RU2736815C1

RU2736815C1 - Electrooptic liquid crystal element with low control voltage and high contrast

Info

Publication number: RU2736815C1
Application number: RU2020114831A
Authority: RU
Inventors: Кристина Андреевна Фейзер; Михаил Николаевич Крахалев; Оксана Олеговна Прищепа; Виталий Сергеевич Сутормин; Виктор Яковлевич Зырянов
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2020-11-20

Abstract

FIELD: optoelectronic engineering.

SUBSTANCE: invention relates to optoelectronic equipment and is intended to control intensity of transmitted light using an electric field. Electrooptical element consists of two parallel plates with transparent electrodes on inner sides and a polymer film with electrolytic capsules encapsulated therein with droplets of a nematic liquid crystal. Components for composition "polymer-nematic liquid crystal" are selected so that n_⊥= n_p. Used composition provides conical surface engagement with director inclination angle in range from 30 to 50° to the normal for the nematic liquid crystal at the polymer-liquid crystal phase interface, as a result of which an axial-bipolar orientation structure is formed in the drops.

EFFECT: technical result is creation of electrically controlled element, having low control voltage and high contrast.

1 cl, 1 dwg

Description

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

Известны электрооптические элементы на основе светорассеяния [Drzaic P.S. Liquid crystal dispersions. - Singapore: World Scientific, 1995. - 448 p.], состоящие из двух подложек с электродами, между которыми располагается полимерная пленка с капсулированными в ней каплями нематического жидкого кристалла, имеющими биполярную ориентационную структуру вследствие тангенциального (планарного) сцепления палочкообразных молекул ЖК с поверхностью полимера. Полимер и ЖК подбираются таким образом, чтобы перпендикулярная компонента показателя преломления ЖК n_⊥ была близка к показателю преломления np полимера (n_⊥=n_p), а величина двулучепреломления ЖК (Δn=n_|| - n_⊥) была максимальной. Здесь значками || и 1 отмечается поляризация света параллельно и перпендикулярно директору ЖК (преимущественному направлению ориентации палочкообразных молекул ЖК), соответственно. В исходном состоянии биполярные оси в каплях ЖК ориентированы произвольно в плоскости композитной пленки. Управление интенсивностью света, прошедшего через композитную пленку, осуществляется путем приложения электрического поля перпендикулярно подложкам, которое вызывает переориентацию директора в каплях ЖК вдоль поля, если диэлектрическая анизотропия ЖК положительна. В отсутствие электрического поля пленка сильно рассеивает ортогонально падающий на элемент свет вследствие большого градиента показателя преломления (n_|| - n_⊥) на межфазной границе между полимерной матрицей и жидким кристаллом. Под действием электрического поля композитная пленка переходит в практически прозрачное состояние (состояние с малым светорассеянием), поскольку градиент показателя преломления на границе полимер-ЖК становится минимальным, так как n_⊥=n_p. Основными характеристиками таких электрооптических элементов являются пороговое напряжение V_th, напряжение насыщения V_sat и коэффициент контрастности CR. Пороговым напряжением V_th и напряжением насыщения V_sat обычно считают значения прикладываемого напряжения, необходимые для достижения 10% и 90% от разности между максимальной и минимальной величиной светопропускания, соответственно. Величина светопропускания T, в свою очередь, определяются отношением интенсивности I света, прошедшего через ячейку, к интенсивности I₀ падающего света: T=(I/I₀)⋅100%. Коэффициентом контрастности CR является отношение максимального светопропускания ячейки T_max к минимальному светопропусканию T_min:CR=T_max/T_min.Known electro-optical elements based on light scattering [Drzaic PS Liquid crystal dispersions. - Singapore: World Scientific, 1995. - 448 p.], Consisting of two substrates with electrodes, between which there is a polymer film with encapsulated drops of a nematic liquid crystal that have a bipolar orientation structure due to the tangential (planar) adhesion of stick-like LC molecules to the surface polymer. The polymer and LC are selected in such a way that the perpendicular component of the refractive index of the LC n _⊥ is close to the refractive index np of the polymer (n _⊥ = n _p ), and the value of the birefringence of the LC (Δn = n _|| - n _была ) is maximum. Here with icons || and 1, polarization of light is noted parallel and perpendicular to the LC director (the preferred direction of orientation of rod-shaped LC molecules), respectively. In the initial state, the bipolar axes in LC droplets are oriented arbitrarily in the plane of the composite film. The intensity of light transmitted through the composite film is controlled by applying an electric field perpendicular to the substrates, which causes a reorientation of the director in LC drops along the field if the dielectric anisotropy of the LC is positive. In the absence of an electric field, the film strongly scatters the light orthogonally incident on the element due to the large gradient of the refractive index (n _|| - n _⊥ ) at the interface between the polymer matrix and the liquid crystal. Under the influence of the electric field in the composite film becomes substantially transparent state (a state with a small light scattering) because the gradient of the refractive index at the polymer-LCD becomes minimum, since n _⊥ = n _p. The main characteristics of such electro-optical elements are threshold voltage V _th , saturation voltage V _sat and contrast ratio CR. The threshold voltage V _th and the saturation voltage V _sat are generally considered to be the applied voltage values required to achieve 10% and 90% of the difference between the maximum and minimum light transmittance, respectively. The amount of light transmission T, in turn, is determined by the ratio of the intensity I of the light transmitted through the cell to the intensity I _{0 of the} incident light: T = (I / I ₀ ) ⋅100%. The contrast ratio CR is the ratio of the maximum light transmittance of the cell T _max to the minimum light transmittance T _min : CR = T _max / T _min .

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является элемент с электрически управляемым светопропусканием [Liu F., Сао Н., Мао Q., Song Р., Yang Н. Effects of monomer structure on the morphology of polymer networks and the electro-optical properties of polymer-dispersed liquid crystal films // Liq. Cryst. - 2012. - Vol. 39, No. 12. P. 419-424], содержащий две стеклянные подложки с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен капсулированный полимером жидкий кристалл (polymer dispersed liquid crystal). Капсулированный полимером жидкий кристалл представляет собой полимерную пленку толщиной 20 мкм с капсулированными в ней каплями нематического жидкого кристалла с биполярной ориентационной структурой. Композитная пленка в исходном состоянии интенсивно рассеивает падающий на нее свет и светопропускание составляет 0.44%. При подаче переменного напряжения пленка переходит в прозрачное состояние с максимальным светопропусканием T_max=80%. При этом величина порогового напряжения составляет 9.0 В, напряжение насыщения V_sat=28.6 В, а коэффициент контрастности CR=180.The closest analogue in terms of the set of essential features is an element with electrically controlled light transmission [Liu F., Sao N., Mao Q., Song R., Yang N. Effects of monomer structure on the morphology of polymer networks and the electro-optical properties of polymer-dispersed liquid crystal films // Liq. Cryst. - 2012. - Vol. 39, No. 12. P. 419-424], containing two glass substrates with transparent electrodes on the inner sides, between which is a polymer dispersed liquid crystal. A polymer-encapsulated liquid crystal is a 20-μm-thick polymer film with drops of a nematic liquid crystal encapsulated in it with a bipolar orientation structure. The composite film in the initial state intensely scatters the light incident on it and the light transmission is 0.44%. When an alternating voltage is applied, the film turns into a transparent state with a maximum light transmission T _max = 80%. In this case, the value of the threshold voltage is 9.0 V, the saturation voltage V _sat = 28.6 V, and the contrast ratio CR = 180.

Недостатками известного устройства являются малое значение коэффициента контрастности и достаточно большие значения порогового напряжения и напряжения насыщения.The disadvantages of the known device are the low value of the contrast ratio and rather large values of the threshold voltage and saturation voltage.

Техническим результатом изобретения является создание элемента с электрически управляемым светопропусканием на основе пленки капсулированного полимером жидкого кристалла с коническим поверхностным (межфазным) сцеплением, обладающего высоким значением коэффициента контрастности и низкими значениями порогового напряжения и напряжения насыщения.The technical result of the invention is to create an element with electrically controlled light transmission based on a polymer-encapsulated liquid crystal film with a conical surface (interfacial) adhesion, having a high contrast ratio and low threshold and saturation voltage values.

Указанный технический результат достигается тем, что в электрооптической композитной ячейке, состоящей из двух параллельно расположенных пластин с прозрачными электродами на внутренних сторонах, задающими направление электрического поля перпендикулярно пластинам, и расположенной между электродами полимерной пленкой с капсулированными в ней каплями нематического ЖК, причем компоненты для композиции «полимер - нематический жидкий кристалл» подобраны так, что n_⊥=n_p, новым является то, что используемые компоненты обеспечивают коническое поверхностное сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали для нематического жидкого кристалла на межфазной границе полимер-ЖК, в результате чего в каплях формируется аксиал-биполярная ориентационная структура.This technical result is achieved by the fact that in an electro-optical composite cell, consisting of two parallel plates with transparent electrodes on the inner sides, setting the direction of the electric field perpendicular to the plates, and a polymer film located between the electrodes with drops of nematic LC encapsulated in it, and the components for the composition "Polymer - nematic liquid crystal" are selected so that n _⊥ = n _p , new is that the components used provide conical surface adhesion with a director tilt angle in the range from 30 ° to 50 ° to the normal for a nematic liquid crystal at the polymer interface -LC, as a result of which an axial-bipolar orientation structure is formed in the drops.

Отличия заявляемого электрооптического элемента от прототипа заключаются в том, что для композиции «полимер - жидкий кристалл» компоненты подобраны таким образом, что обеспечивается коническое поверхностное сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали для нематического жидкого кристалла на межфазной границе полимер-ЖК, в результате чего в каплях формируется аксиал-биполярная ориентационная структура.The differences of the proposed electro-optical element from the prototype are that for the composition "polymer - liquid crystal" the components are selected in such a way that conical surface adhesion is provided with a tilt angle of the director in the range from 30 ° to 50 ° to the normal for a nematic liquid crystal at the interface polymer-LC, as a result of which an axial-bipolar orientational structure is formed in the droplets.

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

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 known technical solutions in this field of technology, the features that distinguish the claimed invention from the prototype have not been identified and therefore they ensure compliance with the criterion "inventive step" to the claimed technical solution.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически изображено поперечное сечение заявляемого электрооптического элемента (фиг. 1).The invention is illustrated by a drawing, which schematically shows a cross-section of the claimed electro-optical element (Fig. 1).

Заявляемая электрооптическая ячейка содержит две параллельно расположенные пластины 1 с прозрачными электродами 2 на внутренних сторонах, между которыми расположена полимерная пленка 3 с капсулированными в ней каплями нематического жидкого кристалла 4, в которых формируется аксиал-биполярная ориентационная структура. В качестве пластин 1 могут быть использованы стеклянные подложки или гибкие полимерные пленки, изготовленные, например, из полиэтилентерефталата. Толщина полимерной пленки, содержащей капли жидкого кристалла, задается спейсерами 5. В качестве полимера использован полиизобутил метакрилат (ПиБМА) (www.sigmaaldrich.com). В качестве жидкого кристалла использована нематическая смесь ЛН-396 [Krakhalev M.N., Prishchepa О.О., Sutormin V.S., Zyryanov V.Ya. Director configurations in nematic droplets with tilted surface anchoring // Liq. Cry St. - 2017. - Vol. 47, No. 2. P. 355-363], для которой на границе с ПиБМА реализуется коническое сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали на межфазной границе полимер-ЖК. При этом перпендикулярная компонента показателя преломления нематической смеси ЛН-396 n_⊥ примерно равна показателю преломления np полимерной матрицы (n_⊥=n_p).The claimed electro-optical cell contains two parallel plates 1 with transparent electrodes 2 on the inner sides, between which there is a polymer film 3 with encapsulated drops of a nematic liquid crystal 4, in which an axial-bipolar orientation structure is formed. As plates 1 glass substrates or flexible polymer films made, for example, of polyethylene terephthalate, can be used. The thickness of the polymer film containing liquid crystal droplets is set by spacers 5. Polyisobutyl methacrylate (PIBMA) (www.sigmaaldrich.com) was used as the polymer. As a liquid crystal, a nematic mixture LN-396 was used [Krakhalev MN, Prishchepa OO, Sutormin VS, Zyryanov V.Ya. Director configurations in nematic droplets with tilted surface anchoring // Liq. Cry St. - 2017. - Vol. 47, No. 2. P. 355-363], for which, at the interface with PIBMA, conical anchoring is realized with a director inclination angle in the range from 30 ° to 50 ° to the normal at the polymer-LC interface. In this case, the perpendicular component of the refractive index of the nematic mixture LN-396 n _{⊥ is} approximately equal to the refractive index np of the polymer matrix (n _⊥ = n _p ).

Заявляемый электрооптический элемент функционирует следующим образом. В отсутствие внешнего электрического поля (фиг. 1а) композитная пленка рассеивает ортогонально падающий на нее свет вследствие произвольной ориентации биполярных осей 6 в каплях жидкого кристалла 4 с аксиал-биполярной ориентационной структурой. При подаче на электроды 2 электрического сигнала биполярные оси 6 капель нематического жидкого кристалла 4 ориентируются вдоль электрического поля Е, направленного перпендикулярно подложкам (фиг. 1б). Вследствие этого, для нормально падающего света показатель преломления ЖК становится близким к n_⊥, который, в свою очередь, примерно равен показателю преломления полимерной матрицы n_p, и свет проходит через композитную пленку практически не рассеиваясь. Примеры:The inventive electro-optical element functions as follows. In the absence of an external electric field (Fig. 1a), the composite film scatters light orthogonally incident on it due to the arbitrary orientation of the bipolar axes 6 in liquid crystal drops 4 with an axial-bipolar orientation structure. When an electric signal is applied to the electrodes 2, the bipolar axes 6 of the drops of the nematic liquid crystal 4 are oriented along the electric field E directed perpendicular to the substrates (Fig. 1b). As a result, for normally incident light, the LC refractive index becomes close to n _⊥ , which, in turn, is approximately equal to the refractive index of the polymer matrix n _p , and light passes through the composite film practically without scattering. Examples:

В качестве 1-го примера был изготовлен электрооптический элемент с применением следующих операций:As the 1st example, an electro-optical element was manufactured using the following operations:

1. Смесь полимера ПиБМА и нематической смеси ЛН-396 в весовых соотношениях 40:60, соответственно, растворялась в этилацетате, количество которого по отношению к суммарной массе полимера и ЖК было равно 10:1. Полученный раствор наносился на поверхность стеклянной подложки, покрытой прозрачным ITO электродом, и затем высушивался до полного удаления этилацетата.1. A mixture of polymer PiBMA and nematic mixture LN-396 in weight ratios of 40:60, respectively, was dissolved in ethyl acetate, the amount of which in relation to the total weight of polymer and LC was equal to 10: 1. The resulting solution was applied to the surface of a glass substrate covered with a transparent ITO electrode and then dried until the ethyl acetate was completely removed.

2. На части подложки непокрытой композитной пленкой располагались тефлоновые спейсеры толщиной 20 мкм.2. Teflon spacers 20 μm thick were placed on a part of the substrate with an uncoated composite film.

3. Композитная пленка и тефлоновые спейсеры накрывались стеклянной пластиной с прозрачным ITO электродом, и полученная ячейка помещалась под пресс, нагревалась до 70°С и выдерживалась при этой температуре в течение 30 минут.3. The composite film and Teflon spacers were covered with a glass plate with a transparent ITO electrode, and the resulting cell was placed under a press, heated to 70 ° C, and held at this temperature for 30 minutes.

4. После нагревания вышеописанная ячейка извлекалась из пресса и охлаждалась до комнатной температуры в течение 1 минуты. В результате формировался электрооптический элемент, изображенный на фиг. 1.4. After heating, the above cell was removed from the press and cooled to room temperature within 1 minute. As a result, the electro-optical element shown in FIG. 1.

В отсутствии электрического поля электрооптический элемент интенсивно рассеивает падающий на него свет и светопропускание составляет T_min=0.11%. При подаче переменного напряжения частотой 1 кГц электрооптический элемент переходит в прозрачное состояние с максимальным светопропусканием T_max=89.3%. При этом величина порогового напряжения V_th составляет 5.6 В, напряжение насыщения V_sat=9.8 В, а коэффициент контрастности CR=812.In the absence of an electric field, the electro-optical element intensively scatters the light incident on it and the light transmission is T _min = 0.11%. When an alternating voltage with a frequency of 1 kHz is applied, the electro-optical element turns into a transparent state with a maximum light transmission T _max = 89.3%. The threshold voltage V _th is 5.6 V, the saturation voltage V _sat = 9.8 V, and the contrast ratio CR = 812.

В качестве 2-го примера был изготовлен электрооптический элемент с применением следующих операций:As a 2nd example, an electro-optical element was manufactured using the following operations:

1. Смесь полимера ПиБМА и нематической смеси ЛН-396 в весовых соотношениях 45:55, соответственно, растворялась в этилацетате, количество которого по отношению к суммарной массе полимера и ЖК было равно 10:1. Полученный раствор наносился на поверхность стеклянной подложки, покрытой прозрачным ITO электродом, и затем высушивался до полного удаления этилацетата.1. A mixture of polymer PiBMA and nematic mixture LN-396 in weight ratios of 45:55, respectively, was dissolved in ethyl acetate, the amount of which relative to the total weight of polymer and LC was 10: 1. The resulting solution was applied to the surface of a glass substrate covered with a transparent ITO electrode and then dried until the ethyl acetate was completely removed.

2. На части подложки непокрытой композитной пленкой располагались тефлоновые спейсеры толщиной 30 мкм.2. Teflon spacers with a thickness of 30 µm were placed on a part of the substrate with an uncoated composite film.

В отсутствии электрического поля электрооптический элемент интенсивно рассеивает падающий на него свет и светопропускание составляет T_min=0.32%. При подаче переменного напряжения частотой 1 кГц электрооптический элемент переходит в прозрачное состояние с максимальным светопропусканием T_max=81.0%. При этом величина порогового напряжения V_th составляет 8.6 В, напряжение насыщения V_sat=12.4 В, а коэффициент контрастности CR=253.In the absence of an electric field, the electro-optical element intensively scatters the incident light and the light transmission is T _min = 0.32%. When an alternating voltage with a frequency of 1 kHz is applied, the electro-optical element turns into a transparent state with a maximum light transmission T _max = 81.0%. In this case, the threshold voltage V _th is 8.6 V, the saturation voltage V _sat = 12.4 V, and the contrast ratio CR = 253.

В качестве 3-го примера был изготовлен электрооптический элемент с применением следующих операций:As a 3rd example, an electro-optical element was manufactured using the following operations:

1. Смесь полимера ПиБМА и нематической смеси ЛН-396 в весовых соотношениях 40: 60 соответственно растворялась в этилацетате, количество которого по отношению к суммарной массе полимера и ЖК было равно 10:1. Полученный раствор наносился на поверхность стеклянной подложки, покрытой прозрачным ITO электродом, и затем высушивался до полного удаления этилацетата.1. A mixture of polymer PiBMA and nematic mixture LN-396 in weight ratios of 40: 60, respectively, was dissolved in ethyl acetate, the amount of which in relation to the total weight of polymer and LC was 10: 1. The resulting solution was applied to the surface of a glass substrate covered with a transparent ITO electrode and then dried until the ethyl acetate was completely removed.

4. После нагревания вышеописанная ячейка извлекалась из пресса и охлаждалась до комнатной температуры в течение 1 минуты. В результате формировался электрооптическая ячейка, изображенная на фиг. 1.4. After heating, the above cell was removed from the press and cooled to room temperature within 1 minute. As a result, an electro-optical cell was formed, as shown in FIG. 1.

В отсутствии электрического поля электрооптический элемент интенсивно рассеивает падающий на нее свет и светопропускание составляет T_min=0.02%. При подаче переменного напряжения частотой 1 кГц электрооптический элемент переходит в прозрачное состояние с максимальным светопропусканием T_max=84.7%. При этом величина порогового напряжения V_th составляет 8.0 В, напряжение насыщения V_sat=12.0 В, а коэффициент контрастности CR=4235.In the absence of an electric field, the electro-optical element intensively scatters the incident light and the light transmission is T _min = 0.02%. When an alternating voltage with a frequency of 1 kHz is applied, the electro-optical element turns into a transparent state with a maximum light transmission T _max = 84.7%. The threshold voltage V _th is 8.0 V, the saturation voltage V _sat = 12.0 V, and the contrast ratio CR = 4235.

Исследования полученных экспериментальных образцов показали, что заявляемый электрооптический элемент по совокупности физико-технических характеристик не уступает прототипу. В тоже время были получены более высокие значения коэффициента контрастности CR, и более низкие значения порогового напряжения и напряжения насыщения. Так, для устройства, описанного в Примере 3, где толщина композитной пленки составляла 30 мкм, было достигнуто увеличение CR примерно в 23.5 раза, а значения V_th, и V_sat были уменьшены в 1.1 и 2.4 раза, соответственно, в сравнении с прототипом. Даже для устройства, описанного в Примере 1, где толщина композитной пленки, как и в прототипе, составляла 20 мкм, было достигнуто увеличение CR примерно в 4.5 раза, а значения V_th и V_sat были уменьшены в 1.6 и 2.9 раза, соответственно, в сравнении с прототипом.Studies of the obtained experimental samples have shown that the claimed electro-optical element is not inferior to the prototype in terms of the totality of physical and technical characteristics. At the same time, higher contrast ratios CR, and lower threshold and saturation voltages were obtained. Thus, for the device described in Example 3, where the thickness of the composite film was 30 μm, an increase in CR of about 23.5 times was achieved, and the values of V _th and V _sat were reduced by 1.1 and 2.4 times, respectively, in comparison with the prototype. Even for the device described in Example 1, where the thickness of the composite film, as in the prototype, was 20 μm, an increase in CR was achieved by about 4.5 times, and the values of V _th and V _sat were reduced by 1.6 and 2.9 times, respectively, comparison with the prototype.

Предлагаемый электрооптический элемент может использоваться в приборах и устройствах, где необходимо иметь компактный, дешевый, простой в изготовлении и надежный в эксплуатации высококонтрастный элемент с низковольтным управлением интенсивностью прошедшего света.The proposed electro-optical element can be used in devices and devices where it is necessary to have a compact, cheap, easy-to-manufacture and reliable high-contrast element with low-voltage control of the transmitted light intensity.

Claims

An electro-optical liquid crystal element with a low control voltage and high contrast, consisting of two parallel plates with transparent electrodes on the inner sides, setting the direction of the electric field perpendicular to the plates, and a polymer film located between the electrodes with drops of nematic liquid crystal encapsulated in it, and the components for the composition "Polymer - nematic liquid crystal" are selected so that n _⊥ = n _p , characterized in that for the composition used, the components are selected in such a way that a conical surface adhesion is provided with an inclination angle of the director in the range from 30 to 50 ° to the normal for a nematic liquid crystal at the polymer-LC interface, as a result of which an axial-bipolar orientation structure is formed in the droplets.