鐵電液晶(flc)聚合物的製作方法

2023-08-01 13:54:26 2

專利名稱：鐵電液晶(flc)聚合物的製作方法
鐵電液晶(FLC)聚合物相關申請的交叉引用本申請要求於2009年1月30日提交的美國臨時申請系列號61/148，907的優先權，該申請通過引用以其整體被併入。關於聯邦贊助的開發研究的聲明本發明是在由美國國家科學基金會授予的STTR專用撥款IIP-0741216的政府資助下進行的。政府擁有本發明的一些權利。
背景技術：
本發明大體涉及液晶，且更特別地涉及鐵電液晶。鐵電液晶(FLC)具有代替它們的向列型相對物的潛力，向列型相對物當前控制著現今每年830億美元的顯示器市場(1)。FLC的優點包括相對於向列型LCD更快的轉換速度，顯著較低的功率消耗和更好的解析度。當FLC被限定在小的盒(cell)的間隙中時，由它們的結構所引起的FLC的自發分子極化產生可在顯示器件中利用的獨特特徵。在這種限制中，僅幾伏特的低電場可使FLC 在具有相反極化方向的兩個相等的穩定態之間轉換(圖2b)。這通常稱為雙穩性。相反，向列型顯示器一般需要電場來維持「開啟」狀態。因此，運行FLC顯示器需要的功率比運行向列型顯示器需要的功率小得多。由於在兩個方向上都使用主動轉換，所以FLC轉換可比向列型顯示器快數百倍，向列型顯示器僅可在一個方向上主動驅動(而被動地弛豫到它們的 「關閉」狀態超過數十毫秒)。由於由FLC的作用方式所允許的非常薄的間隙，所以FLC還顯現高解析度。在傳輸方式中，與向列型IXD的4 μ m至8 μ m相比，它們通常小於2 μ m厚。在反射式FLC顯示器中，該厚度被減半，產生小於Iym的厚度。因此，已經證實小至5μπι的像素。FLC的另一個優點是180度視角(這是可獲得的，因為分子在與屏幕相同的平面中轉換，不像向列型顯示器那樣進入該平面和離開該平面來轉換)。製造FLC顯示器的大部分困難可追溯到對其在器件內部的納米結構的控制。分子自發組織成層(近晶相)。然而，這不足以使得它們有鐵電性。分子的長軸相對於層法線(layer normal)必須具有優選的傾斜(圖2C)如果分子的長軸僅沿層法線指向，則在層的平面中不存在自發的偶極。單獨的傾斜仍不足以產生鐵電性它們還必須是手性的，使得分子能夠區別兩種不同的傾斜狀態，該兩種不同的傾斜狀態在層的平面中具有相反方向的偶極。但是在層中具有偶極組分還不足以產生宏觀鐵電性材料迫使相鄰層將它們的偶極以相同方向指向消耗了自由能，使得體系趨於採取「旋轉樓梯」偶極布置，導致無宏觀的偶極。為使層符合它們的偶極的單一的、一致的取向，需要限制到薄的間隙，使得表面效應與體效應一樣重要。通過修整表面使得分子具有保持平行於盒壁的狀態的強激勵，兩個獨特的取向可以比所有其它取向有利(消除「螺旋樓梯」中的大多數階梯，使得偶極不再具有相互抵消的選擇)。該知識在液晶界是知名的「表面穩定的鐵電液晶」(SSFLC)的概念在 1980年由Noel Clark和Sven Lagerwall提出。自作出關於SSFLC的重大發現已過去超過20年，由于越來越多的IP專利過期，導致該領域的當前的復興。因此，理想的FLC顯示器層結構是「書架式幾何結構」，其中層與盒壁垂直，且層中的分子通常定向成平行於盒壁 (圖2a)；然後迫使LC指向矢(director)以滿足其相對於層法線所需傾斜的兩個分立的取向中的一個取向而平行於表面排列。理想的書架式排列的結果是電場可用於將指向矢取向 「爆發(pop)」到兩個「被允許的」取向中的一個或另一個中；將電場移走後，指向矢不重新取向(圖2c)，所以當停止施加電壓時，它是穩定的。然而，在發現SSFLC之後不久，意識到獲得「書架式幾何結構」不是簡單的事情。實際上，FLC層常常被定向成人字形，其具有遠離書架方向對稱傾斜的兩種類型的層(圖3)。對於FLC器件來說，這是嚴重的問題，因為沒有書架式幾何結構，很難獲得雙穩性。實際上，當今市場上的很少的FLC器件不是雙穩態的，而是使用連續施加的電場來保持分子處於所選擇的光軸狀態，從而排除FLC的一個大的優點-低功率消耗(5)。之字形缺陷是形成人字形層結構的可見表現形式當通過正交偏振器觀看FLC盒時，具有不同人字形方向的區域邊界導致「光洩露」-亮線(

圖1)。這樣的光學缺陷致使器件不能用作顯示器。已經付出很多的努力來嘗試解決前述問題。一種這樣的方法是使用傾斜沉積的非晶矽作為迫使層呈書架式幾何結構的取向層(alignment layer)。不幸的是，由於矽必須在真空室中沉積，所以該方法是昂貴的且難以推廣到許多類型的盒結構。另一種方法涉及施加高壓、低頻電場穿過具有不期望的「人字形幾何結構」的盒來誘導準書架式幾何結構，但這些盒具有比有人字形幾何結構的相同的盒慢的轉換速度。由於準書架式幾何結構不是熱力學誘導的，如果盒被加熱成另一種LC 相，則該排列將消失。在文獻(6、7、8)中描述了另一種方法在FLC主體中進行原位聚合。在該方法中， 當將LC裝入盒中時，存在用於聚合的反應物種或離子物種，且需要後續的UV輻射步驟來聚合物種(具有UV輻射步驟對器件中的有機材料的伴隨的毀壞)。在其它方法中，聚合物形成與主體分離的相，從而降低LC層的光學均勻性。除了所提及的缺點外，前述嘗試不利地影響操作電壓和轉換速度。儘管經過多年的努力，但還未獲得涉及原位聚合的商業化方法。發明簡述大體上提供了一種包含常規的鐵電液晶(「FLC」)主體材料和少量的聚合物添加劑的體系。更具體地，聚合物添加劑是如本文進一步描述的側基液晶聚合物。聚合物添加劑以少量(在實施方式中，在0.01襯％和5襯％之間)存在於FLC主體中。在實施方式中， 一個或多個聚苯乙烯端基化學地結合到側基液晶聚合物。在實施方式中，無聚苯乙烯端基化學地結合到側基液晶聚合物。詞「聚合物添加劑」、「摻雜劑」和「側基液晶聚合物」和這些詞組的其它變體在本文可互換使用。鐵電液晶主體連同側基液晶聚合物一起是如本文使用的「鐵電液晶組合物」。雖然申請人不期望受理論所束縛，但認為聚合物添加劑可溶於FLC主體中且當加工時連同FLC主體一起經歷取向序的改變，以及抵抗在人字形形成時發生的剪切變形。聚合物添加劑可含有任何聚合物、間隔基和液晶或當引入到FLC主體時產生所期望效果的其它基團。本文示出且描述了用於側基液晶聚合物的聚合物、間隔基和液晶的一些具體實例。 在本發明的一方面，側基液晶聚合物被聚合且隨後被添加到FLC主體。在本發明的一方面， 包含聚合物添加劑的FLC主體的轉換速度與無聚合物添加劑的FLC主體的轉換速度一樣快 (在5%之內)或比無聚合物添加劑的FLC主體的轉換速度快。在實施方式中，本文描述的FLC組合物呈現雙穩態轉換。在實施方式中，包含聚合物添加劑的FLC組合物的光學上升時間(optical risetime)近似等於(在5%之內)或小於無聚合物添加劑的FLC主體的光學上升時間。在本發明的一方面，將聚合物添加劑添加到FLC主體提高盒或器件中的混合物的對比度。在本發明的一方面，將聚合物添加劑添加到FLC主體減少盒或器件中的FLC組合物的缺陷，其中之字形缺陷是一種實例。在本發明的一方面，與不含有如本文描述的聚合物添加劑的器件的響應速度相比，含有本文描述的FLC組合物的器件的響應速度提高。在本發明的一方面，本發明的FLC組合物具有本文描述的一種或多種效果。本發明包括使用本發明的FLC組合物的液晶盒和器件，包括小面積和大面積顯示器和器件，例如相機取景器和家庭影院。這些盒和器件的製備和使用是本領域普通技術人員熟知的。在本發明的一方面，本文描述的聚合物添加劑不形成與FLC組合物中的FLC主體分離的相。在本發明的一方面，在聚合物添加劑中，聚合物通過硫醇間隔基或矽氧烷間隔基鍵合到液晶。這些間隔基的合成和使用是本領域已知的。在本發明的一方面，用於聚合物添加劑的液晶基團不具有偶極。在本發明的一方面，用於聚合物添加劑的液晶基團具有偶極。更具體地，在本發明的一方面提供的是鐵電液晶組合物，包含鐵電液晶主體； 以及在0.01wt%和5wt%之間的側基液晶聚合物，其中側基液晶聚合物具有結構(FXl)
權利要求
1. 一種鐵電液晶組合物，包含鐵電液晶主體；以及在0. 01wt%和5wt%之間的側基液晶聚合物，其中所述側基液晶聚合物具有結構(FXl)
2.如權利要求1所述的鐵電液晶組合物，其中所述側基液晶聚合物具有結構(FX2)
3.如權利要求1所述的鐵電液晶組合物，其中在所述側基液晶聚合物中，PX是具有式
4.如權利要求2所述的鐵電液晶組合物，其中在所述側基液晶聚合物中，每個L獨立地 選自:-o-c( = o)-、-c( = o)-o-、-(ch2)u-；以及單鍵；其中u是從1至10的整數； W是-(( ) -FX-(CH9)v_ ;x和y各自獨立地是從0至20的整數；FX是選自以下的間隔基_
5.如權利要求1所述的鐵電液晶組合物，其中所述側基液晶聚合物具有結構(FX3)
6.如權利要求1所述的鐵電液晶組合物，其中所述側基液晶聚合物具有結構(FX4)
7.如權利要求2所述的鐵電液晶組合物，其中在所述側基液晶聚合物中，當L-R2是
8.如權利要求1所述的鐵電液晶組合物，其中在所述側基液晶聚合物中，LC具有結構
9.如權利要求1所述的鐵電液晶組合物，其中所述側基液晶聚合物具有結構(FX5) (FX6)、 (FX7)或(FX8)
10.如權利要求9所述的鐵電液晶組合物，其中所述側基液晶聚合物具有結構(FX9)、 (FXlO)或(FX9A)
11.如權利要求9所述的鐵電液晶組合物，其中在所述側基液晶聚合物中，PX是具有結構
12. 一種鐵電液晶組合物，包含鐵電液晶主體；以及在0. 01wt%和5wt%之間的側基液晶聚合物，其中所述側基液晶聚合物具有結構(FXll)
13.如權利要求12所述的鐵電液晶組合物，其中每個i是0。
14.如權利要求12所述的鐵電液晶組合物，其中一個i是1且一個i是0。
15.如權利要求12所述的鐵電液晶組合物，其中所述側基液晶聚合物具有結構 (FX12A)
16.如權利要求12所述的鐵電液晶組合物，其中在所述側基液晶聚合物中，PX是具有的
17.如權利要求12所述的鐵電液晶組合物，其中所述側基液晶聚合物具有結構 (FX14)
18.如前述權利要求中任一項所述的鐵電液晶組合物，其中在所述鐵電液晶主體是鐵電性時的溫度下，所述側基液晶聚合物可溶於所述鐵電液晶主體。
19.一種光學器件，包括 兩個相對的電極表面；布置在其間的前述權利要求中任一項所述的鐵電液晶組合物，其中與不含有側基液晶聚合物的光學器件相比，所述光學器件具有提高的對比度。
20.一種製備鐵電液晶組合物的方法，包括 接觸鐵電液晶主體；以及在0. 01wt%和5wt%之間的側基液晶聚合物，所述側基液晶聚合物可溶於所述鐵電液晶主體。
全文摘要
提供了一種具有鐵電液晶主體材料和少量聚合物添加劑的體系。在實施方式中，聚合物添加劑改進了該體系的物理特性。在實施方式中，該體系可用於FLC應用。
文檔編號G02F1/141GK102348779SQ201080011736
公開日2012年2月8日 申請日期2010年1月28日 優先權日2009年1月30日
發明者J·A·科恩菲爾德, 祖列伊哈·庫吉, 麥可·旺德 申請人:Lc 維森有限公司, 加州理工學院