RU2740338C1

RU2740338C1 - Liquid crystal display cell

Info

Publication number: RU2740338C1
Application number: RU2020133164A
Authority: RU
Inventors: Евгений Павлович Пожидаев; Артемий Витальевич Кузнецов; Тимофей Павлович Ткаченко; Игорь Николаевич Компанец
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2021-01-13

Abstract

FIELD: optoelectronics.

SUBSTANCE: in liquid crystal display cell with solid electrodes, filled with helicoidal smectic liquid crystal (SLC) with ferroelectric properties, electrooptical effect of ferroelectric material with deformable helicoid is realized, wherein SLC is made with spiral sub-wave pitch and inclination angle of molecules in smectic layers of not less than 38 degrees.

EFFECT: use of the invention in devices and imaging systems improves the quality of color reproduction, increases the viewing angle and light modulation efficiency, simplifies the technology of making the display cell.

1 cl, 8 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и системах визуализации, в том числе трехмерной, отображения, хранения и обработки информации, обладающих высокой информационной емкостью, в частности, в двумерных и трехмерных дисплеях, в том числе компьютерных, телевизионных и смартфонных, в модуляторах света, в том числе в пространственных, в устройствах обработки и распознавания изображений, хранения и преобразования данных, в индикаторных панелях и т.п.The invention relates to the field of optoelectronics and can be used in devices and systems for visualization, including three-dimensional, display, storage and processing of information with high information capacity, in particular, in two-dimensional and three-dimensional displays, including computer, television and smartphone in light modulators, including spatial ones, in devices for image processing and recognition, data storage and transformation, in display panels, etc.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время жидкокристаллические (ЖК) дисплеи являются самым массовым типом дисплеев; их ежегодно производится в мире около одного миллиарда. В ЖК дисплеях используются, главным образом, жидкие кристаллы нематического типа (НЖК). Базой для создания целой ЖК индустрии послужила высокая эффективность электрооптической модуляции света в НЖК (за счет большой величины изменения двулучепреломления) при низком управляющем напряжении (единицы вольт) [1-4].Currently, liquid crystal (LCD) displays are the most common type of display; they are produced annually in the world about one billion. LCD displays use mainly nematic liquid crystals (NLC). The basis for the creation of an entire LCD industry was the high efficiency of electro-optical modulation of light in NLC (due to the large value of the change in birefringence) at a low control voltage (units of volts) [1-4].

Для наблюдения модуляции света жидкокристаллическая дисплейная ячейка с НЖК помещается между скрещенными поляроидами (поляризатором и анализатором). Модуляционная характеристика плавная и в общем случае для разных электрооптических эффектов подчиняется закону [1]:To observe the modulation of light, a liquid crystal display cell with an NLC is placed between crossed polaroids (polarizer and analyzer). The modulation characteristic is smooth and in the general case for different electro-optical effects obeys the law [1]:

где I₀ и I - интенсивность света, соответственно падающего на поляризатор и прошедшего за анализатор, а Г=2π⋅Δn⋅d/λ - фазовая задержка между обыкновенным и необыкновенным лучами, определяемая величиной изменения двулучепреломления Δn, толщиной d слоя НЖК и длиной λ модулируемой световой волны. Такая характеристика обеспечивает хорошую передачу полутонов (шкалы серого), а вместе с ней и цветов.where I ₀ and I are the intensity of light incident on the polarizer and transmitted through the analyzer, respectively, and Г = 2π⋅Δn⋅d / λ is the phase delay between ordinary and extraordinary rays, determined by the change in birefringence Δn, thickness d of the NLC layer and length λ modulated light wave. This characteristic provides good grayscale (grayscale) rendering, and with it the colors.

Времена переориентации молекул НЖК в дисплейной ячейке и тем самым времена включения и выключения того или иного электрооптического эффекта, используемого для модуляции света, описываются соотношениями [1]:The times of reorientation of NLC molecules in the display cell and, thus, the times of switching on and off one or another electro-optical effect used for modulating light, are described by the relations [1]:

где γ - вращательная вязкость НЖК; К - модуль упругости;

- анизотропия диэлектрической проницаемости, равная разности диэлектрических проницаемостей, измеренных вдоль длинной

и короткой (ε_⊥) осей молекул соответственно; U - амплитуда приложенного напряжения.where γ is the rotational viscosity of the NLC; K is the modulus of elasticity;

is the dielectric constant anisotropy equal to the difference in dielectric constants measured along the long

and short (ε _⊥ ) molecular axes, respectively; U is the amplitude of the applied voltage.

Время электрооптического отклика на приложенное напряжение τ_вкл составляет единицы-десятки миллисекунд и не зависит от знака напряжения вследствие квадратичной зависимости от напряжения всех электрооптических эффектов в НЖК. После выключения приложенного напряжения молекулы переориентируются обратно в исходное состояние под действием силы, вызванной упругой деформацией молекулярной структуры слоя НЖК. Время τ_выкл. выключения (релаксации) не зависит от напряжения; оно прямо пропорционально квадрату толщины слоя ЖК, прямо пропорционально отношению материальных параметров γ₁/К и может варьироваться от десятков до сотен миллисекунд и даже до секунд. Реально именно это время и ограничивает быстродействие НЖК-дисплейных ячеек.The time of the electro-optical response to the applied voltage τ _on is units to tens of milliseconds and does not depend on the sign of the voltage due to the quadratic dependence on the voltage of all electro-optical effects in the NLC. After switching off the applied voltage, the molecules are reoriented back to the initial state under the action of the force caused by the elastic deformation of the molecular structure of the NLC layer. Time τ _off. shutdown (relaxation) does not depend on voltage; it is directly proportional to the square of the thickness of the LC layer, directly proportional to the ratio of material parameters γ ₁ / K and can vary from tens to hundreds of milliseconds and even to seconds. In reality, it is this time that limits the performance of the NLC display cells.

Наиболее известны, как реализованные на практике, дисплейные ячейки на основе следующих электрооптических эффектов в НЖК: твист (TN - закрученный нематик [5, 6]) и супертвист (STN [7, 8]). В общем упрощенном случае просветного дисплея каждая ячейка представляет собой сэндвич, состоящий из двух подложек с последовательными покрытиями на них окисла индия-олова (прозрачный электрод ITO) и полимера (ориентирующий слой). Эти покрытия обращены друг к другу и контактируют со слоем ЖК между ними. Располагается ячейка между скрещенными поляроидами.The best known, as implemented in practice, display cells based on the following electro-optical effects in NLC: twist (TN is a twisted nematic [5, 6]) and super twist (STN [7, 8]). In the general simplified case of the transmissive display, each cell is a sandwich consisting of two substrates with successive coatings on them of indium tin oxide (transparent ITO electrode) and polymer (alignment layer). These coatings face each other and are in contact with the LC layer between them. The cell is located between the crossed polaroids.

В TN-дисплейной ячейке ориентация молекул НЖК с положительной диэлектрической анизотропией (Δε>0) задается за счет натирания ориентирующих слоев на разных подложках в двух ортогональных направлениях. Тем самым создается закрученная на 90° структура (твист-структура), осуществляющая в отсутствие электрического поля поворот плоскости поляризации проходящего света на такой же угол. При приложении электрического поля ориентация молекул НЖК становится перпендикулярной плоскости слоя (гомеотропной), двулучепреломление слоя исчезает, и структура не пропускает свет. Для ячейки толщиной 4 мкм время отклика при комнатной температуре составляет 20-30 мс. При напряжении на ячейке 5 В обеспечивается контрастное отношение около 200:1. Принципиальным недостатком TN-дисплеев является ухудшение качества изображения при увеличении углов наблюдения [6].In a TN display cell, the orientation of NLC molecules with positive dielectric anisotropy (Δε> 0) is set by rubbing the orienting layers on different substrates in two orthogonal directions. This creates a structure twisted by 90 ° (twist structure), which rotates the plane of polarization of the transmitted light by the same angle in the absence of an electric field. When an electric field is applied, the orientation of the NLC molecules becomes perpendicular to the plane of the layer (homeotropic), the birefringence of the layer disappears, and the structure does not transmit light. For a cell with a thickness of 4 μm, the response time at room temperature is 20-30 ms. A 5V cell voltage provides a contrast ratio of about 200: 1. A fundamental disadvantage of TN displays is the deterioration of image quality with increasing viewing angles [6].

Более широкий и симметричный угол обзора и более высокий оптический контраст (до 400:1) обеспечивается в супертвистовой (STN) дисплейной ячейке, имеющей

крутизну электрооптической характеристики вследствие добавления в нематик хиральной добавки и увеличения угла закрутки до 180°-270°. Поскольку такая ячейка придает пропускаемому белому свету желтый или голубой оттенок, то на практике используется «ахроматическая» конструкция под названием «двойной STN». В ней молекулы в двух последовательно соединенных STN-ячейках при работе оказываются ориентированными по-разному: в активной ячейке, на которую подается напряжение - на 240° против часовой стрелки, в пассивной (не управляемой) ячейке - на 240° по часовой стрелке. Однако, в STN-ячейке сохраняются такие недостатки, как необходимость обеспечения с высокой точностью толщины зазора и угла наклона длинных осей молекул (директора) к подложке по всей ее поверхности, более высокое (по сравнению с TN) управляющее напряжение и зависимость светопропускания от длины волны [8].A wider and more symmetrical viewing angle and higher optical contrast (up to 400: 1) are provided in a supertwist (STN) display cell featuring

the steepness of the electro-optical characteristic due to the addition of a chiral additive to the nematic and an increase in the twist angle to 180 ° -270 °. Since such a cell gives the transmitted white light a yellow or blue tint, in practice an "achromatic" design called "double STN" is used. In it, the molecules in two series-connected STN cells turn out to be oriented differently during operation: in an active cell, to which voltage is applied, by 240 ° counterclockwise, in a passive (uncontrolled) cell, by 240 ° clockwise. However, the STN cell retains such disadvantages as the need to ensure with high precision the thickness of the gap and the angle of inclination of the long axes of molecules (director) to the substrate over its entire surface, a higher (compared to TN) control voltage, and the dependence of light transmission on wavelength [8].

Эти недостатки удалось преодолеть в IPS-дисплейной ячейке (от In-Plane Switching) со встречно-штыревой гребенкой электродов, расположенной в плоскости одной из подложек, и поперечным приложением электрического поля (Фиг. 1). На этом чертеже обозначено: 1 - встречно-штыревые электроды, 2 - подложка, 3 - поляризатор, 4 - слой молекул НЖК, 5 - управляющие транзисторы, 6 - светофильтры, 7 - блок подсветки.These disadvantages were overcome in an IPS-display cell (from In-Plane Switching) with an interdigital comb of electrodes located in the plane of one of the substrates and a transverse application of an electric field (Fig. 1). This drawing indicates: 1 - interdigital electrodes, 2 - substrate, 3 - polarizer, 4 - layer of NLC molecules, 5 - control transistors, 6 - light filters, 7 - backlight unit.

В такой ячейке [9] молекулы НЖК в слое 4 в исходном состоянии ориентированы вдоль электродов 1 гребенки, т.е. параллельно друг другу и плоскости подложек 2. Поэтому в выключенном состоянии свет за скрещенными поляризаторами 3 отсутствует. При приложении электрического напряжения к электродам 1 молекулы НЖК в слое 4 переориентируются перпендикулярно своему начальному положению и пропускают свет. При этом главная оптическая ось слоя 4 НЖК отклоняется на 90° в одной плоскости. Такое переключение обеспечивает контраст более 1000:1. Отображение черного цвета близко к идеалу, причем «неисправный» пиксель для панели IPS выглядит не белым, как в случае TN, а черным.In such a cell [9], the NLC molecules in layer 4 in the initial state are oriented along the comb electrodes 1; parallel to each other and to the plane of the substrates 2. Therefore, in the off state, there is no light behind the crossed polarizers 3. When an electric voltage is applied to electrodes 1, the NLC molecules in layer 4 are reoriented perpendicular to their initial position and light is transmitted. In this case, the main optical axis of the NLC layer 4 is deflected by 90 ° in one plane. This switching provides a contrast of more than 1000: 1. Black display is close to ideal, and the “faulty” pixel for the IPS panel does not look white, as in the case of TN, but black.

Технология IPS в НЖК доведена в Японии компаниями Hitachi и NEC до практического использования [10], а затем улучшена компанией Samsung и особенно компанией LG [11], выпускающей телевизоры на базе технологий Super-IPS и Professional-IPS (соответственно S-IPS и P-IPS). Например, технология Professional-IPS обеспечивает 1,07 млрд цветов (при 30-битной глубине цвета), максимально возможное число ориентаций для субпикселя (1024 против 256) и наиболее корректную цветопередачу при разных углах обзора, вплоть до 178° по горизонтали и вертикали. Это особенно важно для работы в интернете, для просмотра кинофильмов и фотографий и особенно для обработки изображений и 3D-моделирования. Экраны, изготовленные по IPS-технологии, имеют наилучшее соотношение цены и качества [12].IPS technology in NLC was brought to practical use in Japan by Hitachi and NEC [10], and then improved by Samsung and especially by LG [11], which produces TVs based on Super-IPS and Professional-IPS technologies (S-IPS and P -IPS). For example, Professional-IPS technology provides 1.07 billion colors (at 30-bit color depth), the maximum possible number of orientations for a subpixel (1024 versus 256) and the most correct color reproduction at different viewing angles, up to 178 ° horizontally and vertically. This is especially important for the Internet, for watching movies and photographs, and especially for imaging and 3D modeling. Screens made using IPS technology have the best price-quality ratio [12].

Однако IPS-технология тоже не лишена недостатков. Необходимость использовать встречно-штыревые (гребенчатые) металлические электроды усложняет и удорожает технологический процесс и вызывает ухудшение контраста изображения. Поэтому для установки нормального уровня резкости требуется более мощная подсветка, приводящая к повышенному потреблению энергии.However, IPS technology is also not without drawbacks. The need to use interdigital (comb) metal electrodes complicates and increases the cost of the technological process and causes deterioration of the image contrast. Therefore, a more powerful backlight is required to set the normal sharpness level, resulting in increased power consumption.

Быстродействие IPS-дисплейной ячейки, как правило, хуже, чем у TN-ячеек, но при известных ухищрениях время оптического отклика не превышает 2-3 мс и достижима частота переключения 120 Гц. К сожалению, эта частота является верхней практически для всех приборов на основе НЖК, что обусловлено релаксационным механизмом выключения оптического состояния НЖК, включенного электрическим полем.The performance of an IPS display cell, as a rule, is worse than that of TN cells, but with some tweaks, the optical response time does not exceed 2-3 ms and a switching frequency of 120 Hz is achievable. Unfortunately, this frequency is the upper one for almost all devices based on NLC, which is due to the relaxation mechanism of turning off the optical state of the NLC, which is switched on by an electric field.

Таким образом, электрооптическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка с НЖК, выполненная по технологии IPS, обеспечивает высококачественную цветопередачу и самый широкий угол обзора среди всех НЖК-дисплейных ячеек. Однако, она сложна в изготовлении вследствие наличия встречно-штыревых электродов, имеет по этой же причине слабый оптический контраст, требует повышенного энергопотребления для компенсации энергозатрат, необходимых для обеспечения нужного оптического контраста, и имеет ограничение по быстродействию, обусловленное использованием НЖК.Thus, the electro-optical liquid crystal display cell with NLC, made by IPS technology, provides high-quality color reproduction and the widest viewing angle of all NLC display cells. However, it is difficult to manufacture due to the presence of interdigital electrodes, has, for the same reason, a weak optical contrast, requires increased power consumption to compensate for the energy consumption required to provide the desired optical contrast, and has a speed limitation due to the use of NLCs.

С другой стороны, хорошо известна жидкокристаллическая дисплейная ячейка, заполненная геликоидальным смектиком С* - жидким кристаллом смектического типа (СЖК) с сегнетоэлектрическими свойствами, и в ней наблюдаются несколько электрооптических эффектов, которые могут быть использованы для эффективной модуляции света, причем очень быстрой, с частотой до нескольких кГц [13-19]. Для настоящего изобретения более близким аналогом является СЖК-ячейка со сплошными ITO-электродами, выполненная на основе впервые обнаруженного и описанного в СССР DHF-электрооптического эффекта (от Deformed Helix Ferroelectric - сегнетоэлектрик с деформируемым геликоидом) [17].On the other hand, there is a well-known liquid crystal display cell filled with a helicoidal smectic C * - a smectic liquid crystal (SLC) with ferroelectric properties, and several electro-optical effects are observed in it, which can be used for efficient modulation of light, moreover, very fast, with a frequency up to several kHz [13-19]. For the present invention, a closer analogue is a FLC cell with solid ITO electrodes, made on the basis of the DHF electro-optical effect, which was first discovered and described in the USSR (from Deformed Helix Ferroelectric - ferroelectric with a deformable helicoid) [17].

На Фиг. 2а показана схема СЖК-дисплейной ячейки для DHF-электрооптического эффекта, использованная в наиболее близком к изобретению аналоге [12]. Обозначения на Фиг. 2а: 3 - поляризаторы (стрелки), 8 - слой молекул СЖК, 9 - электроды, 10 - пленка ориентанта, 11 - ось геликоида.FIG. 2a shows a schematic diagram of an FLC display cell for the DHF electro-optical effect used in the analogue closest to the invention [12]. The legend in FIG. 2a: 3 - polarizers (arrows), 8 - layer of FLC molecules, 9 - electrodes, 10 - orientant film, 11 - helicoid axis.

На Фиг. 2b показаны направления спонтанной поляризации P_s и директора n в слое СЖК толщиной d для этой ячейки, ϕ - азимутальный угол и θ - полярный угол директора, L - нормаль к плоскостям смектических слоев, D - апертура светового пучка.FIG. 2b shows the directions of spontaneous polarization P _s and director n in an FLC layer of thickness d for this cell, ϕ is the azimuthal angle and θ is the polar angle of the director, L is the normal to the planes of smectic layers, D is the aperture of the light beam.

В DHF СЖК ячейке на прозрачные диэлектрические - стеклянные пластины (подложки 2 на Фиг. 1) нанесено сплошное прозрачное токопроводящее покрытие ITO (электрод 9), а поверх него - пленка 10 ориентанта. Обычно используется планарная ориентация слоя СЖК, когда координатная ось X параллельна пластинам 2, Y - перпендикулярна пластинам 2, а ось Z совпадает по направлению с вектором

- нормалью к смектическим слоям, расположенным вдоль нормали к подложкам 2. Вектор P_s спонтанной поляризации (Фиг. 2b) лежит в плоскости смектического слоя и направлен вдоль полярной оси, а полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга так, что образуется равновесная спирально закрученная структура - геликоид с осью 12 вдоль направления Z и с шагом р₀. Здесь Θ - угол наклона длинных осей молекул по отношению к вектору L (полярный угол) и ϕ - угол в плоскости XY между нормалью к пластинам и вектором

(азимутальный угол). Макроскопическая поляризация ячейки отсутствует, т.к. угол ϕ в смектических слоях изменяется от 0 до π на расстоянии, равном шагу р₀ (обычно 0,2-0,5 мкм), β - угол между поляризатором 3 и осью геликоида (Z).In a DHF FLC cell, a continuous transparent conductive ITO coating (electrode 9) is deposited on transparent dielectric - glass plates (substrate 2 in Fig. 1), and on top of it there is an orientant film 10. Usually, the planar orientation of the FLC layer is used, when the X coordinate axis is parallel to plates 2, Y is perpendicular to plates 2, and the Z axis coincides in direction with the vector

- normal to smectic layers located along the normal to substrates 2. Vector P _{s of} spontaneous polarization (Fig.2b) lies in the plane of the smectic layer and is directed along the polar axis, and the polar axes of different smectic layers are rotated relative to each other so that an equilibrium spirally the swirling structure is a helicoid with the 12 axis along the Z direction and with a step p ₀ . Here Θ is the angle of inclination of the long axes of molecules with respect to the vector L (polar angle) and ϕ is the angle in the XY plane between the normal to the plates and the vector

(azimuth angle). There is no macroscopic cell polarization because the angle ϕ in smectic layers varies from 0 to π at a distance equal to the step p ₀ (usually 0.2-0.5 μm), β is the angle between polarizer 3 and the axis of the helicoid (Z).

В такой СЖК-ячейке модулируемый свет распространяется вдоль нормали к подложкам 2, то есть вдоль плоскостей смектических слоев и вдоль направления электрического поля. Вектор спонтанной поляризации стремится расположиться вдоль силовых линий поля, вследствие чего молекулы СЖК разворачиваются по образующей конуса таким образом, что полярный угол θ остается неизменным, а азимутальный угол ϕ изменяется от 0 до π (Фиг. 2b). При смене знака электрического поля процесс происходит в обратном направлении.In such an FLC cell, the modulated light propagates along the normal to the substrates 2, that is, along the planes of the smectic layers and along the direction of the electric field. The spontaneous polarization vector tends to be located along the field lines, as a result of which the FLC molecules unfold along the generatrix of the cone so that the polar angle θ remains unchanged, and the azimuthal angle ϕ changes from 0 to π (Fig. 2b). When the sign of the electric field changes, the process proceeds in the opposite direction.

Для получения электрооптической модуляции света скрещенные поляризаторы 3 на внешних сторонах стеклянных пластин наклеены таким образом, чтобы ось поляризатора совпадала с направлением директора СЖК при ϕ=0 (равноценно, при ϕ=π). В общем случае модуляционная характеристика подобна таковой для НЖК (см. (1)) и оптическое пропускание за ячейкой толщиной d описывается уравнением [14]:To obtain electro-optical modulation of light, crossed polarizers 3 on the outer sides of the glass plates are glued so that the polarizer axis coincides with the direction of the FLC director at ϕ = 0 (equivalently, at ϕ = π). In the general case, the modulation characteristic is similar to that for an NLC (see (1)), and the optical transmission behind a cell of thickness d is described by the equation [14]:

В отличие от НЖК, молекулы СЖК реагируют на знак приложенного напряжения (линейный электрооптический эффект), и поскольку выключение включенного оптического состояния осуществляется тоже принудительно (электрическим полем), времена включения и выключения обоих состояний одинаковы и определяются выражением:Unlike NLC, FLC molecules react to the sign of the applied voltage (linear electro-optical effect), and since the switching off of the switched on optical state is also forced (by an electric field), the times of switching on and off of both states are the same and are determined by the expression:

Это позволяет получить в современных СЖК-модуляторах при знакопеременном электрическом поле в несколько В/мкм время включения-выключения оптического отклика в несколько десятков микросекунд и частоту модуляции света в несколько килогерц, что на два-три порядка быстрее, чем при использовании НЖК.This makes it possible to obtain in modern FLC modulators with an alternating electric field of several V / μm, the on-off time of the optical response of several tens of microseconds and a light modulation frequency of several kilohertz, which is two to three orders of magnitude faster than when using NLC.

Электрооптический DHF-эффект реализуется в смектическом слое при выполнении условия:The electro-optical DHF effect is realized in the smectic layer when the following condition is met:

т.е. шаг геликоида (обычно 2-5 мкм) должен быть много меньше толщины слоя СЖК, или, более корректно,those. the pitch of the helicoid (usually 2-5 microns) should be much less than the thickness of the FLC layer, or, more correctly,

где K_ϕ - модуль упругости, определяющий деформацию слоя СЖК по азимутальному углу ϕ; q₀=2π/p₀ - волновой вектор геликоида; W_Q - квадратичный коэффициент энергии сцепления слоя с граничащей поверхностью, определяющий граничные условия для слоя.where K _ϕ is the modulus of elasticity, which determines the deformation of the FLC layer by the azimuthal angle ϕ; q ₀ = 2π / p ₀ is the wave vector of the helicoid; W _Q is the quadratic coefficient of the cohesion energy of the layer with the adjoining surface, which determines the boundary conditions for the layer.

Модуляция света электрическим полем происходит вследствие возмущений равновесной спирали (геликоида) при изменении коэффициента двулучепреломления Δn, усредненного по достаточно широкой апертуре светового пучка диаметром D>>p₀. Эффект не имеет порога и наблюдается в малых полях, которые меньше критического поля раскрутки спирали E_C, обратно пропорционального спонтанной поляризации. В скрещенных поляроидах реализуется модуляция интенсивности света с линейной шкалой серого по закону (4). Важно, что условие наблюдения эффекта (6) соблюдается уже при толщине слоя СЖК порядка 3 мкм, удобной для дисплейных приложений.Modulation of light by an electric field occurs as a result of disturbances in the equilibrium spiral (helicoid) with a change in the birefringence coefficient Δn, averaged over a sufficiently wide aperture of a light beam with a diameter D >> p ₀ . The effect has no threshold and is observed in low fields, which are less than the critical helix untwisting field E _C , which is inversely proportional to the spontaneous polarization. In crossed polaroids, light intensity modulation with a linear gray scale is realized according to the law (4). It is important that the condition for observing the effect (6) is met even at a FLC layer thickness of about 3 μm, which is convenient for display applications.

Таким образом, описанная выше электрооптическая DHF СЖК дисплейная ячейка проста в изготовлении (вследствие отсутствия встречно-штыревых электродов) и имеет высокие значения быстродействия (обусловлено использованием СЖК) и оптического контраста. Однако, она не обеспечивает высококачественную цветопередачу и широкий угол обзора, присущие IPS-технологии в НЖК-дисплейной ячейке и обусловленные переключением (переориентацией) главной оптической оси НЖК на 90° в плоскости слоя при поперечном (по отношению к этой плоскости) приложении электрического поля.Thus, the above-described electro-optical DHF FLC display cell is easy to manufacture (due to the absence of interdigitated electrodes) and has high response rates (due to the use of FLC) and optical contrast. However, it does not provide high-quality color reproduction and a wide viewing angle inherent in IPS technology in an NLC display cell and caused by switching (reorientation) of the main optical axis of the NLC by 90 ° in the layer plane with transverse (relative to this plane) application of an electric field.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является реализация в DHF СЖК дисплейной ячейке IPS-технологии, то есть переориентации главной оптической оси планарно ориентированного слоя СЖК на 90° в плоскости слоя при приложении электрического поля к сплошным электродам ячейки. В этом случае в качестве технического результата будут обеспечены как высококачественная цветопередача и широкий угол обзора, присущие IPS-технологии, так и увеличение в несколько раз быстродействия модуляции света и упрощение технологии изготовления дисплейной ячейки, обусловленные использованием СЖК и сплошных электродов вместо встречно-штыревых.The problem solved in the present invention is the implementation in the DHF FLC display cell of IPS technology, that is, the reorientation of the main optical axis of the planar oriented FLC layer by 90 ° in the plane of the layer when an electric field is applied to the solid electrodes of the cell. In this case, as a technical result, both high-quality color rendition and a wide viewing angle inherent in IPS technology will be provided, as well as a several times increase in the speed of light modulation and simplification of the display cell manufacturing technology due to the use of FLC and solid electrodes instead of interdigital ones.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предложена жидкокристаллическая дисплейная ячейка со сплошными электродами, заполненная геликоидальным смектическим жидким кристаллом (СЖК) с сегнетоэлектрическими свойствами, в которой реализован электрооптический эффект сегнетоэлектрика с деформируемым геликоидом, при этом СЖК выполнен с субволновым шагом спирали и углом наклона молекул в смектических слоях не менее 38 градусов.To solve this problem and achieve the specified technical result, the present invention proposes a liquid crystal display cell with solid electrodes, filled with a helicoidal smectic liquid crystal (FLC) with ferroelectric properties, in which the electro-optical effect of a ferroelectric with a deformable helicoid is realized, while the FLC is made with a subwavelength helix pitch and the angle of inclination of molecules in smectic layers is not less than 38 degrees.

Особенность настоящего изобретения состоит в том, что источник электрического напряжения, прикладываемого к электродам, может быть выполнен с возможностью работы в частотном интервале модуляции света до 4 кГц при напряженности электрического поля до 7 В/мкм.A feature of the present invention is that the source of electric voltage applied to the electrodes can be configured to operate in the frequency range of modulation of light up to 4 kHz at an electric field strength of up to 7 V / μm.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На Фиг. 1 показана схема ориентации молекул НЖК в известной IPS-ячейке - выключенной (слева) и включенной (справа).FIG. 1 shows a diagram of the orientation of NLC molecules in a known IPS cell - off (left) and on (right).

На Фиг. 2 приведены схема известной СЖК-ячейки для DHF-электрооптического эффекта (а) и направления спонтанной поляризации P_s и директора n в слое СЖК (б).FIG. 2 shows a diagram of a well-known FLC cell for the DHF electro-optical effect (a) and the directions of spontaneous polarization P _s and director n in the FLC layer (b).

На Фиг. 3 показана планарно-ориентированная ячейка с деформируемым геликоидальным СЖК (DHFLC) и равномерно закрученной спиралью в отсутствие (слева) и при приложении (справа) электрического поля.FIG. 3 shows a planar-oriented cell with a deformable helicoidal FLC (DHFLC) and a uniformly twisted spiral in the absence (left) and application (right) of an electric field.

На Фиг. 4 приведены экспериментальные зависимости эффективного показателя двулучепреломления Δn_eff (Е) и угла отклонения Ψ_D (Е) для СЖК DHF-ячеек с композициями FLC-587-F7 (а) и FLC-650 (b).FIG. 4 shows the experimental dependences of the effective birefringence index Δn _eff (E) and the deflection angle Ψ _D (E) for FLC DHF cells with compositions FLC-587-F7 (a) and FLC-650 (b).

На Фиг. 5 представлены измеренные зависимости пропускания света от прилагаемого напряжения Т(Е) и вычисленные для этого пропускания значения сомножителей для СЖК DHF-ячеек с композициями FLC-587-F7 (a) и FLC-650(b).FIG. 5 shows the measured dependences of the light transmission on the applied voltage T (E) and the values of the factors calculated for this transmission for FLC DHF cells with compositions FLC-587-F7 (a) and FLC-650 (b).

На Фиг. 6 приведены осциллограммы: управляющего напряжения (верхняя) амплитудой ±5 В и оптического отклика (нижняя) при модуляции света в режиме IPS для DHFLC-ячейки с FLC-650.FIG. 6 shows oscillograms: control voltage (upper) with an amplitude of ± 5 V and optical response (lower) when modulating light in IPS mode for a DHFLC cell with FLC-650.

Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments

С целью выполнения поставленной задачи для DHF дисплейной ячейки были специально разработаны и исследованы многокомпонентные СЖК с субволновым шагом спирали (р₀ < 100 нм < λ), что во много раз меньше длины волны видимого света [20-25]. Заметим, что уменьшение шага спирали почти на два порядка в течение последних 30 лет является существенным мировым достижением.In order to accomplish the set task for a DHF display cell, multicomponent FLCs with a subwavelength helix pitch (p ₀ <100 nm <λ) were specially developed and studied, which is many times less than the wavelength of visible light [20-25]. Note that reducing the pitch of the spiral by almost two orders of magnitude over the past 30 years is a significant global achievement.

Были изготовлены две новые СЖК-композиции с шагом спирали всего около 50 нм [24, 25]: 1) FLC-587-F7, у которой угол отклонения молекул в смектических слоях θ=31,6° при 22°, и 2) композиция FLC-650 с θ=38,4° при 22°C. Обе смеси СЖК состоят из бифенилпиримидинов в качестве ахиральной смектической С-матрицы и трифторметилалкильных диэфиров терфенилдикарбоновой кислоты в качестве хиральных легирующих примесей, обладающих очень высокой закручивающей способностью (см. таблицы 1 и 2)Two new FLC compositions were prepared with a helix pitch of only about 50 nm [24, 25]: 1) FLC-587-F7, in which the angle of deflection of molecules in smectic layers θ = 31.6 ° at 22 °, and 2) composition FLC-650 with θ = 38.4 ° at 22 ° C. Both FFA mixtures are composed of biphenylpyrimidines as an achiral smectic C-matrix and trifluoromethylalkyl diesters of terphenyl dicarboxylic acid as chiral dopants with very high swirling properties (see Tables 1 and 2)

Дисплейная СЖК-ячейка с субволновым шагом спирали p_o << λ по сути представляет собой спиральную наноструктуру (СНС). Показано [26], что еслиA display FLC cell with a subwavelength helix pitch p _o << λ is essentially a helical nanostructure (SNS). It was shown [26] that if

то при анализе распространения света через такую структуру, несмотря на некоторые трудности, связанные с эффектами оптического вращения и брэгговского отражения, вполне корректна замена периодической СНС DHF-ячейки макроскопическими эллипсоидами с эффективными показателями преломления, как показано в правой части Фиг. 3а и 3b. На Фиг. 3 проиллюстрирована планарно-ориентированная ячейка с деформируемым геликоидальным СЖК (DHFLC) и равномерно закрученной спиралью в отсутствие (3а) и при приложении (3b) электрического поля. Обозначения: 2 - стеклянные пластины, покрытые непрерывными слоями оксида индия и олова (ITO), поверх которых наносятся ориентирующие слои; 12 - стрелка, указывающая направление распространения падающего линейно поляризованного пучка света; d - толщина слоя DHFLC; р₀ - шаг спирали; n_p и n_h - показатели преломления спиральной структуры DHFLC в электрическом поле Е=0 [27]; n₊, n_- и n_z - эффективные показатели преломления и ψ_d (Е) ~ Е - отклонение главной оптической оси в электрическом поле Е≠0.then, when analyzing the propagation of light through such a structure, despite some difficulties associated with the effects of optical rotation and Bragg reflection, it is quite correct to replace the periodic SNS DHF cell with macroscopic ellipsoids with effective refractive indices, as shown in the right part of Fig. 3a and 3b. FIG. 3 illustrates a planar-oriented cell with a deformable helicoidal FLC (DHFLC) and a uniformly twisted spiral in the absence (3a) and with the application (3b) of an electric field. Legend: 2 - glass plates coated with continuous layers of indium and tin oxide (ITO), on top of which orienting layers are applied; 12 - arrow indicating the direction of propagation of the incident linearly polarized light beam; d is the thickness of the DHFLC layer; p ₀ - spiral pitch; n _p and n _h are the refractive indices of the spiral structure of DHFLC in an electric field E = 0 [27]; n ₊ , n _- and n _z are the effective refractive indices and ψ _d (E) ~ E is the deviation of the main optical axis in an electric field E ≠ 0.

Модуляция света в СЖК-дисплейной ячейке с электрооптическим DHF-эффектом хорошо изучена теоретически и экспериментально [17-23]. Исследования показали, что главная оптическая ось СНС ЖК-ячейки отклоняется в электрическом поле в плоскости, перпендикулярной направлению поля [27]. В планарно-ориентированной СНС ЖК-ячейке главная оптическая ось параллельна подложкам, а поле перпендикулярно им. Следовательно, главная оптическая ось отклоняется в плоскости, параллельной плоскости подложек (Фиг. 3).Light modulation in a FLC display cell with an electro-optical DHF effect has been well studied theoretically and experimentally [17-23]. Studies have shown that the main optical axis of the LNS of an LC cell is deflected in an electric field in a plane perpendicular to the direction of the field [27]. In a planar-oriented LNS LC cell, the main optical axis is parallel to the substrates, and the field is perpendicular to them. Consequently, the main optical axis is deflected in a plane parallel to the plane of the substrates (Fig. 3).

Фиг. 3 иллюстрирует конкретное двухосное преобразование эллипсоида эффективных показателей преломления n₊~Е², n_-~Е² и n_z~Е² в электрическом поле Е в комбинации с отклонением главной оптической оси на угол ϕ_d ~ Е [20-23] в плоскости, перпендикулярной направлению электрического поля [27], то есть в плоскости подложек 2. Таким образом, существует некоторая аналогия между переключением главной оптической оси в IPS-ячейках в НЖК (Фиг. 1) и в планарно-ориентированных DHFLC-ячейках (Фиг. 3). Следовательно, IPS-эффект в DHFLC-ячейках возможен, если упомянутое выше двухосное преобразование эффективных показателей преломления не оказывает существенного влияния на распространение света в слое DHFLC. Иначе говоря, должны выполняться соотношения: n₊(Е) << n_h и n_-(Е) << n_p. Далее в предложенном изобретении содержится экспериментальное обоснование существования такой возможности.FIG. 3 illustrates a specific biaxial transformation of an ellipsoid of effective refractive indices n ₊ ~ E ² , n _- ~ E ² and n _z ~ E ² in an electric field E in combination with a deviation of the main optical axis by an angle ϕ _d ~ E [20-23] in the plane perpendicular to the direction of the electric field [27], that is, in the plane of the substrates 2. Thus, there is some analogy between switching the main optical axis in IPS cells in NLC (Fig. 1) and in planar-oriented DHFLC cells (Fig. 3 ). Therefore, the IPS effect in DHFLC cells is possible if the above biaxial conversion of effective refractive indices does not significantly affect the light propagation in the DHFLC layer. In other words, the following relations must be satisfied: n ₊ (Е) << n _h and n _- (Е) << n _p . Further, the proposed invention contains an experimental justification for the existence of such a possibility.

Предложенный подход основывается на том факте, что при выполнении условия (8), которое при λ порядка 50 нм заведомо выполняется, светопропускание Т планарно-ориентированного слоя DHFLC, расположенного между скрещенными поляризаторами, описывается соотношением, уже доказанным и теоретически, и экспериментально [21]:The proposed approach is based on the fact that when condition (8) is satisfied, which is certainly satisfied at λ of about 50 nm, the light transmission of the T planar-oriented DHFLC layer located between the crossed polarizers is described by the relationship already proven both theoretically and experimentally [21] :

где Δn_eff(E)=n₊(Е) - n_{_} (Е) является эффективным двулучепреломлением слоя DHFLC в электрическом поле.where Δn _eff (E) = n ₊ (E) - n _{_} (E) is the effective birefringence of the DHFLC layer in an electric field.

Композиции FLC-587-F7 и FLC-650 характеризуются довольно разными зависимостями Δn_eff (Е) and Ψ_d(E), показанными на Фиг. 4, где приведены экспериментальные зависимости эффективного показателя двулучепреломления Δn_eff (Е) (пустые окружности) и угла отклонения Ψ_d(Е) (шары) для FLC-587-F7 (а) и FLC-650 (b), измеренные при 22°C на длине волны 632,8 нм.Compositions FLC-587-F7 and FLC-650 are characterized by rather different dependencies Δn _eff (E) and Ψ _d (E) shown in FIG. 4, which shows the experimental dependences of the effective birefringence index Δn _eff (E) (empty circles) and the deflection angle Ψ _d (E) (balls) for FLC-587-F7 (a) and FLC-650 (b), measured at 22 ° C at a wavelength of 632.8 nm.

Указанные зависимости были получены в экспериментальной установке на основе схемы интерферометра Маха-Цендера, которая подробно описана в [22]. Отметим, что количественное значение угла наклона в молекул в смектических слоях в геликоидальных структурах СЖК определяется уровнем насыщения экспериментальной кривой Ψ_d(E), поведение которой в электрическом поле (Фиг. 4) так же, как и Δn_eff (Е), зависит от величины угла наклона молекул в СЖК.The indicated dependences were obtained in an experimental setup based on the Mach-Zehnder interferometer scheme, which is described in detail in [22]. Note that the quantitative value of the tilt angle in molecules in smectic layers in helicoidal structures of FLC is determined by the saturation level of the experimental curve Ψ _d (E), the behavior of which in an electric field (Fig. 4), as well as Δn _eff (E), depends on the angle of inclination of molecules in FLC.

На Фиг. 5 приведены измеренные зависимости Т(Е) двух ячеек DHFLC (с FLC-587-F7 и с FLC-650) и рассчитанные значения сомножителей, включенных в соотношение (9). Для расчетов взяты измеренные зависимости Ψ_d(Е) и Δn_eff(Е), представленные на Фиг. 4. На Фиг. 5 показано общее пропускание света Т(Е) (шары) за скрещенными поляризаторами, измеренное при 22°C на длине волны 632,8 нм, и вычисленные для него из соотношения (9) значения сомножителей для DHFLC- ячейки с FLC-587-F7 при d=1,45 мкм (а) и для ячейки с FLC-650 при d=3,05 мкм (b). Рассчитанные компоненты коэффициента пропускания показаны пустыми окружностями и ромбами.FIG. 5 shows the measured T (E) dependences of two DHFLC cells (with FLC-587-F7 and with FLC-650) and the calculated values of the factors included in relation (9). For calculations, the measured dependences Ψ _d (E) and Δn _eff (E), presented in Fig. 4. In FIG. 5 shows the total light transmission T (E) (balls) behind crossed polarizers, measured at 22 ° C at a wavelength of 632.8 nm, and the values of the factors calculated for it from relation (9) for a DHFLC cell with FLC-587-F7 at d = 1.45 μm (a) and for a cell with FLC-650 at d = 3.05 μm (b). The calculated transmittance components are shown by empty circles and rhombuses.

Измеренная зависимость Т(Е) на Фиг. 5b (шары) практически совпадает с расчетной зависимостью sin² (4Ψ_d) (окружности), а коэффициент sin² (πΔn_effd/λ), который обозначен как sin²(Phase) (ромбы), практически не меняется, когда 0≤Т(Е)≤1. По этой причине можно утверждать, что в данном случае электрооптическая модуляция вызвана, главным образом, переключением главной оптической оси в плоскости подложек. Однако на Фиг. 5а тот же коэффициент sin²(πΔn_effd/λ), или sin² (Phase), изменяется при 0≤Т(Е)≤1 на 45%, что совсем не согласуется с определением режима IPS, при котором вклад фазового фактора в электрооптическую модуляцию должен быть пренебрежимо мал.The measured T (E) plot in FIG. 5b (balls) practically coincides with the calculated dependence sin ² (4Ψ _d ) (circles), and the coefficient sin ² (πΔn _eff d / λ), which is denoted as sin ² (Phase) (diamonds), practically does not change when 0≤ T (E) ≤1. For this reason, it can be argued that, in this case, the electro-optical modulation is caused mainly by the switching of the main optical axis in the plane of the substrates. However, in FIG. 5a, the same coefficient sin ² (πΔn _eff d / λ), or sin ² (Phase), changes at 0≤Т (Е) ≤1 by 45%, which is not at all consistent with the definition of the IPS mode, in which the contribution of the phase factor to electro-optic modulation should be negligible.

Из сравнения фигур 5а и 5b видно, что электрооптическая модуляция в ячейках DHFLC приближается к режиму IPS только тогда, когда угол наклона молекул в смектических слоях θ увеличен до 38 и более градусов. Эксперименты также показывают, что электрооптическая мода IPS наблюдается в дисплейных ячейках DHFLC с субволновым шагом спирали.From a comparison of Figures 5a and 5b, it can be seen that electro-optical modulation in DHFLC cells approaches the IPS mode only when the angle of inclination of molecules in smectic layers θ is increased to 38 degrees or more. Experiments also show that the IPS electro-optical mode is observed in DHFLC display cells with subwavelength helix pitch.

В совокупности вышеуказанные условия - субволновой шаг спирали и угол наклона молекул в смектических слоях 38 и более градусов, используемые в DHF СЖК дисплейной ячейке, являются достаточными, чтобы обеспечить в такой ячейке реализацию IPS-режима, т.е. переориентации главной оптической оси слоя СЖК на 90° в плоскости слоя при поперечном (по отношению к этой плоскости) приложении электрического поля.Taken together, the above conditions - the subwavelength helix pitch and the tilt angle of molecules in smectic layers of 38 degrees or more, used in the DHF FLC display cell, are sufficient to ensure the implementation of the IPS mode in such a cell, i.e. reorientation of the main optical axis of the FLC layer by 90 ° in the plane of the layer with transverse (with respect to this plane) application of an electric field.

По отношению к ячейкам IPS НЖК, дисплейные ячейки IPS DHFLC имеют несомненное технологическое преимущество, поскольку для их изготовления используются сплошные электроды. Кроме того, как следует из осциллограммы на Фиг. 6 и публикаций [20, 25], ячейка DHFLC с композицией FLC-650 обеспечивает частоту электрооптической модуляции в 1 кГц (при управляющем напряжении до 7 В), то есть в 8 раз большую, чем при использовании НЖК. При этом времена включения и выключения оптического отклика СЖК-ячейки в области проявления DHF-эффекта при малых управляющих напряжениях (до 7 В) и слабых полях не превышают 150 мкс. Это также является очевидным преимуществом дисплейной ячейки IPS СЖК по сравнению с ячейками IPS НЖК. На Фиг. 6 приведены следующие осциллограммы: управляющего напряжения амплитудой ±5 В (верхняя) и оптического отклика (нижняя) DHFLC-ячейки с FLC-650 при модуляции света (λ=632,8 нм) в режиме IPS. Толщина слоя FLC-650 составляет 1,8 мкм, ось спирали направлена вдоль плоскости поляризации, температура Т=23°C, частота модуляции 1 кГц.In relation to IPS NLC cells, IPS DHFLC display cells have an undoubted technological advantage, since they are made using solid electrodes. In addition, as follows from the oscillogram in FIG. 6 and publications [20, 25], the DHFLC cell with the FLC-650 composition provides an electro-optical modulation frequency of 1 kHz (with a control voltage of up to 7 V), that is, 8 times higher than when using NLC. In this case, the turn-on and turn-off times of the optical response of the FLC cell in the region of the DHF effect at low control voltages (up to 7 V) and weak fields do not exceed 150 μs. This is also a clear advantage of the IPS FLC display cell over IPS NLC cells. FIG. 6 shows the following oscillograms: a control voltage with an amplitude of ± 5 V (upper) and an optical response (lower) of a DHFLC cell with an FLC-650 with light modulation (λ = 632.8 nm) in IPS mode. The FLC-650 layer thickness is 1.8 μm, the spiral axis is directed along the polarization plane, the temperature is T = 23 ° C, and the modulation frequency is 1 kHz.

Преимущества дисплейной ячейки на основе DHF СЖК, реализующей IPS-технологию модуляции света по настоящему изобретению, по отношению к аналогу - IPS-дисплейной ячейке на основе НЖК, реализуются, прежде всего, за счет упрощения технологии, обуслов-обусловленного отсутствием встречно-штыревых электродов, и повышения в 8 раз быстродействия, обусловленного использованием СЖК. По отношению к ближайшему аналогу - DHF СЖК дисплейной ячейке преимуществами предлагаемого изобретения являются высококачественная цветопередача и широкий угол обзора, присущие IPS-технологии и обусловленные переключением (переориентацией) главной оптической оси слоя СЖК на 90° в плоскости слоя при поперечном (по отношению к этой плоскости) приложении электрического поля.The advantages of a display cell based on DHF FLC, which implements the IPS light modulation technology according to the present invention, in relation to its analogue, an IPS display cell based on NLC, are realized, first of all, due to the simplification of the technology due to the absence of interdigitated electrodes. and a 8-fold increase in performance due to the use of FLC. In relation to the closest analogue - DHF FLC display cell, the advantages of the present invention are high-quality color reproduction and a wide viewing angle inherent in IPS technology and due to switching (reorientation) of the main optical axis of the FLC layer by 90 ° in the plane of the layer when transverse (with respect to this plane ) application of an electric field.

Эти результаты открывают возможность создания нового поколения жидкокристаллических дисплеев, характеризующихся высоким быстродействием и технологичностью изготовления, высококачественной цветопередачей и широким углом обзора.These results open up the possibility of creating a new generation of liquid crystal displays, characterized by high speed and manufacturability, high quality color reproduction and a wide viewing angle.

Для улучшения характеристик дисплейной ячейки на основе DHF СЖК, реализующей IPS-технологию модуляции света по настоящему изобретению, можно в отдельности или в совокупности использовать улучшение конструкции DHF СЖК дисплейной ячейки путем оптимизации состава, свойств и толщины конструктивных слоев, улучшение композиции геликоидального СЖК с субволновым шагом геликоида и оптимизацию угла наклона молекул в слое СЖК.To improve the characteristics of a display cell based on DHF FLC, which implements the IPS light modulation technology of the present invention, it is possible, individually or in combination, to improve the design of the DHF FLC of the display cell by optimizing the composition, properties and thickness of structural layers, and to improve the composition of helicoidal FLC with a subwavelength step. helicoid and optimization of the angle of inclination of molecules in the FLC layer.

Таким образом, дисплейная ячейка на основе DHF СЖК, реализующая IPS-технологию модуляции света по настоящему изобретению, является базой для создания простых, быстродействующих, технологичных и эффективных дисплеев и др. устройств. Это делает возможным их применение в разнообразных системах визуализации (в том числе трехмерной), отображения, хранения и обработки информации, обладающих высокой информационной емкостью, в частности, в двумерных и трехмерных дисплеях, в том числе компьютерных, телевизионных и смартфонных, в модуляторах света, в том числе в пространственных, в системах обработки и распознавания изображений, хранения и преобразования данных, в индикаторных панелях и т.п.Thus, a display cell based on DHF FLC, which implements the IPS light modulation technology of the present invention, is the basis for creating simple, high-speed, technological and efficient displays and other devices. This makes it possible to use them in a variety of visualization systems (including three-dimensional), display, storage and processing of information with a high information capacity, in particular, in two-dimensional and three-dimensional displays, including computer, television and smartphone, in light modulators, including in spatial, in systems for image processing and recognition, storage and transformation of data, in display panels, etc.

По настоящему изобретению на основе DHF СЖК были изготовлены несколько экспериментальных образцов дисплейных ячеек, осуществляющих модуляцию проходящего светового пучка, и были измерены их электрооптические характеристики.According to the present invention, based on DHF FLC, several experimental samples of display cells were made to modulate the transmitted light beam, and their electro-optical characteristics were measured.

Принципиальная конструкция изготовленных жидкокристаллических ячеек не отличалась от использованной в ближайшем аналоге [17]. Одна группа ячеек заполнялась композицией геликоидального СЖК FLC-587-F7, у которой угол отклонения молекул в смектических слоях был θ=31,6° при 22°, и толщина слоя СЖК составляла 1,45 мкм. Другая группа ячеек заполнялась композицией геликоидального СЖК FLC-650 с θ=38,4° при 22°C, и толщина его слоя составляла 3,05 мкм. Обе смеси СЖК имели шаг спирали около 50 нм и состояли из бифенилпиримидинов в качестве ахиральной смектической С-матрицы и трифторметилалкильных диэфиров терфенилдикарбоновой кислоты в качестве хиральных легирующих примесей, обладающих очень высокой закручивающей способностью. Обе композиции СЖК были разработаны и изготовлены в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) впервые и не имеют коммерческого названия.The principal design of the manufactured liquid crystal cells did not differ from that used in the closest analogue [17]. One group of cells was filled with the FLC-587-F7 helicoidal FLC composition, in which the angle of deflection of molecules in the smectic layers was θ = 31.6 ° at 22 °, and the thickness of the FLC layer was 1.45 μm. Another group of cells was filled with an FLC-650 helicoidal FLC composition with θ = 38.4 ° at 22 ° C, and its layer thickness was 3.05 µm. Both FFA mixtures had a helix pitch of about 50 nm and consisted of biphenylpyrimidines as an achiral smectic C-matrix and trifluoromethylalkyl diesters of terphenyldicarboxylic acid as chiral dopants with a very high swirling ability. Both FFA compositions were developed and manufactured at the Physics Institute named after P.N. Lebedev RAS (FIAN) for the first time and do not have a commercial name.

Источник электрического напряжения, выполненный по схеме, известной специалистам, обеспечивал изменение скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов напряжения (меандр) в частотном интервале модуляции света до 2 кГц и выходное напряжение до 10 В, обеспечивающее напряженность электрического поля до 7 В/мкм в электрооптических ячейках толщиной 1,45 мкм и до 3,5 В/мкм в ячейках толщиной 3,05 мкм. При дальнейшей оптимизации устройства ожидается, что частота модуляции света может быть повышена до нескольких килогерц.An electric voltage source, made according to a scheme known to specialists, provided a change in the duty cycle and duration of the control alternating voltage pulses (meander) in the frequency range of light modulation up to 2 kHz and an output voltage up to 10 V, providing an electric field strength of up to 7 V / μm in electro-optical cells 1.45 μm thick and up to 3.5 V / μm in 3.05 μm cells. With further optimization of the device, it is expected that the modulation frequency of light can be increased to several kilohertz.

В экспериментальных образцах модуляторов использовались стандартные стеклянные пластины с проводящим слоем окиси индия-олова (ITO, сопротивление около 50 Ω/□), покрытым слоем диэлектрика SiO₂ (толщина около 70 нм), а затем полимерным слоем полиимида (PMDA-ODA, толщина 20-40 нм), натираемым с целью ориентации СЖК. Апертура ячеек составляла 2×2 см.In experimental models of modulators used standard glass plate with the conductive layer of indium tin oxide (ITO, a resistance of about 50 Ω / □), coated with a layer of dielectric SiO ₂ (thickness: about 70 nm), and then the polymer layer polyimide (PMDA-ODA, thickness 20 -40 nm) rubbed to orient the FLC. The aperture of the cells was 2 × 2 cm.

При выполненных условиях на параметры СЖК и электрооптических ячеек экспериментальные зависимости эффективного показателя двулучепреломления Δn_eff и угла отклонения Ψ_d от электрического поля для FLC-587-F7 и FLC-650, измеренные при 22°C на длине волны 632,8 нм, имели характер, показанный на Фиг. 4. При этом количественное значение угла наклона θ молекул в смектических слоях в геликоидальных наноструктурах СЖК определяется уровнем насыщения экспериментальной кривой Ψ_d(Е), поведение которой в электрическом поле так же, как и Δn_eff (E), зависит от исходной величины угла наклона в СЖК. Указанные зависимости были получены в экспериментальной установке на основе схемы интерферометра Маха-Цендера.Under the fulfilled conditions on the parameters of FLC and electro-optical cells, the experimental dependences of the effective birefringence index Δn _eff and the angle of deviation Ψ _d from the electric field for FLC-587-F7 and FLC-650, measured at 22 ° C at a wavelength of 632.8 nm, had the character shown in FIG. 4. In this case, the quantitative value of the slope angle θ of molecules in smectic layers in helicoidal nanostructures of FLC is determined by the saturation level of the experimental curve Ψ _d (E), the behavior of which in an electric field, as well as Δn _eff (E), depends on the initial value of the slope angle in SZhK. The indicated dependences were obtained in an experimental setup based on the Mach-Zehnder interferometer scheme.

На Фиг. 5 показано общее пропускание света Т(Е) за скрещенными поляризаторами, измеренное при 22°C на длине волны 632,8 нм, и вычисленные для него из соотношения (9) значения сомножителей для DHFLC-ячейки с FLC-587-F7 при d=1,45 мкм и для ячейки с FLC-650 при d=3,05 мкм. Видно, что электрооптическая модуляция в ячейках DHFLC приближается к режиму IPS только тогда, когда угол θ наклона молекул в смектических слоях увеличен до 38 и более градусов.FIG. 5 shows the total light transmission T (E) behind crossed polarizers, measured at 22 ° C at a wavelength of 632.8 nm, and the values of the factors calculated for it from relation (9) for a DHFLC cell with FLC-587-F7 at d = 1.45 μm and for a cell with FLC-650 at d = 3.05 μm. It can be seen that electro-optical modulation in DHFLC cells approaches the IPS mode only when the tilt angle θ of molecules in smectic layers is increased to 38 degrees or more.

Таким образом, экспериментальные и расчетные данные показывают, что в совокупности задаваемые отличительные условия - субволновой шаг спирали и угол наклона молекул в смектических слоях 38 и более градусов, используемые в DHF СЖК электрооптической ячейке, являются достаточными, чтобы обеспечить в такой ячейке реализацию с высокой скоростью IPS-режима, при котором происходит переориентация главной оптической оси слоя СЖК на 90° в плоскости слоя при поперечном (по отношению к этой плоскости) приложении электрического поля. Тем самым результаты, полученные при тестировании экспериментальных образцов DHF СЖК ячеек, полностью соответствуют положениям, раскрывающим сущность изобретения. Тестирование образцов подтвердило достижение заявленных параметров (технического результата), а также достоинства и преимущества заявленного устройства.Thus, the experimental and calculated data show that, in aggregate, the specified distinctive conditions - the subwavelength helix pitch and the tilt angle of molecules in smectic layers of 38 degrees or more, used in a DHF FLC electro-optical cell, are sufficient to ensure that such a cell is realized at a high speed. IPS-mode, in which the main optical axis of the FLC layer is reoriented by 90 ° in the plane of the layer when an electric field is applied transversely (with respect to this plane). Thus, the results obtained when testing experimental samples of DHF FFA cells are fully consistent with the provisions revealing the essence of the invention. Testing of samples confirmed the achievement of the declared parameters (technical result), as well as the advantages and benefits of the claimed device.

ЛитератураLiterature

1. Chigrinov V.G. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London, 359 p. (1999).1. Chigrinov V.G. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London, 359 p. (1999).

2. Luder E. Liquid crystal displays. Addressing schemes and electro-optic effects. John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 352 p. (2001).2. Luder E. Liquid crystal displays. Addressing schemes and electro-optic effects. John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 352 p. (2001).

3. Томилин М.Г., Невская Г.Е. Дисплеи на жидких кристаллах. Изд-во СПбГУ ИТМО, 108 с. (2010).3. Tomilin M.G., Nevskaya G.E. Liquid crystal displays. Publishing house of St. Petersburg State University ITMO, 108 p. (2010).

4. Deng Ке Yang, Shin Tson Wu. Fundamentals of Liquid Crystal Devices. John Wiley & Sons, Ltd., 570 p. (2014).4. Deng Ke Yang, Shin Tson Wu. Fundamentals of Liquid Crystal Devices. John Wiley & Sons, Ltd., 570 p. (2014).

5. Helfrich W., Schadt M.. Lichtsteuerzelle (Модулятор света). Патент Швейцарии No. 532261 (1973).5. Helfrich W., Schadt M .. Lichtsteuerzelle (Light modulator). Swiss Patent No. 532261 (1973).

6. Schadt M. Liquid crystal materials and LCDs. Annu. Rev. Mater, Vol. 27. P. 305-379(1997).6. Schadt M. Liquid crystal materials and LCDs. Annu. Rev. Mater, Vol. 27. P. 305-379 (1997).

7. Amstutz H., Heimgartner D., Kaufmann M., Scheffer T.J. Flussigkristallanzeige (Жидкокристаллический дисплей). European Patent No. EP 0131216 (1987).7. Amstutz H., Heimgartner D., Kaufmann M., Scheffer T.J. Flussigkristallanzeige (Liquid Crystal Display). European Patent No. EP 0131216 (1987).

8. Scheffer T. J., Nehring J. A new highly multiplexable LCD. Appl. Phys.Lett, Vol. 45. P. 1021-1023 (1984).8. Scheffer T. J., Nehring J. A new highly multiplexable LCD. Appl. Phys. Lett, Vol. 45. P. 1021-1023 (1984).

9. Scheffer T. J., Nehring J. Supertwisted nematic (STN) liquid crystal display Annu. Rev. Mater. 1997. Vol. 27. P. 555-583.9. Scheffer T. J., Nehring J. Supertwisted nematic (STN) liquid crystal display Annu. Rev. Mater. 1997. Vol. 27. P. 555-583.

10. Baur G., Fehrenbach W., Staudacher B. Windscheid F., Kiefer R. Elektrooptisches fluessigkristallschaltelement (Электрооптический жидкокристаллический коммутирующий элемент). Патент № DE4000451 (1991).10. Baur G., Fehrenbach W., Staudacher B. Windscheid F., Kiefer R. Elektrooptisches fluessigkristallschaltelement (Electro-optical liquid crystal switching element). Patent No. DE4000451 (1991).

11. Kiefer R., Weber В., Windscheid F., Baur G. In-plane switching of NLCs. Japan Displays, Vol. 92. P. 547 (1992).11. Kiefer R., Weber B., Windscheid F., Baur G. In-plane switching of NLCs. Japan Displays, Vol. 92. P. 547 (1992).

12. Богалов Г. IPS - матрица нового поколения для ЖК-мониторов. IT News. (February 24, 2011).12. Bogalov G. IPS - a new generation matrix for LCD monitors. IT News. (February 24, 2011).

13. Lagerwall S.T. Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals. 1999, WILEY-VCH Verlag GmbH, 428 p.13. Lagerwall S.T. Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals. 1999, WILEY-VCH Verlag GmbH, 428 p.

14. Лосева M.B., Пожидаев Е.П., Рабинович A.З., Чернова Н.И., Иващенко А.В. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы. ВИНИТИ, Итоги науки и техники, сер. Физическая химия, том 3, Москва (1990).14. Loseva M.B., Pozhidaev E.P., Rabinovich A.Z., Chernova N.I., Ivaschenko A.V. Ferroelectric liquid crystals. VINITI, Results of Science and Technology, ser. Physical Chemistry, Volume 3, Moscow (1990).

15. Clark N.A., Lagerwall S.Т. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals, J.ApplPhys., Vol. 36, 899-903 (1980).15. Clark N.A., Lagerwall S.T. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals, J.ApplPhys., Vol. 36, 899-903 (1980).

16 Blinov L.M., Chigrinov V.G. Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials.2012, Springer Science & Business Media, 464 p.16 Blinov L.M., Chigrinov V.G. Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. 2012, Springer Science & Business Media, 464 p.

17 Beresnev L.A., Chigrinov V.G., Dergachev D.I.; Pozhidaev E.P., Funfshilling J., Schadt M. Deformed helix ferroelectric liquid crystal display -a new electrooptic mode in ferroelectric smectic C* liquid crystals. Liq. Cryst., Vol. 5, 1171-1177 (1989).17 Beresnev L. A., Chigrinov V. G., Dergachev D. I.; Pozhidaev E.P., Funfshilling J., Schadt M. Deformed helix ferroelectric liquid crystal display -a new electrooptic mode in ferroelectric smectic C * liquid crystals. Liq. Cryst., Vol. 5, 1171-1177 (1989).

18. Abdulhalim I., Moddel G. Electrically and optically controlled light modulation and color switching using helix distortion of ferroelectric liquid crystals. Mol. Cryst. Liq. Cryst., Vol. 200, 79-101 (1991).18. Abdulhalim I., Moddel G. Electrically and optically controlled light modulation and color switching using helix distortion of ferroelectric liquid crystals. Mol. Cryst. Liq. Cryst., Vol. 200, 79-101 (1991).

19. Panarin Yu. P., Pozhidaev E.P., Chigrinov V.G. Dynamics of controlled birefringence in an electric field deformed helical structure of ferroelectric liquid crystals. Ferroelectrics, Vol. 114, 181-186 (1991).19. Panarin Yu. P., Pozhidaev E.P., Chigrinov V.G. Dynamics of controlled birefringence in an electric field deformed helical structure of ferroelectric liquid crystals. Ferroelectrics, Vol. 114, 181-186 (1991).

20. Pozhidaev, E.; Torgova, S.; Minchenko, M.; Yednak, C.A.R.; Strigazzi, A.; Miraldi, E. Phase modulation and ellipticity of the light transmitted through a smectic C* layer with short helix pitch. Liq. Cryst.YoL 37, 1067 (2010).20. Pozhidaev, E .; Torgova, S .; Minchenko, M .; Yednak, C.A.R .; Strigazzi, A .; Miraldi, E. Phase modulation and ellipticity of the light transmitted through a smectic C * layer with short helix pitch. Liq. Cryst. YoL 37,1067 (2010).

21. Kiselev A.D.; Pozhidaev E.P.; Chigrinov V.G.; Kwok H.S. Polarization-gratings approach to deformed-helix ferroelectric liquid crystals with subwavelength pitch. Phys. Rev. E, Vol. 83, 031703 (2011).21. Kiselev A.D .; Pozhidaev E.P .; Chigrinov V.G .; Kwok H.S. Polarization-gratings approach to deformed-helix ferroelectric liquid crystals with subwavelength pitch. Phys. Rev. E, Vol. 83, 031703 (2011).

22. Kotova S.P., Samagin S.A., Pozhidaev E.P., Kiselev A.D. Light modulation in planar aligned short-pitch deformed-helix ferroelectric liquid crystals. Phys. Rev. E, Vol. 92, 062502 (2015).22. Kotova S.P., Samagin S.A., Pozhidaev E.P., Kiselev A.D. Light modulation in planar aligned short-pitch deformed-helix ferroelectric liquid crystals. Phys. Rev. E, Vol. 92,062502 (2015).

23. Kesaev V.V., Kiselev A.D., Pozhidaev E.P. Modulation of unpolarized light in planar-aligned subwavelength-pitch deformed-helix ferroelectric liquid crystals. Phys. Rev. E, Vol. 95, 032705 (2017).23. Kesaev V.V., Kiselev A.D., Pozhidaev E.P. Modulation of unpolarized light in planar-aligned subwavelength-pitch deformed-helix ferroelectric liquid crystals. Phys. Rev. E, Vol. 95,032705 (2017).

24. Pozhidaev E.P., Vashchenko V.V, Mikhailenko V.V, Krivoshey A.I., Barbashov V.A., Shi L., Srivastava A.K., Chigrinov V.G., Kwok H.S. Ultrashort helix pitch antiferroelectric liquid crystals based on chiral esters of terphenyldicarboxylic acid. J. Mater. Chem. C, Vol. 4, 10339-10346 (2016).24. Pozhidaev E.P., Vashchenko V.V., Mikhailenko V.V., Krivoshey A.I., Barbashov V.A., Shi L., Srivastava A.K., Chigrinov V.G., Kwok H.S. Ultrashort helix pitch antiferroelectric liquid crystals based on chiral esters of terphenyldicarboxylic acid. J. Mater. Chem. C, Vol. 4, 10339-10346 (2016).

25. Mikhailenko V, Krivoshey A., Pozhidaev E., Popova E., Fedoryako A., Gamzaeva S., Barbashov V., Srivastava A.K., Kwok, H.S., Vashchenko, V. The nano-scale pitch ferroelectric liquid crystal materials for modern display and photonic application employing highly effective chiral components: trifluoromethylalkyl diesters of p-terphenyldicarboxylic acid. Journal of Molecular Liquids, Vol. 281, 186-195 (2019).25. Mikhailenko V, Krivoshey A., Pozhidaev E., Popova E., Fedoryako A., Gamzaeva S., Barbashov V., Srivastava AK, Kwok, HS, Vashchenko, V. The nano-scale pitch ferroelectric liquid crystal materials for modern display and photonic application employing highly effective chiral components: trifluoromethylalkyl diesters of p-terphenyldicarboxylic acid. Journal of Molecular Liquids, Vol. 281, 186-195 (2019).

26. Hubert P., Jagemalm P., Oldano C, Rajteri M. Optic models for short-pitch cholesteric and chiral smectic liquid crystals. Phys. Rev. E, Vol. 58, 3264 (1998).26. Hubert P., Jagemalm P., Oldano C, Rajteri M. Optic models for short-pitch cholesteric and chiral smectic liquid crystals. Phys. Rev. E, Vol. 58, 3264 (1998).

27. Pozhidaev E.R, Schrivastava A.K., Kiselev A.D., Chigrinov V.G., Vashchenko V.V., Krivoshey A.I., Minchenko M.V, Kwok H.S. Enhanced orientational Kerr effect in vertically aligned deformed helix ferroelectric liquid crystal. Optics Letters, Vol. 39, 2900 (2014).27. Pozhidaev E.R., Schrivastava A.K., Kiselev A.D., Chigrinov V.G., Vashchenko V.V., Krivoshey A.I., Minchenko M.V, Kwok H.S. Enhanced orientational Kerr effect in vertically aligned deformed helix ferroelectric liquid crystal. Optics Letters, Vol. 39, 2900 (2014).

Claims

1. Liquid crystal display cell with solid electrodes, filled with a helicoidal smectic liquid crystal (FLC) with ferroelectric properties, in which the electro-optical effect of a ferroelectric with a deformable helicoid is realized, characterized in that the said FLC is made with a subwavelength pitch of the spiral and the angle of inclination of molecules not in cm less than 38 degrees.

2. The liquid crystal display cell according to claim 1, characterized in that the source of electric voltage applied to said electrodes is configured to operate in the frequency range of modulation of light up to 4 kHz at an electric field strength of up to 7 V / μm.