高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置的製作方法

2023-06-11 02:21:16

專利名稱：高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新結構的聚合物分散液晶光閥顯示裝置。原有的聚合物分散液晶能在電場作用下使光線透過或散射，本發明又增加了定向反射功能，屬於電子信息顯示用液晶光閥薄膜，具體說是一種高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置。
聚合物與液晶微滴分散體形成的裝置已有三十多年的歷史，早期由邱季爾(Churchill)等人將聚乙烯醇水溶性聚合物與膽甾相液晶混合用於熱致色變顯示或場致色變顯示。由於膽甾相液晶的局限，當時只能用電子束驅動，且顯示方式僅為顏色的變化，無法對光線進行滿意的導通與關斷。八十年代由弗格森(Fergason)發明了用聚乙烯醇水溶液與正型向列相液晶製作液晶微球分散體系，經塗布、烘乾、複合等工序製作出以散射或吸收為機制的光閥顯示器，後來美國肯特州立大學(kent State University，Ohio USA)發明了將聚合物單體或予聚物與正型向列相液晶先混合成溶解均一相，經塗布複合後再經加熱、紫外線照射或電子束輻射等方法使液晶在聚合物聚合—分子量增大過程中逐步分離成為微滴分散體系，並取名為聚合物分散液晶(Polymer DisperSed Liquid Crystal-PDLC)光閥顯示器。其微散機制滿足以下條件1)液晶對尋常光析射率no等於聚合物的光射射率npno＝np2)液晶對尋常光析射率ne遠大於聚合物的光析射率nrne＞＞np因為聚合物分散液晶光閥顯示器對可見光的散射強度正比於光析射率差量Δn的平方Δn2＝(ne-np)2＝(ne-np)2。光析射率差量Δn表徵了液晶分子的光學各向異性，由於受到化學結構的限制，Δn值最大不超過0.28。(紙張的Δn為0.5～1.0)因而其缺點是對貼近的物體缺乏屏蔽能力或遮蓋強度，散射效果不如紙張。同時由於缺乏前反射功能，大大限制了這種光閥的應用範圍。即使可以使用二間色染料來增加其對比度，但因它採用的是吸收機制，也無法用於白色顯示場合。
本發明目的在於克服現有技術中的缺點，提出一種高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，使它在原有的聚合物分散液晶(PDLC)能在電場作用下對光線透過或散射的功能基礎上增加定向反射功能和增強散射功能。
本發明目的由以下技術方案實現該高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，具有聚合物作為連續相、液晶作為分散相的基本結構，並被夾敷於兩層透明導電薄膜之間，其特徵在於液晶是由正型向列相液晶與膽甾相液晶混合，以微滴形態被包絡在聚合物中形成兩相系統，在滴晶微滴中，液晶分子形成具有本徵螺距和手徵性的螺旋排列，在聚合物與液晶的混合相體系層中可以不只有一種混合液晶的微滴，而是有兩種液晶分子螺旋排列的螺距不同的微球分散體。然後再將它們均勻混合分散進入混合相體系層。
本發明中的透明導電薄膜，其基片可以是聚酯薄膜，在其內表面上有透明的ITO-氧化銦錫鍍層。由於本發明使用了正型向列相液晶與手徵性膽甾相液晶的混合物，在其微滴中，液晶分子形成具有本徵螺距和手徵性的螺旋排列，而不同於原有技術僅有一種向列相液晶並且在其微滴中依靠分子力平衡而形成液晶分子雜亂無序的狀態，在其混合相體系層中，可以不只有一種混合液晶的微滴，而是有兩種液晶分子螺旋排列的螺距不同的微球分散體，然後再將它們均勻混合分散進入混合相體系層。本發明在原有技術對光線只能透過或散射的基礎上增加了定向反射功能。本發明中的正型向列相液晶是指所有正型向列相液晶中的一種，可以是烷基(烷氧基)聯苯腈液晶系列，化學結構式為
CN R1(c＝2-7)直鏈烷烴；或者是烷基(烷氧基)三聯苯腈液晶系列，化學結構式為
R2(c＝1～5)直鏈烷烴，或者是烷基(烷氧基)咪啶苯腈液晶系列，化學結構式為
(c＝3～7)直鏈烷烴，或者是烷基(烷氧基)環戊基苯腈液晶系列，化學結構式為
(c＝3～5)直鏈烷烴。本發明中的手徵性液晶是指所有手徵性液晶或膽甾相液晶中的一種，可以是CB-15，其結構式為CH3
和氯化物。
本發明中的聚合物是指所有熱固性樹脂單體及予聚物，或是熱熔性樹脂單體及予聚物，或是紫外線及電子束可固型單體及予聚物，或是水溶性樹脂，通常有環氧樹脂，聚丙烯酸樹脂，聚氨酯樹脂，聚乙烯醇樹脂，聚乙烯醇縮醛類樹脂，在適用的聚合物材料種類上大大增加了品種。
正型向列相液晶和手徵性膽甾相液晶微滴直徑在2～10微米之間，平均為4微米。而普通裝置液晶微滴直徑在0.5～2微米之間，平均為1微米，以得到對可見光的最大程度的散射。本發明的液滴直徑既滿足布拉格(Bring)反射條件，又使開啟電壓比較低。一般說來，液晶微滴直徑越大，布拉格反射越強，液晶微滴內疇之間的散射作用也越強；微滴直徑越小，布拉格反射熱弱，而液晶球與聚合物界面的散射作用越大。一般根據使用的具體要求，適當決定微球的大小。
液晶微滴的形狀，應儘量使其扁平為好，其橢圓度，儘量小，橢圓率範圍以0.3～0.6為最好。因為橢圓率較大的接近圓形的微滴不利於產生布拉格反射，而橢圓率較小時，便於產生高反射率布拉格效應。從工藝上很容易實現本發明所需的橢圓率，例如可以控制聚合物的體積收縮率，控制溶劑的揮發速度，控制複合壓力等。
所使用的幾種聚合物原料是按照相同或在10％範圍內接近相同的質量比例復配的；所使用的幾種液晶原料是按照以下質量比例復配的針對每一種顏色光波長的正型向列相液晶對膽甾相液晶的比例為10∶10到15∶5之間，所使用的兩種固化劑Capcure3-800和Capcure 40的質量之比為97∶3到99∶1。其混合物在與液晶混合物再混合時的質量之比為(1～1.4)∶10。所使用的聚合度為1750的聚乙烯醇水溶液的百分比濃度為6％-10％，它的質量與液晶混合物質量之比為10∶3到10∶5。
這種液晶光閥顯示裝置的製做工藝比原有的普通聚合物分散液晶光閥的製做工藝更複雜更精細，同時還有技術上的突破。原有普通工藝是將聚合物單體或予聚物與液晶混合成溶解均一相，經塗布而複合後再用物理方法使液晶在聚合物聚合過程中逐步分離成微滴分散體系。而本發明在此基礎上有了新的技術突破一是在聚合物予固化的過程中液晶微滴實現相分離，並在微滴內部形成液晶分子集合體「疇」；二是不依靠聚合物聚合過程，而是對液晶與聚合物水溶液的混合物用高速攪拌的物理方法得到液晶微球分散液；三是不採用常規的複合塗布工藝，而是將不同類型的分散液按照底塗與頂塗的先後順序，塗布後再複合。
本發明的優點是在以原有的聚合物分散液晶(PDLC)能在電場作用下對光線透過或散射的功能基礎上增加了定向反射功能。該發明可用於電控透光幕，可有效反射紅外線，也可作為電子銀幕，用於顯示器可提高導通態和關斷態的對比度，特別是提高了黑暗背景下的光學反差，可進行多路驅動，提高驅動速度，從而大大完善了聚合物分散液晶技術的實用性，當將它同多穩態液晶顯示技術(MLCD)相結合時，就有可能實現當代最先進的研製目標一集信息存貯與顯示於一體的柔性可讀的電子報紙或電子圖書。


圖1是一種高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置結構圖，其具有螺旋排列分子的液晶微滴對入射光線呈現選擇反射作用。
圖2也是一種高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置結構圖，其具有二元補色混合結構反射白光作用。
圖3、圖4表示不同橢圓度的液晶微滴，圖3中，橢圓度ε＝1，圖4是橢圓度ε＝0.5。
圖5表面普通PDLC裝置的透光率與外加電壓關係。
圖6表示是本發明的透光率與外加電壓關係。
本發明所提出的該兩種高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，具有聚合物(3)作為連續相，液晶微滴(4)作為分散相，並被夾敷於兩層透明導電薄膜(1)、(2)之間。該液晶微滴是由正型向列相液晶與膽甾相液晶混合，以液滴形態被包絡在聚合物(3)中，形成兩相系統，圖1是具有螺旋排列分子的液晶微滴，兩種液晶分子呈螺旋排列的螺距不同的微球分散體狀態。
圖1中，左半部是加電場狀態，右半部是未加電場狀態，在未加電場時，液晶微滴的膽甾相液晶和正型向列相液晶的混合物按照其本徵的螺距和手性對入射光線A有選擇反射作用一是手性選擇，液晶將與自身螺旋方向相同的入射光A分量反射回去，有反射光B，二是波長選擇，液晶僅將滿足下列關係的入射光產生布拉格(Bragg)反射Δλ＝Δn.ρΔλ展示反射光波長範圍，Δn為液晶的光學各向異性，ρ為液晶分子排列的螺距。反射的中心波長為λ＝n·ρn表示平均光折射率。
可根據不同的應用場合，λ可選擇為紅外區、可見光區等。
在無外加電場作用時，另一個光學效應是散射作用，它又可分為兩種一種是液晶微滴與聚合物包絡物的界面散射，此作用此普通PDLC裝置的情況相同，其散射強度為Sc1∝(ne+no/2-np)2另一種則是液晶微滴內部的手徵性液晶分子集合體「疇」之間的散射。散射光為C，「疇」是具有相同的光軸的手徵性液晶分子的群聚體，其最大散射強度為 Sc1∝(ne-no)2這種散射普遍存在於外界擾動後的手徵性液晶體系中。由式(5)、(6)產生的兩種散射機制與式(3)提供的布拉格反射機制綜合即構成了無電場作用下的「關斷」效應。與常規的PDLC單一的散射機制對比，對光線的關斷作用明顯加強。
在有外加電場作用下，液晶微滴內部的手徵性螺旋結構被拉直，退旋為向列相，並且所有分子隨外場方向取向，這一狀態與普通的PDLC效果相同，no-nr，裝置呈透明態。
圖2表示反射白色的結構，按照反射波長的要求，分別製備針對波長λ1、λ2的兩種液晶微球分散體(4)，然後將其混合均勻。混合比例符合國際CIE標準色圖的等能點或D65色溫點，λ1、λ2也應滿足互為補色的要求。例如λ1為紅色波長，λ2為青蘭色波長。當上述液晶微滴的分散液均勻塗布於ITO氧化銦錫導電膜並乾燥後，加蓋複合另一層導電薄膜，即得到了本發明的裝置。其中(5)為聚合物頂塗層，(6)為聚合物底塗層，該裝置存在如下顯示狀態1、不加電場，即E＝O區域，裝置是白色，2、加高電場，即E)Ech區域，裝置呈透明態。
在圖1、圖2中，A表示入射光，B表示反射光，C表示散射光，D表示出射光。
實施例1將環氧樹脂Epon828、ELR4221、ELR4299以各1/3的比例復配均勻後，稱取10克放在攪拌器中，此為一種聚合物；取液晶R0-TN-4040.7克，液晶CB-15-0.3克，將其混合後的混合物也加入攪拌器中，與聚合物環氧樹脂一同攪拌，待拌至清亮點後，再加入固化劑Capcure-3880與Capcure40的98∶2的混合物1克，再加入0.005克的20微米的間隔料，攪拌均勻後推入複合塗布機，被夾敷於兩片面電阻率

的氧化銦錫(ITO)透明導電薄膜中，然後放入45℃的加熱爐中予固化4小時，待液晶以平均直徑4微米微滴相分離完成後，再放入75℃加熱爐進行後固化8小時，便得到高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置。能夠反射可見光。
實施例2。
取7％濃度的聚乙烯醇(聚合度為1750)的水溶液9克及被調製為紅色的液晶R0-TN-404和液晶CB15的混合物4.5克一同放入高速攪拌器內攪拌，得到平均直徑8微米的液晶微球分散液，作為底塗溶液，又取7％濃度的聚乙烯醇的水溶液9克，及被調製成蘭綠色的液晶R0-TN-404與液晶R1011、CB15的混合物4.5克，一同放入高速攪拌器內攪拌得到平均直徑8微米的液晶微球分散液，作為頂塗溶液。
將底塗溶液幹基厚度10微米的塗布量，用精密微型凹輥塗布機塗布於面電阻率

的聚酯薄膜上，待底塗層烘乾後，再頂塗幹基厚度為10微米的頂塗溶液，經烘乾後，複合另一層導電聚酯薄膜。即得到高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置。
當無電場作用下，該高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置為白色的反射體薄膜，在外電場驅動下，為透明體薄膜。
權利要求
1.一種高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，具有聚合物作為連續相，液晶作為分散相的基本結構，並被夾敷於兩層透明導電薄膜之間，其特徵在於液晶是由正型向列相液晶與手徵性膽甾相液晶混合，以微滴形態被包絡在聚合物中形成兩相系統，在聚合物與液晶的混合相體系層中，安排一種或兩種液晶微球分散體，微滴中液晶分子形成具有本徵螺距和手徵性的螺旋排列，兩種液晶微球分散體的螺距不同。
2.按照權利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，其特徵在於正型向列相液晶是指所有正型向列相液晶中的一種；是烷基(烷氧基)聯苯腈液晶系列，或是烷基(烷氧基)三聯苯腈液晶系列，或是烷基(烷氧基)咪啶苯腈液晶系列，或是烷基(烷氧基)環戊基本腈液晶系列。
3.按照權利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，其特徵在於手徵性膽甾相液晶是指所有手徵性膽甾相液晶中的一種，是CB-15，或是R-1011，或是各種膽固醇酯類和氯化物。
4.按照權利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，其特徵在於聚合物是指所有熱固性樹脂單體及予聚物，或是熱熔性樹脂單體及予聚物，或是紫外線及電子束可固型單體及予聚物，或是水溶性樹脂包括有環氧樹脂、聚丙烯酸樹脂、聚氨脂樹脂、聚乙烯醇樹脂、聚乙烯醇縮醛類樹脂。
5.按照權利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，其特徵在於所使用的幾種聚合物原料是按照相同或在10％範圍內接近相同的質量比例復配的；所使用的幾種液晶原料是按照以下質量比例復配的針對每一種顏色光波長的正型向列相液晶對膽甾相液晶的比例為10∶10到15∶5之間，所使用的兩種固化劑Capcure 3-800和Capcure 40的質量之比為97∶3到99∶1。其混合物在與液晶混合物再混合時的質量之比為(1～1.4)∶10。所使用的聚合度為1750的聚乙烯醇水溶液的百分比濃度為6％-10％，它的質量與液晶混合物質量之比為10∶3到10∶5。
6.按照權利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，其特徵在於正型向列相液晶和手性液晶微滴直徑在2～10微米之間，平均為4微米，即滿足布拉格反射條件，又使開啟電壓比較低。
7.按照權利要求1所述的高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置，其特徵在於液晶微滴以扁平形狀為最好，其橢圓率範圍是0.3～0.6。
全文摘要
高反射率聚合物分散液晶光閥顯示裝置,屬於電子信息顯示用液晶光閥薄膜。具有聚合物作為連繞相,液晶作為分散相等的基本結構,並被夾敷於兩層透明導電薄膜之間。液晶是由正型向列相液晶與手徵性膽甾相液晶混合,以微滴形態被包絡在聚合物中形成兩相系統。優點是該發明在原有的聚合物分散液晶能在電場作用下對光線透過或散射的功能基礎上增加了定向反射功能。可用於電控透光幕和將信息貯存顯示集合於一體。
文檔編號G02F1/13GK1181568SQ9611605
公開日1998年5月13日 申請日期1996年11月4日 優先權日1996年11月4日
發明者馬耀東, 周志謙 申請人:周志謙