CN1851549A

CN1851549A - 超高分辨率留迹式胆甾液晶书写输入显示屏

Info

Publication number: CN1851549A
Application number: CNA2005100433761A
Authority: CN
Inventors: 马耀东
Original assignee: QINGDAO XUNYUAN OPTRONICS CO Ltd
Current assignee: QINGDAO XUNYUAN OPTRONICS CO Ltd
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-10-25

Abstract

本发明是关于超高分辨率的留迹式胆甾液晶书写输入的显示屏的原理、结构和制造方法。系利用胆甾液晶盒在机械力和电场力的作用下实现既书写又输入的双重功能。其中书写功能的实现是靠机械力(即笔尖的压力)写入，并靠电场力擦除已写入的信息；输入功能的实现则是靠机械力的作用使两基板的电极间短路，从而使等效电路的信息与二维空间坐标产生对应关系。超高分辨率的特性是由在光罩的作用下，紫外光定向聚合形成微液晶盒结构所产生的。

Description

超高分辨率留迹式胆甾液晶书写输入显示屏

技术领域：

背景技术：

电子计算机是上世纪最重要的发明之一。计算机的应用引起了一场广泛、深入，史无前例的技术革命。然而计算机的普及与应用很大程度上决定于人一机对话的介面，即输入方式的引进。对于初学入门者而言，键盘输入法无疑是第一大难关，特别是中文电脑的初学者更是如此。21世纪标志着后PC时代的到来，各种便携式、嵌入式计算机及其它电子产品风起云涌，人们期盼着新的输入方法的出现。

触摸屏(touch panel)是采用较多的一种输入方式。目前按原理分类有四种产品：电阻式，电容式，表面波式和红外线扫描式等。电阻式触摸屏是其中最常用的一种，无论是四线制或是五线制结构都采用了两层导电基板，由空气相间而成的平板结构。其中一层基板的内表面电阻较高，称为表面电阻层；另一层基板的电阻较低，称为导电电极层。因尖状物体触压柔性基板，而导致两基板内电极短路，因此形成了闭合电路。触压点的X-Y空间坐标与X、Y方向的表面电阻形成一一对应关系。然后经控制器驱动器单元电路将信号转换成显示器的可读信息。但长期以来由于转换过程中的滞后现象，常出现不令人满意的效果。

因此，如何将触摸屏和显示屏合二为一，变成一个无滞后的整机器件，达到与传统笔在纸张上书写的同样效果(包括手感或视觉等)，是信息输入领域里的一项重大课题。

众所周知，胆甾液晶的光学状态既可以受电场、磁场等场力而转换，也可以被机械形变力所改变。这一独特的光学状态变化很早以来就被人们尝试着制作可擦除的书写装置。最早的研制报道是1985年的美国专利4,525,032，以下简称‘032’。此后虽有改进性的发明装置出现，但其基本的工作原理和方法一直被后人所引用。

‘032’专利描述了利用胆甾液晶的人类手写装置：在装有胆甾液晶的由上、下透明电极平板组成的液晶盒的上表面上，使用笔尖(无墨水)进行触压书写，产生了可见的笔迹。由触压改变了液晶分子的排列，产生了明显可见的光学变化。理论上说，这是由于笔尖的机械压力使上基片产生形变导致了液晶分子的流动取向排列，使液晶由原来的胆甾焦锥结构转变为胆甾平面结构。其光学结果是在黑色背底上“写”出兰绿色的字迹。然而，液晶的流动沿平面呈二维转播，因此写出的字迹又粗又大，无法得到高分辨率的书写效果。

美国专利6,104,448报道了一种聚合物相分离型胆甾液晶的手写装置，其工作原理与‘032’专利一致。为了提高分辨率，‘448’专利引进了一种新的制造方法：在胆甾液晶中混入了液晶聚合物的单体，当此混合物填充到液晶盒以后，直接暴露于紫外光线下，经光引发后的聚合物从液晶相中分离出来，形成了微小而无规则的畴状结构。据报道，引进这种微畴结构是为了限制受笔尖压缩而引起的液晶流动，从而提高书写的分辨率。但在实用时遇到下列问题：

一是网状微畴结构强度较低，并不能有效地阻止液晶的流动，在书写的同时，网状结构也容易遇到破坏；

二是相分离后的液晶相仍然存在着聚合物的某些单体残留物，导致了显示质量的降低，如亮度、对比度等的下降。

三是网状微畴结构无规则的分离了上、下两基板，使得上、下两基板难以在笔尖的作用下造成局部基板间短路的效果，从而难以制造出集书写、输入和显示为一体的新型液晶写入装置。

美国专利(申请号20030071958)报道了一种胆甾液晶写字板的结构和制造方法。该写字板的基本结构仍与‘032’相同。为了实现高分辨率的写入，它采用了在上、下基板之间制造了规则的条型墙结构，用于限制液晶在一维方向上的流动，条型墙是采用涂布感光胶进而通过感光、显像等化学工艺过程将微墙结构预先制作在第一片基板的内表面，然后再将第二片基板压合到第一片基板上，形成液晶空盒。最后在真空条件下，充入液晶，即完成了写字板的制造过程。这种方法较‘032’提高了写字的分辨率，但条型墙的生产制造工艺复杂，成品率低，因而难以实现批量生产。另外在信息的输入方法上，仍在显示器的外部采用了“电磁波”传感器，基本构思仍未脱离‘032’专利的局限，即采用写字(视觉记录)与输入(信息传送)相分离的结构。另外该方法虽限制了液晶在一维方向的流动，而未能限制液晶在与微墙平行方向上的流动，因而分辨率的提高受到了局限。

上述三个利用胆甾液晶制造手写板的专利文件都利用了液晶的“写字”的功能，而未考虑液晶盒本身的信息输入功能。这种“写字”(视觉记录)与输入(信息传送)相分离的结构，已经不能适应便携式电子装置的输入元件和无纸化办公的设备的需求。

发明内容：

应该特别指出的是，在以往的发明专利中有关胆甾液晶手写装置都没有直接用来作信息(文字、图像、符号等)输入的功能，这就大大限制了该装置的实用化。

本发明的主要目的是利用胆甾液晶盒在机械形变力和电场力的作用下实现既书写又输入的双重功能。其中书写功能的实现系依靠机械力(即笔尖的压力)写入，并且依靠电场力(施加于两基板内电极的电压)擦除已写入的信息；输入功能的实现是依靠机械力(即笔尖的压力)的作用使两基板的内电极间短路，从而使等效电路的信息与空间二维坐标产生一一对应关系。简而言之，本发明既利用了胆甾液晶的相变光学作用，又同时利用了胆甾液晶的介电作用。

本发明的另一个主要目的是在紫外光曝光过程中利用光罩(photo mask)的图形作用来制造定向受控的聚合物网络体系，从而在液晶盒的内部产生形状规则而且牢固的闭合微墙结构。该微墙结构既可以在二维方向上有效地限制液晶的流动，达到高分辨率写入的目的；又可以允许上、下两基板在笔尖压力作用下瞬间短路，使基板的等效电阻与书写的空间位置产生一一对应关系。利用光罩引发聚合是本发明的特点和技术关键之一。

本发明的另一个主要目的是制造“类纸性”的电子写入装置，以解决无纸化办公的一项关键课题。由于上、下两基板不再局限于一软一硬的传统结构，下表面触压，双向触压，两层以上的贯穿性触压等类似纸张的柔性薄膜便应运而生。

本发明的另一个目的是设计一套电路控制系统，完成擦除电路和信息输入电路间的自动转换。

附图说明：

图1、胆甾液晶写字板的结构示意图。

图2、胆甾液晶写字板工作原理示意图，其中2a为笔尖作用生产的形变；2b表示写字的反射状态；2c表示擦除状态。

图3、胆甾液晶盒内微墙结构制造示意图，其中3a为未曝光的液晶盒示意图；3b为紫外光固化示意图；3c为定向聚合后的液晶微结构示意图。

图1是本发明装置的空间剖面示意图。本发明的写字输入装置由上、下基板(101，102)、微墙结构(106)、液晶微盒(110)以及开关控制电路(121)和驱动电路(122)组成。上基板(101)由柔性薄膜如聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺薄膜等制造，基厚度一般为0.1～0.3毫米之间，最佳厚度为1.25～1.5毫米。基板的内表面镀有透明氧化铟锡导电层103，其电阻率较小，一般为7Ω/□～50Ω/□，相当于共用电极板。下基板102可以由硬质材料如玻璃、塑料板等制成，也可以由柔性薄膜如聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺薄膜等制造。厚度为0.1～1.1毫米。下基板的内表面镀有电阻率较大的导电层104。其方块电阻率一般超过100Ω/□。导电层104既可作电极板又可作平面电阻板使用，在擦除电路中用作电极板，而在信息输入电路中用作平面电阻器。上、下基板之间的间距一般为3～30微米，最佳间距为10～20微米。胆甾液晶微盒110由微墙106和上、下基板101、102包罗的空间构成。内含平面结构液晶111和焦锥结构液晶112，其中平面结构是由机械形变力所致，焦锥结构是由施加于两电板103、104间的电压所致。为加强本发明装置的光学反差，下基板的外表面涂敷有黑色涂层105，用作透明基板的光吸收层。显然对于深色不透明基板，涂层105可以省缺。外电路由开关电路121和驱动控制电路122组成。开关控制电路121主要用于擦除电路和信息输入电路的分离和自动转换。驱动电路则是提供擦除电路和信息输入电路所需的电压波形。

与传统的触摸屏不同，该装置可以向观察者130提供视觉信息。图一中所示的属于黑底白字型的显示模式。焦锥结构液晶微盒的112呈黑色暗态，而平面结构的液晶微盒呈彩色亮态。

图2是本发明胆甾液晶写字板的工作原理平面示意图。图2a表示在无墨水的笔尖作用下造成上基片的机械形变，使上基板的电极203与下基板的电极204之间短路。外部电路驱动器223经开关221(此时处于闭合状态)经上、下基板构成闭合电路。此时，电路的等效电阻值是X-Y平面坐标的函数。由于电源采用的是标准恒压源，根据欧姆定律微电流大小也与X-Y平面坐标形成一一对应关系，经A/D转换器作为数字信号输出，再经软件编程，转为图像信息存储或显示出来。液晶的电阻率很大，通常大于10¹¹Ω·cm，在没有书写的机械作用情况下，电流几乎为零。然而在笔尖240的触压下，导致柔性导电层与下板导电层短路，输出电流模拟量。这就是数据(不可见信息)的产生和输入过程。图2b表示在笔尖的压力形变清除后，柔性上基板恢复原位的液晶取向状态。液晶分子流动受到微液晶盒的局限能够快速恢复稳态——平面结构211，由于胆甾液晶的分子螺距预先调整在可见光范围，即服从

380nm＜λ＜780nm λ＝ n·P (1)

例如P＝0.4 n＝1.5 λ＝0.6μ＝600nm，液晶呈现黄绿色彩，并且所选择的液晶具有较大的光学各向异性Δn。因此布拉格反射波宽Δλ服从公式

Δλ＝Δn·P (2)

例如Δn＝0.28 P＝0.4μ Δλ＝108nm

因此恢复后的液晶盒呈明亮的黄绿颜色231，此分量约占入射光230的35％；相形下，未书写的区域中液晶分子未受到扰动，仍保持液晶的原始状态——焦锥结构，此结构在光学上为散射态，而且通常前散射分量占入射光230的95％。因此大部分光线被黑色涂层所吸收。结果，经写入的文字信息便立即在黑色背底上浮现出黄绿色的字迹来。

图2c表示在书写输入完成后，通电擦除信息的过程。此时液晶驱动电路开关闭合，信息输入电路开关221开启，正弦波电压224加至液晶盒上、下两电极，此电压的大小通常为10～30V之间，取决于所选液晶盒的厚度和液晶配方中扭曲组份的含量，此电压的作用是将书写后的平面结构擦除为焦锥结构，整个写字板经加入擦除脉冲后瞬间变黑。等待下一次写入动作。

图2完整地描述了本发明的工作原理，这是前人从未论述过的。首先，前人所发表的专利从未提及一个液晶盒装置，同时兼作两种不同的功能：即一是作为瞬时可见的写字板，二是作为隐型数字输入器。前者是可见的，后者是不可见的。从前的专利从未提及液晶作为电介质如同空气一样可以作为触摸屏的介质，也从未提到短路后的前基板恢复原位而形成了液晶平面结构。这是本发明最重要的特征之一，也是本发明的核心之一。

图3表示了本发明的另一个最重要的特征就是微墙结构和液晶微盒结构的形成方法。为了获得通常自来水笔在纸张写字一样的分辨率(笔划的粗细，形体大小)和手感(触压形变的感觉)，要求制造出类似压敏复写纸(亦称无碳复写纸)的微结构，不同的是，此结构应是永久的可恢复擦除的压敏液晶微盒结构。此微结构的几何结构可以是正方形、长方形、菱形、蜂窝形等任一形状。为便于说明，以下仅以边长a，b，且a＝b的正方形的微结构的制造过程。

图3a表示了未曝光前的液晶盒空间剖面示意图。上、下基板301，302在图1中已有详述。液晶与聚合物单体的混合物311均匀分布于上、下基板之间。聚合物单体可以是液晶相态的紫外光可固化的化学分子，也可以是非液晶相态的紫外光可固化的化学分子，通常以1～10％的浓度溶解或分散在胆甾液晶中。常用的液晶相态的紫外光固化的聚丙烯酯类单体如表1所示。

图3b表示了紫外光固化机构示意图。首先将图3a的液晶盒置于光罩331(photo mask)之下，光罩板与液晶盒之间的距离通常20～100微米，光罩是由镀铬玻璃经图型蚀刻而成，挡光区域332系保留下来的铬镀层区域，透光区域333则是铬层被蚀刻掉的区域。经光学对位后，曝光即可进行，紫外光的主波长为360nm，光强可调。在紫外光的引发下，聚合物单体产生了所谓定向聚合过程。只有在透光区域中才有机会引发聚合。在适当的光强下，不透光区域内的聚合物单体不断地向透光区泳移，并在透光区完成聚合；而透光区域内的液晶也不断地被排挤到非透光区域，直到紫外光聚合完毕。此过程称作定向聚合。

REACTIVE LIQUID CRYSTALS

表1

定向聚合反应完成后，液晶微盒中液晶达到了纯净状态，其中非液晶物质低于0.5％。一般聚合曝光时间小于30分钟，最佳曝光时间为3～10分钟。

图3c表示了经紫外光定向聚合后的液晶微结构。微盒边长a，b可在20～200微米之间，而墙的厚度可在5～30微米之间。视用途而定。应该特别指出的是，使用定向聚合方法形成微墙结构可以获得很高的分辨率。因为光罩曝光机的精度可以实现10微米的线间距，据此可实现钢笔字同样大小的文字记录和输入。这是以往的电子写字板技术难以达到的。微液晶盒结构可以制成完全封闭的，也可以制成单向封闭的或者是不完全封闭等等。视用途和分辨率大小而定。

具体实施方式：

一个对角线为6.4英寸的超高分辨率留迹式胆甾液晶书写显示屏是按下列步骤制造的。

1、液晶盒的制备：

上基板采用用日本帝人公司(Teijin Polyester)厚度为0.15毫米聚酯薄膜，该薄膜的外表面涂布0.1微米的聚硅氧烷硬化层，内表面涂有10Ω/口的氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜，薄膜的材质选用了经过热定型的双向拉伸工艺的高透过率(90％)的聚酯基片。

下基板采用中国南方玻璃公司的厚度为1.1毫米的钠玻璃，内表面涂有200Ω/□的氧化铟锡。上下基板间由20微米的间隔微球(spacer)保持间距。微球由日本积水化学公司购进(代号为SP-220)，喷洒密度为80～100粒/mm²。液晶空盒是使用热固性环氧树脂(美国壳牌公司Epon828，Capcure3800)作为封边胶在130℃下固化而成。

2、充灌液晶：

胆甾液晶是由RO-TN-404和手性剂R-101；CB15等调制而成，其自然螺距为0.35微米。液晶在平面结构呈现黄绿色，其中主波长为570纳米。将液晶在加热下与RM1(德国MERK，Reactive Liquid Crystals)以及UV引发剂IR806(日本住友化学公司)以1∶0.02∶0.0005的比例均匀混合，在真空条件下灌入液晶盒，并用封口胶(美国3BAND公司)封口固化之。

3、结构的制备：

此液晶盒放入封密平行曝光机的工作台上，其上铬板光罩按“+，口”阴、阳标记精确对位(初定位由3-Pin完成，精对位由CCD对位)，液晶盒与铬板的底面的间距为25微米。对位完成后，以中压UV灯对其曝光，主波长为365纳米，光强为0.3毫瓦/平方厘米。曝光历时10分钟，定向聚合反应完成。通过显微镜观察，形状规则的微墙(壁厚20微米)和液晶微盒(边长为0.12毫米)遍布整个液晶盒。微液晶盒内液晶纯度由液晶的清亮温度测定。

4、电测与接口：

当对上述液晶盒施加交流电15V时，液晶转为焦锥结构，液晶盒呈黑色，再当用无墨水笔尖触压写字时，液晶盒清晰地显出黄绿色的字迹。由于液晶盒已按四线制的电极印有银导电极，使引线与标准控制器和计算机相连。触压的信息便转变为X-Y坐标的数字信号寄存于计算机，随时可以再现。

5、性能指标：

擦除电压 15V

对比度＞10∶1

响应时间 0.1秒

写字功耗 0W

重复擦写次数＞1百万次

工作温度范围 -10℃～65℃

存储温度范围 -20℃～85℃。

Claims

1、一种高分辨率留迹式胆甾液晶书写输入显示屏系由下列元件所组成：

a.上、下两片具有内表面导电层的基板，其中至少上层基板是柔性透明的；

b.胆甾液晶薄膜，具有反射可见光的平面结构和透过可见光的焦锥结构；

c.大小和形状规则可控的聚合物微墙结构，与上、下基板构成微型液晶盒结构；

d.可见光的吸收涂层；

e.类笔状的触压写入元件；

f.驱动与控制电路系统。

其擦除过程的特征在于，驱动电路通过两基板的内电极向胆甾液晶薄膜施一电磁场，使至少一部分区域的显示屏驱动到焦锥结构，位于下基板底层的光吸收涂层将可见光有效地吸收，因此该区域呈现光学暗态。

其书写过程的特征在于，由于笔状尖头的压敏机械力作用，在微液晶盒的区域内，液晶分子由焦锥结构取向为平面结构，该平面结构微单元能够有效地反射可见光，因此该微单元呈现光学亮态，笔尖的运行轨迹便形成了文字。在与书写同步的输入过程中，驱动与控制电路转变为电阻型触控输入电路，笔尖的压力使上、下两基板在压点处短路。X-Y平面电阻与压点坐标建立了对应关系。结果，笔尖的运行规迹转换成X-Y平面电子输入信号。

2、根据权利要求1中所述的留迹式胆甾液晶书写输入显示屏，其特征在于上、下两片基板都是由柔性透明的塑料制成的。

3、根据权利要求1中所述的留迹式胆甾液晶书写输入显示屏，其特征在于上、下两片基板具有不同的表面电阻值，其中一片的阻值为7-50Ω/□，另一片的阻值为100～1000Ω/□。

4、根据权利要求1中所述的留迹式胆甾液晶书写输入显示屏，其特征在于胆甾液晶薄膜具有至少10¹⁰欧姆厘米的电阻率，厚度范围为3～30微米，最佳厚度为10～20微米。

5、根据权利要求1中所述的留迹式胆甾液晶书写输入显示屏，其特征在于大小和形状可控的聚合物微墙结构具有完全封闭的四周，墙厚度为10～30微米，最佳厚度为15～20微米。

6、根据权利要求1中所述的留迹式胆甾液晶书写输入显示屏，其特征在于大小和形状可控的聚合物微墙结构具有非完全的封闭四周。

7、根据权利要求1中所述的留迹式胆甾液晶书写输入显示屏，其特征在于书写过程和输入过程是在同一显示屏同时实现的。

8、根据权利要求1中所述的留迹式胆甾液晶书写输入显示屏，其特征在于书写过程是在同一视线上无滞后进行的。

9、根据权利要求1中所述的留迹式胆甾液晶书写输入显示屏，其特征在于驱动与控制电路系统由至少两部分电路所组成。即擦除驱动/控制电路和四线或五线制电阻板的驱动/控制电路。二者间可受控切换。

10、一种制造高分辨率留迹式胆甾液晶书写输入显示屏的方法是：

a.将印有边框胶的上、下两基板复合成液晶空盒并固化之；

b.均化液晶、紫外线可固化的聚合物单体和光敏引发剂的混合物并真空灌注到液晶盒中；

c.将制有微墙图形的光罩板放置在液晶盒之上方，实现精确对位；

d.使用适当波长，适当光强的平行紫外光直接照射在光罩板之上；

f.完成定向聚合反应，接外部电路。

此方法的特征在于紫外光透过光罩板的特定区域，引发该区域对应的聚合物单体的聚合反应，通过适当控制曝光时间，使液晶盒内的聚合单体向曝光的区域扩散泳移，最后积聚在曝光区域，同时液晶则被排挤出曝光区域，因此形成了微墙结构和微液晶盒结构。

11、根据权利要求10中所述留迹式胆甾液晶书写输入显示屏的制作方法，其特征在于紫外线可固化的聚合物单体是液晶相的聚合物单体，其在液晶中的浓度在0.5～10％，最佳浓度在3～5％之间。

12、根据权利要求10中所述留迹式胆甾液晶书写输入显示屏的制作方法，其特征在于紫外线可固化的聚合物单体是非液晶相线性丙烯酸小分子单体。

13、根据权利要求10中所述留迹式胆甾液晶书写输入显示屏的制作方法，其特征在于胆甾液晶的扭曲向列组份充分保证平面结构选择反射可见光波段。

14、根据权利要求10中所述留迹式胆甾液晶书写输入显示屏的制作方法，其特征在于微墙结构是定向聚合作用制成的，即通过相分离和扩散迁移的作用在光罩板的所限定的区域中聚合固化成形。

15、根据权利要求10中所述留迹式胆甾液晶书写输入显示屏的制作方法，其特征在于液晶微盒中的液晶在定向聚合反应后达到了纯净状态。其中非液晶物质低于0.5％。

16、根据权利要求10中所述留迹式胆甾液晶书写输入显示屏的制作方法，其特征在于紫外光曝光时间即定向聚合时间小于30分钟，最佳曝光时间为3～10分钟。