МУЛЬТИСТАБИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
MULTISTABLE ELECTROOPTIC ELEMENT

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам и элементам, основанным на жидких кристаллах и предназначенным для управления интенсивностью света с использованием электрического поля.
Известен оптический затвор [В.Я.Зырянов, С.Л.Сморгон, В.А.Жуйков «Оптический затвор», ПТЭ, 1991, №1, с.240], содержащий две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером нематического жидкого кристалла (КПНЖК) с положительной диэлектрической анизотропией. Работа элемента основана на изменении показателя преломления света в каплях нематического жидкого кристалла (НЖК) при воздействии электрического поля, что дает возможность управлять рассеянием света в пленке на границах раздела «капля НЖК - полимерная матрица» и, следовательно, управлять интенсивностью проходящего света. Без воздействия поля КПНЖК пленка интенсивно рассеивает свет, а под действием поля она переходит в прозрачное состояние. После выключения поля пленка возвращается в исходное светорассеивающее состояние.
По механическим свойствам КПНЖК пленки близки к полимерным пленкам: они прочные, гибкие, простые в изготовлении, надежные в эксплуатации. Это позволяет применять КПНЖК пленки для производства гибких дисплеев, используя полимерные пленки в качестве прозрачных пластин-подложек.
Недостатком аналога является отсутствие возможности получить мультистабильные оптические состояния электрооптических устройств на основе КПНЖК пленок.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является бистабильный электрооптический элемент дисплея [US Patent №6061107, МПК G02F 1/1333, опубл. 09.05.2000 г. (прототип)], содержащий две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла (КПХЖК) с положительной диэлектрической анизотропией. Здесь капли холестерического жидкого кристалла (ХЖК), капсулированные в полимерной пленке, при выключенном поле могут иметь две стабильные ориентационные структуры: отражающую планарную и светорассеивающую фокально-коническую структуры. В планарной структуре ось холестерической спирали в каплях направлена перпендикулярно плоскости КПХЖК пленки, и такая пленка отражает падающий на нее свет с определенной длиной волны. В фокально-коническом состоянии в каплях ХЖК образуются домены, интенсивно рассеивающие свет. Переключение между селективно отражающим и светорассеивающим состояниями пленки обеспечивается электрическим полем.
Недостатком прототипа является невозможность получения стабильных оптических состояний элемента: прозрачного состояния, а также промежуточных состояний между прозрачным и светорассеивающим.
Техническим результатом изобретения является получение мультистабильных оптических состояний электрооптического элемента на основе капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла: прозрачного состояния, светорассеивающего состояния и промежуточных между ними, которые могут реализовываться при любых значениях диэлектрической анизотропии используемых ХЖК.
o
p
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в мультистабильном электрооптическом элементе, содержащем две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла, новым является то, что в качестве холестерического жидкого кристалла использована смесь ионного сурфактанта и холестерического жидкого кристалла с произвольным значением диэлектрической анизотропии, причем компоненты для композиции «полимер - ХЖК» выбраны таким образом, что n≅n, где
o
n - показатель преломления обыкновенной волны в раскрученном состоянии смеси ХЖК и ионного сурфактанта;
p
n - показатель преломления полимера.
o
p
o
p
Отличия заявляемого электрооптического элемента от прототипа заключаются в том, что в качестве жидкого кристалла используется смесь ионного сурфактанта и холестерического жидкого кристалла с любой величиной и знаком диэлектрической анизотропии, а капли ХЖК, капсулированные в полимерной пленке, могут иметь стабильные ориентационные структуры: закрученную радиальную, однородную и промежуточные между ними. Причем компоненты для композиции «полимер - ХЖК» выбираются таким образом, чтобы показатель преломления обыкновенной волны n в раскрученном состоянии ХЖК смеси был примерно равным показателю преломления n полимера (n≅n).
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 чертежами, на которых схематически изображены поперечные сечения заявляемого электрооптического элемента с различными стабильными ориентационными структурами капель ХЖК, определяющими различные условия для прохождения света (фиг.1а, б, в).
e
p
e
p
Заявляемый элемент содержит две параллельно расположенные прозрачные пластины 1 с прозрачными электродами 2 на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером жидкого кристалла, представляющего собой полимерную пленку 3 с каплями жидкого кристалла 4 внутри нее. В качестве жидкого кристалла используется смесь холестерического жидкого кристалла и ионного сурфактанта, который в исходном состоянии (фиг.1а) обеспечивает гомеотропное (перпендикулярное) сцепление жидкого кристалла с полимерной матрицей. Ориентация директора - направления преимущественной ориентации молекул ЖК - показано тонкими линиями внутри капли. В исходном случае линии директора, перпендикулярные поверхности, сходятся вместе в центре капель, образуя закрученную радиальную ориентационную структуру с точечным дефектом в центре капель. Капли ХЖК с такой ориентационной структурой рассеивают падающий на пленку свет из-за градиента показателя преломления необыкновенной волны n используемой ЖК смеси и показателя преломления n полимера (n≠n).
Работает мультистабильный электрооптический элемент следующим образом:
На электроды 2 подается биполярный электрический сигнал, параметры которого (форма, амплитуда, длительность) определяются характеристиками КПХЖК пленки (составом композиции, толщиной пленки, размером капель ХЖК). Под действием электрического поля происходит перераспределение ионов сурфактанта так, что внутри капель ХЖК образуется новая ориентационная структура (фиг.1б), которая остается стабильной после выключения электрического сигнала. В центре таких капель формируется область с однородной ориентацией директора, направленного перпендикулярно плоскости пленки. Чем больше амплитуда приложенного электрического сигнала, тем большую часть капли занимает однородная область и тем меньше рассеивается свет. Когда однородная ориентация директора заполняет весь объем капли, то КПХЖК-пленка становится прозрачной (фиг.1в).
Пример:
На основании предложенной конструкции был изготовлен электрооптический элемент с использованием следующих операций.
1. Приготовлен холестерический жидкий кристалл в виде смеси жидкого кристалла 5ЦБ (98,5%) и холестерилацетата (1,5%).
o
p
2. В холестерическом жидком кристалле был растворен ионный сурфактант цетилтриметиламмоний бромид в соотношении 10:1 по весу. Показатель преломления n полученной ХЖК смеси примерно равен показателю преломления n использованной полимерной матрицы (смеси поливинилового спирта и поливинилпирролидона в соотношении 2:1 по весу).
3. По растворной технологии была изготовлена КПХЖК пленка, в которой молекулы ХЖК исходно были ориентированы перпендикулярно поверхности капель, образуя закрученную радиальную структуру. Характерный вид такой пленки показан на микрофотографии (фиг.2а), где в исходном состоянии капли проявляются в виде темных кружочков на более светлом фоне полимерной пленки. Границы капель видны как резкие темные линии. Это означает, что есть большой градиент показателя преломления на границе раздела «ЖК-полимер» и такая структура интенсивно рассеивает свет, как и показано схематически на фиг.1а.
4. Собран электрооптический элемент, то есть КПХЖК-пленка размещена между двух параллельных прозрачных пластин с прозрачными электродами на внутренних сторонах и произведена склейка устройства.
Параметры переключающих сигналов показаны слева и справа от микрофотографий фиг.2а, б, в, а направления соответствующих переключений показаны черными изогнутыми стрелками.
Структурные и оптические состояния собранного ЖК-элемента переключались следующим образом. Если приложить к КПХЖК-пленке, находящейся в исходном состоянии (фиг.2а), биполярный прямоугольный электрический сигнал амплитудой 80 В и частотой 1 Гц в течение 5 секунд, то капли холестерика переключаются в стабильное промежуточное состояние (фиг.2б), примерно соответствующее ориентации директора, показанной на фиг.1б. Капли ХЖК и границы раздела «ЖК-полимер» на фотографии фиг.2б становятся светлее, чем на фиг.2а. Это соответствует ситуации, когда часть излучения проходит в прямом направлении, а оставшаяся часть рассеивается (см. фиг.1б).
Если к образцу, находящемуся в промежуточном состоянии (фиг.2б), приложить биполярный синусоидальный электрический сигнал амплитудой около 140 В и частотой 1 кГц в течение 8 секунд, то капли холестерика переключаются в стабильную однородную структуру (фиг.1в). В таком случае границы капли едва видны (фиг.2в). Это означает, что градиент показателя преломления на границе раздела «ЖК-полимер» сведен к минимуму и свет проходит через пленку, практически не рассеиваясь (фиг.1в).
Как промежуточную, так и однородную структуру можно вернуть в исходное состояние, воздействуя последовательно двумя биполярными электрическими сигналами с частотой 2 Гц. После первого сигнала амплитудой 75 В в течение 5 секунд однородная структура (фиг.2б) переключается в переходную (фиг.2б), а после воздействия второго сигнала амплитудой 40 В - в исходную структуру (фиг.2а).
Исследования экспериментальных образцов показали, что ЖК-устройство предлагаемой конструкции по механическим характеристикам не уступает прототипу. В то же время было получено такое новое качество, как способность электрооптического элемента находиться в стабильных оптических состояниях, промежуточных между светорассеивающим и прозрачным.
Предлагаемый КПХЖК-элемент перспективен для использования в таких приборах и устройствах, где необходимо иметь компактный, дешевый, простой в изготовлении и надежный в эксплуатации элемент управления интенсивностью оптического излучения, который способен переключаться в различные оптические состояния, промежуточные между светорассеивающим и прозрачным, и оставаться стабильным в этих состояниях при выключенном электрическом поле. Такие элементы перспективны для использования в проекционных дисплеях с энергонезависимой памятью, электронных шторках, смарт-стеклах и т.п.