Жидкокристаллический индикатор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 7 2 Р 1/ 30 ЕТЕНИЯ ПИС АТЕНТ Н) унд Ко Хаймга ер 1977) ч. 53 осЯ я Упри 1 ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(54) ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ИНДИКА (57) Изобретение относится к уст ствам отображения визуальной инф ции на жидких кристаллах, в част ти в мультиплексируемых индикато большого формата, цель изобретен повьппение качества изображения з счет увеличения контраста и углазора при сохранении степени муль лексирования. Изобретение относи к жидкокристаллическому индикато Сущность изобретения основана на менении в нематическом жидком кр талле с положительной диэлектрическойанизотропией с хиральной добавкой эффекта бистабильности. Расстояние между несущими пластинами 1, 2 менее10 мкм и полная закрутка жидкого кристалла 5 находится между 180 и 360 ф )предпочтительно примерно 270 . Повсей поверхности наблюдения индикатора предусмотрены статистически распределенные элементы 4, определяющие расстояние между пластинками. За счетэтих мероприятий область бистабильного поведения так сужается, что рабочими напряжениями вне этой областииндикатор может управляться по обычному способу мультиплексирования. Приэтом достигаются высокий контраст ивозрастают углы наблюдения при сохранении степени мультиплексирования,Оптимизация контраста достигается засчет соблюдения определенного угла 1 амежду направлением колебаний переднего поляризатора 10 и направлениемориентации молекул жидкого кристалла(проекции на плоскость слоя) ориенти-, СЛрующим слоем 8, нанесенным на элект САР153867а . Млдю файф ИалД ЯМ 0,7Х153186790 Составитель А,ГусевТех ред Л, Олийнык . Корректор В, Кабаций Редактор В.Петраш Заказ 7971/59 Тираж 513 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина, 101531867 родное покрытие передней пластины 1, и угламежду направлением колебаний заднего поляризатора 11 и направлением ориентации молекул жидкого крис 5 талла (проекции на плоскость слоя) вторым ориентирующим слоем 9. Эти углы лежат в пределах 20-70, предпочтительны 35-55. При р+"- й 90 (желтая мода) и р щ 32 максимальная Изобретение относится к устройс т-5 вам отображения визуальной информации на жидких кристаллах, в частности в мультиплексируемых индикаторах большого формата.Белью изобретения является повыше ние качества изображения за счет увеличения контраста и угла обзора при сохранении степени мультиплексирования.На фнг,1 показан жидкокристалли ческий индикатор, разрез; на фиг.2 теоретические зависимости угла поворота 6 в середине ячейки индикатора от рабочего напряжения О для различ-ных углов полной закрутки ф и угла 30 исходной установки директора у поверхностей несущих пластин 28 ; на фиг.3 - кривые контрастности для отражательной ячейки с двумя поляризаторами; на фиг.4 - схематическое рас" 35 положение поляризаторов в жидкокристаллическом индикаторе для первого режима работы (желтая мода); на фиг.5 - то же, для второго режима работы (синяя мода); на фиг,6 - контрастность СК в .зависимости от положения поляризатора, измеренная в устройстве согласно фиг,4; на фиг.7 - то же, для устройства согласно фиг5; на фиг,8 расчетные линии постоянного соотноше ния контраста в зависимости от установки поляризатора и произведения 1 и д для устройства с одним поляризатором и другим отражателем; на фиг,9 - то же, для устройства согласно фиг,5; на фиг.10 - то же, для устройства согласно фиг .4; на фиг.11 и 12 - характеристики контраста соглас-, но фиг.10 для значений Ф 180 н Ф =,350 соответственно; на фиг13-1555 характеристики угла обзора в полярных координатах, причем расстояние от центра пропорционально углу падения светового луча с вертикальным паконтрастность райна 22:1, а при р++ у = 0 (синяя мода) и 1 ь38 максимальная контрастность равна 6,5 фпри управлении около ОО строк обычным мультиплексным способом. При этомвремя включения и выключения при296 К составляет для индикатора 0,4 с.6 э.п. ф-лы, 15 ил,деннем в центре и скольжением 90 на периферии, для углов закрутки Ф, равных соответственно 180, 270 и 350Индикатор содержит переднюю несущую пластину 1, заднюю несущую плас-тину 2, прокладку 3, элемент 4, определяющий расстояние между пластинами, нематический жидкий кристалл 5, электродные слои 6 и 7, ориентирующие слои 8 и 9,передний линейный поляризатор 10, задний линейный поляризатор 11, внешний отражатель 12. Кроме того, обозначены: Ф - угол полной закрутки жидкого кристалла внутри ячейки индикатора, 0 - угол наклона ме стной оптической оси (директора) жидкого кристалла в середине ячейки индикатора, измеренный относительно несущих пластин; 0 - приложенное рабочее напряжение; д - толщина слоя жидкого кристалла, р - величина шагаслоя жидкого кристалла,и у- угЛы между направлением колебаний соответственно переднего поляризатора 10 и заднего поляризатора 11 и направлением ориентации ориентирующего слоя 8 и 9 соответственно.Несущие пластины 1 и 2 из стекла, с прокладкой 3 образуют ячейку. Прокладка 3 состоит иэ эпоксидного клея, который содержит в качестведистанционных элементов 4 стекловолокно. Дополнительные элементы 4 статистически распределены между несущими пластинами 1 и 2 по всей площади индикатора. В ячейке залит нематический жидкий кристалл 5 с положительной диэлектрической анизотропией, который содержит хиральную добавку. Внутренние поверхности каждой несущей пластины 1 и 2 имеют параллельные полоски электродных слоев 6 и 7 из 1 п 0, причем направление полосок на одной несущей пластине 1 перпендикулярно5 153 направлению полосок на другой несущей пластине 2. Таким образом строится индикатор из матричных точек. Однако возможны и другие формы электродов, например семисегментная.Сверху электродных слоев 6 и 7 и над промежутками между ними нанесены ориентирующие слои 8 и 9. На внешней поверхности передней несущей пластины 1 наклеен состоящий иэ пленки передний линейный поляризатор 10. На внешней стороне задней несущей пластины 2 при работе на пропускаиие также наклеен задний линейный поляризатор 11, Для работы на отражение позади этого поляризатора 11 расположен диффуэно рассеивающий металлический внешний отражатель 12 (показан штриховыми линиями на фиг,1) . Поляризатор 11 может отсутствовать. При этом, хотя и увеличивается яркость, контраст уменьшается.Вместо внешнего отражателя 12 может быть применен внутренний отражатель, расположенный между электродным слоем 7 и ориентирующим слоем 9. При толщине слоя д жидкого кристалла вы-сота шага р выбрана так, что соотношение Й/р описывается следующей формулой.:й/р Ф /360. 11) .Это обеспечивает то, что состояниезакрутки слоя жидкого кристалла ста-бильно, не проворачивается дополнительно на т 180и на индикаторе непоявляется никаких оптических помех.Величины углов ф 210, 240, 270, 300,330 и 360 поэтому соответствуют нафиг.2 отношению й/р 0,59, 0,670,75,0,91 и 1,О, Высота шага р при этомопределяется как характерная величина закрутки, которая получается в нематическом жидком кристалле посредством добавления хиральной добавки вневозмущенном состоянии и считаетсяпри правом вращении положительной,при левом вращении отрицательной. Отношение толщины слоя Й к высоте шагар жидкого кристалла по величине находится в диапазоне 0,50-0,95, предпочтительно 0;65-0,85, Величина шагар устанавливается за счет того, чток нематическому жидкому кристаллупримешивается определенная весоваячасть хиральной добавки, Эта частьзависит от рода жидкого кристалла ихиральной добавки и от толщины слояа, 1867 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 По меньшей мере один ориентационный слой 8 кпи 9 направляет соседниемолекулы жидкого кристалла с устаиоовочным углом большим, чем 5, в диапазоне примерно 10-40, предпочти-тельно 30 . При этом следует иметь ввиду, что направление ориентационныхслоев 8 и 9 совпадает с естественнымнаправлением вращения легированногохиральной добавкой жидкого кристалла5Толщина слоя д должна быть меньше10 мкм, и полная закрутка в яЧейкеиндикатора по величине должна находиться между 180 и 360, предпочтительно между 240 и 300 . Этим обеспечивается то, что характеристика индикатора, т.е. кривая пропусканияфиг.3), при приложенном рабочем напряжении будет достаточно крутой иобласть бистабипьного поведения будеттак сужена, что вне пределов этой области рабочим напряжением можно управлять по обычному мультиплексномуспособу. В пределах этой области время переключения по меньшей мере в стораз больше, чем вне этой области. Характеристика индикатора имеет характер, подобный кривым на фиг. 2, кромеучастка с отрицательной крутизнойкривой (кривые 111-71), которые должны заменяться областью бистабильности (петля гис те ре зиса) .Произведение коэффициента двойного лучепреломления 4 п на толщину слояЙ жидкого кристалла должно находиться,в области 0,6-1,4 мкм, предпочтительно 0,8-1,2 мкм.Жидкокристаллический индикатор врежиме пропускания работает следующим образом,Линейно поляризованный переднимлинейным поляризатором 1 О свет проходит несущую пластину 1 и попадаетна ориентированный под углом относительно поляризатора 1 О ориентирующийслой 8 и далее на жидкий кристалл 5.Вследствие полной закрутки и свойствдвойного лучепреломления жидкогокристалла 5 первоначально линейно поляризованный свет получает эллиптическую поляризацво, причем различнуюв зависимости от приложенного рабочего напряжения. Направление ориентации ориентирующего слоя 9 и направление колебаний заднего линейного поляризатора 11 образуют также определенный угол, Под направлением ориентациипонимается проекция местной оптической оси жидкого кристалла в непосредственной близости от ориентирующего слоя на плоскость ориентационного слоя, Направление колебаний " это направление, в котором колеблется вектор электрического поля.Выходящий. из жидкого кристалла эллиптически поляризованный свет в эад нем поляризаторе1 либо почти полностью поглощается, либо почти ие поглощается в зависимости от того, лежит ли главная ось эллиптически поляризованного света перпендикулярно кпи 15 параллельно направлению колебаний поляризатора 11. Посредством соответствующего выбора указанньк углов между ориентационными слоями 8 и 9 и поляризаторами 10 и 11 достигается оптимальный контраст. Эти углы по модулю имеют величину 20-70 , предпочтительено 30-60, причем направление поворота может быть как по часовой, так и против часовой стрелки, Причем на правление по часовой стрелке или против определяется относительно направления падения света, а угол определяется относительно направления ориентации. 30В режиме отражения индикатор работает так же, как и при пропускании. В частности, оптимальный контраст при одном поляризаторе 10 определяется соответствующим выбором угла между направлением колебаний переднего линейного поляризатора 1 О и направлением ориентации первого ориентационного слоя 8Укаэанные углы между направления ми колебаний поляризаторов 10 и 11 и направлениями ориентации ориентирующих слоев 8 и 9 играют существенную роль дЛя достижения оптимальной контрастности СВ,45На изометрических и растянутых в продольном направлении изображениях(Лиг,4 и 5) расположения поляризаторов 1 О и 11, ориентирующих слоев 8 и 9, а также находящегося между ориен 50 тационными слоями жидкого кристалла5 закрутка последнего ф показана цепочкой схематизированных молекул жидкого кристалла в виде прямоугольных пластиночек (несущие пластины, прокладка и возможные рефлекторы не показаны ).Элементы ячейки расположены вдоль оси, которая направлена в направлении падающего света. Направления колебаний поляриэаторов 10 и 11, а так же направления ориентации ориентационных слоев 8 и 9 показаны посредством стрелок, которые находятся в соответствующих плоскостях, перпендикулярных к укаэанной оси ячейки,Этой направленной осью или, соответственно, направлением падения света определена правая система координат, в которой углы отклонения по часовой стрелке считаются положительными, а в противоположном случае - отрицательными. В данных случаях 1 фиг,4 и 5) для примера молекулы жидкого кристалла образуют винт с левой резьбой, который, начиная от переднего ориентационного слоя 8, яснеет угол закрутки ф, равный -270Направления колебаний поляризаторов 10 и 11 отклонены от показанных в плоскостях поляризаторов штрихами направлений ориентации ориентирующих слоев 8 и 9 на угол / ипи соответственно , В устройстве согласнофиг,4 углы р и у положительны, В устройстве согласно фиг.5 положителен только угол /ь, а у отрицателен, Последующие укаэанные углы относятся к принятым на фиг;4 и 5 положениям,Рассмотрим отражательную жидкокристаллическую индикаторную ячейку с толщиной слоя й7,6 мкм и полной закруткой ф жидкого кристалла, рав.ной -270 . Отношение д/р равно 0,75. Первый ориентирующий слой 8 изготовлен путем наклонного напыления 810опод углом 5 к плоскости пластины, так что соседние молекулы жидкого кристалла направлены так, что угол установки между местной оптической осью жидкого кристалла у ориентирующего слоя и проекцией этой оптической оси на плоскость пластины, т.е . няправление ориентации составляет 28, Направление колебаний переднего поляризатора 10 и направление ориентации первого ориентирующего слоя 8 образуют угол порядка 30 Второй ориентирующий слой 9 представляет собой натертый полимерный слой и дает указанный угол установки, Однако возможен и ориентирующий слой такого же типа, что и первый. Жидкий кристалл 5 состоит иэ нематической смеси 2 С 1-1840 фирмы Иер 1 ФРГ, с 2,05 мас,Х хиральной добавки холе" стерилнонаноата. Этот жидкий кристалл53186 имеет положительную электрическуювнизотропио +12,2 и двойное лучепреломление 0,15. Диапазон температур258-363 К, вязкость составляет 1,18 ф1 Ом/с при 293 К.С помощью этой индикаторной ячейки управляются 96 строк по обычномумультиплексному способу, Рабочиенапряжения Пе и У, соответствующие состояниям "Включено" и "Выключено", должны находиться эа пределами бистабильного участка (Фиг.Э)и в зависимости от угла Ф и отношения Й/р имеют следующие значения: ф180, й/р0,5 ю Б ениа5 В,Индикатор в открытом состоянии полностью ахроматичен (бесцветен), взакрытом состоянии - темно-синий. Ес.ли дополнительно испольэовать опти-,ческую задержку, например четвертьволновую пластину между передним линейным поляризатором 10 и переднейнесущей пластиной 1, цвет индикатораможет быть соответствующим образомизменен. Индикатор ееет и:ключительно большой угол возможного наблюдения, независимо от направления подсвечивания. Время включения и выключения при 296 К составляет для инди-,катора 0,4 с,Предпочтительный вариант выполнения индикатора состоит из отражательной индикаторной ячейки с несущей пластиной 1 толщиной 0,7 мм и несущей 40 пластиной 2 толщиной 0,5 мм. Толщина слоя Й составляет 6,5 мкм, В этой индикаторной ячейке предусмотрены передний поляризатор 1 О, задний поляризатор 11 и внешний рефлектор 12. Оба 45 кривая А 0 екл П Эынкривая В П екл П еыклщ 1,580 В) щ 1,429 В)1,609 В а 1456 В контрастность19,9;контрастность11,8. растности СК, Эти условия могут бытьзаписаны следующим образом.+ъ + 90 (фиг.4), (2) р+ у"- + 0 (фиг,5) . (3)В обоих случаях диапазон углов ограничен таким образом, что 20 04р й 70 и 204 11 с 70 55 Отношение П /11тогда получается 1,106 при степени мультиплексирования 100:При применении двух поляризаторов с углами в и т относительно направлений ориентации согласно фиг,4 и 5 найдены общие условия, которые должны быть выполнены для оптимизации конт 71 Оориентирующих слоя 8 и 9 изготовлены посредством косого напыления ЯОг под углом 5 к плоскости пластины, и направляют соседние молекулы жидкого кристалла таким образом, что оптическая ось жидкого кристалла образует угол установки 28 к плоскости пласотины. Ориентирующие слои 8 и 9 расположены так, что полная закрутка Ф деф лает левый виток на величину -250 В качестве жидкого кристалла в ячейку 5 залита нематическая смесь 2 Ы с. хиральной добавкой 2,56 мас.Х холестерилнонаноата. Двойное лучепре- . ломление дп состава 2 Ысоставляет 0,15, так что произведение дои0,975. Угол в и угол у составляют 45 , На фиг,3 показаны кривые контраста для случая, когда оба угла рав 9 о ны 45 ипи оба угла равны -45 (кривая А), и .для случая, когда один угол равен 45, а другой -45 , или наоборот (кривая В). По абсциссе отложено приложенное напряжение О, Но ординате - яркость индикатора в произвольных единицах. В первом случае 1,кривая А) в невключенном состоянии получают светло-желтую индикацию, а во включенном состоянии - черную индикацию . Этому случаю соответствует устройство согласно фиг.4, в котором оба угла в и у имеют одинаковые положительные или отрицательные значения (желтая мода). Во втором случае (кривая В) получают темно-фиолетовую индикацию в невключенном состоянии и светлую индикацию во вколоченном состоянии. Этому случаю соответствует устройство согласно фиг,5, в котором углы я и увыбраны противоположного знака (синяя мода ). Скорость нарастания составляет 30 мВ/с . Измеренные контрастности при степени мультиплексирования 00:1 следующие:Если выполняется усгдвие (2), на.пример рг+45, то получают(кривая А, фиг,З) в выключенном состоянии светло-желтую индикацию (желтая мода), Если выполняется условие(3), то получают (кривая В, фиг.З) ввыключенном состоянии темно-фиолетовую индикацво (синяя мода).То, что условия (2) и (3) не являются достаточными для оптимальнойконтрастности, следует иэ кривых нафиг.6 и 7, которые дают измереннуюконтрастность Ск в зависимости от угла при условии (2) или (3) для ячейки с двумя линейными поляризаторамив режиме на пропускание,При этих измерениях применяласьжидкокристаллическая смесь иэ 95,6%2 Ы(Керк), 2,5% 8811 (Керк)1,9 Ж СВ 15 (ЮН) . Закрутка составляет -270 О, угол установки 24, толщи-на слоя 6,3 мкм, двойное лучепрелом, ление дп быпо 0,15,Показанные на фиг.6 результатысправедливы для желтой моды (+ -+ 90), а на фиг.7 " для синей моды( р + у = 0 ). Видно, что угол р прижелтой моде для максимальной контрастности СК порядка 22:1 примерноосоставляет 32 и поэтому явно отличается от О . При синей моде (фиг.7)получается максимальная контрастностьСВ порядка 6,5;1, т,е. существеннониже. Здесь такжесоставляет примерно 38 и находится, такж образом,в неожиданном диапазоне углов,Сочетающиеся с оптимальной контрастностью СК значения угла р быпиподтверждены чоследующими теоретическими расчетами, результаты которыхизображены на Фиг.8-10 в виде линийпостоянной контрастности в зависимости от произведения толщины слоя д идвойного лучепреломления дп, а такжеот угла р,Для расчетов взяты степень мультиплексирования 100:1, толщина слояй6,2 мкм, коэффициент преломлениядля обычного луча и, 1,5, упругиеконс тан ты жидкого кристалла 1 /1" 2,5; 1 с/1 с= 1,5; отношение диэлектрических постоянных ( Е, - 1 ): с. =и2,5, закрутка ф-270 , а такжеатиошение толщины слоя к величине шаРй Й/р-0,75.3 случае работающей на отражениеР одиим поляризатором ячейки (фиг,8)максимальная контрастность СК порядка40 45 50 55 5 10 15 20 25 30 3, 6: 1 достигается только когда, когда угол р равен примерно 20 и йп.йпримерно равно 1,13 мкм, Причем вэтом случае угол установки принимался равным 28В синей моде индикаторной ячейки,работающей на отражение с двумя поляризаторами (фиг.9) получаются соответствующие значения для р =45 иап й - 0,78 мкм.В соответствующей желтой моде(фиг,10) получаются значения Ь й 32,5и ап д = 0,84 мкм. В обоих последнихслучаях угол установки принимался20Теоретически рассчитанные оптимальные величины контрастности 50 и150 получаются значительно выше, чемзамеренные, потому что при расчетахпринимался режим работы на отражение,который вследствие двукратного использования поляризаторов по сравнению с режимом на пропускание дает лучшую контрастность.Предлагаемый жидкокристаллическийиндикатор характеризуется высокойстепенью мультиплексирования, высокимконтрастом и быстрым переключением,боЛьшим возможным углом наблюдения иможет изготовляться по освоенной технологии производства твистированныхячеек,Формула изобретения 1, Жидкокристаллический индикатор, содержащий две плоскопараллельные несущие пластины, образующие с прокладкой по периметру ячейку, электродные слои, нанесенные на внутреннюю сторону каждой пластины, лежащие над ними ориентирующие слои, между которымн расположен нематический жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией и хиральной добавкой с осью закрутки, перпендикулярной к поверхности пластин, местная оптическая ось жидкого кристалла по меньшей мере у одного ориентирующего слоя образует угол исходной ориентации более 5 к поверхности пластины, по меньшей мере один передний поляризатор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества изображения эа счет увеличения контраста и угла обзора при сохранении степени мультиплексирования, толщина слоя жидкого кристалла составляет неболее 1 О мкм, закрутка жидкого кристалла в ячейке от одного ориентирующего слоя к другому по модулю большенпи равна 180 и меньше 360 отноше)5ние толщины слоя к величине шага жидкого кристалла по модулю больше ипиравно 0,50 и меньше ипи равно 0,95,а направление колебаний переднего поляризатора образует угол с направлением ориентации переднего ориентирующего слоя,2. Индикатор по п. 1, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что произведение аниэотропии показателя преломле 15ния на толщину слоя жидкого кристалла находится в пределах от 0,6 до1,4 мкм, предпочтительно 0,8-1,2 мкм.3Индикатор по п,2, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что закрутка 20винта по модулю составляет 240-300предпочтительно 270 ф.4, Индикатор по и. 1, о т л ичающ ийс я тем, что на задней пластине расположен металлический диффузный отражатель, а направление колебаний переднего поляризатора образует угол с направлением ориентации переднего ориентирующего слоя, предпочтительно 305. Индикатор по пп, -4, о т л ич а ю щ и й с я тем, что он содержит дополнительный второй задний поляризатор.6, Индикатор по и. 5, о т л и ч а ю щ и й с я тем) что направления колебаний переднего и заднего поляризаторов составляют с соответствующими ориентирующими слоями углы 20-70 предпочтительно между 35 и 55 ф,7. Индикатор по и, 6, о т л ич а ю щ и й с я тем, что сумма углов, образованных направлением колебаний поляризаторов с соответствующими ориентирующими слоями равна ф 90О)ипи О, при этом углы отсчитываются по часовой стрелке .