Бистабильные жидкокристаллические устройства - RU2253888C2
Код документа: RU2253888C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к жидкокристаллическим устройствам и, в частности, но не исключительно, к пространственным модуляторам света.
Из уровня техники известно включение анизотропных дихроичных материалов или красителей в жидкокристаллический материал основы (материал-хозяин) и/или обеспечение жидкокристаллического материала, в котором, по меньшей мере, один жидкокристаллический компонент обладает значительным дихроизмом. В одном типе устройств, известном как устройство типа "гость-хозяин", молекулы примесного красителя упорядочиваются совместно с молекулами жидкокристаллического материала основы. Изменение упорядочения жидкого кристалла, например, под действием электрического поля, приводит к переориентации молекул красителя и, в результате, к изменению оптических свойств устройства, в частности поглощения или цвета.
Однако имеются и другие механизмы манипулирования молекулами, например, облучение молекул красителя линейно поляризованным светом, спектр которого соответствует полосе поглощения красителя, которые позволяют воздействовать на упорядочение жидкого кристалла. Поляризованный свет имеет тенденцию производить эффективную переориентацию молекул красителя, что, в свою очередь, порождает небольшое кручение в жидкокристаллическом материале основы, которое приводит к отклонению его директора от направления поляризации падающего света. Когда молекулы жидкого кристалла поглощают поляризованный свет непосредственно, может иметь место аналогичный эффект, но без посредства красителя.
Известно также, что упорядочение жидкокристаллической фазы вблизи поверхности подложки зависит, помимо прочего, от свойств поверхности подложки. Хотя поверхность подложки часто обрабатывают, например, путем притирки полимерной пленки или осаждением из паровой фазы, чтобы индуцировать на поверхности один энергетически предпочтительный тип упорядочения, известно, что поверхность подложки можно обработать так, чтобы на ней присутствовало более одного энергетически привилегированного упорядочения. Привилегированные упорядочения разделяются промежуточными упорядочениями, которые являются менее энергетически привилегированными, т.е. между привилегированными упорядочениями существует энергетический барьер. Привилегированные упорядочения могут быть, а могут и не быть энергетически равными или в равной степени привилегированными по отношению к промежуточным упорядочениям, и высотой энергетического барьера можно в какой-то степени управлять, что будет проиллюстрировано ниже. В определенных случаях, в особенности когда первое упорядочение более энергетически стабильно, чем второе упорядочение, энергетический барьер может быть достаточно низок по отношению ко второму упорядочению, что обеспечивает возможность релаксации в состояние с первым типом упорядочения, например, за счет тепловой энергии, поступающей из окружающей среды или подводимой искусственно, что позволяет рассматривать второе упорядочение как метастабильное.
По меньшей мере в большинстве случаев поверхность обрабатывают в соответствии с каждым стабильным упорядочением. Для обработки с целью создания каждого упорядочения можно использовать один и тот же тип обработки, например две по-разному ориентированные решетки или наклонное осаждение из паровой фазы под двумя разными углами, или же для создания разных упорядочений можно использовать разные типы обработки, например профилирование поверхности по типу решетки для планарного упорядочения и покрытие материалом для индуцирования гомеотропного упорядочения.
Таким образом, один способ обеспечения по меньшей мере двух привилегированных упорядочений на поверхности подложки состоит в обеспечении соответствующего рисунка рельефа поверхности, например, задаваемого двумя группами параллельных линий (решетки), проходящих в разных направлениях по общей площади. В зависимости от глубины результирующий рисунок может варьироваться от изолированных столбиков на плоской поверхности до плавно изменяющегося рисунка, напоминающего клетку для яиц. Типичный промежуток для каждой группы параллельных линий составляет около одного микрона, и, в случае двух привилегированных упорядочений, две группы параллельных линий могут пересекаться под прямым или острым углом. Предполагается, что два азимутальных направления обработки для создания предпочтительных упорядочений жидкокристаллической фазы отличаются соответствующим углом. Структуры такого типа называют "азимутально бистабильными", и дополнительные подробности о них можно найти в нашем патенте Соединенного Королевства №0744041.
В альтернативной структуре подложка содержит рисунок рельефа поверхности, например одномерную синусоидальную решетку, которая призвана придавать стабильность планарному упорядочению с заранее определенным направлением. Обычно поверхностные неровности решетки составляют 1 микрон или менее в высоту и формируются с использованием фотолитографии или тиснения. Поверх решетки обеспечивают слой для индуцирования гомеотропного упорядочения примыкающего жидкокристаллического материала.
Слой гомеотропного упорядочения и рисунок рельефа поверхности конкурируют в отношении задания объемного упорядочения примыкающего жидкого кристалла. Упорядочение имеет тенденцию быть гомеотропным или пленарным в зависимости от того, является ли глубина решетки, соответственно, значительно меньшей или значительно большей ее шага, но регулируя отношение глубины к шагу так, чтобы оно лежало между этими двумя предельными случаями, входят в область бистабильности, где каждое упорядочение обладает некоторой степенью стабильности (соответствующей минимумам, которых достигает энергия по мере изменения направления упорядочения, что схематически проиллюстрировано на фиг.1 в виде графика зависимости энергии от угла наклона жидкого кристалла (для примера показаны только минимумы энергии гомеотропного упорядочения, расположенные по обе стороны минимума энергии планарного упорядочения)). Два направления упорядочения могут иметь или не иметь одно и то же азимутальное направление (т.е. лежать в одной и той же азимутальной плоскости). В общем случае минимумы энергии для двух типов упорядочения могут быть равны или не равны, и в последнем случае любое из упорядочений может иметь более низкий минимум энергии, соответствующий более предпочтительному упорядочению - это, в частности, определяется отношением глубины к шагу рисунка рельефа поверхности.
Хотя может показаться, что точный профиль рисунка рельефа поверхности играет сравнительно небольшую роль в достижении бистабильности по углу наклона, он может оказывать влияние на энергетический барьер между двумя предпочтительными упорядочениями и/или на соответствующий минимум энергии для планарного упорядочения. Следует заметить, что фиг.1 является примером более общего случая, когда две стабильных ориентации, не обязательно планарная и гомеотропная, отличаются значением "наклона" или "зенитального угла", и что изобретение не ограничивается случаем, показанным на фиг.1, но охватывает и этот более общий случай.
В этой структуре, "планарное" упорядочение может иногда предусматривать относительно большой угол наклона и иногда называется дефектным состоянием, поскольку оно также характеризуется парой линейных дефектов в жидком кристалле или нематическом директоре. Структуры, имеющие стабильные планарное и гомеотропное состояния, в которых директор жидкого кристалла лежит в одной и той же азимутальной плоскости, именуются "зенитально-бистабильными структурами", и дополнительные подробности о них можно найти, например, в нашем патенте Соединенного Королевства №2318422 и нашей опубликованной заявке на патент PCT/GB 98/03787 (WO 9934251).
Следует понимать, что другие бистабильные поверхности будут обладать по меньшей мере двумя предпочтительными направлениями упорядочения, которые отличаются как зенитальным, так и азимутальным углом. Например, оксид кремния можно осаждать под наклоном с двух разных направлений, которые также отличаются как зенитальным, так и азимутальным углом.
Хотя выше были особо упомянуты профили поверхности в виде решеток, сформированные, например, методом фотолитографии, для обеспечения профиля поверхности можно использовать любой другой способ, например, наклонного напыления. Кроме того, следует заметить, что хотя обе бистабильные структуры, особо описанные выше, предусматривают профиль поверхности, последнее не является непременным условием обеспечения совокупности стабильных упорядочений вблизи подложки. Для обеспечения более одного энергетически привилегированного упорядочения можно использовать либо один и тот же метод, приспосабливая его к каждому предпочтительному направлению, как в вышеприведенном примере пересекающихся решеток, либо разные методы для каждого предпочтительного направления, как в случае проиллюстрированной выше решеточной и гомеотропной обработки поверхности.
Кроме того, не является абсолютным требованием, чтобы каждый участок поверхности подложки был приспособлен для обеспечения привилегированности обоих упорядочений. Например, каждую из двух групп участков подложки, перемежающихся друг с другом и обладающих подходящими размерами и формой, можно обрабатывать для получения различных упорядочений, после чего можно сделать так, чтобы любое из упорядочений, задаваемое и являющееся привилегированным за счет одной группы участков, превалировало над упорядочением, которое является привилегированным за счет другой группы участков. Таким образом, используя любой из вышеописанных методов, например, обработки поверхности, покрытия и/или профилирования, можно по-разному обрабатывать две перемежающихся группы полосок, чтобы для одной группы получить привилегированное планарное упорядочение, а для другой группы получить либо привилегированное планарное упорядочение с другим направлением, либо гомеотропное упорядочение.
Тщательно выбирая жидкокристаллический материал и, в частности, обеспечивая надлежащую(ие) добавку(ки) к жидкокристаллическому материалу, а также, как указано выше, соответствующим образом выбирая и/или обрабатывая поверхность подложки известными способами, можно управлять энергетическим(и) барьером(ами) между двумя предпочтительными состояниями упорядочения. Кроме того, в смонтированном устройстве, содержащем одну бистабильную (или полистабильную) подложку и дополнительную подложку, между которыми располагается слой жидкокристаллического материала, упорядочение, созданное на поверхности другой подложки, может приводить к изменению энергий стабильных состояний на первой подложке.
Сравнительно недавно получившее развитие изменение взаимодействия между жидкокристаллической фазой и поверхностью носит название "скользкие поверхности", которые описаны, например, в Международной патентной заявке PCT/GB98/03011 (WO 9918474) (Hewlett-Packard). Добавка в жидкокристаллическом материале, обычно олигомер, обеспечивает большие молекулы, которым свойственно концентрироваться вблизи поверхности подложки. Предполагается, что результирующий градиент концентрации жидкокристаллической фазы, взятый с обратным знаком, в направлении от подложки(ек) снижает взаимодействие между подложкой и/или любым слоем упорядочения на ней/них и жидкокристаллическим материалом и, соответственно, снижает энергию, необходимую для перехода примыкающего жидкокристаллического материала из состояния упорядочения, индуцированного подложкой и/или любым слоем упорядочения на ней. Фактически, при определенных концентрациях, такая добавка позволит поверхности планарного упорядочения иметь полное вырождение по отношению к ее направлению упорядочения. Наличие таких добавок может облегчить осуществление настоящего изобретения за счет снижения энергетического барьера между двумя или более различными привилегированными упорядочениями, индуцированными поверхностью подложки, например, вышеописанными.
Изобретение предусматривает жидкокристаллическое устройство, содержащее жидкокристаллический материал, контактирующий с поверхностью подложки, причем указанная поверхность делает привилегированными, по меньшей мере, первое и второе стабильные или метастабильные упорядочения жидкого кристалла на ней в соответствующих первом и втором различающихся направлениях, и средство переключения, вызывающее переключение жидкокристаллического материала между указанными упорядочениями, причем указанное средство переключения включает в себя средство подачи первой энергии, предназначенное для оптического облучения указанного устройства, предусматривающего облучение жидкокристаллического материала светом, интенсивность которого
определяется энергетическим барьером между указанными упорядочениями, который определяется геометрией поверхности подложки. Изобретение распространяется на дисплей, содержащий такое устройство, и на дисплей или оптическую систему, содержащий(ую) множество таких устройств, например, распложенных в виде мозаики (плиток) в общей плоскости.
Изобретение также предусматривает способ управления упорядочением жидкокристаллического материала, контактирующего с поверхностью подложки, которая делает привилегированными, по меньшей мере, первое и второе стабильные или метастабильные упорядочения жидкого кристалла на ней в соответствующих первом и втором различающихся направлениях, включающий в себя этап оптического облучения жидкокристаллического материала светом, интенсивность которого определяется энергетическим барьером между указанными упорядочениями, который определяется геометрией поверхности подложки.
Свет от средства облучения обеспечивает подачу единственной или первой энергии (вида энергии) в устройство и может воздействовать на жидкокристаллический материал непосредственно или опосредованно. Так, в некоторых вариантах осуществления изобретения неполяризованный световой пучок может в одиночку обеспечивать тепловую энергию, достаточную для перехода от вышеописанного метастабильного упорядочения к более стабильному упорядочению; или тепловой энергии может быть достаточно для разрушения существующего упорядочения или жидкокристаллической фазы, так что второе упорядочение предпочтительно создается при направленном действии от подачи другого вида энергии (например, электрического или магнитного поля), как более подробно описано ниже.
В других вариантах осуществления изобретения, такой свет
может представлять собой линейно поляризованный свет для того, чтобы непосредственно или опосредованно создавать эффективное кручение молекул жидкого кристалла или делать одно из первого и второго упорядочений более энергетически привилегированным относительно другого из первого и второго упорядочений (это можно рассматривать как эффективный поворот), что известно из уровня техники.
Например, материал, который содержит двойную химическую связь, такой как азосоединение, стильбен или шиффово основание, обычно имеет низкоэнергичный транс-изомер и высокоэнергичный цис-изомер. Двойная связь поглощает свет, длина волны которого лежит в видимом диапазоне или вблизи него, но, предпочтительно, свет, поляризованный в одном направлении по отношению к двойной связи, и материал обладает положительным дихроизмом. Молекула, находящаяся в возбужденном состоянии, может претерпевать ряд изменений, приводящих в результате к преобразованию в цис-изомер. Последующая релаксация в энергетически привилегированный транс-изомер может приводить к упорядочению молекул, аналогичному исходному упорядочению, или к упорядочению, эффективно повернутому относительно исходного упорядочения. В изотропных условиях повернутое упорядочение невозможно отличить от исходного, но при наличии поляризованного освещения трансизомер, находящийся в одном из состояний упорядочения, поглощает свет в большей степени, в результате чего большинство молекул оказываются в состоянии транс-изомера с ориентацией, при которой поглощение падающего поляризованного света минимально.
Типичная последовательность событий схематически проиллюстрирована на фиг.2, где показаны (а) молекула азосоединения согласно первоначальному упорядочению з энергетически привилегированном состоянии транс-изомера, и (b) более высокоэнергичное состояние цис-изомера, переход в которое обусловлен поглощением поляризованного света hν1. Посредством любого из нескольких механизмов, включая тепловой и излучательный (hν2) механизмы, молекула (b) может возвратиться в исходное состояние (а) или может перейти в транс-состояние, в котором направление длинной молекулярной оси эффективно повернуто (хотя показанный поворот в плоскости чертежа не является правильным, читатель поймет, что поворот молекулы вокруг длинной оси сравнительно легче в энергетическом отношении, и вне зависимости от того, имеет он место или нет, он в любом случае не имеет отношения к упорядочению жидкого кристалла, которое нужно индуцировать).
Например, когда спектральный состав облучающего света включает в себя полосу поглощения жидкокристаллического материала, этот свет может действовать на жидкокристаллический материал непосредственно. Поэтому для обеспечения смены упорядочения жидкого кристалла не нужно, чтобы последний содержал какие-либо дихроичные добавки. Тем не менее, дихроичную добавку, спектр поглощения которой лежит за пределами спектра облучающего света, можно вводить в других целях, например для проявления желаемого изменения оптических свойств, как в устройствах переменного поглощения/цвета, основанных на структурах гость-хозяин.
Альтернативно, жидкокристаллический материал может представлять собой жидкокристаллический материал-хозяин с дихроичной добавкой, полоса поглощения которой входит в спектральный состав облучающего света. В этом случае дихроичная добавка непосредственно реагирует на облучение и, в свою очередь, оказывает эффективное крутящее воздействие на молекулы жидкого кристалла.
Хотя мы рассматривали материал с положительным дихроизмом, который стремится заставить жидкокристаллический материал упорядочиться в направлении поперек направления оптической поляризации, изобретение предусматривает также использование материалов с отрицательным дихроизмом, которые стремятся повернуть молекулы жидкокристаллического материала так, чтобы они располагались параллельно направлению поляризации.
Непосредственное или опосредованное кручение, индуцированное поляризованным светом, может само по себе быть достаточным для преодоления энергетического барьера между привилегированными упорядочениями. В противном случае можно либо изменить взаимодействие между жидкокристаллическим материалом и подложкой для снижения энергетического барьера, чтобы энергия, передаваемая светом, оказалась достаточной, либо способствовать переупорядочению, подавая второй вид энергии.
Что касается первой возможности, то выше были кратко описаны два пути снижения энергетического барьера между упорядочениями, а именно изменение геометрии поверхности и внедрение добавки для обеспечения "скользкой поверхности", и при осуществлении данного изобретения можно использовать любой из них или оба сразу.
Что касается второй возможности, то переупорядочению можно способствовать, эффективным образом подавая энергию в жидкокристаллический материал совместно с и помимо той, что поступает со светом, исходящим от средства облучения. В случае жидкокристаллического материала-хозяина с добавкой-гостем совместное упорядочение означает, что энергию можно подавать либо в материал-хозяин, либо в материал-гость, независимо от того, какой из них возбуждается поляризованным светом.
Хотя для изменения упорядочения жидкокристаллического материала может быть достаточно одной лишь второй энергии (т.е. второго вида энергии), тем не менее конечное упорядочение может по-прежнему определяться подачей оптической энергии от средства облучения (см. случай А двумя абзацами ниже), или же для переупорядочения может требоваться подача оптической энергии от средства облучения в сочетании с подачей второй энергии (см. случай В двумя абзацами ниже).
Известно много путей возбуждения жидкокристаллического материала для изменения его упорядочения, включая наложение электрического или магнитного поля, пропускание электрического тока (перенос ионов) и акустическое облучение.
Из вышеперечисленных механизмов наложение электрического поля, вероятно, наиболее просто в осуществлении и часто наиболее эффективно. Например, когда упорядочение жидкого кристалла требуется изменить между первым и вторым гомогенными (параллельными) состояниями, и он имеет положительную диэлектрическую анизотропию, наложение электрического поля поперек слоя в первом состоянии для индуцирования гомеотропного (перпендикулярного) упорядочения создает условия для того, чтобы после выключения поля жидкокристаллический материал предпочтительно принимал второе состояние под влиянием света с надлежащим направлением линейной поляризации (случай А). Действительно, даже если величины поля (или величины воздействия любого другого средства подачи энергии) самой по себе недостаточно для создания альтернативного упорядочения, энергию исходного предпочтительного упорядочения можно повысить в достаточной степени, чтобы способствовать переходу жидкокристаллического материала во второе состояние упорядочения под действием поляризованного света (случай В).
Когда слой располагается между двумя подложками, на каждой подложке можно поместить сплошной электрод для создания электрического поля поперек слоя. Любой из сплошных электродов или их оба сразу можно заменить встречноштыревым электродом для той же цели, в частности, если обе части встречноштыревого электрода возбуждаются одинаковым образом.
Встречноштыревой электрод можно также использовать для создания поля в плоскости слоя. Например, встречноштыревой электрод на подложке, имеющей два привилегированных направления упорядочения, можно использовать для изменения планарного упорядочения жидкокристаллического материала с положительной диэлектрической анизотропией, приводя его в состояние между привилегированными упорядочениями, энергия которого максимальна или близка к максимальной. Выключение поля при наличии линейно поляризованного света с надлежащим направлением поляризации и интенсивностью заставляет жидкий кристалл релаксировать к тому или иному привилегированному упорядочению в зависимости от направления поляризации.
Во многих случаях результирующее упорядочение жидкого кристалла может определяться только направлением поляризации облучающего света, в частности, когда не предусмотрено подачи никакой иной энергии. Это справедливо также в том случае, когда подача второй энергии предусмотрена, но она не имеет направленного действия, дающего возможность влиять на результирующее упорядочение.
Однако в некоторых других случаях подача второй энергии, например, электрического поля, обладает направленным действием и способна влиять на результирующее упорядочение. Когда это нежелательно, подача второй энергии должна обычно прекращаться до выключения облучающего света.
Альтернативно, поддержание подачи второй энергии после выключения облучающего света может приводить к тому, что результирующее упорядочение будет определяться подачей второй энергии, если это желательно.
Кроме того, когда облучающий свет не поляризован, результирующее упорядочение в принципе не возможно определить. В этом случае именно подача второй энергии определяла бы результирующее упорядочение, при этом облучающему свету отводится менее значительная, но необходимая функция содействия переупорядочению, например, путем прямого или косвенного нагрева жидкокристаллического материала, в частности, за счет поглощения света жидкокристаллическим материалом или его компонентом или иным компонентом жидкокристаллической ячейки.
Во многих случаях для переключения между предпочтительными упорядочениями в обоих направлениях можно использовать один и тот же метод, включающий обеспечение подачи энергии от средства облучения. Однако в других случаях для переключения в разных направлениях используются разные способы при условии, что для переключения по меньшей мере в одном направлении используется облучение от средства облучения.
Такой подход можно применять, в частности, когда минимумы энергии, отвечающие предпочтительным упорядочениям, не равны, в том числе в случае, когда одно из состояний упорядочения является метастабильным, так что энергетический барьер зависит от направления переключения. Например, для переключения в одном направлении, т.е. для перехода от менее стабильного или метастабильного упорядочения, может потребоваться только неполяризованный или поляризованный свет, испускаемый средством облучения. Для переключения в обратном направлении может потребоваться подача второй энергии, например, электрического поля, используемой отдельно или в сочетании с надлежащим светом от средства облучения. Альтернативно, переключение в одном направлении может осуществляться посредством подачи второй энергии, тогда как для обратного преобразования требуется подача второй энергии в сочетании с подходящим светом от средства облучения.
Свет от средства облучения можно применять локально, чтобы создавать разные упорядочения на протяжении площади устройства. Когда требуется также подача второй энергии, например, электрического поля, его также можно применять локально, чтобы в любой момент можно было производить запись только в ограниченную область устройства. В этом случае либо облучение, либо подача второй энергии может применяться ко всему устройству, а другое применяться локально с тем, чтобы локальная подача определяла переключаемые области. Альтернативно, обе энергии можно применять локально, возможно с разными распределениями, чтобы переключение происходило только в областях, где одновременно действуют обе энергии, т.е. в соответствии с логической функцией "И". Специалисты в данной области техники могут предложить другие логические конфигурации.
Возможность изменять состояние избранных областей устройства позволяет использовать его в разных целях, в том числе для визуального отображения информации и оптической обработки данных. Например, в нашей совместно рассматриваемой Международной патентной заявке № PCT/GB98/01866 (WO 9900993) описан автостереоскопический дисплей, в котором сборка дисплеев уложена в виде мозаики или плиток, и в Международной патентной заявке № PCT/GB98/03097 (WO 9919767) показана сборка отдельных дисплеев для целей голографии.
В статье Кима (Kim) и др. "Оптическое переключение нематического жидкого кристалла посредством фоточувствительных полиимидов в качестве слоя упорядочения" ("Optical Switching of Nematic Liquid Crystal by Means of Photosensitive Polyimides as an Alignment Layer"), Applied Physics Letters, 29 ноября 1999 г., стр.3458-60 описано следующее устройство. В этом устройстве пороговое напряжение для переключения между двумя упорядочениями жидкого кристалла регулируют облучением полиимидного слоя, и предполагается, что последний претерпевает "фотофизические переходы". Жидкий кристалл можно переключать, изменяя излучение при наличии постоянного напряжения. Однако в этой статье не указано, что сам по себе слой упорядочения делает привилегированным более одного направления упорядочения. Кроме того, согласно описанию это устройство требует облучение слоя упорядочения для изменения его свойств, тогда как согласно вариантам осуществления настоящего изобретения спектральный состав света выбирают в соответствии с жидкокристаллическим материалом так, чтобы оказывать на него крутящее воздействие или изменять его температуру в целях переключения.
Аналогично, в статье Ванга (Wang) и др. "Упорядочение нематического жидкого кристалла, индуцированное анизотропным фотоокислением фоточувствительных полиимидных пленок" ("Alignment of Nematic Liquid Crystal Induced by Anisotropic Photo-Oxidation of Photosensitive Polyimide Films") в Applied Physics Letters, 15 октября 1998, стр.4573-8, описан процесс, в котором свойства упорядочения полиимидной пленки можно изменять, облучая ее линейно поляризованным лазерным светом. Однако и здесь не указано, что слой способен поддерживать какое-либо из двух упорядочений одновременно.
Другие особенности и преимущества изобретения явствуют из прилагаемой формулы изобретения, к которой отсылается читатель, а также из нижеследующего описания иллюстративных вариантов осуществления устройств, отвечающих изобретению, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 схематически иллюстрирует изменение энергии в зависимости от зенитального угла жидкокристаллического материала на зенитально бистабильной поверхности;
фиг.2 схематически иллюстрирует воздействие света на азосоединение;
фиг.3(а)-3(d) схематически иллюстрируют действие нижеописанного варианта 2 осуществления, в котором показан пример использования азимутально бистабильной поверхности;
фиг.4 и 5 представляют собой графики пропускание-время, иллюстрирующие отклик ячейки, отвечающей варианту 2 осуществления;
фиг.6 и 7 представляют собой графики пропускание-время, дополнительно иллюстрирующие отклик ячейки, отвечающей варианту 2 осуществления, и необходимость в наложении электрического поля согласно этому варианту осуществления;
фиг.8 схематически иллюстрирует зенитально "бистабильную" поверхность, энергетический барьер которой изменен по сравнению с изображенным на фиг.1, в результате чего она является эффективно моностабильной;
фиг.9(а)-9(с) иллюстрируют действие жидкокристаллической ячейки, включающей в себя поверхность, отвечающую фиг.8;
фиг.10 в целом подобна фиг.1 и используется для иллюстрации совместной электрической и оптической адресации.
Вариант 1 осуществления
Слой жидкокристаллического материала, содержащего дихроичную добавку, помещен между первой и второй подложками. Первая подложка имеет профиль поверхности для азимутального бистабильного поверхностного упорядочения (два стабильных или привилегированных планарных упорядочения, имеющих различные азимутальные направления), и вторая подложка содержит непритертую полимерную поверхность такого типа, которая, будучи притерта, способствует планарному упорядочению. Жидкокристаллический материал содержит добавку для получения скользкой поверхности в концентрации, достаточной для обеспечения вырождения (планарного) упорядочения на поверхности второй подложки, но недостаточной для разрушения бистабильности упорядочения на поверхности первой подложки. Эта конструкция означает, что любое из двух бистабильных упорядочений на поверхности первой подложки генерирует соответствующую однородную планарную текстуру поперек слоя жидкого кристалла с тем или иным азимутальным направлением.
Для преобразования одной однородной планарной текстуры в другую и обратно достаточно облучить жидкокристаллический материал линейно поляризованным светом с достаточной интенсивностью и надлежащим направлением поляризации. Интенсивность поляризованного света определяется, помимо прочего, энергетическим барьером между бистабильными упорядочениями, который определяется, помимо других факторов, геометрией поверхности первой подложки и концентрацией добавки для получения скользкой поверхности.
Вариант 2 осуществления
Он аналогичен варианту 1 осуществления, за исключением того, что (а) энергетический барьер между бистабильными упорядочениями имеет такую величину, что одного лишь поляризованного света недостаточно, чтобы вызвать преобразование между двумя планарными текстурами (или воздействие поляризованного света, интенсивность которого достаточна, чтобы вызвать преобразование, может привести к повреждению ячейки), и (b) каждая подложка снабжена сплошным электродом для создания поля поперек слоя жидкого кристалла. Если наложить поле, интенсивность которого достаточна для того, чтобы индуцировать гомеотропное упорядочение в слое, а потом удалить его при наличии линейно поляризованного света, то упорядочение жидкокристаллического материала на первой подложке релаксирует к предпочтительному упорядочению, определяемому направлением поляризации.
На фиг.3(а)-3(d) схематически проиллюстрировано действие этого варианта осуществления для ячейки, содержащей слой 3 жидкого кристалла, находящийся между подложкой 1, снабженной азимутально бистабильным первым электродом, и подложкой 2, снабженной вторым электродом (без упорядочения). Фиг.3(а)-3(с) охватывают период действия линейно поляризованного освещения L (эффективно индуцирующее кручение молекул жидкого кристалла). На протяжении этого периода, как показано на фиг.3(b), в поперечном направлении ячейки создают электрическое поле, прикладывая разность потенциалов V между электродами подложек, чтобы создать гомеотропную ориентацию. После отключения поля упорядочение на подложке 1 релаксирует в то, которое определено направлением поляризации освещения L, как показано на фиг.3(с). Ориентация жидкого кристалла на бистабильной подложке переносится через объемный жидкокристаллический слой на другую подложку, что достигается благодаря проявляющемуся на ней эффекту скользкой поверхности, фиг.3(а).
Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что обновить состояние устройства можно, только приложив к нему электрическое поле, в противном случае устройство стабильно. Можно предусмотреть вариант, когда электрическое поле само по себе является достаточным для создания гомеотропной ориентации, которая затем релаксирует в состояние, определяемое поляризацией облучающего света. Избирательно освещая разные области светом с разными направлениями поляризации, можно записывать изображение.
Однако можно также сделать так, чтобы в гомеотропное состояние переходили только те участки жидкого кристалла, которые подвергаются как оптическому, так и электрическому воздействию, и в этом случае избирательная пространственная оптическая адресация ячейки позволяет производить запись и фиксировать ее только в избранные области ячейки, что обуславливает возможность записи сложного изображения с помощью одной пары электродов, например, для создания изображений высокой плотности и хранения изображения или данных.
В эксперименте азимутально бистабильная решетчатая поверхность была приготовлена путем покрытия подложки из чистого стекла травленым оксидом индия-олова. Это покрытие методом центрифугирования покрыли фоторезистом Microposit S1805, поставляемым Shipley Europe Limited, создав слой номинальной толщиной 0,5 микрон. Затем двоичную маску решетки с шагом в 1 микрон привели в контакт с фоторезистом и экспонировали с использованием широкополосного источника УФ света (365 нм, 404 нм и 435 нм с энергией около 150 мДж/см2). Затем решетку повернули на 90° и повторно экспонировали. Проявление экспонированного фоторезиста, согласно техническим условиям, сопровождалось первой ступенью задубливания в УФ свете в течение 15 минут (светом с длиной волны 254 нм и энергией около 9 мДж/см2) и второй ступенью задубливания при температуре 180°С в течение 2 часов. Для создания ячейки использовали вышеупомянутую подложку и подложку, обработанную аналогичным образом, в которой фоторезист, однако, не был облучен для создания решетки. Зазор между подложками составлял номинально 5 микрон и был заполнен стандартной смесью Е63 от Merck, которая при комнатной температуре имеет нематическую фазу. К этой смеси добавили 2 массовых процента дихроичного красителя 02, также от Merck, и 2 массовых процента олигомера ЗМ Flourad FC430, поставляемого 3 М Belgium N.V. На длине волны 487 нм краситель имеет пик поглощения, которое спадает до нуля вблизи длины волны 600 нм.
Для адресации ячейки через поворотную полуволновую пластину, позволяющую управлять направлением поляризации, использовали аргоновый ионный лазер мощностью 20 мВт (длина волны 448 нм), отображающий на ячейку пучок площадью 1 мм2 с гауссовым профилем. Оптический отклик ячейки отслеживали с использованием линейно поляризованного пучка, вырабатываемого HeNe лазером мощностью 5 мВт (длина волны 663 нм), в сочетании с линейным поляризатором, сфокусированным до размера пятна на ячейке, меньшего, чем у аргонового ионного лазера. Интенсивность проходящего света длиной волны 633 нм детектировали с помощью фотодиода, смонтированного с линейным анализатором, и узкополосного фильтра, позволяющего исключить практически все длины волн видимого света, кроме света HeNe лазера. Для адресации устройства использовали биполярные электрические импульсы, переключающие ячейку в гомеотропное состояние. Ориентации бистабильной жидкокристаллической ячейки, образующие угол 90° по отношению друг к другу, были установлены в вертикальном и горизонтальном направлении, тогда как поляризатор и анализатор были установлены под углами плюс и минус 45° соответственно. Поскольку стабильные состояния имеют оптически эквивалентное пропускание между скрещенными поляризаторами, то для того, чтобы можно было различить эти два состояния, после ячейки была установлена четвертьволновая пластина.
Переключение устройства проиллюстрировано на фиг.4 и 5, где показано пропускание Т как функция времени t за период около 50 секунд. В процессе облучения светом с длиной волны 488 нм и линейной поляризацией, ориентированной либо вертикально (фиг.4), либо горизонтально (фиг.5), также применяли биполярный электрический импульс VP с амплитудой 80 мВ и длительностью 10 мс, с которого начинался сбор данных осциллографом. После прекращения освещения примерно через 5 секунд, в момент t1, жидкому кристаллу предоставили возможность релаксировать (в течение, возможно, сотен миллисекунд) к конечной ориентации, и, как можно видеть из сравнения конечных участков фиг.4 и 5, ее можно выбирать, выбирая направление поляризации освещения длиной волны 488 нм.
Дальнейшую информацию о поведении ячейки можно получить, рассмотрев фиг.6 и 7, где показано пропускание Т как функция времени t в течение периода около 200 секунд. Согласно фиг.6, ячейка проходит через следующую последовательность этапов:
11. Горизонтально поляризованный свет ВКЛ.
12. Подан импульс напряжения.
13. Горизонтально поляризованный свет ВЫКЛ.
14. Горизонтально поляризованный свет ВКЛ.
15. Подан импульс напряжения.
16. Горизонтально поляризованный свет ВЫКЛ.
17. Вертикально поляризованный свет ВКЛ.
18. Подан импульс напряжения.
19. Вертикально поляризованный свет ВЫКЛ.
20. Вертикально поляризованный свет ВКЛ.
21. Подан импульс напряжения.
22. Вертикально поляризованный свет ВЫКЛ.
Отсюда видно, что повторение цикла адресации, а именно этапов 4-6 и 10-12, не дает никакого результирующего эффекта. Однако при выполнении цикла адресации, задающего новую ориентацию, а именно этапов 17-19, жидкий кристалл переходит во второе стабильное состояние упорядочения (этап 18).
На фиг.7 показана необходимость в импульсе напряжения и продемонстрирована следующая последовательность событий:
31. Горизонтально поляризованный свет ВКЛ.
32. Подан импульс напряжения.
33. Горизонтально поляризованный свет ВЫКЛ.
34. Вертикально поляризованный свет ВКЛ.
35. Вертикально поляризованный свет ВЫКЛ.
36. Вертикально поляризованный свет ВКЛ.
37. Подан импульс напряжения.
38. Вертикально поляризованный свет ВЫКЛ.
Этапы 31-33 с применением горизонтально поляризованного освещения не предназначены оказывать влияние на состояние ячейки, но гарантировать, что она находится в состоянии, индуцированном горизонтально поляризованным освещением. Этапы 34 и 35 с применением вертикально поляризованного освещения без подачи напряжения, аналогично не изменяют состояние ячейки. Однако добавление импульса напряжения, этап 37, в процесс освещения вертикально поляризованным светом, этапы 36-38, вызывает изменение состояния, и после отключения освещения на этапе 38 упорядочение жидкого кристалла изменяется.
Вариант 3 осуществления
Слой жидкокристаллического материала, содержащего дихроичную добавку, располагается между первой и второй подложками, причем первая подложка имеет профиль поверхности, обеспечивающий азимутальное бистабильное поверхностное упорядочение, а вторая поверхность содержит полимерную поверхность, притертую для обеспечения на ней планарного упорядочения, параллельного одному из предпочтительных упорядочений на первой поверхности. Планарное упорядочение на второй подложке сохраняется неизменным, поэтому в одном состоянии устройства имеется однородная планарная текстура поперек слоя жидкого кристалла, а в другом состоянии жидкий кристалл обладает кручением. Жидкокристаллический материал также содержит хиральную добавку, позволяющую сделать энергии однородного и скрученного состояний в общем (и предпочтительно по существу) равными, чтобы облегчить переключение между ними при облучении светом, имеющим соответствующие направление линейной поляризации и интенсивность.
Как вариант, жидкокристаллический материал может включать в себя добавку для получения скользкой поверхности, как в вариантах 1 и 2 осуществления, но не в столь высокой концентрации, чтобы планарное упорядочение на второй поверхности было неэффективным, и/или устройство может содержать электроды для создания поля поперек слоя, как в варианте 2 осуществления.
Вариант 4 осуществления
Слой жидкокристаллического материала, содержащего дихроичную добавку, располагается между первой и второй подложками, причем первая подложка имеет профиль поверхности, обеспечивающий азимутальное бистабильное поверхностное упорядочение, а вторая поверхность содержит полимерную поверхность, притертую для обеспечения на ней планарного упорядочения, которое является промежуточным между предпочтительными упорядочениями на первой подложке. Конструкция предусматривает скручивание упорядочения в одном или другом направлении при прохождении через толщину слоя в зависимости от упорядочения, принятого на первой подложке.
Предпочтительно, энергии двух состояний устройства практически равны, хотя это зависит от соотношения энергий между привилегированными состояниями на первой подложке. Предпочтительно, чтобы упорядочение на второй подложке было, по существу, параллельно направлению, соответствующему максимуму энергии, существующему между привилегированными упорядочениями на первой подложке. Когда энергии двух привилегированных упорядочений на первой подложке равны, это направление может располагаться посередине между привилегированными упорядочениями. Когда энергии двух привилегированных упорядочений на первой подложке не равны, это направление может располагаться посередине или не посередине между привилегированными упорядочениями. Однако упорядочение на второй подложке может отклоняться от идеального положения при условии, что интенсивность поляризованного света (и любой другой подаваемой энергии) достаточна для переупорядочения.
Как вариант, жидкокристаллический материал может содержать добавку для получения скользкой поверхности, как в вариантах 1 и 2 осуществления, но не в столь высокой концентрации, чтобы планарное упорядочение на второй поверхности было неэффективным, и/или устройство может содержать электроды для создания поля поперек слоя, как в варианте 2 осуществления.
Вариант 5 осуществления
Слой жидкокристаллического материала, содержащего дихроичную добавку, располагается между первой и второй подложками, причем первая подложка имеет профиль поверхности, обеспечивающий азимутальное бистабильное поверхностное упорядочение, а вторая поверхность содержит поверхность, обработанную для обеспечения на ней гомеотропного упорядочения. Вращение направления упорядочения при прохождении от одной подложки к другой имеет место вне зависимости от направления упорядочения на первой подложке, поэтому энергии двух состояний устройства в целом или по существу равны (в зависимости от соотношения энергий между упорядочениями на первой подложке).
Как вариант, жидкокристаллический материал может содержать добавку для получения скользкой поверхности, как в вариантах 1 и 2 осуществления, но не до такой степени, чтобы упорядочение на второй поверхности было неэффективным, и/или устройство может содержать электроды для создания поля поперек слоя, как в варианте 2 осуществления.
В каждом из вариантов 1-5 осуществления предпочтительно, чтобы два привилегированных азимутальных упорядочения на первой подложке были ориентированы под углом 90° друг к другу.
Вариант 6 осуществления
В то время, как варианты 1-5 осуществления относятся к азимутально бистабильным поверхностям подложки, данный вариант осуществления относится к зенитально бистабильной поверхности подложки 1, в целом аналогичной проиллюстрированной на фиг.1, и второй подложке 2, на которой имеется гомеотропное упорядочение. Подбирая отношение шага решетки к глубине и, в частности, используя относительно мелкую решетку, хотя это зависит от других параметров рассматриваемых устройства и жидкого кристалла, можно получить профиль энергии, показанный на фиг.8, в котором планарное состояние является стабильным, но для перехода в гомеотропное состояние достаточно низкой энергии активации Е. Нужно следить, чтобы отношение шага решетки к глубине не достигло столь малой величины, при которой планарное состояние оказывается полностью нестабильным. Жидкокристаллический материал содержит дихроичный краситель.
Нормально устройство находится в состоянии гомеотропного упорядочения, показанного на фиг.9(а). Для переключения упорядочения на поверхности бистабильной подложки 1 в состояние планарного упорядочения, фиг.9(b), можно использовать электрическое поле или импульс напряжения. Это планарное упорядочение имеет тенденцию к релаксации к гомеотропному упорядочению, показанному на фиг.9(а), со скоростью, зависящей, помимо прочего, от энергии активации Е, и в том случае, когда это происходит достаточно медленно, можно стимулировать ускоренное переключение избранных областей устройства, применяя поляризованный свет L, фиг.9(с), призванный оказывать крутящее воздействие на жидкокристаллический материал. Это позволяет записывать на устройство временное изображение, которое можно неоднократно обновлять с нужной частотой.
В планарном состоянии молекулы жидкого кристалла располагаются перпендикулярно канавкам. Свет, падающий на жидкий кристалл и линейно поляризованный перпендикулярно канавкам, поглощается дихроичным носителем, который затем оказывает крутящее воздействие на молекулы жидкого кристалла, отворачивая их от направления поляризации. Таким образом, под действием освещения жидкий кристалл приобретает тенденцию перехода к энергетически привилегированной гомеотропной ориентации.
Вариации данного варианта осуществления предусматривают, что поверхность 2 может обеспечивать планарную ориентацию с высоким или низким предварительным наклоном, и/или она может представлять собой другую решетчатую поверхность. В любой вариации можно также использовать освещение с нелинейной, например круговой, поляризацией.
Вариант 7 осуществления
Он аналогичен варианту 6 осуществления, за исключением более глубокой решетки, которая обеспечивает обращение уровней энергии и делает планарное состояние более энергетически привилегированным. Для переключения избранных областей в гомеотропное состояние с более высокой энергией используют комбинацию электрической и оптической адресации, причем электрическое поле в отсутствие освещения находится ниже порога переключения. В этом случае именно гомеотропное состояние является метастабильным и релаксирует в планарное состояние. Для стимуляции перехода в планарное состояние требуется внеосевое освещение. Используя гасящий электрический импульс, можно индуцировать планарное состояние поперек всего слоя жидкого кристалла.
Вариант 8 осуществления
Варианты 6 и 7 осуществления представляют крайние примеры зенитально бистабильных устройств и, как было отмечено выше, планарное состояние иногда предусматривает большой угол наклона или дефектное состояние с линейными дефектами в нематическом директоре. Можно использовать другие профили решетки, которые обеспечивают более различимые энергетические провалы для обоих типов упорядочения, что показано на фиг.10, который в целом аналогичен фиг.1. В этом случае предпочтительно использовать совместно электрическую и оптическую адресацию, т.е. можно использовать электрическое поле для переключения из (планарного) состояния А, скажем, в состояние В, из которого освещенные области могут переходить в (гомеотропный) провал С (или процесс может происходить в обратном направлении из С в А). Неосвещенные области после удаления поля и освещения будут редактировать в состояние А.
Вариант 9 осуществления
Это вариация варианта 8 осуществления, в которой окончательный толчок через энергетический барьер обеспечивается локальным нагревом, а не освещением. Такой локальный нагрев может происходить за счет поглощения света красителем или другим светопоглощающим материалом, например в жидкокристаллическом материале или решетке. Недихроичные красители обеспечивают устройство, нечувствительное к поляризации, тогда как надлежащим образом упорядоченные дихроичные красители, например внедренные в жидкокристаллический материал-хозяин, делают эффект нагрева зависимым от поляризации падающего освещения. Направление переключения устройства определяется полярностью налагаемого электрического поля, но не кручением, индуцированным светом.
Реферат
Изобретение относится к измерительной технике. В жидкокристаллическом устройстве реализуются по меньшей мере два стабильных или метастабильных упорядочения жидкого кристалла. Средство переключения, вызывающее переключение жидкокристаллического материала между упорядочениями, содержит средство, предназначенное для оптического облучения указанного устройства. Последнее может обеспечивать подачу линейно поляризованного света для индуцирования кручения в жидком кристалле. Альтернативно, упорядочение жидкого кристалла можно переключать с помощью средства подачи второй энергии, например электрического поля, при этом свет служит для выработки тепла, способствующего переключению. Любой или оба из источников энергии можно применять локально для переключения избранных областей или пикселей. Уровни энергии на бистабильной подложке можно регулировать, используя олигомерную добавку (“скользкую поверхность”). 6 н. и 41 з.п. ф-лы, 10 ил.
