TWI531839B - High contrast bistable scattering type liquid crystal light valve - Google Patents

Description

高對比雙穩態散射型液晶光閥

本發明一種高對比雙穩態散射型液晶光閥，尤指應用於Transparent/scattering Smart Window(透明/散射型智慧窗戶)相關領域之技術，其特徵為當固定外加電壓之振幅，則外加低頻或直流電壓可得液晶光閥散射狀態，且當關閉外加電壓後該散射狀態亦可持續維持；而外加高頻電壓則可使液晶光閥呈穿透狀態，且關閉外加電壓後可維持於穿透狀態。另一方面所選定之頻率越低，切換至散射態所需之電壓振幅越低；若所選定之頻率越高，則切換至穿透態所需電壓振幅越低。此技術可大幅節省能源上的消耗，即為一種實用性極佳之發明。

液晶光閥中的液晶所指的是液晶是一種兼具液體的流動性與晶體的一定規則排列性的材料，所以稱為液態晶體。由於液晶光閥是以液晶分子材料為基本要素，將這白濁的液晶分子夾在經過配向處理的兩片玻璃板之間，即可組合成目前熱門而且與我們日常生活息息相關的液晶光閥，也就是應用於液晶顯示器的技術。這個介於固態與液態之間的中間態分子，不但具有液體易受外力作用而流動的特性，亦具有晶體特有的光學異方向性質，所以能夠利用外加電場來驅使液晶的排列狀態改變至其他指向，造成光線穿透 液晶層時的光學特性發生改變，此即是利用外加的電場來產生光的調變現象，我們稱之為液晶的光電效應。利用此效應可製作出各式的液晶顯示器，如扭轉向列型液晶顯示器、超扭轉向列型液晶顯示器、及薄膜電晶體液晶顯示器等。

又因現今科技的發展，液晶技術日趨成熟，早就有多種液晶散射光閥技術成功研究而出，像是PDLC(polymer dispersed liquid crystals，中譯為聚合物分散型液晶)，其多數是利用照射UV光或加熱使液晶與聚合物發生相分離，並藉由外加一電壓得到散射態和穿透態之切換，一般散射型光閥須持續外加電壓方能切換其光閥之穿透度，此方式的供應很容易造成能源上的浪費；另外還有一種液晶光閥係為膽固醇液晶，其可利用外加一電壓在散射態、穿透態、反射態之間相互切換，但其切換所需要的電壓相對較高，且切換過程中穿透度容易發生穩定度不足之現象，請參閱中華民國專利公告號I439773『反射式液晶顯示器及其製作方法』，包括一第一基板、一第二基板、一液晶層、一第一配向層、以及一第二配向層。第一基板與第二基板係相對設置，而液晶層設置於第一基板與第二基板之間。液晶層包括複數個液晶分子，用以使部分波長的光反射以及使部分波長的光透過。第二配向層係設置於第一基板面對第二基板之一內側，用以吸收透過液晶層之光線以及對液晶分子配向。

上述所列舉的『反射式液晶顯示器及其製作方法』其特徵以黑色液晶配向層來吸收穿透光以提高對比及顏色飽和度，同時達到簡化製程的目的，但其所需操作的電壓相對較高，且大面積光閥於穿透與散射態之間的切換較不穩定，因此膽固醇液晶並不適合現今的天窗、汽車玻璃、投影幕等相關產品的應用。

有鑑於上述情形，本發明人投入許多時間研究相關知識，並加以比較各項優劣，進行相關產品的研究及開發，並歷經的多次實驗及測試，而終於推出一種『高對比雙穩態散射型液晶光閥』改善上述缺失，以符合大眾所需使用。

本發明主要目的在於外加電壓的進入以及移除後皆能夠維持內部所形成之散射態或穿透態，此能減少能源上的過度消耗，並維持在高對比、低操作電壓及雙穩態之特性，其改善習知技術所列舉之缺失。為此，本發明人極力達成前述之目的與功效，本發明一種高對比雙穩態散射型液晶光閥，其包括：二基板；二透明之電極層，各電極層分別設置該二基板之間，並分別貼抵於各基板；一中間層，其夾設於該二電極層之間，該中間層包括有複數間隙子及複數由向列型液晶與偶氮苯手性分子相互摻雜混合之偶氮苯膽固醇型液晶；二垂直配向膜，分別塗佈於各電極層與中間層之間；其中，透過偶氮苯膽固醇型液晶的添設，使得不同頻率高低的外加電壓由該二電極層注入後改變偶氮苯膽固醇型液晶的穿透度，且當外加電壓移除後還可穩定維持在散射態或是穿透態，大幅減少能源上的消耗。

本發明進一步的技術特徵，另設有一外加低頻電壓電性連接該二電極層。。

本發明進一步的技術特徵，另設有一外加高頻電壓電性接於該二電極層。

本發明進一步的技術特徵，另設有一外加直流電壓電性接於該二電極層。

(1)‧‧‧基板

(2)‧‧‧電極層

(3)‧‧‧中間層

(31)‧‧‧間隙子

(32)‧‧‧偶氮苯膽固醇型液晶

(33)‧‧‧膽固醇液晶手紋結構

(4)‧‧‧垂直配向膜

(5)‧‧‧低頻電壓

(6)‧‧‧高頻電壓

(7)‧‧‧直流電壓

第一圖係本發明剖面示意圖。

第二圖係本發明輸入低頻電壓呈散射態之狀態示意圖。

第三圖係本發明輸入低頻電壓後於顯微鏡下之放大結構示意圖。

第四圖係本發明輸入高頻電壓呈穿透態之狀態示意圖。

第五圖係本發明輸入高頻電壓後於顯微鏡下之放大結構示意圖。

第六圖係本發明輸入直流電壓呈散射態之狀態示意圖。

第七圖係本發明在不同固定頻率改變電壓時所量測之穿透比較分佈圖。

第八圖係本發明外加固定電壓改變頻率時所量測的穿透分佈圖

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於後，相信本發明上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。以下係以較佳實施型態說明，且並非對本發明作任何形式上之限制，參閱第一圖至第六圖所示，本發明一種高對比雙穩態散射型液晶光閥，其包括：二基板(1)；二透明之電極層(2)，各透明電極層(2)分別設置於該二基板(1)相對應之一側並分別貼抵於各基板(1)；一中間層(3)，其夾設於該二電極層(2)之間，該中間層(3)包括有複數間隙子(31)及複數由向列型液晶與偶氮苯手性分子相互摻雜混合之偶氮苯膽固醇型液晶(32)；二垂直配向膜(4)，分別塗佈於各電極層(2)與中間層(3)之間；其中， 透過偶氮苯膽固醇型液晶(32)的添設，使得不同頻率高低的外加電壓由該二電極層(2)注入後改變偶氮苯膽固醇型液晶(32)的穿透度，且當外加電壓移除後還可穩定維持在散射態或是穿透態，大幅減少能源上的消耗。

在現今市面上的液晶光閥中，一般來說內部的材料僅使用液晶或是使用液晶摻雜一般手性分子或聚合物，然而其結果皆可於外加電壓後得到所謂散射型及穿透型(所謂散射型及穿透型在該領域其為習知技術名詞，在此不予以多加贅述)，但是當外加電壓移除後，液晶光閥內部所形成的散射及穿透態無法持續維持，必須持續供給外壓電壓才可保持在散射及穿透態，如此只是造成龐大能源上的損耗而已，因此本發明在中間層(3)內以偶氮苯膽固醇型液晶(32)的注入，其中手性分子(chiral dopant)係為提供液晶分子螺旋結構的材料，可使向列型液晶轉變成膽固醇型液晶(cholesterics)，而偶氮苯手性分子是在原本的手性分子內添加有偶氮苯(Azobenzol)，偶氮苯是最簡單的芳香偶氮化合物，眾多偶氮染料的母體結構，其中含有兩個苯基分別與偶氮基-N=N-兩端相連的結構。

接續上述之說明，本發明在偶氮苯膽固醇型液晶(32)中所含有的偶氮苯成分摻雜重量百分比相當低，因此使的手性分子的螺旋力相當弱，因此另設有一外加低頻電壓(5)連接於該二電極層(2)，且外加低頻電壓(5)於中間層(3)內所產生的變化即產生膽固醇液晶手紋結構(33)(fingerprint textures)，此手紋結構之螺旋軸方向不一致，故呈現許多小區塊(domain)，並足以散射可見光，請參閱第二、三圖所示，如此一來光線的照射則可將可見光予以散射，即形成所謂「散射態」；除了外加低頻電壓(5)外，另一實施例則是另設有一 外加高頻電壓(6)電性連接於該二電極層(2)，當本發明經外加低頻電壓(5)由該二電極層(2)上移除後會維持在散射態，又當外加低頻電壓(5)移除後再外加頻高頻電壓(6)，則會使膽固醇液晶手紋結構(33)的小區塊予以放大，如此即可讓光線直接穿透過基板(1)，即形成所謂「穿透態」，請參閱第四、五圖所示，藉由偶氮苯手性分子的添加可減少能源上的持續消耗。另可外加直流電壓(7)改變偶氮苯膽固醇型液晶(32)之手紋結構，其效果與低頻電壓(5)相同，請參閱第六圖所示，綜合上述總結其可固定外加電壓振幅大小，以改變外加電壓之頻率切換液晶光閥穿透及散射態，其中外加低頻電壓(5)或直流電壓(7)電性連接該二電極層(2)，可將液晶光閥切換至散射態。而改變外加電壓頻率至高頻電壓(6)，可將液晶光閥切換至穿透態。其中切換所需之外加頻率需視外加電壓之振幅大小而定。如外加振幅固定於30V，則頻率低於200Hz呈現散射態，而高於200Hz時將隨頻率增高而使穿透度增加，約300Hz時可達最高穿透度，參閱第六、七圖所示。

一般當膽固醇型液晶添加偶氮苯旋光性材料時，可利用偶氮苯旋光物質的光異構化效果，使其旋光性降低，以達到控制UV曝光能量而呈現不同的選擇性反射光波波段功能。在紫外光照射下時，偶氮苯trans-cis光異構化行為使得膽固醇相與等方性相的相轉移改變，在光學現象上產生了光透過的狀態，且施加熱源或施加直流電場即可達到擦拭的效果，因具有可恢復特性，所以具有光讀寫與擦拭的功用。此發明於垂直配向的液晶盒內注入利用負型液晶摻雜偶氮苯手性分子的偶氮苯膽固醇型液晶(32)，因此當低頻電壓(5)、直流電壓(7)或高頻電壓(6)的注入及移除，可讓偶氮苯膽固醇型 液晶(32)的變化維持在散射態或是穿透態，藉此減少須持續注入電壓的浪費，又請參閱第七圖所示，本發明在不同外加固定頻率改變電壓上所量測到的穿透比對示意圖顯示下，清楚可見越低頻的外加電壓可利用較低振幅的電壓將液晶光閥切換至散射態；另外再請參閱第八圖所示，外加固定電壓改變頻率時所量測到的穿透示意圖顯示下，清楚可見越高頻電壓其穿透度越高。

另外，本發明再該二基板(1)的使用上可為玻璃或塑膠，但是該二基板(1)的材質使用上並不以上述為限制，其可根據使用者所需之使用而挑選合適之材質，此外在該二透明之電極層(2)及各間隙子(31)的使用上也不局限材質上的使用，且垂直配向膜(4)亦可由任何可提供液晶垂直配向之材料取代，如polyimide垂直配向膜、DMOAP垂直配向膜、摻雜於液晶中提供自發性垂直配向的奈米球等。由上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所做有關本發明之任何修飾或變更者，為其他可據以實施之型態且具有相同效果者，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇內。

綜上所述，本發明「高對比雙穩態散射型液晶光閥」，其實用性及成本效益上，確實是完全符合產業上發展所需，且所揭露之結構發明亦是具有前所未有的創新構造，所以其具有「新穎性」應無疑慮，又本發明可較習用之結構更具功效之增進，因此亦具有「進步性」，其完全符合我國專利法有關發明專利之申請要件的規定，乃依法提起專利申請，並敬請 鈞局早日審查，並給予肯定。

(1)‧‧‧基板

(2)‧‧‧電極層

(3)‧‧‧中間層

(31)‧‧‧間隙子

(32)‧‧‧偶氮苯膽固醇型液晶

(4)‧‧‧垂直配向膜

Claims (4)

1. 一種高對比雙穩態散射型液晶光閥，其包括：二基板；二透明之電極層，各電極層分別設置該二基板之間，並分別貼抵於各基板；一中間層，其夾設於該二電極層之間，該中間層包括有複數間隙子及複數由向列型液晶與偶氮苯手性分子相互摻雜混合之偶氮苯膽固醇型液晶；二垂直配向膜，分別塗佈於各電極層與中間層之間；其中，透過偶氮苯膽固醇型液晶的添設，使得不同頻率高低的外加電壓由該二電極層注入後改變偶氮苯膽固醇型液晶的穿透度，且當外加電壓移除後還可穩定維持在散射態或是穿透態，大幅減少能源上的消耗。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之高對比雙穩態散射型液晶光閥，其中，另設有一外加低頻電壓電性連接該二電極層。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之高對比雙穩態散射型液晶光閥，其中，另設有一外加高頻電壓電性接於該二電極層。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之高對比雙穩態散射型液晶光閥，其中，另設有一外加直流電壓電性接於該二電極層。