CN204369798U - 光学器件 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光学器件，其具有由行电极和列电极所界定的像素矩阵布置，所述行电极和列电极夹着液晶组合物，所述光学器件还包括驱动电路和寻址电路，所述驱动电路被连接成以交流驱动电压来驱动所述行电极和列电极，且所述寻址电路被设置成选择像素。
Description
技术领域
本发明是在光子学的领域。一个实施方式涉及使用近晶A液晶组合物的光学器件。在一个非限定性的实施方式中，光学器件是显示器。在另一实施方式中，其是振幅型空间光调制器。
背景技术
光学器件包含液晶组合物，其中无序态是由近晶A动态散射的过程所产生，并且清晰的均匀态是由介电重取向引起。此种光学器件可以用于提供可变的量的光透射，其是局部地例如在“像素”中，或者跨越整个器件，而不需要偏光器。
液晶具有的分子倾向于自行有序而不会凝固，且因此获得晶体特性，即使它们仍会流动并且可能填满容器。液晶的各相大致是统一的状态序列，其中此种分子流体可以从各向同性的液体直到它凝固成固体。一般而言，此种分子的典型特点将是强的各向异性。此各向异性所采取的形式可以被认为是如下：分子的典型特点是高的长宽比(即，长度远大于宽度，因此像是“棒”或“条”)，并且可以具有偶极特征和可各向异性的极化性。在这些情形下，分子取向的平均方向被称为“指向(director)”。
向列相液晶代表了最常见的液晶材料，并且通常被用于液晶平面屏幕器件和平板显示器。伸长向列相介晶(mesogen)的长度或其它结构变化则经常造成它们在低于向列相冷却时显示另外的相；并且在固化之前，并且在较低的温度下，其典型特征可以是“层状流体”。此种层状液晶被称为“近晶”液晶。在此，我们将仅考虑通常被称为“近晶A”的材料，其缩写为“SmA”液晶。例如，原型“5CB”(4’-戊基-4-联苯基腈)、“5OCB”(是醚链接的戊基，4’(戊氧基)-4-联苯基腈)是向列相，“8CB”(4’-辛基-联苯 基腈)和“8OCB”(4’-(辛氧基)-4-联苯基腈)各自在较高温度的向列相之下展现SmA相，其中就缩写“mCB”和“mOCB”而言，m代表整数并且分别是指4-氰基-4’-正烷基联苯基和4-氰基-4’-正烷氧基联苯基中的烷基链或烷氧基链的碳原子数目；例如：
8CB＝4-氰基-4’-辛基联苯基；以及
8OCB＝4-氰基-4’-辛氧基联苯基。
形成SmA相的分子具有类似于形成向列相的那些分子的性质。它们类似棒状并且经常具有正介电各向异性。为了引起负介电各向异性而引入强的横向偶极，则倾向于使SmA相不稳定，并且可能导致增强的化学不稳定性。
近晶A液晶展现其切换迟滞，使得当移除施加的电场时，介电重取向(或近晶结构的其它扰动)并未弛豫。不像大多数的向列相液晶结构，介电重取向的SmA液晶保持在被驱动的状态，直到施加另外的力。
面板可以通过采用平面的片材(例如玻璃)形成，并且对这些片材施加透明的导电层，该透明的导电层典型是由氧化铟锡制成的。导电层则连接于导体，使得可以施加可变场。这两个片材可以形成为面板，其例如是由具有均匀直径(典型而言，比如说5-15微米，这取决于期望的晶胞厚度)的珠所分开。所述面板然后用胶被边缘密封，留有一个或多个孔以填充液晶材料。
使用此种晶胞，则SmA液晶层可以通过填充面板(典型是在高于材料各向同性转换的高温下)来形成。在本文讨论的SmA器件中，不需要对准层，不像需要均匀对准晶胞的向列相器件。在填充和将此种SmA面板从室温热循环到高于各向同性转换并且再回来时，液晶将展现诸相典型会有的纹理。然而，向列相液晶在没有表面对准时可能出现熟知的纹影纹理，其中线缺陷或“丝线”散射光，在SmA液晶中，因为SmA材料的层状结构的缘故，形成“聚焦圆锥状”纹理。折射率有剧烈的空间变化，这导致光散射。出现这些纹理由折射率的各向异性造成，这在光行进正交于平均分子方向的较可极化的轴时是最高的。折射率的变化造成光散射。当 在交叉的偏光器之间来看时(在显微镜下)，也可以在不同分子定向的区域之间观察到对比。
为了电寻址SmA液晶面板，通常施加交流(AC)场。在未掺杂的材料中，LC(液晶)的正介电各向异性将造成起初随机排列的多域发生重排，以将介晶与场方向(垂直于玻璃表面)对准。面板将显得清晰，因为各向异性分子的平均取向垂直于玻璃层。对于大多数未掺杂的SmA材料而言，此状况仅通过加热晶胞以破坏SmA对准才是可逆的。
如果适合的离子掺杂剂被溶解于SmA液晶宿主中，则在DC(直流)或低频(例如<200赫兹)电场的影响下，二个正交力尝试将近晶A的指向加以定向：
i)如上所述的介电重取向尝试将SmA指向(其表示长分子轴的平均方向)对准于电场方向。
ii)同时，离子移动经过SmA电解质尝试将近晶A指向对准于离子较容易行进的方向。
在SmA材料中，这发生于诸层中，正交于场方向(也就是说，材料具有正介电各向异性和负的导电各向异性)。二个竞争力导致液晶流体中的电水力不稳定性，其被称为“动态散射”。在SmA材料中，动态散射状态强烈地散射光并且(与向列相材料的类似状态相比)动态散射状态所产生的SmA结构瓦解在引发它的电脉冲已终止之后依然维持着。在清晰的均匀定向的状态和离子输送所引起的多域散射状态之间的可逆性取决于这些过程运作的不同频率域。动态散射需要场驱动离子通过液晶流体，因此仅发生于DC或低频率AC驱动。
更高的频率造成介电重取向(离子无法在这些频率下“移动”)，因而重新建立均匀取向的分子。
因此，在适当掺杂的SmA相(拥有正介电各向异性和负导电各向异性)中，介电重取向(变成清晰的透明状态)和动态散射(变成强烈的光散射状态)的组合可以形成电寻址显示器的基础。高频(典型≥1000赫兹)将SmA层驱动成光学清晰的状态并且低频(典型<200赫兹)将它驱动成 光散射的状态。此种显示器的关键特征是这些光学状态都使用短的电寻址时间来设定，并且这两种光学状态都无限期地持续，或者持续直到它们重新电寻址为止。在向列相液晶的相关现象中并不是这样。就是这种电光双稳定性(或更准确地说是多重稳定性)的性质允许SmA动态散射显示器做矩阵寻址而不用像素电路，并且导致它们在页面导向的显示器或智能窗口中有极低的功率消耗。
实用新型内容
现在将在具有由多个x电极和多个y电极交叉来界定的晶胞矩阵的液晶器件的上下文中，描述所谓的“三分之一选择(one third select)”模式。在“三分之一选择”模式的寻址中，所有y电极维持在第一电压程度(例如接地)，除了在它们以第二电压程度被轮流频闪时。第一和第二电压程度之间的差异是频闪电压，其表示为Vs。x电极被用于数据输入，并且在分别在+Vd的第三电压程度和为-Vd的第四电压程度之间单个地并且选择性地切换。这种电压程度设置使得当行电极yb被频闪时，跨越由列电极xa与行电极yb的交叉区域所界定的液晶xa、yb的元件体积所出现的电压是(Vs+Vd)＝Ve(其是足以影响该体积之液晶材料的电压)，或是较小的电压(Vs-Vd)，这取决于列电极在频闪脉冲期间是否维持在第三或第四程度。在三分之一选择模式的寻址中，使Vs等于二倍的Vd。较小的电压(Vs-Vd)不足以影响该体积。
在这些情况下，可以看出在频闪脉冲期间跨越该元件体积所施加的电压是3Vd＝Ve或Vd，并且在其它时间等于Vd。因此，当行电极被频闪时，数据的输入是由出现在列电极上的电位所确定的。当任何非yb的行电极正被频闪时，跨越元件体积xa、yb所出现的电压大小仅为Vd，且因此它仅可以在与其自己的行相关的频闪间隔期间被切换。
在一个方面中，提供的是液晶器件，其具有由行电极和列电极所界定的像素矩阵布置，所述行电极和列电极夹着液晶组合物，所述器件还包括连接成以交流驱动电压来驱动行电极和列电极的驱动电路，以及包括被设置成选择像素的寻址电路；寻址电路被设置成使用所谓的“三分之一选择” 或“三分之一寻址”技术来操作，其中它被设置成施加第一交流电压到待选择的行或个别列(respectively column)、施加第二交流电压到待选择的列或个别行，以及施加第三交流电压到不被选择的列或个别行，其中第一交流电压的振幅大体为第二和第三交流电压的两倍，第一和第二交流电压为大体互相反相，并且第一和第三交流电压为互相同相；所述液晶组合物以重量％计包括：
(a)总共25-75重量％的至少一种具有通式I的硅氧烷：
其中：
p＝1到10，例如1到3，
q＝1到12，例如6到10，
t＝0或1，
k＝2或3，
A是苯环或环己环，其可以为相同或不同，并且在对位键合在一起，
R＝C1-3烷基，例如，甲基，其可以为相同或不同，
X＝C1-12烷基，以及
Z＝F、Cl、Br、I、CN、NH2、NO2、NMe2、NCS、CH3或OCH3、CF3、OCF3、CH2F、CHF2，特别是CN；
(b)总共0.001-1％的至少一种具有通式II的季铵盐：
其中：
T＝甲基，或甲硅烷基或硅氧烷基团，并且
v＝1到30，比如，v＝9到19，例如，十四烷基(v＝13，T＝甲基)或十六烷基(v＝15并且T＝甲基)，
R1、R2和R3为C1-4烷基，例如，甲基或乙基，它们可以为相同或不同，
Q-是氧化稳定的离子，特别是ClO4 -离子；
(c)总共20-65％的至少一种具有烷基链的可极化的线性分子，所述分子具有通式III：
D-A’k-Y (III)
其中：
D代表C1-16直链烃基或烃氧基基团，其任选地包含一个或多个双键，
k＝2或3，
A’是苯基、环己基、嘧啶、1,3-二噁烷或1,4-双环[2,2,2]辛环，其中每个A’可以为相同或不同并且在对位键合在一起，附接到Y的末端环任选地为苯基，以及
Y位于基团A’k的末端环的对位并且选自Z(如上面关于式I所定义的)C1-16直链烷基、C1-16直链烷氧基、OCHF2、NMe2、CH3、OCOCH3及COCH3；以及
(d)总共2～20％任选地为5-15％的至少一种具有通式IV的侧链液晶聚硅氧烷：
其中：
a、b和c各自独立地具有0到100的值并且使得a+b+c的平均值范围在3到200，例如5到20；并且a使得具有式Y-R2SiO-[SiR2-O]a的链单元呈现通式IV的化合物的0到25摩尔％，以及c使得式-[SiHR-O]c-R2SiO-Y的链单元呈现通式IV的化合物的0到15摩尔％，
m＝3到20，例如4到12；
t＝0或1，
k＝2或3
A是苯环或环己环，其可以为相同或不同，并且环是在对位键合在一起，
R＝C1-3烷基，例如，甲基，其各自可以为相同或不同，以及
Y＝C1-12烷基、发色团或棒状液晶基团，并且其各自可以为相同或不同，以及
Z是如上面关于式I所定义的，
且其中选择成分的量和特性，使得组合物拥有近晶A的层化结构，如X射线衍射所检测的。
此种组合物具有相对高的和明确的切换阈值。换言之，在组合物受到影响之前，包含组合物的晶胞的电极之间的电压梯度必须达到明确的程度。此种组合物很适合本文所描述的三分之一选择技术，因为切换阈值(有时被称为“误差电压”)足够高而允许这样做，如本文之后将会描述的。然而，所述组合物也将适用于其它非“三分之一选择”的电压方案。所描述的组合物已显示随着时间仍维持着切换阈值，并且接着在数百万次切换事件之后还能够操作。
硅氧烷寡聚部分(a)是式Ia的化合物：
其中X、R、p、q和t是如上关于式I而定义并且g和h各自独立地代表0、1或2，而j代表1、2或3，条件是要求g+h+j是2或3。
侧链硅氧烷液晶成分(d)是通式IVa的化合物，其可以是聚合物、共聚物或三元共聚物，
其中a、b、c、m和t是关于式IV所定义，g＝0、1或2，h＝0、1或2，j＝1、2或3，条件是要求g+h+j是2或3；每个R可以为相同或不同并且是烷基基团，例如，甲基；以及Y＝C1-8烷基、发色团或棒状液晶基团。
式II的离子性阴离子(b)是式(IIa)的化合物：
其中v、R1、R2、R3和Q是如权利要求1中关于式II所定义。
式II的离子性阴离子是式IIb的化合物：
其中v、R1、R2、R3和Q是如权利要求1或权利要求4中关于式II所定义，并且T’是甲硅烷基或硅氧烷基团。
成分(c)包括有机棒状介晶，所述有机棒状介晶展现向列或近晶A液晶相。
所述至少一种可极化的线性分子成分(c)包括式IIIa的化合物和/或式IIIb的化合物，
其中a＝1到15并且b＝1至13；f＝0或1，j＝1、2或3；g＝0、1或2，h＝0、1或2，条件是要求g+h+j不超过3。
组合物可以还包括：
(e)总共按重量计最高达10％的至少一种正性或负性二色性染料，其任选地为青色、黄色、深红色、红色、绿色或蓝色染料或发光性染料，例如荧光或磷光染料，所述染料与邻近的所述组合物的介晶成分对准。
组合物可以包括：
(f)最高达10％的一种或多种降低粘度的溶剂或稀释剂。
组合物可以还包括：
(g)最高达10wt％的至少一种不是液晶但可被并入制剂里而不劣化所述组合物的近晶A层质量的分子，例如，条形分子。
所述至少一种不是液晶的分子包括式(V)的化合物：
组合物也可以包括：
(h)总共按重量计最高达50％例如最高达40％的至少一种改变双折射率的添加剂，例如增加双折射率的添加剂，比如：
其中R＝C1-10烷基，n＝0或1，
其中R＝C1-10烷基，n＝0或1，L选自氢或C1-3烷基，并且X＝CN、F、NCS、CF3、OCF3或C1-6烷基，或者
其中R是C1-10烷基基团，
或者为降低双折射率的添加剂，比如：
其中R＝C1-10烷基基团，
或
其中R＝C1-10烷基基团，
其中R＝C1-10烷基基团。
改变双折射率的添加剂成分(h)的总量加上成分(c)的总量可以在35-73wt％的范围，例如40-65wt％或45-60wt％。
组合物在20℃和589nm下可以具有范围在0.15到0.3的双折射率，并且优选具有范围在0.16到0.2的双折射率，并且在无序态下是不透明的，而在有序态下是清晰的。
组合物可以包括总共按重量计最高达10％的至少一种正性或负性二色性染料，其任选地为青色、黄色、深红色、红色、绿色、蓝色或黑色染料或发光性染料，例如荧光或磷光染料，所述染料与邻近的所述组合物的介晶成分对准。
组合物在20℃和589nm下可以具有范围在0.07到0.15的双折射率，并且优选地具有范围在0.1到0.13的双折射率，(ii)在无序态下是半透明的，并且在有序态下是清晰的，以及(iii)包括总共按重量计最高达10％的至少一种正性或负性二色性染料，其任选地为青色、黄色、深红色、红色、绿色、蓝色或黑色染料或发光性染料，例如荧光或磷光染料，所述染料与邻近的所述组合物的介晶成分对准。
附图说明
在附图中：
图1是液晶器件的实施方式的示意图。
图2是沿图1的线II-II’的横截面。
图3显示了图1的器件的驱动和寻址设置的框图。
图4a-f显示了由图3的设置提供的不同的波形。
在附图中，相同的参考数字指代相同的部件。
具体实施方式
参照图1和2，液晶器件100的实施方式具有两个互相隔开的、相对的基板210、220，其夹着液晶材料200。在这个实施方式中，两个基板对 于可见光而言都是透明的并且具有玻璃的性质，因此大体是刚性的。在其它实施方式中，透明性和刚性可能是不需要的或者可能是不期望的，并且某些实施方式使用相对柔性材料的基板，例如，聚合物诸如PET。基板210和220由周边密封件230固定在一起，并且由间隔物(未显示)维持隔开。
如之前讨论的，液晶材料200是热致液晶近晶A组合物，其展现由多个层构成的近晶A相，其中在施加于电极之间的不同电场的影响下，组合物的各层的排列可以变得更有序或更无序，组合物具有稳定态，在该稳定态下，组合物各层的排列以不同的方式被排序，包括有序态、无序态和中间态，组合物是使得一旦通过电场被切换到给定态，那么在电场去除时组合物就大体维持在这个状态。
近晶A液晶组合物可以是如PCT/US10/27328所描述的组合物，该PCT申请要求美国专利申请61/314039的优先权，其通过引用方式并入本文。
液晶器件100具有多个互相平行的列电极1120和多个互相平行的行电极120，所述行电极120大致被设置成垂直于列电极110。电极分别被设置在基板210和220的面向内的表面205和215上。列电极110和行电极120之间的相交界定了液晶器件100的像素。
在这个实施方式中，设定器件100的尺寸，使得跨越像素的100伏特的总电压不足以影响液晶材料(例如造成状态改变)。液晶材料的厚度的典型范围在2-50微米，例如5-15微米。
本实施方式是透射可见光的，且因此电极110和120是透明的，其例如是由氧化铟锡(ITO)制成的。
在另一实施方式中，液晶器件100是反射性器件，其具有不透射可见光并且支持反射性电极的基板。这种基板的适合的材料是硅。
在这个实施方式中，该组互相平行的列电极110和行电极120是条状电极，其延伸跨越基板的整个宽度/长度。特定像素的选择可以通过启动期望的像素所在的行电极以及启动其所在的列电极而进行。
实际上，经常一次选择例如在单一行电极上的多个像素。
低频电压fI(fI<200赫兹，典型使用50赫兹或60赫兹的市电频率) 用来使液晶组合物无序。相对高的频率fh(fh>1千赫兹，典型为2-4千赫兹)被施加在行和列电极之间以使组合物变得有序。
在操作器件100的方法中，电路(未显示)提供市电频率电压给整个器件以使器件的所有像素无序。在一个实施方式中，这通过将市电电源转变为约150伏特的电压并且施加所得的正弦波电压于共同的(commoned)行电极和共同的列电极之间而实现。如之后所解释的，虽然正弦波电压不是必要的，但鉴于ac市电波形则是方便的。
使器件无序之后，然后使选定的像素清晰以达到所要的显示。
图3是液晶器件100的寻址电路300的实施方式的框图，在这个实施方式中，寻址电路300具有逻辑控制器330、列波形产生器310和行波形产生器320。
逻辑控制器330具有输入331、至列波形产生器310的第一输出332和至行波形产生器320的第二输出333。输入331被用于使逻辑控制器330沿着预定的行来选择一组期望的像素。
在这个实施方式中，使包含待清晰化的像素的单一行电极110a启动。为了这么做，选定的行电极110a以行选择波形(图4C)来供应，其是频率为2kHz、振幅偏移从+100伏特到-100伏特的方波。
所有其它的行电极120接地(图4D)。
对于选择的像素，列电极110以像素选择波形(图4A)来驱动，该波形的振幅偏移从+50伏特到-50伏特、具有与行选择波形相同但与其反相的频率。对于未选择的像素，列电极110以像素未选择波形(图4B)来供应，其振幅偏移从+50伏特到-50伏特、具有与行选择波形相同且与其同相的频率。
将未选择的行接地确保了电荷无法累积在未选择的行电极上，例如由于串扰(crosstalk)或选择已停止之后的残余电荷；此种电荷可能导致足以影响未选择像素的状态的电位差。
将未选择的行接地也意味着那些行的所有像素将经受像素选择波形或像素未选择波形的列电压(在这种情形下两波形都具有从+50伏特到-50 伏特的振幅偏移)，其在本领域中被称为“误差电压”。界定于本说明书的特殊组合物具有高的误差电压容许度，也就是说，像素将忍受高误差电压而不受其影响。忍受高误差电压的能力意味着可以成功使用“三分之一选择”方案。然而，组合物可以使用其它的驱动设置，例如，比被用于使所选像素清晰的电压的三分之一电压低或高的电压被施加跨越未选择的行。
就切换事件而言，这些特殊组合物的具有长期维持高的误差电压忍受程度的能力也是极为重要的。
在任何瞬间将会看到，所选的像素具有跨越它们的行选择波形的电压和列选择波形的电压的总和(图4E)。这将是振幅偏移从+150伏特到-150伏特、2千赫兹的电压。同样在任何瞬间，未选择的像素具有跨越它们的行选择波形321的电压和列未选择波形312的电压的总和(图4F)。这将是振幅偏移从+50伏特到-50伏特、2千赫兹的电压。50伏特的电压不足以引起对不被清晰化的像素的任何影响，因为它低于近晶A液晶组合物的选择阈值。
另一方面，所选像素上的电压偏移高于液晶组合物的阈值，且因此使选定的像素清晰。
在这个实施方式中，由于与方波形相比较低的峰值电流要求，部分地由于较不快速的升降时间，正弦波形被用于液晶器件100的直列状和聚焦圆锥状控制。
在这个实施方式中，市电正弦波形被用于使像素无序，并且2kHz的正弦波形被用于使像素清晰。DC平衡可以通过在零交叉点处开始和停止波形而维持。
实施例：
25毫米的正方形测试晶胞具有大约10nF的电容，并且需要300伏特的峰对峰50/60赫兹DC平衡正弦波形，其被施加大约1秒以达到散射状态。在这段时间期间，材料呈现出约2K的并联泄漏电阻。完全清晰化需要约1-4kHz的平衡波形，其在相同的峰对峰电压下被施加几毫秒。
所花费的时间取决于晶胞厚度和频率二者，例如较高的晶胞厚度可能 要花费较长的时间来清晰化/散射。随着用于特定晶胞的清晰化频率增加，所需的电压可以降低或者清晰化时间可以减少。由于散射频率向dc下降，故所需的电压可以降低或者散射时间可以下降。
驱动波形可以有不同的形状，尽管方形(具有受控制的边缘时间)或正弦波是最容易产生的。Dc平衡避免了液晶材料劣化。施加波形之后立刻能将电极接地(而非任其浮动)的能力也是一项要求。
驱动波形可以是方波，以及正弦、三角形和其它波形及其组合。被施加到列和所选择的行的波的波形不需要相同，只要符合高于和低于阈值电压的RMS要求即可，并且对于长期可靠度而言，跨越液晶的信号是长期dc平衡的。对称的波形较容易产生，并且dc平衡可以通过在零交叉点处开始和停止波形以及包括整数个周期数目而维持。虽然正弦波并没有与方波快速升降时间相同的峰值电流要求，但是需要较高的峰值电压以提供相同的rms电压。
未选择的行被连接到波形0伏特(零，接地)，以避免电容耦合电压超过阈值电压或扰乱dc平衡。当不施加波形时，将所有的行和列接地以改善寿命是良好的措施。用于像素化显示器或未像素化的大面板的波形产生器能够驱动交流的正负电压跨越液晶晶胞，并且也将两侧固持于相同的电压，其通常是但不一定是接地(0伏特)。
光学器件可以包括含有两个或更多个如前所述的液晶器件的堆，这些液晶器件堆叠在彼此之上。在一个实施例中，每个器件中的热致液晶层近晶A组合物：(i)包含总共按重量计最高达10％的至少一种正性或负性二色性染料，其任选地为青色、黄色、深红色、红色、绿色、蓝色或黑色染料或发光性染料，如荧光或磷光染料，该染料与邻近的组合物的介晶成分对准；以及(ii)被选择以在20℃和589nm下展现范围在0.08到0.15的低的双折射率，例如范围在0.1到0.13的低的双折射率。
Claims (5)
1.一种光学器件，其特征是，所述光学器件具有由行电极和列电极所界定的像素矩阵布置，所述行电极和列电极夹着液晶组合物，所述光学器件还包括驱动电路和寻址电路，所述驱动电路被连接成以交流驱动电压来驱动所述行电极和列电极，且所述寻址电路被设置成选择像素。
2.如权利要求1所述的光学器件，所述光学器件在20℃和589nm下具有范围在0.15到0.3的双折射率，并且在无序态下是不透明的，而在有序态下是清晰的。
3.如权利要求2所述的光学器件，所述光学器件在20℃和589nm下具有范围在0.16到0.2的双折射率。
4.如权利要求1-3中任一项所述的光学器件，所述电极之间的间距范围在2-50微米。
5.如权利要求4所述的光学器件，所述电极之间的间距范围在5-15微米。
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