專利名稱：多穩(wěn)態(tài)手性向列顯示器的制作方法
本申請是美國序號為07/694，840(申請日1991.5.2)美國申請序號為07/885，154(申請日1992年5月18日)及美國申請序號為07/969，093的部分繼續(xù)申請，上述三份申請在此申請中供參考。
本發(fā)明一般地涉及液晶光調制器件，更具體地涉及在不同電場條件下呈現(xiàn)不同光學狀態(tài)的新型無聚合物液晶顯示元件和材料，其特征在于獨特地兼?zhèn)涠喾N性能，包括光學多穩(wěn)定性以及在有電場或無電場狀態(tài)下在所有視角的光透射均無霧狀。
已經(jīng)有人利用各種類型和濃度的液晶和聚合物，制備了旨在用于電光學器件中的可電切換液晶膜。一種這樣的技術涉及把液晶吸入一種塑料或玻璃片材的微孔中。另一種技術涉及在聚乙烯醇等水溶性聚合物溶液或膠乳乳液配制的向列液晶水乳液中的水蒸發(fā)。
一種顯著優(yōu)于機械截留技術和乳化步驟的不同方法，涉及從一種與適用的合成樹脂的均相溶液分離液晶，形成一種與聚合物相彼此散置的液晶相。這些類型的膜(其中有一些稱為PDLC)已被證明可用于很多用途，包括從大面積顯示和可切換櫥窗涂層到投影顯示和高清晰度電視。
上述材料和工藝全都有需要大量昂貴試劑和起始材料的缺點。與這些系統(tǒng)相聯(lián)系的各種吸入、乳化或聚合步驟顯著增加了其制造的成本和復雜性。此外，當使用大量的聚合物時，由于液晶的有效折射率和聚合物的折射率之間的明顯不匹配，它們開始隨斜視角增大而顯示出特有的“霧狀”缺點，直至在足夠斜的角度上觀測到基本上不透明的外觀。
在原始申請中，發(fā)現(xiàn)了利用手性向列液晶和聚合物可以制備良好的彩色反射顯示器。這些顯示器的優(yōu)點是顯示多穩(wěn)定性的顏色反射狀態(tài)，而且當聚合物數(shù)量低時看不到霧狀。然而，盡管它們有很多優(yōu)點，但這些顯示器仍需要使用聚合物，因而具有與之相聯(lián)系的缺點。
令人驚奇的是，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，能制備一種無聚合物的多穩(wěn)態(tài)顏色反射元件，它顯示出穩(wěn)定的顏色反射和光散射狀態(tài)，且在兩者之間有以不同的反射強度為特征的多個穩(wěn)定光學狀態(tài)。根據(jù)電場尋址脈沖的電壓，這種材料可以在這些多個光學狀態(tài)之間轉換，所有這些狀態(tài)在沒有加電場時都是穩(wěn)定的。
本發(fā)明的一個重要特色是，無需聚合物就能制備一種反射顏色顯示單元，因而它能呈現(xiàn)多種不同的光學狀態(tài)，所有這些狀態(tài)在未加電場時都是穩(wěn)定的。這種顯示器可以用電場從一種狀態(tài)驅動到另一種狀態(tài)。因電場脈沖的量級和形狀而異，這種材料的光學狀態(tài)可以轉變成一種新的穩(wěn)定狀態(tài)，后者能沿這類狀態(tài)的連續(xù)統(tǒng)反射任何一種所希望的彩色光強度，從而提供一種穩(wěn)定的“灰度”。令人驚訝的是，無需聚合物和與之相聯(lián)系的附加費用與制造復雜性，就能制備這些材料。
一般地說，給該材料加一個足夠低的電場脈沖導致一種呈白色外觀有光散射狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，由于表面效應、彈性力和電場之間竟爭的結果，一定比例的液晶分子具有聚焦錐形結構(focalconictexture)。在加了足夠高的電場脈沖，即一個高得足以使液晶導向偶極子(liquidcrystaldirectors)發(fā)生同向取向(homeotro-picallyalign)的電場之后，該材料便弛豫到一種光反射狀態(tài)，它根據(jù)手性向列液晶的間距(pitchlength)，可表現(xiàn)為綠色、紅色、藍色或任何一種預先選擇的顏色。這種光散射狀態(tài)和光反射狀態(tài)在霧電場時仍保持穩(wěn)定。通過對該材料施加一個介于能使之從反射狀態(tài)轉換成散射狀態(tài)或反之亦然的電場之間的電場，就能得到以在反射狀態(tài)和散射狀態(tài)所顯示的反射程度之間變化的反射程度為特征的穩(wěn)定灰度狀態(tài)。當手性向列液晶處于平面彩色光反射結構并施加一個中間電場脈沖時，處于平面結構的材料量以及彩色光的反射強度會減小。類似地，當該材料處于聚焦錐形結構并施加一個中間電場脈沖時，處于平面結構的材料量將會增加，顯示單元的反射強度也會增加。當電場撤除時，該材料是穩(wěn)定的，且仍處于所建立的結構，能無限地反射該種光強度而不管它是從何種結構開始的。
如果保持一個高得足以使液晶導向器發(fā)生同向取向的電場，則該材料是透明的，直至該電場撤銷。當把該電場迅速取消時，該材料就轉變到反射狀態(tài)，而當把該電場慢慢取消時，該材料就轉變成光散射狀態(tài)。在每一種情況下，電場脈沖較好都是交流脈沖，更好的是方波交流脈沖，因為直流脈沖往往會引起離子導電并限制顯示單元的壽命。
雖然無意受理論制約，但相信當施加電壓時，一定比例的該材料在電場存在時進入一種混亂相(turbidphase)。該材料中那些顯示混亂相的部分傾向于在電場撤銷時弛豫到一種聚焦錐形的光散射結構。該材料中那些未受電場影響的部分，即那些沒有進入混亂相的部分，仍處于平面的光反射結構。顯示單元反射的光量取決于處于平面反射結構的材料量。當提高該電場的電壓時，有更高比例的該材料在電場存在時進入混亂相，而后在電場撤銷時弛豫到焦點錐形結構。由于顯示單元的反射量正比于處于平面反射結構的材料量，所以顯示單元的反射量隨著電場量級增大而沿一灰度降低，因為該材料中有更多的部分進入混亂相并轉變成聚焦錐形結構。在因材料而異的一定閾值電壓，該材料在電場撤銷時基本上全部轉變成聚焦錐形結構，其特征是顯示單元的反射率處于或接近于最小值的光散射條件。當取消電壓時，所取的結構是穩(wěn)定的并仍將無限地散射。當電壓進一步提高而達到高得足以使該液晶松開并使液晶導向器發(fā)生同向取向的程度時，該材料是透明的，并將保持透明直至電壓撤銷。當電場撤銷時，該材料傾向于從同向結構(homeotropictexture)弛豫到穩(wěn)定的顏色反射平面結構。
當該材料處于一種光散射聚焦錐形結構并施加一個低電壓脈沖時，該材料開始改變結構并再次得到穩(wěn)定的灰度反射率。由于該材料在此始于散射的聚焦錐形結構，所以灰度反射率的特征是該反射率以該材料基本上全部處于散射聚焦錐形結構時顯示的反射率為起點而增加，盡管已經(jīng)觀察到在一些樣品中反射率最初可能降低。相信反射率增加可歸因于該材料由于所加電場的結果逐漸發(fā)生同向取向的那些部分。那些發(fā)生同向取向的部分在電場撤銷時弛豫成一種穩(wěn)定的平面光反射結構，而該材料的其余部分則由于電場的結果而呈現(xiàn)混亂相并在電場撤銷時弛豫回到聚焦錐形結構。當電壓進一步增大而達到使液晶基本上全部發(fā)生同向取向的程度時，該材料再次呈現(xiàn)為透明并在電場撤銷時弛豫成穩(wěn)定的平面顏色反射結構。
總而言之，相信該材料中那些由于所加電場的結果而進入混亂相的部分在電場撤銷時弛豫成一種穩(wěn)定的聚焦錐形結構，而那些由于所加電場的作用而發(fā)生同向取向的部分在電場撤銷時弛豫成一種穩(wěn)定的平面結構。相信當從同向取向的液晶慢慢撤銷高電場時，這種材料回到散射聚焦錐形狀態(tài)，因為慢慢撤銷使該材料進入混亂相，在電場撤銷之后它看來持續(xù)地從混亂相弛豫成一種聚焦錐形結構。當高電場迅速撤銷時，該材料沒有進入混亂相，因而弛豫成平面反射結構。在任何情況下，都能看到，在能驅動該材料從穩(wěn)定反射狀態(tài)轉變成穩(wěn)定散射狀態(tài)或反之亦然所需的數(shù)值以下的各種幅度的電場脈沖，將使該材料轉變成本身穩(wěn)定的各種中間狀態(tài)。這些多級穩(wěn)定狀態(tài)無限地反射一種強度介于反射狀態(tài)和散射狀態(tài)的反射強度之間的彩色光。因此，根據(jù)電場脈沖的幅度，這種材料顯示出穩(wěn)定灰度反射率而無需聚合物。驅動該材料在各種不同狀態(tài)之間轉變所需的電場幅度，當然將因特定液晶的性質和數(shù)量以及顯示單元的厚度而異。也可以利用對該材料施加機械應力來使該材料從光散射狀態(tài)轉變成光反射狀態(tài)。
這種多穩(wěn)定材料的一個主要優(yōu)點是，它不需要一種有源矩陣來制作高清晰度平板屏幕。這種屏幕無需在每個像素部位上設置有源元件和用以對該顯示器尋址的多路調制方案就能制備。這大大簡化了生產(chǎn)，提高了產(chǎn)率并降低了該顯示器的成本。由于該材料不需要聚合物，所以本發(fā)明實現(xiàn)了甚至更大的生產(chǎn)簡化和成本節(jié)省。本發(fā)明的其它優(yōu)點是，光散射狀態(tài)和光反射狀態(tài)無需聚合物或基底的精微表面條件就能穩(wěn)定。用本發(fā)明的材料制作的顯示器器件不需要會限制顯示器亮度的偏振器，顏色由材料本身引進而無需也會降低亮度的濾色器。
以上所述的本發(fā)明的有利性質，是通過提供一種光調制反射元件實現(xiàn)的，該元件包含一種無聚合物的手性向列液晶光調制材料，包括具有正介電各向異性的向列液晶和手性材料，其用量能有效地形成具有能有效地反射可見光譜中的光線的節(jié)距的焦點錐形結構和扭曲平面結構，其中焦點錐形結構和扭曲平面結構在無電場時是穩(wěn)定的，且該液晶材料能在施加電場時改變結構。
尋址裝置可以是現(xiàn)有技術中已知的任何類型的，例如有源矩陣、多路調制電路、電極和激光器。結果，可以使這種新材料在不同電場條件下呈現(xiàn)不同的光學狀態(tài)，即光傳輸，光散射，光反射和介于這些狀態(tài)之間的穩(wěn)定灰度，而無需聚合物和與其相聯(lián)系的復雜制造工藝。
手性向列液晶是具有其數(shù)量足以產(chǎn)生所希望的節(jié)距長的正介電各向異性的向列液晶和手性材料的混合物。適用的向列液晶和手性材料是商業(yè)上可獲得的，而且鑒于本公開，對于那些有本門技術一般技能的人來說也是知道的。向列液晶和手性材料的數(shù)量將因所使用的特定液晶和手性材料以及所希望的運行方式而異。
這種材料所反射的光的波長由如下關系給出λ＝np，式中n是平均折射率，p是節(jié)距長。介于大約350nm和850nm(納米)之間的波長屬于可見光譜。因此，具有本門技術一般技能的人將能根據(jù)所涉及材料的折射率并根據(jù)液晶手性摻雜以獲得最佳節(jié)距長的一般原理，例如Hoffmann-LaRoche，Ltd.發(fā)行、題為HowtoDopeLiquidCrystalMixturesinOrdertoEnsureOptimumPitchandtoCompensatetheTemperatureDependence(Schadt等人著(1990)，列為本文參考文獻)的手冊中所述的手驟，來選擇本發(fā)明的適用材料。
在一個較佳的實施方案中，手性向列液晶的節(jié)距長范圍為大約0.25～大約1.5微米，更好的是大約0.45～0.8微米。典型的節(jié)距長是藍色為0.27微米，綠色為0.31微米，紅色為0.40微米。此外，手性向列液晶較好含有以向列液晶和手性材料的合計重量為基準計約20%～約60%(重量)的手性材料，更好的是含有以向列液晶和手性材料的合計重量為基準計約20%～約40%(重量)的手性材料。然而，這些范圍可因手性材料和液晶而異。向列液晶的正介電各向異性較好為至少約5，更好的是至少約10。更理解的是，這些重量數(shù)量可因所使用的特定液晶和手性材料而異。
在實施本發(fā)明時，制備含有預期數(shù)量的向列液晶和手性材料的溶液，并將引進顯示元件基底之間，其中至少一個基底是透明的。然后，用諸如環(huán)氧或技術上已知的其它材料，圍繞元件的邊緣將元件密封。這種顯示元件可以用具有本門技術一般技能的人員已知的方法(例如通過毛細管作用)進行裝填。一種較好的技術是用真空法裝填這些顯示元件。這改善了顯示元件均一性并消除了顯示元件中的氣泡。對于電可尋址的顯示元件，顯示元件壁上先涂透明電極，例如銦錫氧化物，然后再引進液晶。
雖然對本發(fā)明不是必要的，但在一些情況下，理想的是用除電極外的材料(例如洗滌劑或化學品)處理顯示元件壁，以獲得對比度或切換特性方面的變化。可以利用這些處理可影響液晶的均一性、改變各種結構的穩(wěn)定性、以及改變任何一種表面固定的強度。除利用種類繁多的材料進行這樣的表面處理外，對相對的基底的處理也可以不同。例如，這些基底可以沿不同方向摩擦，一個基底可以包括這種附加處理而另一個基底則不進行這種處理，或相對的基底可以用不同材料處理。如以上所說明的，這樣的附加處理能產(chǎn)生改變顯示元件的響應特性的效果。
任選地，這種手性向列液晶混合物中可以包括其它添加劑，以改變顯示元件的特性。例如，雖然顏色是由液晶材料本身引進的，但可以添加多色染料來增強或改變顯示元件所反射的顏色。類似地，可以將煙氣(微粒)二氧化硅等添加劑溶解在液晶混合物中，以調節(jié)各種膽甾結構的穩(wěn)定性。
本發(fā)明的特征還在于對能在反射最大參照強度的顏色反射狀態(tài)和顯示最小參照強度的光散射狀態(tài)之間轉換的無聚合物手性向列液晶材料進行尋址的一種改進方法。這種改進包括施加其幅度在足以達到所述最大值和最小值之間的顏色反射率的幅度之間變化的電壓脈沖，因而能從該材料產(chǎn)生穩(wěn)定的灰度反射率。
較好的是，這種方法的特征是對該材料施加一個有足夠持續(xù)時間和電壓的交流脈沖，使所述手性向列材料的一部分顯示第一光學狀態(tài)，并使該手性向列材料的其余部分顯示不同于第一狀態(tài)的第二光學狀態(tài)。在這個較好實施方案中，該材料處于第一光學狀態(tài)的部分呈現(xiàn)平面結構，而該材料處于第二光學狀態(tài)的其余部分呈現(xiàn)聚焦錐形結構，其反射強度正比于該材料處于平面反射結構的數(shù)量。
本發(fā)明的很多進一步特征、優(yōu)點和更充分理解，將從以下對較好實施方案和附圖的詳細說明得知。


圖1是一種包含本發(fā)明液晶材料的光調制元件的示意橫截面顯示。
圖2是當使液晶發(fā)生同向取向以影響光學透明狀態(tài)時該材料的示意片斷放大橫截面顯示。
圖3是該材料處于光散射狀態(tài)時的示意片斷放大橫截面顯示。
圖4是當液晶有扭曲平面結構時該材料的示意片斷放大橫截面顯示。
圖5是一個顯示元件對不同電壓的交流脈沖的電光學響應曲線圖，顯示了從平面結構開始在約30～140伏的電壓范圍內的灰度反射，以及從聚焦錐形結構開始在約140～180伏之間的灰度反射。
圖1中圖示說明的元件包括玻璃板10和11，它們被圍繞其邊緣密封，并用隔板12將其分開。如圖所示，玻璃板10、11涂有銦錫氧化物(ITO)等，形成透明電極13。標號14代表一種可以涂到這些電極上的任選表面涂層，旨在影響液晶導向器，或改變元件的對比度、反射或切換特性。相對的涂層14可以是同種材料或不同材料的，可以沿不同方向上摩擦，涂層14中的一個或兩個也可以完全省去。
圖1的顯示元件被裝填有本發(fā)明的無聚合物液晶材料。這種液晶光調制材料一般由含有正介電各向異性的向列液晶和手性材料的手性向列液晶16組成。所示的交流電壓源17與電極13連接，旨在使該顯示元件在不同光學狀態(tài)之間轉換。
要理解的是，圖1中所描繪的顯示元件的形式只是為說明本發(fā)明的無聚合物液晶材料的一個具體實施方案和功能而選擇的，而且要理解，這種材料可以用各種不同方式尋址且可裝在其它類型的顯示元件中。例如，除用外部激勵電極尋址外，這種材料還可以用有源矩陣、多路調制電路或其它類型的電路來尋址，對于從事本門技術工作的人員來說，這些都是顯而易見的。類似地，無需可選的表面處理層14也能制備顯示元件。
當為了改變顯示元件的特性，除摩擦或無摩擦的ITO或其它適用電極外還采用任選表面處理層時，可以使用各種各樣的材料。適用的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，無摩擦的聚酰亞胺，聚甲基丙烯酸異丁酯，聚甲基丙烯酸正丁酯，聚乙烯醇縮甲醛(PVF)和聚碳酸酯。兩塊板可以有相同或不同的材料，且可以是摩擦的、無摩擦的或有其它結構。類似地，相對的表面可以沿不同方向摩擦，也可以用不同方式構造。用摩擦的ITO而無任何附加的表面處理，可得到最好的效果。
液晶材料包括一種有正介電各向異性的向列液晶和一種手性材料，如膽甾類液晶，但不包含任何聚合物。適用的向列液晶包括諸如E.Merck公司制造的E7、E48，E31和E80，盡管實際上任何一種技術上已知的有適當正各向異性氰基聯(lián)苯都能滿足要求。適用的手性試劑包括諸如也由E.Merck公司制造的CB15，CE2，和TM74A。適合用于本發(fā)明的其它向列液晶和手性材料對于能看到本公開的熟練技術人員來說會是已知的?？梢蕴砑拥绞中韵蛄幸壕Щ旌衔镏械钠渌芜x成分包括諸如用以調節(jié)各種結構的穩(wěn)定性的微粒二氧化硅和用以調節(jié)顏色的染料。
在制備圖1中所示的顯示元件的一種較好方法中，制備了手性向列液晶同任何附加染料或添加劑等一起的一種溶液。然后，把這種溶液引進玻璃板10、11之間;(這里所示的板10和11帶有可選有涂層14。)這可以通過那些具有本門技術一般技能的人員已知的方法，如毛細管裝填和更好的是真空裝填來進行。一旦引進這些板之間，該顯示元件就如同技術上已知的那樣圍繞其邊緣密封起來。
按照本發(fā)明制備的、能在穩(wěn)定的平面狀態(tài)、焦點錐形狀態(tài)和灰度狀態(tài)之間轉換的無聚合物顯示器在以下的非限制性實例中加以說明。
實例1制備一種含有37.5%(重量)E48(EM化學公司制造的向列液晶)和62.5%(重量)TM74A(EM化學公司制造的手性添加劑)的手性向列液晶混合物。然后，由兩個涂有ITO的基底形成一個一英寸見方顯示元件。兩個基底的ITO涂層彼此平行地摩光。將10μm玻璃間隔層噴涂到一個基底上，讓第二個基底這樣形成夾心構造使其兩個邊與第一基底重疊，再用夾子把這個顯示元件固定在一起。然后用5分鐘環(huán)氧(Devcon)密封兩個非重疊邊。
使顯示元件保持豎直，并沿該顯示元件頂部開口邊放置一滴手性向列液晶。然后，在大約15分鐘的時間內，該顯示元件通過毛細管作用自動得到裝填。一旦填滿，就從邊上除去殘留的液晶混合物，再用5分鐘環(huán)氧密封開口邊。
這個顯示元件最初處于平面反射狀態(tài)。一個大約115伏1KHz的100ms低壓脈沖使該顯示元件轉換成焦點錐形散射狀態(tài)。一個大約180伏1KHz的100ms的較高壓脈沖使該顯示元件轉換回到平面反射狀態(tài)。平面狀態(tài)和焦點錐形狀態(tài)在電場不存在時都是穩(wěn)定的，且該顯示元件呈現(xiàn)介于散射狀態(tài)的反射狀態(tài)之間的多級穩(wěn)定灰度反射狀態(tài)。
實例2E48和TM47A的0.6∶1重量比混合物如同前一個實例中一樣引進隔開10微米、涂有ITO的玻璃基底之間。這些基底額外涂了一個未摩擦的聚酰亞胺層。這個顯示元件最初處于聚焦錐形散射結構，只讓HeNe光束的大約30%透過該顯示元件。一個10ms、155伏、1KHz的交流脈沖使該顯示元件轉換成一種反射綠色光的平面結構。處于反射狀態(tài)的顯示元件的透射率是大約65%。一個同樣持續(xù)時間和波長的95伏脈沖使該顯示元件轉換回到聚焦錐形散射狀態(tài)。這個顯示元件在各狀態(tài)之間轉換只需不到10ms。
實例3如同在以上實例中一樣，用CB15，CE2(EM化學公司制造的手性材料)和E48向列液晶按0.15∶0.15∶0.7的重量比的混合物制備一種顯示元件。在這個顯示元件中，驅動電壓被削減大約一半，因為這種混合物的介電各向異性比使用TM74A時高。這種材料的電光學響應類似于實例1的材料。
表Ⅰ列出了按照以上實例制備的材料的許多進一步實例。手性材料的濃度，以及向列液晶的類型和濃度，在這些顯示元件中各不相同。在每種情況下，手性材料都是CE2和CB15的50∶50混合物。每個顯示元件都采用未摩擦的ITO電極作為基底的唯一表面處理。表Ⅰ中的材料在可見光譜中全都呈現(xiàn)多穩(wěn)定性，即穩(wěn)定的反射狀態(tài)、散射狀態(tài)和灰度狀態(tài)。
表Ⅰ手性試劑向列液晶厚度顏色多穩(wěn)定性表面4.CE2/CB1530%E4870%10μm紅是ITO5.CE2/CB1540%E4860%10μm綠是ITO6.CE2/CB1550%E4850%10μm藍是ITO7.CE2/CB1530%E770%10μm紅是ITO8.CE2/CB1540%E760%10μm綠是ITO9.CE2/CB1530%E3170%10μm紅是ITO10.CE2/CB1540%E3160%10μm綠是ITO表Ⅱ列出了按照以上實例制備的、呈現(xiàn)多穩(wěn)定性并有不同表面處理材料和顯示元件厚度的材料實例。在每種情況下，向列液晶都是E31(EM化學公司)，以向列液晶和手性材料的合計重量為基準計，其用量為60%(重量)。在每種情況下手性材料都是CE2和CB15(EM化學公司)的50∶50混合物，以手性材料和向列液晶的重量為基準計，其存在量為40%(重量)。每個顯示元件都呈現(xiàn)一種綠色反射狀態(tài)。反射狀態(tài)和散射狀態(tài)在電場不存在時都是穩(wěn)定的，而且這些顯示元件呈現(xiàn)介于其間的穩(wěn)定灰度狀態(tài)。在實例17和18中，相對的基底上的PVF涂層分別進行平行和互相垂直摩擦。類似地，實例22和23中相對基底上的涂層分別進行平行和互相垂直摩擦。實例21和24中的涂層是無摩擦ITO電極，而在實例25的情況下，相對基底上的ITO涂層是彼此平行摩擦的。實例13-15中的異丁基和正丁基分別代表甲基丙烯酸正丁酯和異丁酯。這些實例中的間隔同以上實例中一樣是用玻璃珠調節(jié)的。
表Ⅱ表面厚度多穩(wěn)定性11.100%正丁基10μm是12.100%異丁基10μm是13.75%異丁基/25%正丁基10μm是14.25%異丁基/75%正丁基10μm是15.50%異丁基/50%正丁基10μm是16.聚乙烯醇縮甲醛(PVF)5μm是17.PVF平行摩擦5μm是18.PVF垂直摩擦5μm是19.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)5μm是20.聚碳酸酯(PCBR)5μm是21.ITO6.7μm是22.PI平行摩擦6.7μm是23.PI垂直摩擦6.7μm是24.ITO10μm是25.ITO摩擦10μm是表Ⅲ類似于表Ⅱ之處，在于它提供了如同在實例1中那樣得到的、有不同表面處理和顯示元件厚度的多穩(wěn)定材料的進一步實例。然而，表Ⅲ中的材料由以手性材料和向列液晶的重量為基準計數(shù)量為60%(重量)的TM74A手性材料組成。向列液晶是以40%(重量)的數(shù)量存在的E48。這些顯示元件也反射呈平面光反射結構的綠色光，并如同在以上實例中一樣呈現(xiàn)多穩(wěn)定性。
表Ⅲ表面厚度多穩(wěn)定性26.100%正丁基10μm是27.100%異丁基10μm是28.75%異丁基/25%正丁基10μm是29.25%異丁基/75%正丁基10μm是30.50%異丁基/50%正丁基10μm是31.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)5μm是32.PMMA平行摩擦5μm是33.PMMA垂直摩擦5μm是34.聚碳酸酯(PCBR)5μm是35.PCBR平行摩擦5μm是36.PCBR垂直摩擦5μm是37.PI10μm是38.ITO10μm是39.ITO摩擦10μm是本發(fā)明的無聚合物多穩(wěn)定顏色顯示元件呈現(xiàn)一種穩(wěn)定灰度現(xiàn)象，其特征是該材料能無限反射介于反射狀態(tài)所反射的強度和散射狀態(tài)所反射的強度之間任何一種選擇的光強度，前者是在該材料基本上全部呈平面結構時出現(xiàn)的，而后者是在該材料基本上全部呈聚焦錐形結構時出現(xiàn)的。為了本發(fā)明之目的，該反射狀態(tài)以最大強度反射一給定材料的彩色光，所反射光線的顏色決定于手性材料的節(jié)距長。一個有適當閾值電壓的電場脈沖將使該材料的至少一部分改變其光學狀態(tài)，并使反射強度降低。如果這個交流脈沖足夠高，但仍低于那種會使液晶發(fā)生同向取向的脈沖，則該材料的光學狀態(tài)將完全轉變成能反射一給定材料處于最小強度的光線的散射狀態(tài)。在對于一給定材料可認為其決定該材料的最大反射強度的反射狀態(tài)和可認為其決定最小反射強度的散射狀態(tài)之間，反射強度沿一灰度變化，這一灰度就是反射狀態(tài)和散射狀態(tài)所呈現(xiàn)的強度之間強度數(shù)值的一個連續(xù)統(tǒng)。通過對該材料施加一種電壓值在能使該材料從反射狀態(tài)轉變成散射狀態(tài)或反之亦然的電壓之間的交流脈沖，就能得到這一灰度范圍內的一種反射強度。
雖然無意受理論約束，但已觀察到，當該材料最初處于平面結構時沿這一灰度的反射強度近似線性地正比于該脈沖的電壓。通過改變該脈沖的電壓，可以成比例地改變一給定顏色的反射強度。當撤除電場時，該材料將無限地反射該強度。相信這一灰度電壓范圍內的脈沖使該一部分材料從表征反射狀態(tài)的平面結構轉變成表征散射狀態(tài)的聚焦錐形結構。沿這一灰度的反射強度正比于手性材料從平面結構轉變成聚焦錐形結構或反之亦然的數(shù)量，后者又正比于交流脈沖的電壓。
圖4示意地說明本發(fā)明處于其光反射狀態(tài)的無聚合物多穩(wěn)定性材料。在這種狀態(tài)下，手性液晶分子40以一種平行于顯示元件器壁的扭曲平面結構發(fā)生取向。由于這種扭曲平面結構，該材料將反射光線，其顏色取決于具體的節(jié)距長。在這種穩(wěn)定的反射狀態(tài)下，該材料呈現(xiàn)最大反射率，后者構成在其下觀察到灰度強度的最大參照強度。液晶的這種平面結構在聚合物不存在時是穩(wěn)定的。如同圖3中示意顯示的，這種多重穩(wěn)定的顏色顯示材料處于其光散射狀態(tài)。在這種穩(wěn)定的散射狀態(tài)下，這種材料呈現(xiàn)其最小反射強度(即最大散射)，這決定了一種在其上觀察到灰度強度的最小參照反射強度。
圖4的光反射狀態(tài)和圖3的光散射狀態(tài)，以及介于兩者之間的灰度狀態(tài)，在電場不存在時都是穩(wěn)定的。如果該材料處于圖4的光反射狀態(tài)并施加一個低電場脈沖，則該材料將被驅動到圖3的光散射狀態(tài)，并在零電場時仍將保持該種狀態(tài)。如果這種多穩(wěn)定材料處于圖3的光散射狀態(tài)并施加一個足以使手性分子解扭的高電場脈沖，則液晶分子就會在脈沖結束時重新形成圖4的光反射狀態(tài)并仍將保持該狀態(tài)。要理解的是，驅動該材料在各光學狀態(tài)之間轉換所需的每微米顯示元件厚度的電壓可因材料組成而異，但所需電壓的確定完全屬于與本公開有關的技術技能范圍之內。
如果保持使液晶分子松開所需的高電場，則液晶導向器就會發(fā)生同向取向，從而使該材料變成透明。如果電場慢慢撤除，則液晶取向將會重新變成圖3的光散射狀態(tài)，大概是由于慢慢撤除使該材料大部分能進入混亂相。當電場迅速撤除時，取向將轉變成圖4的光反射狀態(tài)。介于圖4的反射狀態(tài)和圖3的散射狀態(tài)之間反射的反射強度是穩(wěn)定的灰度反射率。當然，反射狀態(tài)和散射狀態(tài)的強度值可隨材料組成變化而變化，但灰度決定于它們之間強度的范圍。
在此能使該材料從圖4的反射狀態(tài)轉變成圖3的散射狀態(tài)的電壓低的電壓下，得到了本身在零電場時穩(wěn)定的灰度狀態(tài)。在這些灰度狀態(tài)下，從該材料發(fā)出的反射是穩(wěn)定，因為該材料一部分處于圖4的平面反射結構且該材料一部分處于圖3的焦點錐形散射結構，這兩種結構在電場不存在時都是穩(wěn)定的。
因此，例如，如果該材料處于圖4的反射狀態(tài)并施加一個電場脈沖，其電壓不足以驅動液晶16全部轉變成圖3中30所示的聚焦錐形結構，即不足以驅動該材料完全轉變成散射狀態(tài)，則該材料將反射彩色光，其強度正比于仍處于平面反射結構的材料量。因此，反射率將低于手性向列液晶全部處于平面反射結構時該材料的反射率，但仍高于當完全轉變成焦點錐形散射結構時的反射率。隨著電場脈沖的電壓增加，手性材料中有更多的部分從平面反射結構轉變成散射焦點錐形結構，且反射率進一步降低，直至脈沖的電壓增大到該材料全部或大部進入混亂相，材料從這一混亂相再弛豫并完全轉變到散射狀態(tài)。如果脈沖的電壓仍進一步增大，則反射強度便開始再次增大，直至該脈沖的量級足以使手性分子大部分松開，這樣，它們將在該脈沖迅速撤除時再次轉變成平面光反射結構，該材料也再次處于圖4的光反射狀態(tài)。
如果該材料處于圖3的焦點錐形散射狀態(tài)，則施加一個電場脈沖對顯示元件的反射率產(chǎn)生影響的劇烈程度將比它始于平面結構時小得多，直至電壓達到足以使手性材料松開的幅度，從而當電場撤除時它將如以上所述那樣轉變成圖4的光反射狀態(tài)。當該材料始于聚焦錐形結構時，灰度顯然是在一部分分子由于施加電場的結果而松開并發(fā)生同向取向的時候產(chǎn)生的。這一部分分子隨后在電場撤除時弛豫成平面反射結構。
一個如上所述的顯示元件的響應在圖5中加以說明，它顯示了實例1中制備的材料對不同脈沖電壓的響應。
測定了該顯示元件對不同電壓的交流脈沖做出響應時的反射率。在這一測定中，使用了100毫秒1KHz的交流脈沖。對于這種材料來說，施加大約180V以上的脈沖使該顯示元件轉變成反射狀態(tài)，而不管在施加脈沖之前該顯示元件是處于散射狀態(tài)還是處于反射狀態(tài)。在此觀察到最大的反射，即透射率。該材料在被施加130～140V范圍內的一個電壓時呈現(xiàn)最大散射，而不管施加脈沖之前該材料是處于平面結構還是處于聚焦錐形結構。
在圖5中還顯示該顯示元件在施加不同電壓的脈沖時的灰度響應。在此，改變該脈沖的電壓并測定該顯示元件的反射(%透射)。曲線A是該顯示元件在每個脈沖之前其材料處于反射狀態(tài)時的響應。在曲線A上繪出的每個脈沖之前都對該材料施加一個高的交流脈沖。以確保它在該脈沖之前完全處于反射狀態(tài)。當該脈沖的電壓低于約30V時，對該顯示元件的反射無顯著影響。當該脈沖的電壓介于約40V和110V之間時，該顯示元件的反射率隨脈沖電壓的增加而近似線性地減少。在這一電壓范圍內觀察到灰度反射率。在每種情況下，該材料都在脈沖撤除之后繼續(xù)反射。當該脈沖的電壓增加到約120～130V時，該材料處于散射狀態(tài)并呈現(xiàn)接近于最大的散射。當該脈沖的幅度仍進一步增大，達到約150～160V以上時，該顯示元件的反射率增大，直到在180V以上時反射率接近其原來數(shù)值，即反射狀態(tài)的反射率。
曲線B說明該顯示元件在交流脈沖之前其材料最初處于聚焦錐形散射狀態(tài)時的響應。在此，對于約30V以下的交流脈沖，該顯示元件的反射率不發(fā)生顯著變化。在約50和150V之間，散射實際上略有增加，并觀察到該顯示元件的最大散射。在約160V以上，透射迅速增加，且在大約180V以上該顯示元件轉變成接近于最大透射的反射狀態(tài)。
可以看到，當該材料從平面結構出發(fā)時，灰度與電壓的線性關系更加顯著得多，而且灰度變化更加平緩。因此，灰度現(xiàn)象的實際應用大多數(shù)可能采用從平面結構出發(fā)的材料。
由以上的公開，本發(fā)明的很多改變與變化對于具有本專業(yè)普通技能的人員來說是顯而易見的。因此，要理解的是，在附權利要求書的范圍內，本發(fā)明還可以用除已經(jīng)具體說明和描述的方式之外的其它方式實施。
權利要求
1.一種光調制反射顯示元件，包括一種無聚合物的手性向列液晶光調制材料，它包括有正介電各向異性的向列液晶和其數(shù)量使得能有效地形成聚焦錐形結構和扭曲平面結構的手性材料，所述手性材料具有能有效地反射可見光譜中的光線的節(jié)距長，其中所述聚焦錐形結構和扭曲平面結構在電場不存在時是穩(wěn)定的且該液晶材料在施加電場時能改變結構。
2.按照權利要求1的顯示元件，其中手性向列液晶的節(jié)距長范圍為約0.25～約1.5微米。
3.按照權利要求1的顯示元件，其中手性向列液晶的節(jié)距長范圍為約0.45～0.8微米。
4.按照權利要求1的顯示元件，其中向列液晶的正介電各向異性為至少約5。
5.按照權利要求1的顯示元件，其中向列液晶的正介電各向異性為至少約10。
6.按照權利要求1顯示元件，其中手性向列液晶以向列液晶和手性材料的合計重量為基準計含有約20～約60%(重量)手性材料。
7.按照權利要求1顯示元件，其中手性向列液晶以向列液晶和手性材料的合計重量為基準計含有約20～約40%(重量)手性材料。
8.按照權利要求1的顯示元件，其中液晶在一高電場接通(ON)條件撤除之后的電場切斷(OFF)條件下呈現(xiàn)一種穩(wěn)定的光反射扭曲平面結構，而在一低電場接通條件撤除之后的電場切斷條件下呈現(xiàn)一種穩(wěn)定的光散射聚焦錐形結構。
9.一種對光調制顯示元件進行尋址的方法，該元件包含一種無聚合物的手性向列液晶光調制材料，包括有正介電各向異性的向列液晶和其數(shù)量使得能有效地形成聚焦錐形結構和扭曲平面結構手性材料，所述手性材料具有對于反射可見光譜中的光線有效的節(jié)距長，所述液晶材料能通過施加一個電壓脈沖而在反射最大參照強度的穩(wěn)定顏色反射狀態(tài)和呈現(xiàn)最小參照反射強度的穩(wěn)定光散射狀態(tài)之間轉換，該方法包括施加一種電壓脈沖的步驟，該電壓脈沖足以達到具有介于所述最大和最小參照強度之間的彩色反射強度的穩(wěn)定狀態(tài)連續(xù)統(tǒng)的不同幅度。
10.按照權利要求9的改進，包括施加方波交流電壓脈沖。
11.按照權利要求9的改進，包括以介于能使所述材料從所述反射狀態(tài)轉變成所述散射狀態(tài)的量級之間的幅度施加所述交流脈沖。
12.一種在最大強度和最小強度之間有選擇地調節(jié)無聚合物的手性向列液晶光調制材料的彩色光反射強度的方法，該材料包括有正介電各向異性的向列液晶和其數(shù)量使得能有效地形成聚焦錐形結構和扭曲平面結構的手性材料，所述手性材料具有能有效地反射可見光譜中的光線的節(jié)距長，所述液晶材料能在施加電場時改變結構，這種方法包括對所述材料施加一個有足夠持續(xù)時間和電壓的電場脈沖，以使第一部分所述手性向列材料呈現(xiàn)第一光學狀態(tài)并使第二部分所述手性向列材料呈現(xiàn)第二光學狀態(tài)，從而所述材料將連續(xù)反射介于所述最大值和最小值之間的正比于處于所述第一光學狀態(tài)的所述材料數(shù)量的選擇強度。
13.按照權利要求12的方法，其中處于所述第一光學狀態(tài)的所述手性向列材料呈現(xiàn)一種平面結構，而處于所述第二光學狀態(tài)的所述手性向列材料呈現(xiàn)一種聚焦錐形結構。
14.一種光調制器件，它包括手性向列液晶的液晶光調制材料，其基本組成為有正介電各向異性的向列液晶和其數(shù)量使得能有效地形成聚焦錐形結構和扭曲平面結構、其節(jié)距長使得可有效地反射可見光譜中的光線的手性材料，其中所述聚焦錐形結構和扭曲平面結構在電場不存在時是穩(wěn)定的，且該液晶材料在施加電場時能改變結構，其中所述材料的第一部分處于第一光學狀態(tài)而所述材料的第二部分處于第二光學狀態(tài)，該光調制器件還包括建立通過所述材料的電場的裝置，所述裝置適合于提供有足夠電壓和持續(xù)時間的脈沖，以改變所述材料處于所述第一光學狀態(tài)的比例，從而有選擇地調節(jié)所反射光線的強度。
15.按照權利要求14的器件，其中處于所述第一光學狀態(tài)的材料呈現(xiàn)一種平面結構，而處于所述第二光學狀態(tài)的材料呈現(xiàn)一種聚焦錐形結構。
16.按照權利要求14的器件，包括為使液晶取向而處理的顯示元件器壁結構。
17.按照權利要求14的器件，基中用于建立通過所述材料的電場的所述裝置適合于提供一種交流脈沖。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光調制反射顯示元件，其中包含一種無聚合物的手性向列液晶光調制材料。這種元件包括具有正介電各向異性的向列液晶和其數(shù)量使得能有效地形成聚焦錐形結構和扭曲平面結構的手性材料。該手性材料具有使得能有效地反射可見光譜中的光線的節(jié)距長，其中聚焦錐形結構和扭曲平面結構在電場不存在時是穩(wěn)定的，且該液晶材料在施加電場時能改變結構。
文檔編號G02FGK1096880SQ9410499
公開日1994年12月28日 申請日期1994年4月30日 優(yōu)先權日1993年5月4日
發(fā)明者J·韋斯特, D·K·楊 申請人:肯特州大學