[发明专利]多稳态手性向列显示器

说明书

本申请是美国序号为07/694,840(申请日：1991.5.2)美国申请序号为07/885,154(申请日：1992年5月18日)及美国申请序号为07/969,093的部分继续申请，上述三份申请在此申请中供参考。

本发明一般地涉及液晶光调制器件，更具体地涉及在不同电场条件下呈现不同光学状态的新型无聚合物液晶显示元件和材料，其特征在于独特地兼备多种性能，包括光学多稳定性以及在有电场或无电场状态下在所有视角的光透射均无雾状。

已经有人利用各种类型和浓度的液晶和聚合物，制备了旨在用于电光学器件中的可电切换液晶膜。一种这样的技术涉及把液晶吸入一种塑料或玻璃片材的微孔中。另一种技术涉及在聚乙烯醇等水溶性聚合物溶液或胶乳乳液配制的向列液晶水乳液中的水蒸发。

一种显著优于机械截留技术和乳化步骤的不同方法，涉及从一种与适用的合成树脂的均相溶液分离液晶，形成一种与聚合物相彼此散置的液晶相。这些类型时膜(其中有一些称为PDLC)已被证明可用于很多用途，包括从大面积显示和可切换橱窗涂层到投影显示和高清晰度电视。

上述材料和工艺全都有需要大量昂贵试剂和起始材料的缺点。与这些系统相联系的各种吸入、乳化或聚合步骤显著增加了其制造的成本和复杂性。此外，当使用大量的聚合物时，由于液晶的有效折射率和聚合物的折射率之间的明显不匹配，它们开始随斜视角增大而显示出特有的“雾状”缺点，直至在足够斜的角度上观测到基本上不透明的外观。

在原始申请中，发现了利用手性向列液晶和聚合物可以制备良好的彩色反射显示器。这些显示器的优点是显示多稳定性的颜色反射状态，而且当聚合物数量低时看不到雾状。然而，尽管它们有很多优点，但这些显示器仍需要使用聚合物，因而具有与之相联系的缺点。

令人惊奇的是，现已发现，能制备一种无聚合物的多稳态颜色反射元件，它显示出稳定的颜色反射和光散射状态，且在两者之间有以不同的反射强度为特征的多个稳定光学状态。根据电场寻址脉冲的电压，这种材料可以在这些多个光学状态之间转换，所有这些状态在没有加电场时都是稳定的。

本发明的一个重要特色是，无需聚合物就能制备一种反射颜色显示单元，因而它能呈现多种不同的光学状态，所有这些状态在未加电场时都是稳定的。这种显示器可以用电场从一种状态驱动到另一种状态。因电场脉冲的量级和形状而异，这种材料的光学状态可以转变成一种新的稳定状态，后者能沿这类状态的连续统反射任何一种所希望的彩色光强度，从而提供一种稳定的“灰度”。令人惊讶的是，无需聚合物和与之相联系的附加费用与制造复杂性，就能制备这些材料。

一般地说，给该材料加一个足够低的电场脉冲导致一种呈白色外观有光散射状态。在这种状态下，由于表面效应、弹性力和电场之间竞争的结果，一定比例的液晶分子具有聚焦锥形结构(focal conictexture)。在加了足够高的电场脉冲，即一个高得足以使液晶导向偶极子(liquid crystal directors)发生同向取向(homeotro-picallyalign)的电场之后，该材料便弛豫到一种光反射状态，它根据手性向列液晶的间距(pitch length)，可表现为绿色、红色、蓝色或任何一种预先选择的颜色。这种光散射状态和光反射状态在零电场时仍保持稳定。通过对该材料施加一个介于能使之从反射状态转换成散射状态或反之亦然的电场之间的电场，就能得到以在反射状态和散射状态所显示的反射程度之间变化的反射程度为特征的稳定灰度状态。当手性向列液晶处于平面彩色光反射结构并施加一个中间电场脉冲时，处于平面结构的材料量以及彩色光的反射强度会减小。类似地，当该材料处于聚焦锥形结构并施加一个中间电场脉冲时，处于平面结构的材料量将会增加，显示单元的反射强度也会增加。当电场撤除时，该材料是稳定的，且仍处于所建立的结构，能无限地反射该种光强度而不管它是从何种结构开始的。

如果保持一个高得足以使液晶导向器发生同向取向的电场，则该材料是透明的，直至该电场撤销。当把该电场迅速取消时，该材料就转变到反射状态，而当把该电场慢慢取消时，该材料就转变成光散射状态。在每一种情况下，电场脉冲较好都是交流脉冲，更好的是方波交流脉冲，因为直流脉冲往往会引起离子导电并限制显示单元的寿命。