СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ДИСПЛЕЙНАЯ ЯЧЕЙКА Российский патент 2014 года по МПК G02F1/137 G09G3/36 

Область техники

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации, отображения, хранения и обработки информации, обладающих высокой информационной емкостью, в частности, в двухмерных и трехмерных дисплеях, в том числе компьютерных и телевизионных, в модуляторах света, в том числе в пространственных, в устройствах обработки и распознавания изображений, хранения и преобразования данных и т.п.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время жидкокристаллические (ЖК) дисплеи и пространственные модуляторы света (ПМС) являются самым массовым типом таких приборов: только ЖК дисплеев ежегодно в мире производится около одного миллиарда экземпляров. Главным образом, в них используются жидкие кристаллы нематического типа (НЖК). Базой для создания целой ЖК индустрии послужила высокая эффективность электрооптической модуляции света в НЖК (за счет большой величины изменения двулучепреломления) при низком управляющем напряжении (единицы вольт) [1-3].

Для наблюдения модуляции света жидкокристаллическая дисплейная ячейка с НЖК помещается между скрещенными поляроидами (поляризатором и анализатором). Модуляционная характеристика плавная и в общем случае для разных электрооптических эффектов подчиняется закону

где I₀ и I - интенсивность света, соответственно падающая на поляризатор и прошедшая за анализатор, а Г=2π·∆n·d/λ, - фазовая задержка между обыкновенным и необыкновенным лучами, определяемая величиной изменения двулучепреломления ∆n, толщиной слоя НЖК d и длиной модулируемой волны λ. Такая характеристика обеспечивает хорошую передачу полутонов (шкалы серого), а вместе с ней и цветов.

Времена переориентации молекул НЖК в дисплейной ячейке и тем самым включения и выключения того или иного электрооптического эффекта, используемого для модуляции света, описываются соотношениями:

где γ₁ - вращательная вязкость; К - модуль упругости; ∆ε - анизотропия диэлектрической проницаемости, равная разности диэлектрических проницаемостей, измеренных вдоль длинной (ε_||) и короткой (ε_⊥) осей молекул соответственно; d - толщина слоя ЖК; U - амплитуда приложенного напряжения.

Время электрооптического отклика на приложенное напряжение τ_вкл составляет единицы - десятки миллисекунд и не зависит от знака напряжения вследствие квадратичной зависимости от напряжения всех электрооптических эффектов в НЖК. После выключения напряжения молекулы переориентируются обратно в исходное состояние под действием силы, вызванной упругой деформацией молекулярной структуры слоя НЖК. Время τ_выкл выключения (релаксации) не зависит от напряжения; оно прямо пропорционально квадрату толщины слоя ЖК, прямо пропорционально отношению материальных параметров γ₁/K и может варьироваться от сотен до единиц миллисекунд. Это время ограничивает быстродействие НЖК-дисплейных ячеек и частоту воспроизведения кадров НЖК-дисплея на уровне 120-160 Гц.

Увеличение упругой силы, например 270-градусная закрутка слоя НЖК в супер-твистовых структурах [3], ведет к меньшему значению времени отклика, но и к увеличению управляющего напряжения до десяти и более вольт. В то же время низкое значение прилагаемого электрического напряжения и мощности является важным требованием совместимости высокочастотной адресации элементов дисплея с управляющими интегральными схемами. Проблематично также оказалось использование подогрева НЖК (для уменьшения вязкости) в очень тонких НЖК-ячейках, где время включения-выключения основной части отклика удалось уменьшить до 1 мс при управляющем напряжении около 5 В, но релаксационная составляющая отклика сохраняется, и выигрыш не является значительным [4]. Не оправдываются и надежды, возлагавшиеся на использование так называемой «голубой фазы» [5], с помощью которой частота смены кадров может быть доведена до 240 Гц. Этому препятствуют малый температурный интервал существования «голубой фазы» (не более 10ºС), и высокое управляющее напряжение (превышает 10 В).

Как известно, чтобы избежать сильного мерцания изображений на ТВ-экране и уменьшить смаз при наблюдении изображений быстро движущихся объектов, например летящего мяча, частоту смены кадров подняли с 25 до 40-50 Гц, хотя с точки зрения медицинских показаний, т.е. комфортности наблюдения сменяемых изображений, нужно вдвое больше. При достижении в современных дисплеях частоты смены кадров 3×40=120 Гц стало возможным получение более ярких цветных изображений за счет последовательной во времени смены цветов (да еще при сокращении втрое числа дисплейных элементов), но восприятие при частоте 40 Гц для каждого цвета не является комфортным. То же можно сказать в отношении визуализации 3D стереоизображений на экране НЖК-монитора, в лучшем случае реализуемой при частоте смены 60-80 Гц для каждого глаза.

Из сказанного ясно, что полного отсутствия мерцаний изображений (т.е. медицинских противопоказаний) при прогрессивной технологии последовательной во времени смене цветов и одновременно при трехмерном отображении информации можно добиться при частоте смены кадров на экране не менее 90×3×2=540 Гц, а еще лучше (для питания дисплея от 50-герцевой электрической сети) - на частоте 600 Гц, и специалисты понимают это [6]. Очевидно, что современные НЖК-дисплеи существенно отстают по быстродействию от требований не только завтрашнего, но уже и сегодняшнего дня.

Известно, что субмиллисекундный электрооптический отклик достигается в некоторых смектических ЖК (СЖК), называемых смектиками С*; они обладают сегнетоэлектрическими свойствами и потому высокой чувствительностью к действию электрического поля [7-9].

Фиг.1 поясняет принцип модуляции света электрооптической ячейкой с СЖК при приложении к ней электрического поля, для чего показывает геликоидальную структуру СЖК (Фиг.1, а) и взаимное расположение вектора спонтанной поляризации смектического слоя и директора СЖК (Фиг. 1, б). Здесь 1 - стеклянные подложки, 2 - прозрачные токопроводящие покрытия, 3 - смектические слои, 4 - генератор знакопеременного электрического напряжения, 5 - поляризатор, 6 - анализатор, n - директор СЖК, P_S -вектор спонтанной поляризации, p₀ - шаг геликоида, Θ₀ - угол наклона молекул в смектических слоях, φ - азимутальный угол ориентации директора, I₀ и I - интенсивности света, падающего и прошедшего через ячейку с СЖК, соответственно.

Отличительной особенностью смектических ЖК является периодическая упорядоченность центров масс молекул вдоль направления ориентации их длинных осей (директора) с периодом порядка длины молекул - так называемые смектические слои (Фиг.1, а). В отсутствие внешних воздействий полярные оси различных смектических слоев повернуты относительно друг друга, так что образуется геликоидальная (спиральная) «закрутка» директора СЖК. В каждом слое положение директора определяется полярным углом Θ₀ и азимутальным углом φ, который изменяется от 0 до 2π на расстоянии, равном шагу геликоида p₀ (Фиг.1, а, б). Под действием электрического поля, приложенного параллельно смектическим слоям 3 (вдоль координаты х), вектор P_S во всех слоях ориентируется по направлению поля. Как следствие этого, директор приобретает одно направление во всем объеме СЖК, т.е. геликоид как бы раскручивается. При смене знака поля вектор P_S переориентируется на 180º, так что длинные оси молекул разворачиваются по конусу с раствором 2Θ₀, приводя к изменению угла φ на 180º.

Переориентация директора, направление которого однозначно определяет главную оптическую ось эллипсоида показателей преломления СЖК, приводит к изменению угла между плоскостью поляризации падающего света I₀ (свет распространяется вдоль координаты х) и главной оптической осью эллипсоида, что означает модуляцию фазовой задержки между обыкновенным и необыкновенным лучами, или модуляцию интенсивности света, если электрооптическая ячейка находится между скрещенными поляризаторами 5 и 6.

В отличие от НЖК, электрооптический эффект в геликоидальном СЖК линеен по полю [10], и поскольку СЖК реагирует на знак приложенного электрического напряжения, то время включения и время выключения оптического отклика здесь одинаковы и пропорциональны

где γ_φ - вращательная вязкость СЖК, P_S - спонтанная поляризация и Е - напряженность электрического поля. Иначе, возвращение к исходному состоянию осуществляется в СЖК импульсом обратной полярности, т.е. принудительно, а не в результате релаксации (за счет упругих сил), как в НЖК. Поэтому оптический оклик при включении-выключении является симметричным во времени и очень коротким, особенно при малой вязкости и большой спонтанной поляризации СЖК.

Для известного электрооптического эффекта Кларка-Лагерволла [11], реализуемого в тонких (1÷2 мкм) слоях геликоидального СЖК, взаимодействие молекул с поверхностью приводит к бистабильному режиму переключения (полутона отсутствуют), из-за чего его применения ограничены, несмотря на возможность модулировать свет с частотой в несколько кГц при относительно малом управляющем напряжении (3÷6 В). Поэтому полутона (шкалу серого) и цвета стали организовывать с помощью электроники, разменивая частоту широтно-импульсной модуляции на число градаций (в битах). Электронной базой для этого стали так называемые кремниевые управляющие структуры LCoS (от Liquid Crystal on Silicon), разработанные для микродисплеев на основе НЖК, нашедших широкое применение в нашлемных дисплеях, различного типа видеопроекторах и смарт-приборах [12]. Микродисплеи на основе такой структуры с сегнетоэлектрическим (Ferroelectric) ЖК, получившие название FLCoS, способны отображать цветные ТВ изображения высокой четкости с гораздо большей, чем LCoS, скоростью смены кадров, но все же она не превышает 360 1/с [12, 13].

Для другого известного электрооптического эффекта деформации геликоида электрическим полем (DHF-эффекта, от Deformed Helix Ferroelectric) [14, 15], реализуемого первоначально в относительно толстых (единицы и десятки мкм) слоях СЖК, возможна модуляция света с частотой в несколько кГц, но управляющее напряжение порядка десятка вольт, гистерезисный характер переключения оптических свойств и малый оптический контраст долгое время препятствовали использованию эффекта. Впоследствии в DHF-ячейке удалось получить безгистерезисную модуляционную характеристику [16] и реализовать фазовую (0-2π) модуляцию света с частотой до 2 кГц при управляющем напряжении до ±32 В [17]. Такая жидкокристаллическая дисплейная DHF-ячейка с быстрым электрооптическим откликом и непрерывной шкалой серого описана в патентной заявке США №61/344,070 [18] и является одним из аналогов заявляемого изобретения.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению (прототипом) является сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка, выполненная по патенту РФ №2430393 [19]. Данное изобретение решало задачу создания дисплейной ячейки с геликоидальным СЖК, обладающей безгистерезисной модуляционной характеристикой с непрерывной шкалой серого и позволяющей осуществлять модуляцию света с частотой в 2 килогерца при адресации ячейки знакопеременными импульсами амплитудой до ±3 В (по уровню максимального изменения интенсивности модулируемого света), при малом энергопотреблении вследствие низкого прилагаемого напряжения.

Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка, описанная в патенте РФ №2430393, обеспечивает при достаточно малом управляющем напряжении (±3 В) высокую (2 кГц) частоту амплитудно-фазовой модуляции света с непрерывной и безгистерезисной модуляционной характеристикой. Однако, в ней:

- для уменьшения времени отклика согласно (4) используется геликоидальный СЖК с достаточно высоким значением спонтанной поляризации (до 100 нКл/см²), что увеличивает напряжение насыщения и, следовательно, то минимальное напряжение, на котором может работать СЖК-ячейка,

- деформация геликоидальной структуры слоя СЖК при изменении прилагаемого электрического напряжения способствует созданию рассеивающих свет центров и тем самым приводит к уменьшению оптического контраста.

Задачей, решаемой в предлагаемой сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке, является получение в ячейке непрерывной безгистерезисной модуляционной характеристики, позволяющей осуществлять модуляцию света с частотой в 3,5 килогерца при адресации ячейки знакопеременными импульсами амплитудой всего ±1,5 В (по уровню максимального изменения интенсивности модулируемого света), при меньшем энергопотреблении вследствие уменьшения вдвое величины прилагаемого напряжения, что более приемлемо для высокочастотных управляющих кремниевых интегральных схем (ИС), без деформации геликоидальной структуры вследствие отсутствия таковой и по этой же причине с лучшим оптическим контрастом. Тем самым задача сводится к созданию жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейки, свободной от недостатков, указанных выше для сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки, изготовляемой по патенту РФ №2430393 на основе геликоидального СЖК.

Краткое описание чертежей

На чертежах представлены:

Фиг.1 - геликоидальный СЖК с планарной ориентацией директора в электрооптической ячейке (а) и взаимное расположение вектора спонтанной поляризации смектического слоя и директора СЖК (б). n - директор СЖК, P_S -вектор спонтанной поляризации, p₀ - шаг геликоида, Θ₀ - угол наклона молекул в смектических слоях, φ - азимутальный угол ориентации директора, I₀ и I - интенсивности света, падающего и прошедшего через ячейку с СЖК, соответственно.

Фиг.2 - принципиальная конструкция сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки «пропускающего» (а) и «отражательного» (б) типа.

Фиг.3 - деформация смектических слоев в негеликоидальном СЖК с планарной ориентацией директора: общая картина (а) и фрагмент (б). Θ₀ - угол наклона молекул в смектических слоях, Ψ - угол наклона смектического слоя, P_S - вектор спонтанной поляризации, d - толщина электрооптической ячейки, l - толщина смектического слоя.

Фиг.4 - график зависимости показателя двулучепреломления Дп негеликоидального СЖК от частоты ƒ знакопеременного электрического поля. Толщина электрооптической ячейки 1,7 мкм. Амплитуда управляющего напряжения (меандр) ±1,5 В.

Фиг.5 - полученная на осциллографе компании Le Croy осциллограмма электрооптического отклика (сглаженные на углах импульсы, ноль на линии 1) ячейки с негеликоидальным СЖК на управляющее электрическое напряжение - меандр амплитудой ±1,5 В и частотой 3542 Гц (импульсы прямоугольной формы, ноль на линии 3, цена большого деления по вертикали 1 В). Электрооптическая ячейка с диэлектрическим покрытием на одной подложке, толщина слоя СЖК 1,7 мкм. Верхний уровень оптического отклика - закрытое состояние, нижний - пропускающее. Время τ_0,1-0,9 по переднему фронту - Rise=34,90 микросекунды, по заднему фронту - Fall=35,1 микросекунды.

Сущность изобретения

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известной сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке (Фиг.2), содержащей две параллельно расположенные диэлектрические пластины 1, по крайней мере, одна из которых выполнена прозрачной, на внутренние стороны которых нанесены токопроводящие покрытия 2, по крайней мере, одно из которых выполнено прозрачным, соединенные с генератором знакопеременного электрического напряжения 4, диэлектрическое покрытие 7, которое наносится поверх одного или обоих токопроводящих покрытий и служит для защиты ячейки от электрического замыкания и пробоя, прозрачное анизотропное покрытие 8, задающее начальную ориентацию молекул жидкого кристалла в отсутствие внешнего электрического поля, нанесенное по крайней мере на одно диэлектрическое покрытие 7, сегнетоэлектрический жидкий кристалл 9, заполняющий пространство между анизотропными покрытиями 8, изменяющий свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, новым является то, что сегнетоэлектрический жидкий кристалл выбран негеликоидальным, т.е. с волновым вектором геликоида q₀=2π/p₀, стремящимся к нулю, и в нем величины вращательной вязкости, спонтанной поляризации и модуля упругости, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находятся между собой в определенном соотношении, а именно: величина вращательной вязкости γ_φ находится в интервале 0,3<γ_φ<1,0 П, величина спонтанной поляризации P_S не превышает 50 нКл/см², а значение модуля упругости К находится в интервале (1÷3)·10^-12 Н.

Выполнение указанного соотношения обеспечивает в слое негеликоидального СЖК компенсацию объемного заряда, создаваемого спонтанной поляризацией, и приводит к образованию в нем в отсутствие электрического поля периодических деформаций смектических слоев. При приложении управляющего знакопеременного электрического поля периодические деформации являются физической причиной изменения показателя двулучепреломления и его характерной зависимости от частоты изменения поля. Этим негеликоидальные СЖК отличаются от геликоидальных, в которых изменение показателя двулучепреломления связано с деформацией (без изменения шага) геликоида в электрическом поле.

Наличие пространственных периодических деформаций в негеликоидальном СЖК означает (Фиг.3), что в смектических слоях 3 молекулы СЖК, исходно наклоненные на угол Θ₀ относительно нормали к слою в данной точке, дополнительно отклоняются на некоторый угол Ψ относительно оси z. Вследствие этого изменяется проекция директора на плоскость xy. Знакопеременное электрическое поле Е, приложенное вдоль координаты x, взаимодействуя со спонтанной поляризацией P_S, изменяет распределение угла Ψ, х, взаимодействуя со спонтанной поляризацией P_S, изменяет распределение угла Ψ, отражающего деформацию смектических слоев. Физически это означает изменение типа диссипации энергии и переход характеризующих ее коэффициентов от γ_φ к γ_Ψ.

Развитие этого процесса приводит к появлению солитона, который представляет собой волновой пакет с локализованной в нем периодической волной (по сути, цуг солитонов). Скорость движения центра солитона определяется как [21]:

где К - коэффициент упругости, описывающий деформацию директора по углу Ψ, γ_Ψ -сдвиговая вязкость СЖК, М - энергия изгиба смектических слоев, φ₀ - начальный азимутальный угол ориентации директора.

Если значение γ_φ ниже 0,3 П, то при увеличении частоты модуляции сдвиговая вязкость γ_Ψ не достигается, и солитонный механизм ориентации директора СЖК не реализуется, а при γ_φ≥1,0 П значительно увеличивается время оптического отклика не только на малых, но и на больших частотах, когда ответственной за диссипацию энергии становится сдвиговая вязкость γ_Ψ. При увеличении значения спонтанной поляризации выше значения 50 нКл/см² повышается напряжение насыщения и, следовательно, рабочее напряжение СЖК-ячейки. Наконец, значения (1÷3)·10^-12 Н для модуля упругости К, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, характеризуют интервал, в котором смектические слои устойчивы и в то же время податливы к образованию периодических пространственных деформаций в отсутствие электрического поля.

Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в создании в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке условий, которые приводят к периодическим изменениям положения директора (эллипсоида показателей преломления) вдоль каждого смектического слоя. Для этого геликоидальная закрутка директора в объеме в СЖК должна обязательно отсутствовать (подавляться), что обеспечивается добавлением к исходной нехиральной смектической матрице С оптически активных (хиральных) компонентов с противоположными знаками оптической активности до полного погашения (компенсации) оптической активности СЖК [20].

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки с негеликоидальным СЖК, в котором определенное соотношение величины вращательной вязкости, спонтанной поляризации и модуля упругости СЖК обеспечивают непрерывную безгистерезисную модуляционную характеристику при адресации ячейки знакопеременными импульсами амплитудой до ±1,5 В, частоту модуляции света в несколько килогерц и меньшее энергопотребление по сравнению с прототипом [19].

В первом варианте технического решения рассматривается жидкокристаллическая ячейка, осуществляющая модуляцию света при его однократном, в одном направлении, прохождении через ячейку (Фиг.2а). Во втором варианте технические задачи решаются тем же принципиальным путем, а отличие от первого варианта (ячейки, работающей на просвет) заключается лишь в выполнении одного из токопроводящих покрытий отражающим (Фиг.2б), что характерно для ячеек отражательного типа.

При этом толщина слоя СЖК выбрана в интервале 0,9÷1,4 мкм, чтобы удовлетворить условию ахроматического пропускания света ячейкой в диапазоне длин волн света, модулируемого или в пропускающей, или в отражающей свет ячейке. Кроме того, диэлектрическое покрытие может граничить со слоем СЖК только с одной стороны.

Преимущества предлагаемой сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки реализуются за счет выбора СЖК с компенсированным геликоидом и находящимися в определенном соотношении величинами вращательной вязкости, спонтанной поляризации и модуля упругости СЖК.

Главными достоинствами заявляемой сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки по сравнению с прототипом в итоге являются: уменьшение управляющего знакопеременного электрического напряжения для адресации ячейки до ±1,5 В (т.е. вдвое по уровню максимального изменения интенсивности модулируемого света), что более приемлемо для высокочастотных адресующих интегральных схем, а также более стабильная и с большим оптическим контрастом модуляция света вследствие отсутствия сегнетоэлектрических доменов и геликоидальной структуры, а значит, и ее деформации. При этом из уровня техники не известно, что в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке всех перечисленных достоинств можно добиться за счет выбора материальных параметров СЖК с компенсированным геликоидом.

Для улучшения характеристик модуляции света в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке можно в отдельности или в совокупности использовать изменение состава жидкокристаллического вещества, изменение режима управления ячейкой, видоизменение конструкции ячейки и т.п. Например, в ней возможно использование полимерно-жидкокристаллических слоев; диэлектрические пластины (подложки) могут быть выполнены в виде тонких и гибких пленок; одна из диэлектрических пластин (подложек) может быть вообще исключена, а отражающее токопроводящее покрытие в этом случае может быть выполнено на кремниевой пластине, в которой формируется управляющая интегральная схема, и др.

Таким образом, использование заявляемой сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки обеспечивает в ней непрерывную безгистерезисную модуляционную характеристику при управлении знакопеременными импульсами напряжением до ±1,5 В на частотах модуляции света в несколько килогерц, меньшее по сравнению с прототипом энергопотребление и лучший оптический контраст, причем эти результаты, как и отличительные признаки изобретения (отсутствие геликоида в СЖК и соотношение материальных параметров) являются существенными.

Промышленная применимость

Предлагаемая сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка и оптический модулятор на ее основе являются низковольтным, быстродействующим, технологичным и эффективным устройством модуляции света. Это делает возможным их применение во многих современных и перспективных дисплеях, одноканальных и пространственных модуляторах света, а также в других информационных устройствах и системах хранения, преобразования, обработки, визуализации и отображения информации. Более того, применение предлагаемого изобретения будет способствовать достижению предельного для таких устройств и систем быстродействия и реализации новых функций, не достижимых в жидкокристаллических приборах сегодня, вследствие их ограниченного быстродействия.

Пример осуществления изобретения

Для осуществления предлагаемого изобретения было изготовлено несколько экспериментальных образцов сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки и оптических модуляторов на ее основе и были измерены их характеристики.

Использовался СЖК с компенсированным геликоидом и следующими материальными параметрами: коэффициент вращательной вязкости γ_φ=0,7 П, спонтанная поляризация P_S=40 нКл/см², а модуль упругости К, определяющий деформацию вдоль смектических слоев, равен 1·10^-12 Н. Температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы у используемого СЖК находился в интервале от +5ºС до +70ºС.

В качестве токопроводящих прозрачных покрытий на стеклянных подложках использовались стандартные слои ITO. В качестве диэлектрического покрытия служила изготовленная с помощью напыления пленка двуокиси алюминия толщиной 70 нм. В качестве прозрачного анизотропного ориентирующего покрытия использовалась изготовленная с помощью центрифуги пленка полиимида толщиной порядка 30 нм, которая натиралась для придания ей ориентационных свойств.

При указанном соотношении между величинами вращательной вязкости, спонтанной поляризации и модуля упругости показатель двулучепреломления An проявляет характерную зависимость от частоты ƒ изменения электрического поля (Фиг.4), свидетельствующую о возникновении в негеликоидальном СЖК пространственных периодических деформаций смектических слоев, приводящих к солитонному механизму переориентации директора СЖК. В случае гомеотропной ориентации директора негеликоидального СЖК (смектические слои параллельны подложкам электрооптической ячейки) эти деформации наблюдались за скрещенными поляризаторами в виде чередующихся светлых и темных полос с периодом от 1,5 до 5 мкм, который зависит от молекулярного строения СЖК.

Эксперименты показали, что переход к солитонной моде происходит при частоте управляющего напряжения порядка 170 Гц. В этой моде время электрооптического отклика определяется скоростью движения солитонных волн (соотношение 4) и достаточно слабо зависит от частоты управляющего напряжения. Максимальная частота модуляции светового излучения при амплитуде управляющего напряжения (меандр) ±1,5 В в ячейке толщиной 1,7 мкм составила 3,5 кГц (Фиг.5). На представленной осциллограмме верхний уровень электрооптического отклика - это закрытое состояние, нижний - пропускающее, время электрооптического отклика по переднему фронту - Rise, по заднему фронту - Fall. Осциллограмма также свидетельствует о том, что время электрооптического отклика ячейки с негеликоидальным СЖК, в сравнении с аналогичным откликом ячейки с геликоидальным СЖК, уменьшилось на 15-20 микросекунд при обеих полярностях приложенного напряжения.

Литература

1. Л.М.Блинов. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М., Наука, 1978.

2. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. Москва, Издательство «Радио и связь», 380 с. (1987).

3. Chigrinov V.G. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London, 359 p. (1999).

4. J.Anderson, C.Chen, P.Bos. Liquid Crystal Designs for High Contrast Field Sequential Color Liquid Crystal on Silicon (LCoS) Microdisplays. Proceedings of SPIE, v.5741 ("Emerging Liquid Crystal Technologies"), 23-30 (2005).

5. B.A.Беляков, В.Е.Дмитриенко. Голубая фаза жидких кристаллов. Успехи физических наук, т.146, 369-415 (1985).

6. Matt Brennesholtz. Digital Cinema Summit: To 4K. and Beyond. Display Daily, 11.04.2011 - http://displaydaily.com/2011/04/11.

7. М.В.Лосева, Е.П.Пожидаев, А.З.Рабинович, Н.И.Чернова, А.В.Иващенко. «Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы», ВИНИТИ, итоги науки и техники, серия "Физическая химия", том 3, Москва, (1990).

8. S.Т.Lagerwall, Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals, WILEY-VCH Verlag GmbH, Germany, pp.241-257 (1999).

9. Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev Е., Zerrouk A. Advances of FLC device technology. Proc. SPIE, v. 4511, 82-91 (2001).

10. Б.И.Островский, В.Г.Чигринов. Линейный электрооптический эффект в хиральных смектических С* жидких кристаллах. Кристаллография, т.25, 322-331 (1980).

11. Dark N.A., Lagerwall S.T. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals. J.Appl. Phys., v.36, 899-903 (1980).

12. А.Самарин. LCoS-микродисплеи и их применение. Компоненты и Технологии. №8, 24-32 (2008).

13. O'Callaghan M.J., Handschy M.A. Ferroelectric liquid crystal SLMs: from prototypes to products. Proc. SPIE, v.4457, 31-42 (2001).

14. Л.А.Береснев, Л.М.Блинов, Д.И.Дергачев, С.Б.Кондратьев. Электрооптический эффект в сегнетоэлектрическом жидком кристалле с малым шагом геликоида и высокой величиной спонтанной поляризации. Письма в ЖЭТФ, 46, вып.8, 28-330 (1987).

15. L.A.Beresnev, V.G.Chigrinov, D.I.Dergachev, E.P.Pozhidaev, J.Funfshilling, M.Shadt. Deformed helix ferroelectric liquid crystal display - a new electrooptic mode in ferroelectric smectic C* liquid crystals. Liquid Crystals, v.5, #4, 1171-1177 (1989).

16. E.P.Pozhidaev, M.V.Minchenko, O.A.Shadura, A.L.Andreev, I.N.Kompanets, V.G.Chigrinov. Stability of hysteresis-free passively addressed FLC display with inherent gray scale. SID-07 Symposium Digest, v.38. Book 2, 1078-1081 (2007).

17. Е.Pozhidaev, V.Chigrinov, Т.Du, S.Kotova, М.Minchenko, V.Vashchenko, A.Krivosey, F.Fei. Fast and Hysteretic Free 0-2π Phase Modulation of the Light in Electrically Controlled Weakly Deformed Short Helix Pitch Ferroelectric Liquid Crystal. Proc. of the 29^th IDRC (Eurodisplay-09, Rome), Publishing House «Dalaad Edizioni», 398-401 (2009).

18. V.G.Chigrinov, E.P.Pozhidaev, A.A.Murauski, H.S.Kwok. Liquid Crystal Display Cell with Fast Response and Continuous Gray Scale. US Provisional Patent Application, No. 61/344,070, (Ref: TTC.PA.0463), filed on 18 May 2010.

19. А.Л.Андреев, Т.Б.Андреева, И.Н.Компанец. Патент РФ №2430393 «Сегнето-электрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка» (приоритет 11.03.2010 г.).

20. Л.А.Береснев, В.А.Байкалов, Л.М.Блинов, Е.П.Пожидаев, Г.В.Пурванецкас. Первый негеликоидальный сегнетоэлектрический жидкий кристалл. Письма в ЖЭТФ, т.33, вып.10, 553-557 (1981).

21. Т.Б.Федосенкова, А.Л.Андреев, Е.П.Пожидаев, И.Н.Компанец. Управляемое внешним электрическим полем двулучепреломление в негеликоидальных сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Краткие сообщения по физике, №3, 45-52 (2002).

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации, отображения, хранения и обработки информации, в частности, в двухмерных и трехмерных дисплеях, модуляторах света, в том числе в пространственных, устройствах обработки и распознавания изображений и т.п. Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка содержит две плоские прозрачные пластины, расположенные параллельно одна над другой, на одну сторону которых нанесены поляроиды, а на другую - прозрачные токопроводящие покрытия, подключенные к источнику знакопеременного электрического напряжения, на поверхности которых задано выделенное направление для обеспечения однородной ориентации молекул жидкого кристалла, сегнетоэлектрический жидкий кристалл, находящийся в пространстве между прозрачными токопроводящими покрытиями пластин и изменяющий свою оптическую анизотропию под действием электрического поля. Кристалл выбран негеликоидальным, и величины вращательной вязкости, спонтанной поляризации и модуля упругости, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находятся между собой в соотношении, обеспечивающем наличие периодических пространственных деформаций вдоль смектических слоев и характерную зависимость двулучепреломления дисплейной ячейки от частоты изменения электрического поля. Технический результат: непрерывная безгистерезисная модуляционная характеристика на частотах модуляции света в несколько килогерц при управлении знакопеременными импульсами напряжением до ±1,5 В, уменьшение энергопотребления, улучшение оптического контраста. 5 ил.

Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка, содержащая две параллельно расположенные диэлектрические пластины, по крайней мере, одна из которых выполнена прозрачной, на внутренние стороны которых нанесены токопроводящие покрытия, по крайней мере, одно из которых выполнено прозрачным, соединенные с генератором знакопеременного электрического напряжения, диэлектрическое покрытие, нанесенное поверх одного или обоих токопроводящих покрытий и служащее для защиты ячейки от электрического замыкания и пробоя, прозрачное анизотропное покрытие, задающее начальную ориентацию молекул жидкого кристалла в отсутствие внешнего электрического поля, нанесенное, по крайней мере, на одно диэлектрическое покрытие, сегнетоэлектрический жидкий кристалл (СЖК), заполняющий пространство между анизотропными покрытиями, изменяющий свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, отличающаяся тем, что сегнетоэлектрический жидкий кристалл выбран негеликоидальным, то есть со стремящимся к нулю волновым вектором геликоида q₀=2π/p₀, где p₀ есть шаг геликоида, величина γ_φ вращательной вязкости СЖК находится в интервале 0,3<γ_φ<1,0 П, величина спонтанной поляризации P_S не превышает 50 нКл/см², а значение модуля упругости К, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находится в интервале (1÷3)·10^-12 Н.