ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ДИСПЛЕЙНАЯ ЯЧЕЙКА
LIQUID CRYSTAL DISPLAY CELL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и системах визуализации, в том числе трехмерной, отображения, хранения и обработки информации, обладающих высокой информационной емкостью, в частности, в двумерных и трехмерных дисплеях, в том числе компьютерных, телевизионных и смартфонных, в модуляторах света, в том числе в пространственных, в устройствах обработки и распознавания изображений, хранения и преобразования данных, в индикаторных панелях и т.п.
Уровень техники
В настоящее время жидкокристаллические (ЖК) дисплеи являются самым массовым типом дисплеев; их ежегодно производится в мире около одного миллиарда. В ЖК дисплеях используются, главным образом, жидкие кристаллы нематического типа (НЖК). Базой для создания целой ЖК индустрии послужила высокая эффективность электрооптической модуляции света в НЖК (за счет большой величины изменения двулучепреломления) при низком управляющем напряжении (единицы вольт) [1-4].
Для наблюдения модуляции света жидкокристаллическая дисплейная ячейка с НЖК помещается между скрещенными поляроидами (поляризатором и анализатором). Модуляционная характеристика плавная и в общем случае для разных электрооптических эффектов подчиняется закону [1]:
0
где I и I - интенсивность света, соответственно падающего на поляризатор и прошедшего за анализатор, а Г=2π⋅Δn⋅d/λ - фазовая задержка между обыкновенным и необыкновенным лучами, определяемая величиной изменения двулучепреломления Δn, толщиной d слоя НЖК и длиной λ модулируемой световой волны. Такая характеристика обеспечивает хорошую передачу полутонов (шкалы серого), а вместе с ней и цветов.
Времена переориентации молекул НЖК в дисплейной ячейке и тем самым времена включения и выключения того или иного электрооптического эффекта, используемого для модуляции света, описываются соотношениями [1]:
⊥
где γ - вращательная вязкость НЖК; К - модуль упругости;  - анизотропия диэлектрической проницаемости, равная разности диэлектрических проницаемостей, измеренных вдоль длинной  и короткой (ε) осей молекул соответственно; U - амплитуда приложенного напряжения.
вкл
выкл.
1
Время электрооптического отклика на приложенное напряжение τ составляет единицы-десятки миллисекунд и не зависит от знака напряжения вследствие квадратичной зависимости от напряжения всех электрооптических эффектов в НЖК. После выключения приложенного напряжения молекулы переориентируются обратно в исходное состояние под действием силы, вызванной упругой деформацией молекулярной структуры слоя НЖК. Время τ выключения (релаксации) не зависит от напряжения; оно прямо пропорционально квадрату толщины слоя ЖК, прямо пропорционально отношению материальных параметров γ/К и может варьироваться от десятков до сотен миллисекунд и даже до секунд. Реально именно это время и ограничивает быстродействие НЖК-дисплейных ячеек.
Наиболее известны, как реализованные на практике, дисплейные ячейки на основе следующих электрооптических эффектов в НЖК: твист (TN - закрученный нематик [5, 6]) и супертвист (STN [7, 8]). В общем упрощенном случае просветного дисплея каждая ячейка представляет собой сэндвич, состоящий из двух подложек с последовательными покрытиями на них окисла индия-олова (прозрачный электрод ITO) и полимера (ориентирующий слой). Эти покрытия обращены друг к другу и контактируют со слоем ЖК между ними. Располагается ячейка между скрещенными поляроидами.
В TN-дисплейной ячейке ориентация молекул НЖК с положительной диэлектрической анизотропией (Δε>0) задается за счет натирания ориентирующих слоев на разных подложках в двух ортогональных направлениях. Тем самым создается закрученная на 90° структура (твист-структура), осуществляющая в отсутствие электрического поля поворот плоскости поляризации проходящего света на такой же угол. При приложении электрического поля ориентация молекул НЖК становится перпендикулярной плоскости слоя (гомеотропной), двулучепреломление слоя исчезает, и структура не пропускает свет. Для ячейки толщиной 4 мкм время отклика при комнатной температуре составляет 20-30 мс. При напряжении на ячейке 5 В обеспечивается контрастное отношение около 200:1. Принципиальным недостатком TN-дисплеев является ухудшение качества изображения при увеличении углов наблюдения [6].
Более широкий и симметричный угол обзора и более высокий оптический контраст (до 400:1) обеспечивается в супертвистовой (STN) дисплейной ячейке, имеющей  крутизну электрооптической характеристики вследствие добавления в нематик хиральной добавки и увеличения угла закрутки до 180°-270°. Поскольку такая ячейка придает пропускаемому белому свету желтый или голубой оттенок, то на практике используется «ахроматическая» конструкция под названием «двойной STN». В ней молекулы в двух последовательно соединенных STN-ячейках при работе оказываются ориентированными по-разному: в активной ячейке, на которую подается напряжение - на 240° против часовой стрелки, в пассивной (не управляемой) ячейке - на 240° по часовой стрелке. Однако, в STN-ячейке сохраняются такие недостатки, как необходимость обеспечения с высокой точностью толщины зазора и угла наклона длинных осей молекул (директора) к подложке по всей ее поверхности, более высокое (по сравнению с TN) управляющее напряжение и зависимость светопропускания от длины волны [8].
Эти недостатки удалось преодолеть в IPS-дисплейной ячейке (от In-Plane Switching) со встречно-штыревой гребенкой электродов, расположенной в плоскости одной из подложек, и поперечным приложением электрического поля (Фиг. 1). На этом чертеже обозначено: 1 - встречно-штыревые электроды, 2 - подложка, 3 - поляризатор, 4 - слой молекул НЖК, 5 - управляющие транзисторы, 6 - светофильтры, 7 - блок подсветки.
В такой ячейке [9] молекулы НЖК в слое 4 в исходном состоянии ориентированы вдоль электродов 1 гребенки, т.е. параллельно друг другу и плоскости подложек 2. Поэтому в выключенном состоянии свет за скрещенными поляризаторами 3 отсутствует. При приложении электрического напряжения к электродам 1 молекулы НЖК в слое 4 переориентируются перпендикулярно своему начальному положению и пропускают свет. При этом главная оптическая ось слоя 4 НЖК отклоняется на 90° в одной плоскости. Такое переключение обеспечивает контраст более 1000:1. Отображение черного цвета близко к идеалу, причем «неисправный» пиксель для панели IPS выглядит не белым, как в случае TN, а черным.
Технология IPS в НЖК доведена в Японии компаниями Hitachi и NEC до практического использования [10], а затем улучшена компанией Samsung и особенно компанией LG [11], выпускающей телевизоры на базе технологий Super-IPS и Professional-IPS (соответственно S-IPS и P-IPS). Например, технология Professional-IPS обеспечивает 1,07 млрд цветов (при 30-битной глубине цвета), максимально возможное число ориентаций для субпикселя (1024 против 256) и наиболее корректную цветопередачу при разных углах обзора, вплоть до 178° по горизонтали и вертикали. Это особенно важно для работы в интернете, для просмотра кинофильмов и фотографий и особенно для обработки изображений и 3D-моделирования. Экраны, изготовленные по IPS-технологии, имеют наилучшее соотношение цены и качества [12].
Однако IPS-технология тоже не лишена недостатков. Необходимость использовать встречно-штыревые (гребенчатые) металлические электроды усложняет и удорожает технологический процесс и вызывает ухудшение контраста изображения. Поэтому для установки нормального уровня резкости требуется более мощная подсветка, приводящая к повышенному потреблению энергии.
Быстродействие IPS-дисплейной ячейки, как правило, хуже, чем у TN-ячеек, но при известных ухищрениях время оптического отклика не превышает 2-3 мс и достижима частота переключения 120 Гц. К сожалению, эта частота является верхней практически для всех приборов на основе НЖК, что обусловлено релаксационным механизмом выключения оптического состояния НЖК, включенного электрическим полем.
Таким образом, электрооптическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка с НЖК, выполненная по технологии IPS, обеспечивает высококачественную цветопередачу и самый широкий угол обзора среди всех НЖК-дисплейных ячеек. Однако, она сложна в изготовлении вследствие наличия встречно-штыревых электродов, имеет по этой же причине слабый оптический контраст, требует повышенного энергопотребления для компенсации энергозатрат, необходимых для обеспечения нужного оптического контраста, и имеет ограничение по быстродействию, обусловленное использованием НЖК.
С другой стороны, хорошо известна жидкокристаллическая дисплейная ячейка, заполненная геликоидальным смектиком С* - жидким кристаллом смектического типа (СЖК) с сегнетоэлектрическими свойствами, и в ней наблюдаются несколько электрооптических эффектов, которые могут быть использованы для эффективной модуляции света, причем очень быстрой, с частотой до нескольких кГц [13-19]. Для настоящего изобретения более близким аналогом является СЖК-ячейка со сплошными ITO-электродами, выполненная на основе впервые обнаруженного и описанного в СССР DHF-электрооптического эффекта (от Deformed Helix Ferroelectric - сегнетоэлектрик с деформируемым геликоидом) [17].
На Фиг. 2а показана схема СЖК-дисплейной ячейки для DHF-электрооптического эффекта, использованная в наиболее близком к изобретению аналоге [12]. Обозначения на Фиг. 2а: 3 - поляризаторы (стрелки), 8 - слой молекул СЖК, 9 - электроды, 10 - пленка ориентанта, 11 - ось геликоида.
s
На Фиг. 2b показаны направления спонтанной поляризации P и директора n в слое СЖК толщиной d для этой ячейки, ϕ - азимутальный угол и θ - полярный угол директора, L - нормаль к плоскостям смектических слоев, D - апертура светового пучка.
s
0
0
В DHF СЖК ячейке на прозрачные диэлектрические - стеклянные пластины (подложки 2 на Фиг. 1) нанесено сплошное прозрачное токопроводящее покрытие ITO (электрод 9), а поверх него - пленка 10 ориентанта. Обычно используется планарная ориентация слоя СЖК, когда координатная ось X параллельна пластинам 2, Y - перпендикулярна пластинам 2, а ось Z совпадает по направлению с вектором  - нормалью к смектическим слоям, расположенным вдоль нормали к подложкам 2. Вектор P спонтанной поляризации (Фиг. 2b) лежит в плоскости смектического слоя и направлен вдоль полярной оси, а полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга так, что образуется равновесная спирально закрученная структура - геликоид с осью 12 вдоль направления Z и с шагом р. Здесь Θ - угол наклона длинных осей молекул по отношению к вектору L (полярный угол) и ϕ - угол в плоскости XY между нормалью к пластинам и вектором  (азимутальный угол). Макроскопическая поляризация ячейки отсутствует, т.к. угол ϕ в смектических слоях изменяется от 0 до π на расстоянии, равном шагу р (обычно 0,2-0,5 мкм), β - угол между поляризатором 3 и осью геликоида (Z).
В такой СЖК-ячейке модулируемый свет распространяется вдоль нормали к подложкам 2, то есть вдоль плоскостей смектических слоев и вдоль направления электрического поля. Вектор спонтанной поляризации стремится расположиться вдоль силовых линий поля, вследствие чего молекулы СЖК разворачиваются по образующей конуса таким образом, что полярный угол θ остается неизменным, а азимутальный угол ϕ изменяется от 0 до π (Фиг. 2b). При смене знака электрического поля процесс происходит в обратном направлении.
Для получения электрооптической модуляции света скрещенные поляризаторы 3 на внешних сторонах стеклянных пластин наклеены таким образом, чтобы ось поляризатора совпадала с направлением директора СЖК при ϕ=0 (равноценно, при ϕ=π). В общем случае модуляционная характеристика подобна таковой для НЖК (см. (1)) и оптическое пропускание за ячейкой толщиной d описывается уравнением [14]:
В отличие от НЖК, молекулы СЖК реагируют на знак приложенного напряжения (линейный электрооптический эффект), и поскольку выключение включенного оптического состояния осуществляется тоже принудительно (электрическим полем), времена включения и выключения обоих состояний одинаковы и определяются выражением:
Это позволяет получить в современных СЖК-модуляторах при знакопеременном электрическом поле в несколько В/мкм время включения-выключения оптического отклика в несколько десятков микросекунд и частоту модуляции света в несколько килогерц, что на два-три порядка быстрее, чем при использовании НЖК.
Электрооптический DHF-эффект реализуется в смектическом слое при выполнении условия:
т.е. шаг геликоида (обычно 2-5 мкм) должен быть много меньше толщины слоя СЖК, или, более корректно,
ϕ
0
0
Q
где K - модуль упругости, определяющий деформацию слоя СЖК по азимутальному углу ϕ; q=2π/p - волновой вектор геликоида; W - квадратичный коэффициент энергии сцепления слоя с граничащей поверхностью, определяющий граничные условия для слоя.
0
C
Модуляция света электрическим полем происходит вследствие возмущений равновесной спирали (геликоида) при изменении коэффициента двулучепреломления Δn, усредненного по достаточно широкой апертуре светового пучка диаметром D>>p. Эффект не имеет порога и наблюдается в малых полях, которые меньше критического поля раскрутки спирали E, обратно пропорционального спонтанной поляризации. В скрещенных поляроидах реализуется модуляция интенсивности света с линейной шкалой серого по закону (4). Важно, что условие наблюдения эффекта (6) соблюдается уже при толщине слоя СЖК порядка 3 мкм, удобной для дисплейных приложений.
Таким образом, описанная выше электрооптическая DHF СЖК дисплейная ячейка проста в изготовлении (вследствие отсутствия встречно-штыревых электродов) и имеет высокие значения быстродействия (обусловлено использованием СЖК) и оптического контраста. Однако, она не обеспечивает высококачественную цветопередачу и широкий угол обзора, присущие IPS-технологии в НЖК-дисплейной ячейке и обусловленные переключением (переориентацией) главной оптической оси НЖК на 90° в плоскости слоя при поперечном (по отношению к этой плоскости) приложении электрического поля.
Раскрытие изобретения
Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является реализация в DHF СЖК дисплейной ячейке IPS-технологии, то есть переориентации главной оптической оси планарно ориентированного слоя СЖК на 90° в плоскости слоя при приложении электрического поля к сплошным электродам ячейки. В этом случае в качестве технического результата будут обеспечены как высококачественная цветопередача и широкий угол обзора, присущие IPS-технологии, так и увеличение в несколько раз быстродействия модуляции света и упрощение технологии изготовления дисплейной ячейки, обусловленные использованием СЖК и сплошных электродов вместо встречно-штыревых.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предложена жидкокристаллическая дисплейная ячейка со сплошными электродами, заполненная геликоидальным смектическим жидким кристаллом (СЖК) с сегнетоэлектрическими свойствами, в которой реализован электрооптический эффект сегнетоэлектрика с деформируемым геликоидом, при этом СЖК выполнен с субволновым шагом спирали и углом наклона молекул в смектических слоях не менее 38 градусов.
Особенность настоящего изобретения состоит в том, что источник электрического напряжения, прикладываемого к электродам, может быть выполнен с возможностью работы в частотном интервале модуляции света до 4 кГц при напряженности электрического поля до 7 В/мкм.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана схема ориентации молекул НЖК в известной IPS-ячейке - выключенной (слева) и включенной (справа).
s
На Фиг. 2 приведены схема известной СЖК-ячейки для DHF-электрооптического эффекта (а) и направления спонтанной поляризации P и директора n в слое СЖК (б).
На Фиг. 3 показана планарно-ориентированная ячейка с деформируемым геликоидальным СЖК (DHFLC) и равномерно закрученной спиралью в отсутствие (слева) и при приложении (справа) электрического поля.
eff
D
На Фиг. 4 приведены экспериментальные зависимости эффективного показателя двулучепреломления Δn (Е) и угла отклонения Ψ (Е) для СЖК DHF-ячеек с композициями FLC-587-F7 (а) и FLC-650 (b).
На Фиг. 5 представлены измеренные зависимости пропускания света от прилагаемого напряжения Т(Е) и вычисленные для этого пропускания значения сомножителей для СЖК DHF-ячеек с композициями FLC-587-F7 (a) и FLC-650(b).
На Фиг. 6 приведены осциллограммы: управляющего напряжения (верхняя) амплитудой ±5 В и оптического отклика (нижняя) при модуляции света в режиме IPS для DHFLC-ячейки с FLC-650.
Подробное описание вариантов осуществления
0
С целью выполнения поставленной задачи для DHF дисплейной ячейки были специально разработаны и исследованы многокомпонентные СЖК с субволновым шагом спирали (р < 100 нм < λ), что во много раз меньше длины волны видимого света [20-25]. Заметим, что уменьшение шага спирали почти на два порядка в течение последних 30 лет является существенным мировым достижением.
Были изготовлены две новые СЖК-композиции с шагом спирали всего около 50 нм [24, 25]: 1) FLC-587-F7, у которой угол отклонения молекул в смектических слоях θ=31,6° при 22°, и 2) композиция FLC-650 с θ=38,4° при 22°C. Обе смеси СЖК состоят из бифенилпиримидинов в качестве ахиральной смектической С-матрицы и трифторметилалкильных диэфиров терфенилдикарбоновой кислоты в качестве хиральных легирующих примесей, обладающих очень высокой закручивающей способностью (см. таблицы 1 и 2)
o
Дисплейная СЖК-ячейка с субволновым шагом спирали p << λ по сути представляет собой спиральную наноструктуру (СНС). Показано [26], что если
0
p
h
+
-
z
d
то при анализе распространения света через такую структуру, несмотря на некоторые трудности, связанные с эффектами оптического вращения и брэгговского отражения, вполне корректна замена периодической СНС DHF-ячейки макроскопическими эллипсоидами с эффективными показателями преломления, как показано в правой части Фиг. 3а и 3b. На Фиг. 3 проиллюстрирована планарно-ориентированная ячейка с деформируемым геликоидальным СЖК (DHFLC) и равномерно закрученной спиралью в отсутствие (3а) и при приложении (3b) электрического поля. Обозначения: 2 - стеклянные пластины, покрытые непрерывными слоями оксида индия и олова (ITO), поверх которых наносятся ориентирующие слои; 12 - стрелка, указывающая направление распространения падающего линейно поляризованного пучка света; d - толщина слоя DHFLC; р - шаг спирали; n и n - показатели преломления спиральной структуры DHFLC в электрическом поле Е=0 [27]; n, n и n - эффективные показатели преломления и ψ (Е) ~ Е - отклонение главной оптической оси в электрическом поле Е≠0.
Модуляция света в СЖК-дисплейной ячейке с электрооптическим DHF-эффектом хорошо изучена теоретически и экспериментально [17-23]. Исследования показали, что главная оптическая ось СНС ЖК-ячейки отклоняется в электрическом поле в плоскости, перпендикулярной направлению поля [27]. В планарно-ориентированной СНС ЖК-ячейке главная оптическая ось параллельна подложкам, а поле перпендикулярно им. Следовательно, главная оптическая ось отклоняется в плоскости, параллельной плоскости подложек (Фиг. 3).
+
-
z
d
+
h
-
p
2
2
2
Фиг. 3 иллюстрирует конкретное двухосное преобразование эллипсоида эффективных показателей преломления n~Е, n~Е и n~Е в электрическом поле Е в комбинации с отклонением главной оптической оси на угол ϕ ~ Е [20-23] в плоскости, перпендикулярной направлению электрического поля [27], то есть в плоскости подложек 2. Таким образом, существует некоторая аналогия между переключением главной оптической оси в IPS-ячейках в НЖК (Фиг. 1) и в планарно-ориентированных DHFLC-ячейках (Фиг. 3). Следовательно, IPS-эффект в DHFLC-ячейках возможен, если упомянутое выше двухосное преобразование эффективных показателей преломления не оказывает существенного влияния на распространение света в слое DHFLC. Иначе говоря, должны выполняться соотношения: n(Е) << n и n(Е) << n. Далее в предложенном изобретении содержится экспериментальное обоснование существования такой возможности.
Предложенный подход основывается на том факте, что при выполнении условия (8), которое при λ порядка 50 нм заведомо выполняется, светопропускание Т планарно-ориентированного слоя DHFLC, расположенного между скрещенными поляризаторами, описывается соотношением, уже доказанным и теоретически, и экспериментально [21]:
eff
+
_
где Δn(E)=n(Е) - n (Е) является эффективным двулучепреломлением слоя DHFLC в электрическом поле.
eff
d
eff
d
Композиции FLC-587-F7 и FLC-650 характеризуются довольно разными зависимостями Δn (Е) and Ψ(E), показанными на Фиг. 4, где приведены экспериментальные зависимости эффективного показателя двулучепреломления Δn (Е) (пустые окружности) и угла отклонения Ψ(Е) (шары) для FLC-587-F7 (а) и FLC-650 (b), измеренные при 22°C на длине волны 632,8 нм.
d
eff
Указанные зависимости были получены в экспериментальной установке на основе схемы интерферометра Маха-Цендера, которая подробно описана в [22]. Отметим, что количественное значение угла наклона в молекул в смектических слоях в геликоидальных структурах СЖК определяется уровнем насыщения экспериментальной кривой Ψ(E), поведение которой в электрическом поле (Фиг. 4) так же, как и Δn (Е), зависит от величины угла наклона молекул в СЖК.
d
eff
На Фиг. 5 приведены измеренные зависимости Т(Е) двух ячеек DHFLC (с FLC-587-F7 и с FLC-650) и рассчитанные значения сомножителей, включенных в соотношение (9). Для расчетов взяты измеренные зависимости Ψ(Е) и Δn(Е), представленные на Фиг. 4. На Фиг. 5 показано общее пропускание света Т(Е) (шары) за скрещенными поляризаторами, измеренное при 22°C на длине волны 632,8 нм, и вычисленные для него из соотношения (9) значения сомножителей для DHFLC- ячейки с FLC-587-F7 при d=1,45 мкм (а) и для ячейки с FLC-650 при d=3,05 мкм (b). Рассчитанные компоненты коэффициента пропускания показаны пустыми окружностями и ромбами.
2
2
2
2
2
d
eff
eff
Измеренная зависимость Т(Е) на Фиг. 5b (шары) практически совпадает с расчетной зависимостью sin (4Ψ) (окружности), а коэффициент sin (πΔnd/λ), который обозначен как sin(Phase) (ромбы), практически не меняется, когда 0≤Т(Е)≤1. По этой причине можно утверждать, что в данном случае электрооптическая модуляция вызвана, главным образом, переключением главной оптической оси в плоскости подложек. Однако на Фиг. 5а тот же коэффициент sin(πΔnd/λ), или sin (Phase), изменяется при 0≤Т(Е)≤1 на 45%, что совсем не согласуется с определением режима IPS, при котором вклад фазового фактора в электрооптическую модуляцию должен быть пренебрежимо мал.
Из сравнения фигур 5а и 5b видно, что электрооптическая модуляция в ячейках DHFLC приближается к режиму IPS только тогда, когда угол наклона молекул в смектических слоях θ увеличен до 38 и более градусов. Эксперименты также показывают, что электрооптическая мода IPS наблюдается в дисплейных ячейках DHFLC с субволновым шагом спирали.
В совокупности вышеуказанные условия - субволновой шаг спирали и угол наклона молекул в смектических слоях 38 и более градусов, используемые в DHF СЖК дисплейной ячейке, являются достаточными, чтобы обеспечить в такой ячейке реализацию IPS-режима, т.е. переориентации главной оптической оси слоя СЖК на 90° в плоскости слоя при поперечном (по отношению к этой плоскости) приложении электрического поля.
По отношению к ячейкам IPS НЖК, дисплейные ячейки IPS DHFLC имеют несомненное технологическое преимущество, поскольку для их изготовления используются сплошные электроды. Кроме того, как следует из осциллограммы на Фиг. 6 и публикаций [20, 25], ячейка DHFLC с композицией FLC-650 обеспечивает частоту электрооптической модуляции в 1 кГц (при управляющем напряжении до 7 В), то есть в 8 раз большую, чем при использовании НЖК. При этом времена включения и выключения оптического отклика СЖК-ячейки в области проявления DHF-эффекта при малых управляющих напряжениях (до 7 В) и слабых полях не превышают 150 мкс. Это также является очевидным преимуществом дисплейной ячейки IPS СЖК по сравнению с ячейками IPS НЖК. На Фиг. 6 приведены следующие осциллограммы: управляющего напряжения амплитудой ±5 В (верхняя) и оптического отклика (нижняя) DHFLC-ячейки с FLC-650 при модуляции света (λ=632,8 нм) в режиме IPS. Толщина слоя FLC-650 составляет 1,8 мкм, ось спирали направлена вдоль плоскости поляризации, температура Т=23°C, частота модуляции 1 кГц.
Преимущества дисплейной ячейки на основе DHF СЖК, реализующей IPS-технологию модуляции света по настоящему изобретению, по отношению к аналогу - IPS-дисплейной ячейке на основе НЖК, реализуются, прежде всего, за счет упрощения технологии, обуслов-обусловленного отсутствием встречно-штыревых электродов, и повышения в 8 раз быстродействия, обусловленного использованием СЖК. По отношению к ближайшему аналогу - DHF СЖК дисплейной ячейке преимуществами предлагаемого изобретения являются высококачественная цветопередача и широкий угол обзора, присущие IPS-технологии и обусловленные переключением (переориентацией) главной оптической оси слоя СЖК на 90° в плоскости слоя при поперечном (по отношению к этой плоскости) приложении электрического поля.
Эти результаты открывают возможность создания нового поколения жидкокристаллических дисплеев, характеризующихся высоким быстродействием и технологичностью изготовления, высококачественной цветопередачей и широким углом обзора.
Для улучшения характеристик дисплейной ячейки на основе DHF СЖК, реализующей IPS-технологию модуляции света по настоящему изобретению, можно в отдельности или в совокупности использовать улучшение конструкции DHF СЖК дисплейной ячейки путем оптимизации состава, свойств и толщины конструктивных слоев, улучшение композиции геликоидального СЖК с субволновым шагом геликоида и оптимизацию угла наклона молекул в слое СЖК.
Таким образом, дисплейная ячейка на основе DHF СЖК, реализующая IPS-технологию модуляции света по настоящему изобретению, является базой для создания простых, быстродействующих, технологичных и эффективных дисплеев и др. устройств. Это делает возможным их применение в разнообразных системах визуализации (в том числе трехмерной), отображения, хранения и обработки информации, обладающих высокой информационной емкостью, в частности, в двумерных и трехмерных дисплеях, в том числе компьютерных, телевизионных и смартфонных, в модуляторах света, в том числе в пространственных, в системах обработки и распознавания изображений, хранения и преобразования данных, в индикаторных панелях и т.п.
По настоящему изобретению на основе DHF СЖК были изготовлены несколько экспериментальных образцов дисплейных ячеек, осуществляющих модуляцию проходящего светового пучка, и были измерены их электрооптические характеристики.
Принципиальная конструкция изготовленных жидкокристаллических ячеек не отличалась от использованной в ближайшем аналоге [17]. Одна группа ячеек заполнялась композицией геликоидального СЖК FLC-587-F7, у которой угол отклонения молекул в смектических слоях был θ=31,6° при 22°, и толщина слоя СЖК составляла 1,45 мкм. Другая группа ячеек заполнялась композицией геликоидального СЖК FLC-650 с θ=38,4° при 22°C, и толщина его слоя составляла 3,05 мкм. Обе смеси СЖК имели шаг спирали около 50 нм и состояли из бифенилпиримидинов в качестве ахиральной смектической С-матрицы и трифторметилалкильных диэфиров терфенилдикарбоновой кислоты в качестве хиральных легирующих примесей, обладающих очень высокой закручивающей способностью. Обе композиции СЖК были разработаны и изготовлены в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) впервые и не имеют коммерческого названия.
Источник электрического напряжения, выполненный по схеме, известной специалистам, обеспечивал изменение скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов напряжения (меандр) в частотном интервале модуляции света до 2 кГц и выходное напряжение до 10 В, обеспечивающее напряженность электрического поля до 7 В/мкм в электрооптических ячейках толщиной 1,45 мкм и до 3,5 В/мкм в ячейках толщиной 3,05 мкм. При дальнейшей оптимизации устройства ожидается, что частота модуляции света может быть повышена до нескольких килогерц.
2
В экспериментальных образцах модуляторов использовались стандартные стеклянные пластины с проводящим слоем окиси индия-олова (ITO, сопротивление около 50 Ω/), покрытым слоем диэлектрика SiO (толщина около 70 нм), а затем полимерным слоем полиимида (PMDA-ODA, толщина 20-40 нм), натираемым с целью ориентации СЖК. Апертура ячеек составляла 2×2 см.
eff
d
d
eff
При выполненных условиях на параметры СЖК и электрооптических ячеек экспериментальные зависимости эффективного показателя двулучепреломления Δn и угла отклонения Ψ от электрического поля для FLC-587-F7 и FLC-650, измеренные при 22°C на длине волны 632,8 нм, имели характер, показанный на Фиг. 4. При этом количественное значение угла наклона θ молекул в смектических слоях в геликоидальных наноструктурах СЖК определяется уровнем насыщения экспериментальной кривой Ψ(Е), поведение которой в электрическом поле так же, как и Δn (E), зависит от исходной величины угла наклона в СЖК. Указанные зависимости были получены в экспериментальной установке на основе схемы интерферометра Маха-Цендера.
На Фиг. 5 показано общее пропускание света Т(Е) за скрещенными поляризаторами, измеренное при 22°C на длине волны 632,8 нм, и вычисленные для него из соотношения (9) значения сомножителей для DHFLC-ячейки с FLC-587-F7 при d=1,45 мкм и для ячейки с FLC-650 при d=3,05 мкм. Видно, что электрооптическая модуляция в ячейках DHFLC приближается к режиму IPS только тогда, когда угол θ наклона молекул в смектических слоях увеличен до 38 и более градусов.
Таким образом, экспериментальные и расчетные данные показывают, что в совокупности задаваемые отличительные условия - субволновой шаг спирали и угол наклона молекул в смектических слоях 38 и более градусов, используемые в DHF СЖК электрооптической ячейке, являются достаточными, чтобы обеспечить в такой ячейке реализацию с высокой скоростью IPS-режима, при котором происходит переориентация главной оптической оси слоя СЖК на 90° в плоскости слоя при поперечном (по отношению к этой плоскости) приложении электрического поля. Тем самым результаты, полученные при тестировании экспериментальных образцов DHF СЖК ячеек, полностью соответствуют положениям, раскрывающим сущность изобретения. Тестирование образцов подтвердило достижение заявленных параметров (технического результата), а также достоинства и преимущества заявленного устройства.
Литература
1. Chigrinov V.G. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London, 359 p. (1999).
2. Luder E. Liquid crystal displays. Addressing schemes and electro-optic effects. John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 352 p. (2001).
3. Томилин М.Г., Невская Г.Е. Дисплеи на жидких кристаллах. Изд-во СПбГУ ИТМО, 108 с. (2010).
4. Deng Ке Yang, Shin Tson Wu. Fundamentals of Liquid Crystal Devices. John Wiley & Sons, Ltd., 570 p. (2014).
5. Helfrich W., Schadt M.. Lichtsteuerzelle (Модулятор света). Патент Швейцарии No. 532261 (1973).
6. Schadt M. Liquid crystal materials and LCDs. Annu. Rev. Mater, Vol. 27. P. 305-379(1997).
7. Amstutz H., Heimgartner D., Kaufmann M., Scheffer T.J. Flussigkristallanzeige (Жидкокристаллический дисплей). European Patent No. EP 0131216 (1987).
8. Scheffer T. J., Nehring J. A new highly multiplexable LCD. Appl. Phys.Lett, Vol. 45. P. 1021-1023 (1984).
9. Scheffer T. J., Nehring J. Supertwisted nematic (STN) liquid crystal display Annu. Rev. Mater. 1997. Vol. 27. P. 555-583.
10. Baur G., Fehrenbach W., Staudacher B. Windscheid F., Kiefer R. Elektrooptisches fluessigkristallschaltelement (Электрооптический жидкокристаллический коммутирующий элемент). Патент № DE4000451 (1991).
11. Kiefer R., Weber В., Windscheid F., Baur G. In-plane switching of NLCs. Japan Displays, Vol. 92. P. 547 (1992).
12. Богалов Г. IPS - матрица нового поколения для ЖК-мониторов. IT News. (February 24, 2011).
13. Lagerwall S.T. Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals. 1999, WILEY-VCH Verlag GmbH, 428 p.
14. Лосева M.B., Пожидаев Е.П., Рабинович A.З., Чернова Н.И., Иващенко А.В. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы. ВИНИТИ, Итоги науки и техники, сер. Физическая химия, том 3, Москва (1990).
15. Clark N.A., Lagerwall S.Т. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals, J.ApplPhys., Vol. 36, 899-903 (1980).
16 Blinov L.M., Chigrinov V.G. Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials.2012, Springer Science & Business Media, 464 p.
17 Beresnev L.A., Chigrinov V.G., Dergachev D.I.; Pozhidaev E.P., Funfshilling J., Schadt M. Deformed helix ferroelectric liquid crystal display -a new electrooptic mode in ferroelectric smectic C* liquid crystals. Liq. Cryst., Vol. 5, 1171-1177 (1989).
18. Abdulhalim I., Moddel G. Electrically and optically controlled light modulation and color switching using helix distortion of ferroelectric liquid crystals. Mol. Cryst. Liq. Cryst., Vol. 200, 79-101 (1991).
19. Panarin Yu. P., Pozhidaev E.P., Chigrinov V.G. Dynamics of controlled birefringence in an electric field deformed helical structure of ferroelectric liquid crystals. Ferroelectrics, Vol. 114, 181-186 (1991).
20. Pozhidaev, E.; Torgova, S.; Minchenko, M.; Yednak, C.A.R.; Strigazzi, A.; Miraldi, E. Phase modulation and ellipticity of the light transmitted through a smectic C* layer with short helix pitch. Liq. Cryst.YoL 37, 1067 (2010).
21. Kiselev A.D.; Pozhidaev E.P.; Chigrinov V.G.; Kwok H.S. Polarization-gratings approach to deformed-helix ferroelectric liquid crystals with subwavelength pitch. Phys. Rev. E, Vol. 83, 031703 (2011).
22. Kotova S.P., Samagin S.A., Pozhidaev E.P., Kiselev A.D. Light modulation in planar aligned short-pitch deformed-helix ferroelectric liquid crystals. Phys. Rev. E, Vol. 92, 062502 (2015).
23. Kesaev V.V., Kiselev A.D., Pozhidaev E.P. Modulation of unpolarized light in planar-aligned subwavelength-pitch deformed-helix ferroelectric liquid crystals. Phys. Rev. E, Vol. 95, 032705 (2017).
24. Pozhidaev E.P., Vashchenko V.V, Mikhailenko V.V, Krivoshey A.I., Barbashov V.A., Shi L., Srivastava A.K., Chigrinov V.G., Kwok H.S. Ultrashort helix pitch antiferroelectric liquid crystals based on chiral esters of terphenyldicarboxylic acid. J. Mater. Chem. C, Vol. 4, 10339-10346 (2016).
25. Mikhailenko V, Krivoshey A., Pozhidaev E., Popova E., Fedoryako A., Gamzaeva S., Barbashov V., Srivastava A.K., Kwok, H.S., Vashchenko, V. The nano-scale pitch ferroelectric liquid crystal materials for modern display and photonic application employing highly effective chiral components: trifluoromethylalkyl diesters of p-terphenyldicarboxylic acid. Journal of Molecular Liquids, Vol. 281, 186-195 (2019).
26. Hubert P., Jagemalm P., Oldano C, Rajteri M. Optic models for short-pitch cholesteric and chiral smectic liquid crystals. Phys. Rev. E, Vol. 58, 3264 (1998).
27. Pozhidaev E.R, Schrivastava A.K., Kiselev A.D., Chigrinov V.G., Vashchenko V.V., Krivoshey A.I., Minchenko M.V, Kwok H.S. Enhanced orientational Kerr effect in vertically aligned deformed helix ferroelectric liquid crystal. Optics Letters, Vol. 39, 2900 (2014).