RU2273040C2 - Бистабильный жидкокристаллический элемент и способ управления им - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам отображения и обработки информации. Бистабильный жидкокристаллический элемент включает слой жидкого кристалла или жидкокристаллического материала с инверсией знака диэлектрической анизотропии, расположенный между двумя подложками с электродами на их внутренних плоскостях, обработанных для ориентации жидкого кристалла или покрытых ориентирующими слоями. Поляроиды или иные средства, их заменяющие, служат для установления различия между переключаемыми бистабильными состояниями при подаче на электроды специальных электрических сигналов в виде импульсных пакетов с частотой электрического напряжения меньшей и большей частоты инверсии знака диэлектрической анизотропии жидкого кристалла. Различные режимы бистабильного переключения жидкого кристалла могут достигаться в зависимости от ориентации директора ЖК на подложках. Технический результат - улучшение электрооптических и эксплуатационных характеристик жидкокристаллического элемента. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 13 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам отображения и обработки информации и способам управления ими, в частности к бистабильным жидкокристаллическим дисплеям, характеризующимся, по крайней мере, двумя оптически различимыми стабильными или метастабильными состояниями надмолекулярной структуры жидкого кристалла (ЖК), которые могут переключаться внешним электрическим полем. В таких устройствах электрическое поле требуется только для переключения оптических состояний и не требуется для их поддержания, что обеспечивает низкое потребление электрической энергии. Бистабильность и ее пороговый характер переключения обуславливают высокую информационную емкость дисплеев даже при использовании пассивных способов адресации отдельных элементов ("пикселей") дисплея.

Известен бистабильный жидкокристаллический элемент (БЖКЭ) [U.S. Pat. №4367924, январь 1983], содержащий слой сегнетоэлектрического жидкого кристалла (ЖК), помещенный между двумя подложками с прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями на внутренних поверхностях. За счет взаимодействия электрического поля со спонтанной поляризацией ЖК при определенных условиях, накладываемых на его параметры и параметры ориентирующих слоев, оптическая ось ЖК переключается в плоскости жидкокристаллического элемента (ЖКЭ) на угол 2θ между двумя эквивалентными стабильными положениями, где θ - угол между нормалью к смектическим слоям ЖК и средним направлением длинных осей молекул (директором ЖК). Два этих состояния БЖКЭ оптически различимы при применении соответствующим образом ориентированных поляроидов. Недостатками БЖКЭ этого типа являются высокие управляющие напряжения, необратимое разрушение ориентации ЖК при механическом воздействии на ЖКЭ и трудность получения исходной оптически однородной текстуры ЖК. Кроме того, для максимального оптического отклика требуется малая толщина слоя ЖК (d=1-2μ), а также высокая однородность толщины слоя ЖК по площади дисплея, что влечет за собой значительные технологические трудности при изготовлении дисплеев.

Известен БЖКЭ [U.S. Pat. №6327017, декабрь 2001], содержащий слой нематического ЖК, помещенный между двумя подложками с прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями. Механизм бистабильного переключения оптических состояний в таких БЖКЭ основан на свойствах сцепления ЖК с ориентирующими покрытиями, которое на одном из них сильное, а на втором ориентирующем покрытии сцепление слабое. Переключение между двумя оптически различимыми текстурными состояниями ЖК достигается разрушением сцепления молекул ЖК на ориентирующей поверхности со слабой энергией сцепления. Двум стабильным текстурам соответствуют исходная планарная ориентация ЖК и текстура, закрученная на 180°. Первая из них достигается при плавном выключении управляющего импульса напряжения (например, применением импульса с плавно спадающим задним фронтом), вторая при использовании импульса с крутым задним фронтом. Недостатками таких БЖКЭ является сильная толщинная зависимость параметров управляющих импульсов, связанная с жесткими требованиями на величины отношения толщины ЖК слоя к естественному шагу холестерической спирали и энергии сцепления.

Известен БЖКЭ [U.S. Pat. №6249332, июнь 2001], содержащий слой нематического ЖК, помещенный между двумя подложками с прозрачными электродами на внутренних поверхностях, на одной из которых сформирована рельефная периодическая решетка, а вторая поверхность плоская и покрыта стандартным ориентантом, задающим планарную или гомеотропную ориентацию ЖК. Недостатками таких БЖКЭ являются большие времена переключения и критические требования к параметрам решетки (ее периоду и высоте рельефа) и к величине энергии сцепления. Кроме того, практически не развиты ЖК материалы для этих БЖКЭ.

Наиболее близкими по технической сущности к настоящему изобретению являются БЖКЭ на нематических ЖК, легированных киральными добавками таким образом, что исходная текстура ориентированного слоя ЖК закручена на 180° [U.S. Pat. №4239345, декабрь 1980]. При подаче на слой ЖК электрических импульсов с резким или плавным задним фронтом реализуются, соответственно, два оптически различимых метастабильных состояния с твист-углом 360° или однородной планарной ориентацией. Недостатками данных БЖКЭ являются: жесткие требования к величине отношения толщины слоя ЖК d к шагу геликоида р, что ограничивает диапазон рабочих температур вследствие температурной зависимости параметра d/p, наличие исходной закрученной на 180° стабильной текстуры ЖК, которая в начале работы ЖКЭ должна быть переведена в одно из рабочих метастабильных состояний; низкие контрастные характеристики из-за присутствия в оптическом отклике "баунса", обусловленного содержанием значительного количества холестерической добавки, необходимой для создания изначальной закрученной на 180° структуры.

Настоящее изобретение связано с применением в устройствах БЖКЭ двухчастотных ЖК и со способами управления ими.

Известен способ (H.K.Bucher, R.I.Klingbiel, J.P.Van Meter, "Frequency-addresed liquid crystal field effect", App. Phys. Letters, v.25, p.186, 1974) управления ЖКЭ на двухчастотных ЖКМ, используемый для увеличения быстродействия электрооптического отклика, например твист-эффекта, который заключается в том, что для уменьшения времени релаксации директора ЖК, возбужденного электрическим импульсом, модулированным низкой частотой (низкочастотным пакетом), после его окончания на ЖКЭ подается импульс, модулированный высокой частотой (высокочастотный пакет). Однако описанным способом управления ЖКЭ режим бистабильного переключения не реализуется.

Известен способ (Ernst Leuder, "Liquid crystal displays. Addressing schemes and electro-optical effects", John Wiley & Sons, Ltd., 2001, p. 194) пассивной адресации матричного ЖКЭ, в котором для увеличения мультиплексности используется двухчастотный ЖКМ. Последовательное включение и выключение элементов матрицы осуществляется различными по амплитуде низкочастотными и высокочастотными пакетами. Данным способом управления был реализован только моностабильный режим переключения оптических состояний ЖКЭ.

Верхний предел рабочей температуры ЖКЭ на двухчастотных ЖКМ ограничивается значением частоты переменного напряжения высокочастотного пакета, которая должна быть всегда выше частоты инверсии знака диэлектрической анизотропии f_u. Типичная величина f_u для известных коммерческих ЖКМ при комнатной температуре находится в диапазоне от 0.5 до 15 кГц и увеличивается экспоненциально с ростом температуры. Например, для ЖКМ 3333 (ROCHE) частота f_u = 4.2 кГц при 22°С и 20 кГц при 37°С. Таким образом, верхний предел рабочей температуры при использовании ЖКМ 3333 и при частоте управляющего высокочастотного напряжения 20 кГц не может превышать примерно 37°С. Увеличение частоты управляющего высокочастотного пакета по мере повышения температуры ЖКЭ привело бы к значительному увеличению потребляемой электрической мощности, так как основным источником потери энергии является многократная перезарядка электрической емкости БЖКЭ на высоких частотах, что ограничивает временной ресурс работы устройства при его автономном питании от батареи. Известен способ (E.P.Raynes, J.A. Shanks, "Fast-switching twisted nematic electro-optical shutter and colour filter", Electr. Letters v.10, №7, 114, 1974) уменьшения потерь на высоких частотах за счет компенсации емкостного сопротивления ЖКЭ подключением параллельной индуктивности, последовательно соединенной с блокирующим конденсатором. Однако этот способ применим лишь для одиночных ЖКЭ с одной фиксированной емкостью. В случае матричных устройств он неприемлем.

Настоящее изобретение направлено на создание БЖКЭ и способов управления ими, которые обеспечат улучшенные электрооптические и эксплуатационные характеристики высокоинформационных дисплеев и других функциональных устройств оптоэлектроники, производство которых совместимо с существующими технологиями. Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемых данным изобретением БЖКЭ в качестве электрооптической среды, заключенной между двумя подложками с электродами и ориентирующими покрытиями на их внутренних поверхностях, используются ЖК или смесевой жидкокристаллический материал с инверсией знака диэлектрической анизотропии (двухчастотные ЖКМ), а переключение, по крайней мере, между двумя стабильными или метастабильными состояниями осуществляется импульсами низкой и высокой частоты.

Бистабильный жидкокристаллический элемент содержит слой жидкого кристалла, заключенного между двумя подложками с электродами на внутренних поверхностях, обработанными для ориентации жидкого кристалла, или с ориентирующими покрытиями на них, и имеющий средство для установления различия между переключаемыми состояниями жидкого кристалла, при этом в качестве жидкого кристалла используются двухчастотный жидкий кристалл или двухчастотный жидкокристаллический материал в нематической или в холестерической фазах с инверсией знака диэлектрической анизотропии, в котором при приложении к электродам электрических сигналов в виде двухчастотных пакетов устанавливаются и после окончания их действия сохраняются, по крайней мере, два стабильных или метастабильных структурных состояния, соответствующих различным молекулярным конфигурациям жидкого кристалла.

Элемент по п.1 отличается тем, что электроды, обработанные для ориентации жидкого кристалла, или ориентирующие покрытия на них обеспечивают планарную или наклонную ориентацию и высокую энергию сцепления с молекулами жидкого кристалла, а переключение двухчастотными пакетами осуществляется между двумя топологически эквивалентными распределениями директора по толщине слоя жидкого кристалла, определяемыми углами закрутки директора

соответственно, где φ₁ и φ₂ - азимутальные углы в интервале [0, 2π], определяющие ориентацию директора жидкого кристалла на первом и втором ориентирующих покрытиях соответственно, a k={...-n, ...-1, 0, 1, ...n, ...} - произвольное целое число, зависящее от величины и знака естественного шага холестерической спирали жидкого кристалла, при этом знак "+" или знак "-" в уравнении (2) для второго состояния может однозначно задаваться как знаком величины разности углов φ₂-φ₁, так и знаком киральности жидкого кристалла.

Элемент по п.1 отличается тем, что один из электродов, обработанный для ориентации жидкого кристалла, или ориентирующее покрытие на нем обеспечивает планарную или наклонную ориентацию и высокую энергию сцепления с молекулами жидкого кристалла, в то время как второе покрытие характеризуется меньшей энергией сцепления, такой, что при воздействии низкочастотного пакета происходит отрыв директора жидкого кристалла на этой поверхности, и двухчастотное переключение осуществляется между двумя топологически неэквивалентными состояниями директора жидкого кристалла, определяемыми углами закрутки

соответственно, где φ₁ и φ₂ - азимутальные углы в интервале [0, 2π], определяющие ориентацию директора жидкого кристалла на первой и второй ориентирующих поверхностях соответственно, a k={...-n, ...-1, 0, 1, ...n, ...} - произвольное целое число, зависящее от величины и знака естественного шага холестерической спирали жидкого кристалла материала, при этом одно из двух состояний, определяемое знаком "+" или знаком "-" в уравнении (4), может однозначно задаваться как знаком разницы углов φ₂-φ₁, так и знаком киральности жидкого кристалла.

Элемент по п.2 отличается тем, что при углах φ₁=φ₂=0 и целом числе k=0, и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким, что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между однородной и закрученной на +2π или -2π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=0 и φ₂=π/2 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкокристаллического материала на толщину слоя лежит в интервале 0.75±0.25 мкм.

Элемент по п.2 отличается тем, что при углах φ₁=φ₂=0 и целом числе k=0, и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким, что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу спирали холестерической р есть величина d/p≪l, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между однородной и закрученной на +2π или -2π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/3±π/12, и φ₂=π/4±π/12 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристалла на толщину слоя лежит в интервале 0.25±0.1 мкм.

Элемент по п.2 отличается тем, что при углах φ₁=φ₂=0 и целом числе k=0, и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким, что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу спирали холестерической р есть величина d/p≪1, двухчастотное переключение осуществляется между однородной и закрученной на +2π или -2π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/4±π/12, и φ₂=π/4±π/12 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристалла на толщину слоя лежит в интервалах: 0.25±0.1 мкм, 1.35±0.1 мкм.

Элемент по п.2 отличается тем, что при углах φ₁=φ₂=0 и целом числе k=0, и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким, что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/р≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между закрученной на -2π или +2π и закрученной на +3π/2 или -3π/2 структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/4 и φ₂=-π/4 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристалла на толщину слоя лежит в интервале 0.75±0.05 мкм.

Элемент по п.2, отличается тем, что при углах φ₁=0, φ₂=-π/2 или φ₂=+π/2 и целом числе k=0, и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким, что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между закрученной на -π/2 или +π/2 и закрученной на +3π/2 или -3π/2 структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов и зеркала, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/4 и φ₂=-π/4 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристалла на толщину слоя лежит в интервале 0.75±0.05 мкм.

Элемент по п.2, отличается тем, что при углах φ₁=0, φ₂=-π или φ₂=+π и целом числе k=0, и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким, что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между закрученной на -π, или -π и закрученной на +π или -π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/3+π/30, и φ₂=-π/6 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкокристаллического материала на толщину слоя лежит в интервале 0.5±0.05 мкм.

Элемент по п.2 отличается тем, что при углах φ₁=0, φ₂=-π и целом числе k=0 и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким, что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между закрученной на -π или закрученной на +π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/3 и φ₂=-π/30 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристалла на толщину слоя лежит в интервале 0.5±0.05 мкм.

Элемент по п.1 отличается тем, что в качестве жидкого кристалла используются двухчастотный жидкий кристалл или двухчастотный жидкокристаллический материал с инверсией знака диэлектрической анизотропии в нематической или холестерической фазе, легированные дихроичным красителем.

Элемент по п.1, отличается тем, что в качестве средства для установления различия между переключаемыми состояниями жидкого кристалла используется, по крайней мере, один поляроид.

Элемент по п.1 отличается тем, что в оптической схеме используется, по крайней мере, одна фазовая пластинка.

Элемент по п.1 отличается тем, что, по крайней мере, одна из подложек прозрачная.

Элемент по п.1 отличается тем, что, по крайней мере, одна из подложек гибкая.

Элемент по п.1 отличается тем, что, по крайней мере, один из электродов прозрачный.

Элемент по п.1 отличается тем, что на одной из подложек на внутренней или наружной стороне расположен отражающий зеркальный слой, способный возвращать свет для двойного прохождения сквозь жидкий кристалл и возвращать его к наблюдателю или регистрирующему устройству.

Способ управления бистабильным жидкокристаллическим элементом электрическими сигналами в виде двухчастотных пакетов, в котором переключение между состояниями жидкого кристалла осуществляется низкочастотными пакетами с частотой электрического напряжения меньше частоты инверсии знака диэлектрической анизотропии, при этом амплитуда, длительность, порядок следования пакетов и задержка между ними выбираются такими, что при их воздействии в жидкокристаллическом слое создаются условия для переключения директора жидкого кристалла между, по крайней мере, двумя бистабильными или метастабильными состояниями.

Способ управления по п.18 отличается тем, что переключение в одно из бистабильных или метастабильных состояний реализуется двухчастотным пакетом, состоящим из двух последовательных пакетов низкой и высокой частоты, а второе состояние достигается при приложении одного низкочастотного пакета.

Способ управления по п.18 или 19 отличается тем, что для формирования высокочастотного пакета напряжения используется резонансная электрическая цепь, преобразующая короткие однополярные импульсы на входе в высокочастотные колебания на выходе.

Способ пассивной адресации матричных устройств на бистабильных жидкокристаллических элементах, в котором используется одновременная адресация нескольких строк одним низкочастотным пакетом, после чего пакетами высокой частоты производится последовательная запись информации в отдельные элементы матрицы.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-13 и иллюстрируется примерами 1-4.

Фиг.1 показывает конструкцию БЖКЭ и поясняет принцип его работы. 1 - слой жидкого кристалла; 2,3 - подложки; 4,5 - электроды; 6,7 - ориентирующие слои; 8,9 - поляризаторы.

Фиг.2 показывает пример принципиальных для работы БЖКЭ зависимостей главных компонент тензора диэлектрической проницаемости от частоты электрического поля.

Фиг.3 показывает новый способ пассивной двухчастотной адресации бистабильных элементов в ЖК-дисплее, в котором низкочастотный пакет используется для одновременной адресации нескольких строк.

Фиг.4 показывает оптический отклик 10 экспериментального БЖКЭ как функцию времени на управляющие сигналы 11 и 12 с задержкой между его низкочастотным 11 и высокочастотным 12 пакетами напряжения.

Фиг.5 поясняет способ резонансного управления БЖКЭ.

Фиг.6 отображает ориентационные изменения директора в слое ЖК при переключении между планарной и закрученной на 360° структурами (режим 0/360), а также эпюры управляющих пакетов для переключения в закрученную текстуру и обратно.

Фиг.7 показывает оптический отклик опытного БЖКЭ как функцию времени на управляющие электрические сигналы при переключении в режиме 0/360 при разных толщинах слоя ЖК.

Фиг.8 показывает карту угловой зависимости контраста оптического пропускания БЖКЭ при переключении в режиме 0/360.

Фиг.9 показывает карту контраста оптического пропускания при нормальном падении световой волны на БЖКЭ и переключении в режиме 0/360 в зависимости от ориентации φ₂ оси пропускания второго поляроида и оптической задержки dΔn слоя ЖК при ориентации оси первого поляроида под углом φ₁=0° к направлению легкой оси ориентирующего слоя. Однородное (не закрученное) состояние - черное.

Фиг.10 показывает карту контраста оптического пропускания БЖКЭ в режиме переключения 0/360 в зависимости от ориентации оси пропускания второго поляроида φ₂ и оптической задержки dΔn слоя ЖК при ориентации оси первого поляроида под углом φ₁=45° к направлению легкой оси (натиранию) ориентирующего слоя. Однородное (не закрученное) состояние - белое.

Фиг.11 показывает карту контраста оптического отражения БЖКЭ в режиме переключения 0/360 в зависимости от ориентации второго поляроида (со стороны зеркала) φ₂ и оптической задержки dΔn слоя ЖК при ориентации оси первого поляроида под углом φ₁=45° к направлению легкой оси (натиранию) ориентирующего слоя.

Фиг.12 отображает ориентационные перестроения в слое ЖК между структурами, закрученными на -180° и на +180° (режим -180/+180), и эпюры управляющих импульсов для их реализации.

Фиг.13 отображает ориентационные перестроения в слое ЖК между структурами, закрученными на -90° и на +270° (режим -90/+270), и эпюры управляющих импульсов для их реализации.

БЖКЭ (фиг.1) содержит ориентированный слой двухчастотного ЖКМ 1, заключенный между двумя прозрачными подложками 2 и 3, одна или обе из которых могут быть изготовлены из стекла или из гибких, например, полимерных материалов. На внутренние поверхности подложек нанесены электроды 4 и 5 для подачи электрических сигналов. Электроды могут быть прозрачными (например, ITO или SnO₂), или один из них может быть отражающим. Исходная надмолекулярная структура ЖК, описываемая ориентацией директора в слое (т.е. направлением преимущественной ориентации длинных осей молекул ЖК), формируется соответствующей обработкой электродов или нанесением на электроды ориентирующих тонких полимерных слоев 6 и 7 (например, из полиимидных материалов) с последующим их натиранием в выбранных направлениях, или нанесением на электроды тонких слоев фоточувствительных материалов, ориентирующие свойства которым придаются при облучении светом, и др. Обе подложки могут быть ориентирующими планарно или с углом преднаклона. БЖКЭ содержит средства для установления различия между переключаемыми под действием электрических сигналов состояниями, например, оснащен двумя поляроидами 8 и 9 с определенной ориентацией осей пропускания по отношению к направлениям директора на ориентирующих поверхностях. БЖКЭ может быть оснащен зеркалом и лишь одним поляроидом, если используется в режиме отражения, или может быть без поляроидов при работе в режиме "гость-хозяин" (режим, когда ЖКМ содержит дихроичный краситель). Для улучшения и оптимизации оптических характеристик БЖКЭ могут быть использованы оптические компенсаторы, светорассеивающие покрытия и другие оптические элементы.

Двухчастотный ЖКМ имеет на низких частотах f<f_u (здесь f_u - частота инверсии знака диэлектрической анизотропии) положительную диэлектрическую анизотропию

где ε_// и

- диэлектрические проницаемости вдоль и перпендикулярно директору ЖК соответственно, а на высоких частотах f>f_u диэлектрическая анизотропия ЖК отрицательная ε_a<0 (фиг.2). ЖКМ представляет собой смесь различных ЖК веществ, или смесь жидкокристаллических веществ и нежидкокристаллических веществ, или может быть отдельным жидкокристаллическим веществом. ЖКМ может быть легирован красителями с положительным или отрицательным дихроизмом для дополнительного управления оптическими характеристиками БЖКЭ (управление цветом, контрастом и т.д.) как при использовании поляроидов, так и для установления различия между переключаемыми состояниями без применения поляроидов.

Для реализации метастабильных структур на двухчастотных ЖКМ не обязательно наличие у ЖКМ киральности. Однако для некоторых вариантов БЖКЭ незначительная киральность ЖК, обеспечивающая естественный шаг спирали р много меньше толщины слоя ЖК d, может быть полезной для снятия вырождения индуцированных метастабильных состояний по направлению закрутки или для увеличения времени их жизни. Одновременно киральность способствует также устранению вырождения стабильных состояний в БЖКЭ. Киральные свойства ЖКМ могут быть индуцированы примесями оптически активных веществ или ЖКМ может быть собственным холестериком. Вырождение по направлению закрутки начальных или индуцированных метастабильных структур может быть снято и без киральных свойств у ЖКМ, если создать небольшой азимутальный угол между направлениями ориентации директора на противоположных подложках БЖКЭ.

Переключение между различимыми оптическими состояниями БЖКЭ, соответствующими стабильным или метастабильным текстурам ЖК, осуществляется электрическими сигналами в виде импульсных пакетов электрического напряжения низкой (f<f_u) и высокой (f>f_u) частот в различной комбинации, с разной длительностью и амплитудой. Сущность предлагаемого нами способа управления ЖКЭ для достижения бистабильного переключения заключается в том, что при определенных граничных условиях, определяющих текстуры ЖК, длительность и амплитуда низкочастотных и высокочастотных пакетов выбираются такими, при воздействии которых индуцируются или подавляются обратные гидродинамические потоки, что создает условия для релаксации директора ЖК в различные стабильные или метастабильные текстуры. Стабильное начальное состояние ЖК может быть однородным (например, планарная ориентация ЖК на обеих подложках), или закрученным на различные углы с планарными граничными условиями. При воздействии следующих друг за другом низкочастотного и высокочастотного пакетов (далее такую комбинацию из двух пакетов будем называть двухчастотным пакетом), начальная текстура ЖК низкочастотной составляющей переводится в квазигомеотропную текстуру. Под действием высокочастотной пакета, следующего непосредственно за низкочастотным, и индуцируемых обратных гидродинамических потоков ЖК переходит в топологически эквивалентную метастабильную текстуру, отличающуюся от начальной изменением закрутки директора на 360°. Обратный перевод ЖК в начальную текстуру осуществляется одиночным низкочастотным пакетом. В последнем случае может быть использован также и двухчастотный пакет, что позволяет уменьшить время переключения. Однако длительность и амплитуда высокочастотной составляющей двухчастотного пакета не должны превышать определенного порога. Конкретный выбор той или иной комбинации управляющих пакетов и граничных условий позволяет реализовать различные варианты БЖКЭ. Некоторые из них иллюстрируются ниже на примерах 1-3.

Для матричных устройств на основе двухчастотных БЖКЭ предлагается способ пассивной адресации (мультиплексирования) отдельных БЖКЭ (пикселей), отличающийся тем, что для сокращения общего времени адресации адресация столбцов идет только короткими высокочастотными пакетами после того, как с помощью низкочастотного пакета одновременно выбраны все элементы сразу в нескольких строках матрицы. Способ уменьшения общего времени адресации пассивных матричных устройств на основе двухчастотных БЖКЭ, иллюстрируемый на фиг.3, основан на экспериментальных данных (фиг.4), показывающих, что бистабильное переключение 10 допускает задержку Δt_d в двухчастотном пакете между его низкочастотной 11 и высокочастотной 12 частями. В этом случае схема адресации (фиг. 3) выглядит следующим образом. Сначала прикладывается низкочастотный пакет одновременно к N строкам матрицы. В этот момент времени все столбцы матрицы находятся под нулевым потенциалом. Пусть амплитуда низкочастотного пакета такова, что в течение его длительности t_L=Δt_d/2 директор ЖК переходит в гомеотропное состояние во всех элементах из N строк. После этого низкочастотного управления начинается процесс высокочастотной, но уже построчной записи данных в отдельные элементы из этих N строк. На столбцы подаются высокочастотные пакеты, при этом строки последовательно выбираются нулевым потенциалом. Наличие высокочастотного пакета на выбранном элементе означает запись логической единицы, а его отсутствие - это запись логического нуля. Логической единице или нулю соответствуют разные оптически различимые состояния. Таким образом, суммарное время адресации N строк составит Δt_d/2+Δt_d=3Δt_d/2=3t_L вместо (t_L+t_h)×N при использовании последовательной схемы адресации, когда для каждого элемента последовательно используются двухчастотные пакеты. Общая формула для времени адресации одной строки предлагаемым способом имеет вид:

где N_L - число одновременно адресуемых строк низкочастотным пакетом. Увеличивая амплитуду низкочастотного пакета, можно сокращать время t_L. Время t_h также можно сократить, увеличивая амплитуду высокочастотного пакета. Так как бистабильность допускает очень низкую частоту обновления кадров, то это позволяет создавать дисплеи с чрезвычайно высокой информационной емкостью, не прибегая к активно-матричным схемам адресации. Так, даже при использовании уже известных двухчастотных ЖКМ можно адресовать до 4000 строк в матричных устройствах.

Для сокращения потерь энергии во время формирования (записи) изображения в дисплеях, а также при адресации других устройств, основанных на двухчастотных БЖКЭ, и для расширения верхнего предела их рабочих температур в данном изобретении предлагается способ формирования пакетов высокочастотного напряжения, отличающийся тем, что в нем используется резонансная электрическая цепь, позволяющая обеспечить перезарядку емкости БЖКЭ на высоких частотах при минимальном потреблении энергии от источника питания. Предлагаемый способ заключается в том, что перезарядка емкости БЖКЭ происходит за счет энергии, накопленной в резонансном контуре, что позволяет повысить частоту напряжения в высокочастотном пакете и сократить потери энергии. Сущность способа поясняется схемой, приведенной на фиг.5. Для формирования высокочастотных пакетов предлагается использовать резонансную цепь. Высокочастотный затухающий пакет 15 формируется после подачи на резонансную цепь, образованную индуктивностью L и, в простейшем случае, емкостью C_LC БЖКЭ, одиночного короткого импульса напряжения 16. Типичные значения удельной проводимости двухчастотных ЖКМ, связанные с диэлектрическими потерями на высоких частотах, находятся в диапазоне 1×10^-8 - 3×10^-8 Ом^-1см^-1. Таким образом, отношение реактивной и активной компонент проводимости БЖКЭ (добротность) на частоте 100 кГц может быть оценена как:

Так как добротность больше единицы, то это допускает повторное использование накопленной в электрической емкости C_LC БЖКЭ энергии при его многочисленной перезарядке на протяжении высокочастотного пакета. В реальной управляющей схеме полезно использовать дополнительную внешнюю емкость C_m, которая должна быть в несколько раз больше общей емкости всех адресуемых элементов в строке. Это позволяет ослабить зависимость резонансной частоты от состава информации, записываемой в адресуемую строку. Кроме того, добротность Q резонансной цепи становится выше. Резонансная цепь позволяет минимизировать потери не только в объеме ЖК, но и в электронных элементах управляющей схемы. В примере, показанном на фиг.5, контроллер может быть запрограммирован в соответствии с требованиями предложенного выше способа адресации, основанного на одновременном низкочастотном управлении несколькими строками. После подачи низкочастотного пакета одновременно на несколько строк начинается цикл построчной высокочастотной адресации. Для этого формируется короткий импульс, накапливающий энергию в резонансном контуре, образуемом индуктивностью L и емкостью С_m. Необходимая длительность импульса определяется примерно как τ=1/(4f_r), где

- резонансная частота контура. После завершения импульса резонансная цепь изолируется от контроллера с помощью дополнительной электронной схемы (в простейшем случае с помощью диода D, фиг.5). Возникшие колебания в контуре мультиплексируются электронными ключами на отдельные элементы адресуемых строк. Благодаря высокой добротности резонансной цепи энергия медленно диссипирует, что обеспечивает необходимую длительность высокочастотного пакета при экономии энергии источника питания. Еще одна полезная особенность резонансной цепи - это возможность генерации высоковольтных импульсов при низком управляющем напряжении.

Пример 1.

Слой двухчастотного ЖКМ помещен между двумя стеклянными пластинами 2 и 3 (фиг.1) с прозрачными ITO электродами на внутренних поверхностях и имеет начальную планарную ориентацию. В качестве ориентанта использовались натертые слои полиимида, полученные термической имидизацией полипиромеллитамидокислоты АД-91-03 (НПО "ПЛАСТИК", Россия). В собранном БЖКЭ направления натирания полиимидных слоев, определяющие направления легких осей, на противоположных поверхностях являются антипараллельными. Средние углы преднаклона молекул (директора) ЖК на стенках БЖКЭ имеют одинаковый знак и составляли 2-3°. В составе БЖКЭ использован двухчастотный ЖКМ 3333 (ROCHE). Для снятия вырождения по знаку поворота директора ЖКМ легирован оптически активным (киральным) соединением ХДН-1 (ГНЦ НИОПИК, Россия), индуцирующим левостороннюю закрутку директора ЖК. Концентрация примеси составляла 0.06 вес.%, а индуцированный естественный шаг спирали был равен 90±10 мкм. Слой ЖК помещен между двумя скрещенными поляроидами. Ось пропускания первого поляроида 8 совпадает с соответствующим направлением директора ЖК на ориентирующей поверхности 6 (φ₁=φ₁=0). Ось пропускания второго поляроида 9 перпендикулярна направлению директора ЖК на ориентирующей поверхности 7 (φ₂=90°, φ₂=0).

В отсутствие электрического поля БЖКЭ с ЖК слоем в однородном начальном состоянии непрозрачен. При подаче на слой ЖК двухчастотного пакета, состоящего из низкочастотного пакета 20 и высокочастотного пакета 17, исходная однородная планарная текстура ЖК 18 переключается в метастабильную закрученную на 360° структуру 19. Будучи в закрученном состоянии, ЖК слой изменяет состояние поляризации проходящего сквозь него света, и БЖКЭ начинает пропускать свет. Время жизни метастабильного закрученного состояния зависит от толщины слоя ЖК и наличия дефектов на ориентирующих поверхностях. Типичные значения времени жизни метастабильного состояния в данном примере составляют десятки секунд, что определяет минимальную частоту обновления кадров в ЖК-дисплее.

При подаче на возбужденную ячейку одиночного низкочастотного пакета 20 (фиг.6) закрученная на 360° ЖК структура переходит обратно в однородную планарную структуру, которая не изменяет состояние поляризации света и БЖКЭ становится непрозрачным. Работу опытного БЖКЭ демонстрируют экспериментальные осциллограммы оптического пропускания на фиг.7 при различных толщинах слоя ЖК (кривые 21-25 соответствуют толщинам, равным 4, 4.8, 5.6, 6.3, 9.3 мкм соответственно) и управляющих электрических сигналов. Частоты синусоидального напряжения в низкочастотном 20 и высокочастотном 17 пакетах составляли 1 кГц и 20 кГц соответственно. В качестве источника света использовалась лампа накаливания, спектральный диапазон излучения которой ограничивался фильтром СЗС-23 с пропусканием в диапазоне длин волн 320-720 нм. В качестве приемника излучения использовался фотоумножитель. Видно, что после воздействия электрического сигнала, состоящего из низкочастотного и высокочастотного пакетов напряжения, пропускание возрастает и остается практически неизменным после его окончания. После воздействия электрического сигнала в виде одиночного низкочастотного пакета 20 пропускание уменьшается до величины, равной пропусканию планарной текстуры ЖК, и в дальнейшем остается неизменным до прихода двухчастотного пакета напряжения. Промежуточное гомеотропное состояние ориентации ЖК после воздействия низкочастотных пакетов не ведут к изменению пропускания, поскольку при этом структурном состоянии, как и при планарной ориентации слоя ЖК, БЖКЭ не пропускает свет в скрещенных поляроидах. Таким образом, использование ЖКМ с инверсией знака диэлектрической анизотропии позволяет с помощью описанных электрических сигналов переводить БЖКЭ в два оптически различимых состояния, одно из которых 18 является основным (соответствует однородной планарной ориентации ЖК), а второе 19 - метастабильным (соответствует закрученной на 360° структуре ЖК).

В данном примере, когда переключение осуществляется между однородной планарной и закрученной на 360° структурами (режим 0/360), даже при использовании простейшей оптической схемы из двух поляроидов могут быть реализованы дисплеи с высокими оптическими характеристиками. На фиг.8 показаны кривые изоконтрастного отношения для различных углов наблюдения (вдоль радиуса и окружностей изменяются зенитальный и азимутальный углы наблюдения соответственно) в режиме нормально-черной моды. Для получения оптимальных характеристик БЖКЭ в режиме пропускания оптическая анизотропия Δn ЖКМ и толщина d слоя ЖКМ должны быть выбраны в соответствии с картой на фиг.9. Так, видно, что максимальный оптический контраст достигается при условиях, если обеспечена оптическая задержка Δnd ЖК слоя, равная 0.75 мкм. Если требуется, чтобы в основном однородном состоянии ЖК слоя БЖКЭ был прозрачен, то оптическая схема должна быть выбрана в соответствии с картой на фиг.10. В этом случае первый поляроид ориентируется под углом φ₁=45° к направлению ориентации соответствующей легкой оси (φ₁=0°), а оптимальная ориентация второго поляроида φ₂ и оптическая задержка слоя ЖК могут быть выбраны равными -35° и 0.25 мкм соответственно.

Режим бистабильного переключения 0/360 позволяет также реализацию простых оптических схем для высокоэффективных отражающих типов дисплеев. Выбор оптической анизотропии ЖКМ, толщины ЖК слоя и ориентация второго поляроида может быть сделан в соответствии с картой на фиг.11.

Пример 2.

Слой двухчастотного ЖКМ помещен между двумя стеклянными пластинами 2 и 3 (фиг.1) с прозрачными ITO электродами 4 и 5 на внутренних поверхностях и имеет однородную планарную ориентацию в основном состоянии. В качестве ориентанта использовались натертые слои полиимида, как и в примере 1. В собранном БЖКЭ направления натирания ориентирующих слоев параллельны. Средние углы преднаклона молекул ЖК на подложках 2 и 3 в этом случае имеют разный знак и составляют 2°-3° по абсолютной величине. В составе БЖКЭ использован специально разработанный опытный ЖКМ с инверсией знака диэлектрической анизотропии ТФ-140СТ со следующими основными параметрами: частота инверсии знака диэлектрической анизотропии f_i=5.7 кГц (Т=22°С), диэлектрическая анизотропия ε_a=+4.5 (1 кГц, 22°С), ε_a=-3.4 (22 кГц, 22°С), оптическая анизотропия

(λ=633 нм, 22°С), температура перехода кристалл - нематик Т_К-Н≤-5°С, температура перехода нематик - изотропная фаза Т_Н-И=85.2°С. ЖКМ содержит левовращающую оптически активную добавку ХДН-1 в количестве 0.1 вес.%, при котором естественный шаг геликоида составляет 55±5 мкм. Толщина слоя ЖКМ составляла 3.6 мкм. Слой ЖК помещен между двумя скрещенными поляроидами так, что направления натирания совпадают с осью пропускания первого поляризатора. При подаче на ячейку низкочастотного пакета с высокой амплитудой исходная планарная текстура ЖК под действием низкочастотной составляющей пакета переходит в гомеотропную текстуру и релаксирует в левозакрученную структуру 26 с закруткой на -180°, фиг.12. Если теперь подействовать двухчастотным пакетом 20, 17, то ЖК релаксирует в структуру 27 с правой закруткой на +180°. Обратное переключение в левозакрученную на -180° твист-структуру реализуется после подачи на ячейку одиночного низкочастотного пакета 20. Так как исходная планарная структура является топологически неэквивалентной по отношению к метастабильным структурам, закрученным на -180° или на +180°, то в дальнейшем смена пакетов приводит к переключению лишь между этими двумя противоположно закрученными состояниями. В данном конкретном примере было реализовано переключение при амплитудах низкочастотных и высокочастотных пакетов U_LF=20 В и U_HF=12 В и их длительностях 40 и 20 мс соответственно. Увеличение соответствующих амплитуд позволяло сократить длительности пакетов до единиц миллисекунд. Особенностью данного режима переключения является необходимость начального "инициирующего" низкочастотного или двухчастотного пакета высокой амплитуды, позволяющего перейти от исходной планарной структуры к одной из закрученных текстур. Преимуществом данного режима переключения является то, что два закрученных состояния характеризуются примерно одинаковой свободной энергией. Их время жизни ограничено лишь очень медленным процессом релаксации на дефектах ориентирующих поверхностей в топологически неэквивалентное основное состояние с однородной планарной ориентацией.

Обе индуцированные структуры (-180° и +180°) превращают плоскополяризованный свет в свет, по-разному поляризованный эллиптически. Чтобы два структурных бистабильных состояния различить оптически, в систему, изображенную на фиг.1, можно между ЖК слоем и поляризатором ввести фазовую пластину, либо использовать особое, специфичное для заданной оптической задержки слоя ЖК, взаимное расположение поляризаторов.

Пример 3.

Слой двухчастотного ЖКМ помещен между двумя стеклянными пластинами 2 и 3 (фиг.1) с прозрачными ITO электродами на внутренних поверхностях и имеет исходную левозакрученную на -90° структуру 28 с взаимной ориентацией директора на противоположных границах ЖК слоя под углом 90°, фиг.13. В качестве ориентанта использовались натертые слои полиимида, как и в примерах 1 и 2. В собранном БЖКЭ направления натирания ориентирующих слоев составляли 90°. Средние углы преднаклона молекул ЖК на подложках 2 и 3 имеют одинаковый знак и составляли 2°-3°. В составе БЖКЭ использован ЖКМ с инверсией знака диэлектрической анизотропии ТФ-140СТ. Для снятия вырождения по направлению поворота директора ЖКМ легирован левовращающей киральной добавкой ХДН-1 в количестве 0.1%, обеспечивающей шаг геликоида 55±5 мкм (т.е. р≫d). Вырождение также может быть снято, если угол между направлениями натирания подложек несколько отличаются от 90°, в этом случае в киральной добавке нет необходимости. При подаче на ЖКЭ двухчастотного пакета 20, 17 электрического напряжения ЖК переключается в правозакрученную на +270° структуру 29, фиг.13. Под действием одиночного низкочастотного пакета 20 метастабильная структура 29 переходит в гомеотропную и по окончании пакета релаксирует в основное состояние с левозакрученной на -90° структурой. Для увеличения скорости перехода от закрученной на +270° структуры в закрученную на -90° структуру низкочастотный импульсный пакет напряжения также может быть заменен на двухчастотный, но с пониженной амплитудой высокочастотной составляющей. Оптические характеристики БЖКЭ (например, контраст, цветовые характеристики) регулируются взаимной ориентацией поляроидов и величиной фазовой задержки Δnd слоя ЖК. Так, например, если Δn=0.15 мкм, d=5 мкм, т.е. Δnd=0.75 мкм, то в режиме нормально-белой моды максимальный контраст достигается при углах осей первого и второго поляроидов φ₁=50° и φ₂=-3° соответственно. В режиме нормально-черной моды максимальный контраст при тех же параметрах ЖК достигается на толщине d=4.7 мкм, т.е. при фазовой задержке Δnd=0.7 мкм.

Пример 4.

Слой легированного киральной добавкой ХДН-1 (концентрация добавки 0.06 вес.%) ЖКМ 3333 толщиной 5.6 мкм помещен между двумя стеклянными пластинами с ITO электродами в виде 12 полос на внутренних поверхностях каждой. ЖКЭ в собранном виде представляет собой матрицу с 12 строками и 12 столбцами (фиг.3). В качестве ориентанта использованы натертые слои полиимида, как и в примере 1. Амплитуда низкочастотного пакета (f=1 кГц) для параллельной адресации всех 12 строк составляла 50 В при его длительности 3 мс. Амплитуда высокочастотного пакета (f=20 кГц), подаваемого на столбцы для записи информации в каждый элемент матрицы, составляла 50 В при его длительности 0.5 мс. Время задержки между пакетами 11 и 12 составляло 6 мс.

Полное время адресации всех элементов в 12 строках матрицы по схеме, изображенной на фиг.3, составляет 9 мс. Время адресации этой же матрицы, когда каждый элемент адресуется двухчастотными пакетами, составляло около 42 мс. Таким образом, выигрыш по времени адресации составляет более чем в четыре раза.

Claims (21)

1. Бистабильный жидкокристаллический элемент, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя подложками с электродами на внутренних поверхностях, обработанными для ориентации жидкого кристалла или с ориентирующими покрытиями на них, и имеющий средство для установления различия между переключаемыми состояниями жидкого кристалла, отличающийся тем, что в качестве жидкого кристалла используются двухчастотный жидкий кристалл или двухчастотный жидкокристаллический материал в нематической или в холестерической фазах с инверсией знака диэлектрической анизотропии, в котором при приложении к электродам электрических сигналов в виде двухчастотных пакетов устанавливаются и после окончания их действия сохраняются, по крайней мере, два стабильных или метастабильных структурных состояния, соответствующие различным молекулярным конфигурациям жидкого кристалла.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды, обработанные для ориентации жидкого кристалла, или ориентирующие покрытия на них обеспечивают планарную или наклонную ориентацию и высокую энергию сцепления с молекулами жидкого кристалла, а переключение двухчастотными пакетами осуществляется между двумя топологически эквивалентными распределениями директора по толщине слоя жидкого кристалла, определяемыми углами закрутки директора

и

соответственно где φ₁ и φ₂ - азимутальные углы в интервале [0, 2π], определяющие ориентацию директора жидкого кристалла на первом и втором ориентирующих покрытиях соответственно, a k={...-n,...-1, 0, 1,...n,...} - произвольное целое число, зависящее от величины и знака естественного шага холестерической спирали жидкого кристалла, при этом знак "+" или знак "-" в уравнении (2) для второго состояния может однозначно задаваться как знаком величины разности углов φ₂-φ₁, так и знаком киральности жидкого кристалла.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что один из электродов, обработанный для ориентации жидкого кристалла, или ориентирующее покрытие на нем обеспечивает планарную или наклонную ориентацию и высокую энергию сцепления с молекулами жидкого кристалла, в то время как второе покрытие характеризуется меньшей энергией сцепления, такой что при воздействии низкочастотного пакета происходит отрыв директора жидкого кристалла на этой поверхности, и двухчастотное переключение осуществляется между двумя топологически неэквивалентными состояниями директора жидкого кристалла, определяемыми углами закрутки

и

соответственно где φ₁ и φ₂ - азимутальные углы в интервале [0, 2π], определяющие ориентацию директора жидкого кристалла на первой и второй ориентирующих поверхностях соответственно, a k={...-n,...-1, 0, 1,...n,...} - произвольное целое число, зависящее от величины и знака естественного шага холестерической спирали жидкого кристалла материала, при этом одно из двух состояний, определяемое знаком "+" или знаком "-" в уравнении (4), может однозначно задаваться как знаком разницы углов φ₂-φ₁, так и знаком киральности жидкого кристалла.

4. Элемент по п.2, отличающийся тем, что при углах φ₁=φ₂=0 и целом числе k=0 и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между однородной и закрученной на +2π или -2π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=0 и φ₂=π/2 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкокристаллического материала на толщину слоя лежит в интервале 0,75±0,25 мкм.

5. Элемент по п.2, отличающийся тем, что при углах φ₁=φ₂=0 и целом числе k=0 и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу спирали холестерической р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между однородной и закрученной на +2π или -2π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/3±π/12, и φ₂=π/4±π/12 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристалла на толщину слоя лежит в интервале 0,25±0,1 мкм.

6. Элемент по п.2, отличающийся тем, что при углах φ₁=φ₂=0 и целом числе k=0 и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу спирали холестерической р есть величина d/p≪1, двухчастотное переключение осуществляется между однородной и закрученной на +2π или -2π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/4±π/12, и φ₂=π/4±π/12 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристала на толщину слоя лежит в интервалах 0,25±0,1 мкм, 1,35±0,1 мкм.

7. Элемент по п.2, отличающийся тем, что при углах φ₁=φ₂=0 и целом числе k=0 и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между закрученной на -2π или +2π и закрученной на +3π/2 или -3π/2 структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/4 и φ₂=-π/4 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристала на толщину слоя лежит в интервале 0,75+0,05 мкм.

8. Элемент по п.2, отличающийся тем, что при углах φ₁=0, φ₂=-π/2 или φ₂+π/2 и целом числе k=0 и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между закрученной на -π/2 или +π/2 и закрученной на +3π/2 или -3π/2 структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов и зеркала, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/4 и φ₂=-π/4 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристалла на толщину слоя лежит в интервале 0,75±0,05 мкм.

9. Элемент по п.2, отличающийся тем, что при углах φ₁=0, φ₂=-π или φ₂=+π и целом числе k=0 и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между закрученной на -π, или +π и закрученной на +π или -π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/3+π/30, и φ₂=-π/6 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкокристаллического материала на толщину слоя лежит в интервале 0,5+0,05 мкм.

10. Элемент по п.2, отличающийся тем, что при углах φ₁=0, φ₂=-π и целом числе k=0 и при использовании жидкого кристалла с малым количеством левосторонней или правосторонней киральной добавки, таким что отношение толщины слоя d жидкого кристалла к шагу холестерической спирали р есть величина d/p≪1, переключение двухчастотными пакетами осуществляется между закрученной на -π или закрученной на +π структурами жидкого кристалла, а средство для установления оптического различия состоит из двух поляроидов, при этом оси пропускания первого и второго поляроидов ориентированы под углами φ₁=-π/3 и φ₂=-π/30 соответственно, а произведение оптической анизотропии жидкого кристалла на толщину слоя лежит в интервале 0,5±0,05 мкм.

11. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого кристалла используются двухчастотный жидкий кристалл или двухчастотный жидкокристаллический материал с инверсией знака диэлектрической анизотропии в нематической или холестерической фазе, легированные дихроичным красителем.

12. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве средства для установления различия между переключаемыми состояниями жидкого кристалла используется, по крайней мере, один поляроид.

13. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в оптической схеме используется, по крайней мере, одна фазовая пластинка.

14. Элемент по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна из подложек прозрачная.

15. Элемент по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна из подложек гибкая.

16. Элемент по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из электродов прозрачный.

17. Элемент по п.1, отличающийся тем, что на одной из подложек на внутренней или наружной стороне расположен отражающий зеркальный слой, способный возвращать свет для двойного прохождения сквозь жидкий кристалл и возвращать его к наблюдателю или регистрирующему устройству.

18. Способ управления бистабильным жидкокристаллическим элементом электрическими сигналами в виде двухчастотных пакетов, отличающийся тем, что переключение между состояниями жидкого кристалла осуществляется низкочастотными пакетами с частотой электрического напряжения меньше частоты инверсии знака диэлектрической анизотропии, при этом амплитуда, длительность, порядок следования пакетов и задержка между ними выбираются такими, что при их воздействии в жидкокристаллическом слое создаются условия для переключения директора жидкого кристалла между, по крайней мере, двумя бистабильными или метастабильными состояниями.

19. Способ управления по п.18, отличающийся тем, что переключение в одно из бистабильных или метастабильных состояний реализуется двухчастотным пакетом, состоящим из двух последовательных пакетов низкой и высокой частоты, а второе состояние достигается при приложении одного низкочастотного пакета.

20. Способ управления по п.18 или 19, отличающийся тем, что для формирования высокочастотного пакета напряжения используется резонансная электрическая цепь, преобразующая короткие однополярные импульсы на входе в высокочастотные колебания на выходе.

21. Способ пассивной адресации матричных устройств на бистабильных жидкокристаллических элементах, в котором используется одновременная адресация нескольких строк одним низкочастотным пакетом, после чего пакетами высокой частоты производится последовательная запись информации в отдельные элементы матрицы.

Images