胆甾相液晶显示系统的制作方法

专利名称：胆甾相液晶显示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有聚合物分散(polymer dispersed)胆甾相液晶的显示系统，其中液晶相应于热、光和电场而改变其光学状态。
背景技术：
胆甾相液晶具有在不施加电场时保持多种不同光学状态的性质。此外，胆甾相液晶能根据所施加的电场和/或热场改变光学状态。这些性质使之可用于开发场稳定、可重写的显示器。
1968年9月10日公开的Fergason等人的美国专利3,401,262公开了一种将光作用于屏幕上的阴极射线管。屏幕具有一光导层，被细导线施加到该光导层上的电场激发。该屏幕具有一层对温度敏感的胆甾材料，可随温度轻微变化而改变反射波长，并改变加热区域中的色调。阴极射线管发出的光入射到光导层，产生可用于有选择地改变胆甾材料片颜色的热度。该系统使用复杂的阴极射线管和光导层，并且在没有电场时不产生图像。
1971年5月18日公开的Churchill的美国专利3,578,844公开了一种封装有胆甾材料，但没有光导层的凝胶片。通过加热使薄片处于第一反射状态。通过施加DC电场将该薄片的一部分写成黑色(未遮蔽)状态。加热该薄片恢复显示。在周围环境下，该薄片中的封装材料保持所写入的信息8个星期不消失。
1974年1月29日公开的Leder的美国专利3,789,225公开了一种处于玻璃板之间的玻璃态胆甾相液晶。玻璃态液晶材料为一种在环境温度下处于有序状态的固体液晶。在玻璃态下它们不对电场作出响应。通过将该材料加热到各相同性(液态)转变点之上，设备将该薄片写成初始状态。随着该材料冷却，使用高强度氙闪光灯干扰该材料，从而闪光干扰区凝固成一种与未接收闪光能量区域不同的状态。该成像系统要求将材料升温到较高温度，并在存在选择性高强度闪光灯时快速冷却。不将电场施加给该介质。
传统的非玻璃态液晶具有在环境温度上，可在反射特定可见光波长的平面状态与散射焦点圆锥态之间电驱动的性质。也称作胆甾相液晶的手性向列相液晶，具有在不存在电场时保持多种给定状态其中之一的性质。1995年8月1日公开的Doane等人的美国专利5,437,811公开了一种具有聚合物分散手性向列相(chiral nematic)液晶的光调制单元。手性向列相液晶具有可在反射特定波长可见光的平面状态与弱光散射焦点圆锥态之间受驱动的性质。也称作胆甾相液晶的手性向列相液晶，具有在不存在电场时保持多个给定状态中一种状态的能力。Doane等人的专利披露了仅使用电场改变胆甾相液晶的光学状态。该技术按行顺序写入图像数据。顺序写入数据行与一次写入所有象素相比较慢，并且每一列和行线都需要电驱动器。
Yamamoto等人在论文“A Novel Photoaddressable Electronic PaperUtilizing Cholesteric LC Microcapsules and Organic Photoconductor”(SID 2001 DIGEST，pp.362-365)中，描述了一种电子纸的制备，该电子纸具有一光导层和在环境温度下对电场作出响应的聚合物封装胆甾相液晶。在两层上施加高电场，该光导层在有光情况下产生偏压。该材料上的高场和低场状态将不同光学状态写入胆甾材料中。
现有技术的光敏薄片需要昂贵而复杂的光敏层进行操作。电驱动系统必须顺序写入数据，需要复杂的电驱动器。玻璃态液晶在施加大量热量和不施加电场时改变状态。因此需要一种能在低温下同时写入图像数据而没有光导层的光写入薄片(light written sheet)。

发明内容
本发明通过提供一种显示系统可满足上述需要，该显示系统包括设置成可接收图像态光图案的显示器，该显示器包括一对导体，其中至少一个导体是透明的；设置在上述导体之间的一层胆甾相液晶材料，该胆甾相液晶材料在零电场时具有多个稳定光学状态；和一光吸收体，在液晶中形成图象状热图案，其足以根据图像态光图案改变胆甾相液晶的光学状态；以及一显示写入器，该显示写入器包括一光源，该光源用于产生强度足以在光吸收体中产生足够热量从而改变液晶光学状态的闪光，一设置在该光源与显示器之间用于限定图像态光图案的掩模，一与该导体相连、用以在导体之间产生电场以改变液晶光学状态的显示器驱动器，以及一与该光源和该显示器驱动器相连、用于控制电场强度和激励光源在显示器上产生图像的控制器。
本发明还提供了一种写入和擦除图像的方法，包括如下步骤a)提供一层聚合物分散胆甾相液晶材料和一光吸收体，其中该聚合物分散胆甾相液晶材料设置在一对未图案化的导体之间，该光吸收体用于根据图像态光图案而形成图像态热图案；b)在该未图案化的导体上施加具有第一幅值的电场，从而擦除该聚合物分散胆甾相液晶中的任何图像，并初始化该材料；以及c)在该未图案化的导体上施加具有第二幅值的电场，并将该聚合物分散液晶材料层暴露于图像态闪光从而写入图像。
本发明的优点在于提供一种可用氙闪光灯和电场来写入和重复写入的简单片状结构。可不考虑以前写入的信息而用一次写入过程来写入薄片。写入过程迅速，并改善了仅通过电写入到薄片上的图像质量。


图1为根据本发明的显示器的局部剖面图；图2为相应于入射光，处于平面和焦点圆锥态的现有技术手性向列相材料的示意性侧视图；图3为用于模拟根据本发明的显示系统的实验装置的示意性侧视图；图4为最初处于平面状态，在恒定闪光灯能量和可变电压下，图1中显示器的响应曲线；图5为图4中数据的对比度曲线；图6为最初处于焦点圆锥态，在恒定闪光灯能量和可变电压下，图1中显示器的响应曲线；图7为图6中数据的对比度曲线；图8为根据本发明的显示写入的电气示意图；图9为图1中的显示器与物体相连时的侧视图；图10为根据本发明的显示写入器的侧视图；
图11为根据本发明与显示器相连用于写入显示器的显示写入器的侧视图；以及图12A和B分别为处于重写和写入状态的根据本发明的显示器的正视图。
具体实施例方式
参照图1，根据本发明的显示器10包括一诸如为薄透明聚合物材料的显示基片15，其例如是由厚度在20到200微米(最好为125微米)之间的聚酯塑料形成的柯达Estar薄膜基底。也可以使用其他聚合物，如透明聚碳酸酯。
在显示基片15上形成第一透明导体20。第一透明导体20可以为氧化锡，氧化铟锡(ITO)或者聚硫苯(polythiophene)，其中ITO为优选材料。一般在显示基片15上溅射或涂覆一层电阻小于每平方1000欧姆的第一透明导体20材料。
在一优选实施例中，在第一透明导体20上印刷一第一导体保护层22。第一导体保护层22可以为丝网印刷的导电墨水，如Acheson公司的Electrodag 423SS丝网印刷导电材料。这种丝网印刷导电材料包括热塑性树脂中的微石墨粒子。第一导体保护层22保护第一透明导体20免受磨损。
光调制层30覆盖第一透明导体20的第一部分。去除一部分光调制层30，产生容许电接触的暴露的第一导体20’。光调制层30包含胆甾相液晶材料，如1997年12月9日授予Doane等人的美国专利5,695,682中所公开的，该专利的内容引作参考。可以使用不同强度和持续时间的电场将手性向列相材料(胆甾)驱动到反射状态、基本透明状态、或者中间状态。这些材料的优点是在没有电场时第一和第二光学状态均稳定。在场去除之后，该材料可无限期地保持一给定光学状态。该胆甾相液晶材料可以为纽约Hawthorne的E.M.公司的MerckBL 112、BL 118或BL 126。
在一优选实施例中，光调制层30为分散在去离子照像凝胶中的E.M.公司的胆甾材料BL-118。该液晶材料以8％的浓度混合在5％的凝胶水溶液中。分散该液晶材料，从而在水悬浮液中产生具有8～10微米直径液晶畴的乳胶。可使用2002年7月23日授予Stephenson等人的美国专利6,423,368中所描述的有限凝结技术来形成畴。将乳胶涂覆在聚酯显示基片的该第一透明导体上并加以干燥，形成大约9微米厚的聚合物分散胆甾涂层。可以用诸如聚乙烯醇(PVA)或聚环氧乙烷(PEO)的其他有机粘合剂取代凝胶。这种乳胶可采用制造照像软片时所用的涂敷设备进行机械涂覆。在涂覆光调制层30之前，可以在该第一透明导体20上涂覆一凝胶底层，如Stephenson等人2001年7月26日申请的共同悬而未决的美国专利申请USSN 09/915,441中所披露的。
图2为相应于入射光处于平面和焦点圆锥态的手性向列相材料的示意性侧剖图。其中在左图中，当施加高压电场并迅速切换到零电势之后，液晶分子变为平面液晶72，其将一部分入射光60反射成反射光62。在图2的右图中，在施加低压电场时，手性向列相材料的分子变成为称作焦点圆锥液晶74的轻微向前的散射单元。增大低压脉冲持续时间，将最初为反射性平面液晶72的分子逐渐驱动到完全演变成光散射焦点圆锥液晶74。
光吸收体35设置在与入射光60相对的一侧。光吸收体35可以是一薄层处于凝胶粘合剂中的光吸收的、微米以下的碳，如Stephenson于2002年12月16日的欧洲专利申请申请No.02080300.3中所披露的。作为完全演变的焦点圆锥液晶74，胆甾相液晶向前散射光，并由光吸收体35吸收入射光60，产生黑色图像。逐渐向焦点圆锥态演变，使得观察者在胆甾材料从反射性平面液晶72变成完全演变的光散射焦点圆锥液晶74时能捕获到转变成黑色的反射光62。当去除场时，光调制层30无限期地保持给定的光学状态。上面引用的美国专利5,437,811中更加充分地描述了这些状态。
返回图1，光吸收体35设置在第二导体40与光调制层30之间，用以改善对比度。第二导体40覆盖光调制层30。第二导体40具有足够大的导电率，可在该第一透明导体20与第二导体40之间形成强度足以改变光调制层30中胆甾材料光学状态的电场。例如，可通过公知的用于形成导电材料层的真空沉积技术来形成第二导体40，其中上述导电材料例如为铝、锡、银、铂、碳、钨、钼或铟或者其化合物。可使用公知的光刻、激光蚀刻技术，或者应用掩模使导电材料层图案化。
在一优选实施例中，通过丝网印刷诸如Acheson公司的Electrodag423SS丝网可印刷导电材料的导电墨水，形成第二导体40。这种丝网印刷导电材料包括处于热塑性树脂中的微石墨粒子。丝网印刷是优选的，用以使得显示器的制造成本最小。
为显示基片15、第一透明导体20、机械涂覆的光吸收体35和光调制层30、及所印刷的第二导体40和第一导体保护层22使用柔性支撑，能制造出低成本的柔性显示器。根据本发明的小型显示器可以用作廉价的、可有限重写的可电重写标签。
参照图3，设置根据本优选实施例的显示器10，使传统氙闪光灯52通过掩模54照射部分显示器10。在本实验中，闪光灯52为Vivitar型285HV专业闪光灯，掩模54是一片具有电照相印刷图像的DupontMylar幻灯片。如果胆甾材料最初为平面液晶72或焦点圆锥液晶74，则可调节闪光灯52的输出以将图像印到显示器10上。
在第一导体保护层22和第二导体40上设置一组电极。在电极50上施加一电场，可擦除由闪光灯印在显示器10上的图像。可以多次印出图像和擦除图像而不会损坏显示器10。可将显示器10设置成使得黑色的第二导体40面对闪光灯52和掩模54。可以调节闪光灯52，从而可通过第二导体40印出图像。可使用电极50上的电场来电擦除以反转方式印出的图像。根据这些实验，可以得出结论通过显示器10任一侧而将热能施加给第二导体40均能产生印刷过程。功率和持续时间恰当的热脉冲能提供可将胆甾材料写成平面或焦点圆锥状态的热通量效应。这些实验首次展示了可使用经过掩模的高强度光将图像热印刷和再印刷到聚合物分散胆甾相液晶上。该方法和材料允许多次擦除和写入过程。而且，该显示器10的结构是柔性的，并且成本较低。
进行实验可测定在闪光灯52发出热脉冲期间，显示器10对施加电场的响应。在第一实验中，使用高压脉冲将显示器10写成为平面状态。设置闪光灯52的输出，将未掩模区域中最初为平面态的液晶有选择地写成为焦点圆锥态。反复多次地使用一系列电压将该显示器重新设置成平面态，并进行写入。
图4表示图1中显示器的响应曲线，其最初处于平面状态且在恒定闪光灯能量和多种电压下。对于每个实验来说，均使用高压脉冲来将材料初始化成平面状态。然后在一次闪光动作期间施加一实验电压。所产生的曲线与Doane等人的专利中没有闪光时对材料实验得出的响应曲线相同。被遮蔽材料的曲线(其中各点以方块表示)与闪光灯52未提供热脉冲时的响应相同。未遮蔽曲线针对在闪光灯的热脉冲与电场条件下的同一显示器。在施加电压为零并且没有掩模时，将平面材料写成为焦点圆锥态，而其反射率大约为7％。施加例如为10伏的低电压，则将焦点圆锥态的清晰度从7％反射率改善到大约2％反射率。
图5表示图4中数据的对比度曲线。闪光与电场一起产生两个高对比度状态，从标准的4∶1对比度提高到14∶1对比度。这两个最佳状态是光学可逆状态。在20伏时产生一个最佳对比度14∶1。没有闪光能量，最初处于平面状态的材料不受低压脉冲的影响；闪光灯52发出的能量将该材料写成焦点圆锥态。在施加电场为60伏时产生第二高的对比状态，对比度为13∶1。没有闪光能量，最初为平面态的材料被写成焦点圆锥态；存在闪光能量，则将该材料写成平面态。
图6为图1中显示器的响应曲线，其最初处于焦点圆锥态而在恒定闪光灯能量和各种电压下。图7为图6中数据的对比度曲线。施加低场再次将焦点圆锥材料的反射率从7％降到2％。在该系统中可能仅存在一对双稳态，也是在60伏时对比度大约为13。在中等大小电压时，最初处于焦点圆锥态的材料保持焦点圆锥态。闪光灯52发出的能量使最初为焦点圆锥态的材料驱动到平面态。显然，闪光灯52发出的热减小了将胆甾材料驱动到平面态所需的电压。
可见，在施加电场为60伏时，如果材料最初处于平面或焦点圆锥态，则由掩模54决定该材料的最终状态。这种现象使得无需在闪光写入一幅图像之前先将所述材料初始化，写成初始状态。没有初始化步骤的一次写入过程提供了一种快速、并行的显示器10写入方法。
该系统的多种状态可对应于多种驱动方案，如表1中所示。在表1中，第一种方案(1)使用在100伏脉冲(1A)或60伏脉冲(1B)条件下的闪光而将显示器10初始化成平面态。而较低的20伏脉冲结合闪光则允许使用掩模54来有选择地写入。在第二种方案(2)中，不用闪光(2A)或用闪光(2B)将显示器10写成焦点圆锥态。在方案2中，将60伏脉冲施加到显示器10，并且将接收闪光的区域写成平面态，而被遮蔽的区域则保持焦点圆锥态。第三种方案(3)与方案2B基本相同，但不初始化成焦点圆锥态。在存在闪光能量时，60伏脉冲通过利用掩模54，不必初始化就能形成显示器10的图像态(image-wise)写入。在要求于第一步操作中先擦除显示器10，之后再重新写入显示器10的应用中，初始化步骤会是有用的。
表1

图8为根据本发明制造的显示写入器的电气示意图。电源91向闪光灯电容器92和显示器驱动器93提供能量。遮挡显示器94被设置成有选择地遮挡闪光灯52的输出。遮挡显示器94可以是一个传统结构的扭曲向列(TN)或超扭曲向列(STN)显示器。控制器95向遮挡显示器94提供信息。控制器95通过显示器驱动器93将写入电压施加到与显示器10相连的电极50。触发电路96与来自显示器驱动器93的双极性电场配合工作而触发闪光灯52。闪光能量受到遮挡显示器94遮挡，从而与所施加电场一起施加来自闪光灯52的图像态光图案，将图像写到显示器10上。
在实验中，在根据该优选实施例制成的显示器10上设置来自台湾Tianma公司零件号为TM 13164 BCHG-1的点阵超扭曲向列(STN)显示器。调节前面已经描述的Vivitar闪光灯，使得STN的光吸收部分遮挡闪光，而STN的透明部分透过闪光。根据遮挡显示器94的光学状态，遮挡作用以应足以将显示器10的区域写成焦点圆锥或平面态。闪光灯装置通过STN显示器反复放电，而不会对STN显示器或显示器10的结构造成可观察到的损害。实验表明，能够使用简单、低成本的STN显示器作为遮挡显示器94。
图9为附着到目标80上的图1中显示器的侧视图。目标80可以是支撑显示器10的支架，或者是显示器10可附着其上的其它物品诸如插板。可利用触点82将显示器10固定到目标80上。触点82可以为具有两个区域的导电粘合剂，第一区域与第一透明导体20接触而第二区域与第二导体40接触。在图9中，就是左侧部分与第一透明导体20相连而右侧部分与第二导体40相连。触点82是将电极50连接到显示器10的连接区域，也是将显示器10固定到目标80的粘合剂。
图10为根据本发明的可分离写入器的侧视图。在优选实施例中，写入器90与显示器10相连以进行写入动作。写入器90包含图8所示的电子元件。写入器90具有一外壳(未示出)，其将闪光灯52、遮挡显示器94和电极50放置在适当位置，以便对显示器10进行写入。目标80和写入器90外壳中的传统结构的细节部分(未示出)使写入器90对准显示器10。
图11为根据本发明的写入器的侧剖图，该写入器与显示器10相连，用以对该显示器进行写入。当电极50被压靠在触点82上时写入器90与显示器10相连。传统结构的传感器(未示出)可以与控制器95相连，用以发出写入器90与显示器10相连的信号。也可以将传感器设置成向控制器95发送信号，将图像写入到显示器10。写入方法如前所述，可供用于将图像写到显示器10上。可以从显示器10上拆下写入器90，用于写入其它显示器10。目标80具有经过更新的写在显示器10上的信息。
图12A表示根据本发明的处于重写状态的显示器10。当根据本发明制造显示器10时，材料均处于平面态。另外，显示器10可能已经被写入，并有一些区域具有胆甾材料，其中胆甾材料处于焦点圆锥态或处于平面态，或者处于任何中间状态。另外，以前的信息可能已经在早先的写入动作中被写入器90擦除。返回参照图11，写入器90处于显示器10的可写入位置。在该位置，电极50接触与第一透明导体20和第二导体40相连的触点82的各区域。使用方法3，不需进行初始化写入。写入器90中的遮挡显示器94从控制器92接收图像数据。控制器92通过电极50将电场施加给显示器10和放电闪光灯52。在有电场的情况下，闪光灯52发出的光有选择地加热显示器10中的各区域，从而将图像写在显示器10上。显示器10接收光的区域被写成平面态，而闪光灯52发出的光被遮挡的区域则被写成焦点圆锥态，这与胆甾相液晶的初始状态无关。图12B为根据本发明的处于写入状态的显示器。其中较亮区域被写成平面态而较暗区域被写成焦点圆锥态。
本发明的方法和装置可提供具有高信息含量的低成本、简单而快速写入的标签。具有数个简单、非图案化批量制造层的显示器比较廉价。写入装置本身简单，需要低成本闪光灯系统，廉价的遮挡显示器和2线电激发器用于显示器10。可将驱动器从显示器分离，从而能通过单独一个简单的显示写入器90来写入多个廉价的标签。
权利要求
1.一种显示系统，包括a)一显示器，该显示器包括一基片，一形成在该基片上的第一透明导体，一层在环境温度下具有多个稳定光学状态、设置在该第一导体上的胆甾相液晶，以及一设置在该胆甾相液晶层上、用于根据图像态光图案而形成图像态热图案的光吸收第二导体；和b)一写入装置，该写入装置包括一闪光灯，一用于形成该图像态光图案的掩模，将电场施加在该第一与第二导体上的装置，一显示器驱动器，该显示器驱动器具有电触点以将电场施加到所述显示器的各导体，以及一控制器，该控制器与该光源和显示器驱动器相连，用于控制该电场的强度并激励该光源从而在该显示器上产生图像。
2.如权利要求1所述的显示系统，其中该掩模可电编程从而定义该图像态光图案。
3.如权利要求2所述的显示系统，其中该掩模是一种液晶光调制器。
4.如权利要求1所述的显示系统，其中该控制器控制该光源以在没有电场时形成图像，并施加电场以擦除该图像。
5.如权利要求1所述的显示系统，其中该控制器控制该光源和该显示器驱动器，从而在存在第一场时形成图像而以第二场擦除该图像。
6.如权利要求1所述的显示系统，其中该控制器控制该光源和该显示器驱动器，从而在存在场时形成该图像并重写一先前的图像。
7.如权利要求2所述的显示系统，其中该控制器控制该光源、该掩模和该电源，并在存在第一场时通过施加未图案化的闪光而擦除图像并初始化该显示器，而在存在第二场时通过施加图像态光图案而形成该图像。
8.如权利要求1所述的显示系统，其中该光吸收体为该液晶中的染料。
9.如权利要求1所述的显示系统，其中该光吸收体为其中一个导体。
10.如权利要求1所述的显示系统，其中该光吸收体为独立的一层。
11.如权利要求1所述的显示系统，其中该胆甾层厚度小于15微米。
12.如权利要求1所述的显示系统，其中该胆甾层为聚合物分散液晶。
13.如权利要求12所述的显示系统，其中该聚合物为凝胶。
14.一种写入和擦除图像的方法，包括如下步骤a)提供一层聚合物分散胆甾相液晶材料和一光吸收体，其中该聚合物分散胆甾相液晶材料设置在一对未图案化的导体之间，该光吸收体用于根据图像态光图案而形成图像态热图案；b)在该未图案化的导体上施加具有第一幅值的电场，从而擦除该聚合物分散胆甾相液晶中的任何图像，并初始化该材料；以及c)在该未图案化的导体上施加具有第二幅值的电场，并将该聚合物分散液晶材料层暴露于图像态闪光从而写入图像。
全文摘要
本发明提供了一种显示系统，包括一显示器，该显示器包括一基片，形成在该基片上的一第一透明导体，在环境温度下具有多个稳定光学状态、形成在该第一导体上的一层胆甾相液晶，以及一设置在该层胆甾相液晶上用于根据图像态光图案形成图像态热图案的光吸收第二导体；和一写入装置，该写入装置包括一闪光灯，一用于形成图像态光图案的掩模，和将电场施加在该第一与第二导体上的装置，以及一显示器驱动器，该显示器驱动器具有将电场施加到该显示器导体上的电接触点；以及一与该光源和该显示器驱动器相连的控制器，用于控制电场强度并激励光源在该显示器上产生图像。
文档编号G02F1/13GK1497301SQ0313465
公开日2004年5月19日 申请日期2003年9月23日 优先权日2002年9月27日
发明者S·W·斯蒂芬森, 米向东, D·M·约翰松, S W 斯蒂芬森, 约翰松 申请人:伊斯曼柯达公司