Жидкокристаллическая сегнетоэлектрическая дисплейная ячейка

Жидкокристаллическая сегнетоэлектрическая дисплейная ячейка

Реферат

 

Изобретение относится к электрооптическим устройствам и может быть использовано для создания информационных дисплеев, устройств обработки изображений, светозатворов. Ячейка содержит две прозрачные пластины с прозрачными токопроводящими покрытиями, подключенными к источнику знакопеременного электрического напряжения. В пространстве между пластинами находится сегнетоэлектрический жидкий кристалл (СЖК), изменяющий свою оптическую анизотропию при смене знака источника напряжения. Благодаря этому ячейка изменяет состояние своего светопропускания и моделирует проходящий через нее свет. После выключения напряжения ячейка в зависимости от молекулярного строения СЖК сохраняет либо состояния максимального или минимального светопропускания (бистабильность), либо сохраняет любое промежуточное состояние светопропускания (мультистабильность). Указанные состояния достигаются независимо от химического строения и структуры токопроводящих покрытий и без специальной электрической тренировки ячейки благодаря тому, что слой СЖК имеет толщину более 10 мкм, является оптически активным с шагом спирали более 1 мкм и СЖК состоит из нехиральной смектической смеси, включающей в себя сочетание замещенных дифенилпиримидинов и фенилбензоатов, и хиральной добавки, включающей в себя оптически активные производные терфенилдикарбоновой кислоты, причем выбор компонентов и весовые соотношения обуславливают как бистабильность и отсутствие шевронной деформации слоя СЖК, если обеспечивается значение спонтанной поляризации СЖК не менее 10 нКл/см², так и мультистабильность, если это значение превышает 50 нКл/см². 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

Изобретение относится к электрооптическим устройствам и может быть использовано для создания информационных дисплеев, светозатворов, устройств обработки изображений.

Известна жидкокристаллическая сегнетоэлектрическая дисплейная ячейка.

На фиг. 1 поясняется общий принцип ее устройства и структура; цифрами и буквами на чертежах и далее в тексте обозначены: 1 плоские прозрачные пластины, 2 прозрачные токопроводящие слои, на поверхности которых сформировано выделение R, обеспечивающее однородную ориентацию молекул жидкого кристалла, 3 плоскости смектических слоев жидкого кристалла, перпендикулярные поверхности пластин 1, 4 источник знакопеременного электрического напряжения, подключенный к слоям 2, Е вектор электрического поля, расположенный в плоскости смектического слоя, N вектор, показывающий направление ориентации длинных осей молекул в смектических слоях сегнетоэлектрического жидкого кристалла (СЖК), Р_с вектор спонтанной поляризации СЖК, L нормаль к смектическим слоям, z координатная ось, совпадающая по направлению с вектором L, х координатная ось, параллельная пластинам 1, _o угол наклона длинных осей молекул по отношению к вектору L (угол между векторами N и L ), угол в плоскости XY между нормалью к пластинам 1 и вектором Р_с, П, А направления осей пропускания поляризатора и анализатора, нанесенных на внешнюю поверхность пластин 1, b - угол между осями пропускания поляризатора и анализатора, I₀ интенсивность падающего на ячейку света, I интенсивность промодулированного ячейкой света.

На фиг.2 проиллюстрировано фундаментальное свойство СЖК при Е 0: периодическая зависимость азимутального угла v от координаты z, которая называется геликоидальной закруткой; на чертеже и далее в тексте: Р₀ - шаг спирали геликоидальной закрутки. Величина Р₀ это расстояние вдоль координаты z между плоскостями смектических слоев, в которых вектор Р_с имеет одинаковую ориентацию, а угол v одинаковое значение. В зависимости от химического строения СЖК величина Р₀ варьируется от 0,16 микрометров до бесконечности. Если P_o , то (z) const, то есть ориентация вектора Р_с во всех смектических слоях одинакова. Этот случай показан на фиг. 1. Если Р_о конечная величина, например, 0,16 10 микрометров, то v f (z) периодическая функция с периодом Р_о. Если Е 0 и Е > Е_с, где Е_с критическое значение электрического поля, зависящее от строения и толщины слоя СЖК, то геликоид раскручивается электрическим полем, то есть достигается ситуация v (z) const, соответствующая фиг. 1.

Модуляция света ячейкой происходит следующим образом. На ячейку падает естественный неполяризованный свет, интенсивность которого I_о (фиг. 1). Проходя через поляризатор П, свет становится поляризованным в направлении оси пропускания поляроида и, пройдя через слои 1 и 2, попадает на слой СЖК. Распространение поляризованного света через СЖК зависит от взаимного расположения вектора N и оси пропускания поляризатора П. Hаправление вектора N в ячейке зависит от знака напряжения источника 4, то есть от направления поля Е. Угол между векторами N(+E) и N(-E) составляет 2_o (фиг. 1). Если СЖК находится в поле +Е, а поляроид наносится так, что его ось параллельна вектору N(+E), то свет распространяется вдоль главной оптической оси СЖК и поэтому не испытывает двулучепреломления, и при = /2 ячейка не пропускает свет. Если направление поля изменится на -Е, свет будет распространяться под углом 2_o к главной оптической оси СЖК и поэтому испытывать двулучепреломление, вследствие чего поляризация света из линейной преобразуется в эллиптическую. В этом случае при = /2 ячейка пропускает свет. Изменение светопропускания ячейки происходит вследствие изменения анизотропии СЖК при изменении направления вектора электрического поля. Интенсивность прошедшего света I определяется соотношением: где n величина двулучепреломления слоя СЖК; d его толщина; длины волны света, угол между векторами N и L. Максимально возможное светопропускание ячейки Т I/I_о 1 достигается, согласно (1), если: Таким образом, при полярности электрического напряжения источника происходит изменение направления электрического поля в образце СЖК от +Е к -Е, что приводит к изменению светопропускания ячейки от минимального значения до максимального, а при изменении от -Е к +Е светопропускание изменяется от максимального значения. Описанный процесс происходит, если Е > Е_с.

После смены полярности электрического напряжения источника 4 и его последующего выключения, то есть при Е 0 возможно сохранение на время от 10^{- 3} с до 10⁶ с, называемое временем памяти, двух состояний светопропускания ячейки минимального (непрозрачное состояние) и максимального. Это явление называется бистобильностью.

Известно также явление мультистабильности, которое наблюдается в жидкокристаллических антисегнетоэлектрических дисплейных ячейках [3] Суть его заключается в том, что при Е 0 возможно сохранение не только двух состояний светопропускания ячейки максимального, но и любого промежуточного состояния. Указанный эффект может быть использован для получения серости в информационных дисплеях. Однако в жидкокристалличческих сегнетоэлектрических дисплейных ячейках эффект мультистабильности до настоящего времени не наблюдался.

Известно, что до настоящего времени бистабильность достигалась за счет взаимодействия СЖК с поверхностями 2. Бистабильные жидкокристаллические сегнетоэлектрические дисплейные ячейки такого типа называются поверхностно-стабилизированными структурами. Для них характерно следующее соотношение между шагом спирали геликоида и толщиной слоя СЖК: Р_о d. Эти структуры обладают существенными недостатками. Во-первых, устойчивость бистабильности сильно зависит от однородности поверхностей 2 и их идентичности, что трудно достичь технологически. Во-вторых, для получения бистабильности поверхностно-стабилизированная структура должна предварительно подвергаться специальному электрическому воздействию [2] называемому электрической тренировкой образца. Через какое-то время после электрической тренировки образец теряет бистабильность и его надо тренировать снова. В-третьих, поверхностно-стабилизированные структуры работают при толщине слоя СЖК d 1,5 2 микрометра, что трудно обеспечить при изготовлении образцов ячеек. В-четвертых, в смектических слоях наблюдаются разломы, называемые шевронными дефектами или шевронами (фиг. 3а). Hаличие шевронов ограничивает время памяти и приводит к светорассеянию в ячейке, что ухудшает ее качество и понижает контраст светопропускания.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению ( прототип) является бистабильная жидкокристаллическая дисплейная ячейка, стабилизированная геликоидом. Этот тип ячеек называется геликоидально-стабилизированными структурами и характеризуется тем, что Р_о d. Геликоидально-стабилизированные структуры не нуждаются в тренировке образца. Однако, как и в случае поверхностно-стабилизированных структур, существует зависимость устойчивости бистабильности от параметров поверхности, хотя и существенно более слабая, чем для поверхностно-стабилизированнных структур. Кроме того, гелюкоидально-стабилизированные структуры, как и поверхностно-стабилизированнные, работают при d 1,5 2 микрометра.

Данное изобретение решает задачу создания жидкокристаллической дисплейной ячейки, в которой отсутствуют шевронные дефекты и которая обладает как бистабильностью, так и мультистабильностью без электрической тренировки при толщине слоя СЖК более 10 микрометров независимо от химического строения и структуры поверхностей 2.

Это достигается путем выбора сочетаний химических структур молекул, входящих в состав СЖК. Для достижения цели необходимо, чтобы в состав СЖК одновременно входили химические соединения, относящиеся к следующим химическим классам: замещенные фенилпиримиды вида: фенилбезоанты вида: оптически активные производные терфенилдикарбоновой кислоты вида: или вида: или R^*₁, R^*₂ те же радикалы, что и в структуре VI.

Сочетание указанных структур в определенных соотношениях, а именно: весовые соотношения фенилпиримидинов I III и фенилбензоатов IV-V могут варьироваться от 4 1 до 1 4, оптически активные производные терфенилдикарбоновой кислоты VI и VII составляют 10 40% от веса СЖК, - обеспечивает возникновение бистабильности в слое СЖК толщиной более 10 мкм, если структуры VI и VII подобраны таким образом, что Р_о > 1 мкм. Бистабильность в данном случае является следствием межмолекулярных взаимодействий в СЖК, а не результатом взаимодействия СЖК с поверхностью, как в поверхностно стабилизированных структурах, поэтому отсутствует зависимость устойчивости бистабильности и времени памяти от параметров слоев 2.

Если концентрация структур VI и VII в СЖК превышает 25 мас. то шевронные дефекты исчезают (фиг. 3б), так как изгиб смектических слоев не допускается жесткими терфенильными сердечниками молекул оптически активных производных терфенилдикарбоновой кислоты. При этом время памяти достигает 10⁸ сек и более при толщине слоя СЖК 10 100 микрометров.

Если структуры VI и VII, концентрация которых в составе СЖК превышает 25 мас. подобраны таким образом что P_о > 1 мкм, Р_с > 50 нкл/см₂ и весовые соотношения фенилпиримидинов I III и фенилбензоатов IV V варьируются от 4 1 до 1 4, то жидкокристаллическая сегнетоэлектрическая дисплейная ячейка является мультистабильной при d > 10 мкм. Оптические проявления мультистабильности иллюстрируются микрофотографией фиг. 4б, на которой видна периодическая последовательность белых и черных полос. Период указанной структуры 14 микрометров.

Известно, что сегнетоэлектрики, как твердые, так и жидкокристаллические, характеризуются наличием петли гистерезиса. Характерный вид петли гистерезиса интенсивности света, прошедшего через мультистабильную жидкокристаллическую дисплейную ячейку приведен на фиг. 4а. В точке А кривой (фиг. 4а) источник напряжения был включен, ячейка запомнила последовательность белых (прозрачных) и черных (непрозрачных) полос (фиг. 4б). Мультистабильные ячейки отличаются тем, что они запоминают любую точку на кривой петли гистерезиса, в которой выключаются источник напряжения 4. При этом величина светопропускания ячейки определяется соотношением площадей белых и черных полос.

Физическая причина появления рассматриваемой периодической структуры - сенгнеэлектрические домены в СЖК. Эти домены возникают при Р_с > 50 нкл/см². Их период D обратно пропорционален квадрату спонтанной поляризации СЖК: D Р_с^{- 2}. Hаличие доменов проявляется в периодической модуляции угла вдоль координат z (фиг. 5) и связано только с материальными параметрами СЖК. При изменении величины напряжения источника 4 переключаются сначала те области ячейки, у которых v максимально, а другие области не переключаются.

Это и приводит к появлению периодической модуляции светопропускания ячейки (фиг. 4б), а запоминание такой периодической решетки в любой точке петли гистерезиса обеспечивается за счет сочетания указанных выше химических структур. Мультистабильность, как и бистабильность, характеризуется временем памяти временем, на которое запоминается периодическая решетка. Стериохимические условия полуцчения бистабильности и мультистабильности во многом совпадают, и все мультистабильные ячейки обладают в частности и бистабильностью.

Устройство жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейки в статистике полностью описывается схемой, приведенной на фиг. 1. Конструктивное отличие от предложенных ранее решений заключается только в том, что толщина слоя жидкого кристалла составляет более 10 микрометров, а не 1,5 2 микрометра.

Модуляция света предлагаемой ячейкой осуществляется точно так же, как и известными. Однако для получения бистабильности и мультистабильности нет необходимости в подборе химического строения и структуры поверхностей 2 и в предварительной электрической тренировке образца.

Бистабильный режим работы жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейки и наличие в ней шевронов в зависимости от молекулярного строения СЖК иллюстрируется примерами, приведенными в табл. 1, а мультистабильный в табл. 2.

Формула изобретения

1. Жидкокристаллическая сегнетоэлектрическая дисплейная ячейка, содержащая 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 (СЖК), находящийся в пространстве между прозрачными токопроводящими покрытиями пластин, изменяющий свою оптическую анизотропию под действием электрического поля, состоящий из нехиральной смектической С жидкокристаллической смеси, составляющей 60 90% от общего веса СЖК, и хиральной добавки, составляющей 10 40% от общего веса СЖК, обладающий спонтанной поляризацией Р_с более 10 нКл/см₂ и смектическим углом наклона более 10^o, отличающаяся тем, что токопроводящие покрытия плоских прозрачных пластин расположены друг от друга на расстоянии более 10 мкм, а нехиральная смектическая С жидкокристаллическая смесь включает в себя сочетание замещенных фенилпиримидинов и фенилбензоатов в соотношении от 4 1 до 1 4, причем в качестве фенилпиримидинов выступает одна из структур I III, или все вместе, или в любом сочетании, а в качестве фенилбензоатов выступает либо одна из структур IV, V, или все вместе, или в любом сочетании, а в качестве хиральной добавки в состав СЖК входит либо одна из структур VI VII где или где или R^*₁, R^*₂ - те же радикалы, что и в структуре VI, либо все структуры, либо в любом сочетании, так что обеспечивается индуцирование шага спирали Р_о геликоида в СЖК более 1 мкм.

2. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что нехиральная смектическая С жидкокристаллическая смесь составляет 60 75% от общего веса СЖК, а хиральная добавка составляет 25 40% от общего веса СЖК.

3. Ячейка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что хиральная добавка выбирается таким образом, что Р_с более 50 нКл/см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7