超快速响应、多重稳定、反射型胆甾液晶显示器

摘要

含表面活化剂的多稳定胆甾液晶显示,展现超快速的响应时间与视频速率和灰度等级能力。

说明书

                     背景技术

本发明涉及超快速响应、同时具有视频速度和灰度等级能力的多重稳定胆甾液晶显示。

高密度数据获取和存储的迅速发展，不断地要求速度更快、信息量更多的显示装置。此外，技术的发展，尤其是视频显示技术的发展，继续向减少依赖于较为笨重和高功耗的阴极射线管(CRT)器件的方向发展。取而代之的是，将重点放在构造更小型、更轻量和总体结构更紧凑的系统上，如平板显示(FPD)工业正在开发的系统。当然，FPD工业中最活跃的一个领域是利用液晶来提供所需的光调制和存储。

尽管平板液晶显示器已成功地广泛使用，但是，这种显示仍然存在主要的缺点。例如，大多数高信息量显示器需要采用偏振器和其它光衰减元件，因此，产生较高的功耗背景光照要求。在许多应用中，这是一个严重的缺点，如在便携式笔记本型显示的操作中。在采用矩阵薄膜晶体管(AMTFT)或超扭转向列(STN)技术的两种最广泛使用的液晶FPD中，存在另外的一些缺点。例如，AMTFT器件采用晶体管作为每个象元以提供存储器作用。此外，它们还需要昂贵的超高电阻的液晶材料，来减小RC损失，从而延长保持时间。AMTFT显示器的生产既困难，成本又高，目前限于较小尺寸的显示器。此外，由于不是零场图象存储系统，它们对图象的刷新需要恒定的功率输入，由于所采用液晶的光学电压响应曲线的非常陡直，STN显示不具有固有的象元灰度等级能力。应当注意，STN响应速度天生较慢，对于视频应用来说，其响应速度太慢。最后，还要指出，AMTFT和STN的视角都受到严格的限制。

FPD技术的一项重大进展将是发展一种不需要光调制元件(例如，偏振器、延迟器、分析仪、彩色滤波器等)因而不需要高功耗背景光照的显示器。与此同时，应当明白，这种取消并不牺牲其它显示特性。在这方面一种富有吸引力和潜能的候选材料是采用胆甾液晶替代目前使用的向列和超扭转向列液晶混合物。人们早就知道，胆甾液晶显示(LCD)能够提供光调制，不依赖偏振器和背景光照的要求。这种光调制能力来自胆甾液晶或以反射结构或以光散射结构存在的能力。在反射状态下，在每一个假想层中液晶分子排列在分子长轴大致相互平行的畴中。然而，分子的空间位置和非对称特性导致分子的长轴相对相邻的层逐渐发生少许位移。这些小量位移净作用的总合是在每个畴中产生螺旋分子结构。螺旋轴是畴的指向。当畴的指向大致相互平行和垂直于元件表面时，垂直入射在LCD元件表面上的电磁辐射，除了产生反射的较窄的波长波段外，都能够有效地透射。被反射辐射的波长是由关系式λ＝nP给出的，式中，n是平均折射率(n＝(n_e+n_o)/2)[n_e是非寻常折射率；n_o是寻常折射率]，P是液晶的节距(即螺旋结构重复长度的两倍)。通过适当调节所用液晶混合物的n和/或P值，可选择反射波长的最大值。这称之为“反射状态”。如果所选的波长在电磁光谱可见光区以外(例如，红外)，则将反射胆甾液晶晶体结构描述为透射状态。

与可见光反射或透射状态不同，散射结构代表畴螺旋轴的两维随机取向。这种随机化提供了对入射电磁辐射的有效散射。如果液晶介质的厚度足够大，液晶的节距、双折射、以及畴的尺寸是满意的，那么，大多数的入射可见光被散射，显示出奶白色。然而，如果相反，液晶介质的厚度较薄(例如，不足5微米)，只有很少百分比的入射辐射产生背散射，而其余的则被透射。如果利用一块能够强烈吸收可见光的背衬板组装液晶显示器，当液晶处在光散射结构时，显示将是黑暗的。将这一状态称之为“暗状态”。

畴的中间取向是指畴的指向既不垂直表面也不平行表面，而是在二者之间的取向。在反射状态与暗状态之间存在无限个稳定状态。将这些状态称之为能够显示无限个“灰度等级”的中间状态。

通过施加适当的电场脉冲因而提供所需的光调制，能够实现从一个状态到另一个状态的转变。

尽管胆甾LCD在避免使用光调制部件方面具有潜在的优势，但是在涉及直接观看模式的应用中，还没有得到商业开发。也许，缺乏商业开发的最重要的原因是，在直接观看模式下利用透射和散射光的不同进行工作时，显示通常提供的对比度较差。这是因为漫射光散射结构允许相当部分的入射可见光在LCD中通常所用的单元间隙上透射。这导致对比度的下降。胆甾LCD的另一个缺点是，它们所需的驱动电压比许多其它LCD的要高得多。

现已发现，利用具有多稳定零场稳定性的胆甾液晶显示可实现本发明的一项特别重要的应用，尤其是不依靠聚合物凝胶添加剂来实现这种零场稳定性。在这种显示中，胆甾的LC畴螺旋轴表现为从光反射到主要是光散射的状态范围内的连续取向分布，在这些状态中，在零场条件下，每个中间状态是不定状态。通过减小固体基底与液晶畴之间存在的相互作用(即边界效应)，可建立这一零场多稳定性。通常，这种固体表面-LC相互作用会在没有外加电场的地方建立择优取向液晶畴结构。例如，这种相互作用导致光散射畴结构到反射畴结构的缓慢零场驰豫。这种边界引起的驰豫现象已经否定了早先的发明人永久产生稳定零场双稳定显示器(例如，美国专利号3707331、3821780和3806230)的努力。然而，现已发现，通过消除用于对LC混合物封装的固体基底的任何对准层或定向抛光，能够实现零场多稳定胆甾显示。消除方向性表面的相互作用，减少反射最大畴取向与其它各种畴取向之间的系统能量差。以这种方式，当最大反射液晶结构的能量基本上与最暗光散射列阵的能量相同时就实现了零场多稳定性，这个能量相等的条件包括跨越最大反射极值和最暗光散射极值的所有中间畴结构。利用非常短周期的高压脉冲或者较长周期的低压脉冲，能够改变特定晶体结构的零场畴结构，因而提供连续的零场灰度等级能力。或是从反射结构沿所有路径延伸到最暗光散射状态，或相反，从最暗光散射状态沿所有路径延伸到最大反射结构开始，能够实现畴取向的逐步变化。在零场条件下，光反射极值与光散射极值之间如此建立的每一个中间状态是不确定的稳定。

尽管本发明的焦点是放在有关多稳定零场胆甾液晶显示的应用上，但是，熟悉LCD技术的人将知道这里所述的发明可以应用到许多其它液晶显示类型中。

                    附图简述

图1示出有和没有表面活化添加剂的胆甾液晶在相同的电压脉冲下的光学响应曲线的比较。上图[A]示出电压施加的时间(横坐标)和幅度(纵坐标，0至V)。下面的曲线表示利用同一时间刻度作为电压脉冲的施加时间，未添加表面活化剂[曲线B-实线]和添加表面活化剂[曲线C-短划线]的液晶的相对显示反射比。[纵坐标O到R]

图2是原始数据曲线，表示加有表面活化剂的胆甾液晶的精确响应时间[曲线B]与施加电压脉冲的关系[曲线A]。纵坐标刻度与图1相同。

图3是原始数据曲线，表示加有表面活化剂的胆甾液晶的快速响应时间与施加电压脉冲的关系。纵坐标和横坐标刻度与图2的相同。

图4是原始数据的延伸时间刻度测量结果，测量含有表面活化添加剂的胆甾液晶从低反射比到高反射比的转变时间。时间刻度(横坐标)已经在图2和3所示的时间刻度上作了延伸。纵坐标刻度与图1至图3的相同。

                   发明概要

概括地，在一个方面，本发明涉及一种液晶元件结构，包括：具有被第一导电层覆盖的第一内表面的第一固体基底；具有被第二导电层覆盖的第二内表面的第二固体基底；以及位于第一固体基底的第一内表面与第二固体基底的第二内表面间的大体上不确定的零场多稳定胆甾液晶混合物，所述的液晶混合物包括：表面活性剂，较佳地是非离子的表面活性剂；任选的水；大量液晶；以及至少一种形成多胆甾畴的扭转剂；这里：每一个多胆甾畴是一个可见光或近可见光的反射单元；通过施加电压脉冲能够改变每一个多胆甾畴的取向；每一个多胆甾畴的取向基本上与多胆甾畴之间的相互作用无关，也与多胆甾畴与第一和第二固体基底之间相互作用产生零场多稳定性无关；从向列相到反射胆甾晶体结构的驰豫时间约低于150毫秒。驰豫时间能够达到低于约150毫秒，甚至在约10毫秒以下或更低。液晶混合物可以不含聚合物凝胶添加剂，如聚乙烯醇、聚丙烯酸脂预聚物、热塑聚合物等。如果需要，第一、第二或二者导电层可以用一层或多层类似的或不同的非晶边界层覆盖，如聚酰亚胺和硅烷。

本发明提供的胆甾液晶显示的第一个实施例显示了超快速的转换时间，且不牺牲关键的显示特性，包括直接观看模式。事实上，以本发明实现的响应速度是足够快的，首次允许在视频帧速率下直接观看胆甾显示的操作。

根据λ＝nP方程式，利用在电磁光谱可见光区中具有最大反射比的较短的胆甾液晶节距，可实现本发明的高对比率。此外，采用小的单元间隙(即d＜5微米)，使胆甾液晶处于光散射晶体结构时，只有较少百分比的入射光被散射。采用一个背衬板吸收所有的透射可见光辐射，这样在散射模式工作时给显示器提供一个黑色背底。本发明液晶单元的对比度代表反射状态与光散射状态之间的光学差。

本发明能够抑制用反射模式获得的固有高对比率，并同时实现超短的光学转换时间。通过在胆甾液晶混合物中加新的添加剂，如非离子的表面活化剂，已经实现这一进展。这种添加剂不是聚合物凝胶添加剂。添加到本发明胆甾液晶混合物中的表面活性剂实际上允许畴结构根据所施加的电压脉冲更快速地松弛。可以相信这些添加剂的功能是使畴相互隔离同时降低畴之间和畴与边界表面之间的摩擦力。此外，化学添加剂使自然自对准的畴相互之间的经历减至最小，产生一个更均匀的畴尺寸的分布。表面活化剂的净作用是允许结构的连续，在这种结构中，在零场条件下，每一个微观尺度液晶畴的取向是稳定的，但是，与此同时，对于诸如电压脉冲所施加的扰动所作出的响应是更加自由的。实际上，表面活化化学添加剂的功能在液晶畴之间和畴与边界表面之间起一种润滑剂的作用。

因此，在本发明中，通过把表面活化机添加的液晶混合物中，已经提高了胆甾液晶畴响应时间。正如这里采用的，“表面活化剂”意指“表面活性剂”，当其被溶解在水中或水溶液中时能降低表面张力，或者两种液体之间或者一种液体与一种固体之间的界面张力。正如本技术领域的人所熟知的，有三类表面活性剂：即洗涤剂、浸润剂和乳化剂。常用的洗涤剂为脂肪酸钠皂。洗涤剂分为阴离子型、阳离子型和非离子型，包括两性离子型。最广泛为人们所熟知的基团包括线性磺酸烷基酯，通常添加“增加洗涤剂清洁作用的物质”和苯磺酸烷基酯。对于本发明，中性的、非离子的表面活化剂是较佳的。亲水亲脂平衡(HLB)值可以在2.9至19的范围，较佳地约在11至12的范围。表面活化剂可以在液晶混合物总重量的约0.1％至10％重量的范围。较佳地是在约1％至3％的范围。最佳地，所用表面活化剂的范围约在液晶混合物总重量的1.5％重量至2.3％。根据液晶混合物的总重量，在达到约5％重量(大约在0-5％重量)的含量内，可以任选地添加水，如去离子水。

在电压脉冲下，添加的表面活化剂对胆甾液晶驰豫时间的影响是巨大的。响应时间能够降低到约150毫秒以下。在本发明的一些特定实施例中，响应时间被降低到约150微秒以下，低的可达10微秒以下。

图1示出一种加速的实施例，对比了有和没有添加表面活化剂的胆甾液晶混合物的驰豫时间。在这个实施例中，在大致相应于横坐标时间刻度上0.25秒的位置，施加一个电压脉冲(+54V)。在下面的两条曲线中示出了有(短划线-见实施例2)和没有(实线-见实施例1)添加表面活化剂的胆甾液晶混合物对这一电压脉冲的响应。在从0到R读数的刻度上沿纵坐标示出这种显示的反射百分比，这里R代表最大反射比。开始，在零时间处，在两种显示中的液晶晶体结构都是暗的光散射型，因此表现为反射比很小。根据施加的电压脉冲(在0.25秒时)，两种液晶混合物在施加脉冲期间即刻转变为向列相，但是在脉冲结束后立即松弛到反射胆甾晶体结构。正如如1所示，从向列相到胆甾反射结构，有表面活化剂的液晶混合物(FMLCD)比没有表面活化剂的液晶混合物(MLCD)松驰要快得多。强调每一个系统严格采用相同的液晶混合物，包括相同量的扭转剂，是尤其重要的。只有在快速响应显示也含有少量的添加表面活化剂的情况中，两种显示才有差别。图1中还示出，接着施加第二个较低值(30V)电压脉冲，两种显示又转换到暗光散射状态的情况。有或没有添加表面活化剂，都是一个快速的松弛过程，如图1所示。图1示出在相同的触发电压下两条不同的响应曲线。点划或短划曲线(C)具有垂直的斜坡段(上升时间τ_T约为150毫秒)，这大约比实线曲线(C)的上升时间快1000倍。

图1中的数据清楚地表明了有表面活化添加剂的液晶混合物的驰豫时间更快。然而，由于在所用的时间刻度上有表面活化剂的液晶混合物的相变化是瞬时的，从图1中不容易得到这种加速的定量表示。对所用时间刻度进行放大能够估计胆甾液晶混合物从暗的光散射转变到反射结构驰豫时间的加速幅度。通过分析图2、3和4中所示的原始数据，能够获得这一估计结果。这几幅图与图1是相似的，在图1中，上部的轨迹和下部的轨迹分别代表驱动电压和液晶响应曲线。然而，所用的时间刻度与图1有很大的不同。图2(见实施例1)示出没有添加表面活化剂(MLCD)的LC混合物根据施加的电压脉冲从低反射比跃迁到高反射比的驰豫时间或跃迁时间。上部的曲线(A)代表触发电压脉冲，一刻度为50V。下部的曲线(B)表示响应曲线，一刻度为50mV(反射强度)。两条曲线都相应于0.1秒的时间刻度。可直接从图中读出，上升时间(τ_T)约为150毫秒。图3(见实施例2)示出添加了表面活化剂的LC混合物(FMLCD)的响应时间，放大的时间刻度与图2^-相同。在将表面活化剂添加到胆甾液晶中的情况中，在触发电压脉冲后，能够实现上升时间(τ_T)147微秒，延迟时间(τ_d)131微秒。即使是在放大的刻度上，有表面活化剂的LC混合物从低反射比跃迁到高反射比的响应时间是在瞬时发生，估计约为10微秒或更低。因此，要采用放得更大的时间刻度来估计有表面活化剂的LC混合物的驰豫时间。在图4中示出这一点(见实施例2)。正如这些曲线所示的，从这些曲线估计的驰豫时间约为0.147毫秒。事实上，当所施加的电压脉冲不是纯的方波时这代表这种驰豫时间的名义上限。预计实际的驰豫时间不足10微秒。

因此，正如图2至4所示出的数据，把表面活化剂添加到胆甾LC混合物，使主要光散射到反射相变化的驰豫时间从大约150毫秒改善(即降低)到不足0.150毫秒。这表示响应时间下降千分之一倍。这种相跃迁是确定发展更快速响应胆甾显示的关键速率。从光反射到光散射晶体结构的反跃迁，在快得多的时间刻度上进行。利用在电磁光谱的可见光区中出现反射最大的超短的螺旋节距长度，已经演示了散射到反射LC晶体结构跃迁，这个事实是特别重要的。通过将最大反射晶体结构中所反射可见光与暗状态中背散射光进行比较可获得对比率，这允许在这种条件下进行显示操作。由于这些显示器是利用小的单元间隙(即＜5微米)制成的，所以存在极少的散射光，在光散射晶体结构中显示器是暗黑色。结果，当前的发明提供的胆甾显示器既是超快速的又显示出高的对比度。

本发明首次研制出具有视频速率响应能力的直接观看胆甾显示器。如下所述，这种显示器甚至在视频应用中工作时也具有非常好的灰度等级和全部彩色的能力。特别引人注意的是将这项新技术应用于引言中所述的这类零场多稳定胆甾显示器(MLCD)。在这种特定的情况中，在零场条件下，图象保留是可能的。此外，由于这种胆甾显示去除了对背景光照的需要，本发明的这一具体实施例除了低功耗外还表现出完全彩色、优良的灰度等级的直接观看的特点。

以下将概述有关直接观看、视频速率胆甾显示研制中的多路传输。在这种情况中，这种多路传输是利用多稳定零场胆甾液晶来说明的。然而，熟悉液晶显示的人将看出，这一新技术可应用于多种多样的其它液晶混合物中。

因此，如上所述，能够运用基于有关FMLCD这一具体说明的完全帧图象。如图4所示，响应时间＜150微秒，这样的视频速率可以用作直接观看显示。视频速率要求每秒至少30帧或者每帧33.3毫秒。当然，这正好在含有表面活化添加剂的象元所演示的响应时间中，事实上，如图4所示，象元响应时间几乎比150微秒小很多。这里必须注意，没有表面活化添加剂的MLCD显示出150毫秒的响应时间，这比33.3毫秒大得多，因此，不适合用于视频应用。

由于熟悉胆甾液晶科学的人将能看出，本发明具有视频速率能力的全部彩色胆甾液晶显示的生产能较好的兼容。通过调节螺旋节距使在电磁光谱可见光区中特定波长上的反射率达到最大，如方程式λ＝nP所表示的，能够得到全部彩色的能力。例如，增加或减少一定量的扭转剂，能够调节胆甾液晶混合物的螺旋节距，或显示红色(R)、绿色(G)或显示蓝色(B)。当在这一时刻已经建立好时，全部彩色的显示就是RGB象元的适当组合。通过采用专门的技术使每个象元的RGB胆甾液晶隔离，可制备含有不同螺旋节距象元的显示因而获得所需的RGB组合。

以上从直接观看显示方面对本发明的应用作了讨论。由于基于该发明所述的超快速、零场多稳定技术的固有优点显然能够实现异乎寻常低功耗、低重量的平板视频显示。然而，还应当注意，该发明也是与投影型显示器的应用较好地兼容。很明显，本发明当应用于投影型显示时，所提供的速度改善是与直接观看显示中所展示的改善是一样的。

                  实施例1

制备一种胆甾液晶混合物，由0.6043g液晶ZLI 540-100(快速响应STN用的多瓶系，粘滞度(mm²s^-1)在20℃下为18，在-20℃下为375，德国C.E.MerckIndustries Inc.)、0.0450g CE2(一种手性向列，p-CH₃CH₂CH(CH₃)CH₂-C₆H₄-C₆H₄-COO-C₆H₄CH₂CH(CH₃)CH₂CH₃，英国BDH Chemicals Ltd.)、0.0450gCB15(p-NC-C₆H₄-C₆H₄-CH₂CH(CH₃)C₂H₅，德国E.Merck Industries Inc.)、和0.0450g R1011(一种手性掺杂剂p-H₁₁C₅-C₆H₁₀-C₆H₅-COOCH(C₆H₅)CH₂OCO-C₆H₅-C₆H₁₀-C₅H₁₁，德国C.E.Merck Industries Inc.)组成的。这一混合物被封在两个涂覆ITO的玻璃基底之间，形成一个液晶元件。这一元件承受图1所示的电压脉冲。这一液晶混合物的响应时间约为150毫秒，如图1和图2所示。在可见光波段的绿色区中，这一液晶混合物展现了最大反射率。这一混合物也显示了多稳定零场稳定性。

                   实施例2

制备与实施例1所述成分相同的胆甾液晶混合物。然而，对于这个混合物，添加了0.0151g表面活化剂PEG400单硬脂酸酯(HLB值为11.6，美国ChemService Inc.)和0.0151g18MΩ去离子化水。产生的混合物再组装成一个形式与实施例1所用形式相同的液晶元件。这个元件承受电压脉冲，如图1所示。图1和图3和4示出含有添加表面活化剂的这一液晶混合物的响应时间。这个混合物的响应时间小于150微秒，如图4所示。这代表相对于实施例1不含表面活化剂的混合物，响应速率提高1000倍。尽管在这一混合物中存在表面活化剂，该混合物达到多稳定零场稳定性。

                      实施例3

制备一种胆甾液晶混合物，由0.6551g液晶E31LV(熔点-9；纯化点61.5；阈值与稳定的依赖关系-9.4；响应因子834；双折射率An0.2269；粘滞性在0℃下185，英国BDH Chemicals，Ltd)、0.0482 gCE2、0.0132 gCB15，和0.0110g18MΩH₂O组成。当组装成液晶元件并承受约50V电压脉冲时，在大约不足220微秒的时间里从散射(暗)状态转变到反射(亮的绿色)状态。

                        实施例4

一种胆甾液晶混合物，由2.1094g液晶5400-100、0.187gR1011、0.114gCE2、0.0479gCB15和0.0245gPEG4000单硬脂酸酯(HLB值为18.6，美国ChemService Inc.)组成。当组装成液晶元件并承受约50V电压脉冲时，在大约不足150微秒的时间里从散射(暗)状态转变到反射(亮的绿色)状态。

                       实施例5

一种胆甾液晶混合物，由2.1094g液晶5400-100、0.1952gR1011、0.1263g CE2、0.0517g CB15和0.0312g山梨聚糖(HLB值为15，美国Chem Service Inc.)组成。当组装成液晶元件并承受约50V电压脉冲时，在大约不足150微秒的时间里从散射(暗)状态转变到反射(亮的绿色)状态。

                       实施例6

一种胆甾液晶混合物，由0.6852g液晶E31LV、0.0387gR1011、0.0392gCE2、0.0362g CB15和0.0153g山梨聚糖(HLB值为10，美国Chem Service Inc.)组成。当组装成液晶元件并承受约50V电压脉冲时，在大约不足150微秒的时间里从散射(暗)状态转变到反射(亮的绿色)状态。