CN1023840C - 光调制元件 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种光调制元件，它包括一包含一个由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一种呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填。

Description

本发明涉及一种应用呈层列A相的液晶的光调制元件，更具体地说，涉及一种通过将电场或磁场施加于含有呈层列A相的液晶材料来调节透射光量的元件。

以往，人们业已提出了各种类型的使用铁电液晶的光调制元件。

有一种方法被认为是这类光调制元件的操纵方法，其中铁电液晶的薄膜被置于两片起偏振光片之间，两片起偏振光片的偏振方向互成直角并且应用铁电液晶的双折射性质进行光的调制[参见，Appl，phys.Lett.，vol.36，page    899（1980）]。铁电液晶具有一在其手性层列C相中的层结构且以分子的长轴在所说的层中近似地形成一给定角度θ（称之倾斜角）来取向。而且，铁电液晶形成一螺旋结构，液晶物质的长轴方向随通过液晶层传播透射光而逐渐变化（图1）。

当把铁电液晶物质装入到间隙大约为2μm的液晶小室（cell）中时，所说的铁电液晶物质受其基片影响且以使与基片平行来取向。因此，两种取向方向是可能的（图2）。

当把电场施加于初始定向的液晶物质时，分子的长轴以一个方向由液晶物质的自发偏振和电场之间的相互作用来取向（图3a）。而且，当把反向电场施加于业已以一个方向取向的液晶物质时，所说的液晶物质则以与上述方向不同的合适方向来取向（图3b）。

一种光调制元件可以由使象这样取向的液晶材料与起偏振光片结合来形成。即，当由液晶物质的定向分子的方向和起偏振光片的偏振轴向的方向所形成的角度为零时，则通过元件的透射光量为最小，而当角度θ为45°时，则透射光量为最大。因此，通过把起偏振光片设 置到可以形成一个合适的角度θ，有可能进行光的调制。

利用铁电液晶的双折射性质的光调制元件与一般的液晶元件相比具有这样一些优点：（1）功率消耗量低;（2）响应快速;（3）可以保持记忆状态;以及阈电压陡而低。故而，在光调制元件的领域中，特别是显示器件，铁电液晶是有前途的。

然而，目前这种光调制元件尚未投入实际使用。这是因为：（1）难以制备具有均匀厚度的薄膜元件;（2）难以以良好的重现性来控制均一而等同的取向状态;（3）液晶物质的取向状态对抗机械冲击是差的;（4）在显示刻度方面有困难等等。而且，在作为该元件的一个优点的记忆状态方面，仅仅通过液晶物质的分子和基片表面的界面之间的相互作用来识别两种一致的记忆状态存在着相当大的困难性。

有人业已提出了一种客体-主体型（guest-host    type）光调制元件。作为一种光调制元件的类型，其中光调制是通过使铁电液晶与二色性染料混合且利用染料的光吸收作用进行的[参见：“High-Speed    Liquid    Crystal    Technique”，Katsumi    YOSH    I    NO著，CMC出版（1986）]。

对这种元件来说，通过利用当液晶物质的取向方向随电场变化时，染料的方向也随其变化而变化的这一效应进行光调制（图4）。透射光量可以由一起偏振光片用染料的二色性来控制。

然而，在利用双折射的方法时，液晶物质的初始取向必须是有利的。故而，对于这种用双折射的方法来说，就难以控制取向。而且，由于用了染料，所以为了获得足够的对比度，必需使该元件具有一定的厚度（n个μm）。这样，要通过利用基片表面上的取向力来控制取向就显得越来越困难了。此外，其中应用手性层列C相的显示方法具有这样一些问题：（1）难以均一且具有良好的重现性地使液晶物质定向;（2）取向状态易于被机械冲击破坏;以及（3）对于利用双折射的方 法来说，显示刻度存在着困难性。

液晶会引起相变，随着温度变化，从固态通过液晶态到液态。众所周知，许多相状态存在于液晶相中（参见：“Newest    Technique    of    Liquid    Crystal”，Shoichi    MATSUMOTO和Ichiyoshi    TSUNODA著，Kogyo    Chosakai出版有限公司出版，1983）。

例如，当在光调制元件中使用铁电液晶时，则铁电液晶介于相互相反的两片透明的基片之间，每片基片设有一电极，在透明基片之外设有偏振方向相互成直角的两片起偏振光片。改变温度，以此使铁电液晶保持在手性层列C相的状态。当把电场施加于它时，则改变了定向分子的长轴的方向，从而可以进行光的调制。

当铁电液晶用于如上所述的光调制元件时，则必需使铁电液晶在初始阶段就达到良好的取向状态。即，使液晶物质达到良好的初始取向状态对获得具有优良特性的光调制元件来说是一个重要的因素。温度梯度法和表面处理法被认为是铁电液晶的初始定向的一些方法（参见：“High-Speed    Liquid    Crystal    Technique”，Katsumi    YOSH    INO著，CMC出版有限公司出版，1986）。

温度梯度法包括逐渐地使液晶物质的温度降低，以使液晶物质从片边缘作外延生长。

表面定向法包括利用沉积在基片表面上的定向控制膜，例如通过涂敷或者沉积，使液晶分子定向。

在许多情况下，为了使液晶物质定向，则把液晶物质在高温下加热到液态，然后降低温度。

如上所述，当通过从液态降温使液晶物质定向时，则各种液晶相中的手性层列C相立即从液态中出现，但是通常，手性层列C相经其他液相出现。

具体地说，按照热力学的稳定性，每种相从高温到低温一一出现。

液态→手性向列相→层列A相→手性层列C相。

液态→手性向列相→手性层列C相。

液态→手性层列C相。

一般来说，利用一种现象可以把铁电液晶物质用于光调制元件，其中借助于电场等，在铁电液晶呈现为手性层列C相的温度范围内，改变铁电液晶物质的定向分子长轴的方向。

例如，据报道，由以下一般式表示的化合物DOBAMBC

在63-92℃温度范围内呈现为手性层列C相，借助于电场等，在所说的温度范围内可以改变定向分子长轴的方向[参见：R.B.Meyer    et    al.，J.de.Phys.，vol.36，page    L-69（1975）]。

然而，很难控制手性层列C相中的初始取向和保持如上所述的取向状态。这一事实已成为实际使用中的最严重的问题。

本发明试图解决上述现有技术中所出现的这些问题。本发明的目的在于提供一种光调制元件，它具有以下一些优良的特性：（1）可以容易地达到液晶的初始定向;（2）不要求极薄的液晶膜;（3）液晶物质的取向状态不易受机械冲击;以及（4）可以提供层次性质（gradation    property）。

本发明的第一种基本光调制元件包括一个液晶元件，它包含一个由两片透明基片组成的小室（cell），每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一种呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填。图7所示为这一种光调制元件。

本发明的第二种基本光调制元件，它包含一个由两片透明基片组 成的小室，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一种呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填。图7所示为这一种光调制元件和在至少一片所说的基片的外侧配置的一片起偏振光片。这一种元件示于图7。

本发明的第三种光调制元件（129）包括两个液晶元件（128）和两片起偏振光片（121），两片要设置得使它们的偏振方向相互垂直或者平行，所说的两个液晶元件并排地设置在所说的起偏振光片（121）之间，每个所说的液晶元件包括一个由两片透明基片（122）组成的小室，每片基片的一表面上设有一透明电极（125），以及一种呈现层列A相的液晶物质（123），所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙（124），其间用所说的液晶物质（123）充填，用密封材料密封，其中通过所说的两个液晶元件透射的光的延迟值在0.13-0.26μm范围内。图12所示为这一种光调制元件。

本发明的第四种光调制元件包括一片起偏振光片（131）和一层至少反射可见光的反射层（137）与一液晶元件，液晶元件包含一由两片透明基片（132）组成的液晶小室，每片基片的一表面上设有一透明电极（135），以及一种呈层列A相的液晶物质（133），所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙（134），其间用所说的液晶物质充填，所说的液晶元件介于所说的起偏振光片（131）和所说的反射层（137）之间。这一种元件示于图13。

本发明第五种光调制光件包括一含有两片透明基片（142）的液晶小室，每片基片的一表面上设有一透明电极（145），以及一种呈现层列A相的液晶物质（143），所物的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物充填，其中把由所说的透明基片形成的间隙的宽度调整到由所说的透明基片的壁面效应可以 使所说的液晶物质定向以及其中把具有以下长宽比（l/d）的纤维（147）配置在所说的液晶物质中：

3≤l/d≤100

式中：d为纤维的直径，l为纤维的平均长度。图14所示为这一种光调制元件。

本发明的第六种光调制元件包括一个含有一由两片透明基片（152）组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极（155）和一按这种排列的取向控制层，以及一种呈现层列A相的液晶物质（153），所说的基片这样设置，使透明电极（155）相互相对排列，它们之间有一间隙（154），其间用所说的液晶物质（153）充填和用密封材料（157）密封，其中所说的取向控制层包括一种有机高聚合物膜，它具有不低于所说的密封材料的固化温度的β-色散温度。图15所示为这一种光调制元件。

本发明的第七种光调制元件包括一个含有一由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一种呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，借助于至少一片垫片在其间形成一间隙和使透明电极相互相对排列，所说的间隙用所说的液晶物质充填，其中所说的垫片由以仿造光敏聚酰亚胺前体所得到的聚酰亚胺物质形成和其中单畴由所说的垫片和所说的液晶物质之间的界面效应形成。图7所示为一种光调制元件。

本发明的第八种光调制元件包括一液晶元件和两片其偏振方向相互垂直的起偏振光片（161），所说的液晶元件含有一由两片透明基片（162）组成的小室，每片基片的一表面上设有一透明电极（165），和一层按这种排列的铁电层（166），以及一种呈现层列A相的液晶物质（163），所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙（164），其间用所说的液晶物质充填和用密封材料密封。图16所示为 这一种光调制元件。

本发明的第九种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片（172）组成的小室的液晶元件，每片基片的表面上设有一透明电极（175），以及一种呈现层列A相的液晶物质（173），所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填，其中所说的基片借助于至少二片或二片以上的同心O型还用作取向控制膜的垫片（176）以有间距相隔地保持。图17所示为这一种光调制元件。

本发明的第十种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片（182）组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极（185），以及一呈现层列A相的液晶物质（183），所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填，其中所说的基片借助于至少一个还用作取向控制膜的梳状垫片（186）以有间距相隔地保持。图18所示为这一种光调制元件。

本发明的第十一种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物充填，其中至少一片基片是柔韧性的。图7所示为这一种光调制元件。

本发明的第十二种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填，其中至少一片基片是满足以下关系式的柔韧性基片：

a⁴/Et³＜0.32

式中：t为挠性基片的厚度（mm）;

E为其模量（kgf/m²）;

a为间隙宽度（mm）。

图7所示为这一种光调制元件。

本发明的第十三种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填，其中所说的液晶物质业已通过把所说的小室中所包含的所说的物质加热到接近所说的物质呈现层列A相的上限温度和把直流偏压施加于经加热的物质得以初始定向。图7所示为这一种光调制元件。

本发明的第十四种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一宽度在1-3μm范围内的间隙，其间用所说的液晶物质充填，其中所说的基片以有间距相隔地保持，其中所说的宽度借助于一片设有许多用于把所说的液晶物质装入到所说的间隙中的切口的垫片保持。图10所示为这一种光调制元件。

本发明的第十五种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填，其中在所说的透明基片之一上设有一非线性元件。图11所示为这一种光调制元件。

本发明的第十六种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相 对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填，其中所说的透明基片之一上设有一有源元件（active    element）。图11所示为这一种光调制元件。

本发明的第十七种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填，其中所说的透明电极之一上设有一能够给以所说的液晶物质定向的有机薄膜。图7所示为这一种光调制元件。

本发明的第十八种光调制元件包括一包含一个由两片透明基片组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填，其中所说的透明电极之一上设有一能够给以所说的液晶物质定向的无机薄膜。图7所示为这一种光调制元件。

本发明的光调制元件具有以下一些优良的特性：（1）可以容易地达到液晶的初始定向;（2）不要求极薄的液晶膜;（3）取向状态具有高的抗机械冲击性能;以及（4）可以提供层次性质。

图1所示为以与层列相垂直方向Z成倾斜角使铁电液晶的每个分子长轴倾斜并且以一给定角度使倾斜方向变换，每相由此形成螺旋结构。

图2所示为一种在一般薄膜元件中可能存在的两种取向的状态。

图3（a）和3（b）所示为一般薄膜元件中的光开关。

图4所示为一般主体一客体型光开关元件。

图5和6所示为说明本发明调制方法的示意图。

图7所示为说明本发明的元件的一个实例的剖面图。

图8所示为表明透射光量随施加电压变化而变化的一例子的示图。

图9所示为表明温度与MHPOBC的所引起的倾斜角的关系的一例子的示图。

图10所示为一片具有一个适用附着的元件的基片以及一片在实施例5中应用具有8个切口的垫片。

图11（a）所示为一液晶显示器和一薄膜晶体管的剖面图;图11（b）所示为含有薄膜晶体管的象素电极的平面图。

图12所示为本发明具有两个液晶元件的光调制元件的剖面图。

图13所示为本发明具有一层反射层的光调制元件的剖面图。

图14所示为本发明具有由纤维形成的垫片的光调制元件的剖面图。

图15（a）所示为本发明具有一片带一个用密封材料密封的液晶物质的入口的矩形垫片的光调制元件的平面图;和图15（b）所示为沿图15（a）中A-A线切取的元件剖面图。

图16所示为本发明一透明电极上具有一层铁电层的光调制元件的剖面图。

图17（a）所示为本发明具有同心O形垫片的光调制元件的平面图;和图17（b）所示为沿图17（a）中A-A线切取的元件剖面图。

图18（a）所示为本发明具有一些梳状垫片的光调制元件的平面图;和图18（b）所示为沿图18（a）中A-A线切取的元件剖面图。

以下，将比较详细地说明本发明的光调制元件。

本发明的光调制元件基本上包括一包含一小室的液晶元件和一呈现层列A相的液晶物质，所说的小室由两片平行排列的透明基片组成，它们之间有一个一定宽度的间隙，每片所说的基片的相对侧面上均设有一透明电极，所说的液晶物质被装入到所说的间隙中。所说的基片的表面上设有的透明电极这样设置，使它们相互相对排列，它们之间形成一充填液晶物质的间隙。

可以用玻璃和聚合物材料的透明片作为本发明的透明基片。

当使用玻璃基片时，可以在玻璃基片的表面上涂一层主要由诸如二氧化硅组成的底涂层，以防液晶物质被分出的碱组分破坏。

一般来说，当使用玻璃基片时，透明基片的厚度范围为0.01-1.0mm。

本发明可以用柔韧性透明基片作为透明基片。当用柔韧性透明基片时，基片中的一片或者两片可以是柔韧性的。

优先采用满足由以下公式表示的关系式的柔韧性透明基片：

$\frac{a^4}{{\mathrm{E\; t}}^3}\mathrm{＜\; 0.32}$

式中：t为柔韧性基片的厚度（mm）;

E为柔韧性基片的模量（kgf/m²）;

a为由该基片形成的间隙的宽度（mm）。

可以用聚合物材料的薄膜作为柔韧性透明基片。每片基片的一表面上设有一透明电极。可以诸如通过用氧化铟锡（ITO）等等涂敷透明基片的表面形成透明电极。透明电极也可用常规方法形成。透明电极的厚度范围一般为100-2000 。

可以在透明基片上设有的透明电极上再设一定向层或者一铁电物质层。例如，定向层可以是能够使液晶定向的有机或者无机膜。

有机薄膜的实例包括聚合物材料的薄膜，如聚乙烯、聚丙烯、聚酯类、尼龙、聚乙烯醇以及聚酰亚胺类。薄膜可以通过在基片上聚合（等离子聚合）、涂敷或者附着形成。而且，有机薄膜可以通过化学吸收有机硅烷偶合剂或者羧酸多核配位化合物形成。

无机薄膜的实例包括氧化物如二氧化硅、二氧化锗和三氧化二铝，氮化物如氮化硅以及其他半导体的薄膜。无机膜可以由沉积或者溅射形成。

把使液晶定向的能力给与薄膜的方法的实例包括在薄膜成形过程 中，把各向异性或者形状特性给与薄膜本身的方法和在其制作之后把来自外部来源的特性给与薄膜的方法。方法的具体实例包括制备聚合物材料定向膜，斜向沉积二氧化硅以及摩擦聚酰亚胺膜表面。

可以在透明基片上设有的透明电极上形成一层定向控制层或者一层铁电层。例如，定向控制层可以通过化学吸收有机硅烷偶合剂或者羧酸多核配位化合物或通过使氧化硅斜向金属化形成。另外，定向控制层还可以通过用聚酰亚胺树脂涂敷透明电极的表面，然后以一定方向摩擦它。可以这样形成定向控制层，以便把它用作下文所述的垫片。

两片上述的透明基片这样设置，使透明电极相互相对排列，在所说的基片之间形成一装液晶物质的间隙。

该间隙宽度一般为1-10μm，最好为1-5μm。该间隙可以诸如通过在两片基片之间放置一垫片形成。

可以用由仿造光敏聚酰亚胺前体所得的聚酰亚胺类型聚合物材料作为垫片。当作这样的垫片时，单畴可以通过垫片和液晶物质之间的界面效应形成。使用一种还作为定向控制层的垫片往往是适当的，从而省去使用任何特殊的定向控制层。垫片可以呈同心O形或者作为定向控制膜的梳状。而且，还可用一种具有许多用来把液晶物质装入到小室中的切口的垫片。

除了垫片之外，可以使用具有液晶物质的纤维，此时可以通过纤维的存在在基片之间形成一间隙。

最好纤维要满足由以下公式表示的平均直径和平均长度之间的关系式：

3≤l/d≤100

式中：d为纤维的直径;l为纤维的平均长度。

纤维的实例包括由碱玻璃纺丝所得的纤维。

由基片形成的间隙的宽度可以用纤维保持均一。可以和纤维一起 使用细粒物质。细粒物质的实例包括粒径为1-10μm的密胺树脂、尿素树脂或者苯胍胺树脂的颗粒。

小室用密封材料密封。

密封材料的实例包括环氧树脂类、硅树脂类、丙烯酸改性环氧树脂以及硅橡胶改性环氧树脂。

最好通过应用能够在用作定向控制层的聚合物材料膜的β-色散温度或者低于此温度下固化的树脂进行密封。

把液晶物质装入具有上述结构的液晶小室的间隙中。本发明可以应用的液晶物质应当呈现层列A相。即，液晶物质形成一层结构，其中分子长轴平行于所说的层的法线方向。

当用偏光显微镜检验呈现层列A相的定向液晶物质时，并不能观察到在手性层列C相中可以被观察到的线性扇形、湍流性扇形、云纹状以及条纹状微观结构，但是可以观察到为层列A相所特有的短棒形、简单扇形以及简单多边形微观结构。

层层A相具有一层结构且分子的长轴平行于该层的法线。当对它施加外场如电场时，分子的二极因没有围绕分子长轴旋转而变得一致了。当分子长轴的方向和二极的方向一致（图5）时，则整个系统的势能增大，系统趋于不稳定。故而，会引起势能变化，使势能降低，系统以某一倾斜角在分子长轴倾斜到该层的法线位置时达到稳定（图6）。即，由外场如电场形成的倾斜度θ′不为零（θ′≠0）。这在S.Garoff等人著的Physical    Review    Letters.Vol.38，page    848（1977）中已有报道。

把呈现层列A相的液晶物质装入到液晶小室，它由两片相互相对排列且设有电极的透明基片形成。液晶小室被置于两片偏振方向相互成直角的起偏振光片之间。

改变温度使呈现层列A相的液晶保持在层列A相状态。当把电场 施加于它时，使液晶物质的分子长轴的取向变化且引起光透射变化，这样就可进行光调制。

呈现层列A相且可用于本发明的光调制元件的液晶物质包括具有以下一般式（Ⅰ）的基本骨架的化合物。

一般式（Ⅰ）中，R为一选自由烷基、烷氧基以及卤代烷基组成的组的基团，l为1或2，m为1或2，n为1或2，A＊为一具有一个旋光不对称碳原子且由以下一般式（Ⅱ）表示的基团。

式中：X、Y和Z各自为一选自由卤素原子、氢原子以及烷基组成的组的一员，w为亚烷基，p为0或1。

用一般式（Ⅰ）表示的呈现层列A相的液晶物质中，最好为一般式Ⅰ的化合物，式中R为具有不大于20个碳原子的烷基，m为1，n为1，p为0，x、y和z为不同的原子或基团。

用一般式（Ⅱ）表示的具有旋光活性中心的基团的最佳实例包括以下一些基团。

PhPh-COO-Ph-COO-

它们中间，特别优先采用的是在近phph-coo-ph-coo-的位置上具有旋光活性中心的基团。

可以在本发明中得以应用的液晶物质的最佳实例包括以下一些化合物：

在本发明中，这些呈现层列A相的液晶化合物既可单独应用，也可同它们中的两种或两种以上一起应用。

可以诸如通过单轴向定向控制法如利用定向控制膜的表面处理法或者应用间隔边界的温度梯度法使装入到液晶小室的间隙中的呈现层列A相的液晶物质定向。最好通过使液晶小室保持在接近液晶物质的层列A相的上限的温度下，再用直流偏置电压把电场加于其上，进行 液晶物质的初始定向。

通常，把业已装入液晶且经初始定向的液晶小室置于两片起偏振光片之间。所说的两片起偏振光片这样设置，以便偏振方向相互成直角或者相互平行。

可以应用具有由定向树脂膜如聚乙烯醇树脂膜、聚乙烯醇缩丁醛树脂膜等等，在能使碘由膜吸附的碘的存在下，给其偏振性能的偏振膜作为起偏振光片。偏振膜的表面可以涂敷其他树脂，以形成一种多层结构。

图7所示为光调制元件的一个实施例，其中两片起偏振光片如上所述设置。图7中，1代表偏振方向相互成直角的起偏振光片，2代表透明基片，3代表透明电极，4代表控制元件厚度的垫片，5代表呈现层列A相的液晶物质。

起偏振光片中的一片可以是一层至少反射可见光范围的光的反射层。

可以并排地把液晶元件置于两片起偏振光片之间，以便透射光的延迟值范围为0.13～0.26μm。在这种情况下，可以把一个元件的基片和两者相邻的另一个元件的基片结合成整体。

一般来说，当均匀地使铁电液晶定向时，甚至当在层列A相的温度范围内把电场施加于它时，形成的倾斜角θ近似地为零。然而，用该化合物如MHPOBC（4′-（1-甲基庚氧基羰基）苯基-4-辛氧基联苯基-4-羧酸酯），所说的θ是十多度。θ值是在可以用于光调制元件的液晶物质的数值范围内。

因此，当均匀地使一些化合物如上述的化合物定向且在层列A相的温度范围内把电场施加于在起偏振光片之间置于的小室时，可以进行光的调制。

当把电压加到这种光调制元件时改变透射光量。图8所示为用M HPOBC的光调制元件中透射光量变化的一实例。在该实例中，检偏振器这样设置，以便当电场变负和改变分子长轴的方向时，使检偏振器的方向与取向方向一致。因此，透射光的强度在电场强度变成负值时达最小值。图8还显示该元件中的分子的定向方向。由图8可以认为，人们可有效地进行光的调制。还可以认为，由电场强度与透射光量之间的关系可以容易地得到层次性能。

在用电场启动光调制元件时，以前业已在其中采用向列液晶物质的显示装置中被实用的阵列启动（matrix    driving）提出各种问题。在其他的一些问题，最严重的是称之串扰“cross    talk”的一种现象，即，当把电场施加于待显示的象素或象点时，则电场在不同的程度上被加在处于想要显示的元件的附近的象素或象点上。为了消除这一不希望的现象，对于用电场独立地启动单个象素或象点来说，本发明的光调制元件中可有利地使用非线性元件或者有源元件。更准确地说，例如，可以用电阻的非线性特性如变阻器、MIM（金属-绝缘体-金属）以及二极管作为具有二终端元件的非线性元件。

具有三终端元件的有源元件的实例包括TFT（薄膜晶体管）、si-MOS（硅-金属氧化物半导体场效应晶体管）以及SOS[Spphier上的硅（Silicon    on    Spphier）]。

而且，与手性层列C相比较，可以极其简单地控制定向，因为层列A相中的分子长轴的方向仅仅在一个方向上调节。

可以在短时间内作层列A相的定向。因此，可以以与用一般向列相液晶物质制作液晶显示器元件的相似的方法制作应用呈现层列A相的液晶的光调制元件。

当把呈现手性层列C相的液晶物质装入到大约2μm的间隙中形成手性层列C相时，则稳定地存在着两种分子长轴的方向。因此，稳定态的平衡会在进行单轴向定向调节时失去。有一个问题在于，当为 保持两种方向的稳定态的平衡而进行双轴向定向调节时，则不可能获得良好的初始定向。另一方面，当用层列A相的良好初始定向进行光的调制时，则可以通过单轴向定向进行调节。而且，可以通过应用正、负电场进行相等的转换。

通常，在层列A相的温度范围内的光转换速率大约为1微秒，可以极其快的速度作出响应。

除了呈现层列A相的举例的液晶化合物之外，本发明可以共同地使用不呈现铁电性能的液晶化合物。而且，可以使染料与呈现层列A相的液晶组合物混合。在这种情况下，利用染料的光吸收的方法被认为是显示方法。即，假定有利用一片起偏振光片的主体一客体系统中的显示方法。

本发明的光调制元件具有这样一些优良的性质：（1）可以容易地进行初始定向;（2）不要求极薄的膜;（3）取向状态具有大的抗机械冲击性;以及（4）具有良好的层次性质。

以下，将结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不仅限于此。

实施例1

将具有以下一般式的液晶化合物装入到有一厚度为3.6μm的液晶小室的间隙中。该小室介于这样设置的两片起偏振光片之间，即它们的偏振方向相互成直角。

液晶化合物在不大于60℃的温度下呈现层列A相。

在把液晶物质装入到液晶小室之后，把小室加热到60℃，使液晶化合物呈液状。以大约5℃/小时（温度梯度法）的冷却速率逐渐使 小室冷却。获得良好的初始定向。再把电场施加于它，观测形成的倾斜（分子长轴的定向方向中的变化）。图9所示为温度与形成的倾斜角θ的关系。在45℃下，在+3V获得亮态（开）而在-30V获得暗态（关）。亮态和暗态的亮度对比度为22倍或22倍以上。45℃下光响应速度为20微秒。

当使用这种元件时，可以提供一种具有良好初始定向和高的响应速度的光调制元件。

实施例2

使聚酰亚胺（PIQ-5400，一种Hitachi    Kasei    Kogyo公司的产品）溶解于N-甲基-吡咯烷酮中，制备一种聚酰亚胺含量为1.2%的涂料溶液。

采用旋转涂料法以2000转/分的转速把涂料液涂敷在玻璃基片的一表面上设有的ITO透明电极的表面上。

在325℃下使经涂敷的玻璃基片加热30分钟，使聚酰亚胺固化，由此形成一种厚度为150～200 的聚酰亚胺薄膜。

用尼龙布以一个方向摩擦聚酰亚胺薄膜的表面，使聚酰亚胺薄膜具有可使液晶物质定向的性能。

以这种方法，制备两片基片。

分别地以138∶30的比率（重量）使环氧树脂（LCB-304B，由EHC公司制造）与固化剂（LCB-310B，由EHC公司制造）混合，制备一种环氧树脂粘合剂。

采用丝网印制法把环氧树脂粘合剂施加到基片之一的周围部分，它具有在其上形成的ITO和聚酰亚胺薄膜（施加到聚酰亚胺的表面上）。

以1%（重量）的纤维量单独地把细粒状纤维（GP-20，由EHC公司制造）分散到氟里昂中。得到一种垫片悬浮液。纤维的l/d值大 约为10，其中d为直径，l为长度。

把垫片悬浮液喷涂在基片的表面上，其上有粘合剂部分。两片基片这样设置，使聚酰亚胺薄膜相互相对排列。在50℃下使其加热15分钟，在60℃下加热15分钟，在70℃下加热15分钟，在80℃下加热15分钟，在125℃下加热30分钟，在170℃下加热60分钟，完成结合，由此制备液晶小室。所得液晶小室具有大约2μm的间隙。

液晶小室介于两片这样排列的起偏振光片之间，即偏振方向相互成直角。

将具有以下一般式的液晶物质装入到小室的间隙中。该化合物在60℃或低于60℃的温度下呈现层列A相。

装入液晶物质之后，在60℃下加热小室，使液晶化合物呈液状。用温度梯度法，以大约1℃/分的冷却速率使化合物逐渐冷却，从而达到液晶物质的良好初始定向。

当把电场施加于由此而得到的液晶化合物呈现层列A相的状态的光调制元件时，观察到了引起的倾斜（分子长轴的定向方向上的变化）。

在45℃下，当施加+30V电压时，获得亮态（开），而当施加-30V电压时，获得暗态（关）。

光调制元件的亮态和暗态的亮度对比度为24。45℃下光响应速度为25微秒。含有特性为3≤l/d≤100的纤维的光调制元件具有良好的液晶物质的初始定向以及高的响应速度。

实施例3

除了用一片由铝制成的反射片代替一片起偏振光片之外，重复实施例2的步骤，制备一种光调元件（该反射片放置在小室的一外侧上，起偏振光片放置在它的另一外侧上）。

即，装入到小室中的液晶化合物为实施例2中所用的化合物。

装入液晶化合物之后，把小室加热到60℃，以与实施例2中相同的方式使化合物呈液状。用温度梯度法，以大约1℃/分的冷却速率使小室逐渐冷却，由此达到良好的液晶物质的初始定向。

当把电场施加到由此得到的液晶化合物呈现层列A相的状态的光调制元件时，观察到了引起的倾斜（分子长轴的定向方向上的变化）。

在45℃下，当施加+30V电压时，光调制元件出现亮态（开），而当施加-30V电压时，则出现暗态（关）。

光调制元件的亮态和暗的亮度对比度为24。45℃下光响应速度为41微秒。

具有一片起偏振光片和一片至少反射可见光的反射片的光调制元件具有良好的开关对比度和高的响应速度。

实施例4

除了以大约1℃/分的冷却速率使液晶小室逐渐冷却而把直流30V施加于小室之外，重复实施例2的步骤。

即，装入到小室中的液晶化合物为实施例2中所用的化合物：

装入化合物之后，把小室加热到60℃，以与实施例2相同的方式使化合物呈液状。

在直流电压下，用温度梯度法使化合物达到良好的初始定向。初始定向比率为63。初始定向比率为液晶元件在显微镜的转盘上旋转时，最亮时透射光的强度（L最大）与最暗时透射光的强度之比。

当把电场施加到由此得到的液晶化合物呈现层列A相的状态的光调制元件时，观察到了引起的倾斜（分子长轴的定向方向上的变化）

在45℃下，当施加+30V电压时，观察到了亮态（开），而当施加-30V电压时，则观察到了暗态（关）。

实施例5

除了环氧树脂、固化剂以及控制间隙（小室的间隙）用小珠（GP-20，由EHC公司制造）以138∶30∶3（重量）的比率混合，制备一种环氧树脂粘合剂，以及用丝网板印制，以粘合部分具有8个如图10中所示a¹～a⁸切口的方式，把粘合剂施加到一片基片的周围部分（在聚酰亚胺薄膜的表面上）之外，重复实施例2的步骤。由此制备的液晶元件具有2μm间隙。除了同时通过切口把液晶化合物装入到小室之外，以与实施例2中相同的方法制备光调制元件。

装入到液晶小室中的液晶化合物为实施例2中所用的化合物：

同时通过切口把化合物装入到小室之后，把小室加热到60℃，使化合物呈液状。以大约1℃/分的冷却速率使小室逐渐冷却，从而获得良好的液晶物质的初始定向（初始定向比∶16）。

当把电场施加到由此得到的液晶化合物呈现层列A相的状态的光调制元件时，观察到了引起的倾斜（分子长轴的定向方向上的变化）。

在45℃下，当施加+30V电压时，观察到了亮态（开），而当施加-30V电压时，观察到了暗态（关）。

光调制元件的亮态和暗态的亮度对比度为18。45℃下光的响应速度为33微秒。

应用具有设有许多切口的垫片的液晶小室可以获得具有良好初始定向比和高的响应速度的光调制元件。

实施例6

把以下液晶化合物

装入到液晶小室中，其中玻璃基片上设有一有源元件，它按图11所示制备。

装入化合物之后，把液晶小室加热到60℃，使液晶化合物呈液状。以大约1℃/分的冷却速率使小室逐渐冷却，从而获得良好的初始定向（对比度：8）

当把电场施加到处于层列A相状态的小室上，观察到了引起的倾斜（分子长轴的定向方向的变化）。在45℃，+30V下，获得亮态（开），而在-30V下，获得暗态（关）。当两种连接的象素分别称之一种选择性象素和一种非选择性象素时，对比度为7。

实施例7

以以下方法制备液晶小室。在一片用与实施例2中的相同方法设置了ITO透明电报薄膜的玻璃基片上进行聚酰亚胺涂敷和定向处理。 在另一片设有ITO透明电极薄膜的玻璃基片上进行氧化硅的斜向涂敷金属。

彼此装上两片这样得到的具有能使液晶定向的玻璃基片，制备计值小室。通过丝网板印制用环氧树脂粘合剂涂敷涂有聚酰亚胺膜的玻璃基片的表面，使两片基片相互结合且控制小室的间隙。所用的环氧树脂粘合剂是通过以138∶30∶3的比使粘合剂的基本组分（LCB-304    B，一种EHC公司的产品）与固化剂（LCB-310B，一种EHC公司的产品）和小珠（GP-20，一种EHC公司的产品）混合而成。小珠用于控制小室的间隙。两片玻璃基片中的一片用环氧树脂粘合剂涂敷且以使透明电极相互相对的方式保持在另一基片上。粘合剂在这样的条件下固化，即在50℃下加热15分钟，在60℃下加热15分钟，在70℃下加热15分钟，在80℃下加热15分钟，在125℃下加热30分钟以及的170℃下加热60分钟。

把由此制备的间隙大约为2μm的小室介于这样排列的两片起偏振光片之间，即偏振方向相互成直角。

把以下液晶

装入到液晶小室中。化合物装好之后，把小室加热到60℃，使化合物成液状。以大约1℃/分的冷却速率使小室逐渐冷却，从而获得良好的初始定向（对比度：7）。

当把电场施加到处于层列A相的小室上时，观察到了引起的倾斜（分子长轴的定向方向上的变化）。在45℃下，以+30V，获得亮态 （开），以-30V，获得暗态（关）。亮态和暗态的亮度的对比度为8。45℃下光的响应时间为63微秒。

因此，具有设有能使液晶定向的无机薄膜的透明基片的光调制元件呈现良好的初始定向且具有高的响应速度。

Claims (19)

1、一种光调制元件，其特征在于它包括一包含一个由两片透明基片，其中至少一片是弹性的，组成的小室的液晶元件，每片基片的一表面上设有一透明电极，以及一种呈现层列A相的液晶物质，所说的基片这样设置，使透明电极相互相对排列，它们之间有一间隙，其间用所说的液晶物质充填。

2、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于它进一步包括在至少一片所说的基片的外测设置一片起偏振光片。

3、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中通过所说的液晶元件的透射光的延迟值在0.13-0.26μm范围内。

4、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于它进一步包括一片起偏振光片和一层至少反射可见光的反射层，其中所说的液晶元件介于所说的起偏振光片和所说的反射层之间。

5、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中把由所说的透明基片形成的间隙的宽度调整到由所说的透明基片的壁面效应可以使所说的液晶物质定向以及其中具有以下长度比（l/d）的纤维淀积在所说的液晶物质中：

3≤l/d≤100

其中：d为纤维的直径，l为纤维的平均长度。

6、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于它进一步包括一层在透明电极上的取向控制层，其中所说的取向控制层包括一种有机高聚合物膜，它具有不低于所说的密封材料的固化温度的β-色散温度。

7、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于，借助于至少一片垫片在透明电极间形成一间隙，其中所述垫片由通过仿造光敏聚酰亚胺前体得到的聚酰亚胺材料构成和其中单畴由所说的垫片和所说的液晶物质之间的界面效应构成。

8、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于它包括一层在所述透明电极上的铁电层，透明电极间的所述间隙，用液晶物质充填和用密封材料密封。

9、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中所说的基片借助于二片或二以上还作取向控制膜的同心O型垫片以有间距相隔地保持。

10、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中所说的基片借助于至少一个还用作取向控制膜的梳状垫片以有间距间隔的保持。

11、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中至少一片基片是柔韧性的。

12、根据权利要求1所述的一种光调制元件，其特征在于其中至少一片基片是满足以下关系式的柔韧性基片：

a⁴/Et³＜0.32

式中：t为柔韧性基片的厚度（mm）;

E为其模量（Kgf/m²）;

a为间隙的宽度（mm）。

13、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中所说的液晶物质业已通过把所说的小室中所包含的所说的物质加热到接近所说的呈现层列A相的物质的上限温度和把直流偏压施加于经加热的物质得以初始定向。

14、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于透明电极的间隙宽度在1-3μm范围内，其间用所说的液晶物质充填，其中所说的基片有间距相隔地保持，其中所说的宽度借助于一片设有许多用于所说的液晶物装入到所说的间隙中的切口的垫片保持。

15、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于一非线性元件与所述的透明电极之一相连。

16、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中所说的透明基片之一与一有源元件相连。

17、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中所说的透明电极之一上设有一能够给以所说的液晶物质定向的有机薄膜。

18、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中所说的透明电极之一上设有一能够给以所说的液晶物质定向的无机薄膜。

19、根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于其中所述的液晶物质由下式（Ⅰa）或（Ⅰb）所代表：

其中R是烷基，烷氧基或卤代烷基，

l是1或2

m是0，1或2

n是0，1或2

A^＊是由式

所代表的具有一光学活性手性碳的基团，其中X，Y和Z各自不同，系选自由卤素、氢和烷基所组成组的基团，W是烯基，P是0或1。

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