专利名称：使用硅氧烷低聚物的双稳态铁电液晶元件和装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有具有层状C相并且设置在聚酰胺或聚酯的定向层之间的铁电化合物的元件(cell)、包括该元件的装置以及用于该装置双稳态切换的方法。
背景技术：
铁电液晶(FLC)装置是基于手性层状液晶(如J.Dijon在由B.Bahadur编辑、World Scientific Publishing co.Pte.有限公司(新加坡)1990年出版的《Liquid Crystals Applications and Uses》一书第1卷第13章第307-354页中所描述的)。具体地描述了设置在书架几何形状(bookshelf geometry)中的元件(参见第309页)。它们是设置于定向层之间的非常薄的元件，例如1至10μm厚。定向层所施加的边界条件足够强，足以抑制手性层状液晶的螺旋结构。近晶状层通常垂直于元件板但能够在两种光学状态(其与垂线各自呈一定角度(倾角))之间切换。
US-A-5498368披露了具有下列通式的含硅氧烷化合物
其中R代表具有1-10个碳原子的烷基基团或者下列基团 每个R’代表具有1-4个碳原子的烷基基团，T为 或 X代表烷基或卤代烷基，其具有至少一个手性中心，Y代表氟原子，m的值为0、1或2，以及n的值为10、11或12。
US-A-5498368的铁电液晶硅氧烷低聚物以纯化合物或混合物存在，其呈现比较高的倾角。对其它液晶材料的倾角的测量，如JP-A-01-144491所披露的，不仅显示了从聚合物到聚合物的变化，还显示了倾角随温度的增加而减小。US-A-5498368的铁电液晶材料的倾角在包括环境温度的较宽的温度范围内基本上不依赖于温度。
然而，现有技术中披露的元件结构都没有提供可用于实际应用(如用于大面积FLC显示板、实时全息装置等)的双稳态装置。因此本领域还需要开发这样的双稳态材料。
发明内容
我们发现，根据本发明，高质量的包括铁电硅氧烷低聚物(包括在US-A-5498368中披露的低聚物)的书架FLC结构可以简单地制造并以双稳态的方式切换。
根据本发明的第一方面，提供了一种双稳态液晶元件，其包括设置于聚酰胺或聚酯的定向层之间的层状C含硅氧烷化合物，该含硅氧烷化合物具有下列通式 或 其中R代表具有1-10个碳原子的烷基基团或者下列基团 每个R’代表具有1-4个碳原子的烷基基团，T为 或 X代表烷基或卤代烷基，其具有至少一个手性中心，Y代表氟原子，m的值为0、1或2，p的值为2、3或4，以及n的值为10、11或12。
对于本发明的目的，术语“双稳态”是指观察不到液晶的两个可能的切换状态(即，可由控制信号强制分子体系进入的亚稳态)的实质性的弛豫。
本发明的铁电液晶硅氧烷低聚物没有层状A相或向列相；冷却之后层状C相直接由各向同性状态形成。本发明最优选的铁电液晶硅氧烷低聚物具有下列化学式 其中Z是Cl或F。
该铁电液晶硅氧烷低聚物是最优选的。
本发明第一方面的晶体元件可以进一步包括一种或多种其它的铁电液晶材料。其它的铁电液晶可以与层状C含硅氧烷化合物一同提供，优选以其混合物形式提供。所提供的其它铁电液晶的水平优选占其它铁电液晶-层状C含硅氧烷化合物的混合物的50％或更低、更优选为20％或更低、最优选为5％或更低。
尽管我们不希望被任何特定理论所束缚，但我们相信，完成双稳态切换的能力至少部分是预期的或者仅通过提供弱相互作用(也就是弱耦合)而增强，该弱相互作用(弱耦合)发生在定向层与紧靠定向层的层状C相的表面层之间和/或层状C相的各层之间，尤其是层状C相的所述表面层与该层状C相的下一相邻层之间。因此应该据此选择定向层和/或硅氧烷铁电化合物的性质。对定向层来说，由聚酰胺和聚酯制成的层是优选的。
定向层优选为聚酰胺。优选的聚酰胺为尼龙-6，6，虽然尼龙-6是可替代材料。聚酯定向层也是适用的，尤其是诸如聚对苯二甲酸亚烷基二酯的脂肪族/芳香族聚酯，例如PET(聚对苯二甲酸乙二酯)或PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)。最常用于液晶的定向层的聚酰亚胺定向层尚未发现能通过仅仅施加电场而没有温度变化来实现双稳态切换。本发明第一方面的元件可以按照现有技术中已知的方法和/或工艺制造。
本发明在第二方面进一步提供了包括本发明的第一方面所述的元件的装置。该装置优选为复合的FLC大面板显示器(multiplexedFLC large panel display)或者硅基液晶(LCOS)装置。该第二方面的装置可以按照现有技术中已知的方法和/或工艺制造。
液晶的初始定向可以通过以1-10KHz之间的频率施加每μm元件厚度2-50V的电场而产生。本发明的第三方面还包括用于铁电液晶装置的双稳态切换方法，其中通过施加每μm元件厚度2-50V之间的电场来切换上述第一方面定义的元件。
在复合的FLC大面板显示器或者硅基液晶(LCOS)装置中这样的电压是可以得到的，因此，装置可以被定向，并且必要时可以原位复原。这就给双稳态切换提供了新的途径，而不是用传统的方法，即剪切定向(其不可用于显示器生产中)或者降温经过向列相和层状A相至层状C相。
本发明的优点包括，为产生双稳态切换所需的定向不需要加热/冷却循环。因此，如果需要，在生产的FLC显示器的使用期限内可以进行再定向。那些被诱导定向的表面已遭损坏(如通过震动、变形或温度偏移)的显示装置在使用中可以被常规修复(例如在起动或停止运转过程中)。
由于这些材料没有上覆的层状A相或向列相，倾角(以及因此的切换角)较大并且不依赖于温度。观察不到人字纹的形成和相关缺陷。只有通过这样的第一次序切换(order transition)而显示出手性层状C的FLC才能够给出用于有效调相所必需的45度倾角。之前还没有制造这种真正的双稳态材料的切实可行的方法。本发明的元件的具体实施例可用于显示器工业(倾角近22.5度)以及利用调相(倾角接近45度)的实时全息装置中。通过选择在本发明的铁电液晶硅氧烷低聚物中存在的液晶原(mesogen)来选择获得的倾角。
电-光双稳态性是FLC显示器突出的无源多路传输(passivelymultiplexed)(即，在每个像素上没有定位晶体管电路的情况下工作)能力的基础。获得牢固的双稳态表面定向已经成为开发大面积FLC显示板的主要不确定因素。在具有可以有效加快帧时间的有源底板(active backplane)的LCOS显示器中，我们相信只有双稳态FLC装置能具有连续的有效图像。据我们所知，所有的商业FLCLCOS装置不依靠双稳态性，因此不得不不时地“切断”照明。因为本发明的元件是真正双稳态的，所以它们可以具有连续的有效图像。
在用于储存或收集信息的装置(如用于全息系统的超高分辨率显示器的光学寻址空间光调制器)中使用的FLC也需要双稳态。用于远程通信应用的锁定开关也要求是双稳态的。
如I.G.Magnolis等人在论文“Control of the electro-opticbistability of some useful FLCs useful for binary phase opticalmodulators”(Mol.Cryst.Liq.Cryst.，351，(2000)，page 305)中所述，通过施加具有不对称波形的电场可以实现书架结构的层旋转。保留有真正双稳态材料的层旋转在此以前尚未实现。
本发明每一方面的所有优选特征加以必要的变更适用于所有其它方面。
本发明可以通过各种方式加以实施，并且将借助实施例并结合附图来描述很多特定的具体实施方式
，以便阐明本发明，其中图1是元件结构的横截面示意图。含硅氧烷的晶体材料(117)插入在一对基片(110，111)之间，该基片可由玻璃或适合的聚合物制成。内表面涂以诸如铟锡氧化物和定向剂(aligning agent)(114，115)的透明导电膜(112，113)。在本发明的元件中定向剂(114，115)优选为聚酰胺或者可替换为PET或PBT。隔离物(116)限定元件的厚度。该导电膜可以覆盖基片的全部内表面或可以被蚀刻成适宜的图案。
图2示出了SmC*转变到各向同性的结果。
图2(a)示出了倾角在25-50℃温度范围内的稳定性。
图2(b)示出了元件对施加的在+7V到-7V之间变化的电压的电光响应。
图3(a)是元件中的硅氧烷低聚物在通过电场定向之前和之后的显微照片，示出了在定向之后获得的书架结构。
图3(b)示出了用现有技术方法定向的商业FLC定向之前和之后的结构。
图4示出了手性层状C试验性硅氧烷低聚物CDRR3和CDRR8的双稳态切换状态。
图4(a)和(b)是通过处于正和负切换状态的交叉偏振片之间的元件所取得的光的照片。图4(a)示出了光以一种状态(亮态)被传输，而图4(b)示出了在另一状态(暗态)下没有光被传输。观察到的现象揭示出由于长硅氧烷链的存在而从表面去耦合。通过层旋转也表明了这一点。
图5(a)和(b)示出了可用于诱导元件中FLC的层旋转的不对称波形，如Mol.Cryst.Liq.Cryst.351，205.2000中所述。
图6(a)示出了一段时间内施加到元件上的电压。施加正电压以致FLC在其亮态被定向，接着不施加电压，然后施加负电压。图6(b)示出了光电二极管对来自交叉偏振片的经过元件的光的响应。在施加正电压后该响应为正(光被传输)，在不施加电压时基本稳定，而在施加负电压时降至0。
图6(c)也示出了一段时间内施加到元件上的电压。在该情况下施加负电压使得FLC在其暗态被定向，接着不施加电压，然后施加正电压。图6(d)示出了光电二极管的响应。没有记录到响应(没有光被传输)。
具体实施例方式
将参照下面的一个或多个非限制性实施例来阐明本发明。
实施例将具有下面结构式的铁电液晶硅氧烷低聚物(CDRR8) 组装在图1所示的类型的元件中。该元件有2μm厚。定向层14、15是20nm厚的经摩擦的聚酰胺层。将元件加热到53℃以上，以使硅氧烷低聚物转化成各向同性状态，然后冷却以形成层状C相。以1KHz的频率施加20V的电场。
权利要求
1.一种包括具有层状C相并且设置在聚酰胺或聚酯的定向层之间的铁电化合物的双稳态液晶元件，其中所述化合物具有下列通式 或 其中R代表具有1-10个碳原子的烷基基团或者下列基团 每个R’代表具有1-4个碳原子的烷基基团，T为 或 X代表烷基或卤代烷基，其具有至少一个手性中心，Y代表氟原子，m的值为0、1或2，p的值为2、3或4，以及n的值为10、11或12。
2.根据权利要求1所述的元件，其中所述化合物为 其中Z是F或Cl。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的元件，其中所述定向层是尼龙-6，6或尼龙-6。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的元件，其中所述定向层是脂肪族/芳香族聚酯。
5.根据权利要求4所述的元件，其中所述定向层是PET(聚对苯二甲酸乙二酯)或PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的元件，其中所述含硅氧烷的材料设置在两个基片之间，所述基片的至少一个支撑着透明的导电膜。
7.根据前述权利要求中任一项所述的元件，包括所选择的用于提供约22.5度倾角的液晶原。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的元件，包括所选择的用于提供约45度倾角的液晶原。
9.一种铁电液晶装置，包括至少一个如权利要求1至8中任一项所述的元件。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述装置是一种复合的FLC大面板显示器或者硅基液晶(LCOS)装置。
11.一种用于铁电液晶装置的双稳态切换方法，其中权利要求1至8中任一项所述的元件通过施加每μm元件厚度2-50V范围内的电场而切换。
全文摘要
本发明提供了一种液晶元件，其在工作中是双稳态的并且包括具有层状C相、置于聚酰胺或聚酯的定向层之间的铁电化合物。所述化合物具有通式(I)或者基团(II)，其中R代表具有1－10个碳原子的烷基基团，每个R’代表具有1－4个碳原子的烷基基团，T为(a)或(b)，X代表烷基或卤代烷基，其具有至少一个手性中心，Y代表氟原子，m的值为0、1或2，p的值为2、3或4，以及n的值为10、11或12。
文档编号G02F1/13GK1836025SQ200480023476
公开日2006年9月20日 申请日期2004年8月16日 优先权日2003年8月16日
发明者威廉·奥尔登·克罗斯兰, 安东尼·伯纳德·戴维 申请人:剑桥大学科技服务有限公司