CN1618038A - 胆甾层和配向层的组合 - Google Patents

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Abstract

一种可在波长选择性反射状态和透射状态之间切换的胆甾层直接接触垂直取向层。在反射状态下，该层在特征在于螺旋方向和螺旋螺距的螺旋中是胆甾有序的。垂直层加宽了螺旋轴方向的分布，从而使在反射状态下的反射光更加扩散，并且使通过胆甾层反射的颜色较小依赖于视角。可选择地，胆甾层可以为聚合物层。

Description

胆甾层和配向层的组合
本发明涉及一种胆甾(cholesteric)层和配向(alighment)层的组合。
本发明还涉及一种聚合的胆甾层。
胆甾层能够表现出用于发光和显示应用的光学效果。这种效果可以涉及入射光的偏振、颜色和/或方向。
在胆甾有序的状态中，胆甾层在分子尺度上有序地形成螺旋形，这种螺旋形的特征在于螺旋轴和螺距。在一种这样的胆甾有序状态中，现有技术还称为平面纹理，螺旋轴取向在与参考表面基本成直角处，参考表面一般与层的主表面或支持胆甾层的基板的表面一致。在平面纹理中，胆甾层工作为能够波长选择地和偏振选择地反射电磁辐射(下文中简称为光)的布拉格反射器。通常，对于一般的入射电磁辐射和恒定螺距，反射波长的窄频带，该带具有中心波长λ＝n.p和带宽Δλ＝Δn.p，其中n是胆甾层的平均反射率，Δn是对应胆甾层的向列相的双折射率，p是螺旋螺距。从而，通过选择适当的螺旋螺距和双折射率来选择期望的反射波长。由于通过入射光察觉到的螺旋螺距是光入射的角度的函数，所以反射光的波长取决于光入射的角度，也就是如果白光入射，那么反射光的颜色就取决于光入射的角度。对于显示应用，这意味着图象的颜色察觉取决于视角。
在St John等人在Phys.Rev.E51(2)、1995年第1191页的论文中，公开了一种包括具有这样平面纹理的胆甾层的显示器。胆甾层夹在设置有透明ITO电极的基板之间。为了使胆甾层为平面纹理，基板设置有聚酰亚胺配向层。通过对单元施加电压，使胆甾层从平面纹理转换到焦点圆锥纹理。在平面纹理中，胆甾层镜面反射鲜艳的有色光。在焦点圆锥纹理中，其特征在于螺旋轴方向的宽分布，胆甾层是透射。
为了提高显示器的视角，St John等人提出使用有缺陷的平面纹理。在有缺陷的平面纹理中，螺旋轴具有围绕参考表面的法线的加宽分布。根据St John等人，这能通过把聚合物分散在胆甾层中来得到。可选择地，胆甾层可以涂敷在粗糙表面上。Khan等人在SID D1Digest第460-463页中提出借助于非研磨的聚酰亚胺配向层来改进视角依赖性。
本发明的一个目的是，尤其是提供一种包括具有替换装置用于降低其光学特性的视角依赖性的胆甾层的组合。具体地，反射状态将要较小地镜面反射，即更易扩散地，并且在反射状态下通过胆甾层反射的颜色将较少取决于视角。此外，替换装置将允许胆甾层的制造匹配于用于处理表现出或能够表现出介现相层的常规方法，例如液晶层。
根据本发明，通过可在胆甾有序波长选择性状态和透射状态之间切换的胆甾层以及直接接触胆甾层的垂直(homeotropic)取向层的组合实现该目的。
在更易扩散而更少镜面的反射状态下，垂直配向层具有通过胆甾层使光反射的效果，同时它降低了反射光颜色的视角依赖性。
尽管不希望被任何理论所束缚，但根据St John等人的教导，本发明人认为垂直配向层影响了反射状态下的胆甾排序的顺序。尤其是，它加宽了胆甾层内的螺旋轴方向的分布。在每个特定的视角处，螺旋轴方向的加宽范围导致加宽的反射波长的范围。此外，加宽的波长范围作为视角的函数移动，所产生的效果是在视角的较宽范围内反射特殊的波长。换句话说，通过胆甾层反射的颜色较少取决于视角。为更加详细，参考St John等人的所述论文。
使用配向层以便带来胆甾层的期望排序使组合的制造匹配常规液晶单元制作方法，其还使用配向层以便配向液晶层，其大大促进其用于光学和电光应用中。此外，垂直配向层在本领域中是众所周知的并且在商业上广泛可获得。垂直配向层的存在不会阻止反射状态和透射状态之间的可转换性。
在本发明的上下文中，如果配向层能够垂直地配向向列液晶材料，并且如果胆甾层是由通过混合向列LC材料和手性掺杂剂得到的手性向列材料、尤其是LC向列相材料而制作的话，那么配向层被认为是垂直的。在本领域中，配向层也被称为取向层。
在本发明的上下文中，胆甾层还称为手性向列材料。如果螺距和/或双折射率在胆甾层内变化，例如通过将每个具有不同螺距层的胆甾层彼此堆叠到其上、或通过在胆甾层内采用螺距梯度，则可以增加反射波长的带宽。胆甾层的光反射是偏振选择的，它反射圆偏振光。使用具有四分之一波长延迟器的组合，得到线性偏振光反射器。
在按照本发明的组合的具体的实施例中，胆甾层夹在垂直配向层和平面配向层之间。
为了产生能够波长选择性反射电磁辐射的状态，把胆甾层夹在垂直配向层和平面配向层之间是很方便的。例如研磨的聚酰亚胺层的平面配向层是本领域中所公知的。
根据本发明的胆甾层和垂直层的组合能够调节入射到其上的电磁辐射的颜色、方向、强度和/或偏振，并因此发现可应用于光学元件的范围，例如偏振器、延迟器、分束器(半透明的)反射器、过滤器。此外，由于一般胆甾层不吸收入射在其上的电磁辐射，至少不在光谱的可视范围内，由于光可以有效地再循环，因此可以使得包括这种材料的光学元件非常有效。由于基本不存在吸收，所以通过入射在其上的光加热胆甾层，其使得胆甾层适合于高强度应用，例如投影显示器。
具体地，可切换的胆甾层可以用于胆甾层被用作电光有源层的应用中，其中借助于电场产生反射和透射状态之间的切换。这种电光可切换的胆甾层尤其适合于显示器。
从而，根据本发明的优选实施例涉及一种电光单元，例如光阀或显示单元，包括一对相对的基板和根据本发明的夹在所述基板对之间的组合。
根据本实施例的电光(显示)单元的一个优点在于其低成本，由于如果单元用作反射单元、反射器的话，其不需要使用偏振器。此外，由于平面纹理和焦点圆锥纹理都是适合的纹理，即不需要电场来维持该纹理，因此显示器的功耗低。基于在这种状态(这并不必要如此，在其它状态之间、例如垂直有序状态之间切换也是可能的)之间切换的单元仅仅当改变显示的信息并且不需要电力维持显示的信息时才消耗功率。
本发明的又一个优选实施例涉及一种电光器件，例如显示器件，包括根据本发明的电光单元。
根据本发明的组合可适合用于显示器件。考虑到上述单元的双稳态，具有组合的无源矩阵显示尤其有利。通过堆叠像素化的单色单元可以得到多色、甚至全色器件。
尽管根据可在不同状态之间可切换的胆甾层，尽可能介绍了本发明，本发明还可以包含不可切换的胆甾层，例如聚合的胆甾层。
因此，在另一方案中，本发明涉及一种能够波长选择性反射偏振光的胆甾有序状态下的聚合胆甾层，是通过聚合能够波长选择性反射偏振光的胆甾有序状态下可聚合的胆甾层可得到的，可聚合层直接接触垂直取向层。
这样的聚合胆甾层可以有效用于(宽带)偏振器和反射滤色器中，以改进通过胆甾层反射的颜色的视角依赖性。如上面所说明地，垂直层更改了在胆甾有序状态中胆甾层的取向，使得通过胆甾层反射的颜色更小取决于视角。如果期望，在聚合后可以除去垂直配向层。
聚合胆甾层可以用于光学元件和部件中，其中期望在胆甾层的整个使用寿命期间维持胆甾层的相同有序状态，即使其暴露于高且变化的温度以及机械力中。这种光学元件的例子包括(偏振-灵敏)窄带和宽带滤波器和反射器、分束器、延迟层。在例如EP 606940中所公开的宽带反射偏振器和例如WO 00/33129中所公开的反射滤色器中，特别的优点在于使用根据本发明的组合。
通过聚合可聚合的胆甾层得到聚合胆甾层。可聚合胆甾层含有运载可聚合基团(group)的单体，这种基团的例子为(甲)丙烯酸盐1，2-亚乙烯基((meth)acrylate vinylene)、乙烯醚、环氧化物族、氧杂环丁烷和硫羟烯(thiol-ene)系统。
通过交联胆甾层、也称作胆甾聚合物网络提供特别高的电阻。通过具有多余一种可聚合基团的单体，例如二丙烯酸盐的获得这种交联聚合物。
尤其是当使用聚合胆甾层时，可以自身支持地制作由其形成的成形对象，例如膜、层。可选择地，可以使用分别的基板支持胆甾层。
本发明的这些和其它方案将从参考下文介绍的例子中是显而易见的并得到阐明的。
在图中：
图1示意地示出包括胆甾层的反射显示器件的截面图；
图2A和2B示意地示出穿过分别处在开状态和关状态下的图1中所示显示器件的光的传播；
图3示出，在不根据本发明的胆甾层和配向层的组合上，白色入射光的入射方向中以任意单位的反射强度R作为以度为单位的入射角θ的函数的图，；
图4示出了标绘出所计算的CIE色点作为胆甾层的视角(以度为单位)的函数的CIE色度图，胆甾层以极好的平面纹理排序并具有红绿和蓝反射带；
图5示出了与图3所示相似的图，但针对根据本发明的胆甾层和配向层的组合；以及
图6示出了标绘出所计算的CIE色点作为胆甾层的视角(以度为单位)的函数的CIE色度图，根据本发明，排序的胆甾层以具有红、绿和蓝反射带以及螺旋轴分布。
参考图1，反射显示器件1，本技术领域中还称为胆甾纹理液晶(CTLC)器件，包括含有夹在两透明基板3和5之间的胆甾层9的电光单元2，两透明基板3和5在面对侧上分别设置有配向层7和11，从而形成胆甾层9和配向层7和11的组合8。单元2填充以胆甾层9，其是在有序波长选择性反射状态下是有序的，借助于配向层7和11产生该状态。根据本发明，配向层7是垂直配向层。配向层11是平面配向层。单元2在远离观察者15的面对侧上设置有光吸收层13。胆甾层借助于电场可在胆甾有序波长选择性反射状态和透射状态之间切换。借助于设置在基板3和5上的电极(图1中未示出)方便地提供电场。
参考图2A，在开状态，即没有施加电场，胆甾层9处在胆甾有序波长选择性反射状态，还称为平面纹理。未偏振光线203具有胆甾层9能够反射并且其可以是环境光或从前光来源的光的波长范围内的波长，分成反射光线205和透射光线207。反射光线205和透射光线207被圆偏振，偏振状态取决于胆甾有序状态的手性。在图中，假设反射右手圆偏振光。通过光吸收层13吸收透射光线207。具有在胆甾层9能够反射的波长范围以外的波长的未偏振光线209不考虑其偏振而基本透射。因此，在非编址状态，如果白光入射，则单元2对观察者15呈现出明亮的色彩，通过胆甾层9的反射带确定颜色。
参考图2B，在关状态，即在具有由箭头211指示的方向上施加合适强度的电场之后，使胆甾层9处在其不能够波长选择性反射光但能透射的稳定状态，例如焦点圆锥状态。因此，光线203和209都基本上透射并随后被光吸收层13吸收。从而在该状态下，单元2呈现为暗。
例1(不根据本发明)
该例针对图1所示的显示器件，除配向层7和11两者都是平面配向层以外。由于器件不包括直接接触胆甾层的垂直配向层，所以该例中的配向层和胆甾层9的组合以及显示器件不按照本发明。
如下制造该例1的器件：
玻璃基板配备有配向材料AL1051，由日本JSR销售的聚酰亚胺，然后用常规方式研磨所施加的配向材料以形成平面配向层7和11。具有轮廓分明的单元间隙的单元是通过按常规方式将两块相对的基板沿其边缘粘合在一起来形成的，配向层7和11彼此面对。通过使用间隔层获得轮廓分明的单元间隙。然后单元填充以胆甾层9，胆甾层9包括由Merck销售的商品名称为BL087的14.5wt％的向列液晶材料和由Merck销售的商品名称为BL088的85.5wt％的手性掺杂剂。
当成为平面纹理时，该胆甾层具有400nm的螺距和在中心630nm处的反射带。对于普通的入射白光，反射光的颜色为红色。平面配向层用于使胆甾层处在胆甾有序波长选择性反射状态。
这样得到的单元受到在角度θ(相对单元表面的法线测量的)和以入射的相同方向反射的光强度R(借助于分束器，以入射的方向反射的光被引导至探测器)下的一束白色入射光，在可见波长范围(500至700nm)上整体地进行测量。
图3示出不根据本发明，在包括胆甾层和配向层的组合的单元上白色入射光的入射方向中任意单位的反射强度R作为以度为单位的入射角θ的函数的图。
在其中完全或接近完全平面排序的特征在于螺旋轴分布(分布是用单元表面法线作出的角螺旋轴)的胆甾层的模型的情况下，与入射相同方向的光反射被认为基本上是由具有与入射方向重合的螺旋轴的这些螺旋产生的。
从而如所希望地，由于在(接近完全的)平面纹理中，大部分螺旋轴沿法线配向，因此在θ＝0°(光垂直入射到单元表面)处，反射强度最高。在少数离轴的角度，反射强度快速下降。光反射主要限于-3.0°至+2.5°的角度范围。这表明螺旋轴的分布相对窄，并因此与扩散相反，反射是相对镜面的。用最小二乘拟合实验确定的点示出，通过具有大约2°的1/e宽度的高斯曲线很好地近似图3。
在各种视角下单元的目测显示了反射是相对镜面的，并且现察到颜色的大致变化是视角的函数。
如上所述并且如图4所示例的，反射光颜色的大致视角依赖性是窄螺旋轴分布的结果。
图4示出了标绘出所计算的CIE色点作为胆甾层的视角(以度为单位)的函数的CIE色度图，胆甾层以极好的平面纹理(没有视角依赖性中的分布)排序，并具有红绿和蓝反射带。
假设反射带具有80nm的全1/e宽度的高斯形状，其典型用于窄带胆甾层，来计算色点。反射带对于红、绿和蓝分别集中于大约700nm、520nm和480nm。平均折射率为1.5。白色和扩散环境光照为条件。一般对于例如移动电话的手持式应用，视角在0和30°之间变化。
例2(根据本发明)
重复例1，差别在于使用垂直配向层代替平面配向层7，结果产生按照本发明的胆甾层和配向层的组合以及包括这样组合的单元。特别是，通过挠性印刷80％∶20％的NMP/丁基溶纤剂的溶剂混合物中5.3wt％配向材料Nissan SE 7511L(由Nissan销售的)的溶液，得到垂直层。
图5示出了与图3所示相似的图，但是针对根据该例2的胆甾层和配向层的组合。
与图3相比，由于引入垂直配向层的所产生的结果，基本上增加了以入射方向反射的光的角度范围。
如果在以接近完全的平面纹理中排序的胆甾层，其特征在于螺旋轴分布的模型的情况下，反射光的加宽角度范围表明加宽了螺旋轴分布。更具体地，拟合于高斯曲线(如图4中的绘出曲线所示)的最小二乘算出数量级大于图3的值的22°的1/e宽度。
比较图5和图3，证明使用垂直配向层结合在胆甾有序波长选择性状态下是有序的胆甾层，产生了反射更显著地扩散和更小的镜面反射。
在各种视角和白色/扩散环境光照条件下，这通过单元的目测得到证实。目测还表明同例1中的单元相比，显著降低了反射光颜色的视角依赖性。这进一步在图6中示例。
图6示出了标绘出所计算的CIE色点作为胆甾层的视角(以度为单位)的函数的CIE色度图，根据本发明胆甾层排序以具有红、绿和蓝反射带以及螺旋轴分布。
用于计算的输入参数等同于用于计算图4所示的色点的那些参数，除假设螺旋轴分布具有40°的全1/e宽度以外。

Claims (5)

1、一种胆甾层和垂直取向层的组合，胆甾层可在胆甾有序波长选择性反射状态和透射状态之间切换，垂直取向层直接接触胆甾层。
2、如权利要求1所要求的组合，其中胆甾层夹在垂直配向层和平面配向层之间。
3、一种电光单元，诸如光阀或显示单元，包括一对相对的基板和如权利要求1或2所要求的夹在所述基板对之间的组合。
4、一种电光器件，诸如显示器件，包括如权利要求3中所要求的单元。
5、一种在能够波长选择性反射偏振光的胆甾有序状态下有序的聚合胆甾层，通过聚合在能够波长选择性反射偏振光的胆甾有序状态下可聚合的胆甾层而可得到，在聚合期间，可聚合层直接接触垂直配向层。
CNA038023814A 2002-01-17 2003-01-13 胆甾层和配向层的组合 Pending CN1618038A (zh)

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