RU2081443C1

RU2081443C1 - Liquid-crystal device

Info

Publication number: RU2081443C1
Application number: RU94017325A
Authority: RU
Inventors: В.Я. Зырянов; С.Л. Сморгон; В.Ф. Шабанов
Original assignee: Институт физики им.Л.В.Киренского СО РАН
Priority date: 1994-05-11
Filing date: 1994-05-11
Publication date: 1997-06-10

Abstract

FIELD: molecular electronics, optoelectronic devices. SUBSTANCE: liquid-crystal device incorporates two liquid-crystal cells mounted in sequence. Each cell includes transparent plates placed in parallel with clear electrodes on internal side. Between them film of ferroelectric liquid crystal encapsulated with polymer is placed. Molecules of liquid crystal in drops are oriented predominantly in one direction in plane of film. Directions of electric field in both cells are opposite. Proposed device can have transparent plate with clear electrodes on both sides common for both cells. EFFECT: improved functional stability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к молекулярной электронике и может быть использовано в оптоэлектронных устройствах, в устройствах обработки и отображения информации, в устройствах управления лазерным излучением, в частности, в телевидении, в компьютерных дисплеях, контрольно-измерительной аппаратуре, устройствах телекоммуникации. The invention relates to molecular electronics and can be used in optoelectronic devices, in information processing and display devices, in laser radiation control devices, in particular in television, in computer displays, instrumentation, and telecommunication devices.

Известно жидкокристаллическое (ЖК) устройство, содержащее две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером жидкого кристалла (КПЖК), причем осесимметричные капли ЖК с положительной диэлектрической анизотропией ориентированы хаотично в полимерной матрице. Под действием переменного электрического поля ориентация молекул ЖК в капсулах и, следовательно, условия рассеяния света в дисперсной пленке меняются, что вызывает модуляцию проходящего через устройство светового излучения. Устройства на основе КПЖК-пленки могут изготавливаться в гибком варианте и практически неограниченной площади, они просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Недостатком известного устройства является низкое быстродействие: частота модуляции не превышает 10 кГц. A liquid crystal (LC) device is known that contains two parallel transparent plates with transparent electrodes on the inside, between which is a film of polymer-encapsulated liquid crystal (CPLC), and axisymmetric drops of LC with positive dielectric anisotropy are randomly oriented in the polymer matrix. Under the influence of an alternating electric field, the orientation of the LC molecules in the capsules and, therefore, the conditions for the scattering of light in a dispersed film change, which modulates the light radiation passing through the device. Devices based on KPZHK-film can be manufactured in a flexible version and almost unlimited area, they are simple to manufacture and reliable in operation. A disadvantage of the known device is the low speed: the modulation frequency does not exceed 10 kHz.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является ЖК устройство, содержащее две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером сегнетоэлектрического (КПСЭЖК), причем молекулы СЭЖК в каплях ориентированы преимущественно в одном направлении в плоскости пленки, а с внешней стороны прозрачных пластин расположен по крайней мере один поляроид. Под действием переменного электрического поля молекулы СЭЖК переориентируются на угол 2θ (где q - угол наклона молекул СЭЖК к плоскости молекулярного слоя) в плоскости пленки, что приводит к модуляции проходящего светового излучения. Недостатками известного ЖК устройства являются невозможность модуляции излучения большой мощности (т.к. при большой интенсивности света поляроид перегревается и разрушается), а также использование сравнительно редких, не выпускаемых промышленностью СЭЖК с углом наклона молекул θ=45^°. Использование призменных поляризаторов вместо поляроидной пленки не решает проблемы, т.к. в этом случае устройство становится громоздким, дорогостоящим, а рабочая площадь ограничивается габаритами призмы.The closest set of essential features to the proposed one is an LCD device containing two parallel-mounted transparent plates with transparent electrodes on the inner sides, between which there is a film of polymer-encapsulated ferroelectric (KPSEZHK), and the FEZK molecules in the droplets are oriented mainly in one direction in the film plane, and at least one polaroid is located on the outside of the transparent plates. Under the influence of an alternating electric field, the FEFC molecules are reoriented by an angle of 2θ (where q is the angle of inclination of the FECC molecules to the plane of the molecular layer) in the film plane, which leads to modulation of the transmitted light radiation. The disadvantages of the known LCD device are the impossibility of modulating high-power radiation (since at high light intensity, the polaroid overheats and collapses), as well as the use of relatively rare, non-commercially available FEFCs with a molecular angle of θ = 45 ^° . Using prism polarizers instead of a polaroid film does not solve the problem, because in this case, the device becomes bulky, expensive, and the working area is limited by the dimensions of the prism.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - создание ЖК устройства на основе КПСЭЖК-пленки для управления мощным световым излучением с использованием стандартных, выпускаемых промышленностью, СЭЖК, имеющих угол наклона молекул к плоскости молекулярного слоя, θ=22,5^°
При осуществлении изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении предела мощности модулируемого излучения и расширения ассортимента используемых жидких кристаллов.The problem to which the invention is directed, is the creation of an LCD device based on KPSEZHK-film for controlling high-power light radiation using standard, produced by industry, SEZHK, having an angle of inclination of molecules to the plane of the molecular layer, θ = 22.5 ^°
When implementing the invention, a technical result is achieved, which consists in increasing the power limit of modulated radiation and expanding the range of liquid crystals used.

ЖК устройство содержит две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена КПСЭЖК-пленка, причем молекулы СЭЖК в каплях ориентированы преимущественно в одном направлении в плоскости пленки, содержит дополнительную ячейку, установленную последовательно с первой и содержащую две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена такая же КПСЭЖК-пленка, причем молекулы СЭЖК в каплях ориентированы преимущественно в одном направлении в плоскости пленки, при этом направления электрического поля в обеих ячейках противоположны. The LC device contains two parallel transparent plates with transparent electrodes on the inner sides, between which there is a CPSEC film, moreover, the FECC molecules in the droplets are oriented mainly in the same direction in the film plane, contains an additional cell installed in series with the first one and containing two transparent parallel plates with transparent electrodes on the inner sides, between which the same KPSEK-film is located, moreover, SEZK molecules in the droplets are predominantly in the same direction in the film plane, while the directions of the electric field in both cells are opposite.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием дополнительной ячейки, установленной дополнительно с первой и содержащей две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена такая же КПСЭЖК-пленка, причем молекулы СЭЖК в каплях ориентированы преимущественно в одном направлении в плоскости пленки, при этом направления электрического поля в обеих ячейках противоположны. A comparative analysis with the prototype shows that the proposed device is distinguished by the presence of an additional cell, installed additionally with the first one and containing two parallel located transparent plates with transparent electrodes on the inner sides, between which the same KPSEK-film is located, with the FEZK molecules in the droplets oriented mainly in one direction in the plane of the film, while the directions of the electric field in both cells are opposite.

В предлагаемом устройстве использование дополнительной ячейки на основе КПСЭЖК-пленки, во-первых, дает возможность модулировать световое излучение на 3 4 порядка большей мощности, чем известное устройство с поляроидом [2] Во-вторых, предлагаемая конструкция устройства позволяет использовать широко распространенные и коммерчески доступные СЭЖК с углом наклона молекул θ=22,5^°, в отличие от прототипа, для которого необходимо синтезировать специальные СЭЖК с углом наклона молекул θ=45^°
Вследствие отмеченных выше причин применение предлагаемого ЖК устройства на основе гибкой КПСЭЖК-пленки позволяет модулировать свет большой мощности, используя при этом обычные, выпускаемые промышленностью СЭЖК.In the proposed device, the use of an additional cell based on the CPPSLC film, firstly, makes it possible to modulate light radiation of 3 to 4 orders of magnitude higher power than the known device with polaroid [2] Secondly, the proposed device design allows the use of widespread and commercially available FEZhK with an angle of inclination of molecules θ = 22.5 ^° , in contrast to the prototype, for which it is necessary to synthesize special FEZhK with an angle of inclination of molecules θ = 45 ^°
Due to the reasons noted above, the use of the proposed LCD device based on a flexible KPSEZHK-film allows you to modulate high power light, using the usual, produced by the industry SEZHK.

На чертеже схематично изображена конструкция ЖК устройства. The drawing schematically shows the design of the LCD device.

Устройство содержит прозрачные пластины 1, 4, 5, 8. Между пластинами 1 и 4, а также 5 и 8 расположены пленки 2 и 6 капсулированного полимером сегнетоэлектрического жидкого кристалла (КПСЭЖК). Для простоты показана лишь одна капля в каждой пленке 3 и 7. На внутренние стороны пластин 1, 4, 5, 8 нанесены прозрачные электроды 9 и 10. Внутри капли схематично в виде прямоугольника изображена молекула СЭЖК с дипольным моментом (стрелочка), направленным перпендикулярно длинной оси молекулы. Под действием электрического поля молекулы поворачиваются по поверхности конуса с углом 2θ^° в вершине так, что дипольные моменты ориентируются вдоль поля.The device contains transparent plates 1, 4, 5, 8. Between plates 1 and 4, as well as 5 and 8 are films 2 and 6 of a polymer-encapsulated ferroelectric liquid crystal (KPSEZhK). For simplicity, only one drop is shown in each film 3 and 7. On the inner sides of the plates 1, 4, 5, 8, transparent electrodes 9 and 10 are applied. Inside the drop, a FEZH molecule with a dipole moment (arrow), perpendicular to the long axis of the molecule. Under the influence of the electric field, the molecules rotate along the surface of the cone with an angle of 2θ ^° at the apex so that the dipole moments are oriented along the field.

В левой части чертежа молекулы СЭЖК под действием поля ориентируются так, что их длинные оси в обеих пленках параллельны друг другу и лежат в плоскости XY. В таком случае свет, плоскость поляризации которого совпадает с осью Y, проходит через устройство, не рассеиваясь, так как в этом случае градиент показателя преломления на границе полимер капли СЭЖК практически отсутствует [2] Свет, плоскость поляризации которого совпадает с осью X, рассеивается вследствие большого градиента показателя преломления. On the left side of the drawing, the FEFC molecules are oriented under the action of the field so that their long axes in both films are parallel to each other and lie in the XY plane. In this case, the light whose polarization plane coincides with the Y axis passes through the device without scattering, since in this case there is practically no gradient of the refractive index at the boundary of the polymer drop of the FEZhK [2] Light whose polarization plane coincides with the X axis is scattered due to large gradient refractive index.

При изменении полярности электрического поля (правая часть чертежа) молекулы переориентируется на угол 2θ=45^° оставаясь в плоскости XY При этом молекулы в верхней и нижней КПСЭЖК-пленках переориентируются в разные стороны от оси X так, что угол между их ориентацией составляет 4θ=90^°. В этом случае ЖК устройство рассеивает свет любой поляризации. По своему действию такая геометрия аналогична системе скрещенных поляризаторов. При другой взаимной ориентации КПСЭЖК-пленок модуляция также наблюдается, но имеет меньшую амплитуду.When the polarity of the electric field (the right side of the drawing) changes, the molecules reorient by an angle of 2θ = 45 ^° while staying in the XY plane. In this case, the molecules in the upper and lower CPCEC films are reoriented in different directions from the X axis so that the angle between their orientation is 4θ = 90 ^° . In this case, the LCD device scatters the light of any polarization. In its action, such a geometry is similar to a system of crossed polarizers. For a different mutual orientation of the CPSEC films, modulation is also observed, but has a smaller amplitude.

Пример конкретного выполнения. На прозрачные пластины нанесены прозрачные электроды. КПСЭЖК-пленка выполнена на основе сегнетоэлектрического жидкого кристалла ДОБАМБЦ, капсулированного в поливинилбутирале. Молекулы СЭЖК во всех каплях ориентированы преимущественно в одном направлении в плоскости пленки, угол наклона молекул θ=22,5^°, а показатели преломления

СЭЖК, где n_II показатель преломления полимера, n_┴ показатель преломления обыкновенного луча света в СЭЖК, КПСЖЭК-пленки размещены между прозрачными пластинами, образуя две ячейки. Обе ячейки установлены последовательно другу. Направления электрического поля в обеих ячейках противоположны. Собранное ЖК-устройство имеет следующие характеристики:
управляющее напряжение до 300 В
частота модуляции до 800 кГц
плотность мощности модулированного излучения (аргоновый лазер) до 3 кВт/см².An example of a specific implementation. Transparent electrodes are applied to transparent plates. KPSEZHK-film is made on the basis of a ferroelectric liquid crystal DOBAMBTS encapsulated in polyvinyl butyral. The FEFC molecules in all the droplets are oriented mainly in the same direction in the film plane, the angle of inclination of the molecules is θ = 22.5 ^° , and the refractive indices

SEZHK, where n _{II is} the refractive index of the polymer, n _is the refractive index of an ordinary ray of light in the FEZH, KPSZHEK-films are placed between transparent plates, forming two cells. Both cells are installed in series with each other. The directions of the electric field in both cells are opposite. The assembled LCD device has the following characteristics:
control voltage up to 300 V
modulation frequency up to 800 kHz
power density of modulated radiation (argon laser) up to 3 kW / cm ² .

Исследования экспериментальных образцов показали, что ЖК устройство предлагаемой конструкции по основным характеристикам не уступает прототипу. В то же время было получено такое новое качество, как возможность модулировать излучение на 3 порядка больше плотности мощности при использовании стандартных, коммерчески доступных СЭЖК, т.е. при одновременном расширении ассортимента используемых жидких кристаллов. Studies of experimental samples showed that the LCD device of the proposed design in terms of basic characteristics is not inferior to the prototype. At the same time, a new quality was obtained, such as the ability to modulate the radiation 3 orders of magnitude higher than the power density when using standard, commercially available FECs, i.e. while expanding the range of used liquid crystals.

Claims

A liquid crystal device containing two parallel-mounted transparent plates with transparent electrodes on the inner sides, between which is a film of a polymer-encapsulated ferroelectric liquid crystal, and the liquid crystal molecules in the droplets are oriented mainly in one direction in the film plane, characterized in that it contains an additional cell, installed sequentially with the first and containing two parallel located transparent plates with a transparent and electrodes on the inner sides, between which is the same as in the first cell, a film of a polymer-encapsulated ferroelectric liquid crystal, and the FELC molecules in the droplets are oriented mainly in the same direction in the film plane, while the directions of the electric field in both cells are opposite.