CN1024300C - 彩色液晶显示器 - Google Patents

Abstract

一种由手性或胆甾型液晶相微滴分散在聚合物基质中构成的彩色液晶显示器和显示材料，微滴内的液晶显示强的负介电各向异性，于是在电场存在下手性材料的螺旋平面排列得与电场方向垂直。某一选定波长的入射光被反射，该波长与螺距有关。在无电场的情形，液晶取向体被构成或无规取向，于是散射入射光。

Description

本发明一般涉及液晶材料及显示器，更具体地说，本发明涉及一种新的手性液晶显示器和显示材料。

以前已经提出过手性液晶显示器和显示材料，它通常由夹在塑料片内的胆甾相液晶构成。美国专利3，585，381号（1971年6月15日颁发）公开了一种变色显示器，其中的胆甾相液晶是封在适当的膜内。据称，通过在膜上加一个与所包封的液晶层折射率匹配并一致的顶层，彩色的反差及纯度得到了改善。一个相关专利3，600，064号公开了将胆甾相液晶掺到聚合物基质中的各种封装步骤。这些专利提出了用电激发或电场调节颜色的可能性;但是，所公开的胆甾醇酯的介电各向异性小，对施加的电场响应迟钝。另外，这些专利未披露颜色是如何改变的，它可能只是反射光的波长移动或是液晶相变成反射相。

美国专利3，620，889号（1971年11月16日颁发）公开了另一类体系，其中的胆甾相液晶是夹在塑料中。该体系在受热或冷却时会变得透明或不透明，同时发生颜色的变化现象。美国专利4，101，207号（1978年7月18日颁发）公开了另一种体系，其中的胆甾相液晶掺合在聚合物内。如在该专利的实例中所公开的，膜被放在透明电极之间并且在施加电压时显示出动态散射效应。

法国专利申请74，30349号（公布号2，343，234）公开了分散在水不溶性聚合物中的各种胆甾相液晶材料。这些材料基本上是温度敏感的，而且所公开的胆甾醇酯由于介电各向异性小看来对电是不敏感的。

在美国专利4，671，618、4，673，255、4，685，771和4，688，900中公开了关于在透光的聚合物基质中夹裹向列相液晶微滴的最近发展，这些专利的公开内容在这里引用作为参考。在这些专利中所公开的发展是光调制材料制备成液晶微滴的相分离分散体。液晶在聚合物中的相分离可以通过聚合、热诱导或溶剂蒸发来进行。这类材料被称作聚合物分散的液晶材料（PDLC）。

PDLC材料通常用具有正介电各向异性的向列相液晶制成。它的寻常折光率通常与聚合物的折光率相匹配，于是在有电场的状态下，显示器或显示材料象是可见的或透明的，因为微滴的光轴排列得与电场方向平行，而与观看表面垂直。在无电场的状态下，微滴的光轴的取向和排列是无规的，于是入射光被散射，显示材料或显示器象是不透明的。

本发明的目的之一是提供一种电学上可编址的新型液晶彩色显示器，它可以在环境光线下以反射方式工作，或在透射光下以透射方式工作。

本发明的另一目的是提供一种电学上可编址的、新型的扁片状或板状液晶彩色显示器。

本发明的又一目的是提供一种新的电学上可编址的液晶彩色显示器，它在无电场的状态下是半透明的或散射光的，而在有电场的状态下则反射彩色 或透过彩色。

上述目的通过一种液晶彩色显示器得到实现，该显示器含有至少一片由分散在聚合物基质中的液晶相微滴构成的液晶材料，这种液晶处于胆甾相，并且具有负介电各向异性。这种新的显示材料的特点还在于，施加的电场使胆甾相液晶的螺旋平面垂直于电场方向排列，结果选择性地反射某一波长的光，而此波长由胆甾相液晶的螺距决定。在无电场的状态下，聚合物-液晶的边界条件导致液晶取向体构型或无规取向，于是入射光无选择性地被散射，材料变成半透明的或散射光的。

利用在美国专利4，671，618、4，673，255、4，685，771和4，688，900中所公开的相分离方法将液晶微滴分散在聚合物介质中。聚合物可以是热固型的，例如经催化剂或紫外线固化的热固型环氧树脂，或是从范围广泛的热塑性塑料中选择包括用非交联性固化剂固化的改性环氧树脂。如在上述专利中更充分地公开的，液晶的相分离和最终微滴的形成可以通过以下方法实现：将液晶溶在聚合物前体中，然后将聚合物前体聚合;将其中溶有液晶的聚合物熔体冷却;或是将液晶与聚合物溶在一种共同的溶剂中，然后将溶剂蒸发。

构成微滴的液晶可以是不同液晶材料的混合物，它们中的一种或多种单独地并不是胆甾相液晶。成功地实施本发明的基本要求是混合物而不是任何一种单独的组分显示胆甾型液晶相。因此，应该明白，在说明书与权利要求中所用的“胆甾相”和“手性”这些名词包括单一液晶材料，也包括显示出胆甾相的混合物。

因为新型显示器的工作原理依赖于液晶分子转到与施加电场的方向相垂直，从而螺旋平面一般与观看平面相平行，所以液晶必须具有强的或大的负介电各向异性。负介电各向异性的强度在大约-3以上被认为是令人满意的。在实例中公开的已发现是令人满意的那些材料，其负介电各向异性约为-4。

新型显示材料选择性地反射某一波长的光，此波长取决于手性液晶的螺距。于是，利用选择已知螺距的液晶，可以做成新型的聚合物分散的手性液晶（PDCLC）显示器，反射任何颜色。用单片的这种新型材料可以做成单色显示器，另一种作法是，将许多各自反射不同颜色的片叠加在一起，制成多色显示器。在这两种情形里，显示器都在环境光线下不加起偏振器以反射方式操作，加上圆偏振器，它们可以在背面光照的情形下以透射方式操作，这种实现全色透射或反射的独特能力使它具有许多潜在的应用。例如，本发明的显示器可以用来代替常规的黑白液晶显示器，以便为诸如钟表、计算器、计算机、电视屏幕等项应用提供更吸引人的黑色与彩色显示。

若是把三片各自反射不同基色的本发明的新材料叠加在一起或组合成一个复合片，并分别编址，则可以通过加色混合原理，以反射方式得到任何所希望的颜色。这种多色反射型显示器可以用在电视公告牌、钟表、计算机显示屏等方面。

若是在显示器中把反射不同基色的几片叠加或组合成复合片，并且采用背面照明以透射方式操作，则可以通过减色混合规则得到所希望的任何颜色。在这种透射型显示器中，采用一个单个的圆偏振滤片以过滤入射光或射出光。透射型显示器的应用方面包括与投影仪一起使用的计算机控制的投影板、剧院天篷、交通指示灯、在暗室中使用的彩色显示器等。

在另一些用途里，将含有三种基色的三个独立活化的片合并成一个复合片，以便作成供透射光用的可调色快门。当不加电压时复合片是半透明的，而当施加电压时将会选择性地阻挡或反射光。所阻挡或反射的光可以通过活化复合片中的一个或多个元件来选择。

本发明的显示器可以用作供圆偏振光用的电压可控的反射滤光片。当不施加电压时，没有光被反射出来。当对此装置施加电压时，具有所选择的反射波长的圆偏振光被反射，而同一波长的正交偏振光则透过。可以在一个复合片中同时装有左旋和右旋片，以便使它有可能用电学方法选择反射还是透过所选定的反射波长的偏振光，或者是，利用同时旋转两个片的方法，将该波长的光全部反射。

本发明的其它目的、优点、用途和对它的更充分的了解可以从附图及以下公开的详细内容中得出。

图1（A）和1（B）分别是本发明显示器在无电场和有电场状态的局部横截面示意图，该器件包含有一片光调制材料。在图中用分散在聚合物中的代表性的液晶微滴描绘。

图2表示一个绿色反射显示器在各种施加电压下的反射率与波长的关系图。

图3表示对于一个经受脉冲电压的显示器，其反射强度随时间的变化图。

图4是三个叠加的显示片的示意图，每个显示片反射不同的颜色并且可分别编址。

现在参看附图，特别是图1（A）和1（B），根据本发明制成的液晶显示器一般标以参考数字10。显示器10含有一对玻璃的或塑料的基片11和12以及一包含着手性液晶的分散微滴的固体聚合物片13。玻璃基片11、12的内表面上有透明的导电电极涂层15与交流电源16相连。开关17控制电压供应。

在图1（B）的施加电场的状态，微滴14中的手性液晶的螺旋平面一般是排列成垂直于由电极15施加在材料13中的电场方向。在这种排列状态下，入射到基片11或12上的一部分光线将被反射。被反射的光的波长由手性液晶的螺距决定，反射光将是圆偏振光（右旋或左旋），这由手性材料的扭曲方向决定。未被反射的光透过显示器而不被吸收。例如，若是手性液晶显示器反射入射的右旋圆偏振（RCP）绿光，根据减色混合规则，透射光应为品红加左旋偏振（LCP）绿光。如果手性液晶显示器反射右旋圆偏振红光，则透射光应为青光加左旋圆偏振红光，而反射右旋圆偏振兰光的显示器应透射黄加左旋圆偏振兰光。

图1（A）图示说明了处于无电场状态的显示器10。微滴14和聚合物13之间的界面状态造成一种液晶取向体（director）构型，它无选择性地将入射到显示器上的入射光散射。在无电场即散射光的状态时，显示器10是半透明和不反射的。

图2表示一个绿色反射显示器的反射强度在各种施加电压下随波长的变化。515毫微米处的尖锐的光谱峰证实了所反射的颜色的纯正。图3表示绿色反射显示器对于快速电压跃变的时间响应。除了其它因素之外，响应时间还与微滴的大小有关，滴越大则响应时间越慢。本发明显示器中典型的微滴大小是从大约1微米至20微米，虽然对于特殊的情形可以制得更大或更小的液滴。可以参看美国专利4，673，255号，其中公开了控制相分散材料的微滴大小的方法，应该明白，图2和3所根据的是从实例1所述的实验性显示器得出的数据，它们不代表根据本发明制成的显示器的极限或最佳性能。

图4说明了一个叠加的或复合的片形显示器的操作原理，该显示器中的每个元件反射一种不同的颜色。这种显示器标以参考数字20，它包括夹在基片24之间或导电电极25之间的三个片21-23。片21-23与在图1（A）和1（B）中所述的片相似，都由分散着手性液晶的聚合物构成。在本发明的这一实例中，指定21-23的每个元件或每一片各自反射一种不同的基色。例如，片21可以反射红色，片22反射绿色，片23反射兰色。

如图4所示，片21-23可以用可调电压电源26分别编址;换句话说，应该明白每一片都可以按图1（A）和1（B）的方式通过通-断电压电源进行激励。通过分别控制每个彩色元件或彩色片的激励和反射强度，按反射方式或透射方式均可观察到连续范围的彩色，因为不为一个元件反射的某波长的光仍然可以为另一元件所反射。在透射方式的情形，必须使用圆偏振器（图中未示出）以实现完全的颜色控制。

在反射模式的情形，元件即片21-23被有选择性激发，使它们分别反射红、绿和兰基色。所反射的颜色将加合在一起，从而可以得到色品图上的所有颜色。在透射方式的情形，通过减色混合可以得到各种颜色。例如，激发元件21和22，在透射方式下得到兰色;激发元件22和23，在透射方式下得到红色，余此类推。无论是反射或是透射方式，不能透射的光则被反射，反之亦然，因此没有光被吸收，显示器不会过热。这在诸如投影仪之类入射光很强的场合下应用时是一项重要的条件。

实例1

构成了一种绿色反射式显示器并成功地进行了演示。手性液晶的微滴相分散在由聚乙烯醇缩丁醛构成的热塑性聚合物中。上述微滴是向列相液晶与手性液晶的混合物。该液晶混合物具有大约为-4的强的负介电各向异性，而且手性液晶高度扭曲。重量百分比例是：47%聚乙烯醇缩丁醛、20%手性液晶和33%向列相液晶。将上述这些物质溶解在氯仿溶剂中、混合、放在导电载片上。然后在高温下将溶剂挥发。在聚合物/液晶混合物上放一个导电的上载片或基片，然后将上述混合物冷至约115℃，此时液晶相分离成微滴。微滴的大小可以 通过冷却程序来控制。在本例中，微滴直径约为15微米。在不同电压下反射强度随波长的变化以及显示器对阶跃电压的响应分别示于图2和3中。

实例2

利用实例1中所述的溶剂蒸发法制备了一个红色反射式显示材料。该材料的比例是48.3%的聚乙烯醇缩丁醛、17.2%的手性液晶和34.5%的向列相液晶。在制备之后，在反射显微镜下于85℃的温度检验此材料。聚合物基质中的手性液晶滴呈现明亮的红色。

实例3

利用实例1中所述的溶剂蒸发法制备了一个蓝色反射式显示器材料。该材料的比例是46.8%的聚乙烯醇缩丁醛、21.9%的手性液晶和31.3%的向列相液晶。在85℃于反射显微镜下检验含有相分散的微滴的硬化的聚合物。微滴呈现蓝色。

实例4

用催化剂固化的环氧树脂制备成一个显示器材料。所用液晶是一种手性混合物，其重量百分组成为47%EN38（Chisso化学公司）、30%CE10（British药物公司）和23%CM20（Chisso化学公司）。环氧树脂含有16.7%的EPON828（Shell化学公司）、32.3%的MK107（Wilmington化学公司）和50%的CAPCURE    3800（Miller-stephenson化学公司）。然后将液晶和环氧树脂混合物按环氧树脂∶液晶为3∶1的比例组合，令其在室温下固化3小时，然后放在导电的显微镜载片上，在65℃烘烤30小时。所得的微滴的直径为10微米。

根据前述的详细的公开内容，专业技术人员显然可以对本发明作许多变动。因此应该明白，在所附的权利要求的范围之内，实施本发明时可以与前面具体指出和说明有所不同。

Claims (7)

1、一种液晶彩色显示器，其中包含有至少一片由分散在聚合物基质中的液晶相微滴构成的液晶材料，所述液晶处于胆甾相，具有负介电各向异性，所述液晶材料的特征还在于：

在不加电场时，微滴内的液晶无规取向，结果使入射光被散射，同时

施加电场使胆甾相液晶的螺旋平面垂直于电场方向取向排列，从而选择性地反射某一波长的光，该波长由胆甾相液晶的螺距决定。

2、一种根据权利要求1的显示器，其中含有至少两片液晶材料，每片反射一种不同的基色。

3、一种根据权利要求1或2的显示器，其中在液晶片的外表面上有电极装置，用来建立所述的电场。

4、一种根据权利要求1的显示器，包括多片所述具有不同螺距手性液晶的片，以便每层可反射不同颜色的光，以及有选择地将电压加至所述多个层上的装置。

5、根据权利要求4的显示器，其中所述液晶材料层中的一层反射红光，另一层反射绿光，第三层反射兰光。

6、根据权利要求4或5的显示器，其中所述装置以反射方式操作，以便通过加色混合获得某一范围的反射色。

7、根据权利要求4或5的显示器，其中所述显示器以透射方式操作，以便通过减色混合获得某一范围的颜色。

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