СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ДИСПЛЕЙНАЯ ЯЧЕЙКА
FERROELECTRIC LCD CELL

Область техники
Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации, отображения, хранения и обработки информации, обладающих высокой информационной емкостью, в частности в двухмерных и трехмерных дисплеях, в том числе компьютерных и телевизионных, в модуляторах света, в том числе в пространственных, в устройствах обработки и распознавания изображений, хранения и преобразования данных и т.п.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время жидкокристаллические (ЖК) дисплеи и пространственные модуляторы света (ПМС) являются самым массовым типом таких приборов: только ЖК дисплеев ежегодно в мире производится около одного миллиарда экземпляров. Главным образом, в них используются 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, 2].
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
0
где I и I - интенсивность света, соответственно падающая на поляризатор и прошедшая за анализатор, а Г=2π·Δn·d/λ - фазовая задержка между обыкновенным и необыкновенным лучами, определяемая величиной изменения двулучепреломления Δn, толщиной слоя НЖК d и длиной модулируемой волны λ. Такая характеристика обеспечивает хорошую передачу полутонов (шкалы серого), а вместе с ней и цветов.
Времена переориентации молекул НЖК в дисплейной ячейке и тем самым включения и выключения того или иного электрооптического эффекта, используемого для модуляции света, описываются соотношениями:
1
||
⊥
где γ - вращательная вязкость; К - модуль упругости; Δε - анизотропия диэлектрической проницаемости, равная разности диэлектрических проницаемостей, измеренных вдоль длинной (ε) и короткой (ε) осей молекул соответственно; d - толщина слоя ЖК; 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/K и может варьироваться от сотен до единиц миллисекунд. Реально именно это время и ограничивает быстродействие НЖК-дисплейных ячеек.
Известна сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка [2] - светомодулирующая электрооптическая дисплейная ячейка, заполненная жидким кристаллом смектического типа, а именно С* - смектическим ЖК (СЖК), обладающим сегнетоэлектрическими свойствами, и в ней наблюдаются несколько электрооптических эффектов, которые могут быть использованы для модуляции света [3, 4].
0
0
Физическая модель электрооптической ячейки с СЖК (СЖК-ячейки) показана на Фиг.1: а) для СЖК с шагом спирали, много меньшим толщины слоя, и б) для СЖК с шагом спирали, много большим толщины слоя. Здесь 1 - прозрачные диэлектрические пластины (подложки); 2 - прозрачные токопроводящие покрытия, покрытые ориентантом; 3 - плоскости смектических слоев жидкого кристалла, перпендикулярные поверхности пластин 1; 4 - источник электрического напряжения; - вектор электрического поля, расположенный в плоскости смектического слоя;  - вектор, показывающий направление ориентации длинных осей молекул в смектических слоях (директор СЖК);  - вектор спонтанной поляризации; р - шаг геликоида; L - нормаль к смектическим слоям; X - координатная ось, перпендикулярная пластинам 1; Y - координатная ось, параллельная пластинам 1; Z - координатная ось, совпадающая по направлению с вектором ; Θ - угол наклона длинных осей молекул по отношению к вектору  (угол между векторами  и  - полярный угол); φ - угол в плоскости XY между нормалью к пластинам и вектором  (азимутальный угол); П и А - направления осей пропускания поляризатора и анализатора; I - интенсивность падающего на ячейку света; I - интенсивность промодулированного ячейкой света; β - угол между поляризатором и осью геликоида (а), между R и А (b).
s
0
0
В слое СЖК направление директора - преимущественной ориентации длинных осей молекул - определяется полярным углом Θ, на который они наклонены относительно нормали к смектическим слоям, и азимутальным углом φ в плоскости смектического слоя. Благодаря особой стехиометрии молекул каждый слой в отсутствие внешних воздействий обладает спонтанной поляризацией, вследствие чего СЖК имеют высокую чувствительность к действию электрического поля. Вектор поляризации P лежит в плоскости смектического слоя и направлен вдоль полярной оси, а полярные оси различных смектических слоев, отделенных друг от друга на p, повернуты друг относительно друга так, что образуется равновесная спирально закрученная структура - геликоид. Макроскопическая поляризация ячейки, однако, отсутствует, т.к. угол φ в смектических слоях изменяется от 0 до π на расстоянии, равном шагу спирали р.
В электрическом поле Е, направленном вдоль плоскостей смектических слоев, вектор спонтанной поляризации стремится расположиться вдоль силовых линий поля. Благодаря этому молекулы разворачиваются по образующей конуса таким образом, что полярный угол θ остается неизменным, а азимутальный угол φ изменяется от 0 до π (Фиг.1). При смене знака электрического поля процесс происходит в обратном направлении.
Известен эффект управляемого двулучепреломления, используемый для модуляции света в жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейке и называемый DHF-эффектом (от Deformed Helix Ferroelectric). Он связан с деформацией геликоида и был впервые обнаружен в СССР [2-4]. Эффект реализуется в смектическом слое, ориентированном перпендикулярно твердым подложкам (вдоль направления распространения света - Фиг.1а), при выполнении условия:
т.е. шаг геликоида (обычно 0,2÷0,5 мкм) должен быть много меньше толщины слоя СЖК, или правильнее,
φ
0
0
Q
где К - модуль упругости, определяющий деформацию 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. Кроме того, для наблюдения эффекта важно, чтобы шаг спирали был много меньше и апертуры светового пучка (выполняется практически всегда).
Это означает, что модуляция наблюдается при усреднении (по сечению пучка) распределения фазовых задержек, имеющего место в пространственно-модулированном двулучепреломляющем слое СЖК (в НЖК такое же усреднение проводилось по толщине слоя).
Изменение двулучепреломления в электрическом поле здесь происходит вследствие возмущений равновесной спирали геликоида. Эффект не имеет порога и наблюдается в малых полях, которые меньше критического поля раскрутки спирали геликоида. В скрещенных поляроидах реализуется модуляция интенсивности света с линейной шкалой серого. Времена включения и выключения электрооптического отклика такого DHF-модулятора равны между собой и зависят не от электрического поля, а только от материальных параметров жидкого кристалла. В тонких слоях некоторых СЖК эти времена составляют 100÷500 микросекунд при напряжении до ±1,5 вольт, а в непрерывном режиме модуляции при частоте повторения управляющих импульсов порядка 130 кГц и амплитуде ±40 В могут достигать значения порядка микросекунды [3, 4].
Известен также эффект управляемого двулучепреломления, называемый эффектом Кларка-Лагервола [2-5] и широко используемый для модуляции света в жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейке. Необходимым условием его наблюдения является выполнение соотношения:
т.е. шаг геликоида должен быть много больше толщины слоя СЖК (обычно она 1÷2 мкм), или правильнее,
0
Здесь, в отличие от соотношения 4б, q - волновой вектор деформации.
Кроме того, смектические слои должны быть сориентированы перпендикулярно твердым подложкам.
Принцип работы СЖК-модулятора света на основе эффекта Кларка-Лагервола поясняется Фиг.1б. Модулятор управляется знакопеременными электрическими импульсами от источника электрического напряжения 4. Слой СЖК располагается между подложками 1 с нанесенными на них токопроводящими покрытиями 2. При приложении к СЖК-ячейке электрического поля вектор поляризации каждого смектического слоя устанавливается вдоль силовых линий поля, а длинные оси молекул располагаются в плоскости слоя СЖК под углом Θ к оси геликоида. При смене знака поля вектор поляризации разворачивается в обратном направлении, а длинные оси молекул как образующие конуса переходят в положение - Θ в той же плоскости, т.е. смещаются на 2Θ по отношению к предыдущему положению. Переориентация длинных осей молекул сопровождается изменением двулучепреломления слоя СЖК, а следовательно, фазовой модуляцией проходящего света, которая преобразуется в амплитудную с помощью поляризаторов.
0
Фиг.1б также иллюстрирует, как на практике осуществляется амплитудная модуляция света в СЖК-ячейке. Пусть на нее падает естественный неполяризованный свет, интенсивность которого I. Проходя через внешний поляризатор, свет становится линейно поляризованным в направлении оси пропускания поляризатора П. Направление директора N в ячейке зависит от знака напряжения источника 4, то есть от направления поля Е. Угол между векторами N(+E) и N(-E) составляет 2Θ. Если СЖК находится в поле +Е, а поляроид ориентирован так, что его ось параллельна вектору N(+E), то свет распространяется вдоль главной оптической оси СЖК и поэтому не испытывает двулучепреломления, и при β=π/2 ячейка не пропускает свет. Если направление поля изменится на -Е, свет будет распространяться под углом 2Θ к главной оптической оси СЖК и поэтому будет испытывать двулучепреломление, вследствие чего поляризация света из линейной преобразуется в эллиптическую. В этом случае при β=π/2 ячейка пропускает свет.
Принципиальная конструкция дисплейной ячейки «пропускающего» (а) и «отражательного» (б) типа на основе СЖК показана на Фиг.2. Здесь 1 - параллельно расположенные прозрачные диэлектрические пластины (подложки); 2 - прозрачные токопроводящие покрытия, нанесенные на обращенные к СЖК стороны подложек (обычно с антиотражающими подслоями); 4 - источник знакопеременного электрического напряжения; 5 - прозрачные анизотропные диэлектрические покрытия (слои ориентанта) на одном или обоих токопроводящих покрытиях; 6 - прозрачные диэлектрические покрытия на одном или обоих слоях ориента; 7 - жидкокристаллическое вещество (СЖК); 8 - отражающее токопроводящее покрытие.
Слой СЖК может изменять свою оптическую анизотропию в зависимости от амплитуды и/или длительности импульсов знакопеременного электрического напряжения, подаваемого на токопроводящие покрытия, например из оксидов индия и олова. Начальная ориентация длинных осей молекул жидкокристаллического вещества в отсутствие внешнего электрического поля задается анизотропным покрытием, например пленкой полиимида. Диэлектрическое покрытие, например из окисла алюминия, служит для защиты ячейки от электрического замыкания и пробоя. Изображение наблюдается или при прохождении света через слой жидкокристаллического вещества в одном направлении, если обе диэлектрические пластины - 1 и оба токопроводящие покрытия - 2 сделаны прозрачными, или при двойном прохождении света, если второе токопроводящее покрытие - 8 сделано не прозрачным, а отражающим.
Для получения электрооптической модуляции света на внешние стороны стеклянных пластин наклеиваются скрещенные поляроиды таким образом, чтобы ось поляризатора совпадала с направлением директора СЖК при φ=0 (равноценно при φ=π). Интенсивность прошедшего за анализатором света I определяется в [2] как:
0
где Δn - величина двулучепреломления слоя СЖК; d - его толщина; λ - длина волны света; (N(-E), L) - угол между векторами N и L. Максимально возможное светопропускание ячейки Т=I/I=1 достигается, если:
Как видно, в общем случае модуляционная характеристика подобна таковой для нематических ЖК (см. формулу (1)), в то время как временные характеристики модуляции света в СЖК существенно отличаются. Действительно, эффект Кларка-Лагервола является линейным, в отличие от квадратичного эффекта в нематиках. Поскольку СЖК реагирует на знак приложенного напряжения, время включения и время выключения электрооптического отклика здесь одинаковы и определяются выражением [2]:
φ
где γ - вращательная вязкость, соответствующая описанному выше типу движения директора СЖК по образующей конуса.
Современные СЖК при знакопеременном электрическом поле в несколько В/мкм позволяют получить время включения-выключения электрооптического отклика τ в несколько микросекунд-десятков микросекунд, что на два-три порядка быстрее, чем в НЖК. Соответственно, дисплейная ячейка или оптический модулятор на основе СЖК обеспечивают частоту амплитудно-фазовой модуляции света в несколько сотен герц и даже килогерц.
При ограниченной величине прикладываемого к ячейке электрического напряжения, обусловленной применением управляющих интегральных схем, для достижения высокой скорости модуляции света приходится увеличивать напряженность электрического поля, т.е. уменьшать толщину слоя СЖК. Однако в тонких, порядка одного-полутора микрон, слоях СЖК электрооптическое переключение приобретает бистабильный характер вследствие сильного взаимодействия слоя с ограничивающими его поверхностями. Поэтому бистабильные СЖК-ячейки такого типа еще называются поверхностно-стабилизированными структурами. Для получения устойчивой бистабильности необходимо подавить различные деформации смектических слоев, например деформации типа шевронов, что достигается за счет межмолекулярных взаимодействий в объеме СЖК [2, 4, 6, 7].
Известно, что благодаря специальной стехиометрии СЖК устойчивая бистабильность может существовать и в толстых, более 2,5 мкм, слоях СЖК (так называемая «объемная» бистабильность [8]), однако достижимая частота модуляции света в этом случае существенно меньше, чем при модуляции на основе эффекта Кларка-Лагервола.
Модуляционная характеристика бистабильной дисплейной ячейки Кларка-Лагервола имеет только два уровня: с минимальной (нулевой) и максимальной (единичной) интенсивностью света, прошедшего за анализатор. На Фиг.3 изображены эпюры напряжения (внизу) и характер электрооптического отклика жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейки (вверху) в бистабильном режиме (жирная линия) и мультистабильном режиме (тонкие линии). На вставке справа - фотография наблюдаемой за анализатором структуры светлых и темных полос для некоторой точки гистерезисной модуляционной характеристики при мультистабильном режиме.
Учитывая жесткий порог и хорошую мультиплексность, свойство памяти включенного или выключенного состояния (по физике они равноценны) и высокую скорость включения-выключения электрооптического отклика при использовании эффекта Кларка-Лагервола, бистабильные дисплейные ячейки хорошо зарекомендовали себя при создании компанией Displaytech быстродействующих активно-матричных пространственных модуляторов света, использованных, например, для записи голограмм в устройствах памяти и для формирования бинарных фильтров в схемах обработки информации [6].
Отсутствие физической передачи полутонов (шкалы серого) в бистабильных СЖК-ячейках, а вместе с ней и цветов, существенно ограничивает возможности их применения в устройствах и системах оптоэлектроники. Чтобы преодолеть это ограничение, в компании Displaytech было предложено решение на основе использования высокочастотной электроники, а именно - формировать шкалу серого путем модуляции света с разной частотой [6, 7]. Широкополосный режим адресации был обеспечен благодаря размещению ПМС на кремниевой управляющей матрице. Благодаря такому подходу компанией Displaytech создан целый спектр компактных «цифровых» микродисплеев [7] с большим числом элементов (более миллиона) и малой апертурой (менее дюйма), конкурирующих с микродисплеями на основе НЖК и даже превосходящих их по скорости регенерации изображений (до 250 кадров/с), позволяющей обеспечить последовательную (поочередную) смену цветов вместо параллельной (пространственной).
0
Физическую шкалу серого со ступенчатой, близкой к непрерывной модуляционной характеристикой в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке оказалось возможным получить [9] на основе эффекта мультистабильности состояний пропускания света в слоях негеликоидального СЖК (d<<<p→∞), т.е. СЖК с компенсированным геликоидом, который получают при использовании компонентов, имеющих знак оптической активности, противоположный знаку базового компонента с геликоидальной закруткой директора, но тот же знак спонтанной поляризации [2].
2
В слое такого СЖК при значении спонтанной поляризации более 50 нКл/см и определенном значении приложенного электрического поля возникает пространственно-периодическая модуляция ориентации вектора поляризации с периодом в несколько микрометров, приводящая к наблюдению за анализатором (Фиг.3) светлых и темных полос, параллельных плоскостям смектических слоев. Светлые полосы показывают пространственные области, в которых происходит полная переориентация (переключение) директора СЖК, а черные полосы - области, где переключение директора не начиналось (или наоборот), причем между этими областями существуют четко выраженные границы (см. фото на вставке Фиг.3).
s
2
2
Причиной появления структуры полос с разным пропусканием света является спонтанная поляризация, вследствие чего эта структура названа сегнетоэлектрическими доменами [10]. Эффект мультистабильности состояний пропускания является следствием проявления сразу двух обстоятельств: бистабильного переключения директора СЖК в каждом смектическом слое и наличия пространственной модуляции угла φ(z), возникающей в результате существования сегнетоэлектрических доменов. Частота полос тем больше, чем больше значение спонтанной поляризации: например, при P=60 нКл/см их период равен около 30 мкм, а при 130 нКл/см - всего около 3 мкм. Изменяя величину электрического напряжения или длительность управляющего импульса, можно практически непрерывно управлять соотношением между шириной светлых и темных полос, т.е. интегральным по площади ячейки уровнем серого. При этом, как и в случае бистабильности, каждое состояние пропускания в мультистабильном режиме запоминается, т.е. сохраняется до прихода импульса обратной полярности. В слое мультистабильного СЖК толщиной 1,6 мкм переключение любого состояния пропускания на ступенчатой шкале серого осуществлялось за время порядка 70 и 90 микросекунд при управляющем напряжении ±15 и ±25 В соответственно [9].
Наиболее близкой к заявляемому изобретению (прототипом) является мультистабильная сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка [11]. Данное изобретение решает задачу создания ячейки с практически непрерывной модуляционной характеристикой на основе реализации физической шкалы серого при использовании эффекта мультистабильности в СЖК с высоким значением спонтанной поляризации. Такая ячейка содержит две прозрачные пластины с прозрачными токопроводящими покрытиями, расположенными друг от друга на расстоянии более 10 мкм и подключенными к источнику знакопеременного электрического напряжения. В пространстве между пластинами находится СЖК, изменяющий свою оптическую анизотропию при приложении напряжения, благодаря чему ячейка изменяет состояние своего светопропускания и модулирует проходящий через нее свет. После выключения напряжения ячейка в зависимости от молекулярного строения СЖК сохраняет либо состояния максимального или минимального светопропускания (бистабильность), либо сохраняет любое промежуточное состояние светопропускания (мультистабильность).
Эффект мультистабильности состояний оптического пропускания является следствием устойчивой бистабильности электрооптических ячеек, в которых существуют пространственно неоднородные структуры сегнетоэлектрических доменов. Поэтому мультистабильность в общем случае может существовать только при наличии гистерезиса. Однако наличие гистерезиса является препятствием для простой и однозначной установки заданного уровня пропускания дисплейной ячейки.
Таким образом, мультистабильная сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка, описанная в патенте РФ №2092883 [11], обеспечивает достаточно высокую (до 1 кГц) частоту амплитудно-фазовой модуляции света и практически непрерывную модуляционную характеристику. Однако она:
- требует для управления большую амплитуду знакопеременных импульсов (десятки вольт), что не позволяет использовать для этих целей кремниевые интегральные схемы,
- имеет большое энергопотребление по причине высокого прилагаемого напряжения,
- имеет ограничение по разрешающей способности вследствие большой толщины слоя СЖК (более 10 мкм),
- не способна передать большое число полутонов вследствие своей мелкоступенчатой (не чисто непрерывной) модуляционной характеристики и необходимости усреднения большого числа черно-белых полос, что невозможно обеспечить на малой площадке ячейки современного микродисплея размером менее 10-20 микрометров,
- имеет в общем случае гистерезисную модуляционную характеристику, которая существенно затрудняет однозначную адресацию элементов дисплея.
Задачей, решаемой в предлагаемой сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке, является получение в ячейке непрерывной безгистерезисной модуляционной характеристики, позволяющей осуществлять модуляцию света с частотой в несколько килогерц при адресации ячейки знакопеременными импульсами амплитудой менее ±3 В (приемлема для управляющих кремниевых интегральных схем), при малом энергопотреблении вследствие малой величины прилагаемого напряжения, с высокой (с учетом размера ячейки и числа градаций серого) разрешающей способностью. Тем самым задача сводится к созданию жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейки, свободной от недостатков, указанных для мультистабильной сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки, изготовляемой по патенту РФ №2092883.
Сущность изобретения
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известной сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке (Фиг.2), содержащей две параллельно расположенные диэлектрические пластины, по крайней мере, одна из которых выполнена прозрачной, на внутренние стороны которых нанесены токопроводящие покрытия, по крайней мере, одно из которых выполнено прозрачным, прозрачное анизотропное покрытие, задающее начальную ориентацию молекул жидкого кристалла в отсутствие внешнего электрического поля, нанесенное по крайней мере на одно токопроводящее покрытие, диэлектрическое покрытие, которое наносится поверх одного или обоих анизотропных покрытий и служит для защиты ячейки от электрического замыкания и пробоя, сегнетоэлектрический жидкий кристалл, заполняющий пространство между диэлектрическими покрытиями, изменяющий свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, и источник знакопеременного электрического напряжения, новым является то, что шаг геликоида и толщина слоя СЖК и граничные условия для него выбраны из условия
,
0
где q - волновой вектор деформации.
Выполнение соотношения (9) обеспечивает в отсутствие электрического поля деформацию слоя СЖК в виде частичной раскрутки геликоида и инициирование возникновения доменов. При этом толщина слоя СЖК выбрана в интервале 0,9÷1,4 мкм, чтобы удовлетворить условию ахроматического пропускания света ячейкой в диапазоне длин волн света, модулируемого или в пропускающей, или в отражающей свет ячейке. Кроме того, диэлектрическое покрытие может граничить со слоем СЖК только с одной стороны.
Таким образом, сущность предлагаемого способа заключается в создании в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке условий, которые в отсутствие электрического поля обеспечивают деформацию слоя СЖК в виде частичной раскрутки геликоида и инициирование возникновения доменов, за счет движения границ которых будет осуществляться переориентация директора СЖК в электрическом поле.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки, в которой шаг геликоида и толщина слоя СЖК, а также граничные условия для него, определяемые через коэффициент сцепления с граничащей поверхностью, обеспечивают непрерывную безгистерезисную модуляционную характеристику при адресации ячейки знакопеременными импульсами амплитудой менее ±3 В, частоту модуляции света в несколько килогерц, меньшее энергопотребление и лучшую разрешающую способность в сравнении с прототипом [11].
В первом варианте технического решения рассматривается жидкокристаллическая ячейка, осуществляющая модуляцию света при его однократном, в одном направлении, прохождении через ячейку (Фиг.2а). Во втором варианте технические задачи решаются тем же принципиальным путем, а отличие от первого варианта (ячейки, работающей на просвет) заключается лишь в выполнении одного из токопроводящих покрытий отражающим (Фиг.2б), что характерно для ячеек отражательного типа.
Преимущества предлагаемой сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки реализуются за счет выбора шага геликоида и толщины слоя СЖК и подходящих для него граничных условий.
Главными достоинствами заявляемой сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки по сравнению с прототипом в итоге являются: уменьшение управляющего знакопеременного электрического напряжения для адресации ячейки до ±3 В и менее, безгистерезисная модуляционная характеристика на частотах модуляции света в несколько килогерц, уменьшение энергопотребления, повышение пространственной разрешающей способности одновременно с увеличением возможного числа градаций серого (полутонов). При этом из уровня техники не очевидно, что в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке всех перечисленных достоинств можно добиться за счет выбора шага геликоида и толщины слоя СЖК и граничных условий для него.
Для улучшения характеристик модуляции света в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке можно в отдельности или в совокупности использовать изменение типа и состава жидкокристаллического вещества, изменение режима управления ячейкой, видоизменение конструкции ячейки и т.п. Например, в ней возможно использование полимерно-жидкокристаллических слоев; диэлектрические пластины (подложки) могут быть выполнены в виде тонких и гибких пленок; одна из диэлектрических пластин (подложек) может быть вообще исключена, а отражающее токопроводящее покрытие в этом случае может быть выполнено на кремниевой пластине, в которой формируется управляющая интегральная схема, и др.
Таким образом, использование заявляемой сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки обеспечивает в ней непрерывную безгистерезисную модуляционную характеристику при управлении знакопеременными импульсами напряжением менее ±3 В на частотах модуляции света в несколько килогерц, меньшее по сравнению с прототипом энергопотребление и лучшую разрешающую способность, причем эти результаты, как и отличительные признаки изобретения (шаг геликоида и толщина слоя СЖК и граничные условия для него), являются существенными.
Промышленная применимость
Предлагаемая сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка и оптический модулятор на ее основе являются низковольтным, быстродействующим, технологичным и эффективным устройством модуляции света. Это делает возможным их применение во многих современных и перспективных дисплеях, одноканальных и пространственных модуляторах света, а также в других информационных устройствах и системах хранения, преобразования, обработки, визуализации и отображения информации. Более того, применение предлагаемого изобретения будет способствовать достижению предельного для таких устройств и систем быстродействия.
Пример осуществления изобретения
Для осуществления предлагаемого изобретения было изготовлено несколько экспериментальных образцов сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки и оптических модуляторов на ее основе, и были измерены их характеристики.
Чтобы обеспечить в экспериментальных образцах в отсутствие электрического поля частичную раскрутку геликоидальной структуры СЖК и возникновение доменов, за счет движения границ которых осуществляется переориентация директора СЖК и изменение двулучепреломления в электрическом поле, использовались СЖК многих составов, в том числе следующего:
Химические структуры
Молярная концентрация (%)
<img file="00000020.tif" he="23" wi="75" img-content="undefined" img-format="tif" />
30,2
<img file="00000021.tif" he="23" wi="75" img-content="undefined" img-format="tif" />
29,6
<img file="00000022.tif" he="17" wi="97" img-content="undefined" img-format="tif" />
15,8
<img file="00000023.tif" he="23" wi="148" img-content="undefined" img-format="tif" />
24,4
Температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы у данного СЖК находился в интервале от +1°C до +64°C, спонтанная поляризация была равна 48 нКл/см, коэффициент вращательной вязкости - 0,75 пуаз, а шаг геликоида - 0,45 мкм.
Согласно [12] упругая энергия СЖК может быть найдена из следующего соотношения:
st
st
φ
0
2
3
где χ - статическое значение диэлектрической восприимчивости, θ - угол наклона молекул в смектических слоях. В рассматриваемом случае χ - 70, угол θ=23° (или 0,4025 рад) и значение Kq  составляет около 900 эрг/см.
В качестве прозрачного анизотропного ориентирующего покрытия использовалась изготовленная с помощью центрифуги пленка полиимида толщиной порядка 30 нм, которая натиралась. В качестве диэлектрического покрытия служила изготовленная с помощью напыления пленка двуокиси алюминия толщиной 80 нм.
Q
Q
2
2
Для планарной ориентации директора СЖК (Фиг.1а) квадратичный коэффициент энергии сцепления составлял W=0,05 эрг/см. Толщина слоя СЖК была 1,3 мкм в дисплейных ячейках с пропусканием света и 1,0 мкм в ячейках с отражением света, что для W/d давало значение от 770 до 1000 эрг/см и удовлетворяло соотношению (9) с точностью до порядка величины для указанных типов энергии.
0
0
Взаимодействие молекул с поверхностью приводило к частичной раскрутке геликоида. Шаг геликоида в электрооптической ячейке не изменялся, но азимутальный угол φ во всех смектических слоях становился близким к 0 или π. В результате СЖК разбивался на домены, период которых порядка р/2. Для СЖК с шагом геликоида р~0,45 мкм частичная раскрутка геликоидальной структуры происходила при толщине слоя СЖК d=1,0÷1,3 мкм.
0,1-0,9
0,1-0,9
0,1-0,9
Эксперименты показали, что в слабых полях (Е<1 В/мкм) при частоте изменения электрического поля свыше 300 Гц время электрооптического отклика τ линейно зависит от напряженности поля. Увеличение напряженности электрического поля приводит к резкому уменьшению времени τ, а увеличение частоты поля смещает минимум зависимости τ (E) в область более высоких значений поля.
2
При экранировании прозрачного токопроводящего покрытия на одной из подложек электрооптической ячейки слоем диэлектрика, практически в три раза (от 0,015 до 0,04 эрг/см) увеличивалась разность полярных коэффициентов энергии сцепления для обеих подложек, влияющая на скорость движения доменных границ, в результате чего время электрооптического отклика ячейки уменьшалось более чем в три раза уже при частоте изменения поля порядка 200 Гц.
Для ячейки с пропусканием света и толщиной слоя СЖК 1,3 мкм при напряженности электрического поля 1 В/мкм время электрооптического отклика составляло 50÷70 мкс. Для ячейки с отражением света (толщина слоя СЖК порядка 1 мкм), моделирующей условия работы в жидкокристаллических микродисплеях с управляющей кремниевой матрицей типа F-LCOS [6, 7], время электрооптического отклика составило 45 мкс при частоте управляющего напряжения 200 Гц и напряженности поля 1 В/мкм, а при частоте 2 кГц - 35 мкс.
Экспериментально наблюдаемое в скрещенных поляроидах пропускание света I сегнетоэлектрической дисплейной ячейкой с односторонним диэлектрическим покрытием в зависимости от управляющего напряжения U (меандр) на частоте 1 кГц (б) при повышении (*) и уменьшении (∘) величины напряжения показано на Фиг.4. Видно, что эта зависимость практически не обнаруживает гистерезиса и подобна таковой для ячеек на основе нематических ЖК. Однако экспериментально измеренные значения электрооптического отклика убеждают в том, что дисплейные ячейки на основе СЖК, выполненные согласно предлагаемому изобретению, позволяют получить непрерывную модуляционную характеристику на частотах в несколько килогерц с временем отклика в несколько десятков микросекунд при управляющем напряжении менее ±3 В.
Таким образом, рассмотренный выше пример осуществления изобретения подтверждает его дееспособность, а также существенные преимущества по сравнению с прототипом.
Литература
1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. Москва, издательство «Радио и связь», 380 с. (1987).
2. Chigrinov V.G. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London, 359 p. (1999).
3. Компанец И.Н. Модуляторы света и дисплеи на сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Наука - производству, №6 (31), 22-26 (2000).
4. Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev Е., Zerrouk A. Advances of FLC device technology. Proc. SPIE, v.4511, 82-91 (2001).
5. Clark N.A., Lagerwall S.T. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals. J.Appl. Phys, v.36, 899-903 (1980).
6. O'Callaghan M.J., Handschy M.A. Ferroelectric liquid crystal SLMs: from prototypes to products. Proc. SPIE, v.4457, 31-42 (2001).
7. www.micron.com/displaytech.
8. Pozhidaev E., Andreev A., Kompanets I. Surface and volume bistability in ferroelectric liquid crystals. Proc. SPIE, v.2731 («Spatial Light Modulators»), 100-106 (1996).
9. Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev E. Grey scale FLC for SLM and displays. Proc. SPIE, v.2771 ("Optical Information Processing"), 289-292 (1996).
10. Береснев Л.А. и др. Сегнетоэлектрические домены в жидком кристалле. Письма в ЖЭТФ, т.51, вып.9, 457-461 (1990).
11. Андреев А.Л., Компанец И.Н., Пожидаев Е.П. Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка. Патент РФ №2092883 (1997).
12. A.L.Andreev, E.P.Pozhidaev, I.N.Kompanets, T.B.Fedosenkova, V.Ya.Zyryanov, S.L.Sorgon, T.Weyrauch, W.Haase. Saturation voltage and elastic energy of polymer dispersed ferroelectric liquid crystal films. Ferroelectrics, v.243, 189-196 (2000).