专利名称：利用一种新奇的炫耀反射片的高亮度反射式负性胆甾相液晶显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反射式高亮度、优质全彩色负性胆甾相液晶显示器，特别是涉及利用光学全反射原理设计的一种具有选择入射光反射的炫耀反射片。
背景技术：
当今，随身携带的电子设备，如电子阅读器(e-Book)、个人数据处理器(PDA)、个人卫星定位器(GPS)、手机以及移动电脑(Tablet PC)，新产品层出不穷，而且市场巨大。现已预见到，限制这些电子设备发展，在液晶显示技术方面，主要有两点一是耗电问题，例如12寸LCD便携电脑，现在已能提供耗电很低的中心处理器，存贮器小于1W，背光源～3W，驱动器～2W，背光源的功耗占整机的一半。这样，阅读几个小时，就要给电池充电，极为不便。其次是亮度问题。采用反射式显示器可以免去背光源。已有十余种反射式液晶显示技术方案在开发，[请参考A.G.Chen，et al.，SID95DIGERST p 176(1995)；D-1L.Ting，et al.，SID99DIGEST p 955(1999)和I.Hiyama，O.Itou，Kondo，SID97DIGEST p 655(1997)]，其中有前途的又多具有偏振片。这种反射式液晶显示器将使照明光(对显示有用的那一部分)损失60％以上。市场已有出售的反射式STN、AM-LCD反射率峰值一般在20％，致使显示器能在灰色的而不是像白纸那样的背景上进行，长时间阅读，会使眼睛视力降低。
白纸是一种非常好的散射光表面，标准白BaSO4的反射率定为百分之一百，高档复印纸可达90％，报纸可达70％。在这样的纸上，即使对比度差些的图像或在明亮度差一些的环境也能看得清楚。这说明对人的视觉来说，反射式显示器反射率比对比度更重要些。另外，反射式显示必须有高反射率才能实现良好品质全彩色显示。70年代初开发的用负介电各向异性(negative dielectric anisotropy)的向列相(nematic)和胆甾相(cholesteric)混合材料作存贮型(storage Mode)显示(简称负性胆甾相液晶显示器)[请参考G.H.Heilmeier，J.E.Goldmacher，Proc.IEEE 57，P.34(1969)；E.B.Priestley，P.J.Wojtowicz，Ping Sheng《Introduction to Liquid crystals》Plenum Press，NewYork and London，P255(1975)]。其结构见图1，负性胆甾相液晶材料[3]夹在上基片[1]和下基片[2]之间，透明导电层[4]涂在上、下基片的内表面上。这种负性胆甾相液晶显示器焦锥织构(focal conic texture)，在亮态时，对入射光具有较强地散射能力。显示器处于平面织构(Plane texture)时很透明，焦锥织构和平面织构都是稳定态。虽然这种显示器具有较强地散射能力，但是，其大部分的散射光是向前散射的。若将这种显示器作成反射式，需将焦锥织构的向前散射光转变到向后散射光，同时还需避免平面织构的透射光转变到向后散射光，才能得到高反射率显示。利用普通的平面反射镜是不能解决上述问题。
我们利用光学全反射原理设计了一种具有选择入射光反射的炫耀反射片(lazed retlector)[6]，它能将焦锥织构的部分向前散射光反射成为后散射光。同时，它还能将平面织构的大部分透射光限制在炫耀反射片内。此反射片[6]的反射性能要与显示器的光学性互相匹配并用光胶[5]将它们贴合在一起，便可得到高反射率的反射式负性胆甾相液晶显示器[8]。
发明原理一、负性胆甾相液晶一些光学性质负性胆甾相液晶材料[3]是由负性向列相(介电各向异性Δε～-5)和胆甾相以10∶1到10∶0.5的比例混合，并掺有少量杂质(譬如澳代十六烷基)。混合物的物理参数平均折射率n～1.42；光学各向异性Δn～0.2；电阻率ρ～1010Ω-cm和螺距ρ0≥10000A，若盒(厚度d～6μm)[7]上未施加电压时，盒内液晶处于平面织构见图2(a)其布喇格(Bragg)反射波长在红外，对可见光透过率很高，仅有微弱的散射光，稳定态。为反射式显示的暗态。当对盒施加直流(或低频)电压，盒内离子将发生移动，液晶将产生动态散射(dynamic scattering)，见图2(b)这个电压的大小与d、Δε和po-1/2有关。当把电压切除，液晶转变成焦锥织构，见图2(c)，稳定态。
对入射光将发生大量地向前散射，小量的入射光向后散射，与不掺离子的材料相比，焦锥织构散射能力更强，而且均匀，这是本文采用带离子的胆甾相液晶混合物的理由。选择大的Δn，也是从增强散射能力着眼，当对稳定的焦锥织构施加高频(＞500～1000Hz)电压，将产亚稳定的平面织构，见图2(d)，透光性好。当把电压切除，这个亚稳定的平面织构将返回最初的稳定的平面织物。
实际上，不论是在平面织构或焦锥织构中都存在大量的畴。在焦锥织构中的畴，其螺旋轴的取向是随机的。在平面织构中的畴，其螺旋轴的取向大多垂直于玻璃基片表面。畴之间的分子作用力是不能改变畴中螺旋轴的取向，故无外场作用，结构是稳定的。在我们的实验中，这种稳定可达几十年。
利用低频(或直流)和高频驱动(又称双频驱动)时，当驱动电压幅度不足时，在胆甾相液晶中的畴中既有焦锥织构又有平面织构。当迅速切除这个“幅度不足”的电压时，这个既有焦锥织构又有平面织构，同样的原因，也能长期保持。我们也可以把这个特性称为多稳态，可用于灰度显示。
(请参考赵静安、童寿生、阮亮，电子学报，No.2，p99(1983)，)利用负介电各向异性胆甾相液晶制作显示器，还有一个重要的优点，它的电光响应速度比正性胆甾相液昌显示器快，采用特殊的驱动方法可获视频速度，本文在此只介绍我们制作的负性胆甾相液晶盒的平面织构和焦锥织构对入射光的向前散射的实验及结果。实验装置见图3，用氦氖激光器(λ＝6328)[9]为光源，入射光垂直样品盒基片表面，用光电管[11]测量散射光强(包括透射光强)，[9]和[11]均配置光斓栏[10]。θ为向前散射光与基片法线夹角。平面织构和焦锥织构的向前散射光的角分布的测量结果，见图4。(a)和(b)中光强是在相同条件下测量。从(a)中可知，平面织构的散射光的锥角～10°。从(b)中可知，焦锥织构的散射光的锥角～60°。在(a)中最大光强约为(b)中的6倍。
二、具有选择入射光反射的炫耀反射片[6]的设计原理我们设计的炫耀反射片[6]，其断面结构见图5，是由折射率np＝1.52的聚合物[12]或折射率(np＝1.52的玻璃)和高玻璃化温度(Tg2＝140℃)的聚合物[14]组成。在聚合物[14]的内表面作成等腰三解形沟槽，并在这些沟槽的表面涂铝[13]。聚合物[12]的玻璃化温度Tg1＜Tg2。
等腰三角形沟槽的底角β大小是本设计的重要参数之一。它将决定那一些入射光将被反射出炫耀反射片和那一些入射光将发生全反射而被限制在炫耀反射片内(即炫耀反射片的选择入射光反射功能)。从图4中可以看出，作为一种反射式显示，我们设计与基片法线夹角的绝对值≤5°的平面织构的向前散射光将被限制在炫耀反射片内；与基片法线夹角的绝对值＞5°的焦锥织构的向前散射光反射出炫耀反射片。
当光线从聚合物[12]向胆甾相液晶[3]传播时，全反射角ic为 即光线从聚合物[12]向胆甾相液晶[3]传播时，其入射角≥68°，这部分光将在聚合物层中发生全反射，不能进入液晶中。为了使与反射射片法线夹角≤5°的入射光，均能在聚合物中发生全反射，等腰三角形的底角β为β＝68°/2-5°＝29°对于与基片法线夹角r＞5°(在此不讨论较大的r角)的入射光，不是全部都能反射到液晶中。见图6从右边来的入射光m和n互相平行，两束入射光不同之处是入射光m照到三角形的左腰，其入射角i1将大于ic，不能进入液晶；入射光m照到三角形的右腰，其入射角i2将小于ic，可以进入液晶。同样，从左边来的入射光，r＞5°，照到右腰，全部全反射。照到左腰的可以进入液晶。这说明利用这种β＝29°炫耀反光片，从两侧照明，可以得到与基片法线夹角的绝对值≤5°的平面织构的向前散射光限制在炫耀反射片内；与基片法线夹角的绝对值＞5°的焦锥织构的向前散射光反射出炫耀反射片，再一次进入液晶，增强了焦锥织构向前散射光强，增加了显示器[7]的反射率。
聚合物分散液晶(向列相或胆甾相)显示器，它的向前散射和向后散射的光学性质与负性胆甾相显示器[7]有相似之处。利用本发明的炫耀反射片也可以增强聚合物分散液晶显示器反射率。
图1是反射式负性胆甾相液晶显示器[8]结构示意2是负介电各向异性胆甾相液晶盒[7]在直流或高频电压作用下，结构的变化示意3是负性胆甾相液晶盒对垂直入射光的向前散射光分布测量实验图4(a)为平面结构的向前散射光角分布，(b)为焦锥织构的向前散射光角分布。(b)中的纵座标的单位长度为(a)中的2倍，(b)中的横坐标的单位长度为(a)中的1/2倍。
图5是具有选择入射光角的炫耀反射片截面示意6是从右边来的相互平行的入射光m和n，∠r＞5°。
入射光m照到左腰，全部全反射，对向后散射光没有贡献。
入射光n照到右腰，对向后散射光有贡献。
附图中的参照标号上基片1 反射式负性胆甾相液晶显示器8下基片2 氦氖激光器9负性胆甾相液晶材料3 光栏10透明导电层4 光电管11光胶5折射率为1.52的聚合物12炫耀反射片6 铝反射膜13盒(负性胆甾相液晶显示器)7玻璃化温度为140℃的聚合物权利要求
1.负性胆甾相全彩色液晶显示器[7]和一种具有选择入射光反射的炫耀反射片[6]，用光胶[5]贴合在一起，而成炫耀反射片反射式负性胆甾相液晶显示器[8]。
2.根据权利1要求负性胆甾相液晶显示器[7]，其特征胆甾相液晶材料[3]的布喇格反射光谱在不可见范围(例如红外光谱范围)；胆甾相液晶材料[3]的非常光折射率n11(例如n11＝1.45)小于基片[1]、[2]的折射率ng(例如ng＝1.52)；胆甾相液晶材料为大的光学各向异性Δn(例如Δn＝0.2)。
3.根据权利1要求炫耀反射片[6]是由三种不同材料[12]、[13]和[14]组成，其特征聚合物[14]有较高的玻璃化温度Tg2(例如晶态聚烯烃Tg2＝140℃)；聚合物[14]上表面为平行的等腰三角形沟槽，其底角β的大小决定发生全反射的入射角(例如β＝29°，发生全反射的入射角的绝对值≤5°)；聚合物[14]等腰三角形沟槽的上表面涂铝[13]；聚合物[12]的折射率np与基片[1]、[2]的折射率ng相同(例如np＝1.52)；聚合物[12]的玻璃化温度Tg1小于Tg2。
4.根据权利1要求光胶[5]折射率为1.52。
5.根据权利1要求条形红、绿、兰三基色滤光膜作在上基片内表面上，条形滤光膜平行(或垂直)于聚合物[14]表面上的沟槽。
6.根据权利3要求炫耀反射片[6]适用于与负性胆甾相液晶显示器[7]有相似光学性质的显示器(例如聚合物分散液晶显示器)，提高显示器反射率。
全文摘要
本发明涉及一种反射式高亮度、优质全彩色负性胆甾相液晶显示器，特别是涉及利用光学全反射原理设计的一种具有选择入射光反射的炫耀反射片。这种炫耀反射片能将显示器处于焦锥织构部分向前散射光反射成为向后散射光，提高显示器的反射亮度，同时，这种炫耀反射片能将显示器处于平面织构大部分透射光限制在炫耀反射片内，提高显示器对比度。本发明的负性胆甾相液晶反射式显示器的焦锥织构的向后散射光呈乳白色，在胆甾相液晶显示器上基片制备三基色滤色膜，可获优质全彩色显示。负性胆甾相液晶显示器的焦锥织构和平面织构均为稳定态，显示图像可在零驱动电压时无功保存。加上在显示时不需用内光源，节省大量电能。
文档编号G09F9/35GK1536407SQ0310929
公开日2004年10月13日 申请日期2003年4月9日 优先权日2003年4月9日
发明者赵静安 申请人:赵静安