CN1292101A - 光调制单元 - Google Patents

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Abstract

基于手性向列液晶材料的光调制单元和显示装置,其中利用平面向列状态与焦点二次曲线状态之间的旋光度差区别光学状态,尤其对于这样的手性向列液晶材料,该材料的螺距长度与红外光有关。

Description

光调制单元
本发明涉及光调制单元，该光调制单元包括两个基质，在两个基质之间具有电光材料层，该电光材料层包括手性向列液晶材料，该手性向列液晶材料与基质配合，可以呈现多种状态，其中至少焦点二次曲线状态和扭转平面状态在没有电场时是稳定的，所述光调制单元还具有用于施加电场的驱动装置。
基于两个(或多个)稳定状态的光调制单元可以用于多种用途，例如用于显示装置中，其中曾经写入的信息需要保持较长时间(电子报纸、电话、智能卡、电子价签、个人数字辅助装置、广告牌等)、还用于公知的显示器应用中(仪表面板、监视器、电视机等)，或者作为电子快门。
本发明还涉及具有这种光调制单元的显示装置。
开头段落所述类型的光调制单元在美国专利5，453，863中公开。该专利中描述的光调制单元具有多个稳定状态，即光散射状态，这些状态对应于液晶材料层的焦点二次曲线状态；以及反射状态，所述反射状态对应于液晶材料层的扭曲平面状态。在光散射状态，根据灰度等级，光被散射较大或较小的程度。在扭曲平面状态，液晶分子定位成基本上平行于基质呈螺旋结构，螺距为P(螺旋结构的轴垂直于基质)。在焦点二次曲线状态，螺旋结构被中断，但是成组分子仍然具有螺旋结构，最好螺旋结构的轴大体上垂直于基质，但是它们也可以位于不同的角度。
为了在光散射状态满意地散射光，光调制单元应该足够混乱。这意味着使用的液体必须具有添加剂，或者光调制单元必须具有足够的厚度。后者意味着将来用于切换的电压变得相当高，当然对于许多所述(便携)应用太高了。而且，随着光调制单元厚度的增加切换时间也增加了。
本发明的目的在于尽可能消除上述一个或多个缺点。为此，根据本发明的光调制单元的特征在于电光材料层的旋先度在焦点二次曲线状态和扭曲平面状态中具有不同值，而且光调制单元包括能够检测旋光度差的装置。
旋光度差最好为至少20度。
进一步最佳实施例的特征在于电光材料层在焦点二次曲线状态是基本上透明的，而且在光调制单元的至少两边之一具有偏振片。
“基本上透明”理解为是指入射到光调制单元的光主要向前方散射，而反射尽可能少。至少25％，而且最好是50％的入射光通过。
本发明基于如下认识，即旋光在光波段以外产生，在所述光波段上反射主要在手性向列或胆甾醇型液晶材料层中发生，在扭曲平面状态更显著。在焦点二次曲线状态，该旋光相当小，所以能够在两个偏振片之间(透射)区别基本上透(光)状态和基本上不透(光)状态。实际中，切换在两个状态之间进行，每个状态具有不同的旋光。
为了使得背景光的反射不产生有害影响，扭曲平面结构具有如下螺距长度，即可见光谱之外的光被反射。最好，利用红外范围内(波长在700和3000nm之间，最好在700和1500nm之间)的反射，因为已经发现切换电压随着螺距增大而降低。
根据本发明的光调制单元的最佳实施例的特征在于光调制单元位于两个偏振片之间，所述两个偏振片的偏振方向彼此成30至40度角，最好成大约90度角。在这种情况下，对比度最佳。
参考下面描述的实施例，以非限制性举例方式，本发明的这些和其他方面将变得很清楚，而且将阐述本发明的这些和其他方面。
在附图中：
图1是根据本发明的光调制单元的截面示意图，处于两种不同状态；
图2和3示出这种光调制单元对于胆甾醇型或扭曲平面状态的旋光的典型变化；以及
图4和5示出光调制单元对于胆甾醇型或焦点二次曲线状态的旋光。
这些视图不是按比例尺绘制的，只是示意性的。
图1是光调制单元1的一部分的截面示意图，手性向列液晶材料2存在于两个例如玻璃或塑料基质3、4之间，基质3、4具有电极5、6。装置进一步包括两个偏振片7、8，在本实施例中它们的偏振方向彼此成垂直角度。如果需要，装置包括定向层9，定向层9把液晶材料定向在基质内壁上。在这种情况下，液晶材料具有正光学各向异性和正介电各向异性。在图1所示实施例中，通过反射镜10使得光调制单元是反射的。
手性向列液晶材料2是具有正介电各向异性的向列液晶材料和手性材料的混合物，其中存在的所述手性材料的量使得获得具有给定螺距长度P的平面向列或胆甾醇型结构；所述螺距P是液晶材料的定向器旋转360度所经过的距离。液晶分子定向为大约平行于基质的一个壁，以便获得第一稳定态，具有螺距长度为P的螺旋结构(图1a)。光调制单元的厚度为螺距长度P的若干倍(例如6杯，但是至少为2倍)。
如果给电极5、6提供电压(在图1中利用电压源11和开关12表示)，这种手性向列液晶材料能够呈现的另一个稳定态是焦点二次曲线状态(图1b)。螺旋结构好象被断裂为多段，这些段任意取向，光在上面散射。在去掉电场之后，保持该状态。第三状态是类似向性状态。不同状态之间的切换以本领域公知的方式发生。为此，该装置具有必要的驱动装置，用于提供电场。
平面向列状态具有反射波长在λ=n．P(n：平均折射率)附近波段的光的特性。根据本发明，手性向列材料的螺距长度选择为使得电光(手性向列)材料层在焦点二次曲线状态具有给定的透明度，而且偏振片位于光调制单元的至少两边之一。
在图1所示的装置中，选择这样的液体，使得扭曲平面结构具有如下螺距长度，即可见光谱之外的光基本上全部被反射。当折射率no=1．528和ne=1．75时该例子中的螺距长度为1μm。那么发生最大反射的波长为λo=P．(ne+no)／2，或大约为1640nm。该波长在红外波段。这样当用于显示装置时，这种光调制单元在可见光谱部分将不反射。当用于透射和反射时，光在光调制单元中不经过某一旋光。这参考图2和图3示出，图2和图3示出该光调制单元的(计算)旋光作为波长的函数。图3是图2的细节，强调光谱的可见光部分。图3中的曲线对应于测量结果。对于扭曲平面结构，它大致表示旋光α(在对应于在红外波段反射的螺距长度)：
α=-45．(△n)2．d．P／(λ)2，△n=ne-no
对于焦点二次曲线结构，它表示具有更小的旋光。两个状态之间关于旋光的差参考图4和5描述。
图4示出厚度为4．3μm的光调制单元在焦点二次曲线状态对于偏振片7、8(一个偏振片的偏振方向平行于最接近的定向层的定向方向)偏振方向之间的不同角度值的透射率。图5示出同一单元在平面向列状态的透射率，偏振片之间处于相同的角度。对于这些测量，利用非常窄的视场角，使得基本上只测量垂直出射光。实际中，由于漫射光对比度似乎较低。把Merck公司的BL87和BL88的1∶1混合物用作液晶材料。相关的螺距长度大约为1μm。图中(以及其他测量，也是在漫射光中)示出对于整个可见光波长范围可以实现1∶3或更高的对比度，在偏振片7、8的偏振方向之间角度较大时(＞50度)显著。对于其他混合物发现不同的数值。
当这种光调制单元用于显示装置中时，利用补偿薄膜或光学延迟器可以提高画面质量。液晶层与偏振片之间的光学延迟器可以例如以如下方式放置，即增加旋转角度差。
在图1所示的实施例中，光调制单元包括反射镜10和(在该实施例中)延迟器16。入射光13被偏振片8变成偏振光，然后偏振光在平面向列或胆甾醇型结构中转过角度α，其中α可以在50至130度之间变化，但是在相关实施例中为60度。因为在该实施例中偏振片7、8的偏振方向之间的角度也大约为60度，所以所述偏振光通过偏振片7，在反射镜10上反射，并再次通过偏振片7。反射的偏振光14再次经历角度α旋转，但是是在相反方向上，使得它通过偏振片8(图1中的状态(a))。
在焦点二次曲线状态(图1中的状态(b))，偏振光15几乎不经历任何旋转并基本上完全被偏振片7吸收。
当光调制单元通过高压时，液晶材料呈现第三稳定状态，称为类似向性状态，即所有分子都自身定向为电场方向，光调制单元在所有(可见光)波长都是透明的。根据驱动电压和切换速率，光调制单元从这一状态切换到平面向列或焦点二次曲线状态。表1示出对于Merck公司的BL87和BL88的不同混合物在不同单元厚度d情况下的螺距P和从平面向列状态切换到焦点二次曲线状态所需要的电压(V1)、从平面向列状态切换到类似向性状态所需要的电压(V2)和从焦点二次曲线状态切换到类似向性状态所需要的电压(V3)。
表1
 d(μm) BL87/BL88比例  螺距P(μm) V1(V)  V2(V)  V3(V)
 4.2  45/55  613  13  24  11
 6.5  45/55  613  17  32  15
 4.3  53/47  736  10.5  20  9.5
 6.5  53/47  736  15  27  12
 4.3  62/38  920  8.5  17.5  9
 6.5  62/38  920  12  23  11
 4.4  75/25  1500  7  15  8
 6.5  75/25  1500  7.5  16.5  9
 4.2  80/20  2000  5  11  6
 6.4  80/20  2000  5  13  8
从表中清楚地看出，切换在低电压时发生，在小单元厚度时更为显著。在根据本发明的光调制单元中小单元厚度是可能的，因为光调制单元在焦点二次曲线状态基本上是透明的，而且本发明利用液晶材料的平面向列状态与焦点二次曲线状态之间的旋光度差。如果需要，通过提供聚合网络提高切换速率。
显然本发明并不限于所示出的实施例。例如，反射镜10可以用半透半反镜代替。如果需要，可以省去偏振片7。偏振片7、8的偏振方向也可以选择为彼此平行；在这种情况下，图1中的状态(a)是吸收光，而状态(b)是透射光。对于图片显示装置中的彩色显示，如果需要，光调制单元可以提供有反射或吸收滤光片。
而且，已经发现平面向列状态与焦点二次曲线状态之间具有旋光度差，在其他反射波长也有(在可见光谱部分，例如在从500nm开始的波长)。例如，在螺距P，该螺距导致绿光被反射，对于蓝光(和／或红光)将发生旋光，而在焦点二次曲线状态将没有旋光(在这种状态下，基本上也没有绿光被反射)。再次发生利用偏振片区别两个状态。
总之，本发明涉及基于手性向列液晶材料的光调制单元和显示装置，其中利用液晶材料的平面向列状态与焦点二次曲线状态之间的旋光度差，尤其对于这样的手性向列材料，该材料的螺距长度反射红外光。
本发明在于每一个新的特征以及特征每一种组合。

Claims (20)

1、一种光调制单元，包括两个基质，在两个基质之间具有电光材料层，该电光材料层包括手性向列液晶材料，该手性向列液晶材料与基质配合，可以呈现多种状态，其中至少焦点二次曲线状态和扭转平面状态在没有电场时稳定的，所述光调制单元还具有用于施加电场的驱动装置，其特征在于电光材料层的旋光度在焦点二次曲线状态和扭曲平面状态中具有不同值，而且光调制单元包括能够检测旋光度差的装置。
2、如权利要求1所述的光调制单元，其特征在于旋光度差至少为20度。
3、如权利要求1所述的光调制单元，其特征在于电光材料层在焦点二次曲线状态是基本上透明的，而且在光调制单元的至少两边之一具有偏振片。
4、如权利要求1或3所述的光调制单元，其特征在于扭曲平面结构具有如下螺距长度，即在可见光谱部分之外反射波段的光被反射。
5、如权利要求1或3所述的光调制单元，其特征在于扭曲平面结构具有如下螺距长度，即在500nm以上范围内反射波段的光被反射。
6、如权利要求5所述的光调制单元，其特征在于扭曲平面结构具有如下螺距长度，即红外光被反射。
7、如权利要求1所述的光调制单元，其特征在于扭曲平面结构对于线偏振光具有数值在20至180之间的旋光度。
8、如权利要求7所述的光调制单元，其特征在于光调制单元存在于两个偏振片之间，它们的偏振方向彼此之间成30至140度之间的角度。
9、如权利要求7所述的光调制单元，其特征在于至少光调制单元的一边具有半透半反射镜或反射镜。
10、如权利要求1所述的光调制单元，其特征在于光调制单元包括至少一个延迟器。
11、如权利要求1所述的光调制单元，其特征在于光调制单元存在于偏振片与反射镜之间。
12、如权利要求1所述的光调制单元，其特征在于它的厚度小于7ām。
13、如权利要求12所述的光调制单元，其特征在于它的厚度小于4．5ām。
14、如权利要求1所述的光调制单元，其特征在于从平面向列状态切换到焦点二次曲线状态发生在电压V1最大为18V时。
15、如权利要求14所述的光调制单元，其特征在于电压V1最大为9V。
16、如权利要求1所述的光调制单元，其特征在于从平面向列状态切换到类似向性状态发生在电压V2最大为32V时。
17、如权利要求16所述的光调制单元，其特征在于电压V2最大为20V。
18、如权利要求1所述的光调制单元，其特征在于从焦点二次曲线状态切换到类似向性状态发生在电压V3最大为15V时。
19、如权利要求18所述的光调制单元，其特征在于电压V3最大为10V。
20、一种显示装置，具有如权利要求1所述的光调制单元。
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