CN1181568A - 高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置 - Google Patents
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高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置,属于电子信息显示用液晶光阀薄膜。具有聚合物作为连绕相,液晶作为分散相等的基本结构,并被夹敷于两层透明导电薄膜之间。液晶是由正型向列相液晶与手征性胆甾相液晶混合,以微滴形态被包络在聚合物中形成两相系统。优点是该发明在原有的聚合物分散液晶能在电场作用下对光线透过或散射的功能基础上增加了定向反射功能。可用于电控透光幕和将信息贮存显示集合于一体。
Description
本发明涉及一种新结构的聚合物分散液晶光阀显示装置。原有的聚合物分散液晶能在电场作用下使光线透过或散射，本发明又增加了定向反射功能，属于电子信息显示用液晶光阀薄膜，具体说是一种高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置。
聚合物与液晶微滴分散体形成的装置已有三十多年的历史，早期由邱季尔(Churchill)等人将聚乙烯醇水溶性聚合物与胆甾相液晶混合用于热致色变显示或场致色变显示。由于胆甾相液晶的局限，当时只能用电子束驱动，且显示方式仅为颜色的变化，无法对光线进行满意的导通与关断。八十年代由弗格森(Fergason)发明了用聚乙烯醇水溶液与正型向列相液晶制作液晶微球分散体系，经涂布、烘干、复合等工序制作出以散射或吸收为机制的光阀显示器，后来美国肯特州立大学(kent State University，Ohio USA)发明了将聚合物单体或予聚物与正型向列相液晶先混合成溶解均一相，经涂布复合后再经加热、紫外线照射或电子束辐射等方法使液晶在聚合物聚合—分子量增大过程中逐步分离成为微滴分散体系，并取名为聚合物分散液晶(Polymer DisperSed Liquid Crystal-PDLC)光阀显示器。其微散机制满足以下条件：
1)液晶对寻常光析射率no等于聚合物的光射射率np：no＝np
2)液晶对寻常光析射率ne远大于聚合物的光析射率nr：ne＞＞np
因为聚合物分散液晶光阀显示器对可见光的散射强度正比于光析射率差量Δn的平方：Δn2＝(ne-np)2＝(ne-np)2。光析射率差量Δn表征了液晶分子的光学各向异性，由于受到化学结构的限制，Δn值最大不超过0.28。(纸张的Δn为0.5～1.0)因而其缺点是对贴近的物体缺乏屏蔽能力或遮盖强度，散射效果不如纸张。同时由于缺乏前反射功能，大大限制了这种光阀的应用范围。即使可以使用二间色染料来增加其对比度，但因它采用的是吸收机制，也无法用于白色显示场合。
本发明目的在于克服现有技术中的缺点，提出一种高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，使它在原有的聚合物分散液晶(PDLC)能在电场作用下对光线透过或散射的功能基础上增加定向反射功能和增强散射功能。
本发明目的由以下技术方案实现：该高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，具有聚合物作为连续相、液晶作为分散相的基本结构，并被夹敷于两层透明导电薄膜之间，其特征在于液晶是由正型向列相液晶与胆甾相液晶混合，以微滴形态被包络在聚合物中形成两相系统，在滴晶微滴中，液晶分子形成具有本征螺距和手征性的螺旋排列，在聚合物与液晶的混合相体系层中可以不只有一种混合液晶的微滴，而是有两种液晶分子螺旋排列的螺距不同的微球分散体。然后再将它们均匀混合分散进入混合相体系层。
本发明中的透明导电薄膜，其基片可以是聚酯薄膜，在其内表面上有透明的ITO-氧化铟锡镀层。由于本发明使用了正型向列相液晶与手征性胆甾相液晶的混合物，在其微滴中，液晶分子形成具有本征螺距和手征性的螺旋排列，而不同于原有技术仅有一种向列相液晶并且在其微滴中依靠分子力平衡而形成液晶分子杂乱无序的状态，在其混合相体系层中，可以不只有一种混合液晶的微滴，而是有两种液晶分子螺旋排列的螺距不同的微球分散体，然后再将它们均匀混合分散进入混合相体系层。本发明在原有技术对光线只能透过或散射的基础上增加了定向反射功能。本发明中的正型向列相液晶是指所有正型向列相液晶中的一种，可以是烷基(烷氧基)联苯腈液晶系列，化学结构式为
CN R1(c＝2-7)直链烷烃；或者是烷基(烷氧基)三联苯腈液晶系列，化学结构式为
R2(c＝1～5)直链烷烃，或者是烷基(烷氧基)咪啶苯腈液晶系列，化学结构式为
(c＝3～7)直链烷烃，或者是烷基(烷氧基)环戊基苯腈液晶系列，化学结构式为
(c＝3～5)直链烷烃。本发明中的手征性液晶是指所有手征性液晶或胆甾相液晶中的一种，可以是CB-15，其结构式为CH3 和氯化物。
本发明中的聚合物是指所有热固性树脂单体及予聚物，或是热熔性树脂单体及予聚物，或是紫外线及电子束可固型单体及予聚物，或是水溶性树脂，通常有环氧树脂，聚丙烯酸树脂，聚氨酯树脂，聚乙烯醇树脂，聚乙烯醇缩醛类树脂，在适用的聚合物材料种类上大大增加了品种。
正型向列相液晶和手征性胆甾相液晶微滴直径在2～10微米之间，平均为4微米。而普通装置液晶微滴直径在0.5～2微米之间，平均为1微米，以得到对可见光的最大程度的散射。本发明的液滴直径既满足布拉格(Bring)反射条件，又使开启电压比较低。一般说来，液晶微滴直径越大，布拉格反射越强，液晶微滴内畴之间的散射作用也越强；微滴直径越小，布拉格反射热弱，而液晶球与聚合物界面的散射作用越大。一般根据使用的具体要求，适当决定微球的大小。
液晶微滴的形状，应尽量使其扁平为好，其椭圆度，尽量小，椭圆率范围以0.3～0.6为最好。因为椭圆率较大的接近圆形的微滴不利于产生布拉格反射，而椭圆率较小时，便于产生高反射率布拉格效应。从工艺上很容易实现本发明所需的椭圆率，例如可以控制聚合物的体积收缩率，控制溶剂的挥发速度，控制复合压力等。
所使用的几种聚合物原料是按照相同或在10％范围内接近相同的质量比例复配的；所使用的几种液晶原料是按照以下质量比例复配的：针对每一种颜色光波长的正型向列相液晶对胆甾相液晶的比例为10∶10到15∶5之间，所使用的两种固化剂Capcure3-800和Capcure 40的质量之比为97∶3到99∶1。其混合物在与液晶混合物再混合时的质量之比为(1～1.4)∶10。所使用的聚合度为1750的聚乙烯醇水溶液的百分比浓度为6％-10％，它的质量与液晶混合物质量之比为10∶3到10∶5。
这种液晶光阀显示装置的制做工艺比原有的普通聚合物分散液晶光阀的制做工艺更复杂更精细，同时还有技术上的突破。原有普通工艺是将聚合物单体或予聚物与液晶混合成溶解均一相，经涂布而复合后再用物理方法使液晶在聚合物聚合过程中逐步分离成微滴分散体系。而本发明在此基础上有了新的技术突破：一是在聚合物予固化的过程中液晶微滴实现相分离，并在微滴内部形成液晶分子集合体“畴”；二是不依靠聚合物聚合过程，而是对液晶与聚合物水溶液的混合物用高速搅拌的物理方法得到液晶微球分散液；三是不采用常规的复合涂布工艺，而是将不同类型的分散液按照底涂与顶涂的先后顺序，涂布后再复合。
本发明的优点是在以原有的聚合物分散液晶(PDLC)能在电场作用下对光线透过或散射的功能基础上增加了定向反射功能。该发明可用于电控透光幕，可有效反射红外线，也可作为电子银幕，用于显示器可提高导通态和关断态的对比度，特别是提高了黑暗背景下的光学反差，可进行多路驱动，提高驱动速度，从而大大完善了聚合物分散液晶技术的实用性，当将它同多稳态液晶显示技术(MLCD)相结合时，就有可能实现当代最先进的研制目标一集信息存贮与显示于一体的柔性可读的电子报纸或电子图书。
附图说明：
图1是一种高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置结构图，其具有螺旋排列分子的液晶微滴对入射光线呈现选择反射作用。
图2也是一种高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置结构图，其具有二元补色混合结构反射白光作用。
图3、图4表示不同椭圆度的液晶微滴，图3中，椭圆度ε＝1，图4是椭圆度ε＝0.5。
图5表面普通PDLC装置的透光率与外加电压关系。
图6表示是本发明的透光率与外加电压关系。
本发明所提出的该两种高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，具有聚合物(3)作为连续相，液晶微滴(4)作为分散相，并被夹敷于两层透明导电薄膜(1)、(2)之间。该液晶微滴是由正型向列相液晶与胆甾相液晶混合，以液滴形态被包络在聚合物(3)中，形成两相系统，图1是具有螺旋排列分子的液晶微滴，两种液晶分子呈螺旋排列的螺距不同的微球分散体状态。
图1中，左半部是加电场状态，右半部是未加电场状态，在未加电场时，液晶微滴的胆甾相液晶和正型向列相液晶的混合物按照其本征的螺距和手性对入射光线A有选择反射作用：一是手性选择，液晶将与自身螺旋方向相同的入射光A分量反射回去，有反射光B，二是波长选择，液晶仅将满足下列关系的入射光产生布拉格(Bragg)反射：
Δλ＝Δn.ρ
Δλ展示反射光波长范围，Δn为液晶的光学各向异性，ρ为液晶分子排列的螺距。反射的中心波长为
λ＝n·ρ n表示平均光折射率。
可根据不同的应用场合，λ可选择为红外区、可见光区等。
在无外加电场作用时，另一个光学效应是散射作用，它又可分为两种：一种是液晶微滴与聚合物包络物的界面散射，此作用此普通PDLC装置的情况相同，其散射强度为
Sc1∝(ne+no/2-np)2
另一种则是液晶微滴内部的手征性液晶分子集合体“畴”之间的散射。散射光为C，“畴”是具有相同的光轴的手征性液晶分子的群聚体，其最大散射强度为 Sc1∝(ne-no)2
这种散射普遍存在于外界扰动后的手征性液晶体系中。由式(5)、(6)产生的两种散射机制与式(3)提供的布拉格反射机制综合即构成了无电场作用下的“关断”效应。与常规的PDLC单一的散射机制对比，对光线的关断作用明显加强。
在有外加电场作用下，液晶微滴内部的手征性螺旋结构被拉直，退旋为向列相，并且所有分子随外场方向取向，这一状态与普通的PDLC效果相同，no-nr，装置呈透明态。
图2表示反射白色的结构，按照反射波长的要求，分别制备针对波长λ1、λ2的两种液晶微球分散体(4)，然后将其混合均匀。混合比例符合国际CIE标准色图的等能点或D65色温点，λ1、λ2也应满足互为补色的要求。例如：λ1为红色波长，λ2为青兰色波长。当上述液晶微滴的分散液均匀涂布于ITO氧化铟锡导电膜并干燥后，加盖复合另一层导电薄膜，即得到了本发明的装置。其中(5)为聚合物顶涂层，(6)为聚合物底涂层，该装置存在如下显示状态：
1、不加电场，即E＝O区域，装置是白色，
2、加高电场，即E)Ech区域，装置呈透明态。
在图1、图2中，A表示入射光，B表示反射光，C表示散射光，D表示出射光。
实施例1
将环氧树脂Epon828、ELR4221、ELR4299以各1/3的比例复配均匀后，称取10克放在搅拌器中，此为一种聚合物；取液晶R0-TN-4040.7克，液晶CB-15-0.3克，将其混合后的混合物也加入搅拌器中，与聚合物环氧树脂一同搅拌，待拌至清亮点后，再加入固化剂Capcure-3880与Capcure40的98∶2的混合物1克，再加入0.005克的20微米的间隔料，搅拌均匀后推入复合涂布机，被夹敷于两片面电阻率
的氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜中，然后放入45℃的加热炉中予固化4小时，待液晶以平均直径4微米微滴相分离完成后，再放入75℃加热炉进行后固化8小时，便得到高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置。能够反射可见光。
实施例2。
取7％浓度的聚乙烯醇(聚合度为1750)的水溶液9克及被调制为红色的液晶R0-TN-404和液晶CB15的混合物4.5克一同放入高速搅拌器内搅拌，得到平均直径8微米的液晶微球分散液，作为底涂溶液，又取7％浓度的聚乙烯醇的水溶液9克，及被调制成兰绿色的液晶R0-TN-404与液晶R1011、CB15的混合物4.5克，一同放入高速搅拌器内搅拌得到平均直径8微米的液晶微球分散液，作为顶涂溶液。
将底涂溶液干基厚度10微米的涂布量，用精密微型凹辊涂布机涂布于面电阻率
的聚酯薄膜上，待底涂层烘干后，再顶涂干基厚度为10微米的顶涂溶液，经烘干后，复合另一层导电聚酯薄膜。即得到高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置。
当无电场作用下，该高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置为白色的反射体薄膜，在外电场驱动下，为透明体薄膜。
Claims (7)
1、一种高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，具有聚合物作为连续相，液晶作为分散相的基本结构，并被夹敷于两层透明导电薄膜之间，其特征在于液晶是由正型向列相液晶与手征性胆甾相液晶混合，以微滴形态被包络在聚合物中形成两相系统，在聚合物与液晶的混合相体系层中，安排一种或两种液晶微球分散体，微滴中液晶分子形成具有本征螺距和手征性的螺旋排列，两种液晶微球分散体的螺距不同。
2、按照权利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，其特征在于正型向列相液晶是指所有正型向列相液晶中的一种；是烷基(烷氧基)联苯腈液晶系列，或是烷基(烷氧基)三联苯腈液晶系列，或是烷基(烷氧基)咪啶苯腈液晶系列，或是烷基(烷氧基)环戊基本腈液晶系列。
3、按照权利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，其特征在于手征性胆甾相液晶是指所有手征性胆甾相液晶中的一种，是CB-15，或是R-1011，或是各种胆固醇酯类和氯化物。
4、按照权利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，其特征在于聚合物是指所有热固性树脂单体及予聚物，或是热熔性树脂单体及予聚物，或是紫外线及电子束可固型单体及予聚物，或是水溶性树脂：包括有环氧树脂、聚丙烯酸树脂、聚氨脂树脂、聚乙烯醇树脂、聚乙烯醇缩醛类树脂。
5、按照权利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，其特征在于所使用的几种聚合物原料是按照相同或在10％范围内接近相同的质量比例复配的；所使用的几种液晶原料是按照以下质量比例复配的：针对每一种颜色光波长的正型向列相液晶对胆甾相液晶的比例为10∶10到15∶5之间，所使用的两种固化剂Capcure 3-800和Capcure 40的质量之比为97∶3到99∶1。其混合物在与液晶混合物再混合时的质量之比为(1～1.4)∶10。所使用的聚合度为1750的聚乙烯醇水溶液的百分比浓度为6％-10％，它的质量与液晶混合物质量之比为10∶3到10∶5。
6、按照权利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，其特征在于正型向列相液晶和手性液晶微滴直径在2～10微米之间，平均为4微米，即满足布拉格反射条件，又使开启电压比较低。
7、按照权利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光阀显示装置，其特征在于液晶微滴以扁平形状为最好，其椭圆率范围是0.3～0.6。
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