RU2183864C2 - Модуль отображения информации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам отображения и обработки информации, в частности к жидкокристаллическим дисплеям, и может быть использовано в средствах индикаторной техники. Его использование позволяет получить технический эффект в виде упрощения конструкции модуля, уменьшения размеров, снижения себестоимости, повышения механической прочности и без формирования дополнительных элементов обеспечивает защиту обратной стороны дисплея от влаги и других воздействий. Технический результат достигается благодаря тому, что в модуле отображения информации, содержащем жидкокристаллический дисплей, состоящий из двух плоскопараллельных пластин с электродами и поляризаторами, между которыми расположен жидкий кристалл, и элемент питания, электрически соединенный с дисплеем, элемент питания выполнен в виде, по крайней мере, одного солнечного элемента и расположен или сформирован на задней пластине дисплея, а элементы дисплея, расположенные со стороны светопринимающей поверхности элемента, по крайней мере, частично выполнены из оптически прозрачных материалов. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам отображения и обработки информации, в частности к жидкокристаллическим дисплеям, и может быть использовано в средствах индикаторной техники различного назначения.

Устройство отображения информации (УОИ) на жидких кристаллах (ЖК) помимо ряда функциональных модулей включает в себя как необходимые элементы ЖК-дисплей и источник питания. Обычно жидкокристаллические дисплеи выполнены в виде плоской кюветы, образуемой из двух плоскопараллельных пластин, на внутренней поверхности которых сформированы электроды из оптически прозрачного электропроводящего материала, например из двуокиси олова. На поверхности пластин формируют слои поляризатора, а полость между пластинами заполняют жидким кристаллом (ЖК) [1]. Пластины могут быть выполнены из стекла, пластика, например лавсана, или другого, предназначенного для их изготовления материала. В качестве источника питания в таких устройствах могут быть использованы либо химический источник питания возобновляемого или невозобновляемого типа, либо фотоэлемент, либо одновременно как электрохимические, так и солнечные элементы.

Известен модуль отображения информации с солнечной батареей в качестве источника питания [2] . Основным недостатком устройств с электрохимическим источником питания является конечное время жизни источника питания и невозможность работы устройства без его замены. Недостатком устройства с источником питания, основанным на преобразовании световой энергии в электрическую, является размещение фотоэлемента на дополнительной площади УОИ, что при большой площади ЖК-дисплея создает неудобства при пользовании устройством, так как это существенно увеличивает его линейные размеры в рабочем состоянии, массу и расход материалов, связанный с увеличением площади устройства, защиты элемента питания и механическим усилением конструкции. Увеличение размеров и массы устройства делает более вероятной его случайную механическую поломку. Кроме того, при слабой освещенности функционирование дисплея и устройства в целом становится невозможным. Комбинированное использование источников питания двух типов позволяет разрешить проблему продления времени жизни электрохимического источника питания путем, например, его подзарядки с помощью фотоэлемента. Такая конструкция также позволяет использовать прибор в условиях малой освещенности. Однако такое устройство имеет тот же существенный недостаток, что и УОИ с фотоэлементом: оно имеет значительно больший линейный размер и массу, а также расход материалов по сравнению с устройством без фотоэлемента.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции модуля, уменьшение размеров, снижение себестоимости, повышение механической прочности. Кроме того, изобретение позволяет без формирования дополнительных элементов обеспечить защиту обратной стороны дисплея от влаги и других воздействий. В частных случаях выполнения изобретение позволяет объединить дисплей и элемент питания в едином рабочем объеме, при этом возможно использовать один и тот же элемент как для дисплея, так и для элемента питания (например, нижняя пластина дисплея), оптимизировать процесс изготовления, совместно использовать электрохимический и фотоэлемент без увеличения размеров модуля.

Технический результат достигается тем, что в модуле отображения информации, содержащем жидкокристаллический дисплей, состоящий из двух плоскопараллельных пластин с электродами и поляризаторами, соединенных с образованием полости, заполненной жидким кристаллом, и элемент питания в виде, по крайней мере, одного солнечного элемента, электрически соединенный с дисплеем, солнечный элемент расположен или сформирован на задней пластине дисплея, при этом элементы дисплея, расположенные со стороны светопринимающей поверхности солнечного элемента, выполнены, по крайней мере, частично из оптически прозрачных материалов.

При расположении элементов модуля согласно изобретению часть световой энергии может быть поглощена в структуре дисплея, что в свою очередь снизит эффективность преобразования световой энергии и эффективность элемента питания. Однако это снижение может быть частично или полностью компенсировано за счет увеличения площади солнечной батареи. Кроме того, использование такого модуля в сочетании с электрохимическим источником питания позволяет продлить время работы электрохимического источника питания за счет его подзарядки. Одновременно обеспечивается защита дисплея с задней стороны от влаги, химических и др. воздействий.

Элемент питания может быть выполнен из нескольких солнечных элементов, образующих солнечную батарею. Количество солнечных элементов определяется назначением модуля и мощностью и КПД отдельного элемента.

Солнечный элемент может быть расположен и закреплен на задней пластине дисплея таким образом, что его светопринимающая поверхность расположена на наружной поверхности задней пластины дисплея, при этом элементы дисплея, в том числе и пластины, выполнены из оптически прозрачного материала. Слой поляризатора задней пластины может быть расположен либо со стороны внутренней поверхности пластины, либо со стороны ее наружной поверхности. Для крепления солнечных элементов может быть использован любой оптически прозрачный клей, не оказывающий воздействия на целостность элементов модуля.

При таком расположении источника питания возможно произвести утонение задней пластины дисплея, сформировать тонкую мембрану в месте расположения элемента питания либо удалить область задней пластины с образованием рамки, в которую будет вставлен элемент питания. Солнечный элемент может быть сформирован или закреплен на внутренней поверхности задней пластины дисплея. Формирование солнечного элемента может быть осуществлено в процессе изготовления дисплея таким образом, что задняя пластина дисплея будет являться подложкой солнечного элемента. При этом дисплей будет являться дисплеем отражательного типа, а слой поляризатора задней пластины будет расположен со стороны ее внутренней поверхности.

Задняя пластина дисплея может быть выполнена из монокристаллического или поликристаллического, или аморфного кремния, или из стекла, или из лавсана, или может представлять собой структуру, в поверхностном слое которой сформирован солнечный элемент, при этом дисплей будет являться дисплеем отражательного типа, на, по крайней мере, части внутренней поверхности задней пластины которого может быть размещен отражательный слой из полупрозрачного материала.

Передняя пластина дисплея может быть выполнена из любого оптически прозрачного материала, например пластика.

Модуль дополнительно может содержать сенсорный экран и/или цифровой планшет. При этом, по крайней мере, часть передней пластины дисплея может быть одновременно пластиной сенсорного экрана и/или цифрового планшета.

Известно использование приспособления в виде сенсорного экрана и/или цифрового планшета, активизируемых независимо друг от друга и объединенных в одном модуле с ЖК-дисплеем (с общей передней панелью), что позволяет расширить функциональные возможности работы дисплея за счет обеспечения возможности ввода и обработки информации, отображаемой на дисплее. Дисплей является в данном случае не только средством отображения информации, но и средством визуализации обратной связи с пользователем [3]. Однако до настоящего времени не известно использование на единой площади и/или в одном объеме элемента питания, ЖК-дисплея и сенсорного экрана. Изобретение может быть полезно для разработчиков при решении задач конструирования и оптимизации параметров средств отображения информации.

Электродная система сенсорного экрана может быть сформирована в плоскостях расположения электродов дисплея, что позволит совместить процессы их изготовления.

На внутренней поверхности, по крайней мере, одной из пластин дисплея может быть сформирована текстура, параметры которой определены из условия обеспечения ориентации молекул жидкого кристалла и/или его равномерного распределения по объему полости.

Текстура пластины, на которой сформирован солнечный элемент, может иметь параметры, выбранные из условия работы солнечного элемента.

Соединение пластин дисплея может быть выполнено разъемным.

Модуль может являться элементом электронной карты. При этом, по крайней мере, одна из пластин дисплея может являться одновременно пластиной электронной карты.

По крайней мере, один из поляризаторов может быть выполнен в виде молекулярно ориентированного слоя, способного к образованию лиотропной жидкокристаллической фазы дихроичного красителя формулы A(SO₃M)_n, где М - катион,
А - хромоген, n - целое число.

В качестве примеров реализации заявленного изобретения могут быть приведены конструкции модулей отображения информации, схематически изображенные на фиг.1-3.

На фиг. 1 схематично показан модуль отображения информации с жидкокристаллическим дисплеем отражательного типа с солнечной батареей, сформированной на внутренней поверхности задней пластины дисплея.

На фиг. 2 схематично показан модуль отображения информации с жидкокристаллическим дисплеем с солнечной батареей, закрепленной (приклеенной) на наружной поверхности задней пластины дисплея.

На фиг. 3 схематично показан модуль отображения информации с жидкокристаллическим дисплеем и солнечной батареей, со сформированным на передней пластине дисплея сенсорным экраном.

Изображенный на фиг.1 модуль отображения информации содержит жидкокристаллический дисплей, который образован двумя пластинами 1 и 2. Пластина 1 может быть изготовлена из любого оптически прозрачного материала. Пластина 2 в данном случае может быть основанием для крепления тонкопленочной или толстопленочной солнечной батареи или солнечного элемента. Также пластина 2 может являться подложкой для формирования тонкопленочного или толстопленочного солнечного элемента или солнечной батареи 3. В этом случае пластина 2 может быть выполнена из монокристаллического кремния, на поверхности которого сформированы солнечные элементы по стандартной технологии, или из другого материала, на поверхность которого нанесена любым известным способом пленка монокристаллического, поликристаллического или аморфного кремния и на ней сформированы солнечные элементы по стандартной технологии. Система соединительных элементов и контактов на фигуре не показана. Межсоединения и контакты сформированы таким образом, чтобы обеспечить электрическую связь элемента питания с жидкокристаллическим дисплеем. Для их формирования может быть использована также стандартная технология.

На внутренней поверхности пластин 1 и 2, обращенных к слою нематического жидкого кристалла 10, нанесены оптически прозрачные электроды 4 и 5, которые могут быть выполнены в виде активной матрицы. Поверх прозрачных электродов нанесены изолирующие пленки 6 и 7 из оптически прозрачного полимерного или другого материала, которые сглаживают рельеф и придают всей поверхности однородные свойства. Поверхности этих пленок можно придать направленную анизотропию путем натирания или другим образом для обеспечения лучшей ориентации молекул поляризующих покрытий 8 и 9, которые нанесены на эти пленки и ориентированы своей осью на пластинах 1 и 2 взаимно перпендикулярно. При этом поляризующие покрытия сами являются ориентантами для молекул нематического жидкого кристалла. Также может быть сформирован полупрозрачный отражатель, который может одновременно выполнять функцию электродов задней пластины дисплея, если его сформировать из электропроводящего материала. Функцию отражателя может выполнять светопринимающая поверхность солнечного элемента, на которой может быть сформирована соответствующая текстура.

В другом варианте изготовления на поверхности пластин 1 и 2 вначале нанесены поляризующие покрытия 8 и 9, защищенные изолирующими пленками 6 и 7, а потом уже размещены прозрачные электроды 4 и 5. Поверх электродов могут быть нанесены пленки, ориентирующие нематик. При таком порядке расположения элементов обеспечивается требуемая для поляризующего покрытия ровность поверхности и его изоляция от слоя жидкого кристалла, что гарантирует непопадание в него ионов или молекул других веществ, которые могут содержаться в поляризующем покрытии.

В любом случае все элементы дисплея, кроме задней его пластины, должны быть выполнены из оптически прозрачных материалов, чтобы как можно более сохранить эффективность работы солнечного элемента. Также указанные элементы могут занимать только часть поверхности пластин дисплея, оставляя другую часть для солнечной батареи. В этом случае на пути падающего на солнечный элемент светового луча будет располагаться лишь часть элементов дисплея, например только пластина 1 и слой жидкого кристалла или пластина 1, слой жидкого кристалла и слои поляризатора, в то время как электроды и изолирующие и отражающие слои будут расположены в другой части дисплея.

На фиг. 2 схематично показан модуль отображения информации с жидкокристаллическим дисплеем и солнечной батареей 3, приклеенной оптически прозрачным клеем светопринимающей поверхностью к наружной поверхности задней пластины 2 дисплея. В данном случае слои поляризующего покрытия 8 и 9 могут быть сформированы как на внутренней стороне пластин 1 и 2, так и на внешней. А электроды, изолирующие слои и слои поляризующих покрытий могут также занимать лишь часть жидкокристаллического дисплея - его рабочую область. В другой его части на пути светового луча к поверхности солнечного элемента будут располагаться лишь пластины дисплея и слой жидкого кристалла. Солнечный элемент или батарея может располагаться по всей поверхности пластины или только там, где частично отсутствуют элементы дисплея. В рассматриваемом варианте пластина 2 также должна быть изготовлена из оптически прозрачного материала. Как уже было отмечено, возможен случай, когда заднюю пластину дисплея в месте крепления элемента питания утоняют, вплоть до образования окна (или, соответственно, рамки), в которое вставляется элемент питания.

На фиг. 3 схематично показан модуль отображения информации с жидкокристаллическим дисплеем и солнечной батареей 3, со сформированными в объеме модуля сенсорным экраном и/или цифровым планшетом 11, которые могут быть активизированы независимо друг от друга. При этом, по крайней мере, часть, а возможно, и вся передняя пластина дисплея одновременно может быть и передней пластиной сенсорного экрана и/или цифрового планшета. В данном варианте исполнения функциональные возможности модуля значительно расширены, так как может быть осуществлена обратная связь с пользователем, за счет обеспечения возможности непосредственного ввода необходимой информации в процессе работы модуля. При одновременном использовании задней пластины дисплея в качестве подложки для элемента питания - солнечной батареи достигаются максимальная степень интеграции элементов модуля и максимальная экономия материалов, а также обеспечиваются большие возможности для оптимизации процесса изготовления модуля.

Пример реализации заявленного изобретения может быть рассмотрен на примере отражательного жидкокристаллического дисплея с солнечной батареей и сенсорным экраном.

Для получения модуля отображения информации использованы две пластины из пластика, например лавсана с барьерным покрытием. Барьерное покрытие может быть выполнено в виде слоя SiO₂, TiO₂, Аl₂О₃ или другого прозрачного материала, не пропускающего молекулы воды. Он предназначен для защиты внутреннего объема ячейки от проникновения воды, диффундирующей из атмосферы через материал подложки. На передней пластине 1, на барьерном подслое сформированы прозрачные электроды. На задней пластине 2 на таком же барьерном подслое создана структура со слоем аморфного кремния, в котором сформированы р-n переход и соответствующие контакты для образования солнечного элемента или солнечной батареи. На поверхности пластины 2 сформирована текстура для обеспечения отражающего эффекта, которая одновременно служит электродными элементами. На нее нанесен изолирующий подслой, обеспечивающий более совершенную ориентацию молекул поляризатора. На поверхности обеих пластин нанесены поляризаторы, выполненные в виде молекулярно ориентированных слоев, способных к образованию лиотропной жидкокристаллической фазы дихроичного красителя формулы А(SO₃М)n, где М - катион, А - хромоген, n - целое число. При этом М-катионом может быть любой подходящий, как органический, так и неорганический катион, обеспечивающий растворение указанного дихроического красителя. Например, NH₄, Na, К и т.п. Данная группа материалов известна своими высокими показателями - высокими термо- и светостойкостью, высокими поляризующими характеристиками и др. Также указанные материалы не требуют специальной предварительной ориентирующей обработки поверхности, на которой формируется поляризующее покрытие [4]. Полость между пластинами со сформированными элементами заполнена жидким кристаллом. На части передней пластины дисплея сформирован цифровой планшет для ввода информации с помощью специального пера. Между контактами солнечной батареи и электродами жидкокристаллического дисплея выполнены межсоединения, обеспечивающие электрический контакт дисплея с элементом питания. Также соответствующие межсоединения выполнены между электродами модуля и электродами цифрового планшета для их совместного функционирования. При этом электроды цифрового планшета выполнены в тех же плоскостях, что и электроды дисплея, что оптимизирует технологию изготовления модуля. Соответственно, пластины 1 и 2 выполнены толщиной 0,1-1,0 мм, слои поляризаторов сформированы толщиной порядка 1 мкм, поверхностный слой пластины 2 из аморфного кремния имеет толщину порядка 1000

, р-n переход для солнечных элементов сформирован ионной имплантацией. Область, занимаемая жидким кристаллом, имеет толщину порядка 1-15 мкм. Изолирующие слои выполнены из SiO₂ и имеют толщину порядка 100-1000

.

Представленные примеры реализации заявленного модуля отображения информации не исчерпывают всех различных вариантов, предусмотренных изобретением.

Принцип работы модуля может быть описан следующим образом. Модуль может являться как самостоятельным элементом, так и составной частью любого устройства, предполагающего наличие элемента отображения и ввода информации. Режим работы дисплея может быть различным в зависимости от решаемой задачи. Это может быть просмотр пользователем на дисплее занесенных в память устройства данных или корректировка данных при наличии, например, сенсорного экрана для ввода информации. При этом элемент питания в виде солнечного элемента или солнечной батареи, возможно при наличии электрохимического источники питания, обеспечивает электропитанием как работу дисплея, так и сенсорного экрана или планшета.

Принцип работы модуля с жидкокристаллическим дисплеем отражательного типа на основе закрученного на 90 град. нематика следующий. Неполяризованный световой поток падает на индикатор со стороны первой пластины. После прохождения через пластину 1 и прозрачный электрод 4 свет поляризуется при прохождении через поляризующее покрытие 8. Если напряжение на электродах отсутствует, поляризованный свет проходит через слой жидкого кристалла, поворачивая свою плоскость поляризации на 90 град., и проходит без ослабления через второй поляризующий слой 9, прозрачный электрод 5, отражается от поверхности пластины 2 и проходит обратно через указанные элементы. При этом область электродов будет выглядеть светлой. При подаче напряжения на электроды под действием электрического поля закрученная форма нематика переходит в гомеотропную, в которой оптическая ось нематика ориентируется перпендикулярно плоскости пластин 1 и 2, и он перестает вращать плоскость поляризации проходящего через него света. Это означает, что при прохождении света через слой нематика заданное поляризатором 8 направление плоскости поляризации света не изменится и будет на выходе из нематика перпендикулярно направлению поляризации второго поляризатора 9. В результате свет поглотится этим поляризатором, и область будет выглядеть темной. В тех областях дисплея, где нет электродов, всегда сохраняется закрученная форма нематика, и эти области выглядят всегда светлыми. Часть светового потока, достигшая отражателя, частично отражается от него, формируя светлый фон дисплея, а часть проникает в слой р-n перехода и поглощается в нем с образованием подвижных носителей заряда, которые разделяются на нем и создают в цепи дисплея электрическое поле, питающее электронные элементы УОИ и/или подзаряжающее химический элемент питания.

Из текста описания следует, что изобретение в объеме заявленной совокупности существенных признаков формулы изобретения однозначно обеспечивает достижение указанного технического результата.

Источники информации
1. US 5528398 A, 1996.

2. WO 94/00895 A1, 1994.

3. EP 0421025 A1, 1991.

4. US 5739296 A, 1998.

Claims (12)

1. Модуль отображения информации, содержащий жидкокристаллический дисплей, состоящий из двух плоскопараллельных пластин с электродами и поляризаторами, соединенных с образованием полости, заполненной жидким кристаллом, и элемент питания в виде, по крайней мере, одного солнечного элемента, электрически соединенный с дисплеем, отличающийся тем, что, по крайней мере, один солнечный элемент размещен или сформирован, по крайней мере, на части задней пластины дисплея таким образом, что его светопринимающая поверхность расположена со стороны наружной поверхности задней пластины дисплея, при этом элементы дисплея, расположенные со стороны светопринимающей поверхности элемента питания, по крайней мере, частично выполнены из оптически прозрачных материалов
2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что элемент питания выполнен из солнечных элементов, образующих солнечную батарею.

3. Модуль по п. 1 или 2, отличающийся тем, что элемент питания дополнительно содержит электрохимический элемент.

4. Модуль по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что задняя пластина дисплея выполнена из монокристаллического, или поликристаллического, или аморфного кремния, или из стекла, или из пластика, или представляет собой структуру, в поверхностном слое которой сформирован солнечный элемент, при этом дисплей является дисплеем отражательного типа, по крайней мере, на части внутренней поверхности задней пластины дисплея размещен отражательный слой из полупрозрачного материала или его функции выполняет светопринимающая поверхность солнечного(-ых) элемента(-ов).

5. Модуль по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что передняя пластина дисплея выполнена из полимерного материала, например пластика.

6. Модуль по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сенсорный экран и/или цифровой планшет, при этом, по крайней мере, часть передней пластины дисплея является одновременно передней пластиной сенсорного экрана и/или цифрового планшета.

7. Модуль по п. 6, отличающийся тем, что электродная система сенсорного экрана сформирована в плоскостях расположения электродов дисплея.

8. Модуль по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на внутренней поверхности, по крайней мере, одной из пластин дисплея сформирована текстура.

9. Модуль по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из поляризаторов расположен на внутренней поверхности одной из пластин дисплея.

10. Модуль по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из поляризаторов выполнен в виде молекулярно ориентированного слоя, способного к образованию лиотропной жидкокристаллической фазы дихроичного красителя формулы А (SO₃М)n, где М - катион, А - хромоген, n - целое число.

11. Модуль по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что соединение пластин дисплея выполнено разъемным.

12. Модуль по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что модуль является элементом электронной карты.

13. Модуль по п. 12, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна пластина дисплея является пластиной электронной карты.

Images