ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С НИЗКИМ УПРАВЛЯЮЩИМ НАПРЯЖЕНИЕМ И ВЫСОКИМ КОНТРАСТОМ
ELECTROOPTIC LIQUID CRYSTAL ELEMENT WITH LOW CONTROL VOLTAGE AND HIGH CONTRAST

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам и элементам, основанным на жидких кристаллах (ЖК) и предназначенным для управления интенсивностью проходящего света с использованием электрического поля.
⊥
⊥
p
||
⊥
||
⊥
⊥
p
th
sat
th
sat
0
0
max
min
max
min
Известны электрооптические элементы на основе светорассеяния [Drzaic P.S. Liquid crystal dispersions. - Singapore: World Scientific, 1995. - 448 p.], состоящие из двух подложек с электродами, между которыми располагается полимерная пленка с капсулированными в ней каплями нематического жидкого кристалла, имеющими биполярную ориентационную структуру вследствие тангенциального (планарного) сцепления палочкообразных молекул ЖК с поверхностью полимера. Полимер и ЖК подбираются таким образом, чтобы перпендикулярная компонента показателя преломления ЖК n была близка к показателю преломления np полимера (n=n), а величина двулучепреломления ЖК (Δn=n - n) была максимальной. Здесь значками || и 1 отмечается поляризация света параллельно и перпендикулярно директору ЖК (преимущественному направлению ориентации палочкообразных молекул ЖК), соответственно. В исходном состоянии биполярные оси в каплях ЖК ориентированы произвольно в плоскости композитной пленки. Управление интенсивностью света, прошедшего через композитную пленку, осуществляется путем приложения электрического поля перпендикулярно подложкам, которое вызывает переориентацию директора в каплях ЖК вдоль поля, если диэлектрическая анизотропия ЖК положительна. В отсутствие электрического поля пленка сильно рассеивает ортогонально падающий на элемент свет вследствие большого градиента показателя преломления (n - n) на межфазной границе между полимерной матрицей и жидким кристаллом. Под действием электрического поля композитная пленка переходит в практически прозрачное состояние (состояние с малым светорассеянием), поскольку градиент показателя преломления на границе полимер-ЖК становится минимальным, так как n=n. Основными характеристиками таких электрооптических элементов являются пороговое напряжение V, напряжение насыщения V и коэффициент контрастности CR. Пороговым напряжением V и напряжением насыщения V обычно считают значения прикладываемого напряжения, необходимые для достижения 10% и 90% от разности между максимальной и минимальной величиной светопропускания, соответственно. Величина светопропускания T, в свою очередь, определяются отношением интенсивности I света, прошедшего через ячейку, к интенсивности I падающего света: T=(I/I)⋅100%. Коэффициентом контрастности CR является отношение максимального светопропускания ячейки T к минимальному светопропусканию T:CR=T/T.
max
sat
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является элемент с электрически управляемым светопропусканием [Liu F., Сао Н., Мао Q., Song Р., Yang Н. Effects of monomer structure on the morphology of polymer networks and the electro-optical properties of polymer-dispersed liquid crystal films // Liq. Cryst. - 2012. - Vol. 39, No. 12. P. 419-424], содержащий две стеклянные подложки с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен капсулированный полимером жидкий кристалл (polymer dispersed liquid crystal). Капсулированный полимером жидкий кристалл представляет собой полимерную пленку толщиной 20 мкм с капсулированными в ней каплями нематического жидкого кристалла с биполярной ориентационной структурой. Композитная пленка в исходном состоянии интенсивно рассеивает падающий на нее свет и светопропускание составляет 0.44%. При подаче переменного напряжения пленка переходит в прозрачное состояние с максимальным светопропусканием T=80%. При этом величина порогового напряжения составляет 9.0 В, напряжение насыщения V=28.6 В, а коэффициент контрастности CR=180.
Недостатками известного устройства являются малое значение коэффициента контрастности и достаточно большие значения порогового напряжения и напряжения насыщения.
Техническим результатом изобретения является создание элемента с электрически управляемым светопропусканием на основе пленки капсулированного полимером жидкого кристалла с коническим поверхностным (межфазным) сцеплением, обладающего высоким значением коэффициента контрастности и низкими значениями порогового напряжения и напряжения насыщения.
⊥
p
Указанный технический результат достигается тем, что в электрооптической композитной ячейке, состоящей из двух параллельно расположенных пластин с прозрачными электродами на внутренних сторонах, задающими направление электрического поля перпендикулярно пластинам, и расположенной между электродами полимерной пленкой с капсулированными в ней каплями нематического ЖК, причем компоненты для композиции «полимер - нематический жидкий кристалл» подобраны так, что n=n, новым является то, что используемые компоненты обеспечивают коническое поверхностное сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали для нематического жидкого кристалла на межфазной границе полимер-ЖК, в результате чего в каплях формируется аксиал-биполярная ориентационная структура.
Отличия заявляемого электрооптического элемента от прототипа заключаются в том, что для композиции «полимер - жидкий кристалл» компоненты подобраны таким образом, что обеспечивается коническое поверхностное сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали для нематического жидкого кристалла на межфазной границе полимер-ЖК, в результате чего в каплях формируется аксиал-биполярная ориентационная структура.
Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически изображено поперечное сечение заявляемого электрооптического элемента (фиг. 1).
⊥
⊥
p
Заявляемая электрооптическая ячейка содержит две параллельно расположенные пластины 1 с прозрачными электродами 2 на внутренних сторонах, между которыми расположена полимерная пленка 3 с капсулированными в ней каплями нематического жидкого кристалла 4, в которых формируется аксиал-биполярная ориентационная структура. В качестве пластин 1 могут быть использованы стеклянные подложки или гибкие полимерные пленки, изготовленные, например, из полиэтилентерефталата. Толщина полимерной пленки, содержащей капли жидкого кристалла, задается спейсерами 5. В качестве полимера использован полиизобутил метакрилат (ПиБМА) (www.sigmaaldrich.com). В качестве жидкого кристалла использована нематическая смесь ЛН-396 [Krakhalev M.N., Prishchepa О.О., Sutormin V.S., Zyryanov V.Ya. Director configurations in nematic droplets with tilted surface anchoring // Liq. Cry St. - 2017. - Vol. 47, No. 2. P. 355-363], для которой на границе с ПиБМА реализуется коническое сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали на межфазной границе полимер-ЖК. При этом перпендикулярная компонента показателя преломления нематической смеси ЛН-396 n примерно равна показателю преломления np полимерной матрицы (n=n).
⊥
p
Заявляемый электрооптический элемент функционирует следующим образом. В отсутствие внешнего электрического поля (фиг. 1а) композитная пленка рассеивает ортогонально падающий на нее свет вследствие произвольной ориентации биполярных осей 6 в каплях жидкого кристалла 4 с аксиал-биполярной ориентационной структурой. При подаче на электроды 2 электрического сигнала биполярные оси 6 капель нематического жидкого кристалла 4 ориентируются вдоль электрического поля Е, направленного перпендикулярно подложкам (фиг. 1б). Вследствие этого, для нормально падающего света показатель преломления ЖК становится близким к n, который, в свою очередь, примерно равен показателю преломления полимерной матрицы n, и свет проходит через композитную пленку практически не рассеиваясь. Примеры:
В качестве 1-го примера был изготовлен электрооптический элемент с применением следующих операций:
1. Смесь полимера ПиБМА и нематической смеси ЛН-396 в весовых соотношениях 40:60, соответственно, растворялась в этилацетате, количество которого по отношению к суммарной массе полимера и ЖК было равно 10:1. Полученный раствор наносился на поверхность стеклянной подложки, покрытой прозрачным ITO электродом, и затем высушивался до полного удаления этилацетата.
2. На части подложки непокрытой композитной пленкой располагались тефлоновые спейсеры толщиной 20 мкм.
3. Композитная пленка и тефлоновые спейсеры накрывались стеклянной пластиной с прозрачным ITO электродом, и полученная ячейка помещалась под пресс, нагревалась до 70°С и выдерживалась при этой температуре в течение 30 минут.
4. После нагревания вышеописанная ячейка извлекалась из пресса и охлаждалась до комнатной температуры в течение 1 минуты. В результате формировался электрооптический элемент, изображенный на фиг. 1.
min
max
th
sat
В отсутствии электрического поля электрооптический элемент интенсивно рассеивает падающий на него свет и светопропускание составляет T=0.11%. При подаче переменного напряжения частотой 1 кГц электрооптический элемент переходит в прозрачное состояние с максимальным светопропусканием T=89.3%. При этом величина порогового напряжения V составляет 5.6 В, напряжение насыщения V=9.8 В, а коэффициент контрастности CR=812.
В качестве 2-го примера был изготовлен электрооптический элемент с применением следующих операций:
1. Смесь полимера ПиБМА и нематической смеси ЛН-396 в весовых соотношениях 45:55, соответственно, растворялась в этилацетате, количество которого по отношению к суммарной массе полимера и ЖК было равно 10:1. Полученный раствор наносился на поверхность стеклянной подложки, покрытой прозрачным ITO электродом, и затем высушивался до полного удаления этилацетата.
2. На части подложки непокрытой композитной пленкой располагались тефлоновые спейсеры толщиной 30 мкм.
3. Композитная пленка и тефлоновые спейсеры накрывались стеклянной пластиной с прозрачным ITO электродом, и полученная ячейка помещалась под пресс, нагревалась до 70°С и выдерживалась при этой температуре в течение 30 минут.
4. После нагревания вышеописанная ячейка извлекалась из пресса и охлаждалась до комнатной температуры в течение 1 минуты. В результате формировался электрооптический элемент, изображенный на фиг. 1.
min
max
th
sat
В отсутствии электрического поля электрооптический элемент интенсивно рассеивает падающий на него свет и светопропускание составляет T=0.32%. При подаче переменного напряжения частотой 1 кГц электрооптический элемент переходит в прозрачное состояние с максимальным светопропусканием T=81.0%. При этом величина порогового напряжения V составляет 8.6 В, напряжение насыщения V=12.4 В, а коэффициент контрастности CR=253.
В качестве 3-го примера был изготовлен электрооптический элемент с применением следующих операций:
1. Смесь полимера ПиБМА и нематической смеси ЛН-396 в весовых соотношениях 40: 60 соответственно растворялась в этилацетате, количество которого по отношению к суммарной массе полимера и ЖК было равно 10:1. Полученный раствор наносился на поверхность стеклянной подложки, покрытой прозрачным ITO электродом, и затем высушивался до полного удаления этилацетата.
2. На части подложки непокрытой композитной пленкой располагались тефлоновые спейсеры толщиной 30 мкм.
3. Композитная пленка и тефлоновые спейсеры накрывались стеклянной пластиной с прозрачным ITO электродом, и полученная ячейка помещалась под пресс, нагревалась до 70°С и выдерживалась при этой температуре в течение 30 минут.
4. После нагревания вышеописанная ячейка извлекалась из пресса и охлаждалась до комнатной температуры в течение 1 минуты. В результате формировался электрооптическая ячейка, изображенная на фиг. 1.
min
max
th
sat
В отсутствии электрического поля электрооптический элемент интенсивно рассеивает падающий на нее свет и светопропускание составляет T=0.02%. При подаче переменного напряжения частотой 1 кГц электрооптический элемент переходит в прозрачное состояние с максимальным светопропусканием T=84.7%. При этом величина порогового напряжения V составляет 8.0 В, напряжение насыщения V=12.0 В, а коэффициент контрастности CR=4235.
th
sat
th
sat
Исследования полученных экспериментальных образцов показали, что заявляемый электрооптический элемент по совокупности физико-технических характеристик не уступает прототипу. В тоже время были получены более высокие значения коэффициента контрастности CR, и более низкие значения порогового напряжения и напряжения насыщения. Так, для устройства, описанного в Примере 3, где толщина композитной пленки составляла 30 мкм, было достигнуто увеличение CR примерно в 23.5 раза, а значения V, и V были уменьшены в 1.1 и 2.4 раза, соответственно, в сравнении с прототипом. Даже для устройства, описанного в Примере 1, где толщина композитной пленки, как и в прототипе, составляла 20 мкм, было достигнуто увеличение CR примерно в 4.5 раза, а значения V и V были уменьшены в 1.6 и 2.9 раза, соответственно, в сравнении с прототипом.
Предлагаемый электрооптический элемент может использоваться в приборах и устройствах, где необходимо иметь компактный, дешевый, простой в изготовлении и надежный в эксплуатации высококонтрастный элемент с низковольтным управлением интенсивностью прошедшего света.