NL1025924C2 - Liquid crystal kleurschakelaar en werkwijze van vervaardiging. - Google Patents

Description

Liquid crystal kleurschakelaar en werkwijze van vervaardiging

Verwijzing naar gerelateerde aanvragen

Deze aanvrage is voor dezel£de uitvinding en claimt de indieningsdatum van Chinese aanvrage #02128839.9 ingediend op 15 augustus 2002, getiteld 5

Verklaring betreffende federatief gesponsord onderzoek of ontwikkeling

Niet van toepassing 10 Achtergrond van de uitvinding

Er wordt doorlopend betere en betere kwaliteit gevraagd voor vloeibaar kristal kleurendisplays van laag vermogen. In bepaalde speciale toepassingen, bijvoorbeeld voor LCOS (Liquid Crystal On Silicon) projectie displays met groot 15 scherm, omvatten de eisen foto-realistische beelden, snelle en nauwkeurige kleuren, en een hoge lichtopbrengst. Tot dusver bestaat er geen kleurlichtschakelaar die sterke verlichting accepteert en vrijwel geen licht absorbeert tijdens het proces.

20 Op dit moment domineren twee belangrijke technolo gieën met gebruik van vloeibaar kristal displays voor het weergeven van kleur. Het meest gebruikelijk is STN-LCD en TFT-LCD, die kleurfilters gebruiken om zijn basiskleuren te bepalen, die niet door externe middelen gewijzigd kunnen wor-25 den. Een andere is Electrically Controlled Birefringence (ECB) vloeibaar kristal displaytechnologie, waar de basiskleuren worden verkregen door de spanningen te besturen die worden aangelegd aan de vloeibaar kristal laag om de vertraging te veranderen. Het licht concentreert zich het meest in 30 het midden, en is derhalve niet zo helder bij de randen, en de lichtopbrengst is laag. Geen van deze technologieën is in staat om kleuren snel te veranderen. Ook gebruiken beide technologieën polarisatoren en kleurfilters die licht absorberen. Wanneer men sterk licht laat schijnen op de afbeelders 35 die worden gebruikt voor projectiedisplays, zal de tempera- 1025924 2 tuur stijgen tot een punt waar het het normale werkingsgebied van de afbeelder te boven gaat. Derhalve kunnen kleurendis-plays op basis van de huidige vloeibaar kristal technologieën de behoeften aan kleurenprojectie niet vervullen.

5

Korte samenvatting van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een kleurenlichtschakelaar en de werkwijze voor het vervaardigen daarvan. Door de besturing van een aangelegde spanning, kan 10 de kleurenlichtschakelaar zijn kritische reflectiegolflengte wijzigen, zodat het opvallend licht onder een schuine hoek rood en dan groen en dan blauw in snelle opeenvolging reflecteren, in respons op de aangelegde spanning, en zo een kleu-rendisplaysysteem realiseren.

15 Het is een doel van de uitvinding om een vloeibaar kristal kleurenlichtschakelaar te verschaffen, met een cel van vloeibare kristallen, die zijn voorzien van bovenste en onderste transparante substraten, aan alle kanten afgedicht, waarbij de bijbehorende binnenoppervlakken van de transparan-20 te substraten zijn bedekt met transparante elektrodes. De binnenoppervlakken van de transparante elektrodes zijn verder gecoat met uitlijnlagen, waarbij de vooraf ingestelde schuine hoek varieert van ongeveer 1° tot ongeveer 89°. Een laag van cholesterisch vloeibare kristallen in een focaal conische 25 toestand bevindt zich tussen de twee transparante elektrodes, met de symmetrieas van alle gebieden in dezelfde richting, evenwijdig aan de twee transparante elektrodes. De bestuurde spanning wordt aangelegd om de kritisch reflectiegolflengte te wijzigen.

30 Het is een ander doel van de uitvinding om een werk wijze te verschaffen van het vervaardigen van een vloeibaar kristal kleurenlichtschakelaar met vloeibare kristal in een cholesterische fase, wat een mengsel is van nematisch vloeibaar kristal en chirale componenten, in gewichtsverhouding 35 van ongeveer 0,67:1 tot ongeveer 10:1.

Op de bovenste en onderste substraten zijn transparante elektrodes gedampt, die verder zijn gecoat met organisch materiaal of waarop anorganisch materiaal is opgedampt 10 2 59 2 4 , · 3 als uitlijnlagen. De voorbereide vloeibare kristalcel wordt in een oven geplaatst, verhit boven het zuiveringspunt van het vloeibare kristalmengsel, en dan langzaam afgekoeld totdat een goede één-dimensionale focale conische toestand is 5 bereikt, de bijbehorende temperatuur is 70°C tot 10O°C.

Een normale vloeibare kristalcel is gevuld met cho-lesterische vloeibare kristallen die zowel een vlakke als focale conische toestanden omvatten. In de vlakke toestand staat de symmetrieas loodrecht op of vrijwel loodrecht op het 10 substraat. Wanneer er licht op valt, zal alleen dat licht met dezelfde rotatierichting als cholesterische vloeibare kristalstructuur Bragg reflectie produceren, terwijl de rest uit de vloeibare kristallaag zal worden geleid.

In de rusttoestand, wanneer er geen spanning is aan-15 gelegd, zijn de golflengte van het gereflecteerde licht en de bandbreedte respectievelijk: (formula, etc.)

In de normale focale conische toestand, ligt de sym-20 metrieas evenwijdig of ongeveer evenwijdig aan het substraat en de gebieden zijn twee-dimensionaal willekeurig verdeeld. Wanneer het wordt beschenen met opvallend licht, wordt een kleine hoeveelheid teruggekaatst, terwijl de rest door de inrichting wordt geleid.

25 In de rusttoestand zijn er twee verschillende struc turen/toestanden en tal van grijstint middentoestanden, die allen stabiel zijn. Er zijn tal van kleine gebieden waarvan de symmetrieassen verschillende richtingen hebben. Bij een bepaald elektrisch veld, kunnen twee verschillende toestanden 30 heen en weer wijzigen in dezelfde fase.

De onderhavige uitvinding maakt gebruik van speciale oppervlaktebehandelingen en stuurtechnologie om binnen de hele of een deel van de vloeibare kristallaag een stabiele één dimensionale uitgelijnde focale conische toestand te verkrij-35 gen. Het opvallend licht en het gereflecteerde licht bevinden zich op tegenoverliggende zijden van de vloeibare kristalcel.

Volgens formule (1), wordt de kritische reflectie-golflengte bepaald door de hoogte P, de invalshoek theta, en 162.56-24 4 de gemiddelde brekingsindex van het vloeibare kristalmateri-aal.

De hoogte P van het cholesterisch vloeibare kristal kan gewijzigd worden door het wijzigen van de aangelegde 5 spanning. Met andere woorden, P is een functie van V. Wanneer het aangelegde elektromagnetische veld sterk genoeg is, wordt de hoogte P oneindig lang.

Deze vloeibare kristallen kleuren lichtschakelaar werkt wanneer P zich binnen begrensde waarden bevindt, zodat 10 het vloeibaar kristal zijn focale conische toestand behoudt en er zich geen vlakke toestand voordoet. Bij een verschillend elektromagnetisch veld, komt de overeenkomstige hoogte P(V) overeen met verschillende reflectiegolflengte. Wanneer de reflectiegolflengte zich binnen het zichtbaar lichtspec-15 trum bevindt, zal het overeenkomen met verschillende kleuren. Als gevolg daarvan is het midden van de reflectiegolflengte continu instelbaar.

De onderhavige uitvinding heeft de volgende voordelen ten opzichte van de bestaande technologieën: 20 1. De onderhavige uitvinding maakt gebruik van de elektro- optische karakteristieken van cholesterische vloeibare kristallen, door de aangelegde spanning op de vloeibare kristallaag te gebruiken om de golflengte van het gereflecteerde licht te wijzigen, zodat de spanning snel de 25 gereflecteerde kleuren kan wijzigen.

2. De onderhavige uitvinding is niet geconstrueerd met lagen die licht absorberen (bijv. polarisatoren, kleurfilters), die de werktemperatuur van de inrichting bij sterke verlichting zouden doen stijgen, en de lichtopbrengst van de 30 inrichting zouden verminderen. De onderhavige inrichting staat het gebruik van sterke verlichting toe, en is geschikt voor het gebruik met LCOS, DMD en andere afbeelders en andere telecommunicatie-inrichtingen.

3. De onderhavige uitvinding produceert heel weinig ver-35 strooiing van licht. Het doorgelaten licht en het gereflecteerde licht heeft geen verstrooiingseffecten.

1 025924 5

Korte beschrijving van de tekeningen

Figuur 1 geeft een blokdiagram van de uitvinding weer (kleurenlichtschakelaar).

Figuur 2 geeft de wisselwerking weer van licht met 5 de kleurenlichtschakelaar.

Figuur 3 geeft het kleurenspectrum weer van het gereflecteerde licht onder verschillend aangelegde bestuurs-spanningen.

10 Gedetailleerde beschrijving van de uitvinding

Figuur 1 illustreert een voorbeeld van een vloeibare kristal-kleurlichtschakelaar. In dit voorbeeld hebben we een vloeibare kristalcel, bestaand uit bovenste en onderste transparante substraten (101), gemaakt van glas of andere raa-15 terialen, aan alle zijden afgedicht (102), met bijbehorende binnenoppervlakken van de transparante substraten gecoat met transparante elektrodes (103), waarbij transparante geleidende coatings typisch zijn gemaakt met ITO (indiumtinoxide, wat indiumoxide is verontreinigd met tinoxide), waarbij het bin-20 nenoppervlak van de transparante elektrodes is gecoat met uitlijnlagen (104), met de voorgeschuinde hoek tussen 1° en 89°, waarbij een grotere voorgeschuinde hoek (>30°) een stabielere focale conische toestand geeft en de uitlijnlaag de vloeibare kristallen helpt uitlijnen met een juiste uitlij-25 ning en voorhel lingshoek. In dit voorbeeld is de voorhel-lingshoek ongeveer 60°.

Er is een laag van cholesterisch vloeibare kristallen (105) tussen de twee transparante substraten, waarbij de vloeibare kristallen zich in een één dimensionaal uitgelijnde 30 focale conische toestand bevinden, waarbij de symmetrieassen (106) van alle domeinen in dezelfde richting liggen, en evenwijdig aan de twee transparante substraten. De aangelegde spanning wordt bestuurd om de kritische reflectiegolflengte te veranderen. Het cholesterisch vloeibaar kristalmateriaal 35 dat wordt gebruikt is een mengsel van nematisch vloeibaar kristal en een chirale component, waarbij hun gewichtsverhouding van 2:3 tot 10:1 is. De beste verhouding is ongeveer 1:1 of tot 4:1. Andere inactieve ingrediënten, zoals stollings- 1025924 6 middelen en surfactanten, kunnen ook worden toegevoegd, waarbij zij 5 gew.% van het mengsel niet te boven dienen te gaan.

De sleutel voor een succesrijke vloeibare kristal-kleurenlichtschakelaar is de constructie van de vloeibare 5 kristalcel en de keuze van het vloeibare kristalmengsel. De dikte van het vloeibaar kristal zou gering moeten zijn. In ons voorbeeld is de dikte 1 tot 10 micrometer. De vloeibare kristalcel meet 0,8 inch bij 0,8 inch, zonder het gebruik van afstandhouders.

10 (formule voor hoogte, etc.)

In figuur 2 is de onderhavige uitvinding geïntegreerd met twee ondersteunende trapezevormige prisma's (200, 202) . Om de vervaardiging ten behoeve van de massaproductie te vereenvoudigen, is het het beste om materiaal met compati-15 bele brekingsindices te gebruiken, zoals Canadese Balsem of gevulkaniseerde hars, om de transparante prisma's aan de substraten van de vloeibaar kristal cel te lijmen. Binnen de vloeibaar kristal cel bevindt het een dimensionaal uitgelijnd cholesterisch vloeibaar kristal materiaal (201) zich in foca-20 le conische toestand, waarbij de symmetrieassen (206) evenwijdig aan elkaar zijn en aan de substraten. Opvallend licht (203) en gereflecteerd licht (205) bevinden zich op tegenover elkaar liggende zijden van de vloeibaar kristal cel, en in het zelfde vlak met de symmetrieas. Als het opvallend witte 25 licht beschouwen als links en rechts cirkelvormig gepolariseerd licht, wordt alleen het licht met dezelfde polariteit als het cholesterische vloeibaar kristal bij een bepaalde golflengte gereflecteerd, de rest zal worden doorgelaten en vormt het doorgelaten licht (204). Het doorgelaten licht is 30 het complement van het gereflecteerde licht, wat het opvallend licht is minus het gereflecteerde licht.

De midden golflengte van het gereflecteerde licht is: (formule, etc.) 35

In figuur 3, wanneer een spanning van v0 is aangelegd aan de vloeibare kristalcel, toont kromme 301 dat het gereflecteerde lichtspectrum is gecentreerd bij een golflengte 1 025924 , » 7 van 400 nm. Wanneer een spanning van Vi wordt aangelegd aan de vloeibare kristalcel, toont kromme 302 het gereflecteerde licht spectrum gecentreerd bij een golflengte van 450 nm. Wanneer een spanning van Va aan de vloeibare kristalcel wordt 5 aangelegd, toont kromme 303 dat het gereflecteerde lichtspec-trum gecentreerd is bij een golflengte van 550 nm. Wanneer een spanning van V3 wordt aangelegd aan de vloeibare kristalcel, toont kromme 304 dat het gereflecteerde lichtspectrum gecentreerd is bij een golflengte van 610 nm.

10 In dit voorbeeld is de aangelegde spanning een ge pulseerde spanning die geen gelijkspanningscomponent heeft wanneer deze over de tijd wordt gemiddeld

Voorbeeld 1 van de werkwijze die wordt gebruikt bij het ver- 15 vaardigen van de kleurenlichtschakelaar: a. het voorbereiden van het vloeibaar kristal mengsel met gebruikmaking van EM verschafte chemicaliën Het gewichtsdeel van ZLI-5400-100: R1011: CB-15 : R-811 » 76 : 5 : 12 : 7.

b. het deponeren van de dunne filmlagen van de bovenste en 20 onderste substraten van ITO door opdampen om transparante elektrodes te vormen, waar bovenop SiOx wordt gedeponeerd, waarbij de voorhellingshoeken ongeveer 60° zijn.

c. de voorhellingshoeken van de uitlijnlaag op de bovenste en onderste elektrodes zijn evenwijdig maar in tegengestelde 25 richting.

d. construeer een vloeibaar kristalcel met dikte van 2,3 micrometer, en afmeting van 0,8 inch bij 0,8 inch. Door vacuüm zuigen of capillaire werking, wordt de cel gevuld met het voorbereide vloeibare kristalmengsel, en alle zijden 30 worden af gedicht met een af dichtmiddel; e. de buitenoppervlakken van de bovenste en onderste glassubstraten worden grondig schoon gemaakt, Canadese balsem wordt aangebracht, en twee trapezevormige prisma's worden op de gereinigde oppervlakken gelijmd, waarbij er voor 35 wordt gezorgd dat er geen bellen worden opgesloten tijdens dit proces; f. de bereide vloeibare kristalcel wordt binnen een oven geplaatst, verwarmd tot of boven het reinigingspunt van het 10 2 59 24 8 vloeibare kristalmengsel en dan langzaam afgekoeld/ totdat een goede enkelvoudige domein focale conische toestand bereikt is, waarbij de bijbehorende temperatuur van 70°C tot 100°C is. (80° is het beste).

5

Voorbeeld 2 van de werkwijze die wordt gebruikt bij het vervaardigen van de kleurenlichtschakelaar: a. het voorbereiden van het vloeibaar kristalmengsel met gebruikmaking van EM verschafte chemicaliën. De gewichtsver- 10 houding van ZLI-5400-100 : R1011 : CB-15 : R-811 = 76 : 5 : 12 : 7.

b. het opdampen op de transparante elektrodes op de bovenste en onderste glassubstraten is SiOx, met voorhellingshoek van 65°; 15 c. het in een enkelvoudige richting wrijven toegepast tegenover het organisch uitlijnmateriaal op het oppervlak; d. door vacuüm zuigen of capillaire werking, het vullen van de cel met het voorbereide vloeibare kristalmengsel, en het afdichten aan alle zijden; 20 e. het grondig reinigen van de buitenoppervlakken van de bovenste en onderste glassubstraten, het aanbrengen van Canadese balsem, en het lijmen van twee trapezevormige prisma's, gelijmd op de gereinigde oppervlakken, waarbij er voor gezorgd wordt dat er geen bellen worden gevangen 25 in het proces; en f. het aanleggen van een spanning groter dat de ontwarrings-spanning tussen de twee substraten, waarbij de wisselfre-quentie 1kHz is, de spanning ongeveer 25 V en de duur groter dan 10 microseconden, en daarna valt de spanning 30 geleidelijk af naar 10 V in ongeveer 2 seconden of langer, om de vloeibare kristallen in staat te stellen om in veld geïnduceerde nematische toestand te geraken, en dan wordt de spanning langzaam verder verlaagd, totdat een goede één dimensionale focale conische toestand bereikt is.

1025924

Claims (6)

1. Vloeibaar kristal kleurenlichtschakelaar, die omvat: een cel van vloeibare kristallen met bovenste en on-5 derste transparante substraten aan alle zijden afgedicht, waarin; bijbehorende binnenoppervlakken van de genoemde bovenste en onderste transparante substraten zijn gecoat met transparante elektrodes en uitlijnlagen met een voorhellings- 10 hoek die ligt tussen 0 en 90°; en een laag van cholesterisch vloeibaar kristal in een focale conische toestand is bevat tussen twee genoemde transparante elektrodes; waarbij de symmetrieassen van alle domeinen van de genoemde cholesterische vloeibare kristallen de- 15 zelfde richting hebben, evenwijdig aan de twee transparante elektrodes; en de voorziening bevat dat een stuurspanning aangelegd kan worden aan de genoemde transparante elektrodes om de kritische reflectiegolflengte te veranderen.

2. Vloeibaar kristal-kleurenlichtschakelaar volgens conclusie 1, waarin de dikte van de vloeibaar kristalcel 1-10 micrometer is zonder een afstandhouder.

3. Vloeibaar kristal-kleurenlichtschakelaar volgens conclusie 2, verder omvattend: vloeibaar kristal in een cho- 25 lesterische fase, wat een mengsel is van nematisch vloeibaar kristal en chirale componenten, waarbij hun gewichtsverhouding ligt van ongeveer 0,67:1 tot 10:1.

4. Vloeibaar kristal-kleurenlichtschakelaar volgens conclusie 2, waarbij verder de voorhellingshoek ligt tussen 5 30 en 65°.

5. Werkwijze voor het vervaardigen van een vloeibaar kristal-kleurenlichtschakelaar, omvattend: a. het voorbereiden van het vloeibaar kristalmengsel van cholesterische fase dat de gewenste verhouding bevat van ne- 35 matische en chirale componenten tussen 0,67:1 en 10:1, b. het opdampen van transparante elektrodes op de bovenste en 10 2 5924 . · onderste substraten, c. het verder coaten van de transparante elektrodes met organisch materiaal of het opdampen van anorganisch materiaal zoals SiOx als uitlijnlagen; 5 d. het wrijven in een enkelvoudige richting toegepast tegenover het organisch uitlijnmateriaal op het oppervlak, e. het vullen van de cel door vacuüm zuigen of capillaire werking met het voorbereide vloeibare kristalmengsel en het afdichten aan alle zijden, 10 f. het grondig reinigen van de buitenoppervlakken van de bovenste en onderste glassubstraten, en het lijmen van twee trapezevormige prisma's op de gereinigde oppervlakken, waarbij zorg wordt gedragen dat er geen bellen worden gevormd in het proces; 15 g. het plaatsen van de voorbereide vloeibare kristalcel binnen een oven, het verwarmen boven het reinigingspunt van het vloeibaar kristalmengsel en dan langzaam afkoelen totdat een goede één-dimensionale focale conische toestand bereikt is bij een temperatuur van 70°C tot 100°C.

6. Werkwijze voor het vervaardigen van een vloeibar kristal-kleurenlichtschakelaar, die omvat: a. het voorbereiden van het vloeibaar kristalmengsel van cho-lesterische fase dat de gewenste verhouding bevat van ne-matische en chirale componenten tussen 0,67:1 en 10:1, 25 b. het opdampen van transparante elektrodes op de bovenste en onderste substraten, c. het verder coaten van de transparante elektrodes met organisch materiaal of het opdampen met anorganisch materiaal zoals SiOx als uitlijnlagen met een voorhellingshoek van 30 65° d. het in een enkelvoudige richting wrijven toegepast tegenover het organisch uitlijnmateriaal op het oppervlak, e. het vullen van de cel door vacuüm zuigen of capillaire werking met het voorbereide vloeibaar kristalmengsel en 35 af dichten, f. het grondig reinigen van de buitenoppervlakken van de bovenste en onderste glassubstraten, en het lijmen van twee trapezevormige prisma's op de gereinigde oppervlakken, er 1020924 • · voor zorg dragend dat er geen bellen worden gevormd in het proces; g. het aanleggen van een spanning groter dan de ontwarrings-spanning tussen de twee substraten, om de vloeibare kris-5 tallen in staat te stellen in de veld geïnduceerde nemati-sche toestand te geraken en dan langzaam de spanning verminderen, totdat een goede één-dimensionale focale conische toestand is verkregen. 1025924