а полимер как темное пространство между ними (здесь свет не проходит). То есть элемент в таком состоянии частично пропускает свет, как и показано схематически на фиг.1а.

4. Собран электрооптический элемент, то есть КПХЖК пленка размещена между двух параллельных прозрачных пластин с прозрачными электродами на внутренних сторонах и пленочными поляризаторами (поляроидами) на внешних сторонах. Затем произведена склейка устройства.

Параметры переключающих сигналов показаны слева и справа от микрофотографий фиг.2а, б, в, а направления соответствующих переключений показаны черными изогнутыми стрелками.

Структурные и оптические состояния собранного ЖК элемента переключались следующим образом. Если приложить к КПХЖК пленке, находящейся в исходном состоянии (фиг.2а), биполярный прямоугольный электрический сигнал амплитудой 80 В и частотой 1 Гц в течение 5 секунд, то капли холестерика переключаются в стабильное промежуточное состояние фиг.2б, примерно соответствующее ориентации директора, показанной на фиг.1б. Капли ХЖК на фотографии фиг.2б становятся темнее, и, соответственно, весь элемент пропускает меньше света.

Если к образцу, находящемуся в промежуточном состоянии фиг.2б, приложить биполярный синусоидальный электрический сигнал амплитудой около 140 В и частотой 1 кГц в течение 8 секунд, то капли холестерика переключаются в стабильную однородную структуру (фиг.1в). В таком случае обыкновенная и необыкновенная компоненты световой волны после прохождения через жидкий кристалл синфазны и взаимно гасятся в системе скрещенных поляризаторов. В результате этого свет практически полностью поглощается оптическим элементом (фиг.1в).

Как промежуточную, так и однородную структуру можно вернуть в исходное состояние, воздействуя последовательно двумя биполярными электрическими сигналами с частотой 2 Гц. После первого сигнала амплитудой около 75 В в течение 5 секунд однородная структура (фиг.2в) переключается в переходную (фиг.2б), а после воздействия второго сигнала напряжением около 40 В - в исходную структуру (фиг.2а).

Исследования экспериментальных образцов показали, что ЖК устройство предлагаемой конструкции по механическим характеристикам не уступает прототипу. В то же время было получено такое новое качество, как способность электрооптического элемента находиться в стабильных оптических состояниях, промежуточных между светопоглощающим и частично прозрачным.

Предлагаемый КПХЖК элемент перспективен для использования в таких приборах и устройствах, где необходимо иметь компактный, дешевый, простой в изготовлении и надежный в эксплуатации элемент управления интенсивностью оптического излучения, который способен переключаться в различные оптические состояния, промежуточные между светопоглощающим и частично прозрачным, и оставаться стабильным в этих состояниях при выключенном электрическом поле. Такие элементы перспективны для использования в гибких дисплеях с энергонезависимой памятью, электрооптических затворах и т.п.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике. В элементе содержатся две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла, а в качестве холестерического жидкого кристалла использована смесь ионного сурфактанта и холестерического жидкого кристалла с произвольным значением диэлектрической анизотропии. На внешних сторонах прозрачных пластин расположены поляризаторы, скрещенные относительно друг друга. Техническим результатом изобретения является получение мультистабильных оптических состояний электрооптического элемента на основе капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла: светопоглощающего состояния, частично прозрачного состояния и промежуточных между ними, которые могут реализовываться при любых значениях диэлектрической анизотропии используемых холестерических жидких кристаллов. 2 ил.

Мультистабильный электрооптический элемент с поляризаторами, содержащий две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла, отличающийся тем, что в качестве холестерического жидкого кристалла использована смесь холестерического жидкого кристалла с произвольным значением диэлектрической анизотропии и ионного сурфактанта, а на внешних сторонах прозрачных пластин расположены поляризаторы, скрещенные относительно друг друга.