Жидкокристаллическое устройство с микрокапсулированными элементами

(51) Р 1 1 фдюаИИеТЫ - ЩЯБИБЛИОТ ЗОБРЕТЕНИ ОПИС дГЕНТ 6398/2/ПБ 8205837800981 40 (14,0982) В 1 Д Партнерш естер Джеймс Ли фергасон (ПБ)358(088.8)(54) ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С МИКРОКАПСУЛИРОВАННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (57) Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в диспелях на жидких кристаллах больших размеров, использующих капсулированные жидкокристаллические элементы, в других устройствах модуляции оптического излучения. Цель изобретения увеличение площади уст ройства при сохранении уровня и равномерности контраста. Сущность изобретения "остоит в создании активного слоя, состоящего из нематического жидкого кристалла с положительной Ю ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР(21) 3 (86) Р (22) 1 (31) 3 (32) 1 (ЗЗ) П (46) 0 (71) М (П 8) (72) (53) 5 2 диэлектрической анизотропией, капсулированного в среду, образующую замкнутые капсулы 12 из материала с показателем преломпения, равным обыкно венному показателю преломления жидкого кристалла. Активный слой располагается на подложке 2 со сплошным электродом 3, второй электрод 4 в виде сегментов наносится на активный слой и может быть защищен защитным покрытием:5, Активный слой может быть приклеен к поверхности под ложки, Материал жидкого кристал ла может иметь плеохроический краситель. В отсутствии напряжения активный слой рассеивает излучение и имеет темный фон, при подаче напряжения на любой из сегментов этот сегмент становится прозрачным для внешнего излучения и возникает контрастное изображение, При толщине активного слоя 1,6 мм, представляющегособой нематический жидкий кристалл скрасителем суданская сажа в капсулахполивинилового спирта диаметром3 мкм и нанесенного на майларовуюпленку с электродом из оксида олова,достигнут контраст 7:1 при напряжении 50 В, приложенном к активномуслою. 7:з,п. ф-лы, 6 ил.Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в диспелях на жидких кристаллахбольших размеров, использующих капсулированные жидкокристаллические эле 5менты, в других устройствах модуляции оптического излучения,Цель изобретения - увеличение пло"щади устройства при сохранении уровня и равномерности контраста,На фиг1 схематически изображенопредлагаемое устройство; на фиг,2устройство дисплея на жидких кристаллах, вид в плане; на фиг.3 " тоже, с частичным вырывом; на фиг,4капсула жидкого кристалла в состоянии без электрического поля; на фиг,5то же, в состоянии приложенного электрического поля; на фиг,6 - условнаяэквивалентная электрическая схемакапсулыЖидкокристаллическое устройство смикрокапсулированными элементами содержит заключенный в капсулу жидкий 35кристалл 1, подложку 2, электроды 3и 4, защитный слой 5, источник 6 постоянного или переменного тока, селективно замыкаемый переключатель 7, токоподводящие выводы 8 и 9, материал10 жидкого кристалла, содержащийсяво внутреннем объеме 11 капсулы 12,знакоместо 13 в виде цифры восемь,сегменты 14 16 знакоместа 13,участок17 знакоместа 13, разрез 18 множества заключенных в капсулу жидких кристаллов 1, внутреннюю поверхность 19стенки капсулы 12, приповерхностныйслой 20 молекул 21 жидкого кристалла,обозначенных пунктирными линиями, 40внутренние слои 22 молекул 21, стенку 23 капсулы 12, разрыв 24 непрерывности в ориентации внутренних слоев 22, точки 25-28 на внешней и внутренней поверхностях капсулы верхний 45участок 29 и нижний участок 30 материала 10 жидкого кристалла, конденсаторы 31-33, образованные материалами стенки капсулы и жидкого кристалла,50Электрод 3 может быть нанесеннымв вакуумена подложку 2 слоем оксидаиндия с добавками олова, а электрод4, может быть электрически проводящей краской,Подложка 2 и электроды 3 и 4, атакже зашитный слой 5, могут быть оптически прозрачными, так что устройство способно управлять передачей света через него в ответ на возбуждение или невозбуждение электрическогополя на электродах 3 и 4 и тем самымна заключенном в капсулу жидком крис"талле:1, Подложка 2 может быть оптически отражающей или может иметь оптически отражающий слой, так что отражение таким ображающим слоем падающего света, поступающего череззащитный слой будет зависеть от того, приложено или нет электрическоеполе к заключенному в капсулу жидкому кристаллу.1Множество заключенных в капсулыжидких кристаллов 1 наносится на монтажную подложку 2 так, что заключенные в капсулы жидкие кристаллыадгезируют к подложке 2 или к материалу электрода 3 для опоры монтажной подложкой 2 и удержания в неподвижном относительно других заключенных в капсулы жидких кристаллов 1положении, Наиболее предпочтительно,когда образующая капсулу среда, изкоторой образуется 1 капсула 12, такжеприемлема для связывания или инойадгезии капсулы 12 к подложке;2, Может использоваться дополнительнаясвязывающая среда (не показано) дляадгезии заключенных в капсулы жидкихкристаллов 1 к подложке:2, Так каккапсулы 12 адгезируют к подложке 2 икаждая капсула 12 образует необходи"мую герметизацию материала 10 жидко"го кристалла, второй подложки обычноне требуется, Однако для защиты отрубцевания, электрохимического раэ"рушения, например окисления и:т,п,электрода 4 защитный слой 5 можетбыть образован на стороне или поверхности устройства,Так как заключенные в капсулы жид"кие кристаллы 1 относительно прочноадгезируют к подложке 2 и обычно нетнеобходимости в дополнительной подложке, электрод 4 может быть нанесеннепосредственно на заключенные в кап .сулы жидкие кристаллы:1В обычном устройСтве визуальногодисплея типа на жидких кристаллахили светоизлучающих диодах знакоместо 13 цифры восемь обычно поделено на семь электрически изолированных сегментов, каждый из которых может селективно возбуждаться или нет,чтобы образовать различные цифровыеизображения, Например, возбуждениесегментов 14 и 15 изображает цифру5 162И 111 , а возбуждение сегментов 14-16изображает цифру "7",При использовании заключенных вкапсулы жидких кристаллов 1 образуется подложка 2, способная отображать виртуальный и требуемый дисплей,как Функция только селективных сег"ментов электродов из проводящей краски, нанесенных на материал жидкогокристалла, В этом случае вся поверхность подложки 2 может быть покрытаэлектродным материалом 3 и даже всяповерхность этого электродного материала может быть покрыта слоем 18заключенных в капсулы жидких кристаллов:1, После этого заданный образец электродных сегментов электрода4 из проводящей краски может быть отпечатан (нанесен) при необходимостина слое 18, Одинарный электрическиивывод 8 может соединять электрод 3 систочником 6 напряжения и соответствующие электрические выводы электрода 4 могут соединять соответствующиесегменты из: проводящей краски черезсоответствующие управляемые переккочатели 7 с этими же источником б напряжения Заключенные в капсулы жндкие кристаллы 1 и/или электродныйматериал электрода Э Могут быть нанесены на поверхность подложки 2только в тех зонах, где необходимысегменты,Капсула 12 (Фиг.4) имеет вообщегладкую изогнутую внутреннюю поверхность 19 стенки, определяющей границу объема 11, Действительные размерные парамегры поверхности 19 стенкии всей капсулы 12 связаны с количеством материала 10 жидкого кристалла, который в ней содержится, и размером отдельных молекул жидкого кристалла, Дополнительно капсула 12 создает давление на материал 10 жидкогокристалла, стремясь создать дазлениеили по крайней мере сохранить по существу постоянным давление внутриобъема 11, В результате сказанного ив силу природы поверхностного смачивания молекул жидкого кристалла такиемолекулы, которые обычно в свободнойформе стремятся быть прямыми, хотявозможно случайно распределенными,деформируются но кривой в направлении,которое обычно параллельно относительно смежного участка внутреннейповерхности 19 стенки капсулы, В силутакой дисторсии жидкие кристаллы со 0056 6 храняют упругую энергию. Для упрощения иллюстрации и облегчения понимания приведенной концепции приповерх ностный слой 20 молекул 21 жидкого кристалла, представленных соответст вующими пунктирными линиями показан в непосредственной близости к внутренней поверхности 19 стенки. Молекулы 21 деформируются по кривой в направлении, которое параллельно смежной зоне поверхности 19 стенки. Другие ;.лои 20 молскул 21 жидкого кристалла также показаны в капсуле 12, Молеку ы жидкого кристалла показаны в этих слоях, хотя должно быть понятно, что молекулы жидкого кристалла могут быть ориентированы несколько более хаотично, чем в упорядоченных слоях, пока ванных на Фиг.4, однако такие моле кулы, тем не менее, стремятся ориентироваться в некоторой степени параллельно по отношению к соответствующей смежной зоне внутренней поверхности 19 стенки.Молекулы 21 идких кристаллов являются молекулами нематического типа с полоьмтельной диэлектрической ани зотропией, Такие молекулы обычно принимают прямолинейную нитеобразную конфигурацию, и материал жидкого кристалла, содержащий такие немати ческие молекулы, обычно является чувствительным к направлению оптической поляризации, Однако так как мо лекулы 21 в заключенных в капсулах жидкого кристалладеформируются или принуждаются к искривленной Форме в полной трехмерной капсуле 12, такой нематический материал жидкого кристалла в такой капсуле приобретает улучшенные характеристики нечувствительности к направлению оптической поляризации падающего на него света, Кроме того, когда материал 10 жидко го кристалла в капсуле 12 имеет растворенный в нем плеохлорический краситель, такой краситель, который обычно также может считаться имеющим чувствительность к оптической поляризации, больше не является чувствительным к поляризации, потому что краситель стремится следовать той же искривленной ориентации или распределению, что и отдельные молекулы 21 жидкого кристаллааСледует отметить, что материал 10 жидкого кристалла в капсуле 12 имеет разрыв 24 непрерывности в общем сфе 5 1 15 20 25 ЗС 35 40 45 50 55рическом ориентировании его, Разрыв24 непрерывности вызван неспособностью жидкого кристалла ориентировать"ся однОродно в соответствии с парал"лельным ориентированием со стенкой523 и требованием в отношении минимальной упругой энергии, Молекулы 21жидкого .кристалла стремятся следовать вокруг разрыва 24 непрерывнос"ти, как показано в планарной формена фиг.4, но в действительности ониследуют в трехмерных направленияхобразца по трехмерной обычно цилиндрической внутренней поверхности 19стенки. Разрыв 24 непрерывности также деформирует молекулы жидкого кристалла, что также снижает возможность,что материал 10 жидкого кристалла будет чувствительным к направлению оптической поляризации падающего света,Устройство работает следующим образом,В исходном состоянии селективныйпереключатель 7 разомкнут и соот 25ветствующие сегменты знакоместа 13не создают напряженность электрического поля совместно с электродом:ЗаПри деформированных в капсуле 12отдельных молекулах 21 жидкого кристалла, которые изгибаются так, какпоказано на фиг4, заключенный в капсулу 12 жидкий кристалл 1 адсорбируаает или блокирует свет, чтобы он немог передаваться через него, когдане приложено электрическое поле кзаключенному в капсулу 12 жидкому,кристаллу,В результате в устройстве отсутствует контрастное визуальное изображение,В случае замыкания переключателя7 электрическое поле приложено к заключенному в капсулу 2 жидкому кристаллу 1 так, как показано на фиг,5,молекулы 21 жидкого кристалла и любой плеохлорический краситель в растворе с ним ориентируются в ответ наэлектрическое поле. Такое ориентирование по прямой дает возможность пропускать свет через заключенный в капсулу жидкий кристалл:1. Это приводитк возникновению контрастного визуаль"ного изображения, определяемого конфигурацией сегментов, подключенныхк источнику:6Для оптимизации характеристикконтрастности устройства и для устра нения оптической дисторсии из зарефракции падающего света, проходящего от образующей капсулу среды вматериал жидкого кристалла, и наоборот, из заключенного в капсулу жидкого кристалла (фиг.5) показательпреломления образующей капсулу средыи показатель преломления материалажидкого кристалла должны между собойсогласовываться как можно лучше, аименно обыкновенный показатель преломления жидкого кристалла равен показателю преломления материала стенкикапсулы 2.Таким образом, когда не поданоэлектрическое напряжение Б, заключенный в капсулу жидкий кристалл 1имеет отличительные признаки, таккак молекулы 21 жидкого кристалладеформируются, имея необыкновенныйпоказатель преломления, не равныйпоказателю преломления стенки, и таккак плеохлорический краситель деформируется, абсорбция или блокировкасветопередачк через заключенные в кап"сулы жидкие кристаллы высокоэффективна, даже без применения плеохроичногокрасителя а счет преломления и рассеяния света на границе жидкогокристалла со стенкой, С другой стороны в силу эффективного электрическогонапряжения, прилбженного к материалу10 жидкого кристалла, в заключенныхв капсулах жидких кристаллах 1, ориентирование молекул жидкого кристал"ла и красителя вместе с ним, а такжев силу согласования предпочитаемогопоказателя преломления,:т,е, среды,образующей капсулу, и материала жид"кого кристалпа, падающий свет не преломляется или искривляется в границераздела между стенкой 23 капсулы иматериалом 1 О жщкого кристалла и,когда подается электрическое поле,заключенный в капсулу жидкий кристалл1 имеет хорошую характеристику опти.ческой передачи,Так как множество заключенных вкапсулы жидких кристалов 1 обычнотребуется для конструирования законченного устройства на жидких кристаллах, такого как устройство 17 (фиг.З)и так как эти заключенные в капсулыжидкие кристаллы располагаются в нескольких. слоях, предпочтительно иметьотносительно высокую диэлектрическуюанизотропию, чтобы снизить напряже"ние .9 162Капсулы 12 могут быть различныхразмеров, Чем меньше размер капсулы,тем выше требования в отношении электрического поля для ориентирования молекул жидкого кристалла в капсулеКогда размер капсулы относительно небольшой, потребуется больше капсулна единицу площади слоя 18, поэтомубольшие потери из-за падения напряжения в среде, образующей капсулы,чем у капсул большего размера, и впоследнем случае плотность на единицу площади меньше. Согласно предпочитаемому варианту устройство должноиметь капсулы диаметром 2-25 мкм,Электрическое полное сопротивлениеу материала образующей капсулу средыпредпочтительно должно быть больше,чем у материала жидкого кристалла взаключенном в капсулу жидком кристалле 1 фиг.5) и также должно быть достаточно большим, чтобы не происходило короткого замыкания через стенку 23,шунтируя материал жидкого кристалла, Поэтому полное сопротивлениедля тока через стенку 23 от точки 25до точки 27 должно быть значительным;по сравнению с полным сопротивлением,котороемогло бы встретиться напутитока непосредственно от точки 25 доточки 26 внутри внутренней поверхности 19 стенки, непосредственно черезматериал 10 жидкого кристалла до точки 28 и также в объеме 11,. наконец,снова до точки 27,Диэлектрические константы (коэффициенты) материала, из которого образуется среда, образующая капсулы,и в который заключается материал,составляющий жидкий кристалл, а также величины эффективной емкости стенки 23 капсулы, в частности, в радиальном направлении, и материалажидкого кристалла, по концам которого подается электрическое полевсе должно быть согласовано так, чтостенка 23 капсулы 12 значительно неснижает величину приложенного электрического поля,Условная эквивалентная электричес"кая схема капсулы 12 показана наФиг,6, Электрическое поле исходит отисточника 6 напряжения, когда замкнут переключатель:7Конденсатор 32имеет емкость материала 10 жидкогокристалла в заключенном в капсулужидком кристалле.1Конденсатор 31имеет емкость стенки 23 капсулы 120056 10 5 10 15 20 2. 30 35 40 45 50 55 в верхней зоне (направление обычнопринятое на чертежах, но не имеющеедругого какого либо специального значения) и соответственно искривленаналогично верхнему участку капсулы12 (фиг 4 и 5). Конденсатор 33 такжеимеет емкость нижней части .капсулы,Величины емкостей каждого конденсатора 31-33 зависят от диэлектрических констант (коэффициентов) материала, из которого изготовлены соответствующие конденсаторы, и зазорамежду его эффективными обкладками,Предпочтительно, чтобы конденсаторы31 и 33 имели больше величину емкости, чем конденсатор 32, так что падение напряжения, происходящее насоответствующих конденсаторах 31 и33 будет меньше, чем падение напряжения на конденсаторе 32,и тогда подается максимальная часть электрического поля на материал 10 жидкогокристалла в заключенный в капсулужидкий кристалл 1 для достижения оптимальной работы, т.еориентирования молекул жидкого кристалла с минимальным общим потреблением энергииисточника 6 напряжения,Делая как можно тоньше стенку 23при сохранении адэкватной ее прочности для содержания материала 10жидкого кристалла в объеме 11, величины конденсаторов 31, 32 могут бытьувеличены особенно в сравнении столщиной или длиной расстояния междуверхним участком 29 материала 10 жипкого кристалла нижней части 30 его,которые примерно и эквивалентно образуют обкладки того же порядка конденсатора 32Как сказано, чем больше размеркапсулы, тем меньше электрическое поле, необходимое для достижения ориентирования молекул жидкого кристаллав ней Однако, чем больше сфера (капсула), тем дольше время срабатыванияП р и м е:р 0,45/ плеохлорического красителя типа Суданской сажи Врастворяют в жидком кристалле, который состоит из ароматических эфиров,Такой комбинированный материал прода"ется под индексом М М 8250 фирмой"Америкен ликид кстал кемикал кор,",Кент, Огайо. Этот материал смешивается с раствором 7 У. ного поливинилового спирта (ПВС), который обрабатывается для удаления всех солей, Такжеподготовляют раствор с водой типа15 11 162005АЯТМ 100 Полученная смесь помещается в коллоидную мельницу, и материалперемалывается в течение 4 мин дляполучения суспензии частиц однородного размера, В результате получаютстабильную эмульсию, размер суспензированных частиц которой примерно3 мкм, Эмульсия наносится на майларную пленку, которая предварительнопокрыта слоем электрода из оксидаолова, Используют ракель для нанесения эмульсионного материала на майларную пленку на стороне, покрытойслоем электрода,На такой электрод наносится 7 ммэмульсионного материала и высушивается до общей толщины 0,8 мм. Затемнаносится второй слой такой эмульсиина первый, образуя агрегированный 20слой капелек жидкого кристалла в матрице поливинилового спирта, имеющийтолщину 1,6 мм. Предпочтительно заключенные в капсулы жидкие кристаллынаносятся как одинарный слой толщи 25ной из одной или нескольких капсулОбразованное таким образом устройство на жидких кристаллах .содержа-,щее слой из майлара, электрод и заключенные в капсулы жидкие кристаллы 30затем испытывается путем приложенияэлектрического поля, после чего материал изменяется от черного к почтисветлопрозрачноиу, Материал показалочень широкий угол обзора и отноше35ние контрастности составило 7:1 при50 В электрического напряжения, Скорость переключения около 2 мс привключении и около 4 мс при выклю. чении40Предлагаемое устройство обеспечивает возможность получения устройствна жидких кристаллах значительнойплощади при сохранении высоких светотехнических характеристик, крометого, для обеспечения однородностиэтих характеристик по площади и поддержания управляющего напряжения вузких пределах возможно обеспечениеградации капсул по диаметрам с цельюисключения их разбросав в одном устройстве, Входным сигналом для предлагаемого устройства может быть либо 6 12 электрическое поле, либо магнитное поле Формула изобретени. 1, Жидкокристаллическое устройство с микрокапсулированными элементами, соцержащее совокупность замкнутых объемов материала жидкогокристалла, имеющего природную структуру, причем объемы материала жидкого кристалла распределены в удерживающей среде, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью увеличения площадиустройства при сохранении уровня иравномерности контраста, материалжидкого кристалла выбран нематичес"ким с положительной диэлектрическойанизотропией и обыкновенным показателем преломления, равным показателюпреломления удерживающей среды,:2 а Устройство по:и 1 О т л ич а ю щ е е с я тем, что материалжидкого кристалла содержит плеохроический краситель,:3. Устройство по пп.1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что удерживающая среда расположена на подложке,.4 Устройство по ппа 1 ф 3 0 т фл и ч а ю щ е е с я тем, что содержит склеивающее средство, расположенное между удерживающей средой иподложкой..5 Устройство по пп,1 4, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что содержит средство для приложения электрического поля к материалу жидкогокристалла,.6Устройство по п.5, О т л ич а ю щ е е с я тем, что средствоприложения электрического поля выполнено с парой электродов.:7, Устройство по пп,1 6, о тл и ч а.ю щ е е с я тем, что удерживающая среда выполнена в виде капсулы для каждого объема материала жидкого кристалла с искривленной поверхНОСТЬЮв8, Устройство по:п,7, -о т л ич а ю щ е е с я тем, что капсулыимеют сферическую форму.1620056 Составитель А,ГусевТехред 11.Дидык Корректор Т,Колб Редактор С.1 атрушенаааеге аэ в Ейайфй прае ефчфФаФФа Заказ 58 Тираж Подии сно еВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Иоскв, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-изиатеньский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101