ITPD960248A1 - Dispositivo visualizzatore a cristalli liquidi - Google Patents

Description

"DISPOSITIVO VISUALIZZATORE A CRISTALLI LIQUIDI"

DESCRIZIONE

Forma oggetto della presente invenzione un dispositivo visualizzatore a cristalli liquidi a diffusione, particolarmente adatto a trovar applicazione quale display, o vetrate a trasmissione variabile, per usi vari, nel settore di componentistica per veicoli (specchi retrovisori, alette parasole, ecc.) e nel campo dell'edilizia.

Il primo display o dispositivo di visualizzazione elettro-ottico di uso diffuso, utilizzante materiali a cristalli liquidi, è stato il Dynamic Scattering Mode (DSM) Liquid Crystal Display, costituito da un dispositivo di visualizzazione a cristalli liquidi a modalità di diffusione dinamica.

Da questo è nata una classe di dispositivi di visualizzazione che utilizza uno stato di scattering elevato indotto in uno strato sottile di cristalli liquidi dall'effetto combinato di campi elettrici, applicati alle celle, e di correnti ioniche, prodotte dagli stessi carpi elettrici e che scorrono attraverso le molecole dei cristalli liquidi.

Le proprietà fisiche dei materiali a cristalli liquidi che vengono utilizzate nei dispositivi di questo tipo devono essere le seguenti: - anisotropia dielettrica negativa,

- anisotropia della conduttività elettrica positiva

- resistività inferiore a 10<+10 >Ohm x m.

In figura 1 è mostrata una illustrazione schematica di

dispositivi noti.

Si può vedere che la cella del dispositivo non utilizza polarizzatori, essendo costituita solamente da supporti di vetro conduttivi, più uno strato, di spessore di circa 20 micron, di cristalli liquidi combinato con uno specchio riflettente.

Una cella di questi dispositivi ha un carattere elettro-ottico molto peculiare.

A bassa tensione, tipicamente 1 Volt, le molecole mesogeniche di cristalli liquidi si allineano in direzione perpendicolare al campo elettrico in quanto possiedono anisotropia dielettrica negativa.

Osservando la cella in questa condizione, per mezzo di un microscopio a luce polarizzata, si osserva la presenza di un campo luminoso omogeneo.

Quando si aumenta la tensione a più di 5 Volt, si osserva una alternanza di strisce luminose e di strisce scure, a causa dell'insorgere di difetti periodici nell'allineamento, che sono stati definiti domini di Williams.

In figura 2 si osserva una tipica immagine al microscopio dei domini di Williams.

Si ritiene in generale che i domini di Williams vergano generati dalla rotazione del "nematic director", indotta dall'effetto combinato del campo elettrico e delle correnti ioniche come illustrato in fig. 3.

Si osserva anche una forte correlazione tra la tensione di soglia per l'apparire dei domini di Williams e la frequenza del campo applicato.

E' possibile osservare due diversi regimi di frequenza, separati da una frequenza di cut-off al di sopra della quale (regime dielettrico) i domini di Williams vengono sostituiti da un altro tipo configurazione instabile,nota come configurazione di Chevron.

Al di sotto della frequenza di cut-off (regime conduttivo) le configurazioni regolari di Williams diventano instabili in corrispondenza del doppio del valore di tensione di soglia, ed il dispositivo entra in regime di scattering dinamico.

Si deve sottolineare che il contrasto ottico in questi dispositivi resta quasi costante al di sopra della tensione in corrente continua in cui il dispositivo entra nella modalità di scattering dinamico, come è illustrato in figura 4.

Nello stato di massima trasparenza del dispositivo, il potere di trasmissione della luce diminuisce piuttosto drasticamente all 'aumentare dell'angolo di osservazione (haze elevato).

Questo limita notevolmente il campo delle applicazioni nelle quali è soprattutto necessario che il dispositivo sia trasparente per angoli di visuale molto ampi in quanto l'effetto di haze rende difficile la lettura nel caso di utilizzo come display visualizzatore di dati e/o informazioni.

Esistono e sono conosciuti altri tipi di dispositivi visualizzatori a cristalli liquidi che prevedono,per il loro funzionamento, una o due lamine polarizzanti per la luce, per far sì che il dispositivo sia trasparente in mancanza di alimentazione (reverse mode).

Le lamine o i film polarizzanti sono però un filtro per la luce che riduce la trasmissione luminosa nel visibile, anche del 40%.

Questo è molto negativo perchè limita la possibilità del "contrasto", caratteristica fondamentale per la buona lettura di un display che si trovi in condizioni critiche di illuminazione.

Infatti in condizioni di alta luminanza (luce solare) solo un forte contrasto può rendere leggibile un display.

Le lamine polarizzanti incidono anche molto sul costo industriale del prodotto.

Scopo primario della presente invenzione è quello di realizzare un visualizzatore a cristalli liquidi del tipo "reverse mode" che sia trasparente per caratteristiche proprie in assenza di campo elettrico.

Un secondo scopo è quello di eliminare le problematiche connesse all'uso di polarizzatori.

Un altro scopo è quello di realizzare un visualizzatore a cristalli liquidi che consenta l'ottenimento di un grande contrasto.

Un altro scopo ancora è quello di ridurre i costi dovuti all ' impiego di lamine polarizzanti.

Non ultimo scopo è quello di realizzare un visualizzatore a cristalli liquidi producibile industrialmente .

Questi ed altri scopi ancora che più chiaramente appariranno in seguito, sono raggiunti da un dispositivo visualizzatore a cristalli liquidi a diffusione luminosa, caratterizzato dal fatto di essere costituito da una cella conposta da due lamine di supporto trasparenti fra cui è interposto un sottile strato di cristalli liquidi ad anisotropia dielettrica negativa, le facce interne di dette lamine (dalla parte dei cristalli liquidi), essendo rese elettricamente conduttive e ricoperte da uno strato di polimero a superficie fortemente frastagliata che induce un orientamento meccanico delle molecole dei cristalli liquidi, in assenza di campo elettrico, in direzione perpendicolare alle lamine, cosa che determina una buona trasparenza della cella, mentre quando una tensione è applicata tra gli strati conduttivi si ha il disorientamento delle molecole dei cristalli liquidi con anisotropia dielettrica negativa, che tendono a disporsi, in modo non uniforme, perpendicolarmente al campo, ovvero paralleli alle lamine, in questo contrastati dall’azione orientante della superficie di supporto, determinando una situazione di diffusione accentuata della luce, tipica di uno stato opaco.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente evidenti dalla dettagliata descrizione di una sua forma esecutiva, corredata da esempi, data a titolo indicativo ma non limitativo utilizzando le figure allegate sia per chiarire lo stato della tecnica, sia per illustrare il nuovo dispositivo.

Nelle tavole allegate:

la fig.1 nostra schematicamente un dispositivo a cristalli liquidi di tipo noto;

la fig. 2 nostra un immagine ottenuta al microscopio elettronico evidenziante i domini di Williams;

la fig. 3 mostra l'effetto combinato del campo elettrico e delle correnti ioniche in un dispositivo noto;

la fig. 4 mostra una situazione di scattering dinamico in un dispositivo noto;

la fig. 5 mostra schematicamente il nuovo dispositivo secondo il trovato in condizioni di assenza di campo elettrico;

la fig. 6 mostra schematicamente il nuovo dispositivo in presenza di campo elettrico in condizione opaca di diffusione;

la fig. 7 mostra la risposta elettro-ottica del dispositivo in funzione del campo applicato;

la fig. 8 mostra la trasmissibilità ottica negli stati trasparente ed opaco in funzione dell'angolo di osservazione.

la fig. 9 mostra un'immagine al microscopio del rivestimento polimerico fratturato.

Il dispositivo secondo il trovato, come illustrato nella figura 5, si compone di due lamine di supporto esterne 1 e 2 realizzate in vetro od in materia plastica trasparente (ad esempio PET), che sono rivestite, nelle facce interne, rispettivamente 3 e 4, da strati elettricamente conduttori trasparenti mono o multistrato 5 e 6.

I due strati elettricamente conduttivi 5 e 6 sono realizzati, ad esempio, con ossido di indio-stagno e multistrato con ossido di stagnoargento, con ossido di niobio-argento o con materiali equivalenti.

A questi strati conduttivi 5 e 6, vengono sovrapposti due strati 7 e 8 di un polimero e presentano la superficie molto irregolare e fratturata con morfologia costituita da isole separate tra loro.

Le due lamine 1 e 2, vengono saldate ad una certa distanza in modo da formare un'intercapedine 9 destinata a contenere i cristalli liquidi nematici con anisotropia dielettrica negativa.

Lo spessore dell'intercapedine 9 è compreso preferibilmente tra 10 e 30 micron.

A titolo esplicativo si fornisce un esempio di preparazione e di conponenti che potrà avere una facile applicazione industriale.

Le due lamine di supporto esterne 1 e 2 sono realizzate in vetro e come strati conduttori 5 e 6 si è usato dell'ossido di indio-stagno.

Come strati di rivestimento superficiale si è usata una poliimmide NISSAN SE-7511L, mentre per lo strato di cristalli liquidi si è usato uno ZLI-4788-000 da Merck.

Il rivestimento è stato realizzato immergendo le lamine di vetro 1 e 2 in una soluzione di ganma-butyrolactone al 7% del poliiirmide sopra citato.

L'estrazione del vetro dal bagno è stata effettuata in modo molto lento e l'asciugatura è avvenuta a 180° gradi centigradi.

La preparazione ha determinato una superficie di rivestimento molto fratturata come illustrata in figura 9.

La risposta elettro-ottica in corrente continua ed in corrente alternata, in corrispondenza di certi valori di frequenze è riportata in figura 7 in funzione della tensione di alimentazione applicata, ove si verifica che l'intensità luminosa in trasparenza dipende dal voltaggio solo a frequenze basse.

Le caratteristiche di trasmissione ottica negli stati trasparente ed opaco sono riportate nella figura 8 in funzione dell'angolo osservazione.

Il funzionamento del dispositivo è secando quanto segue.

In assenza di campo elettrico, le molecole dei cristalli liquidi sono orientate omeotnqpicamente, in modo sostanzialmente uniforme, in direzione perpendicolare alle superiici di supporto ed il dispositivo presenta buone caratteristiche di trasparenza.

Quando si applica una tensione di 10 Volt (campo uguale a 0,4 V/pn) tra i due strati conduttivi, le molecole di cristallo liquido tenderanno ad orientarsi perpendicolarmente al campo, contrastate dalla forza dovuta alla superficie che tenderebbe a tenerle perpendicolari alla superficie stessa e quindi parallele al campo. Poiché il rivestimento, come detto, non è omogeneo, perchè la sua superficie è tortemene fratturata in una molteplicità di isole, la capacità della superficie di opporsi all'orientamento delle molecole di cristalli liquidi, è diversa da isola ad isola del rivestimento polimerico. Come conseguenza si determina un disordine nell'orientamento delle molecole che porta il dispositivo in uno stato di scattering accentuato che è uno stato tipicamente opaco alla luce visibile, come riportato in Fig.6.

Uh effetto analogo si ottiene quando si applicano tensioni alternate ma in questo caso il disordine nell'orientamento assume carattere dinamico almeno nell'intervallo di frequenze che le molecole mesogeniche possano seguire con il loro movimento orientante.

Da quanto descritto ed illustrato si nota come si siano raggiunti tutti gli scopi proposti e come in particolare si sia realizzato un dispositivo che ha un funzionamento del tipo "reverse mode",utilizzando un principio fisico innovativo di competizione tra l'orientazione superficiale e l'orientazione indotta dal campo elettrico.

In tal senso l'invenzione è diversa da quella concernente dispositivi del tipo DMS-LCS, prima descritti, che utilizzano la competizione dinamica tra l'orientazione imposta dal campo elettrico e l'effetto disorientante delle correnti ioniche.

Va sottolineato il vantaggio offerto dal dispositivo inventato,che in assenza di alimentazione, dovuta ad una qualsiasi ragione, presenta elevata trasparenza per caratteristiche proprie della struttura e dei componenti.

Tale trasparenza si mantiene inalterata anche ad altri angoli di visuale (HAZE FREE).

Uh altro fondamentale vantaggio è dovuto alla mancanza di lamine di polarizzazione della luce, cosa che comporta sia un risparmio in termini economici, sia soprattutto una maggior efficienza nella trasmissione luminosa, che non viene ridotta da filtri di questo tipo.

Questo comporta una efficienza molto elevata con conseguente possibilità di avere effetti di contrasto molto accentuati e quindi molto vantaggiosi in qualsiasi condizione di luminosità dell'ambiente.

Ovviamente, compatibilmente con le caratteristiche dei conposti citati, i materiali componenti potranno esser scelti entro una discreta gamma senza con ciò uscire dall'ambito di tutela del presente trovato.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo visualizzatore a cristalli liquidi a luminosa, caratterizzato dal fatto di essere costituito da una conposta da due lamine di supporto trasparenti fra cui è interposto un sottile strato di cristalli liquidi ad anisotropia dielettrica negativa, le facce interne di dette lamine (dalla parte dei cristalli liquidi), essendo rese elettricamente conduttive e ricoperte da uno strato di polimero a superficie fortemente frastagliata che induce un orientamento delle molecole dei cristalli liquidi, in assenza di campo elettrico, in direzione perpendicolare alle lamine, cosa che determina una buona trasparenza della cella, mentre quando una tensione è applicata tra gli strati conduttivi si ha il disorientamento delle molecole dei cristalli liquidi con anisotropia dielettrica negativa, che tendono a disporsi, in modo non uniforme, perpendicolarmente al canpo, ovvero paralleli alle lamine, in questo contrastati dall'azione orientante superficiale delle lamine,determinando una situazione di diffusione accentuata della luce, tipica di uno stato opaco. 2)Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto strato elettroconduttivo è realizzato con monostrato di ossido metallico. 3)Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto strato elettroconduttivo è realizzato con multistrato di ossidi metallici e/o ceramici. 4) Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto strato conduttivo è realizzato con un monostrato di ossido di indio-stagno o simili. 5) Dispositivo cane una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto strato conduttivo può essere realizzato con ossido di stagno-argento, con ossido di stagno o con composti equivalenti. 6) Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di utilizzare un qualsiasi tipo di cristallo liquido avente anisotropia dielettrica negativa. 7)Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che lo strato di detti cristalli liquidi ha uno spessore compreso tra 10 e 30 micron, o altro ritenuto più idoneo a soddisfare particolari esigenze di contrasto ottico. 8) Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto polimero è una poliimnide,o qualsiasi altro tipo di materiale avente analoghe caratteristiche orientanti. 9)Dispositivo cerne alla rivendicazione 1,caratterizzato dal fatto che detta poliimnide è scelta fra quelle che inducono un orientamento omeotropico, o qualsiasi altro tipo di materiale avente analoghe caratteristiche orientanti. 10) Dispositivo visualizzatore a cristalli liquidi a diffusione luminosa caratterizzato dal fatto di utilizzare cristalli liquidi ad anisotropia dielettrica positiva e rivestimento polimerico che genera un orientamento planare con un funzionamento che si basa sullo stesso tipo di principio fisico (competizione tra interazione superficiale e campo elettrico) 11) Dispositivo come in una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti cristalli liquidi sono mescolati a distanziatori inerti e/o sostanze coloranti, gelificanti e/o di qualunque altro tipo che possano migliorarne le caratteristiche o le prestazioni. 12) Dispositivo come una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che tra il rivestimento metallico e quello polimerico venga interposto uno strato di materiale con la funzione di proteggere lo strato conduttivo da aggressioni chimiche e/o favorirne l'adesione con lo strato polimerico. 13) Apparato ottico che comprenda cane conponente un dispositivo a cristalli liquidi come definito in una o più delle rivendicazioni precedenti, oltre che i necessari strumenti di alimentazione e controllo. 14) Apparato cane alla rivendicazione 13 caratterizzato dal fatto che detto dispositivo a cristalli liquidi abbia la funzione di display. 15) Dispositivo visualizzatore a cristalli liquidi a diffusione luminosa, caratterizzato dal fatto di comprendere una o più delle caratteristiche illustrate e descritte.