Рідиннокришталевий пристрій з мікрокапсульованими елементами

Изобретение относится к опто— электронике и может быть использовано в диспелях на жидких кристаллах больших размеров, использующих кап— сулированные жидкокристаллические элементы, в других устройствах модуляции оптического излучения. Цель изобретения — увеличение площади уст— ройства при сохранении уровня и равномерности контраста. Сущность изобретения состоит в создании активного слоя, состоящего из нечатического жидкого кристалла с положительной ' диэлектрической анизотропией, лированного в среду, ооразующую замкм нутые капсулы і 2 из материала с показателем преломления, равным обыкновенному показателю преломления жидкого кристалла. Активный слой располагается на подложке 2 со сплошным электродом 3, второй электрод 4 в виде сегментов наносится на активный слон и может быть защищен защитным покрытием 5* Активный слой может быть приклеен к поверхности подложкиь Материал жидкого кристалла может иметь плеохроический краситель. В отсутствии напряжения активный слой рассеивает излучение и имеет темный фон, при подаче напряжения на любой из сегментов этот сегмент становится прозрачным для внешнего излучения и возникает контрастное изображение» При толщине активного слоя 1,6 мм, представляющего собой нематический жидкий кристалл с красителем суданская сажа в капсулах поливинилового спирта диаметром 3 мкм и нанесенного на майларовую пленку с электродом из оксида олова, достигнут контраст 7:! при напряжении 50 В, приложенном к активному слою. 7 з.п. ф—лы, 6 ил. ю Y'/s/'//f////'/sAA/77//,///s///,///,\ 2 3 || -A Фиг і 1620056 Изобретение относится к опто— электронике и может быть использовано в диспелях на жидких кристаллах больших размеров, использующих капсу— лированные жидкокристаллические элементы, в других устройствах модуляции оптического излучения. Цель изобретения — увеличение площади устройства при сохранении уров- 10 ня и равномерности контраста. На фиг»! схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг«2 — устройство дисплея на жидких кристаллах, вид в плане; на фиг»3 - то 15 же, с частичным вырывом; на фиг* 4 — капсула жидкого кристалла в состоянии без электрического поля; на фиг»5то же, в состоянии приложенного элект" рического поля; на фиг.6 — условная j эквивалентная электрическая схема капсулы. Жидкокристаллическое устройство с микрокапсулированными элементами содержит заключенный в капсулу жидкий 25 кристалл 1, подложку 2, электроды 3 и 4, защитный слой 5, источник 6 постоянного или переменного тока, селекг тивно замыкаемый переключатель 7, токоподводящие выводы 8 и 9, материал 10 жидкого кристалла, содержащийся во внутреннем объеме 11 капсулы 12, знакоместо 13 в виде цифры восемь, сегменты 14-16 знакоместа 13,участок 17 знакоместа 13, разрез 18 множест35 ва заключенных в капсулу жидких крис таллов 1, внутреннюю поверхность 19 стенки капсулы 12, приповерхностный слой 20 молекул 2! жидкого кристалла, обозначенных пунктирными линиями, внутренние слои 22 молекул 21, стен" ку 23 капсулы 12, разрыв 24 непрерывности в ориентации внутренних слоев 22, точки 25-28 на внешней и внутренней поверхностях капсулы, верхний участок 29 и нижний участок 30 материала 10 жидкого кристалла, конденсаторы 31—33, образованные материалами стенки капсулы и жидкого кристалла* 50 Электрод 3 может быть нанесенным в вакууме на подложку 2 слоем оксида индия с добавками олова, а электрод 4, может быть электрически проводящей краской * 55 Подложка 2 и электроды 3 и 4, а также защитный слой 5, могут быть оптически прозрачными» так что устройство способно управлять передачей света через него в ответ на возбуждение или невозбуждение электрического поля на электродах 3 и 4 и тем самым на заключенном в капсулу жидком кристалла 1. Подложка 2 может быть оптически отражающей или может иметь оптически отражающий слой, так что отражение таким ображающим слоем падающего света, поступающего через защитный слой будет зависеть от того, приложено или нет электрическое поле к заключенному в капсулу жидкому кристаллу 1• Множество заключенных в капсулы жидких кристаллов I наносится на монтажную подложку 2 так, что заключенные в капсулы жидкие кристаллы адгезируют к подложке 2 или к материалу электрода 3 для опоры монтажной подчожкой 2 и удержания в неподвижном относительно других заклю~ ченных в к£.гсулы жидких кристаллов 1 положении,. Наиболее предпочтительно, когда образующая капсулу среда, из которой образ^-ется капсула 12, также приемлема сл я связывания или иной адгезии капсулы 12 к подложке 2» Может использоваться дополнительная связывающая среда (не показано) для адгезии заключенных в капсулы жидких кристаллов 1 к подложке 2* Так как капсулы 12 адгезируют к подложке 2 и каждая капсула 12 образует необходи•тую герметизацию материала 10 жидкого кристалла, второй подложки обычно не требуется. Однако для защиты от рубцевания, электрохимического разрушения, например окисления и т.п. электрода 4 защитный слой 5 может быть образован на стороне или поверхности устройства. Так как заключенные в капсулы жидкие кристаллы 1 относительно прочно адгезируют к подложке 2 и обычно нет необходимости в дополнительной подложке, электрод 4 может быть нанесен непосредственно на заключенные в капсулы жидкие кристаллы 1• В обычном устройстве ризуального дисплея типа на жидких кристаллах или еветоизлучающих диодах знакоместо 13 цифры восемь обычно поделено на семь электрически изолированных сегментов, каждый из которых может селективно возбуждаться или нет, чтобы образовать различные цифровые изображения» Например, возбуждение сегментов 14 и 15 изображает цифру 1620056 хранягот упругую энергию. Для упроще"1", а возбуждение сегментов 14-16 ния иллюстрации и облегчения понимаизображает цифру " 7 " п ния приведенной концепции приповерхПри использовании заключенных з ностный слой 20 молекул 2Ї жидкого капсулы жидких кристаллов 1 образукристалла,, представленных соответстется подложка 2, способная отобравующими пунктирными линиями показан жать виртуальный и требуемый дисплей, в непосредственной близости к внуткак функция только селективных сег« ренней поверхности 19 стенки. Молекументов электродов из проводящей краслы 21 деформируются по кривой в наки, нанесенньо; на материал жидкого 1U правлении, которое параллельно смежной кристалла» Б этом случаг вся поверх•зоне поверхности 19 стенки. Другие ность подложки 2 мояет быть покрыта слои 20 молекул 21 жидкого кристалла' электродным материалом 3 и даже вся также показаны в капсуле 12 В Молеку— поверхность этого электродного матепы жидкого кристалпа показаны в этих риала может быть покрыта слоем 18 слоях, хотя должно быть понятно, что заключенных в капсулы жидких крисмолекулы жидкого кристалла могут быть таллов I. После этого таданный обраориентированы несколько более хаотичзец электродных сегментов электрода но, чем & упорядоченных слоях, пока4 из проводящей краски может быть отзанных на !bnr»4j, однако такие молепечатан (нанесен) при необходимости 20 кулы, тем не менее, стремятся ориенна слое 18> Одинарный электрический тироваться s некоторой степени па— вывод 3 может соединять эпектрод 3 с раппельно по отношению к соответстисточником 6 напряжения и соответствующей смежной зоре внутренней пов^рхвующие электрические выводы электрода 4 могут соединять соответствующие 25 яости 19 стенки* сегменты из проводящей краски через Молекутш 21 кидких кристаллов явсоответствующие управляемые переклюляются молекулами нематического типа чатели 7 с этими же источником 6 нас положительной диэлектрической анипряжения. Заключенные в капсулы -гадзотропией. Такие молекулы обычно прикие кристаллы I и/или электродный 3Q нимают прямолинейную нитеобразную материал электрода 3 могут быть наконфигурацию, и материал жидкого несены на поверхность подложки 2 кристалла, содержащий такие немати— только в тех зонах, где необходимы ческие молекулы, обычно является сегменты» чувствительным к направлению оттичес" кой поляризации» Однако, так гак чоКапсула 12 (фиг.4) имеет вообще гладкую изогнутую внутреннюю поверх- ^ лекулы 21 в заклеенных в капсулах жидкого кристалла 1 деформируются ность 19 стенки, определяющей граниили принуждаются к искривленной форцу объема 11 • Действительїіьіе размерме в полной трехмерной капсуле 12, ные параметры поверхности 19 стенки такой нематическии материал жидкого и всей капсулы 12 сЕязаны с колиАГ кристалла в такой капсуле приобретает чеством материала 10 жидкого кристал" улучшенные характеристики нечувствила ¥ который в ней содержится, и разтельности к направлению оптической мером отдельных молекул жидкого крисполяризации падающего на него света. талла. До юлнительно капсула 12 созКроме того, когда материал 10 жидкодает давление на материап 10 жидкого го кристалла в капсуле 12 имеет кристалла, стремясь создать давление растворенный в нем плеохлорический или по крайней мере сохранить по сукраситель, такой краситель, который ществу постоянным давление внутри обычно также может считаться имеющим объема !1• В результате сказанного и в силу природы поверхностного смачи— .. чувствительность к оптической поляваннл молекул жидкого кристалла такие ризации, больше не является чувствимолекулы, которые обычно з свободной тельным к поляризации, потому что форме стремятся быть прямыми, хотя краситель стремится следовать той же возможно случайно распределенными, искривленной ориентации или распредеформируются по кривой в направлении, делению, что и отдельные молекулы 21 55 жидкого кристалла. которое обычно параллельно относительно смежного участка внутренней Следует отметить, что материал 10 поверхности 19 стенки капсулы. В силу жидкого кристалла в капсуле 12 имеет такой дисторсии жидкие кристаллы соразрыв 24 непрерывности в общем сфе— 1620056 рическом ориентировании его- Разрыв 24 непрерывности вызван* неспособное— тью жидкого кристалла ориентировать'™ ся однородно в соответствии с парал"лельным ориентированием со стенкой 23 и требованием в отношении минимальной упругой энергии г Молекулы 21 жидкого кристалла стремятся следо** вать вокруг разрыва 24 непрерывное" fO ти, как показано в пленарной форме на фиг.4, но в действительности они следуют в трехмерных направлениях образца по трехмерной обычно цилшщ11"5 рической внутренней поверхности 19 стенкив Разрыв 24 непрерывности также деформирует молекулы жидкого кристалла, что также снижает возможностьэ что материал 10 жидкого кристалла б у м дет чувствительном к направлению оптической поляризации падающего света» 8 нения оптической днеторсии из'*за рефракции падающего света, проходя" щего от образующей капсулу среды в материал жидкого кристалла, и наобо** рот, из заключенного в капсулу жид*4 кого кристалла (фиг.5) показатель преломления образующей капсулу среды 7 показатель преломления материала т жидкого кристалла должны между собой согласовываться как можно лучше, а именно обыкновенный показатель преломления жидкого кристалла равен показателю преломления материала стенки капсулы \1ь Таким оЗразом, когда не подано электрическое напряжение U, заключенный в капсулу жидкий кристалл 1 имеет отличительные признаки, так как молекулы 21 жидкого кристалла дефорічнруїитсч, имея необыкновенный Устройство работает следующим об™ показатель преломления, не равный разом. показателю :г^еломления стенки- и так В исходном состоянии селективный как плеохл'Чри^еский краситель дефорпереключатель 7 разомкнут и соотмируется, абсорбция или блокировка ветствующие сегменты знакоместа 13 светопередачи через заключенные в капне создают напряженность электрисулы жидкие .-.ристаллы высокоэффектив^ ческого поля совместно с электродом на, даже бес- применения плеохроичного 3. красител і га счет преломления и расПри деформированных в капсуле 3 2 3( сеяния света на границе жидкого отдельных молекулах 21 жидкого кряс— кристалл^ со стенкой. С другой старо— талла, которые изгибаются так, как ны в силу ^Ефективного электрического показано на фиг«4 ? заключенный в каггнапряжения, приложенного к материалу сулу 12 жидкий кристалл і адсорбиру" 10 жидкого кристалла, в заключенных ет или блокирует свет, чтобы он не в капсулах жидких кристаллах 1, ори" 35 мог передаваться через него, когда ентирование молекул жидкого кристалне приложено электрическое поле к ла и красителя вместе с ним, а также заключенному в капсулу 12 жидкому в силу согласования предпочитаемого .кристаллу* показателя преломления, т«е» среды, В результате в устройстве отсутст" образующей капсулу, и материала жидвует контрастное визуальное изобра-* кого кристаглч. падающий свет не прежение» ломляется или искривляется в границе В случае замыкания переключателя раздела между стенкой 23 капсулы и 7 электрическое поле приложено к заматериалом 10 жидкого кристалла и, ключенному в капсулу !2 жидкому крис- 45 когда подается электрическое поле, таллу 1 так, как показано на фиг*5, заключенный в капсулу жидкий тфисталл молекулы 21 жидкого кристалла и лю— 1 имеет хорошую характеристику опти" бой плеохлоричес: :й краситель в раст™ ческой передачи« воре с ним ориентируются в ответ на Так как множество заключенных в электрическое поле* Такое ориечтиро™ 50 капсулы жидких кристачов 1 обычно вание по прямой дает возможность про™ треОуется для конструирования закон— пускать свет через заключенный в капчекного устройстве на жидких кристал"* сулу жидкий кристалл 1 * Это приводит лах, такого как устройство 17 (фиг*3) к возникновению контрастного визуальи так как эти заключенные в капсулы ного изображения, определяемого конм лшдкие кристаллы располагаются з н? фигурацией сегментов, подключенных скольких слоях, предпочтительно иметь к источнику 6. относительно высокую дкэлектрическую Для оптимизации характеристик анизотропию, чтобы снизить напряжеконтрастности устройства и для устра— ние и . 9 '0 16200' 6 в верхней зоне (направление обычно Капсулы 12 могут быть различных принятое на чертежах, но не имеющее размеров* Чем меньше размер капсулы, другого какого—лиСо специального знатем выш? требования в отношении электчения) и соответственно искривлен рического поля для ориентирования моаналогично верхнему участку капсупы лекул жидкого кристалпа в капсуле. 12 (фнг.4 и 5 ) . Конденсатор 33 также Когда размер капсупы относительно н е имеет емкость нижней части капсулы. большой, потребуется больше капсул Величины емкостей каждого конденсана единицу площади слоя 18, поэтому тора jl—33 зависят от диэлектрииес— большие потери из—за п а я н и я напря— ., ких констант (коэффициентов) матежения в среде, образующей капсулы, риала, из которого изготовлены соотчем у капсул большего размера, ч в ветствующие конденсаторы, и зазора последнем итучае гтло пюсть ^а етичи" между его эффективными обкладками. цу площади меньше* Согласно предпо— читземгму варианту устройство должно ,с Предпочтительно, чтобы конденсаторы 31 и 33 имели больше величину емкосиметь капсулы диаметром 2-25 мкма ти, чем конденсатор 32, так что паЭлектрическое полное сопротивление дение напряжения, происходящее на у материала обра?ующей капсулу среды соответствующих конденсаторах 31 и предпочтительно должно боїть больше, 33 будет меньше, чем падение напрячем у материала жидкоі о кристалла а ^0 жения на конденсаторе 32,и тогда позаключенном в капсулу жидком кристалдается Мсіксиняльная часть электриле 1 (фиг„5) и также должьо быть д о " ческого ноля на материІП і 0 жидкого статочно большим, чтобы не происхоі ристалла в заключенный в капсулу дило короткого замыкания через сте:*~ жидкий кр*і'^п зле ни ем, которое могло бы встретиться- на пути цд Делтя как можно тоньле стенку 23 тока непосредственно от точки 25 до при сохранении адэкватной ее проч1 точки 26 внутри внутренней лов ер хно с™ ности для содержания материала 10 19 стенки, непосредственно через sти жидкого кристалла в ооъеме 11,велиматериал 10 жидкого кристалла до точчины конденсаторов 3!, 32 могут быть ки 28 и также в объеме 1 ! , наконец, увелрчены особенно в сравнении с снова до точки 27» толщиной или длиной расстояния между верхним участком 29 материала 10 жил" Диэлектрические константы (коэфкого кристалла нижней части 30 его, фициенты) материала, из которого о б которые примерно и эквивалентно образуется среда, образующая капсулы, и в который заключается материал, .« разуют обкладки того же порядка ко'!— денсатора 32* составляющий лсидкий кристалл, а так~ же величины эффективной емкости с т е н " Как сказано, чем больше размер ки 23 кчпеулы, в частности, в р а капсулы, тем меньше электрическое подиальном направлении, и материала ле, необходимое для достижения ориенм жидкого і-гпсталла. по концам которо тирования молекул жидкого кристалла е го подае'і'дя іле::трическое поле — в ней„, Однако, чем больше сфера (кап** все должно &ыть согласовано так, что сула), тем дольше время срабатывания* стенка 23 капсулы 12 значительно не П р и м е р * , 0,45% плеохлорическо— снижает вепичипу приложенного э л е к т го красителя типа Суданской сажи В рического поля* ™ растворяют в жидком кристалле, который состоит из ароматических эфиров. Условная эквивалентная электричесТакой комбинированный материал продакая схема капсулы 12 показана на ется под индексом if M8250 фирмой фиг,6* Электрическое поле исходит от "Америкен ликкд кстал кгмикал кор."ь источника 6 напряжения, когда замкКент, Огайо* Этот материал смешивает*" нут переключатель 7т Конденсатор 32 ся с раствором 7%*™ного поливинштово« имеет емкость материала 10 жидкого го спирта (ПБС) & который обрабатывакристалла в заключенном в капсулу ется для удаления всех солей» Также .жидком кристалле 1 » Конденсатор 31 подготовляют раствор с водой типа имеет емкость стенки 23 капсулы 12 12 1620056 электрическое поле, либо магнитное ASTMHOO*. Полученная смесь помещает*" ся в коллоидную мельницу, и материал поле* перемалывается в течение 4 мин для получения суспензии частиц однородФ о р м у л а и з о б р е т е н и? ного размера» В результате получают стабильную эмульсию, размер суспен.I * Жидкокристаллическое устройстзированных частиц которой примерно во с микрокапсулированными элемен3 мкм* Эмульсия наносится на майлартами, содержащее совокупность замкную пленку, которая предварительно нутых объемов материала жидкого 10 покрыта слоем электрода из оксида кристалла, имеющего природную струколова» Используют ракель для нанесе*4 туру, причем объемы материала жидкония эмульсионного материала на май" го кристалла распределены в удержипарную пленку на стороне, покрытой ваіпщей среде» о т л и ч а ю щ е е с я слоем электрода* тем, ч т о , с целью увеличения площади 15 устройства при сохранении уровня и На такой электрод наносится 7 мм равномерности контраста, материал эмульсионного материала и высушиважидкого кристалла выбран нематичесется до общей толщины 0 ? 8 мм. Затем ким с положительной диэлектрической наносится второй слой такой эмульсии анизотропией и обыкновенным п о к а з а " на первый,, образуя агрегированный телем преломления, равным показателю слой капелек жидкого кристалла в матпреломления удерживающей среды. рице поливинилового спирта, имеющий 11 толщину 1,6 мм. Предпочтительно заключенные в капсулы жидкие кристаллы наносятся как одинарный слой толщиной из одной или нескольких капсул. 25 Образованное таким образом устройство на жидких кристаллах^ содержащее слой из майлара? электрод и за3Q ключенные в капсулы жидкие кристаллы затем испытывается путем приложения электрического поля, после чего материал изменяется от черного к почти светлопрозрачному* Материал показал очень широкий угол обзора и отношение контрастности составило 7:1 при 50 В электрического напряжения. Скорость переключения около 2 мс при включении и около 4 мс при выключении» .0 Предлагаемое устройство обеспечивает возможность получения устройств на жидких кристаллах значительной площади при сохранении высоких све.тотехнических характеристик, кроме того, для обеспечения однородности этих характеристик по площади и поддержания управляющего напряжения з узких пределах в > ;зжно обеспечение * ня градации капсул по диаметрам с цепью исключения их вазбросов в одном устройстве» Входным сигналом для предлагаемого устройства может быть либо 2 . Устройство по п«1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что материал жидкого кристалла содержит плеохрои— ческий краситель» 3» Устройство по пп.1 и 2» о т — 1 л и ч а ю :ы е е с я тем, что удерживающая ет'еда расположена на под— ложке» 4« Устройство по п п . 1 - 3 , о т л и ч а ю щ е е с я т е к , что содержит склеивающее средство, расположенное между удерживающей средой и подложкой* 5* Устройство по п п . 1 - 4 , о т *л и ч а ю щ е е с я тем, что содержит средство для приложения электрического поля к материалу жидкого кристалла* 6» Устройство по п . 5 , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что средство приложения электрического поля выполнено с парой электродов• 7» Устройство по пп«1*-6, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что удерживающая среда выполнена в виде капсулы для каждого объема материала жидкого кристалла с искривленной поверхностью, 8* Устройство по п в 7 , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что капсулы имеют сферическую форму. 620056 2 Фиг 3 Фиг. 5 1620056 3^r 20^-3? Фиг. 6 Редактор С,І1сігр>шї»вн Составитель А.Гусев Техред М.Дидык Корректор Т*Колб З а к а з 58 іираж Подписное В НИШИ Государі і пімімі.гіі к о м и т е т а по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР ! 1 3 ( Н Ь , Москва, Ж-35, Раушская н а б . , д , 4 / 5 П р о и з в о л г т в н и н о -и -*лагепьг кии комбинат "Патент", г . Ужгород, у л . Гагарина, 101