Фотоэлемент Советский патент 1979 года по МПК G02F1/13 

печение непрерывного управления прозрачностью путем использования оптической активности, жидкого кристалла. Для достижения указанной пели обр :щенные к кристаллу поверхности плас1Ггин выполнены ориентирующими смежные молекулы жидкого кристалла в предпочтительном направлении, причем направления ориентации пластин повернуты относительно ДРУГ друга. Кроме того, высота хода винтообразной структуры жидкого кристалла больше расстояния меисду пластинами в четыре раза. Так называемый эффект ориентирования пластин состоит в определенном качестве поверхности, вследствие кот рого на соседние с пластиной молекулы, т.е ив пограничный слой жидкого кристалла, действует ориентирующая направляющая сила. Молекулы в пограничном слое становятся параллельно к ориентированию стенки. Это ориенти рование, как известно, достигается, например, трением поверхности пласти ны ватой. Жидкий кристалл состоит из не.мати ч еского соединения. Нематические жидкие -кристаллыимеют параллельную структуру, т.е. их молекулы вне какого-либо воздействия в основном имеют параллельное ориентированное направление. Если нематический жидкий кристалл находится между двух пластин с одинаковой ориентацией стенок, то к эисталлическая структура принимает ориентированное направление, параллельное к стенной ориентации стенок. Есл Обе пластины вращать, изменяя взаимо расположение их друг к другу, то пограничные слои прилипают к поверхностям пластин. Между пограничных нематические молекулы ориенти рованы так, что образуется постелен ный переход от одного направления ориентации стенок к дpyгo 5y. Если рассматривать ориентацию нематичес ких молекул вдоль любой вертикали к пластинам, то наблюдается винтообразное расположение. Винтообразную структуру таког1Э типа можно достичь также добавляя в нематнческий жидкий кристалл неболь шое количество холестерическо1о, жидкокристаллического или другого оптически активного вещества. Струк тура холестерических жидких кристал :Лов. является винтообразной. Путам добавления этих кристаллов в немати ческий жидкий кристалл ему прида1зт также винтообразную структуру. Всле ствие ориентации стенок или обуслов ленного ею прилипания .винтообразная .(Структура фиксируется на поверхнос1ТЯХ пластин, Жидкий кристалл с винтообразной структурой оптически активен, т.е. направление поляризации проходящего линеарно поляризованного света следует винтообразной структуре кристалла. Оптическую активность жидких кристаллов с положительной диэлектрической анизотропией можно регулировать электрическим полем. Если в жидком кристалле образуется достаточно сильное электрическое поле в направлении винтовой оси ( т.е. вертикально к пластинам), то за исключением прилипающего пограничного слоя молекулы ориентируются параллельно к полю. Этим разрушается винтовая структура, исчезает оптическая активность. По отключении поля предыдущая структура снова появляется. На фиг.1 изображена модель жидкого кристалла с винтообразной структурой; на фиг.2 - электрооптическое приспособление с непрерывно управляемой трансмиссией; на фиг.З - графическое изображение трансмиссии фотоэлемента в зависимости от наряжения пластин; на фиг. 4 - графическое изображение угла вращения электрооптического приспособления в зависимости от приложенного напряжения. На фиг.1 изображены ориентации разных слоев жидкого кристалла с винтообразной структурой в виде , Имеющаяся винтообразная структура может быть вызвана либо ориев тацией стенок двух пластин (на чертеже не изображены), между которыми находится жидкий кристалл, либо примешиванием холестерических соединений. Пограничный слой жидкого кристалла 1 ориентирован в направлении оси У, в то время как пограничный слой 2 ориентирован в направлении оси Т В любой находящейся между пограничными слоями плоскости 3 наблюдается ориентация в направлении, находящемся между направлениями У и Z угла, причем угол зависит от расстояния от пограничных слоев, Электрооптическое приспособление .для непрерывного управления трансмиссией состоит из электрофотоэлемента 4, расположенного между поляризатором 5 и параллельным к нему анализатором 6 Элемент 4 имеет форму пластинчатого конденсатора, т.е. он составлен из двух расположенных плоскопараллельно пластин или электродов 7, 8 и находящегося между ними диэлектрика 9. Диэлектрик 9 состоит из нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией (т.е. диэлектрическая постоянная вдоль продольной оси молекул больше .диэлектрической постоянной в нертикальном к оси направлении ,, fj ) . Оба электрода 7 и 8 состоят из стеклянных пластин. Их обращенные к жидкому кристаллу поверхности покрыт SnOg. Эти ЗпО -поверности обработаны так, что молекулы жидкого кристалла в пограничном слое направленно ориентируются так, что их продольные ос находятся в параллельном к поверхнос ти электрода положении. В составленном фотоэлементе 4 ори ентированные направления обоих элект родов 7 и 8 взаимно расскручены. Молекулы жидкого кристалла ориентируют ся в пограничных слоях по ориентированному направлению электродов. Межд ними нематические молекулы ориентированы так, что образуется непрерывный переход от ориентированного направления в пограничном слое у элект рода 7 к ориентированному направлени в пограничном слое у электрода 8. Если ориентация молекул жидкого крис Тсшла рассматривать вдоль любой верт кали к электродам , то наблюдается винтообразное расположение. Направление поляризации, например падающего через электрод 7 и поляризованного параллельно к ориентирован ному направлению света следует ориентации нематических молекул и после выхода света из фотоэлемента 4 через другой электрод 8 совпадает с его направленной ориентацией. Если ориентированные направления обоих элект родов 7 и В взаимно расскручены на 90 (перекрестная ориентация стенок) то вращение направления поляризации падающего света равняется 90°. Фотоэлемент 4 так расположен между поляризатором 5 и анализатором 6, .что ориентированное направление сосе него с поляризатором 5 электрода 7 параллельно направлению поляризации поляризатора 5. Поэтому при перекрес ной ориентации стенок в элементе 4 ориентированное направление электрода В вертикально к направлению поляризации анализатора.6 . Поступающий о источника ГО через поляризатор 5 све так поляризуется по направлению к координате Z, что поступает через электрод 7 в жидкий кристалл 9, на пути через него постепенно подвергается вращению до направления -У, выходит из элемента 4 через электрод 8 и не пропускается ориентированным в направлении - Z анализатором 6. Таким образом в точке И не вИден свег от источника света 10. Если же анализатор 6 повернут относительно поляризатора 5 на 90°, свет из источника 10 виден в точке 1 Если на электроды 7 и 8 подается напряжение, т.е. в жидком кристалле образуется вертикальное к электродам электрическое поле, то нематические молекулы подвергаются воздействию крутящего момента (вследствие Е|ЛЕ i ) который стремится ориентировать продольные оси молекулы в направлении поля, С возрастанием напряжения электродов ориентация все более приближается к направлению вектора поля до тех пор, пока она не зай.мет при достаточно высоком напряжении фактически параллельного вектору поля направления. Одновременно почти полностью исчезает винтообразная структура и таким образом и оптичес кая-активность жидкого кристалла. Падающий через электрод 7 поляризо.ванный свет выходит из элемента 4 с неизмененным направлением поляризации, |После отключения напряжения вслед ствие стенной ориентации винтообразная структура снова восстанавливается. Если на электроды описанного выше приспособления (см. фиг,1), где устройства поляризации поляризатора 5 и анализатора 6 параллельны, подать напряжение, то в зависимости от напрях ения поляризованный свет частично или полностью доходит до точки 11, Когда поляризатор и анализатор перекрещены, то из-за высокого напряжения свет от источника 10 в точку 11 не поступает, На фиг,3 изображена трансмиссия описанного приспособления, где поляризационные устройства поляризатора и анализатора параллельны, в зависимости от напряжения на электродах. Трансмиссия без напряжения равна приблизительно нулю. С возрастающимнапряжением она остается почти без изменения до тех пор, пока обусловленное явлениями поляризации напряжение не достигает порогового значения. Выше этого порогового напряжения тpaнc шccия непрерывно возрастает и наконец достигает определенного насыщения . Регулирование оптической активности можно осуществлять не только с помощью постоянного напряжения, но также и с помощью переменного напряжения. Для исключения явлений поляризации при работе на переменном токе пороговое напряжение особенно низко, ход кривой на фиг,2 кГц не зависит от частоты, В предлагаемом устройстве в качестве жидкого кристалла был использован N (4-этоксибензилиден)-4-аминобензонитрил (ПЕБАБ). Любое другое нематическое вещество с положительной анизотропией ( т,е., где „ х можно применять с одинаковЕлм в основном результатом. Величина поверхностей электродов описанного элемента равняется приблизительно 4 см. Толщина жидкого кристалла колеблется между 10 и 100 мк. Ниже приведены результаты, полученные с помощью предлагаемого приспособле шя, Поляризация падающего света фактически не изменяется, так что пред:лага емый элемент можно, например, использовать и для модуляции лазернык лучей Пороговое напряжение для появления электрооптического эффекта равняется для переменного напряжения приблизительно 1 В, для постоянного напряже;ния - приблизительно 2,5 В, напряжение насыщения для постоянного и пере менного TOKav4 В. Потребление мощности при работе на постоянном напряжении значительно ниже, чем при рабо.te с элементами с эффектом динамичес:koro рассеяния. Срок службы вследЪтвие небольшого транспорта носнтелей Зарядов крайне велик При использовании цветного или окрашенного жидкого кристалла в фотоэлементе 4 с двумя поляризатораг-Ф мож но создать приспособление, не пропускающее свет при отсутствии напряжения а при наличии напряжения пропускавэщее только один цвет. Возможно также осуществить обратный процесс, В переходном диапазоне получают соответственные промежуточные тона между черным И данным цветом. Фотоэлемент 4 может действоват, и как рефлектор. Для этого предусмотренный за элементом анализатор 6 (например, в виде пленки) наклеивают на Обыкновенное зеркало Падающий сзе:т еркало либо отражает, либо поглощает 9 зависимости от наличия или отсутствия напряжения в элементе. Вследствие особых свойств продлагаемый элемент применим для различных Целей. Один из видов применения, основанный на свойстве сохранения ко Рерентности, состоит в применении элемента в качестве элемента матрицы для впечатывания в голограмкчный накопитель. Как известно, такая матрица состоит из большого числа (например, элементов, пропускающих или не пропускающих .когерентный свет в зависимости от управления и таким образом служащих для впечатывания двоичного разряда в накопитель, В частности, возможно устройство, допускающее а,чре сование. Для этого жидкий кристалл по мещагот между двух пластин, проводящий .слой которых подразделен на несколько изолированных друг от друга полос так, чтобы направления полос обеих пластин бЕлли бы под прямым, углом по отношению друг к другу. Полосы могут быть подключены с помощью соответст™ вующих соединений к сети, что делает возможным адресование отдельных сегментов , Помимо этого предлагаемый элеменТ пригоден вообще для модуляции светоинтенсивности, причем, в частности, целесообразными являются более низкие напряжения управления. Поскольку в отличие от элементов, спользующих динамического ассеяния, луч; света может быть погаиен, становится возможным получение электрооптических 3af.ibiKaHHft. Электронное, управление и модуляция направления плоскости поляризации линеарно поляризованного света (например, поляриметрии) тоже можно осуществить. Дальнейшими областями применения являются телевидение и обработка данных {запись оптических и электросигналов). Другая возможность заключается в изготовлении стекол дпя очков, абсорбция которых управляется интенсивностью дадающего света. Формула изобретения 1.Фотоэлемент, содержащий жидкий кристалл с винтообразной структурой, расположенный между двумя электропроводящими пластинами, отличаюаг и и с я тем, что, с целью уменьшения управляющего напряжения и обеспечения непрерывного управления прозрачностью путем использования оптической активности жидкого кристалла, обращенные к кристаллу поверхности пластин выполнены ориентируюгдими смежные молекулы жидкохо кристалла в предпочтительном направлении, причем направления ориентации пластин повернуты относительно друг друга. 2,Фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что высота хода винтообразной структуры жидкого кристалла больше расстояния между, гтластинами, 3 Фотоэлемент по пп. 1 и 2 о т л ичающийся тем, что высота .хода винтообразной структуры жидкого кристалла в четыре раза больше расстояния между пластинами. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Фергасон И.Л. и др. Lignid Crystals and their Applications, Electro-Technology, 1970, p,45-46. 2,Magura K, Charakteristische Eigenschaften v, Tlussigkristal1- felddetektoren, Nachrichtentechnik 1970, № 9, p, 44 0-4 44 (прототип; .

Y fO

38

й