CN1057615C - 多稳态手性向列显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光调制反射显示元件，其中包含一种无聚合物的手性向列液晶光调制材料。这种元件包括具有正介电各向异性的向列液晶和其数量使得能有效地形成聚焦锥形结构和扭曲平面结构的手性材料。该手性材料具有使得能有效地反射可见光谱中的光线的节距长，其中聚焦锥形结构和扭曲平面结构在电场不存在时是稳定的，且该液晶材料在施加电场时能改变结构。

Description

多稳态手性向列显示器

本申请是美国序号为07/694,840(申请日：1991.5.2)美国申请序号为07/885,154(申请日：1992年5月18日)及美国申请序号为07/969,093的部分继续申请，上述三份申请在此申请中供参考。

本发明一般地涉及液晶光调制器件，更具体地涉及在不同电场条件下呈现不同光学状态的新型无聚合物液晶显示元件和材料，其特征在于独特地兼备多种性能，包括光学多稳定性以及在有电场或无电场状态下在所有视角的光透射均无雾状。

已经有人利用各种类型和浓度的液晶和聚合物，制备了旨在用于电光学器件中的可电切换液晶膜。一种这样的技术涉及把液晶吸入一种塑料或玻璃片材的微孔中。另一种技术涉及在聚乙烯醇等水溶性聚合物溶液或胶乳乳液配制的向列液晶水乳液中的水蒸发。

一种显著优于机械截留技术和乳化步骤的不同方法，涉及从一种与适用的合成树脂的均相溶液分离液晶，形成一种与聚合物相彼此散置的液晶相。这些类型时膜(其中有一些称为PDLC)已被证明可用于很多用途，包括从大面积显示和可切换橱窗涂层到投影显示和高清晰度电视。

上述材料和工艺全都有需要大量昂贵试剂和起始材料的缺点。与这些系统相联系的各种吸入、乳化或聚合步骤显著增加了其制造的成本和复杂性。此外，当使用大量的聚合物时，由于液晶的有效折射率和聚合物的折射率之间的明显不匹配，它们开始随斜视角增大而显示出特有的“雾状”缺点，直至在足够斜的角度上观测到基本上不透明的外观。

在原始申请中，发现了利用手性向列液晶和聚合物可以制备良好的彩色反射显示器。这些显示器的优点是显示多稳定性的颜色反射状态，而且当聚合物数量低时看不到雾状。然而，尽管它们有很多优点，但这些显示器仍需要使用聚合物，因而具有与之相联系的缺点。

令人惊奇的是，现已发现，能制备一种无聚合物的多稳态颜色反射元件，它显示出稳定的颜色反射和光散射状态，且在两者之间有以不同的反射强度为特征的多个稳定光学状态。根据电场寻址脉冲的电压，这种材料可以在这些多个光学状态之间转换，所有这些状态在没有加电场时都是稳定的。

本发明的一个重要特色是，无需聚合物就能制备一种反射颜色显示单元，因而它能呈现多种不同的光学状态，所有这些状态在未加电场时都是稳定的。这种显示器可以用电场从一种状态驱动到另一种状态。因电场脉冲的量级和形状而异，这种材料的光学状态可以转变成一种新的稳定状态，后者能沿这类状态的连续统反射任何一种所希望的彩色光强度，从而提供一种稳定的“灰度”。令人惊讶的是，无需聚合物和与之相联系的附加费用与制造复杂性，就能制备这些材料。

一般地说，给该材料加一个足够低的电场脉冲导致一种呈白色外观有光散射状态。在这种状态下，由于表面效应、弹性力和电场之间竞争的结果，一定比例的液晶分子具有聚焦锥形结构(focal conictexture)。在加了足够高的电场脉冲，即一个高得足以使液晶导向偶极子(liquid crystal directors)发生同向取向(homeotro-picallyalign)的电场之后，该材料便弛豫到一种光反射状态，它根据手性向列液晶的间距(pitch length)，可表现为绿色、红色、蓝色或任何一种预先选择的颜色。这种光散射状态和光反射状态在零电场时仍保持稳定。通过对该材料施加一个介于能使之从反射状态转换成散射状态或反之亦然的电场之间的电场，就能得到以在反射状态和散射状态所显示的反射程度之间变化的反射程度为特征的稳定灰度状态。当手性向列液晶处于平面彩色光反射结构并施加一个中间电场脉冲时，处于平面结构的材料量以及彩色光的反射强度会减小。类似地，当该材料处于聚焦锥形结构并施加一个中间电场脉冲时，处于平面结构的材料量将会增加，显示单元的反射强度也会增加。当电场撤除时，该材料是稳定的，且仍处于所建立的结构，能无限地反射该种光强度而不管它是从何种结构开始的。

如果保持一个高得足以使液晶导向器发生同向取向的电场，则该材料是透明的，直至该电场撤销。当把该电场迅速取消时，该材料就转变到反射状态，而当把该电场慢慢取消时，该材料就转变成光散射状态。在每一种情况下，电场脉冲较好都是交流脉冲，更好的是方波交流脉冲，因为直流脉冲往往会引起离子导电并限制显示单元的寿命。

虽然无意受理论制约，但相信当施加电压时，一定比例的该材料在电场存在时进入一种混乱相(turbid phase)。该材料中那些显示混乱相的部分倾向于在电场撤销时弛豫到一种聚焦锥形的光散射结构。该材料中那些未受电场影响的部分，即那些没有进入混乱相的部分，仍处于平面的光反射结构。显示单元反射的光量取决于处于平面反射结构的材料量。当提高该电场的电压时，有更高比例的该材料在电场存在时进入混乱相，而后在电场撤销时弛豫到焦点锥形结构。由于显示单元的反射量正比于处于平面反射结构的材料量，所以显示单元的反射量随着电场量级增大而沿一灰度降低，因为该材料中有更多的部分进入混乱相并转变成聚焦锥形结构。在因材料而异的一定阈值电压，该材料在电场撤销时基本上全部转变成聚焦锥形结构，其特征是显示单元的反射率处于或接近于最小值的光散射条件。当取消电压时，所取的结构是稳定的并仍将无限地散射。当电压进一步提高而达到高得足以使该液晶松开并使液晶导向器发生同向取向的程度时，该材料是透明的，并将保持透明直至电压撤销。当电场撤销时，该材料倾向于从同向结构(homeotropic texture)弛豫到稳定的颜色反射平面结构。

当该材料处于一种光散射聚焦锥形结构并施加一个低电压脉冲时，该材料开始改变结构并再次得到稳定的灰度反射率。由于该材料在此始于散射的聚焦锥形结构，所以灰度反射率的特征是该反射率以该材料基本上全部处于散射聚焦锥形结构时显示的反射率为起点而增加，尽管已经观察到在一些样品中反射率最初可能降低。相信反射率增加可归因于该材料由于所加电场的结果逐渐发生同向取向的那些部分。那些发生同向取向的部分在电场撤销时弛豫成一种稳定的平面光反射结构，而该材料的其余部分则由于电场的结果而呈现混乱相并在电场撤销时弛豫回到聚焦锥形结构。当电压进一步增大而达到使液晶基本上全部发生同向取向的程度时，该材料再次呈现为透明并在电场撤销时弛豫成稳定的平面颜色反射结构。

总而言之，相信该材料中那些由于所加电场的结果而进入混乱相的部分在电场撤销时弛豫成一种稳定的聚焦锥形结构，而那些由于所加电场的作用而发生同向取向的部分在电场撤销时弛豫成一种稳定的平面结构。相信当从同向取向的液晶慢慢撤销高电场时，这种材料回到散射聚焦锥形状态，因为慢慢撤销使该材料进入混乱相，在电场撤销之后它看来持续地从混乱相弛豫成一种聚焦锥形结构。当高电场迅速撤销时，该材料没有进入混乱相，因而弛豫成平面反射结构。在任何情况下，都能看到，在能驱动该材料从稳定反射状态转变成稳定散射状态或反之亦然所需的数值以下的各种幅度的电场脉冲，将使该材料转变成本身稳定的各种中间状态。这些多级稳定状态无限地反射一种强度介于反射状态和散射状态的反射强度之间的彩色光。因此，根据电场脉冲的幅度，这种材料显示出稳定灰度反射率而无需聚合物。驱动该材料在各种不同状态之间转变所需的电场幅度，当然将因特定液晶的性质和数量以及显示单元的厚度而异。也可以利用对该材料施加机械应力来使该材料从光散射状态转变成光反射状态。

这种多稳定材料的一个主要优点是，它不需要一种有源矩阵来制作高清晰度平板屏幕。这种屏幕无需在每个像素部位上设置有源元件和用以对该显示器寻址的多路调制方案就能制备。这大大简化了生产，提高了产率并降低了该显示器的成本。由于该材料不需要聚合物，所以本发明实现了甚至更大的生产简化和成本节省。本发明的其它优点是，光散射状态和光反射状态无需聚合物或基底的精微表面条件就能稳定。用本发明的材料制作的显示器器件不需要会限制显示器亮度的偏振器，颜色由材料本身引进而无需也会降低亮度的滤色器。

以上所述的本发明的有利性质，是通过提供一种光调制反射元件实现的，该元件包含一种无聚合物的手性向列液晶光调制材料，包括具有正介电各向异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见光谱中的光线的节距的焦点锥形结构和扭曲平面结构，其中焦点锥形结构和扭曲平面结构在无电场时是稳定的，且该液晶材料能在施加电场时改变结构。

寻址装置可以是现有技术中已知的任何类型的，例如有源矩阵、多路凋制电路、电极和激光器。结果，可以使这种新材料在不同电场条件下呈现不同的光学状态，即光传输，光散射，光反射和介于这些状态之间的稳定灰度，而无需聚合物和与其相联系的复杂制造工艺。

手性向列液晶是具有其数量足以产生所希望的节距长的正介电各向异性的向列液晶和手性材料的混合物。适用的向列液晶和手性材料是商业上可获得的，而且鉴于本公开，对于那些有本门技术一般技能的人来说也是知道的。向列液晶和手性材料的数量将因所使用的特定液晶和手性材料以及所希望的运行方式而异。

这种材料所反射的光的波长由如下关系给出：λ＝np，式中n是平均折射率，p是节距长。介于大约350nm和850nm(纳米)之间的波长属于可见光谱。因此，具有本门技术一般技能的人将能根据所涉及材料的折射率并根据液晶手性掺杂以获得最佳节距长的一般原理，例如Hoffmann-La Roche，Ltd.发行、题为How to DopeLiquid Crystal Mixtures in Order to Ensure Optimum Pitch andto Compensate the Temperature Dependence(Schadt等人著(1990)，列为本文参考文献)的手册中所述的手骤，来选择本发明的适用材料。

在一个较佳的实施方案中，手性向列液晶的节距长范围为大约0.25～大约1.5微米，更好的是大约0.45～0.8微米。典型的节距长是：蓝色为0.27微米，绿色为0.31微米，红色为0.40微米。此外，手性向列液晶较好含有以向列液晶和手性材料的合计重量为基准计约20％～约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计重量为基准计约20％～约40％(重量)的手性材料。然而，这些范围可因手性材料和液晶而异。向列液晶的正介电各向异性较好为至少约5，更好的是至少约10。更理解的是，这些重量数量可因所使用的特定液晶和手性材料而异。

在实施本发明时，制备含有预期数量的向列液晶和手性材料的溶液，并将引进显示元件基底之间，其中至少一个基底是透明的。然后，用诸如环氧或技术上已知的其它材料，围绕元件的边缘将元件密封。这种显示元件可以用具有本门技术一般技能的人员已知的方法(例如通过毛细管作用)进行装填。一种较好的技术是用真空法装填这些显示元件。这改善了显示元件均一性并消除了显示元件中的气泡。对于电可寻址的显示元件，显示元件壁上先涂透明电极，例如铟锡氧化物，然后再引进液晶。

虽然对本发明不是必要的，但在一些情况下，理想的是用除电极外的材料(例如洗涤剂或化学品)处理显示元件壁，以获得对比度或切换特性方面的变化。可以利用这些处理可影响液晶的均一性、改变各种结构的稳定性、以及改变任何一种表面固定的强度。除利用种类繁多的材料进行这样的表面处理外，对相对的基底的处理也可以不同。例如，这些基底可以沿不同方向摩擦，一个基底可以包括这种附加处理而另一个基底则不进行这种处理，或相对的基底可以用不同材料处理。如以上所说明的，这样的附加处理能产生改变显示元件的响应特性的效果。

任选地，这种手性向列液晶混合物中可以包括其它添加剂，以改变显示元件的特性。例如，虽然颜色是由液晶材料本身引进的，但可以添加多色染料来增强或改变显示元件所反射的颜色。类似地，可以将烟气(微粒)二氧化硅等添加剂溶解在液晶混合物中，以调节各种胆甾结构的稳定性。

本发明的特征还在于对能在反射最大参照强度的颜色反射状态和显示最小参照强度的光散射状态之间转换的无聚合物手性向列液晶材料进行寻址的一种改进方法。这种改进包括施加其幅度在足以达到所述最大值和最小值之间的颜色反射率的幅度之间变化的电压脉冲，因而能从该材料产生稳定的灰度反射率。

较好的是，这种方法的特征是对该材料施加一个有足够持续时间和电压的交流脉冲，使所述手性向列材料的一部分显示第一光学状态，并使该手性向列材料的其余部分显示不同于第一状态的第二光学状态。在这个较好实施方案中，该材料处于第一光学状态的部分呈现平面结构，而该材料处于第二光学状态的其余部分呈现聚焦锥形结构，其反射强度正比于该材料处于平面反射结构的数量。

本发明的很多进一步特征、优点和更充分理解，将从以下对较好实施方案和附图的详细说明得知。

图1是一种包含本发明液晶材料的光调制元件的示意横截面显示。

图2是当使液晶发生同向取向以影响光学透明状态时该材料的示意片断放大横截面显示。

图3是该材料处于光散射状态时的示意片断放大横截面显示。

图4是当液晶有扭曲平面结构时该材料的示意片断放大横截面显示。

图5是一个显示元件对不同电压的交流脉冲的电光学响应曲线图，显示了从平面结构开始在约30～140伏的电压范围内的灰度反射，以及从聚焦锥形结构开始在约140～180伏之间的灰度反射。

图1中图示说明的元件包括玻璃板10和11，它们被围绕其边缘密封，并用隔板12将其分开。如图所示，玻璃板10、11涂有铟锡氧化物(ITO)等，形成透明电极13。标号14代表一种可以涂到这些电极上的任选表面涂层，旨在影响液晶导向器，或改变元件的对比度、反射或切换特性。相对的涂层14可以是同种材料或不同材料的，可以沿不同方向上摩擦，涂层14中的一个或两个也可以完全省去。

图1的显示元件被装填有本发明的无聚合物液晶材料。这种液晶光调制材料一般由含有正介电各向异性的向列液晶和手性材料的手性向列液晶16组成。所示的交流电压源17与电极13连接，旨在使该显示元件在不同光学状态之间转换。

要理解的是，图1中所描绘的显示元件的形式只是为说明本发明的无聚合物液晶材料的一个具体实施方案和功能而选择的，而且要理解，这种材料可以用各种不同方式寻址且可装在其它类型的显示元件中。例如，除用外部激励电极寻址外，这种材料还可以用有源矩阵、多路调制电路或其它类型的电路来寻址，对于从事本门技术工作的人员来说，这些都是显而易见的。类似地，无需可选的表面处理层14也能制备显示元件。

当为了改变显示元件的特性，除摩擦或无摩擦的ITO或其它适用电极外还采用任选表面处理层时，可以使用各种各样的材料。适用的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，无摩擦的聚酰亚胺，聚甲基丙烯酸异丁酯，聚甲基丙烯酸正丁酯，聚乙烯醇缩甲醛(PVF)和聚碳酸酯。两块板可以有相同或不同的材料，且可以是摩擦的、无摩擦的或有其它结构。类似地，相对的表面可以沿不同方向摩擦，也可以用不同方式构造。用摩擦的ITO而无任何附加的表面处理，可得到最好的效果。

液晶材料包括一种有正介电各向异性的向列液晶和一种手性材料，如胆甾类液晶，但不包含任何聚合物。适用的向列液晶包括诸如E.Merck公司制造的E7、E48，E31和E80，尽管实际上任何一种技术上已知的有适当正各向异性氰基联苯都能满足要求。适用的手性试剂包括诸如也由E.Merck公司制造的CB15，CE2，和TM74A。适合用于本发明的其它向列液晶和手性材料对于能看到本公开的熟练技术人员来说会是已知的。可以添加到手性向列液晶混合物中的其它任选成分包括诸如用以调节各种结构的稳定性的微粒二氧化硅和用以调节颜色的染料。

在制备图1中所示的显示元件的一种较好方法中，制备了手性向列液晶同任何附加染料或添加剂等一起的一种溶液。然后，把这种溶液引进玻璃板10、11之间；(这里所示的板10和11带有可选有涂层14。)这可以通过那些具有本门技术一般技能的人员已知的方法，如毛细管装填和更好的是真空装填来进行。一旦引进这些板之间，该显示元件就如同技术上已知的那样围绕其边缘密封起来。

按照本发明制备的、能在稳定的平面状态、焦点锥形状态和灰度状态之间转换的无聚合物显示器在以下的非限制性实例中加以说明。

实例1

制备一种含有37.5％(重量)E48(EM化学公司制造的向列液晶)和62.5％(重量)TM74A(EM化学公司制造的手性添加剂)的手性向列液晶混合物。然后，由两个涂有ITO的基底形成一个一英寸见方显示元件。两个基底的ITO涂层彼此平行地摩光。将10μm玻璃间隔层喷涂到一个基底上，让第二个基底这样形成夹心构造：使其两个边与第一基底重叠，再用夹子把这个显示元件固定在一起。然后用5分钟环氧(Devcon)密封两个非重叠边。

使显示元件保持竖直，并沿该显示元件顶部开口边放置一滴手性向列液晶。然后，在大约15分钟的时间内，该显示元件通过毛细管作用自动得到装填。一旦填满，就从边上除去残留的液晶混合物，再用5分钟环氧密封开口边。

这个显示元件最初处于平面反射状态。一个大约115伏1KHz的100ms低压脉冲使该显示元件转换成焦点锥形散射状态。一个大约180伏1KHz的100ms的较高压脉冲使该显示元件转换回到平面反射状态。平面状态和焦点锥形状态在电场不存在时都是稳定的，且该显示元件呈现介于散射状态的反射状态之间的多级稳定灰度反射状态。

实例2

E48和TM47A的0.6∶1重量比混合物如同前一个实例中一样引进隔开10微米、涂有ITO的玻璃基底之间。这些基底额外涂了一个未摩擦的聚酰亚胺层。这个显示元件最初处于聚焦锥形散射结构，只让HeNe光束的大约30％透过该显示元件。一个10ms、155伏、1KHz的交流脉冲使该显示元件转换成一种反射绿色光的平面结构。处于反射状态的显示元件的透射率是大约65％。一个同样持续时间和波长的95伏脉冲使该显示元件转换回到聚焦锥形散射状态。这个显示元件在各状态之间转换只需不到10ms。

实例3

如同在以上实例中一样，用CB15，CE2(EM化学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备一种显示元件。在这个显示元件中，驱动电压被削减大约一半，因为这种混合物的介电各向异性比使用TM74A时高。这种材料的电光学响应类似于实例1的材料。

表I列出了按照以上实例制备的材料的许多进一步实例。手性材料的浓度，以及向列液晶的类型和浓度，在这些显示元件中各不相同。在每种情况下，手性材料都是CE2和CB15的50∶50混合物。每个显示元件都采用未摩擦的ITO电极作为基底的唯一表面处理。表I中的材料在可见光谱中全都呈现多稳定性，即稳定的反射状态、散射状态和灰度状态。

                           表I手性试剂         向列液晶   厚度   颜色  多稳定性   表面4.CE2/CB15 30％   E48 70％    10μm    红    是         ITO5.CE2/CB15 40％   E48 60％    10μm    绿    是         ITO6.CE2/CB15 50％   E48 50％    10μm    蓝    是         ITO7.CE2/CB15 30％   E7  70％    10μm    红    是         ITO8.CE2/CB15 40％   E7  60％    10μm    绿    是         ITO9.CE2/CB15 30％   E31 70％    10μm    红    是         ITO10.CE2/CB15 40％  E31 60％    10μm    绿    是         ITO

表II列出了按照以上实例制备的、呈现多稳定性并有不同表面处理材料和显示元件厚度的材料实例。在每种情况下，向列液晶都是E31(EM化学公司)，以向列液晶和手性材料的合计重量为基准计，其用量为60％(重量)。在每种情况下手性材料都是CE2和CB15(EM化学公司)的50∶50混合物，以手性材料和向列液晶的重量为基准计，其存在量为40％(重量)。每个显示元件都呈现一种绿色反射状态。反射状态和散射状态在电场不存在时都是稳定的，而且这些显示元件呈现介于其间的稳定灰度状态。在实例17和18中，相对的基底上的PVF涂层分别进行平行和互相垂直摩擦。类似地，实例22和23中相对基底上的涂层分别进行平行和互相垂直摩擦。实例21和24中的涂层是无摩擦ITO电极，而在实例25的情况下，相对基底上的ITO涂层是彼此平行摩擦的。实例13-15中的异丁基和正丁基分别代表甲基丙烯酸正丁酯和异丁酯。这些实例中的间隔同以上实例中一样是用玻璃珠调节的。

                        表II

表面                      厚度                    多稳定性11.100％正丁基                10μm                       是12.100％异丁基                10μm                       是13.75％异丁基/25％正丁基      10μm                       是14.25％异丁基/75％正丁基      10μm                       是15.50％异丁基/50％正丁基      10μm                       是16.聚乙烯醇缩甲醛(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.ITO                        6.7μm                      是22.PI平行摩擦                 6.7μm                      是23.PI垂直摩擦                 6.7μm                      是24.ITO                        10μm                       是25.ITO摩擦                    10μm                       是

表III类似于表II之处，在于它提供了如同在实例1中那样得到的、有不同表面处理和显示元件厚度的多稳定材料的进一步实例。然而，表III中的材料由以手性材料和向列液晶的重量为基准计数量为60％(重量)的TM74A手性材料组成。向列液晶是以40％(重量)的数量存在的E48。这些显示元件也反射呈平面光反射结构的绿色光，并如同在以上实例中一样呈现多稳定性。

                      表III

表面                         厚度                     多稳定性26. 100％正丁基                 10μm                        是27. 100％异丁基                 10μm                        是28. 75％异丁基/25％正丁基       10μm                        是29. 25％异丁基/75％正丁基       10μm                        是30. 50％异丁基/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.PI                           10μm                        是38.ITO                          10μm                        是39.ITO摩擦                      10μm                        是

本发明的无聚合物多稳定颜色显示元件呈现一种稳定灰度现象，其特征是该材料能无限反射介于反射状态所反射的强度和散射状态所反射的强度之间任何一种选择的光强度，前者是在该材料基本上全部呈平面结构时出现的，而后者是在该材料基本上全部呈聚焦锥形结构时出现的。为了本发明之目的，该反射状态以最大强度反射一给定材料的彩色光，所反射光线的颜色决定于手性材料的节距长。一个有适当阈值电压的电场脉冲将使该材料的至少一部分改变其光学状态，并使反射强度降低。如果这个交流脉冲足够高，但仍低于那种会使液晶发生同向取向的脉冲，则该材料的光学状态将完全转变成能反射一给定材料处于最小强度的光线的散射状态。在对于一给定材料可认为其决定该材料的最大反射强度的反射状态和可认为其决定最小反射强度的散射状态之间，反射强度沿一灰度变化，这一灰度就是反射状态和散射状态所呈现的强度之间强度数值的一个连续统。通过对该材料施加一种电压值在能使该材料从反射状态转变成散射状态或反之亦然的电压之间的交流脉冲，就能得到这一灰度范围内的一种反射强度。

虽然无意受理论约束，但已观察到，当该材料最初处于平面结构时沿这一灰度的反射强度近似线性地正比于该脉冲的电压。通过改变该脉冲的电压，可以成比例地改变一给定颜色的反射强度。当撤除电场时，该材料将无限地反射该强度。相信这一灰度电压范围内的脉冲使该一部分材料从表征反射状态的平面结构转变成表征散射状态的聚焦锥形结构。沿这一灰度的反射强度正比于手性材料从平面结构转变成聚焦锥形结构或反之亦然的数量，后者又正比于交流脉冲的电压。

图4示意地说明本发明处于其光反射状态的无聚合物多稳定材料。在这种状态下，手性液晶分子40以一种平行于显示元件器壁的扭曲平面结构发生取向。由于这种扭曲平面结构，该材料将反射光线，其颜色取决于具体的节距长。在这种稳定的反射状态下，该材料呈现最大反射率，后者构成在其下观察到灰度强度的最大参照强度。液晶的这种平面结构在聚合物不存在时是稳定的。如同图3中示意显示的，这种多重稳定的颜色显示材料处于其光散射状态。在这种稳定的散射状态下，这种材料呈现其最小反射强度(即最大散射)，这决定了一种在其上观察到灰度强度的最小参照反射强度。

图4的光反射状态和图3的光散射状态，以及介于两者之间的灰度状态，在电场不存在时都是稳定的。如果该材料处于图4的光反射状态并施加一个低电场脉冲，则该材料将被驱动到图3的光散射状态，并在零电场时仍将保持该种状态。如果这种多稳定材料处于图3的光散射状态并施加一个足以使手性分子解扭的高电场脉冲，则液晶分子就会在脉冲结束时重新形成图4的光反射状态并仍将保持该状态。要理解的是，驱动该材料在各光学状态之间转换所需的每微米显示元件厚度的电压可因材料组成而异，但所需电压的确定完全属于与本公开有关的技术技能范围之内。

如果保持使液晶分子松开所需的高电场，则液晶导向器就会发生同向取向，从而使该材料变成透明。如果电场慢慢撤除，则液晶取向将会重新变成图3的光散射状态，大概是由于慢慢撤除使该材料大部分能进入混乱相。当电场迅速撤除时，取向将转变成图4的光反射状态。介于图4的反射状态和图3的散射状态之间反射的反射强度是稳定的灰度反射率。当然，反射状态和散射状态的强度值可随材料组成变化而变化，但灰度决定于它们之间强度的范围。

在此能使该材料从图4的反射状态转变成图3的散射状态的电压低的电压下，得到了本身在零电场时稳定的灰度状态。在这些灰度状态下，从该材料发出的反射是稳定，因为该材料一部分处于图4的平面反射结构且该材料一部分处于图3的焦点锥形散射结构，这两种结构在电场不存在时都是稳定的。

因此，例如，如果该材料处于图4的反射状态并施加一个电场脉冲，其电压不足以驱动液晶16全部转变成图3中30所示的聚焦锥形结构，即不足以驱动该材料完全转变成散射状态，则该材料将反射彩色光，其强度正比于仍处于平面反射结构的材料量。因此，反射率将低于手性向列液晶全部处于平面反射结构时该材料的反射率，但仍高于当完全转变成焦点锥形散射结构时的反射率。随着电场脉冲的电压增加，手性材料中有更多的部分从平面反射结构转变成散射焦点锥形结构，且反射率进一步降低，直至脉冲的电压增大到该材料全部或大部进入混乱相，材料从这一混乱相再弛豫并完全转变到散射状态。如果脉冲的电压仍进一步增大，则反射强度便开始再次增大，直至该脉冲的量级足以使手性分子大部分松开，这样，它们将在该脉冲迅速撤除时再次转变成平面光反射结构，该材料也再次处于图4的光反射状态。

如果该材料处于图3的焦点锥形散射状态，则施加一个电场脉冲对显示元件的反射率产生影响的剧烈程度将比它始于平面结构时小得多，直至电压达到足以使手性材料松开的幅度，从而当电场撤除时它将如以上所述那样转变成图4的光反射状态。当该材料始于聚焦锥形结构时，灰度显然是在一部分分子由于施加电场的结果而松开并发生同向取向的时候产生的。这一部分分子随后在电场撤除时弛豫成平面反射结构。

一个如上所述的显示元件的响应在图5中加以说明，它显示了实例1中制备的材料对不同脉冲电压的响应。

测定了该显示元件对不同电压的交流脉冲做出响应时的反射率。在这一测定中，使用了100毫秒1KHz的交流脉冲。对于这种材料来说，施加大约180V以上的脉冲使该显示元件转变成反射状态，而不管在施加脉冲之前该显示元件是处于散射状态还是处于反射状态。在此观察到最大的反射，即透射率。该材料在被施加130～140V范围内的一个电压时呈现最大散射，而不管施加脉冲之前该材料是处于平面结构还是处于聚焦锥形结构。

在图5中还显示该显示元件在施加不同电压的脉冲时的灰度响应。在此，改变该脉冲的电压并测定该显示元件的反射(％透射)。曲线A是该显示元件在每个脉冲之前其材料处于反射状态时的响应。在曲线A上绘出的每个脉冲之前都对该材料施加一个高的交流脉冲。以确保它在该脉冲之前完全处于反射状态。当该脉冲的电压低于约30V时，对该显示元件的反射无显著影响。当该脉冲的电压介于约40V和110V之间时，该显示元件的反射率随脉冲电压的增加而近似线性地减少。在这一电压范围内观察到灰度反射率。在每种情况下，该材料都在脉冲撤除之后继续反射。当该脉冲的电压增加到约120～130V时，该材料处于散射状态并呈现接近于最大的散射。当该脉冲的幅度仍进一步增大，达到约150～160V以上时，该显示元件的反射率增大，直到在180V以上时反射率接近其原来数值，即反射状态的反射率。

曲线B说明该显示元件在交流脉冲之前其材料最初处于聚焦锥形散射状态时的响应。在此，对于约30V以下的交流脉冲，该显示元件的反射率不发生显著变化。在约50和150V之间，散射实际上略有增加，并观察到该显示元件的最大散射。在约160V以上，透射迅速增加，且在大约180V以上该显示元件转变成接近于最大透射的反射状态。

可以看到，当该材料从平面结构出发时，灰度与电压的线性关系更加显著得多，而且灰度变化更加平缓。因此，灰度现象的实际应用大多数可能采用从平面结构出发的材料。

由以上的公开，本发明的很多改变与变化对于具有本专业普通技能的人员来说是显而易见的。因此，要理解的是，在附权利要求书的范围内，本发明还可以用除已经具体说明和描述的方式之外的其它方式实施。

Claims (16)

1.一种不含聚合物的光调制反射性显示元件，其特征在于，它具有元件壁结构、手性向列液晶光调制材料和处理所述液晶材料的器件，所述材料的介电各向异性是正的，材料的节距长度能有效反射可见光谱的光，所述元件壁结构和液晶配合作用，形成在没有电场情况下稳定的聚焦锥形结构和扭曲平面结构，所述器件适宜有选择地产生幅度能有效将所述液晶的至少一部分从光反射扭曲平面结构转变成聚焦锥形结构的电场脉冲。

2.如权利要求1所述的显示元件，其特征在于，所述液晶在能有效同向排列液晶的电场脉冲突然消除之后呈稳定的光反射扭曲平面结构，在幅度小于能同向排列液晶的电场脉冲的电场脉冲消除之后呈稳定的光散射聚焦锥形结构。

3.一种处理不含聚合物的光调制显示元件的方法，所述显示元件由手性向列液晶光调制材料构成，具有元件壁结构和处理所述液晶材料的器件，所述材料的介电各向异性是正的，材料的节距长度能有效反射可见光谱的光，元件壁结构与所述液晶配合作用，形成在没有电场情况下稳定的聚焦锥形结构和扭曲平面结构，所述方法的特征在于，它包括下列步骤：有选择地往所述材料上施加幅度能有效将所述液晶的至少一部分从聚焦锥形结构转换成光反射扭曲平面结构或将所述液晶的至少一部分从光反射扭曲平面结构转换成聚焦锥形结构的电场脉冲。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，它包括下列步骤：有选择地使所述材料在幅度足以同向排列液晶的电场脉冲突然消除之后转变为光反射扭曲平面结构，在幅度小于能同向排列液晶的电场脉冲的电场脉冲消除之后转变为光散射聚焦锥形结构。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，它包括施加交流方波电压脉冲的步骤。

6.一种有选择地将不含聚合物的手性向列液晶光调制材料反射来的有色光的强度在最大与最小强度之间调节的方法，所述材料的介电各向异性是正的，材料的节距长度能有效反射可见光变谱的光，材料的元件壁结构与所述液晶配合作用，形成在没有电场情况下稳定的聚焦锥形结构和扭曲平面结构，所述方法的特征在于，它包括下列步骤：向所述材料施加电场脉冲一段充分的时间，并加上电压，使所述手性向列材料的第一部分在没有电场的情况下呈扭曲平面结构，所述手性向列材料的第二部分在没有电场情况下呈聚焦锥形结构，从而使所述材料会连续反射光强为所选取的在所述最大与最小光强之间、与所述材料在没有电场情况下呈聚焦形结构和扭曲平面结构的量成正比的光。

7.一种不含聚合物的光调制装置，其特征在于，它具有元件壁结构、手性向列液晶光调制材料和通过所述材料产生电场的器件，所述材料的介电各向异性是正的，材料的节距长度能有效反射可见光谱的光，所述元件壁结构和液晶配合作用，形成在没有电场情况下稳定的聚焦锥形结构和扭曲平面结构，其中所述材料的第一部分在没有电场情况下呈扭曲平面结构，所述材料的第二部分在没有电场情况下呈聚焦锥形结构，所述产生电场的器件适宜提供幅度和持续时间足以改变所述材料呈扭曲平面结构和呈聚焦锥形结构的比例的电场脉冲，从而可以调节反射光的强度。

8.如权利要求1或7所述的装置，其特征在于，元件壁结构经过处理，使液晶排列起来。

9.如权利要求1或7所述的装置，其特征在于，元件壁结构经过处理，使所述液晶同向排列。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述产生通过所述材料的电场的器件适宜提供交流脉冲。

11.如权利要求1所述的光调制显示元件，其特征在于，所述处理所述液晶材料的器件适宜有选择地产生电场脉冲宽度能有效将所述液晶的至少一部分从聚焦锥形结构转变成光反射扭曲平面结构的电场脉冲和宽度能有效将所述液晶的至少一部分从光反射扭曲平面结构转变成聚焦锥形结构的电场脉冲。

12.如权利要求1所述的光调制显示元件，其特征在于，所述处理所述液晶材料的器件适宜有选择地产生幅度能有效地将所述液晶的至少一部分从聚焦锥形结构转变成光反射扭曲平面结构的电场脉冲和幅度能有效地将所述液晶的至少一部分从光反射扭曲平面结构转变成聚焦锥形结构的电场脉冲。

13.如权利要求6所述的方法，其特征在于，它包括将所述材料放在电场脉冲中的步骤，放置的持续时间足以使所述手性向列材料的第一部分在没有电场情况下呈扭曲平面状态，使所述手性向列材料的第二部分在没有电场情况下呈聚焦锥结构。

14.如权利要求6所述的方法，其特征在于，它包括使所述材料受到电场脉冲的作用的步骤，电场脉冲的电压足以使所述手性向列材料的第一部分在没有电场情况下呈扭曲平面结构，使所述手性向列材料的第二部分在没有电场情况下呈聚焦锥形结构。

15.如权利要求7所述的光调制装置，其特征在于，通过所述材料产生电场脉冲的器件适宜提供持续时间足以改变所述材料呈所述扭曲平面结构和呈聚焦锥形结构的比例的电场脉冲。

16.如权利要求7所述的光调制装置，其特征在于，通过所述材料产生电场脉冲的器件适宜提供幅度足以改变所述材料呈所述扭曲平面结构和呈聚焦锥形结构的比例的电场脉冲。

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