Жидкокристаллическое устройство с микрокапсулированными элементами

 

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 устройства при сохранении уровня и равномерности контраста. Сущность изобретения состоит в создании активного слоя, состоящего из нематического жидкого кристалла с положительной Ю 5 диэлектрической анизотропией, капсулированного в среду, образующую замкнутые капсулы 12 из материала с показателем преломления, равным обыкновенному 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 спой может быть приклеен к поверхности подложки . Материал жидкого кристалла 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, представляющего собой нематический жидкий кристалл с красителем суданская сажа в капсулах поливинилового спирта диаметром 3 мкм и нанесенного на майларовую пленку с электродом из оксида олова, достигнут контраст 7:1 при напряжении 50 В, приложенном к активному слою. 7 з.п. ф-лы, 6 ил « 05 ГО Ol оъ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄ 16200 (51)5 G 02 F 1/13

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

« 0Ва

NTEHTHO- Щй

БИБЛИОТ ()gppygHMH

К flATEHTY

Фц2. 7

1 (21) 3596398/25 (86) РСТ/US 82/01240 (14 09 ° 82) (22) 16 ° 05,83 (31) 302780 (32) 16»09 ° 81 (33) US (46) 07.01.91. Бюл, ¹ 1 (71) Манчестер Р энд Д Партнершип (US) (72) Джеймс Ли Фергасон (US) (53) 535» 8 (088.8) (56) Патент США № 3720623, кл» В 01 3 13/02, 252-316, 1973, Патент США № 3872050 кл, G 02 f 1/16, 260-37N, 1975. (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

2 диэлектрической анизотропией, качсулированного в среду, образующую замкнутые капсулы 12 из материала с показателем преломпения, равным обыкно венному показателю преломления жидкогo K Hc . AKTHBHblH 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 актив-. ного слоя 1,6 мм, представляющего собой нематический жидкий кристалл с красителем суданская сажа в капсулах поливинилового спирта диаметром

3 мкм и нанесенного на майларовую пленку с электродом из оксида олова, достигнут контраст 7:1 при напряжении 50 В, приложенном к активному слою, 7:з,п» ф-лы, 6 ил.

1620056

Изобретение относится к опто» электронике и может быть использовано в диспелях на жидких кристаллах больших размеров, использующих капсу лированные жидкокристаллические эле5 менты, в других устройствах модуля ции оптического излучения, Цель изобретения увеличение пло щади устройства при сохранении уров 10 ня и равномерности контраста

На фиг ° 1 схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг,2 устройство дисплея на жидких крис таллах, вид в плане; на фиг.3 то же, с частичным вырывом; на фиг 4 капсула жидкого кристалла в состоя нии без электрического поля; на фиг»5» то же, в состоянии приложенного элект рического поля; на фиг,6 - условная эквивалентная электрическая схема капсулы»

Жидкокристаллическое устройство с микрокапсулированными элементами со держит заключенный в капсулу жидкий кристалл 1, подложку 2, электроды 3 и 4, защитный слой 5, источник 6 по стоянного или переменного тока, селек тивно замыкаемый переключатель 7, то коподводящие выводы 8 и 9, материал

10 жидкого кристалла, содержащийся во внутреннем объеме 11 капсулы 12, знакоместо 13 в виде цифры восемь, сегменты 14 16 знакоместа 13,участок

17 знакоместа 13, разрез 18 множест ва заключенных в капсулу жидких крис таллов 1, внутреннюю поверхность 19 стенки капсулы 12, приповерхностный слой 20 молекул 21 жидкого кристалла, обозначенных пунктирными линиями, 40 внутренние слои 22 молекул 21, стен ку 23 капсулы 12, разрыв 24 непрерывности в ориентации внутренних сло ев 22, точки 25-28 на внешней и внут ренней поверхностях капсулы, верхний 45 участок 29 и нижний участок 30 мате риала 10 жидкого кристалла, конден саторы 31-33, образованные материала ми стенки капсулы и жидкого кристал ла, 50

Электрод 3 может быть нанесенным в вакууме на подложку 2 слоем оксида индия с добавками олова, а электрод

4, может быть электрически проводя щей краской, Подложка 2 и электроды 3 и 4, а также зашитный слой 5, могут быть оп тически прозрачными, так что устройство способно управлять передачей света через него в ответ на возбужде ние или невозбуждение электрического поля на электродах 3 и 4 и тем самым на заключенном в капсулу жидком крис талле:1, Подложка 2 может быть оптически отражающей или может иметь оптически отражающий слой, так что от ражение таким ображающим слоем па дающего света, поступающего через защитный слой будет зависеть от то го, приложено или нет электрическое

1 поле к заключенному в капсулу жидко му кристаллу; 1*

Множество заключенных в капсулы жидких кристаллов 1 наносится на мон тажную подложку 2 так, что заклю ченные в капсулы жидкие кристаллы адгезируют к подложке 2 или к мате риалу электрода 3 для опоры монтаж ной подложкой 2 и удержания в не подвижном относительно других заклю ченных в капсулы жидких кристаллов 1 положении, Наиболее предпочтительно, когда образующая капсулу среда, из которой образуется1капсула 12, также приемлема для связывания или иной адгезии капсулы 12 к подложке:2 ° Может использоваться дополнительная связывающая среда (не показано) для адгезии заключенных в капсулы жидких кристаллов 1 к подложке:2» Так как капсулы 12 адгезируют к подложке 2 и каждая капсула 12 образует необходи мую герметизацию материала 10 жидко го кристалла, второй подложки обычно не требуется» Однако для защиты от рубцевания, электрохимического раэ рушения, например окисления и:т и» электрода 4 защитный слой 5 может быть образован на стороне или поверхности устройства

Так как заключенные в капсулы жид кие кристаллы 1 относительно прочно адгезируют к подложке 2 и обычно нет необходимости в дополнительной подложке, электрод 4 может быть нанесен непосредственно на заключенные в кап" сулы жидкие кристаллы:1 °

В обычном устройСтве визуального дисплея типа на жидких кристаллах или светоизлучающих диодах знакоместо 13 цифры восемь обычно поделе но на семь электрически изолированных сегментов, каждый из которых мо жет селективно возбуждаться или нет, чтобы образовать различные цифровые изображения, Например, возбуждение сегментов 14 и 15 изображает цифру

0056 6

5 162 и и

1, а возбуждение сегментов 14-16 изображает цифру "7", При использовании заключенных в капсулы жидких кристаллов 1 образуется подложка 2, способная отобра« жать виртуальный и требуемый дисплей, как функция только селективных сег ментов электродов из проводящей краски, нанесенных на материал жидкого кристалла, В этом случае вся поверхность подложки 2 может быть покрыта электродным материалом 3 и даже вся поверхность этого электродного материала может быть покрыта слоем 18 заключенных в капсулы жидких кристаллов:1, После этого заданный образец электродных сегментов электрода

4 из проводящей краски может быть отпечатан (нанесен) при необходимости на слое 18, Одинарный электрическии вывод 8 может соединять электрод 3 с источником 6 напряжения и соответствующие электрические выводы электро да 4 могут соединять соответствующие сегменты из: проводящей краски через соответствующие управляемые перекюиочатели 7 с этими же источником б напряжения, Заключенные в капсулы жнд кие кристаллы 1 и/или электродный материал электрода 3 могут быть нанесены на поверхность подложки 2 только в тех зонах, где необходимы сегменты, Капсула 12 (фиг.4) имеет вообще гладкую изогнутую внутреннюю поверх» ность 19 стенки, определяющей границу объема 11, Действительные размерные парамегры поверхности 19 стенки и всей капсулы 12 связаны с количеством материала 10 жидкого кристалла, который в ней содержится, и раз мером отдельных молекул жидкого кристаллаа "îïîëíèòåëüíî капсула 12 создает давление на материал 10 жидкого кристалла, стремясь создать дазление или по крайней мере сохранить по существу постоянным давление внутри объема 11а В результате сказанного и в силу природы поверхностного смачивания молекул жидкого кристалла такие молекулы, которые обычно- в свободной форме стремятся быть прямыми, хотя возможно случайно распределенными, деформируются но кривой в направлении. которое обычно параллельно относительно смежного участка внутренней поверхности 19 стенки капсулы-. В силу такой дисторсии жидкие кристаллы со5

14

5.5 храняют упругую энергию. Для упрощения иллюстрации и облегчения понима ния 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 пока:.-аны 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 стенкиа

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 оптичес кой поляризацииа Однако„ так как мо лекулы 21 в заключенных в капсулах жидкого кристалла деформируются 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 светаа

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 кристаллаа

Следует отметить, что материал 10 жидкого кристалла в капсуле 12 имеет разрыв 24 непрерывности в общем сфе1620056 рическом ориентировании его Разрыв

24 непрерывности вызван неспособнос тью жидкого кристалла ориентировать ся однородно в соответствии с парал лельным ориентированием со стенкой

23 и требованием в отношении мини-. мальной упругой энергии» Молекулы 21 жидкого .кристалла стремятся следовать вокруг разрыва 24 непрерывнос ти, как показано в планарной форме на фиг.4, но в действительности они следуют в трехмерных направлениях образца по трехмерной обычно цилиндрической внутренней поверхности 19 стенки. Разрыв 24 непрерывности так же деформирует молекулы жидкого кристалла, что также снижает возможность, что материал 10 жидкого кристалла бу дет чувствительным к направлению оптической поляризации падающего света

Устройство работает следующим образом

В исходном состоянии селективный переключатель 7 разомкнут и соот 25 ветствующие сегменты знакоместа 13 не создают напряженность электрического поля совместно с электродом

:За

При деформированных в капсуле 12 отдельных молекулах 21 жидкого кристалла, которые изгибаются так, как показано на фиг ° 4, заключенный в кап сулу 12 жидкий кристалл 1 адсорбиру-" ет или блокирует свет, чтобы он не мог передаваться через него, когда не приложено эпектрическое поле к заключенному в капсулу 12 жидкому .кристаллу

В результате в устройстве отсутст И1 вует контрастное визуальное изображение, В случае замыкания переключателя

7 электрическое поле приложено к за ключенному в капсулу 12 жидкому крис gg таллу 1 так, как показано на фиг 5, молекулы 21 жидкого кристалла и лю» бой плеохлорический краситель в раст воре с ним ориентируются в ответ на электрическое поле. Такое ориентирование по прямой дает возможность про пускать свет через заключенный в капсулу жидкий кристалл:1. Это приводит к возникновению контрастного визуаль ного изображения, определяемого кон фигурацией сегментов, подключенных к источнику:6, Для оптимизации характеристик контрастности устройства и для устра нения оптической дисторсии из за рефракции падающего света, проходящего от образующей капсулу среды в материал жидкого кристалла, и наобо рот, из заключенного в капсулу жидкого кристалла (фиг.5) показатель преломления образующей капсулу среды и показатель преломления материала жидкого кристалла должны между собой согласовываться как можно лучше, а именно обыкновенный показатель преломлечия жидкого кристалла равен показателю преломлени". материала стенки капсулы 1

Таким образом, когда не подано электрическое напряжение U, заклю ченный в капсулу жидкий кристалл 1 имеет отличительные признаки, так как молекулы 21 жидкого кристалла деформируются, имея необыкновенный показатель преломления, не равный показателю преломления стенки, и так как плеохлорический краситель дефор мируется, абсорбция или блокировка светопередачк через заключенные в кап" сулы жид-спе кристаллы высокоэффектив« на, даже без применения плеохроичного красителя . .а счет преломления и рассеяния света на границе жидкого кристалла со стенкой. С другой стороны в силу эффективного электрического напряжения, приложенного к материалу

10 жидкого кристалла, в заключенных в капсулах жидких кристаллах 1, ориентирование молекул жидкого кристал ла и красителя вместе с ним, а также в силу согласования предпочитаемого показателя преломления,:т е среды, образующей капсулу, и материала жид» кого кристалпа, падающий свет не пре ломляется или искривляется в границе раздела между стенкой 23 капсулы и материалом 10 жидкого кристалла и, когда подается электрическое поле, заключенный в капсулу жидкий кристалл

1 имеет хорошую характеристику опти.ческой передачи»

Так как множество заключенных в капсулы жидких кристалов I обычно требуется для конструирования закон ченного устройства на жидких кристаллах, такого как устройство 17 (фиг.З) и так как эти заключенные в капсулы жидкие кристаллы располагаются в нескольких слоях, предпочтительно иметь относительно высокую диэлектрическую анизотропию, чтобы снизить нагряже ние U, 0056 10

9 162

Капсулы 12 могут быть различных размеров Чем меньше размер капсулы, тем выше требования в отношении электрического поля для ориентирования молекул жидкого кристалла в капсуле, Когда размер капсулы относительно небольшой, потребуется больше капсул на единицу площади слоя 18, поэтому большие потери из-за падения напряжения в среде, образующей капсулы, чем у капсул большего размера, и в последнем случае плотность на единицу площади меньше. Согласно предпочитаемому варианту устройство должно иметь капсулы диаметром 2-25 мкм, Электрическое полное сопротивление у материала образующей капсулу среды предпочтительно должно быть больше, чем у материала жидкого кристалла в заключенном 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 сопротивление для тока через стенку 23 от точки 25 до точки 27 должно быть значительным

;по сравнению с полным сопротивлением, которое могло бы встретиться на пути тока непосредственно от точки ?5 до точки 26 внутри внутренней поверхности 19 стенки, непосредственно через материал 10 жидкого кристалла до точ» ки 28 и также в объеме 1), 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 стен ки 23 капсулы, в частности, в ра диальном направлении, и материала жидкого кристалла, по концам которого подается электрическое полевсе должно быть согласовано так, что стенка 23 капсулы 12 значительно не снижает величину приложенного электрического поля, Условная эквивалентная электричес кая схема капсулы 12 показана на фиг,6 Электрическое поле исходит от источника 6 напряжения, когда замк нут переключатель:7. Конденсатор 32 имеет емкость материала 10 жидкого кристалла в заключенном в капсулу жидком кристалле.1 ° Конденсатор 31 имеет емкость стенки 23 капсулы 12

55 в верхней зоне (направление обычно принятое на чертежах, но не имеющее другого какого ли о специального значения) и соответственно искривлен аналогично верхнему участку капсулы

12 (фиг 4 и 5). Конденсатор 33 также имеет pMKOcTb нижней части .капсулы °

Величины емкостей каждого конденса» тора 31-33 зависят от диэлектричес» ких констант (коэффициентов) мате» риала, из которого изготовлены соответствующие конденсаторы, и зазора между его эффективными обкладками

Предпочтительно, чтобы конденсаторы

31 и 33 имели больше величину емкос ти, чем конденсатор 32, так что падение напряжения, происходящее на соответствующих конденсаторах 31 и

33 будет меньше, чем падение напря» жения на конденсаторе 32,и тогда по дается максимальная час "b электри ческого поля на материал 10 жидкого кристалла в заключенный в капсулу жидкий кристалл 1 для достижения оп» тимальной работы, т.е ° ориентирова ния молекул жидкого кристалла с мини мальным общим потреблением энергии источника 6 напряжения

Делая как можно тоньше стенку 23 при сохранении адэкватной ее проч» ности для содержания материала 10 жидкого кристалла в объеме 11, вели чины конденсаторов 31, 32 могут быть увеличены особенно в сравнении с толщиной или длиной расстояния между верхним участком 29 материала 10 жип кого кристалла нижней части 30 его, которые примерно и эквивалентно об» разуют обкладки того же порядка конденсатора 32 °

Как сказано, чем больше размер капсулы, тем меньше электрическое по ле, необходимое для достижения ориен тирования молекул жидкого кристалла в ней. Однако, чем больше сфера (кап» сула), тем дольше время срабатывания

П р и м е:р, 0,45_#_ плеохлорическо» го красителя типа Суданской сажи В растворяют в жидком кристалле, который состоит из ароматических эфиров

Такой комбинированный материал прода ется под индексом М М8250 фирмой

"Америкен ликид кстал кемикал кор ", Кент, Огайо. Этот материал смешивается с раствором 7Х ного поливинилово го спирта (ПВС), который обрабатыва ется для удаления всех солей Также подготовляют раствор с водой типа

11 162005

ASTM100» Полученная смесь помещает ся в коллоидную мельницу, и материал перемалывается в течение 4 мин для получения суспензии частиц однородного размера В результате получают стабильную эмульсию, размер суспен зированных частиц которой примерно

3 мкм Эмульсия наносится на майлар» ную пленку, которая предварительно покрыта слоем электрода из оксида олова Используют ракель для нанесе ния эмульсионного материала на май ларную пленку на стороне, покрытой слоем электрода

На такой электрод наносится 7 мм эмульсионного материала и высушива ется до общей толщины 0,8 мм. Затем наносится второй слой такой эмульсии на первый, образуя агрегированный 20 слой капелек жидкого кристалла в мат рице поливинилового спирта, имеющий толщину 1,6 мм. Предпочтительно за ключенные в капсулы жидкие кристаллы наносятся как одинарный слой толщи 25 ной из одной или нескольких капсул*

Образованное таким образом устройство на жидких кристаллах .содержа-, 1 щее слой из майлара, электрод и за ключенные в капсулы жидкие кристаллы 30 затем испытывается путем приложения электрического поля, после чего материал изменяется от черного к почти светлопрозрачноиу» Материал показал очень широкий угол обзора и отноше

35 ние контрастности составило 7:1 при

50 В электрического напряжения» Ско рость переключения около 2 мс при включении и около 4 мс при выклю. чении, 40

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность получения устройств на жидких кристаллах значительной площади при сохранении вь>соких све тотехнических характеристик, кроме того, для обеспечения однородности этих характеристик по площади и под держания управляющего напряжения в узких пределах возможно обеспечение градации капсул по диаметрам с целью исключения их разбросав в одном уст» ройстве, Входным сигналом для предла" гаемого устройства может быть либо

6 12 электрическое поле, либо магнитное поле

Формула из обре Tени>. 1 Жидкокристаллическое устройст во с микрокапсулированными элементами, соцержащее совокупность замк нутых объемов материала жидкого кристалла, имеющего природную структуру, причем объемы материала жидко» го кристалла распределены в удержи вающей среде, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения площади устройства при сохранении уровня и равномерности контраста, материал жидкого кристалла выбран нематичес ким с положительной диэлектрической анизотропией и обыкновенным показа телем преломления, равным показателю преломления удерживающей среды, :2, Устройство по:nl о т л и ч а ю щ е е с я тем, что материал жидкого кристалла содержит плеохрои ческий краситель»

:3. Устройство по пп.l и 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что удер» живающая ср:да расположена на под ложке .4» УстрОиствО пО пп»1»3 О T л и ч а ю щ е е с я тем, что содержит склеивающее средство, располо женное между удерживающей средой и подложкой. .5» Устройство по пп,l»4, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что содержит средство для приложения электрического поля к материалу жидкого кристалла, .6 ° Устройство по..п.5, О т л ич а ю щ е е с я тем, что средство приложения электрического поля выполнено с парой электродов.

:7» Устройство по пп 1 6, о т л и ч а .ю щ е е с я тем, что удерживающая среда выполнена в виде кап сулы для каждого объема материала жидкого кристалла с искривленной поверх» ностъю»

:8. Устройство по:и 7, -о т л ич а ю щ е е с я тем, что капсулы имеют сферическую форму.

1620056

Фиг.k

1620056

Составитель . А, Гусев

Техред 11.Дидык

Корректор Т,Колб

Редактор С. Патрушева

° Э ЮЭ В ° ° Ф ФФФЭФВМФ УФ Ф

Заказ 58 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, 1 1оскв», Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-l!з, атепьский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101