WO2011112121A1 - Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка - Google Patents

Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка Download PDF

Info

Publication number
WO2011112121A1
WO2011112121A1 PCT/RU2011/000146 RU2011000146W WO2011112121A1 WO 2011112121 A1 WO2011112121 A1 WO 2011112121A1 RU 2011000146 W RU2011000146 W RU 2011000146W WO 2011112121 A1 WO2011112121 A1 WO 2011112121A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid crystal
light
crystal display
display cell
cell
Prior art date
Application number
PCT/RU2011/000146
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Игорь Николаевич КОМПАНЕЦ
Александр Львович АНДРЕЕВ
Татьяна Борисовна АНДРЕЕВА
Original Assignee
Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" filed Critical Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн"
Priority to US13/634,152 priority Critical patent/US20160209720A1/en
Publication of WO2011112121A1 publication Critical patent/WO2011112121A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/141—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent using ferroelectric liquid crystals

Definitions

  • the invention relates to the field of optoelectronics and can be used in devices and systems for visualization, display, storage and processing of information with high information capacity, in particular, in two-dimensional and three-dimensional displays, including computer and television, in modulators light, including spatial light, in image processing and recognition devices, data storage and conversion, etc.
  • liquid crystal (LCD) displays and spatial light modulators (PMS) are the most widespread type of such devices: only one billion copies are produced annually in the world alone. Usually, they use nematic type liquid crystals (NLC).
  • NLC nematic type liquid crystals
  • the basis for the creation of an entire LC industry was the high efficiency of electro-optical modulation of light in an NLC (due to the large magnitude of the change in birefringence) at a low control voltage (units of volts) [1, 2].
  • I Io-sin 2 (I72), (1) where Io and I are the light intensity incident on the polarizer and passed by the analyzer, respectively, and —the phase delay between the ordinary and extraordinary rays, determined by the magnitude of the change in the birefringence ⁇ , the thickness of the NLC layer d, and the modulated wavelength ⁇ .
  • This characteristic provides good halftone (gray scale) transmission, and with it colors.
  • the reorientation times of NLC molecules in the display cell and thereby the on and off of a particular electro-optical effect used to modulate light are described by the relations:
  • ⁇ is the rotational viscosity
  • K is the modulus of elasticity
  • ⁇ is the dielectric constant anisotropy equal to the difference in dielectric constant measured along the long (BC) and short ( ⁇ ) axes of the molecules, respectively
  • d is the thickness of the LC layer
  • U is the amplitude of the applied voltage.
  • the electro-optical response time to the applied voltage t on is several 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 the applied voltage is turned off, the molecules reorient back to their original state under the action of a force caused by elastic deformation of the molecular structure of the NLC layer. Time t YOU CL.
  • shutdown is independent of voltage; it is directly proportional to the square of the thickness of the LC layer, directly proportional to the ratio of the material parameters ⁇ ⁇ and can vary from hundreds to units of milliseconds. In reality, it is precisely this time that limits the speed of the NLC-display cells.
  • Known ferroelectric liquid crystal display cell
  • a smectic-type liquid crystal namely C * - a smectic LC (FLC) having ferroelectric properties
  • FIG. 1 The physical model of the electro-optical cell with FFA (FFA cell) is shown in FIG. 1: a) for FFA with a spiral pitch much smaller than the layer thickness, and b) for FFA with a spiral pitch much larger than the layer thickness.
  • 1 is a transparent dielectric plate (substrate); 2 - transparent conductive coatings coated with orientant; 3 - planes of smectic layers of a liquid crystal, perpendicular to the surface of the plates 1; 4 - source of electrical voltage; E is the electric field vector located in the plane of the smectic layer; N is a vector showing the direction of orientation of the long axes of the molecules in the smectic layers (director of FFA); P s is the vector of spontaneous polarization; ro is the pitch of the helicoid; L is the normal to smectic layers; X is the coordinate axis perpendicular to the plates 1; Y is the coordinate axis parallel to the plates 1;
  • the direction of the director — the preferred orientation of the long axes of the molecules — is determined by the polar angle ITA, at which they are inclined relative to the normal to the smectic layers, and the azimuthal angle ⁇ in the plane of the smectic layer.
  • polar angle TRA the polar angle incurred in the polar angle ⁇ .
  • each layer in the absence of external influences has spontaneous polarization, as a result of which the FLCs are highly sensitive to the action of the electric field.
  • the polarization vector P s lies in the plane of the smectic layer and is directed along the polar axis, and the polar axes of the various smectic layers are rotated relative to each other so that an equilibrium helically twisted structure is formed — a helicoid with a pitch p 0 .
  • Macroscopic polarization of the cell is absent, since the angle ⁇ in the smectic layers varies from 0 to ⁇ at a distance equal to the step p 0 .
  • the spontaneous polarization vector tends to be located along the field lines of force. Due to this, the molecules rotate along the generatrix of the cone in such a way that the polar angle ⁇ remains unchanged, and the azimuthal angle ⁇ varies from 0 to ⁇ (Fig. 1). When the sign of the electric field changes, the process proceeds in the opposite direction.
  • the controlled birefringence effect is known to be used to modulate light in a liquid crystal ferroelectric display cell and is called the DHF effect (from Deformed Helix Ferroelectric). It is associated with helicoid deformation and was first discovered in the USSR [2-4].
  • the effect is realized in a smectic layer oriented perpendicular to solid substrates (along the direction of light propagation - Fig. 1a), under the condition: p 0 "d, (4a)
  • the pitch of the helicoid (usually 0.24-0.5 ⁇ m) should be much less than the thickness of the FLC layer, or more correctly, K ⁇ qo »WQ / d, (46)
  • ⁇ ⁇ is the elastic modulus that determines the deformation of the FLC along the azimuthal angle ⁇
  • WQ is the quadratic coefficient of the energy of adhesion of the layer to the adjacent surface, which determines the boundary conditions for the layer.
  • it is important that the helix pitch is much smaller and the aperture of the light beam (almost always performed).
  • the change in birefringence in an electric field here occurs due to perturbations of the equilibrium helicoid helix.
  • the effect has no threshold and is observed in small fields, which are less than the critical spin field of the helicoid spiral.
  • crossed polaroids light intensity modulation with a linear gray scale is realized.
  • the times of switching on and off the electro-optical response of such a DHF modulator are equal to each other and do not depend on the electric field, but only on the material parameters of the liquid crystal.
  • these times are 100 ⁇ 500 microseconds at voltages up to ⁇ 1.5 Volts, and in the continuous mode of modulation at a repetition frequency of control pulses of the order of 130 kHz and an amplitude of ⁇ 40 V, they can reach microsecond order [3,4].
  • the pitch of the helicoid should be much larger than the thickness of the FLC layer (usually it is 1 ⁇ 2 ⁇ m), or more correctly, ⁇ 0 2 “W Q Id. (56)
  • qo is the deformation wave vector.
  • smectic layers should be oriented perpendicular to solid substrates.
  • the modulator is controlled by alternating electrical pulses from the voltage source 4.
  • the FLC layer is located between the substrates 1 with conductive coatings deposited on them 2.
  • the polarization vector of each smectic layer is established along the field lines of field , and the long axes of the molecules are located in the plane of the FLC layer at an angle ⁇ to the axis of the helicoid.
  • the field sign changes, the polarization vector rotates in the opposite direction, and the long axes of the molecules as generators of the cone go to the – ⁇ position in the same plane, i.e. are shifted by 2 ⁇ in relation to the previous position.
  • the reorientation of the long axes of the molecules is accompanied by a change in the birefringence of the FLC layer, and, consequently, by phase modulation of the transmitted light, which is converted into amplitude using polarizers.
  • FIG. 16 also illustrates how amplitude modulation of light in an FLC cell is implemented in practice. Let a natural non-polarized light fall on it, the intensity of which is 1 0 . Passing through an external polarizer, the light becomes linearly polarized in the direction of the axis the polarizer transmission P.
  • the direction of the director N in the cell depends on the sign of the voltage of source 4, that is, on the direction of the field E.
  • the angle between the vectors N (+ E) and N (-E) is 2 ⁇ .
  • the FFA is in the field + E and the polaroid is oriented so that its axis is parallel to the vector N (+ E)
  • FIG. 2 The basic design of the display cell of the “transmitting” (a) and “reflective” (b) type based on the FLC is shown in FIG. 2.
  • FFA liquid crystal substance
  • the FLC layer can change its optical anisotropy depending on the amplitude and / or duration of pulses of alternating electric voltage supplied to conductive coatings, for example, from indium and tin oxides.
  • the initial orientation of the long axes of the liquid crystal molecules in the absence of an external electric field is determined by an anisotropic coating, for example, a polyimide film.
  • a dielectric coating, for example, of aluminum oxide, serves to protect the cell from electrical short circuit and breakdown. The image is observed either when light passes through a layer of liquid crystal substance in one direction, if both dielectric plates - 1 and both conductive coatings 2 are made transparent, or when light passes twice, if the second conductive coating - 8 is made not transparent but reflective .
  • the modulation characteristic is similar to that for nematic LCs (see formula (1)), while the temporal characteristics of light modulation in FLCs differ significantly. Indeed, the Clark - Lagerwol effect is linear, in contrast to the quadratic effect in nematics. Since FLC reacts to the sign of the applied voltage, the on-time and off-time of the electro-optical response are the same here and are determined by the expression [2]:
  • ⁇ 2.2 ⁇ ⁇ ⁇ / ( ⁇ 5 ⁇ ⁇ ), (8) where ⁇ ⁇ is the rotational viscosity corresponding to the type of motion of the FLC director described above along the generatrix of the cone.
  • a display cell or an optical modulator based on FLC provides a frequency of amplitude-phase modulation of light of several hundred hertz and even kilohertz.
  • bistable FLC cells of this type are still called surface-stabilized structures.
  • the lagervola has only two levels: with minimum (zero) and maximum (single) light intensity transmitted through the analyzer.
  • FIG. Figure 3 shows the voltage plots (bottom) and the nature of the electro-optical response of the liquid crystal ferroelectric display cell (top) in the bistable mode (bold line) and multistable mode (thin lines).
  • the inset on the right shows a photograph of the structure of light and dark bands observed at the analyzer for a certain point of the hysteresis modulation characteristic in a multistable mode.
  • bistable display cells recommended themselves well when creating Displaytech high-speed active-matrix spatial light modulators, used, for example, for recording holograms in memory devices and for generating binary filters in processing schemes information [6].
  • Displaytech has created a whole range of compact “digital” microdisplays [7] with a large number of elements (more million) and a small aperture (less than an inch) competing with microdisplays based on NLC and even exceeding them in the speed of image regeneration (up to 250 frames / sec.), which allows for sequential (alternate) color change instead of parallel (spatial).
  • the reason for the appearance of the structure of bands with different light transmission is spontaneous polarization, as a result of which this structure is called ferroelectric domains [10].
  • the effect of multistability of the transmission states is a consequence of the manifestation of two circumstances at once: a bistable regattr p n j Twnp.
  • each transmission state in a multistable mode is memorized, i.e. persists until a pulse of reverse polarity arrives.
  • switching of any transmission state on a step gray scale was carried out for a time of the order of 70 and 90 microseconds at a control voltage of ⁇ 15 and ⁇ 25 V, respectively [9].
  • a multistable ferroelectric liquid crystal display cell [11].
  • This invention solves the problem of creating a cell with an almost continuous modulation characteristic based on the implementation of the physical gray scale using the multistability effect in FFA with a high value of spontaneous polarization.
  • Such a cell contains two transparent plates with transparent conductive coatings located at a distance of more than 10 ⁇ m from each other and connected to a source of alternating voltage.
  • an FLC which changes its optical anisotropy upon application of voltage, due to which the cell changes the state of its light transmission and modulates the light passing through it.
  • the cell After switching off the voltage, depending on the molecular structure of the FLC, the cell preserves either the state of maximum or mini low light transmission (bistability), or retains any intermediate state of light transmission (multistability).
  • multistability of optical transmission states is a consequence of the stable bistability of electro-optical cells in which spatially inhomogeneous structures of ferroelectric domains exist. Therefore, multistability in the general case can exist only in the presence of hysteresis. However, the presence of hysteresis is an obstacle to the simple and unambiguous installation of a given transmission level of the display cell.
  • the multistable ferroelectric liquid crystal display cell described in RF patent j _> 2092883 [11] provides a sufficiently high (up to 1 kHz) frequency of amplitude-phase light modulation and an almost continuous modulation characteristic.
  • the problem to be solved in the proposed ferroelectric liquid crystal display cell is to obtain a continuous cell without a hysteresis modulation characteristic that allows the modulation of light with a frequency of several kilohertz when the cell is addressed with alternating pulses with an amplitude of less than ⁇ 3 V (acceptable for control silicon integrated circuits), with low power consumption due to the small amount of applied voltage, with a high (taking into account the size of the cell and the number of gradations of gray) I allow her ability.
  • the problem boils down to the creation of a liquid crystal ferroelectric display cell free from the drawbacks indicated for a multistable ferroelectric liquid crystal display cell manufactured according to RF patent JNT ° 2092883.
  • the fulfillment of relation 9 ensures, in the absence of an electric field, the deformation of the FLC layer in the form of a partial unwinding of a helicoid and the initiation of the appearance of domains.
  • the thickness of the FLC layer was chosen in the range of 0.9 1.4 ⁇ m in order to satisfy the condition of achromatic light transmission by a cell in the wavelength range of light modulated either in a transmitting or reflecting cell.
  • the dielectric coating can border the FLC layer only on one side.
  • the essence of the present invention is to create conditions in a ferroelectric liquid crystal display cell that, in the absence of an electric field, ensure the deformation of the FLC layer in the form of partial unwinding of the helicoid and the initiation of domains, due to the movement of the boundaries of which the director of the FLC will be reoriented in the electric field .
  • the technical results of the present invention is the creation of a ferroelectric liquid crystal cell in which the helicoid pitch and the thickness of the FLC layer, as well as the boundary conditions for it, determined through the coefficient of adhesion to the adjacent surface, provide a continuous hysteresis-free modulation characteristic when addressing the cell with alternating pulses with an amplitude of less than ⁇ 3 V, the frequency of light modulation is several kilohertz, lower power consumption and better resolution compared to rototype [11].
  • a liquid crystal cell which modulates the light when it is single, in one direction passing through the cell (Fig. 2A).
  • the second embodiment technical problems are solved in the same fundamental way, and the difference from the first option (a cell operating in light) is only in the performance of one of the conductive coatings reflecting (Fig. 26), which is typical for reflective cells .
  • the advantages of the proposed ferroelectric liquid crystal display cell are realized by choosing the pitch of the helicoid and the thickness of the FLC layer and suitable boundary conditions for it.
  • the main advantages of the claimed ferroelectric liquid crystal display cell compared to the prototype as a result are: reducing the alternating control voltage for cell address to ⁇ 3 V or less, hysteresis-free modulation characteristic at light modulation frequencies of several kilohertz, reducing power consumption, an increase in spatial resolution at the same time as an increase in the possible number of gray gradations (halftones). Moreover, it is not obvious from the prior art that in the ferroelectric liquid crystal display cell all of these advantages can be achieved by choosing the helicoid pitch and the thickness of the FLC layer and the boundary conditions for it.
  • a change in the type and composition of the liquid crystal substance a change in the control mode of the cell, a change in the design of the cell, etc.
  • polymer-liquid-crystal layers ev dielectric plates (substrates) can be made in the form of thin and flexible films; one of the dielectric plates (substrates) can be completely excluded, and the reflective conductive coating in this case can be made on a silicon wafer in which a control integrated circuit is formed, etc.
  • the use of the inventive ferroelectric liquid crystal display cell provides a continuous hysteresis-free modulating characteristic in it when controlling alternating pulses with a voltage of less than ⁇ 3 V at light modulation frequencies of several kilohertz, lower power consumption and better resolution compared to the prototype ability, and these results, as well as the distinguishing features of the invention (helicoid pitch and FLC layer thickness and boundary conditions for it) are significant.
  • the proposed ferroelectric liquid crystal display cell and an optical modulator based on it are a low-voltage, high-speed, technologically advanced, and efficient light modulation device. This makes it possible to use them in many modern and promising displays, single-channel and spatial light modulators, as well as in other information devices and systems for storing, converting, processing, visualizing and displaying information. Moreover, the application of the invention will help to achieve the limit for such devices and systems performance.
  • the temperature range for the existence of the ferroelectric phase for this FFA was in the range from + 1 ° C to + 64 ° C, spontaneous polarization was 48 nC / cm, the rotational viscosity coefficient was 0.75 Poise, and the helicoid pitch was 0.45 ⁇ m .
  • Xs, 70
  • a transparent anisotropic orienting coating a polyimide film of the order of 30 nm thick, which was rubbed, was used using a centrifuge.
  • a dielectric coating an aluminum dioxide film 80 nm thick made by sputtering was used.
  • the quadratic coefficient of adhesion energy was WQ - 0.05 erg / cm 2 .
  • the thickness of the FLC layer was 1.3 ⁇ m in the display cells with light transmission and 1.0 ⁇ m in the cells with light reflection, which for W ⁇ d yielded a value from 770 to 1000 erg / cm 2 and satisfied the relation (9) accurate to the order of magnitude for the indicated types of energy.
  • the interaction of molecules with the surface led to a partial unwinding of the helicoid.
  • the helicoid pitch in the electro-optical cell did not change, but the azimuthal angle ⁇ in all smectic layers became close to 0 or ⁇ .
  • FFA was divided into domains whose period was of the order of po / 2.
  • the difference between the polar adhesion energy coefficients for both substrates increased, affecting the velocity of the domain boundaries, as a result of which the time of the electro-optical response of the cell decreased by more than three times already at a field frequency of about 200 Hz.
  • the electro-optical response time was 50 ⁇ -70 ⁇ s.
  • the electro-optical response time was 45 ⁇ s at a control voltage frequency of 200 Hz and voltage fields of 1 V / ⁇ m, and at a frequency of 2 kHz - 35 ⁇ s.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации, отображения, хранения и обработки информации, в частности, в двухмерных и трехмерных дисплеях, в том числе компьютерных и телевизионных, в модуляторах света, в том числе в пространственных, в устройствах обработки и распознавания изображений и т. п. Предлагается сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка, в которой толщина слоя и шаг геликоида жидкого кристалла связаны с граничными условиями определенным соотношением, которое обеспечивают заданные физические и функциональные свойства сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки, а именно: непрерывную безгистерезисную модуляционную характеристику, адресацию ячейки знакопеременными импульсами амплитудой менее ±3 В при частоте модуляции света в несколько килогерц, меньшее энергопотребление и лучшую разрешающую способность по сравнению с дисплейной ячейкой на нематических кристаллах.

Description

Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка
(i) Область техники
Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использо- вано в устройствах и в системах визуализации, отображения, хранения и обработ- ки информации, обладающих высокой информационной емкостью, в частности, в двухмерных и трехмерных дисплеях, в том числе компьютерных и телевизионных, в модуляторах света, в том числе в пространственных, в устройствах обработки и распознавания изображений, хранения и преобразования данных и т. п.
(ii) Предшествующий уровень техники
В настоящее время жидкокристаллические (ЖК) дисплеи и пространствен- ные модуляторы света (ПМС) являются самым массовым типом таких приборов: только ЖК дисплеев ежегодно в мире производится около одного миллиарда эк- земпляров. Главным образом, в них используются жидкие кристаллы нематическо- го типа (НЖК). Базой для создания целой ЖК индустрии послужила высокая эф- фективность электрооптической модуляции света в НЖК (за счет большой вели- чины изменения двулучепреломления) при низком управляющем напряжении (единицы вольт) [1, 2].
Для наблюдения модуляции света жидкокристаллическая дисплейная ячей- ка с НЖК помещается между скрещенными поляроидами (поляризатором и анали- затором). Модуляционная характеристика плавная и в общем случае для разных электрооптических эффектов подчиняется закону
I = Io-sin2(I72) , (1) где Io и I - интенсивность света, соответственно падающая на поляризатор и про- шедшая за анализатор, а
Figure imgf000004_0001
- фазовая задержка между обыкновенным и необыкновенным лучами, определяемая величиной изменения двулучепреломле- ния Δη, толщиной слоя НЖК d и длиной модулируемой волны λ. Такая характери- стика обеспечивает хорошую передачу полутонов (шкалы серого), а вместе с ней и цветов. Времена переориентации молекул НЖК в дисплейной ячейке и тем самым включения и выключения того или иного электрооптического эффекта, исполь- зуемого для модуляции света, описываются соотношениями:
твкл= 4тгу1с12 / (А8 υ2 - 4π3 Κ), (2)
Твыкл. = yid2/7i2K , (3)
где γι - вращательная вязкость; К - модуль упругости; Δε - анизотропия диэлектри- ческой проницаемости, равная разности диэлектрических проницаемостей, изме- ренных вдоль длинной (БЦ) и короткой (εχ) осей молекул соответственно; d - тол- шина слоя ЖК; U - амплитуда приложенного напряжения. Время электрооптиче- ского отклика на приложенное напряжение твкл составляет единицы-десятки мил- лисекунд и не зависит от знака напряжения вследствие квадратичной зависимости от напряжения всех электрооптических эффектов в НЖК. После выключения при- ложенного напряжения молекулы переориентируются обратно в исходное состоя- ние под действием силы, вызванной упругой деформацией молекулярной структу- ры слоя НЖК. Время тВЫкл. выключения (релаксации) не зависит от напряжения; оно прямо пропорционально квадрату толщины слоя ЖК, прямо пропорционально отношению материальных параметров γι Κ и может варьироваться от сотен до единиц миллисекунд. Реально именно это время и ограничивает быстродействие НЖК- дисплейных ячеек. Известна сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка
[2] - светомодулирующая электрооптическая дисплейная ячейка, заполненная жидким кристаллом смектического типа, а именно С*- смектическим ЖК (СЖК), обладающим сегнетоэлектрическими свойствами, и в ней наблюдаются несколько электрооптических эффектов, которые могут быть использованы для модуляции света [3,4].
Физическая модель электрооптической ячейки с СЖК (СЖК-ячейки) пока- зана на Фиг. 1 : а) для СЖК с шагом спирали, много меньшим толщины слоя, и б) для СЖК с шагом спирали, много большим толщины слоя. Здесь 1 - прозрачные диэлектрические пластины (подложки); 2 - прозрачные токопроводящие покрытия, покрытые ориентантом; 3 - плоскости смектических слоев жидкого кристалла, перпендикулярные поверхности пластин 1 ; 4 - источник электрического напряже- ния; Е - вектор электрического поля, расположенный в плоскости смектического слоя; N - вектор, показьтающий направление ориентации длинных осей молекул в смектических слоях (директор СЖК); Ps - вектор спонтанной поляризации; ро - шаг геликоида; L - нормаль к смектическим слоям; X - координатная ось, перпен- дикулярная пластинам 1; Y - координатная ось, параллельная пластинам 1; Z— координатная ось, совпадающая по направлению с вектором L; Θ - угол наклона длинных осей молекул по отношению к вектору L (угол между векторами N и L - полярный угол); φ - угол в плоскости ΧΥ между нормалью к пластинам и векто- ром Ps (азимутальный угол); П и А - направления осей пропускания поляризатора и анализатора; 10 - интенсивность падающего на ячейку света; I - интенсивность промодулированного ячейкой света; β - угол между поляризатором и осью гели- коида (а), между и А (Ь). В слое СЖК направление директора - преимущественной ориентации длинных осей молекул определяется полярным углом Θ, на который они наклоне- ны относительно нормали к смектическим слоям, и азимутальным углом φ в плоскости смектического слоя. Благодаря особой стехиометрии молекул каждый слой в отсутствие внешних воздействий обладает спонтанной поляризацией, вследствие чего СЖК имеют высокую чувствительность к действию электрическо- го поля. Вектор поляризации Ps 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 шагом р0. Макроскопическая поляризация ячейки, однако, отсутствует, т. к. угол φ в смектических слоях изменяется от 0 до π на расстоянии, равном шагу р0.
В электрическом поле Е, направленном вдоль плоскостей смектических слоев, вектор спонтанной поляризации стремится расположиться вдоль силовых линий поля. Благодаря этому молекулы разворачиваются по образующей конуса таким образом, что полярный угол θ остаётся неизменным, а азимутальный угол φ изменяется от 0 до π (Фиг. 1). При смене знака электрического поля процесс про- исходит в обратном направлении.
Известен эффект управляемого двулучепреломления, используемый для мо- дуляции света в жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейке и называемый DHF-эффектом (от Deformed Helix Ferroelectric). Он связан с де- формацией геликоида и был впервые обнаружен в СССР [2-4]. Эффект реализует- ся в смектическом слое, ориентированном перпендикулярно твёрдым подложкам (вдоль направления распространения света - Фиг. 1а), при выполнении условия: p0 « d, (4a)
т.е. шаг геликоида (обычно 0,24-0,5 мкм) должен быть много меньше толщины слоя СЖК, или правильнее, K^qo » WQ /d, (46) где ΚΦ - модуль упругости, определяющий деформацию СЖК по азимутальному углу φ; qo=27i/po - волновой вектор геликоида; WQ - квадратичный коэффициент энергии сцепления слоя с граничащей поверхностью, определяющий граничные условия для слоя. Кроме того, для наблюдения эффекта важно, чтобы шаг спирали был много меньше и апертуры светового пучка (выполняется практически всегда).
Это означает, что модуляция наблюдается при усреднении (по сечению пучка) распределения фазовых задержек, имеющего место в пространственно- модулированном двулучепреломляющем слое СЖК (в НЖК такое же усреднение проводилось по толщине слоя).
Изменение двулучепреломления в электрическом поле здесь происходит вследствие возмущений равновесной спирали геликоида. Эффект не имеет порога и наблюдается в малых полях, которые меньше критического поля раскрутки спи- рали геликоида. В скрещенных поляроидах реализуется модуляция интенсивности света с линейной шкалой серого. Времена включения и выключения электроопти- ческого отклика такого DHF-модулятора равны между собой и зависят не от элек- трического поля, а только от материальных параметров жидкого кристалла. В тон- ких слоях некоторых СЖК эти времена составляют 100^500 микросекунд при на- пряжении до ± 1,5 Вольт, а в непрерывном режиме модуляции при частоте повто- рения управляющих импульсов порядка 130 кГц и амплитуде ± 40 В могут дости- гать значения порядка микросекунды [3,4].
Известен также эффект управляемого двулучепреломления. называемый эффектом Кларка- Лагервола [2-5] и широко используемый для модуляции света в жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейке. Необходимым условием его наблюдения является выполнение соотношения:
Ро » d, (5а)
т.е. шаг геликоида должен быть много больше толщины слоя СЖК (обычно она 1^2 мкм), или правильнее, Κφς0 2 « WQ Id. (56)
Здесь, в отличие от соотношения 46, qo - волновой вектор деформации.
Кроме того, смектические слои должны быть сориентированы перпендику- лярно твёрдым подложкам.
Принцип работы СЖК модулятора света на основе эффекта Кларка-
Лагервола поясняется Фиг. 16. Модулятор управляется знакопеременными элек- трическими импульсами от источника электрического напряжения 4. Слой СЖК располагается между подложками 1 с нанесенными на них токопроводящими по- крытиями 2. При приложении к СЖК ячейке электрического поля вектор поляри- зации каждого смектического слоя устанавливается вдоль силовых линий поля, а длинные оси молекул располагаются в плоскости слоя СЖК под углом Θ к оси ге- ликоида. При смене знака поля вектор поляризации разворачивается в обратном направлении, а длинные оси молекул как образующие конуса переходят в положе- ние -Θ в той же плоскости, т.е. смещаются на 2Θ по отношению к предыдущему положению. Переориентация длинных осей молекул сопровождается изменением двулучепреломления слоя СЖК, а, следовательно, фазовой модуляцией проходя- щего света, которая преобразуется в амплитудную с помощью поляризаторов.
Фиг. 16 также иллюстрирует, как на практике осуществляется амплитудная модуляция света в СЖК ячейке. Пусть на нее падает естественный неполяризован- ный свет, интенсивность которого 10. Проходя через внешний поляризатор, свет становится линейно поляризованным в направлении оси пропускания поляризатора П. Направление директора N в ячейке зависит от знака напряжения источника 4, то есть от направления поля Е. Угол между векторами N(+E) и N(-E) составляет 2Θ. Если СЖК находится в поле +Е, а поляроид ориен- тирован так, что его ось параллельна вектору N(+E), то свет распространяется вдоль главной оптической оси СЖК и поэтому не испытывает двулучепреломле- ния, и при β=π/2 ячейка не пропускает свет. Если направление поля изменится на - Е, свет будет распространяться под углом 2Θ к главной оптической оси СЖК и по- этому будет испытьшать двулучепреломление, вследствие чего поляризация света из линейной преобразуется в эллиптическую. В этом случае при β=π/2 ячейка про- пускает свет.
Принципиальная конструкция дисплейной ячейки «пропускающего» (а) и «отражательного» (б) типа на основе СЖК показана на Фиг. 2. Здесь: 1 - парал- лельно расположенные прозрачные диэлектрические пластины (подложки); 2 - прозрачные токопроводящие покрытия, нанесенные на обращенные к СЖК сторо- ны подложек (обычно с антиотражающими подслоями); 4 - источник знакопере- менного электрического напряжения; 5 - прозрачные анизотропные диэлектриче- ские покрытия (слои ориентанта) на одном или обоих токопроводящих покрытиях; 6 - прозрачные диэлектрические покрытия на одной или обеих подложках; 7 жидкокристаллическое вещество (СЖК); 8 - отражающее токопроводящее покры- тие. Слой СЖК может изменять свою оптическую анизотропию в зависимости от амплитуды и/или длительности импульсов знакопеременного электрического на- пряжения, подаваемого на токопроводящие покрытия, например из оксидов индия и олова. Начальная ориентация длинных осей молекул жидкокристаллического вещества в отсутствие внешнего электрического поля задается анизотропным по- крытием, например, пленкой полиимида. Диэлектрическое покрытие, например, из окисла алюминия, служит для защиты ячейки от электрического замыкания и пробоя. Изображение наблюдается или при прохождении света через слой жидкокристаллического вещества в одном направ- лении, если обе диэлектрические пластины - 1 и оба токопроводящие покрытия 2 сделаны прозрачными, или при двойном прохождении света, если второе токо- проводящее покрытие - 8 сделано не прозрачным, а отражающим.
Для получения электрооптической модуляции света на внешние стороны стеклянных пластин наклеиваются скрещенные поляроиды таким образом, чтобы ось поляризатора совпадала с направлением директора СЖК при φ=0 (равноценно, при φ=π). Интенсивность прошедшего за анализатором света I определяется в [2] как: I = I0 Sin2 2[Θ +(N(-E), L)] Sin2 (πΔηά/λ), (6) где: Δη - величина двулучепреломления слоя СЖК; d - его толщина; λ - длина волны света; (N(-E), L) - угол между векторами Ν и L. Максимально возможное светопропу екание ячейки Т = Ι/Ι0 = 1 достигается, если:
And/λ = 1/2, Θ +(N(-E), L) = π/4. (7)
Как видно, в общем случае модуляционная характеристика подобна таковой для нематических ЖК (см. формулу (1)), в то время как временные характеристики модуляции света в СЖК существенно отличаются. Действительно, эффект Кларка - Лагервола является линейным, в отличие от квадратичного эффекта в нематиках. Поскольку СЖК реагирует на знак приложенного напряжения, время включения и время выключения электрооптического отклика здесь одинаковы и определяются выражением [2]:
τ = 2.2·γφ/ (Ρ5·Ε) , (8) где γφ - вращательная вязкость, соответствующая описанному выше типу движе- ния директора СЖК по образующей конуса.
Современные СЖК при знакопеременном электрическом поле в несколько В/мкм позволяют получить время включения - выключения электрооптического отклика τ в несколько микросекунд - десятков микросекунд, что на два-три поряд- ка быстрее, чем в НЖК. Соответственно, дисплейная ячейка или оптический мо- дулятор на основе СЖК обеспечивает частоту амплитудно-фазовой модуляции света в несколько сотен герц и даже килогерц.
При ограниченной величине прикладываемого к ячейке электрического на- пряжения, обусловленной применением управляющих интегральных схем, для достижения высокой скорости модуляции света приходится увеличивать напря- женность электрического поля, т.е. уменьшать толщину слоя СЖК. Однако в тон- ких, порядка одного-полутора микрон, слоях СЖК электрооптическое переключе- ние приобретает бистабильный характер вследствие сильного взаимодействия слоя с ограничивающими его поверхностями. Поэтому бистабильные СЖК ячейки та- кого типа еще назьшаются поверхностно-стабилизированными структурами. Для получения устойчивой бистабильности необходимо подавить различные деформа- ции смектических слоев, например деформации типа шевронов, что достигается за счет межмолекулярных взаимодействий в объеме СЖК [2,4,6,7].
Известно, что благодаря специальной стехиометрии СЖК устойчивая бис- табильность может существовать и в толстых, более 2,5 мкм, слоях СЖК (так на- зываемая «объемная» бистабильность [8]), однако достижимая частота модуляции света в этом случае существенно меньше, чем при модуляции на основе эффекта Кларка - Лагервола.
Модуляционная характеристика бистабильной дисплейной ячейки Кларка - Лагервола имеет только два уровня: с минимальной (нулевой) и максимальной (единичной) интенсивностью света, прошедшего за анализатор. На Фиг. 3 изобра- жены эпюры напряжения (внизу) и характер электрооптического отклика жидкок- ристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейки (вверху) в бистабиль- ном режиме (жирная линия) и мультистабильном режиме (тонкие линии). На вставке справа - фотография наблюдаемой за анализатором структуры светлых и темных полос для некоторой точки гистерезисной модуляционной характеристики при мультистабильном режиме.
Учитывая жесткий порог и хорошую мультиплексность, свойство памяти включенного или выключенного состояния (по физике они равноценны) и высо- кую скорость включения-выключения электрооптического отклика при использо- вании эффекта Кларка - Лагервола, бистабильные дисплейные ячейки хорошо за- рекомендовали себя при создании компанией Displaytech быстродействующих ак- тивно-матричных пространственных модуляторов света, использованных, напри- мер, для записи голограмм в устройствах памяти и для формирования бинарных фильтров в схемах обработки информации [6].
Отсутствие физической передачи полутонов (шкалы серого) в бистабиль- ных СЖК-ячейках, а вместе с ней и цветов, существенно ограничивает возможно- сти их применения в устройствах и системах оптоэлектроники. Чтобы преодолеть это ограничение, в компании Displaytech было предложено решение на основе ис- пользования высокочастотной электроники, а именно - формировать шкалу серого путем модуляции света с разной частотой [6, 7]. Широкополосный режим адреса- ции был обеспечен благодаря размещению ПМС на кремниевой управляющей матрице. Благодаря такому подходу компанией Displaytech создан целый спектр компактных «цифровых» микродисплеев [7] с большим числом элементов (более миллиона) и малой апертурой (менее дюйма), конкурирующих с микродисплеями на основе НЖК и даже превосходящих их по скорости регенерации изображений (до 250 кадров/сек.), позволяющей обеспечить последовательную (поочередную) смену цветов вместо параллельной (пространственной).
Физическую шкалу серого со ступенчатой, близкой к непрерывной модуля- ционной характеристикой в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дис- плейной ячейке оказалось возможным получить [9] на основе эффекта мультиста- бильности состояний пропускания света в слоях негеликоидального СЖК (d«po— >°°), т.е. СЖК с компенсированным геликоидом, который получают при использовании компонентов, имеющих знак оптической активности, противопо- ложный знаку базового компонента с геликоидальной закруткой директора, но тот же знак спонтанной поляризации [2]).
В слое такого СЖК при значении спонтанной поляризации более 50 нКл/см2 и определенном значении приложенного электрического поля возникает пространственно-периодическая модуляция ориентации вектора поляризации с пе- риодом в несколько микрометров, приводящая к наблюдению за анализатором (Фиг. 3) светлых и темных полос, параллельных плоскостям смектических слоев. Светлые полосы показывают пространственные области, в которых происходит полная переориентация (переключение) директора СЖК, а чёрные полосы - об- ласти, где переключение директора не начиналось (или наоборот), причем между этими областями существуют чётко выраженные границы (см. фото на Фиг. 3).
Причиной появления структуры полос с разным пропусканием света явля- ется спонтанная поляризация, вследствие чего эта структура названа сегнетоэлек- трическими доменами [10]. Эффект мультистабильности состояний пропускания является следствием проявления сразу двух обстоятельств: бистабильного пере- гтппр пя jTwnp. Tom СЖК в каждом смектическом слое и наличия пространствен ной модуляции угла φ, возникающей в результате существования сегнетоэлектри- ческих доменов. Частота полос тем больше, чем больше значение спонтанной по ляризации: например, при Ps=60 нКл/см их период равен около 30 мкм, а при 130 нКл/см — всего около 3 мкм. Изменяя величину электрического напряжения или длительность управляющего импульса, можно практически непрерьшно управлять соотношением между шириной светлых и темных полос, т.е. интегральным по площади ячейки уровнем серого. При этом, как и в случае бистабильности, каждое состояние пропускания в мультистабильном режиме запоминается, т.е. сохраняет- ся до прихода импульса обратной полярности. В слое мультистабильного СЖК толщиной 1,6 мкм переключение любого состояния пропускания на ступенчатой шкале серого осуществлялось за время порядка 70 и 90 микросекунд при управ- ляющем напряжении ±15 и ±25 В соответственно [9].
Наиболее близкой к заявляемому изобретению (прототипом) является мультистабильная сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячей- ка [11]. Данное изобретение решает задачу создания ячейки с практически непре- рывной модуляционной характеристикой на основе реализации физической шкалы серого при использовании эффекта мультистабильности в СЖК с высоким значе- нием спонтанной поляризации. Такая ячейка содержит две прозрачные пластины с прозрачными токопроводящими покрытиями, расположенными друг от друга на расстоянии более 10 мкм и подключенными к источнику знакопеременного элек- трического напряжения. В пространстве между пластинами находится СЖК, изме- няющий свою оптическую анизотропию при приложении напряжения, благодаря чему ячейка изменяет состояние своего светопропускания и модулирует проходя- щий через нее свет. После выключения напряжения ячейка в зависимости от моле- кулярного строения СЖК сохраняет либо состояния максимального или мини малыюго светопропускания (бистабильность), либо сохраняет любое промежуточ- ное состояние светопропускания (мультистабильность).
Эффект мультистабильности состояний оптического пропускания является следствием устойчивой бистабильности электрооптических ячеек, в которых су- ществуют пространственно-неоднородные структуры сегнетоэлектрических доме- нов. Поэтому мультистабильность в общем случае может существовать только при наличии гистерезиса. Однако, наличие гистерезиса является препятствием для простой и однозначной установки заданного уровня пропускания дисплейной ячейки.
Таким образом, мультистабильная сегнетоэлектрическая жидкокристалли- ческая дисплейная ячейка, описанная в патенте РФ j _>2092883 [11], обеспечивает достаточно высокую (до 1 кГц) частоту амплитудно-фазовой модуляции света и практически непрерывную модуляционную характеристику. Однако, она:
- требует для управления большую амплитуду знакопеременных импульсов (де- сятки вольт), что не позволяет использовать для этих целей кремниевые инте- гральные схемы,
- имеет большое энергопотребление из-за высокого прилагаемого напряжения,
- имеет ограничение по разрешающей способности вследствие большой толщины слоя СЖК (более 10 мкм),
- не способна передать большое число полутонов вследствие своей мелко- ступенчатой (не чисто непрерывной) модуляционной характеристики и необходи- мости усреднения большого числа черно-белых полос, что невозможно обеспечить на малой площадке ячейки современного микро дисплея размером менее 10-20 микрометров,
- имеет в общем случае гистерезисную модуляционную характеристику, которая существенно затрудняет однозначную адресацию элементов дисплея. Задачей, решаемой в предлагаемой сегнетоэлектрической жидкокри- сталлической дисплейной ячейке, является получение в ячейке непрерывной без гистерезисной модуляционной характеристики, позволяющей осуществлять моду- ляцию света с частотой в несколько килогерц при адресации ячейки знакопере- менными импульсами амплитудой менее ±3 В (приемлема для управляющих кремниевых интегральных схем), при малом энергопотреблении вследствие малой величины прилагаемого напряжения, с высокой (с учетом размера ячейки и числа градаций серого) разрешающей способностью. Тем самым задача сводится к соз- данию жидкокристаллической сегнетоэлектрической дисплейной ячейки, свобод- ной от недостатков, указанных для мультистабильной сегнетоэлектрической жид- кокристаллической дисплейной ячейки, изготовляемой по патенту РФ JNT°2092883.
(iii) Сущность изобретения
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известной сегне- тоэлек рической жидкокристаллической дисплейной ячейке (Фиг. 2), содержащей две параллельно расположенные диэлектрические пластины, по крайней мере, од- на из которых выполнена прозрачной, на внутренние стороны которых нанесены токопроводящие покрытия, по крайней мере, одно из которых выполнено прозрач- ным, прозрачное анизотропное покрытие, задающее начальную ориентацию моле- кул жидкого кристалла в отсутствие внешнего электрического поля, нанесенное по крайней мере на одно токопроводящее покрытие, диэлектрическое покрытие, ко- торое наносится поверх одного или обоих анизотропных покрытий и служит для защиты ячейки от электрического замыкания и пробоя, сегнетоэлектрический жидкий кристалл, заполняющий пространство между диэлектрическими покры- тиями, изменяющий свою оптическую анизотропию под воздействием электриче- ского поля, и источник знакопеременного электрического напряжения, новым яв ляется то, что шаг геликоида и толщина слоя СЖК и граничные условия для не- го выбраны из условия К^0 ~ WQ /d (9),
где qo - волновой вектор деформации.
Выполнение соотношения 9 обеспечивает в отсутствие электрического поля деформацию слоя СЖК в виде частичной раскрутки геликоида и инициирование возникновения доменов. При этом толщина слоя СЖК выбрана в интервале 0,9 1,4 мкм, чтобы удовлетворить условию ахроматического пропускания света ячей- кой в диапазоне длин волн света, модулируемого или в пропускающей, или в от- ражающей свет ячейке. Кроме того, диэлектрическое покрытие может граничить со слоем СЖК только с одной стороны.
Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в созда- нии в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке условий, которые в отсутствие электрического поля обеспечивают деформацию слоя СЖК в виде частичной раскрутки геликоида и инициирование возникновения доменов, за счет движения границ которых будет осуществляться переориентация директора СЖК в электрическом поле.
Техническим результатам предлагаемого изобретения является создание сегнетоэлектрической жидкокристаллической ячейки, в которой шаг геликоида и толщина слоя СЖК, а также граничные условия для него, определяемые через ко- эффициент сцепления с граничащей поверхностью, обеспечивают непрерывную безгистерезисную модуляционную характеристику при адресации ячейки знакопе- ременными импульсами амплитудой менее ±3 В, частоту модуляции света в не- сколько килогерц, меньшее энергопотребление и лучшую разрешающую способ- ность в сравнении с прототипом [11].
В первом варианте технического решения рассматривается жидкокристал- лическая ячейка, осуществляющая модуляцию света при его однократном, в одном направлении, прохождении через ячейку (Фиг. 2а). Во втором варианте техниче- ские задачи решаются тем же принципиальным путем, а отличие от первого вари- анта (ячейки, работающей на просвет) заключается лишь в выполнении одного из токопроводящих покрытий отражающим (Фиг. 26), что характерно для ячеек отра- жательного типа.
Преимущества предлагаемой сегнетоэлектрической жидкокристалличе- ской дисплейной ячейки реализуются за счет выбора шага геликоида и толщины слоя СЖК и подходящих для него граничных условий.
Главными достоинствами заявляемой сегнетоэлектрической жидкокри- сталлической дисплейной ячейки по сравнению с прототипом в итоге являются: уменьшение управляющего знакопеременного электрического напряжения для ад- ресации ячейки до ±3 В и менее, безгистерезисная модуляционная характеристика на частотах модуляции света в несколько килогерц, уменьшение энергопотребле- ния, повышение пространственной разрешающей способности одновременно с уве- личением возможного числа градаций серого (полутонов). При этом из уровня техники не очевидно, что в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дис- плейной ячейке всех перечисленных достоинств можно добиться за счет выбора шага геликоида и толщины слоя СЖК и граничных условий для него.
Для улучшения характеристик модуляции света в сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейке можно в отдельности или в совокупно- сти использовать изменение типа и состава жидкокристаллического вещества, из- менение режима управления ячейкой, видоизменение конструкции ячейки и т. п. Например, в ней возможно использование полимерножидкокристаллических сло- ев; диэлектрические пластины (подложки) могут быть выполнены в виде тонких и гибких пленок; одна из диэлектрических пластин (подложек) может быть вообще исключена, а отражающее токопроводящее покрытие в этом случае может быть выполнено на кремниевой пластине, в которой формируется управляющая инте- гральная схема, и др.
Таким образом, использование заявляемой сегнетоэлектрической жид- некристаллической дисплейной ячейки обеспечивает в ней непрерывную без- гистерезисную модуляционную характеристику при управлении знакопеременны- ми импульсами напряжением менее ±3 В на частотах модуляции света в несколько килогерц, меньшее по сравнению с прототипом энергопотребление и лучшую раз- решающую способность, причем эти результаты, как и отличительные признаки изобретения (шаг геликоида и толщина слоя СЖК и граничные условия для него) являются существенными.
Предлагаемая сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка и оптический модулятор на ее основе являются низковольтным, быстродей- ствующим, технологичным и эффективным устройством модуляции света. Это де- лает возможным их применение во многих современных и перспективных диспле- ях, одноканальных и пространственных модуляторах света, а также в других ин- формационных устройствах и системах хранения, преобразования, обработки, ви- зуализации и отображения информации. Более того, применение предлагаемого изобретения будет способствовать достижению предельного для таких устройств и систем быстродействия.
(iv) Пример осуществления изобретения
Для осуществления предлагаемого изобретения было изготовлено несколь- ко экспериментальных образцов сегнетоэлектрической жидкокристаллической дисплейной ячейки и оптических модуляторов на ее основе, и были измерены их характеристики. Чтобы обеспечить в экспериментальных образцах в отсутствие электриче- ского поля частичную раскрутку геликоидальной структуры СЖК и возникнове- ние доменов, за счет движения границ которых осуществляется переориентация директора СЖК и изменение двулучепреломления в электрическом поле, исполь- зовались СЖК многих составов, в том числе следующего:
Figure imgf000020_0001
Температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы у данного СЖК находился в интервале от +1°С до +64°С, спонтанная поляризация была равна 48 нКл/см , коэффициент вращательной вязкости - 0,75 Пуаз, а шаг ге- ликоида - 0,45 мкм. Согласно [12], упругая энергия СЖК может быть найдена из следующего соотношения: Wei = (Κφς0 )/2 = Ps /4χ5,θ , (10) где %st - статическое значение диэлектрической восприимчивости, 0 - угол наклона молекул в смектических слоях. В рассматриваемом случае Xs, = 70, угол Θ = 23° (или 0,4025 рад) и значение Κφς0 2 составляет около 900 эрг/см3. В качестве прозрачного анизотропного ориентирующего покрытия исполь- зовалась изготовленная с помощью центрифуги пленка полиимида толщиной по- рядка 30 нм, которая натиралась. В качестве диэлектрического покрытия служила изготовленная с помощью напыления пленка двуокиси алюминия толщиной 80 нм. Для планарной ориентации директора СЖК (Фиг. 1 а) квадратичный коэффи- циент энергии сцепления составлял WQ - 0,05 эрг/см2. Толщина слоя СЖК была 1,3 мкм в дисплейных ячейках с пропусканием света и 1,0 мкм в ячейках с отра- жением света, что для W^d давало значение от 770 до 1000 эрг/см2 и удовлетворя- ло соотношению (9) с точностью до порядка величины для указанных типов энер- гии. Взаимодействие молекул с поверхностью приводило к частичной раскрутке геликоида. Шаг геликоида в электрооптической ячейке не изменялся, но азиму- тальный угол φ во всех смектических слоях становился близким к 0 или π. В ре- зультате СЖК разбивался на домены, период которых порядка ро /2. Для СЖК с шагом геликоида ро ~0,45 мкм частичная раскрутка геликоидальной структуры происходила при толщине слоя СЖК d = 1,0-^1,3 мкм.
Эксперименты показали, что в слабых полях (Е<1 В/мкм) при частоте из- менения электрического поля свьппе 300 Гц время электрооптического отклика го,1-о,9 линейно зависит от напряженности поля. Увеличение напряженности элек- трического поля приводит к резкому уменьшению времени το,ι-ο,9> а увеличение частоты поля смещает минимум зависимости \^ Е) в область более высоких значений поля.
При экранировании прозрачного токопроводящего покрытия на одной из подложек электрооптической ячейки слоем диэлектрика, практически в три раза
•у
(от 0,015 до 0,04 эрг/см ) увеличивалась разность полярных коэффициентов энер- гии сцепления для обеих подложек, влияющая на скорость движения доменных границ, в результате чего время электрооптического отклика ячейки уменьшалось более чем в три раза уже при частоте изменения поля порядка 200 Гц.
Для ячейки с пропусканием света и толщиной слоя СЖК 1,3 мкм при на- пряженности электрического поля 1 В/мкм время электрооптического отклика со ставляло 50^-70 мкс. Для ячейки с отражением света (толщина слоя СЖК порядка 1 мкм), моделирующей условия работы в жидкокристаллических микродисплеях с управляющей кремниевой матрицей типа F-LCOS [6, 7], время электрооптического отклика составило 45 мкс при частоте управляющего напряжения 200 Гц и напря- женности поля 1 В/мкм, а при частоте 2 кГц - 35 мкс.
Экспериментально наблюдаемое в скрещенных поляроидах пропускание света I сегнетоэлектрической дисплейной ячейкой с односторонним диэлектриче- ским покрытием в зависимости от управляющего напряжения U (меандр) на час- тоте 1 кГц (б) при повышении (*) и уменьшении (о) величины напряжения показа- но на Фиг. 4. Видно, что эта зависимость практически не обнаруживает гистерези- са и подобна таковой для ячеек на основе нематических ЖК. Однако эксперимен- тально измеренные значения электрооптического отклика убеждают в том, что дисплейные ячейки на основе СЖК, выполненные согласно предлагаемому изо- бретению, позволяют получить непрерывную модуляционную характеристику на частотах в несколько килогерц с временем отклика в несколько десятков микросе- кунд при управляющем напряжении менее ± 3 В.
Таким образом, рассмотренный выше пример осуществления изобретения подтверждает его дееспособность, а также существенные преимущества по срав- нению с прототипом. Литература:
1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. Москва, издательство «Радио и связь», 380 с. (1987).
2. Chigrinov V.G Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London, 359 p. (1999).
3. Компанец И.Н. Модуляторы света и дисплеи на сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Наука - производству, 6 (31), 22-26 (2000).
4. Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev Е., Zerrouk A. Advances of FLC device technology. Proc. SPIE, v. 4511, 82-91 (2001).
5. Clark N.A., Lagerwall S.T. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crys- tals. J.Appl. Phys., v. 36, 899-903 (1980).
6. O'Callaghan M.J., Handschy M.A. Ferroelectric liquid crystal SLMs: from proto- types to products. Proc. SPIE, v. 4457, 31-42 (2001).
7. www.micron.com/displavtech .
8. Pozhidaev E., Andreev A., Kompanets I. Surface and volume bistability in ferroelec- tric liquid crystals. Proc.SPIE, v. 2731 («Spatial Light Modulators»), 100-106 (1996).
9. Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev E. Grey scale FLC for SLM and displays.
Proc. SPIE, v.2771 ("Optical Information Processing"), 289-292 (1996).
10. Береснев Л. А. и др. Сегаетоэлектрические домены в жидком кристалле. Пись- ма в ЖЭТФ, т. 51, вып. 9, 457-461 (1990).
11. Андреев А.Л., Компанец И.Н., Пожидаев Е.П. Сегаетоэлектрическая жидкок- ристаллическая дисплейная ячейка. Патент РФ Ν° 2092883 (1997).
12. A.L. Andreev, E.P.Pozhidaev, I.N.Kompanets, T.B.Fedosenkova, V.Ya.Zyryanov, S.L.Sorgon, T.Weyrauch, W.Haase. Saturation voltage and elastic energy of polymer dispersed ferroelectric liquid crystal films. Ferroelectrics, v. 243, 189-196 (2000).

Claims

Формула изобретения
1. Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка, содержащая две параллельно расположенные диэлектрические пластины, по крайней мере, од- на из которых вьшолнена прозрачной, на внутренние стороны которых нанесены токопроводящие покрытия, по крайней мере, одно из которых выполнено прозрач- ным, прозрачное анизотропное покрытие, задающее начальную ориентацию моле- кул жидкого кристалла в отсутствие внешнего электрического поля, нанесенное по крайней мере на одно токопроводящее покрытие, диэлектрическое покрытие, ко- торое наносится поверх одного или обоих анизотропных покрытий, сегнетоэлек- трический жидкий кристалл, заполняющий пространство между диэлектрически- ми покрытиями, изменяющий свою оптическую анизотропию под воздействием электрического поля, и источник знакопеременного электрического напряжения, отличающаяся тем, что толщина слоя СЖК d, шаг геликоида ро и граничные ус- ловия, определяемые коэффциентом WQ, выбраны из условия: K9q0 2~WQ/d, где Κφ - модуль упругости, определяющий деформацию СЖК по азимутальному углу φ; qo - волновой вектор деформации; WQ - квадратичный коэффициент энергии сцепления СЖК с граничащей поверхностью.
2. Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка по п. 1 , отли- чающаяся тем, что толщина слоя жидкокристаллического вещества выбрана в интервале 0,9 н- 1,4 мкм из условия ахроматического пропускания света ячейкой в диапазоне длин волн света, модулируемого или в пропускающей, или в отражаю- щей свет ячейке.
3. Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка по п. 1, отли- чающаяся тем, что диэлектрическое покрытие граничит со слоем СЖК только с одной стороны.
PCT/RU2011/000146 2010-03-11 2011-03-10 Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка WO2011112121A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/634,152 US20160209720A1 (en) 2010-03-11 2011-03-10 Ferroelectric Liquid-Crystal Display Cell

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010108836 2010-03-11
RU2010108836/28A RU2430393C1 (ru) 2010-03-11 2010-03-11 Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011112121A1 true WO2011112121A1 (ru) 2011-09-15

Family

ID=44563713

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2011/000146 WO2011112121A1 (ru) 2010-03-11 2011-03-10 Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20160209720A1 (ru)
RU (1) RU2430393C1 (ru)
WO (1) WO2011112121A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2740338C1 (ru) * 2020-10-08 2021-01-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Жидкокристаллическая дисплейная ячейка

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2503984C1 (ru) * 2012-05-30 2014-01-10 Игорь Николаевич Компанец Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка
WO2022147232A1 (en) * 2020-12-30 2022-07-07 The Regents Of The University Of Colorado Device including ferroelectric nematic liquid crystal-forming molecules and methods of forming and using same

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1824621C (ru) * 1991-06-28 1993-06-30 Физический институт им.П.Н.Лебедева Модул тор оптического излучени
US5327273A (en) * 1989-06-29 1994-07-05 Hoffmann-La Roche Inc. Bistable ferroelectric liquid crystal display cell
RU2092883C1 (ru) * 1995-06-07 1997-10-10 Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН Жидкокристаллическая сегнетоэлектрическая дисплейная ячейка
RU2373558C1 (ru) * 2008-07-01 2009-11-20 Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Способ модуляции фазы света и оптический модулятор для его осуществления

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6118512A (en) * 1995-12-27 2000-09-12 Sharp Kabushiki Kaisha Manufacturing method of a liquid crystal display element
JP2000181413A (ja) * 1998-12-16 2000-06-30 Sony Corp 表示装置及び表示装置の駆動方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5327273A (en) * 1989-06-29 1994-07-05 Hoffmann-La Roche Inc. Bistable ferroelectric liquid crystal display cell
RU1824621C (ru) * 1991-06-28 1993-06-30 Физический институт им.П.Н.Лебедева Модул тор оптического излучени
RU2092883C1 (ru) * 1995-06-07 1997-10-10 Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН Жидкокристаллическая сегнетоэлектрическая дисплейная ячейка
RU2373558C1 (ru) * 2008-07-01 2009-11-20 Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Способ модуляции фазы света и оптический модулятор для его осуществления

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2740338C1 (ru) * 2020-10-08 2021-01-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Жидкокристаллическая дисплейная ячейка

Also Published As

Publication number Publication date
RU2430393C1 (ru) 2011-09-27
US20160209720A1 (en) 2016-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5062691A (en) Liquid crystal device with grey scale
JPH05281580A (ja) グレースケール表示装置
KR20000069992A (ko) 초기에는 네마틱 상태로 설정된 콜레스테릭 액정 평판 디스플레이의 구동장치 및 구동방법
Jullien Spatial light modulators
Sun et al. Fringe field effect free high-resolution display and photonic devices using deformed helix ferroelectric liquid crystal
RU2430393C1 (ru) Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка
Palto et al. Submillisecond inverse TN bidirectional field switching mode
Andreev et al. Speckle‐noise suppression due to a single ferroelectric liquid‐crystal cell
WO1997043685A1 (fr) Obturateur a cristal liquide et son procede de commande
JPH0448368B2 (ru)
JPS6057821A (ja) 液晶表示素子
Andreev et al. Speckle suppression using a liquid-crystal cell
Armitage Liquid-crystal display device fundamentals
US5818548A (en) Ferroelectric liquid crystal display in which the switching angle does not exceed ± 22.5°
KR100493351B1 (ko) 액정 디바이스
RU2373558C1 (ru) Способ модуляции фазы света и оптический модулятор для его осуществления
Andreev et al. Electric-field-controlled light scattering in ferroelectric liquid crystals
RU2503984C1 (ru) Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка
US7463228B2 (en) Fast switching dual-frequency liquid crystal cells and method for driving the same
RU2456649C1 (ru) Активные жидкокристаллические стереоочки
Abdulhalim Optimization of antiferroelectric liquid crystal devices at the degeneration point
Andreev et al. Electric-field-controllable light scattering in helicoidal ferroelectric liquid crystals
RU2740338C1 (ru) Жидкокристаллическая дисплейная ячейка
RU2649062C1 (ru) Оптический модулятор
RU2561307C2 (ru) Способ пространственно неоднородной модуляции фазы света и оптический модулятор для его осуществления

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11753680

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11753680

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13634152

Country of ref document: US