RU2428733C1 - Multistable electrooptic element with polarisers - Google Patents

Multistable electrooptic element with polarisers Download PDF

Info

Publication number
RU2428733C1
RU2428733C1 RU2010119802/28A RU2010119802A RU2428733C1 RU 2428733 C1 RU2428733 C1 RU 2428733C1 RU 2010119802/28 A RU2010119802/28 A RU 2010119802/28A RU 2010119802 A RU2010119802 A RU 2010119802A RU 2428733 C1 RU2428733 C1 RU 2428733C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
liquid crystal
cholesteric liquid
light
film
transparent
Prior art date
Application number
RU2010119802/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анна Петровна Гардымова (RU)
Анна Петровна Гардымова
Виктор Яковлевич Зырянов (RU)
Виктор Яковлевич Зырянов
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН
Priority to RU2010119802/28A priority Critical patent/RU2428733C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2428733C1 publication Critical patent/RU2428733C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: element has two parallel transparent plates with transparent electrodes on inner sides between which there is a film of a capsular polymer of cholesteric liquid crystal, and the cholesteric liquid crystal used is a mixture of an ionic surfactant and a cholesteric liquid crystal with arbitrary value of dielectric anisotropy. On the outer sides of the transparent plates there are crossed polarisers. ^ EFFECT: obtaining multistable optical states of an electrooptic element based on capsular polymer of cholesteric liquid crystal: light-absorbing state, partially transparent state and intermediate states, which can be realised at any values of dielectric anisotropy of the cholesteric liquid crystals used. ^ 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам и элементам, основанным на жидких кристаллах и предназначенным для управления интенсивностью света с использованием электрического поля.The invention relates to optoelectronic technology, in particular to devices and elements based on liquid crystals and designed to control the light intensity using an electric field.

Известен оптический затвор [В.Я.Зырянов, С.Л.Сморгон, В.А.Жуйков «Оптический затвор», ПТЭ, 1991, №1, с.240], содержащий две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером нематического жидкого кристалла (КПНЖК) с положительной диэлектрической анизотропией. Работа элемента основана на изменении показателя преломления света в каплях нематического жидкого кристалла (НЖК) при воздействии электрического поля, что дает возможность управлять рассеянием света в пленке на границах раздела «капля НЖК - полимерная матрица» и, следовательно, управлять интенсивностью проходящего света. Без воздействия поля КПНЖК пленка интенсивно рассеивает свет, а под действием поля она переходит в прозрачное состояние. После выключения поля пленка возвращается в исходное светорассеивающее состояние.Known optical shutter [V.Ya. Zyryanov, S.L.Smorgon, V.A. Zhuykov “Optical shutter”, PTE, 1991, No. 1, p.240], containing two parallel located transparent plates with transparent electrodes on the inside between which there is a film of a polymer-encapsulated nematic liquid crystal (CPLC) with positive dielectric anisotropy. The operation of the element is based on a change in the refractive index of light in droplets of a nematic liquid crystal (NLC) under the influence of an electric field, which makes it possible to control the scattering of light in the film at the interfaces of the "NLC drop - polymer matrix" and, therefore, control the intensity of transmitted light. Without the action of the field of the CPLC, the film intensively scatters the light, and under the influence of the field, it passes into a transparent state. After turning off the field, the film returns to its original light-scattering state.

По механическим свойствам КПНЖК пленки близки к полимерным пленкам: они прочные, гибкие, простые в производстве, надежные в эксплуатации. Это позволяет применять КПНЖК пленки для изготовления гибких дисплеев, используя вместо прозрачных пластин-подложек полимерные пленки.By the mechanical properties of KPNZHK films are close to polymer films: they are durable, flexible, easy to manufacture, reliable in operation. This allows the use of KPNZHK films for the manufacture of flexible displays, using polymer films instead of transparent wafers.

Недостатком аналога является отсутствие возможности получить мультистабильные оптические состояния электрооптических устройств на основе КПНЖК пленок.A disadvantage of the analogue is the lack of the ability to obtain multistable optical states of electro-optical devices based on CNPC films.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является бистабильный электрооптический элемент дисплея [US Patent №6061107, МПК G02F 1/1333, опубл. 09.05.2000 г. (прототип)], содержащий две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла (КПХЖК) с положительной диэлектрической анизотропией. Здесь капли холестерического жидкого кристалла (ХЖК), капсулированные в полимерной пленке, при выключенном поле могут иметь две стабильные ориентационные структуры: отражающую планарную и светорассеивающую фокально-коническую структуры. В планарной структуре ось холестерической спирали в каплях направлена перпендикулярно плоскости КПХЖК пленки, и такая пленка отражает падающий на нее свет с определенной длиной волны. В фокально-коническом состоянии в каплях ХЖК образуются домены, интенсивно рассеивающие свет. Переключение между селективно отражающим и светорассеивающим состояниями пленки обеспечивается электрическим полем.The closest analogous combination of essential features is a bistable electro-optical display element [US Patent No. 6061107, IPC G02F 1/1333, publ. 05/09/2000 (prototype)], containing two parallel transparent plates with transparent electrodes on the inner sides, between which is a film of polymer-encapsulated cholesteric liquid crystal (CPLC) with positive dielectric anisotropy. Here, drops of a cholesteric liquid crystal (CLC) encapsulated in a polymer film can have two stable orientational structures when the field is off: reflecting planar and light-scattering focal-conical structures. In the planar structure, the axis of the cholesteric helix in the droplets is directed perpendicular to the CPCLC plane of the film, and such a film reflects light incident on it with a certain wavelength. In the focal-conical state, domains intensively scattering light form in CLC droplets. Switching between the selectively reflecting and light scattering states of the film is provided by the electric field.

Недостатком прототипа является невозможность получения стабильных оптических состояний элемента: светопоглощающего состояния, а также промежуточных состояний между светопоглощающим и прозрачным.The disadvantage of the prototype is the inability to obtain stable optical states of the element: the light-absorbing state, as well as intermediate states between the light-absorbing and transparent.

Техническим результатом изобретения является получение мультистабильных оптических состояний электрооптического элемента на основе капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла: светопоглощающего состояния, частично прозрачного состояния и промежуточных между ними, которые могут реализовываться при любых значениях диэлектрической анизотропии используемых ХЖК.The technical result of the invention is to obtain multistable optical states of an electro-optical element based on a polymer-encapsulated cholesteric liquid crystal: a light-absorbing state, a partially transparent state and intermediate between them, which can be realized at any values of the dielectric anisotropy of the used CLCs.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в мультистабильном электрооптическом элементе, содержащем две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла, новым является то, что в качестве холестерического жидкого кристалла использована смесь ионного сурфактанта и холестерического жидкого кристалла с произвольным значением диэлектрической анизотропии, а на внешних сторонах прозрачных пластин расположены поляризаторы, скрещенные относительно друг друга.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in a multistable electro-optical element containing two parallel transparent plates with transparent electrodes on the inner sides, between which there is a film of a polymer-encapsulated cholesteric liquid crystal, the mixture is used as a cholesteric liquid crystal ionic surfactant and cholesteric liquid crystal with an arbitrary value of the dielectric anisot ropias, and on the outer sides of the transparent plates are polarizers crossed relative to each other.

Отличия заявляемого электрооптического элемента от прототипа заключаются в том, что в качестве жидкого кристалла используется смесь ионного сурфактанта и холестерического жидкого кристалла с любой величиной и знаком диэлектрической анизотропии, а капли ХЖК, капсулированные в полимерной пленке, могут иметь стабильные ориентационные структуры: закрученную радиальную, однородную и промежуточные между ними. Причем на внешних сторонах прозрачных пластин расположены поляризаторы, скрещенные относительно друг друга.The differences of the claimed electro-optical element from the prototype are that a mixture of ionic surfactant and a cholesteric liquid crystal with any size and sign of dielectric anisotropy is used as a liquid crystal, and CLC droplets encapsulated in a polymer film can have stable orientational structures: swirling radial, uniform and intermediate between them. Moreover, on the outer sides of the transparent plates are polarizers crossed relative to each other.

Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».These signs allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».When studying other well-known technical solutions in this technical field, the features that distinguish the claimed invention from the prototype are not identified and therefore they provide the claimed technical solution with the criterion of "inventive step".

Изобретение поясняется чертежами, на которых схематически изображены поперечные сечения заявляемого электрооптического элемента с различными стабильными ориентационными структурами капель ХЖК, определяющими различные условия для прохождения света (фиг.1а, б, в).The invention is illustrated by drawings, which schematically depict the cross section of the inventive electro-optical element with various stable orientational structures of drops of CLC, defining various conditions for the passage of light (figa, b, c).

Заявляемый элемент содержит два скрещенных относительно друг друга поляризатора 1, две параллельно расположенные прозрачные пластины 2 с прозрачными электродами 3 на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером жидкого кристалла, представляющего собой полимерную пленку 4 с каплями жидкого кристалла 5 внутри нее. В качестве жидкого кристалла используется смесь холестерического жидкого кристалла и ионного сурфактанта, который в исходном состоянии (фиг.1а) обеспечивает гомеотропное (перпендикулярное) сцепление жидкого кристалла с полимерной матрицей. Ориентация директора - направления преимущественной ориентации молекул ЖК - показана тонкими линиями внутри капли. В исходном случае линии директора, перпендикулярные поверхности, сходятся вместе в центре капель, образуя закрученную радиальную ориентационную структуру с точечным дефектом в центре капель. Свет частично проходит через систему скрещенных поляризаторов и капли ХЖК, имеющие радиальную структуру, за счет фазового рассогласования обыкновенной и необыкновенной компонент световой волны после прохождения через жидкий кристалл.The inventive element contains two polarizers 1 crossed relative to each other, two parallel transparent plates 2 with transparent electrodes 3 on the inner sides, between which there is a film of polymer-encapsulated liquid crystal, which is a polymer film 4 with drops of liquid crystal 5 inside it. As a liquid crystal, a mixture of a cholesteric liquid crystal and an ionic surfactant is used, which in the initial state (Fig. 1a) provides homeotropic (perpendicular) adhesion of the liquid crystal to the polymer matrix. The director’s orientation — the direction of the preferred orientation of the LC molecules — is shown by thin lines inside the droplet. In the initial case, the director lines, perpendicular to the surface, converge together in the center of the droplets, forming a twisted radial orientation structure with a point defect in the center of the droplets. Light partially passes through a system of crossed polarizers and CLC droplets having a radial structure due to phase mismatch between the ordinary and extraordinary components of the light wave after passing through a liquid crystal.

Работает мультистабильный электрооптический элемент следующим образом.A multistable electro-optical element operates as follows.

На электроды 3 подается биполярный электрический сигнал, параметры которого (форма, амплитуда, длительность) определяются характеристиками КПХЖК пленки (составом композиции, толщиной пленки, размером капель ХЖК). Под действием электрического поля происходит перераспределение ионов сурфактанта так, что внутри капель ХЖК образуется новая ориентационная структура (фиг.1б), которая остается стабильной после выключения электрического сигнала. В центре таких капель формируется область с однородной ориентацией директора, направленного перпендикулярно плоскости пленки. Чем больше амплитуда приложенного электрического сигнала, тем большую часть капли занимает однородная область и тем меньше света проходит через элемент. Когда однородная ориентация директора заполняет весь объем капли, то КПХЖК элемент становится темным, поглощая весь падающий свет (фиг.1в).A bipolar electrical signal is supplied to the electrodes 3, the parameters of which (shape, amplitude, duration) are determined by the characteristics of the CPCLC film (composition, film thickness, droplet size CLC). Under the influence of an electric field, redistribution of the surfactant ions occurs so that a new orientation structure is formed inside the CLC drops (Fig. 1b), which remains stable after switching off the electric signal. In the center of such droplets, a region is formed with a uniform director orientation directed perpendicular to the film plane. The larger the amplitude of the applied electrical signal, the larger part of the drop is occupied by a homogeneous region and the less light passes through the element. When the director’s uniform orientation fills the entire droplet volume, the CPCLC element becomes dark, absorbing all incident light (Fig. 1c).

ПримерExample

На основании предложенной конструкции был изготовлен электрооптический элемент с использованием следующих операций.Based on the proposed design, an electro-optical element was manufactured using the following operations.

1. Приготовлен холестерический жидкий кристалл в виде смеси жидкого кристалла 5ЦБ (98,5%) и холестерилацетата (1,5%).1. Prepared a cholesteric liquid crystal in the form of a mixture of a liquid crystal 5CB (98.5%) and cholesteryl acetate (1.5%).

2. В холестерическом жидком кристалле был растворен ионный сурфактант цетилтриметиламмоний бромид в соотношении 10:1 по весу.2. An ionic surfactant cetyltrimethylammonium bromide in a ratio of 10: 1 by weight was dissolved in a cholesteric liquid crystal.

3. С использованием смеси поливинилового спирта и поливинилпирролидона (в соотношении 2:1 по весу) в качестве полимерной матрицы по растворной технологии была изготовлена КПХЖК пленка, в которой молекулы ХЖК исходно были ориентированы перпендикулярно поверхности капель, образуя закрученную радиальную структуру. Характерный вид такой пленки в скрещенных поляризаторах показан на микрофотографии (фиг.2а), где в исходном состоянии капли проявляются в виде светлых кружочков (здесь свет проходит), а полимер как темное пространство между ними (здесь свет не проходит). То есть элемент в таком состоянии частично пропускает свет, как и показано схематически на фиг.1а.3. Using a mixture of polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone (in a ratio of 2: 1 by weight) as a polymer matrix, a CPCLC film was prepared using solution technology in which the CLC molecules were initially oriented perpendicular to the surface of the droplets, forming a twisted radial structure. A typical view of such a film in crossed polarizers is shown in the micrograph (Fig. 2a), where in the initial state the droplets appear in the form of light circles (here the light passes), and the polymer as a dark space between them (here the light does not pass). That is, the element in this state partially transmits light, as shown schematically in Fig. 1a.

4. Собран электрооптический элемент, то есть КПХЖК пленка размещена между двух параллельных прозрачных пластин с прозрачными электродами на внутренних сторонах и пленочными поляризаторами (поляроидами) на внешних сторонах. Затем произведена склейка устройства.4. An electro-optical element is assembled, that is, a CPHLC film is placed between two parallel transparent plates with transparent electrodes on the inside and film polarizers (polaroids) on the outside. Then glued the device.

Параметры переключающих сигналов показаны слева и справа от микрофотографий фиг.2а, б, в, а направления соответствующих переключений показаны черными изогнутыми стрелками.The parameters of the switching signals are shown to the left and to the right of the microphotographs of Figures 2a, b, c, and the directions of the corresponding switching are shown by black curved arrows.

Структурные и оптические состояния собранного ЖК элемента переключались следующим образом. Если приложить к КПХЖК пленке, находящейся в исходном состоянии (фиг.2а), биполярный прямоугольный электрический сигнал амплитудой 80 В и частотой 1 Гц в течение 5 секунд, то капли холестерика переключаются в стабильное промежуточное состояние фиг.2б, примерно соответствующее ориентации директора, показанной на фиг.1б. Капли ХЖК на фотографии фиг.2б становятся темнее, и, соответственно, весь элемент пропускает меньше света.The structural and optical states of the assembled LC element were switched as follows. If a bipolar rectangular electrical signal with an amplitude of 80 V and a frequency of 1 Hz for 5 seconds is applied to the CPLCLC film in the initial state (Fig. 2a), then the cholesteric drops switch to a stable intermediate state of Fig. 2b, approximately corresponding to the director’s orientation shown on figb. The drops of HLC in the photograph of FIG. 2b become darker, and, accordingly, the entire element transmits less light.

Если к образцу, находящемуся в промежуточном состоянии фиг.2б, приложить биполярный синусоидальный электрический сигнал амплитудой около 140 В и частотой 1 кГц в течение 8 секунд, то капли холестерика переключаются в стабильную однородную структуру (фиг.1в). В таком случае обыкновенная и необыкновенная компоненты световой волны после прохождения через жидкий кристалл синфазны и взаимно гасятся в системе скрещенных поляризаторов. В результате этого свет практически полностью поглощается оптическим элементом (фиг.1в).If a bipolar sinusoidal electric signal with an amplitude of about 140 V and a frequency of 1 kHz for 8 seconds is applied to the sample in the intermediate state of FIG. 2b, then the cholesteric drops switch to a stable uniform structure (FIG. 1c). In this case, the ordinary and extraordinary components of the light wave, after passing through the liquid crystal, are in phase and mutually quenched in the system of crossed polarizers. As a result of this, light is almost completely absorbed by the optical element (Fig. 1c).

Как промежуточную, так и однородную структуру можно вернуть в исходное состояние, воздействуя последовательно двумя биполярными электрическими сигналами с частотой 2 Гц. После первого сигнала амплитудой около 75 В в течение 5 секунд однородная структура (фиг.2в) переключается в переходную (фиг.2б), а после воздействия второго сигнала напряжением около 40 В - в исходную структуру (фиг.2а).Both an intermediate and a homogeneous structure can be returned to their original state by acting successively with two bipolar electrical signals with a frequency of 2 Hz. After the first signal with an amplitude of about 75 V for 5 seconds, the homogeneous structure (Fig.2c) switches to the transition (Fig.2b), and after the second signal with a voltage of about 40 V - in the original structure (Fig.2A).

Исследования экспериментальных образцов показали, что ЖК устройство предлагаемой конструкции по механическим характеристикам не уступает прототипу. В то же время было получено такое новое качество, как способность электрооптического элемента находиться в стабильных оптических состояниях, промежуточных между светопоглощающим и частично прозрачным.Studies of experimental samples showed that the LCD device of the proposed design in terms of mechanical characteristics is not inferior to the prototype. At the same time, a new quality was obtained, such as the ability of an electro-optical element to be in stable optical states intermediate between light-absorbing and partially transparent.

Предлагаемый КПХЖК элемент перспективен для использования в таких приборах и устройствах, где необходимо иметь компактный, дешевый, простой в изготовлении и надежный в эксплуатации элемент управления интенсивностью оптического излучения, который способен переключаться в различные оптические состояния, промежуточные между светопоглощающим и частично прозрачным, и оставаться стабильным в этих состояниях при выключенном электрическом поле. Такие элементы перспективны для использования в гибких дисплеях с энергонезависимой памятью, электрооптических затворах и т.п.The proposed KPHZhK element is promising for use in such devices and devices where it is necessary to have a compact, cheap, easy to manufacture and reliable in operation element for controlling the intensity of optical radiation, which is able to switch to various optical states intermediate between light-absorbing and partially transparent, and remain stable in these states when the electric field is off. Such elements are promising for use in flexible displays with non-volatile memory, electro-optical shutters, etc.

Claims (1)

Мультистабильный электрооптический элемент с поляризаторами, содержащий две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла, отличающийся тем, что в качестве холестерического жидкого кристалла использована смесь холестерического жидкого кристалла с произвольным значением диэлектрической анизотропии и ионного сурфактанта, а на внешних сторонах прозрачных пластин расположены поляризаторы, скрещенные относительно друг друга. A multistable electro-optical element with polarizers, containing two parallel transparent plates with transparent electrodes on the inner sides, between which there is a film of a polymer-encapsulated cholesteric liquid crystal, characterized in that a mixture of cholesteric liquid crystal with an arbitrary value of dielectric anisotropy and ionic is used as a cholesteric liquid crystal surfactant, and on the outer sides of the transparent plates are polarized ry, crossed with respect to each other.
RU2010119802/28A 2010-05-17 2010-05-17 Multistable electrooptic element with polarisers RU2428733C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010119802/28A RU2428733C1 (en) 2010-05-17 2010-05-17 Multistable electrooptic element with polarisers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010119802/28A RU2428733C1 (en) 2010-05-17 2010-05-17 Multistable electrooptic element with polarisers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2428733C1 true RU2428733C1 (en) 2011-09-10

Family

ID=44757730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010119802/28A RU2428733C1 (en) 2010-05-17 2010-05-17 Multistable electrooptic element with polarisers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2428733C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100251514B1 (en) Cholesteric liquid crystal device
KR100844615B1 (en) A liquid crystal device and a method for producing it
US8964161B2 (en) Electro-optical device and method for controlling color with polymer stabilized liquid crystal
EP1042702B1 (en) Bistable nematic liquid crystal device
JP2005521102A (en) Liquid crystal device, method for manufacturing liquid crystal device, and method for controlling liquid crystal device
JPH1055003A (en) Twisted liquid crystal device, assembly and liquid crystal device
KR20010078377A (en) A liquid crystal display device
JP2001305520A (en) Liquid crystal display device and its manufacturing method
US7612835B2 (en) Bistable liquid crystal displays and the method for driving the same
CN107077023B (en) Scattering type vertical alignment liquid crystal device containing polymer
JP2005070729A (en) Bistable chiral-splay nematic liquid crystal display
Yang Polymer-stabilized liquid crystal displays
RU2428733C1 (en) Multistable electrooptic element with polarisers
JP2018508840A (en) Material for making an electro-optic shutter device having three transmission states, and the device and use thereof
RU2428732C1 (en) Multistable electrooptic element
JP2006195112A (en) Liquid crystal element, and dimmer element and liquid crystal display device using the same
RU2707424C1 (en) Electrically controlled light polarizer based on light scattering anisotropy
TWI588575B (en) Liquid crystal structure and its making method
Lee et al. Low-power displays with dye-doped bistable chiral-tilted homeotropic nematic liquid crystals
RU2582208C2 (en) Method of controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer, device for controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer and liquid crystal light modulator
KR102004526B1 (en) Liquid crystal device and drive method thereof
JP2007514186A (en) Display device with bistable nematic screen to optimize black and sharp definition method for the same
Yang et al. Polymer stabilized cholesteric liquid crystal for switchable windows
JPH08286214A (en) Reflection type guest-host liquid crystal display device
KR20150140000A (en) The LCD Light Modulation Apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150518