胆甾醇型液晶干燥工艺和溶剂的制作方法

专利名称：胆甾醇型液晶干燥工艺和溶剂的制作方法
技术领域：
本发明总体地涉及用于光学体如反射偏振片中的胆甾醇型液晶组合物，具体地说，涉及用于那些组合物中的溶剂和干燥组合物以形成光学体的方法。
背景技术：
光学装置如偏振片和反射片可用于包括液晶显示器(LCD)的各种应用中。液晶显示器大致分为两类背光式(如透射式)显示器，其中光线来自显示面板的后面；和前光式(如反射式)显示器，其中光线来自显示器的正面(如环境光)。这两种显示方式可以结合以形成半透反射式显示器，这种显示器在例如暗淡的光线条件下可为背光式，或者可在明亮的环境光线下可读。
常规的背光式LCD一般使用吸收偏振片，并可具有小于10％的透光率。常规的反射式LCD也是基于吸收偏振片的，一般具有小于25％的反射率。这些显示器的低的透光率或反射率使显示器的亮度降低并可能需要高的功耗。
已经开发了用于这些显示器以及其它应用中的反射偏振片。反射偏振片优先反射一种偏振光并透射与该偏振光相反或正交的另一种偏振光。被反射的光能被循环利用，从而有可能使更高百分比的光转化为偏振光，进而使更多的光透射。优选的反射偏振片透射和反射光线而不吸收相对大量的光。优选反射偏振片在所需波长范围内对透射偏振光的吸收最多为10％。大多数的LCD在宽的波长范围内操作，因此，反射偏振片必须一般也在宽的波长范围内操作。
本发明提供了用于这些和其它应用的组合物和制造光学体的方法。

发明内容
本发明的一个实施方案提供形成胆甾醇型液晶层的方法，其包括形成胆甾醇型液晶组合物、将该胆甾醇型液晶组合物沉积在基板上以及在至多90℃的温度下初始干燥该胆甾醇型液晶组合物使得该胆甾醇型液晶组合物保留有至少80％的固体。在另一个实施方案中，所述初始干燥在至多60℃的温度下发生。在另外的实施方案中，所述初始干燥在至多30℃的温度下发生。
本发明的另一个实施方案提供形成胆甾醇型液晶组合物、将该胆甾醇型液晶组合物沉积在基板上、以及在至多约90℃的温度下使该胆甾醇型液晶组合物初始干燥的方法，其中所述初始干燥在该胆甾醇型液晶组合物的表面在气流极少或没有气流的条件下完成。
本发明另外的实施方案提供组合物，其包括至少一种胆甾醇型液晶前体和1，3-二氧杂环戊烷。本发明的另一个实施方案包括至少一种胆甾醇型液晶前体、1，3-二氧杂环戊烷和至少一种其它溶剂。


通过结合附图考虑以下本发明多种实施方案的详细说明，可以更完全地理解本发明，其中图1为可用于本发明的方法的一个实施方案中的示例性干燥设备的透视图；图2为图1所示的干燥设备的剖视图；图3为沿图1所示的线3-3方向的剖视图；图4为可用于本发明的方法的一个实施方案中的另一个示例性干燥设备的透视图；图5为图4所示的干燥设备的剖视图；图6为可用于本发明的方法的一个实施方案中的另一个示例性干燥设备的示意图；图7为本发明的液晶显示器的一个实施方案的示意图；和图8为本发明的液晶显示器的另一个实施方案的示意图；图9为本发明的液晶显示器的另一个实施方案的示意图。
虽然本发明可有多种变体和替代形式，但其细节是以附图中的例子显示出来的，并将被具体描述。然而，应该理解，其目的不在于将本发明限于本文中所述的具体实施方案。相比之下，其目的是要包括本发明范围内的所有的变体、等同物和替代物。
具体实施例方式
本发明的胆甾醇型液晶组合物通常包括胆甾醇型液晶材料和至少一种溶剂。胆甾醇型液晶组合物也可包含起到引发剂、终止剂、固化剂、交联剂、抗臭氧剂、抗氧化剂、增塑剂、抑制剂、稳定剂以及吸收紫外线、红外线或可见光的染料和颜料作用的化合物。
胆甾醇型液晶材料通常包括手性分子或手性部分或手性和非手性分子的混合物，并且可为单体、聚合物或低聚物。胆甾醇型液晶材料可包括一种或多种胆甾醇型液晶化合物(包括胆甾醇型液晶聚合物)、一种或多种胆甾醇型液晶前体(其可用于形成胆甾醇型液晶化合物)或其组合。胆甾醇型液晶化合物通常包括至少一个本质上为手性的分子单元(即没有对称平面)和至少一个本质上为液晶原的分子单元(即表现出为液晶相)。胆甾醇型液晶化合物也称为手性的向列型液晶化合物。胆甾醇型液晶化合物可形成其中液晶的分子和光学指向矢(即局部分子平均排列方向的单位向量)以螺旋的方式沿着垂直于指向矢的维度(螺旋轴)旋转的胆甾醇型液晶相。
胆甾醇型液晶层的螺距是指向矢或液晶原(mesogen)旋转360°(在垂直于指向矢的方向)经过的距离。该距离通常为250到600nm或以上。一般可通过将至少一种手性化合物(如胆甾醇型液晶化合物)与另一种化合物(一般为向列型液晶化合物)以不同的比例混合或结合(如通过共聚作用)，使胆甾醇型液晶层的螺距改变。在这种情况下，螺距取决于胆甾醇型液晶组合物中手性化合物的相对摩尔比或重量比。通常选择螺距值在所关注的波长的数量级上。指向矢的螺旋式扭转导致介电张量在空间上的周期性变化，该周期性变化又引起光的波长选择性反射。例如，可以选择螺距使得光在可见波长、紫外波长或红外波长或其任何组合内发生选择性反射。
胆甾醇型液晶化合物和前体(包括胆甾醇型液晶聚合物)通常为已知的，并且可在本发明中使用本领域技术人员已知的任何胆甾醇型液晶化合物。适当的胆甾醇型液晶化合物和前体的例子在美国专利号为4,293,435、5,332,522、5,886,242、5,847,068、5,780,629、5,744,057和6,309,561的专利文献中有所描述。然而，在上述文献中没有公开的其它胆甾醇型液晶化合物和前体也可用于本发明中。
通常，至少部分地根据具体应用或光学体(胆甾醇型液晶化合物或前体最终要被使用在该光学体中)的情况来选择胆甾醇型液晶化合物或前体。在胆甾醇型液晶化合物或前体的选择中，可考虑的特征的例子包括但不限于折射率；螺距；可加工性；清晰度；颜色；在所关注的波长范围内的低吸收性；与其它组分(如向列型液晶化合物)的相容性；容易生产性；用以形成胆甾醇型液晶聚合物的胆甾醇型液晶化合物、前体或单体的可用性；流变能力；固化的方法和要求；溶剂的容易除去性；物理和化学性质(如挠性、抗拉强度、耐溶剂性、抗刮性和相变温度)；以及容易纯化性。
一般使用手性分子或手性分子与包括液晶原基团的非手性分子(包括单体)的混合物形成作为胆甾醇型液晶聚合物的胆甾醇型液晶化合物。液晶原基团通常是作为液晶组成的刚性杆状或盘状分子或分子的一部分。液晶原基团的例子包括但不限于对位取代的环状基团，如对位取代的苯环。这些液晶原基团可任选地通过隔离基团键合于聚合物骨架。隔离基团可包含具有例如苯、吡啶、嘧啶、炔、酯、亚烷基、烯烃、醚、硫醚、硫酯和酰胺官能度的官能团。
适当的胆甾醇型液晶聚合物包括但不限于具有手性的或非手性的聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚硅氧烷或聚酯酰亚胺骨架的聚合物，所述骨架含有可任选地通过刚性或挠性共聚单体分开的液晶原基团。其它适当的胆甾醇型液晶聚合物的例子具有带手性和非手性液晶原侧链基团的聚合物骨架(例如，聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚硅氧烷、聚烯烃或聚丙二酸酯骨架)。所述侧链基团可任选地通过隔离基团(如亚烷基或烯化氧隔离基团)与骨架分开，以提供挠性特征。
本发明的胆甾醇型液晶组合物还包括至少一种溶剂。包含一种或多种溶剂混合物的胆甾醇型液晶组合物也属于本发明。在有些情况下，一种或多种胆甾醇型液晶化合物、胆甾醇型液晶前体或工艺添加剂也可起到溶剂的作用。在本发明的组合物中，一种或多种溶剂或起到溶剂作用的其它化合物通常在加工过程中被基本上除去。它们可通过例如干燥组合物以使溶剂蒸发或反应一部分溶剂(如，使溶剂化的液晶单体反应而形成液晶聚合物)的方法被除去。
在本发明的一个实施方案中，胆甾醇型液晶组合物包括1，3-二氧杂环戊烷。在如同这样的组合物中，1，3-二氧杂环戊烷起到溶剂的作用。1，3-二氧杂环戊烷(CAS号646-06-0)在760mm Hg条件下沸点为75.6℃，在20℃下的蒸气压为82mm Hg。1，3-二氧杂环戊烷有多个同义词，包括1，3-二氧杂环戊烷(对应的英文为“1，3-dioxacyclopentane”或“1，3-dioxolan”)、二氧杂环戊烷(对应的英文为“dioxolane”)、甲醛缩乙二醇(对应的英文为“formalglycol”)、乙二醇缩甲醛(对应的英文为“glycolformal”)和乙二醇亚甲基醚(对应的英文为“glycol methylene ether”)。其化学结构如下 1，3-二氧杂环戊烷1，3-二氧杂环戊烷为乙二醇与甲醛的环状反应产物，取决于条件，其可表现出典型的醚或乙缩醛的特性。1，3-二氧杂环戊烷可在本发明的胆甾醇型液晶组合物中用作溶剂，部分原因在于其能够使本发明的胆甾醇型液晶组合物中使用的胆甾醇型液晶化合物或前体增溶。许多胆甾醇型液晶前体如液晶单体具有扩展的芳环结构，这类结构在普通的有机溶剂中具有很低的溶解度。
本发明的胆甾醇型液晶组合物也可包括其它溶剂或起到溶剂作用的化合物。在本发明的一个实施方案中，在胆甾醇型液晶组合物中使用两种不同的溶剂。在这一实施方案中，一种溶剂的选择可基于其使胆甾醇型液晶组合物的一些其它组分增溶的能力，而另一种溶剂可用于影响胆甾醇型液晶组合物的干燥特征和加工过程。在另一个实施方案中，可使用两种以上的溶剂。
在本发明的一个实施方案中，本发明的胆甾醇型液晶组合物包括1，3-二氧杂环戊烷和第二溶剂。在本发明的一个实施方案中，第二溶剂具有比1，3-二氧杂环戊烷低的蒸发速率。可将具有更低蒸发速率的第二溶剂与1，3-二氧杂环戊烷结合使用，以减缓干燥速率。可用作第二溶剂的溶剂的例子包括四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、四氢吡喃、碳酸二甲酯、乙二醇二甲醚、环丙酮、丁酮、环己酮及其组合。在本发明的另一个实施方案中，本发明的胆甾醇型液晶组合物包括1，3-二氧杂环戊烷和环己酮、环丙酮、丁酮或其组合。
在包括1，3-二氧杂环戊烷以及第二溶剂如环己酮的本发明的实施方案中，第二溶剂通常不比1，3-二氧杂环戊烷多(按重量计算)。在本发明的一个实施方案中，环己酮(或其它第二溶剂)的量小于1，3-二氧杂环戊烷与第二溶剂的总量(按重量计算)的约50％。在本发明的另一个实施方案中，环己酮(或其它第二溶剂)的量小于1，3-二氧杂环戊烷与第二溶剂的总量(按重量计算)的约25％。在本发明的另一个实施方案中，环己酮(或其它第二溶剂)的量小于1，3-二氧杂环戊烷与第二溶剂的总量(按重量计算)的约15％。
第二溶剂的使用量通常至少部分基于其在所用的工艺条件下从胆甾醇型液晶组合物中蒸发需要花费的时间来决定。在使用环己酮的一个具体实施例中，环己酮的所需量为能给出有利对比度或配向的量，该环己酮的所需量可以从使用该量时的性能数据来决定。所用的第二溶剂的量更通常是基于干燥时间和退火时间两者的折衷来决定的。
本发明的胆甾醇型液晶组合物也可包括聚合引发剂，该聚合引发剂起到能引发组合物的单体或其它低分子量化合物的聚合或交联的作用。适当的聚合引发剂包括那些可以产生自由基从而引发和扩散聚合或交联反应的化合物。可基于多种因素选择自由基引发剂，其包括但不限于稳定性或半衰期。优选地是，自由基引发剂不会通过吸收或其它方式在胆甾醇型液晶层中产生任何附加颜色。
自由基引发剂一般为热自由基引发剂或光引发剂。在热分解时产生自由基的热自由基引发剂包括例如过氧化物、过硫酸盐或偶氮腈化合物。光引发剂可通过电磁辐射或粒子辐射活化。适当的光引发剂的例子包括但不限于鎓盐光引发剂、有机金属光引发剂、阳离子型金属盐光引发剂、光分解型有机硅烷、潜在磺酸、氧化膦、环己基苯基酮、胺取代的苯乙酮和二苯甲酮。虽然可使用其它光源或辐射(电子束)，但通常，使用紫外线(UV)辐射来活化光引发剂。可基于对特定波长的光的吸收来选择光引发剂。
另外本发明的胆甾醇型液晶组合物也可包含具有以下试剂的作用的化合物分散剂；终止剂；固化剂；交联剂；抗臭氧剂；抗氧化剂；增塑剂；稳定剂；粘度调节剂如增稠剂和填料；聚结剂(能起到改善沉积到基板上的粒子之间紧密接触程度的作用)；以及用于吸收紫外线、红外线或可见光的染料和颜料。
可使用本领域技术人员已知的、从本发明的胆甾醇型液晶组合物形成胆甾醇型液晶层的任何方法。此外，也可利用对现有的形成胆甾醇型液晶层的方法的改进和改变，以从本发明的胆甾醇型液晶组合物来形成胆甾醇型液晶层。以下论述的方法提供了可用于形成本发明的胆甾醇型液晶层的方法和技术的例子。
形成胆甾醇型液晶层的一种方法包括对基板表面施用胆甾醇型液晶组合物。可通过多种方法将胆甾醇型液晶组合物施用于表面，其包括(但不限于)涂覆和喷涂。或者，可在涂覆胆甾醇型液晶层之前对基板的表面进行配向。可通过使用例如拉伸技术、用人造丝或其它布擦拭或溶致性配向(美国专利6,395,354)对基板进行取向。光配向基板在美国专利4,974,941、5,032,009、5,389,698、5,602,661、5,838,407和5,958,293中有所描述。
在涂覆之后，将胆甾醇型液晶组合物转化为液晶层。通常，该工艺包括使组合物干燥和使干燥的组合物退火，或者，干燥和退火可在一定程度上同时发生。可通过多种技术完成胆甾醇型液晶层的形成，其包括蒸发溶剂；使胆甾醇型液晶组合物交联；通过使用例如加热、辐射(如光化辐射)、光(如紫外光、可见光或红外光)、电子束或这些或类似技术的组合，对胆甾醇型液晶组合物进行退火或固化(如聚合)。
形成液晶层的方法的一个例子包括将胆甾醇型液晶组合物沉积在已取向的基板上。在沉积之后，在胆甾醇型液晶组合物玻璃态转化温度以上加热该组合物到液晶相。然后将组合物冷却到玻璃态转化温度以下并使组合物保留在液晶相状态。
形成液晶层的另一种工艺包括将胆甾醇型液晶组合物沉积到提供液晶配向表面的基板上，并通过使组合物干燥和退火，以除去溶剂来使低聚液晶配向。
形成胆甾醇型液晶层的另一种工艺包括在降低的温度下对胆甾醇型液晶组合物进行初始干燥。如本文中使用的，胆甾醇型液晶组合物的“初始干燥”为将干燥进行到剩余的固体的百分数(％固体)或剩余的残余溶剂的百分数(％残余溶剂)达到一定水平。固体的百分数和残余溶剂的百分数可根据如下计算％固体＝固体重量/(溶剂重量+固体重量)×100％残余溶剂＝(10000/％固体)-100或％残余溶剂＝(溶剂重量/固体重量)×100在本发明的一个实施方案中，初始干燥的胆甾醇型液晶组合物剩余的固体的百分数为至少约80％，或者残余溶剂的百分数为最多约25％。在本发明的另一个实施方案中，初始干燥后的胆甾醇型液晶组合物剩余的固体的百分数为至少约90％，或者残余溶剂的百分数为最多约11％。
在本发明的一个实施方案中，胆甾醇型液晶组合物在至多约90℃的温度下初始干燥。在本发明的另一个实施方案中，胆甾醇型液晶组合物在至多约60℃的温度下初始干燥。在本发明的另一个实施方案中，胆甾醇型液晶组合物在至多约30℃的温度下初始干燥。
在至多90℃的温度下对胆甾醇型液晶组合物的初始干燥可以(但非必需)产生由此形成的胆甾醇型液晶的所需效果。一般认为，在至多90℃的温度下对胆甾醇型液晶组合物进行的初始干燥增加了液晶聚合物或单体配向的速率，也降低了溶剂蒸发的速率。一般认为，在至多90℃的温度下的初始干燥减少了对涂层的破坏，这种破坏在当涂层粘度低时在蒸发过程中可能发生。这种破坏是不利的，因为其需要在退火过程中花费另外的时间，以修复由这些破坏引起的损伤。因此，如果没有发生破坏，则有效的退火时间缩短，因为不需要时间来修补这种损伤。当涂层达到较高的粘度时，这种破坏很少会发生，因此，在至多90℃的温度下的初始干燥能足以带来这种所需的效果。
通常，干燥温度越低，则越有可能在胆甾醇型液晶层中产生所需的效果。同时，干燥温度越低，则胆甾醇型液晶层的干燥需要花费的时间越长。取决于所用的某种或多种溶剂，当干燥温度降低时，所述层可能根本没有干燥，或花费过分长的时间干燥。因此，在本发明的一个实施方案中，所用的初始干燥温度为所需的低温初始干燥的积极效果和在低温下使所述层干燥需要花费的时间两者折衷的结果。
干燥胆甾醇型液晶组合物的另一个方法包括使用低气流干燥技术。更具体地，该干燥技术包括在胆甾醇型液晶组合物涂层的表面上在气流极少或没有气流的条件下干燥胆甾醇型液晶组合物。在一个实施方案中，这些条件可加强对干燥过程中胆甾醇型液晶组合物涂层的气/液界面附近的边界层效应和相变条件的控制。
在气流极少或没有气流的条件下干燥的方法包括在美国专利号为5,581,905、5,694,701和6,134,808的专利文献中找到的那些。此外，也可预见气流极少或没有气流的这些和类似的干燥技术的优点能够利用在本发明的方法中。
在本发明的一个实施方案中，使用具有冷凝区的装置来干燥胆甾醇型液晶组合物。这种装置通常在涂层表面上产生小的受控环境间隙。该装置可完成从胆甾醇型液晶组合物除去溶剂，而不需采用通常用于大多数干燥方法中的气体对流。一般认为，不施加气体对流的干燥减少了可由与对流加热有关的气流引起的缺陷。一般认为，如果没有形成这种缺陷，胆甾醇型液晶组合物可以更快退火，因为不必对各种缺陷进行重组。
可用于在胆甾醇型液晶组合物涂层的表面上在气流极少或没有气流的条件下干燥胆甾醇型液晶组合物的装置的例子如图1所示。装置100起到从胆甾醇型液晶涂层106蒸发溶剂并在冷凝区102上收集溶剂的作用。胆甾醇型液晶涂层106通常涂覆在基板104上。可将基板104设置在网状物上(图1中未表示)，但这并非必要。
冷凝区102和胆甾醇型液晶涂层106通常彼此相对移动。这可由允许这种相对运动进行的任何结构完成。例如，胆甾醇型液晶涂层106及其基板104可以运动、冷凝区102可以运动或者它们的一些组合的情况。
冷凝区102也可比胆甾醇型液晶涂层106和基板104的温度低。这种相对温度差异可引起胆甾醇型液晶组合物中的溶剂从组合物蒸发并冷凝到冷凝区102上。
如图2所示，冷凝区102位于胆甾醇型液晶组合物106的上方，但又与其接近。冷凝区102和胆甾醇型液晶组合物106的排列方式在胆甾醇型液晶组合物106上方产生小的、基本上为平面的间隙108。在一个实施方案中，间隙108具有最大约为20厘米(cm)的距离。在另一个实施方案中，间隙108最大约为10cm，在另一个实施方案中，间隙110最大约为5cm。
由间隙108创造的受控环境在胆甾醇型液晶组合物106的表面上产生极少的气流或根本不产生气流。一般认为，气流极少或没有气流是有助于胆甾醇型液晶组合物的退火的，从而产生被更好配向的胆甾醇型液晶膜、在短时间产生类似配向的胆甾醇型液晶膜或其某些组合。
当溶剂从胆甾醇型液晶组合物106蒸发时，其穿过间隙108，在冷凝区102上冷凝并被以某种方式从冷凝区102收集或除去。图3说明用于从冷凝区102收集和除去溶剂的一种方法。在这一实施例中，冷凝区102可具有横向开口的沟或槽114，其利用毛细管作用使冷凝溶剂横向地移到边板115(参见图2)。当溶剂沿边板115滴下时可收集溶剂。
图4和5说明用于本发明干燥步骤中的装置的另一个例子。该装置110包括与上述关于图1和2所讨论的同样的部件，而且还具有加热区112。加热区112位于基板104的无涂层面上。加热区112使热通过基板104(和可能位于基板104以下的任何衬底结构)传递，以助于从胆甾醇型液晶组合物106中蒸发溶剂。
在本发明的另一个实施方案中，可使用罩作为使气流极少或没有的干燥技术。罩的例子如图6中所示。图6说明用于从胆甾醇型液晶组合物形成胆甾醇型液晶膜的工艺系统的一部分600。在图6中，胆甾醇型液晶组合物最初放在为涂覆机603进料的容器602中。涂覆机603在基板604上形成胆甾醇型液晶组合物的涂层606。在基板604上沉积涂层606之后，作为可移动系统的一部分的基板604将涂层606转运到罩605中。在涂层606通过罩605之后，可进行其它的工艺步骤。所述其它步骤的例子包括但不限于在烘箱中加热、辐射或其它处理。
在涂覆机603形成涂层606之后通常将罩605设置在工艺系统中。在本发明的一个实施方案中，在对基板604施加涂层606之后直接设置罩605。罩605通常可被描述为位于用于转运涂层606的基板604的表面的上方、下方和/或侧面的结构。在一个实施方案中，罩605包括围绕基板604和涂层606的所有表面的结构。罩605通常不包含任何加热元件，并且不主动控制罩内部的温度。
罩605起到使涂层606周围气流为极少或没有的作用。可以通过罩605与涂层606、与基板604的底面或与涂层606以及基板604的底面的距离来至少部分地控制涂层606周围的气流的量。在一个实施方案中，罩605的内表面与涂层606、与基板604的底面或与涂层606以及基板604的底面的距离最大约为20cm。在另一个实施方案中，该距离最大约为10厘米，在另一个实施方案中，该距离最大为约5cm。在另一个实施方案中，在不妨碍工艺系统发挥作用或不干扰涂层606的情况下，罩605的内表面尽可能靠近涂层606、基板604的底面或涂层606以及基板604的底面。
在根据本发明干燥胆甾醇型液晶组合物之后，可进行本领域技术人员通常使用的任何其它的工艺步骤。
在阅读本说明书之后，本领域技术人员应该理解，事实上可以利用以下方法步骤的任意组合单独使用1，3-二氧杂环戊烷、使用1，3-二氧杂环戊烷与另一种溶剂的组合、单独使用较低的初始干燥温度或使用气流极少或没有气流的干燥技术。
胆甾醇型液晶组合物可形成在特定光波长谱带宽度范围内基本上反射具有一种圆偏振(如左或右圆偏振光)的光而基本上透射具有另一种圆偏振光的胆甾醇型液晶层。这种特征表示的是对垂直于以胆甾醇型液晶材料的指向矢入射的光的反射或透射。以其它角度入射的光一般被胆甾醇型液晶材料椭圆偏振，并且布拉格反射峰值一般从其同轴的波长发生蓝移。胆甾醇型液晶材料的特征通常表现为与垂直入射的光相关，如以下那样，然而需要认识到，可使用已知的技术测定这些材料对非垂直入射光的响应。
胆甾醇型液晶层可被单独使用或与其它层或装置结合使用来形成光学体，例如反射偏振片。胆甾醇型液晶偏振片在一种反射偏振片中使用。胆甾醇型液晶偏振片的螺距类似于多层反射偏振片的光学层厚度。螺距和光学层厚度分别决定了胆甾醇型液晶偏振片和多层反射偏振片的中心波长。胆甾醇型液晶偏振片的旋转性指向矢形成了重复单元，该重复单元类似于在多层反射偏振片中使用的具有相同光学层厚度的多个层。
被胆甾醇型液晶层反射的光的中心波长λ0和光谱带宽Δλ取决于胆甾醇型液晶的螺距p。中心波长λ0通过λ0＝0.5(no+ne)p近似计算，其中no和ne为胆甾醇型液晶对平行于液晶指向矢偏振的光的折射率(ne)和对于垂直于液晶指向矢偏振的光的折射率(no)。谱带宽度Δλ通过Δλ＝2λ0(ne-no)/(ne+no)＝p(ne-no)近似计算。
可通过层压或层叠使两个已经成形的胆甾醇型液晶层形成胆甾醇型液晶偏振片，所述液晶层各自设置在单独的基板上、并具有不同的螺距(如，各层具有不同组合物，例如手性和向列型液晶化合物或单体的重量比不同)。加热这两个层以使液晶材料在两层之间扩散。两层之间材料的扩散一般引起各层的螺距在两层各自原螺距大小之间的范围内变化。形成胆甾醇型液晶偏振片的其它方法在例如美国专利申请号为09/790,832、09/791,157和09/957,724的专利文献中描述。
胆甾醇型液晶光学体可用于多种光学显示器和其它应用中，包括透射式(如背光式)显示器、反射式显示器和半透反射式显示器。例如，图7说明一种示例性的背光式显示器系统400的示意性剖视图，其包括显示介质402、背光片404、如上所述的胆甾醇型液晶反射偏振片408和可任选的反射片406。该显示器系统可任选地包括波片，作为胆甾醇型液晶反射偏振片的一部分或作为用于将来自液晶反射偏振片的圆偏振光转化为线式偏振光的独立部件。观察者的位置在显示设备402与背光片404相反的那一侧。
显示介质402通过透射背光片404发射出的光为观察者显示信息或图像。显示介质402的一个例子为只透射具有一种偏振态的光的液晶显示器(LCD)。
背光片404提供用于观察显示器系统400的光，该背光片404包括例如光源416和导光片418，虽然也可使用其它逆光系统。虽然图7中表示的导光片418的横截面为矩形，背光片可使用具有任何适当形状的导光片。例如，导光片418可为楔形的、沟槽形的、假楔形导光片等。主要是考虑导光片418应该能够接受来自光源416的光并发射那种光。因此，导光片418可包括背面反射器(如可任选的反射片406)、提取装置和其它部件，以便完成所需功能。
如上所述，反射偏振片408为包括至少一个胆甾醇型液晶光学体的光学膜。反射偏振片408被设置成基本上透射由导光片418出射的具有一种偏振态的光和基本上反射由导光片418出射的具有另一种不同偏振态的光。
图8为一种类型的反射式液晶显示器500的示意图。这种反射式液晶显示器500包括显示介质508、胆甾醇型液晶反射偏振镜504、吸光背层506和吸收偏振片502。液晶显示器500可任选地包括波片，作为胆甾醇型液晶反射偏振片504的一部分，或作为将来自液晶装置的混合偏振光转化为适当偏振光的独立部件。
液晶显示器500首先通过能使光510偏振的吸收偏振片502来起作用。然后偏振光通过显示介质508，其中光的圆偏振成分之一从胆甾醇型液晶反射式偏振反射片504反射并反向通过显示介质508和吸收偏振片502。另一个圆偏振成分通过胆甾醇型液晶反射偏振片504并被背层506吸收。如上所述，这种反射式液晶显示器500的反射偏振片504包括一个胆甾醇型液晶光学体。胆甾醇型液晶光学体的具体选择取决于多个因素，诸如例如，成本、大小、厚度、材料和所关注的波长范围。
图9为一种类型的半透反射式液晶显示器600的示意图。该半透反射式液晶显示器600包括相延迟显示介质608、部分反射片603、胆甾醇型液晶反射式偏振反射片604、背光层606和吸收偏振片602。显示器系统可任选地包括波片，该波片作为胆甾醇型液晶反射偏振片604的一部分或作为将来自液晶装置的混合偏振光转化为适当偏振光的单独部件。在反射式模式中，明亮的环境光610被吸收偏振片602偏振，穿过显示介质608，从部分反射片603反射，并反向通过显示介质608和吸收偏振片602。在昏暗的环境光的情况中，背光片606被激活并且光可任选地通过胆甾醇型液晶偏振片604，该胆甾醇型液晶偏振片604经过匹配能为显示器提供适当的偏振光。相反手性的光被反射回来，经过循环，并可任选地通过胆甾醇型偏振片604，以有效增加背光的亮度。如上所述，这种反射式液晶显示器600的反射偏振片包括一个胆甾醇型液晶光学体。胆甾醇型液晶光学体的具体选择可取决于多种因素，诸如例如，成本、大小、厚度、材料和所关注的波长范围。
胆甾醇型液晶光学体可与能改善液晶显示器的其它特性或为液晶显示器提供其它特性的各种其它组件和膜使用。所述组件和膜包括例如光增亮膜、延迟板(包括四分之一波片和膜)，多层或者连续/分散相反射偏振片、金属化背反射片、棱镜型背反射片、漫反射背反射片、多层介电背部反射片和全息背反射片。
除非另外说明，以下实施例中的所有化学品可得自位于美国威斯康星州密尔沃基市的Aldrich，Inc.
实施例1各种单体在1，3-二氧杂环戊烷和其它溶剂中的溶解度的比较4-(2-丙烯酰氧基-乙氧基)-苯甲酸4′-氰基-联苯-4-基酯是具有以下结构的胆甾醇型液晶单体，并可根据欧洲专利申请公开号为834754的专利文献中的所述方法制备。

将4-(2-丙烯酰氧基-乙氧基)-苯甲酸4′-氰基-联苯-4-基酯溶于热的(沸腾的)四氢呋喃和热1，3-二氧杂环戊烷中。该单体只有20％溶于四氢呋喃中，而该单体有40％溶于1，3-二氧杂环戊烷中。这表明由4-(2-丙烯酰氧基-乙氧基)-苯甲酸4′-氰基-联苯-4-基酯代表的胆甾醇型液晶单体在1，3-二氧杂环戊烷中比在四氢呋喃中更易溶解。
实施例2添加另一种溶剂来控制干燥温度将表1中的各成分合并并溶解来制备溶液A。
表1

溶液A用氮气清洗并在约60℃下加热约18小时以引发丙烯酸酯聚合。然后使用溶液A来制备下表2中的溶液B和C。
表2

将溶液B和C涂覆(湿涂层厚度为约12到15μm)到100μm聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上，干燥后厚度为约2.5微米(μm)。然后将经过涂覆的PET膜(如表3所示)在30℃或90℃下干燥一(1)分钟。然后使用Lambda 900分光光度计(得自位于美国加利福尼亚州圣克拉拉市的Perkin Elmer)测量涂层在约400nm到约500nm之间的平均反射率。然后将涂层在120℃下退火约5分钟，使用与1/4波长膜成45度角的Glan-Thomas偏振片测量涂层在选择反射区域的透射光谱。选择反射导致了在所述波长区域降低透射率。然后将偏振片定向以给出最小透射率(消光率)并记录光谱。将得到的从约690纳米(nm)到约580nm的消光率测量值取平均值，如以下表3所示表3

通过比较在不同干燥温度下的类似溶液，可以看出较低的干燥温度得到的是在干燥后具有较低反射率的胆甾醇型液晶膜。较低的反射率通常暗示了该膜较少雾化，并具有较少的缺陷，因此液晶将需要较少的退火时间。退火时间变短是在加工胆甾醇型液晶组合物方面的显著进步。较短的退火时间通常也暗示了膜的消光率将被改善(其值减少)，或者换句话说，该膜将是较好的偏振片，这可从消光率测量值看出。
表3的结果还表明了加入第二溶剂引起的差异。在该实施例中使用环己酮作为溶液B的一部分。通过分别比较在30℃和90℃下的溶液B和溶液C的测量值，可以看出加入环己酮(其存在于溶液B中)也可降低初始缺陷(这可从较低的反射率看出)。正如在较低的干燥温度的情况中那样，较低的反射率意味着膜较少雾化，并具有较少的缺陷，这将导致较短的退火时间以及在表3中也可看到的较低的消光率。
以上说明书、实施例和数据完整说明了本发明组合物的制造和使用。因为可以在不偏离本发明的精神实质和范围的情况下作出许多本发明的实施方案，所以本发明的范围以所附的权利要求书的内容为准。
权利要求
1.胆甾醇型液晶组合物，包括至少一种胆甾醇型液晶材料；和1，3-二氧杂环戊烷。
2.权利要求1的胆甾醇型液晶组合物，进一步包括第二溶剂。
3.权利要求2的胆甾醇型液晶组合物，其中所述第二溶剂的蒸发速率低于1，3-二氧杂环戊烷的蒸发速率。
4.权利要求2的胆甾醇型液晶组合物，其中所述第二溶剂包括环己酮、环丙酮、丁酮或其组合。
5.权利要求2的胆甾醇型液晶组合物，其中所述第二溶剂的重量不大于1，3-二氧杂环戊烷的重量。
6.权利要求4的胆甾醇型液晶组合物，其中所述第二溶剂包括环己酮，并且该环己酮的重量不大于该环己酮和1，3-二氧杂环戊烷的总重量的25％。
7.一种形成胆甾醇型液晶层的方法，包括(a)形成胆甾醇型液晶组合物；(b)将所述胆甾醇型液晶组合物沉积到基板上；以及(c)在至多约90℃的温度下初始干燥所述胆甾醇型液晶组合物，使该胆甾醇型液晶组合物保留有至少80％的固体。
8.权利要求7的方法，其中所述初始干燥导致胆甾醇型液晶组合物保留有大于约90％的固体。
9.权利要求7的方法，其中所述干燥在至多约60℃的温度下完成。
10.权利要求7的方法，其中所述干燥在至多约30℃的温度下完成。
11.权利要求7的方法，其中所述干燥在气流极少或没有气流的条件下完成。
12.权利要求11的方法，其中所述干燥步骤采用了具有冷凝区的设备。
13.权利要求12的方法，其中所述设备的构造在所述冷凝区和所述胆甾醇型液晶组合物的所述表面之间形成受控环境间隙。
14.权利要求13的方法，其中所述受控环境间隙小于或等于约20cm。
15.权利要求11的方法，其中所述干燥借助于罩完成。
16.权利要求15的方法，其中所述罩与所述沉积的胆甾醇型液晶组合物的距离小于约20cm。
17.权利要求7的方法，其中所述胆甾醇型液晶组合物包括作为溶剂的1，3-二氧杂环戊烷。
18.权利要求17的方法，其中所述胆甾醇型液晶组合物进一步包括第二溶剂。
19.权利要求18的方法，其中所述第二溶剂包括环己酮、环丙酮、丁酮或其组合。
全文摘要
本发明提供了形成胆甾醇型液晶层的方法，包括形成胆甾醇型液晶组合物；将该胆甾醇型液晶组合物沉积到基板上；以及在至多约90℃的温度下初始干燥该胆甾醇型液晶组合物，使该胆甾醇型液晶组合物保留有至少80％的固体。本发明还提供了形成胆甾醇型液晶层的方法，包括形成胆甾醇型液晶组合物；将该胆甾醇型液晶组合物沉积到基板上；以及在至多约90℃的温度下初始干燥该胆甾醇型液晶组合物，其中所述干燥使用气流极少或没有气流的技术完成。本发明进一步提供了胆甾醇型液晶组合物，其包括至少一种胆甾醇型液晶前体和1，3－二氧杂环戊烷。
文档编号C09K19/52GK1753970SQ200480004947
公开日2006年3月29日 申请日期2004年1月12日 优先权日2003年2月24日
发明者史蒂文·D·所罗门松, 马克·D·拉德克利夫, 理查德·J·波克尔尼 申请人:3M创新有限公司