專利名稱：鐵電液晶單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液晶顯示單元，它具有一種手性鐵電近晶液晶層，其螺旋結(jié)構(gòu)受電場(chǎng)作用的影響以致其光學(xué)各向異性發(fā)生改變；一對(duì)透明的平板，所述液晶配置在其之間，這對(duì)平板具有定向液晶分子的表面結(jié)構(gòu)并裝有可在其中產(chǎn)生電場(chǎng)的電極；在液晶前后各有一偏振片。本發(fā)明還涉及用于該單元的手性或光學(xué)活性化合物及液晶混合物，以及這些化合物的電-光用途的應(yīng)用。
在Cstrovski，B.I.Advances in Liquid Crys-tal Research and Applications，Oxford/Budapest，1980，第469頁(yè)及其后已介紹了電場(chǎng)使前面所述類型的螺旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭曲的效應(yīng)。在該文獻(xiàn)中有時(shí)用“扭曲的螺旋鐵電結(jié)構(gòu)”的簡(jiǎn)寫DHF表示該效應(yīng)。這篇文章考慮了在1KHz的頻率下調(diào)制光束和使用小于6×10-3V/cm的電場(chǎng)的可能性。然而而，其后明顯發(fā)現(xiàn)，該效應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生可實(shí)用的電-光單元。
另一種已知的效應(yīng)是Lagerwall和Clarke的表面穩(wěn)定化的鐵電液晶(SSFLC)，其中以一種未扭曲的構(gòu)型使用鐵電液晶。在Mol.Cryst.Liq.Cryst.94(1983)，213～234和114(1984)，151～187中已介紹了這種效應(yīng)。
本發(fā)明的目的是提供一種DHF單元，它不僅具有DHF效應(yīng)的已知優(yōu)點(diǎn)，而且具有作為光柵或顯示單元的實(shí)際應(yīng)用所需的性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明，利用上述類型的DHF單元來(lái)達(dá)到發(fā)明目的，其中液晶層的厚度d與螺旋扭曲的螺距高度p的比值d/p大于5，近晶傾角θ0為22.5～50°，乘積d.θ02.Δn.1/λ大于0.1μm。Δn表示雙折射率，λ表示光的波長(zhǎng)。
下面將參考附圖介紹本發(fā)明的實(shí)施方案，其中

圖1是本發(fā)明最佳實(shí)施方案的液晶單元的透視示意圖。
圖2是儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)所加電壓作圖的曲線圖。
如圖1所示，本發(fā)明的液晶單元包括配置在兩塊平板2、3之間的液晶層1，這兩塊平板以相互基本成平行平面的關(guān)系排列，并且由一種透明材料如玻璃、丙烯酸玻璃、塑料薄膜等制成。在前平板2前配配置一個(gè)偏振片4，并且最好連接到該平板上，例如通過(guò)粘結(jié)。相應(yīng)地在后平板3上連接一個(gè)偏振片5。二塊平板相互間隔一定的距離d。
靠近液晶的平板表面具有常規(guī)的電極涂層，該涂層被分段以顯示文字成象點(diǎn)。參見(jiàn)圖1所示的單元部分，在平板2上只畫出了一個(gè)單電極段6，而在后平板3上畫出了一個(gè)相對(duì)的電極段7。
另外，對(duì)靠近液晶的平板表面進(jìn)行處理以便對(duì)鄰近的液晶分子施加定向效應(yīng)，由此確定指向矢(director)的方向。這種處理包括例如以一個(gè)方向研磨表面產(chǎn)生平面取向。其它一些可能的方法是定向?qū)拥男闭舭l(fā)涂敷等。為了本說(shuō)明書的目的，將這種處理的結(jié)果稱為表面取向。兩塊平板上的表面取向用箭頭來(lái)表示。后平板3上的表面取向平行于前平板上的表面取向。除平面表面取向外，等回歸線(nomeotropic)取向或兩者的組合也可以考慮。
與前平板相連的偏振片4配置成使其與表面取向的方向或螺旋軸成β角。與后平板相連的偏振片偏離前偏振片90°。偏振片的這種排列是一個(gè)最佳實(shí)施方案。可能有其它一些偏振片排列方式也能得到滿意效果。合適的偏振片排列方式易于利用簡(jiǎn)單的優(yōu)選來(lái)確定。
液晶1是一種在文獻(xiàn)中經(jīng)常稱為近晶C的手性近晶鐵電液晶。這種液晶可從文獻(xiàn)中了解到其特點(diǎn)是，它們的分子不是垂直而是以一個(gè)稱為近晶傾角θ0的特定角度相對(duì)于近晶平面排列。存在手性是因?yàn)樵谒懈鲗又蟹肿臃较虿皇腔ハ嗥叫械?，而是在層與層之間相對(duì)扭曲從而得到一個(gè)完整的螺旋扭曲。在平面表面取向的情況下，該螺旋扭曲的軸被定向?yàn)槠叫杏谄桨?。圖1表示每個(gè)近晶層有一個(gè)分子8并且說(shuō)明了這些分子沿螺旋軸9彼此相對(duì)的螺旋扭曲，這種扭曲在層與層之間連續(xù)。近晶傾角θ0是分子縱軸和螺旋軸9之間的夾角。如果不在液晶上施加電場(chǎng)，螺旋的螺距高度為p0。
如果對(duì)電極6和7施加電壓，在液晶中產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)并使分子重新定向。實(shí)際上，用符號(hào)表示的電源10輸出周期信號(hào)或觸發(fā)脈沖，在本發(fā)明液晶單元的情況下，周期信號(hào)或觸發(fā)脈沖可能極性相反，這將在下面詳細(xì)描述。在其正常狀態(tài)，即不施加電場(chǎng)時(shí)，該單元具有一定的透光率。施加電場(chǎng)扭曲了這些分子的螺旋排列，以致透光率發(fā)生變化。在這兩種狀態(tài)之間有一個(gè)光反差。首要的是，由電場(chǎng)產(chǎn)生的螺旋結(jié)構(gòu)的扭曲改變了螺距高度。
取決于光強(qiáng)和所加電壓之間的關(guān)系，可能有兩種不同形式的運(yùn)算，即線性操作和二次操作，前者光強(qiáng)與所加電壓成正比，后者光強(qiáng)與電壓的平方成正比。
當(dāng)穿過(guò)液晶結(jié)構(gòu)的光束碰到一個(gè)相應(yīng)于螺旋結(jié)構(gòu)的許多周期p0的孔隙a時(shí)，則產(chǎn)生上述效應(yīng)。電光輸出效應(yīng)以這種方式沿該螺旋方向傳輸。
與完全消除螺旋結(jié)構(gòu)的效應(yīng)如SSFLC效應(yīng)相比，有許多顯著的差別。
1.操作電壓取決于近晶傾角θ0、未扭曲狀態(tài)的極化率Pc和層厚與螺距高度之比d/p0，操作電壓通常低于消除螺旋所需的電壓Uu。操作電壓的范圍可通過(guò)增加d/p0比值加大近晶傾角θ0來(lái)增寬。
2.該效應(yīng)具有令人滿意的調(diào)制深度、高反差比和與所加電壓大致成正比的灰度。
3.該效應(yīng)允許由所加電壓的振幅來(lái)控制存儲(chǔ)或記憶效應(yīng)。該結(jié)構(gòu)回復(fù)到原始的未扭曲螺旋形狀所需的時(shí)間t0取決于液晶材料的粘度和彈性常數(shù)及該螺旋的螺距高度。存儲(chǔ)時(shí)間也受表面狀況的影響。對(duì)于較低的螺距高度值，存儲(chǔ)時(shí)間可以在很低的大約10～100毫秒的數(shù)值到較高的5～10秒的數(shù)值之間變化。
4.該效應(yīng)是基于指向矢取向的微小變化，不會(huì)改變顯示區(qū)中的向錯(cuò)(disinclination)壁。因此，在顯示操作中沒(méi)有滯后時(shí)間。
5.在平面構(gòu)型中，該效應(yīng)對(duì)壁取向不敏感?？梢韵裣蛄行鸵壕菢討?yīng)用常規(guī)的壁定向方法。
6.該效應(yīng)允許使用雙極信號(hào)和具有特征頻率f的諧波場(chǎng)。
7.借助合適的控制信號(hào)，可以通過(guò)液晶層中的該效應(yīng)產(chǎn)生光相位差以便促進(jìn)顏色轉(zhuǎn)變。
如前所述，參數(shù)d/p0比值大于5較好，大于10最好。近晶傾角較好為22.5°～50°，最好為25°～40°。而且，所謂相位因子
的值大于0.45，最好大于1。
在本實(shí)施例中，液晶由下列混合物組成26.1％(重量)5-辛基-2-〔對(duì)(辛氧基)苯基〕奏ぁ 7.1％(重量)5-辛基-2-〔對(duì)(壬氧基)苯基〕嘧啶、24.5％(重量)5-辛基-2-〔對(duì)(癸氧基)苯基〕嘧啶、32.3％(重量)手性添加劑
通常，可以使用具有下列通式的手性添加劑化合物
其中R1和R2彼此獨(dú)立地表示具有至少2個(gè)碳原子的烷基，C#表示手性碳原子。
式I化合物是新穎的，并且也是本發(fā)明的目的。它們?cè)谝壕Щ旌衔镏姓T導(dǎo)很強(qiáng)的自發(fā)極化，并且在化學(xué)上穩(wěn)定、無(wú)色并易溶于常規(guī)液晶材料，特別是鐵電近晶液晶。
術(shù)語(yǔ)“具有至少2個(gè)碳原子的烷基”包括直鏈和支鏈基團(tuán)，特別是具有至少2個(gè)碳原子的直鏈烷基及異烷基，例如乙基、丙基、異丙基、丁基、異丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基等。烷基R1、R2較好的是各有2～15個(gè)碳原子，最好是2～9個(gè)碳原子。R1和R2可以具有不同的或最好是相同的含義。
式II中手性中心的構(gòu)型最好是使手性基團(tuán)在同樣的意義上誘導(dǎo)自發(fā)極化。兩個(gè)手性碳原子最好是以S-構(gòu)型或R-構(gòu)型存在，尤其是在R1和R2具有相同含義時(shí)。
可以用已知的方式，通過(guò)常規(guī)的酯化方法，由4，4＂-對(duì)三聯(lián)苯二甲酸和2-鏈烷醇制備式II化合物。原料為已知化合物或已知化合物的類似物。
式II化合物特別適于作為液晶混合物的手性摻雜劑。因此本發(fā)明也涉及一種具有至少兩個(gè)組分的液晶混合物，其特征在于，至少一個(gè)組分是一種光學(xué)活性的式II化合物。該混合物最好含有一種具有傾斜近晶相的液晶材料和一種或多種光學(xué)活性的式II化合物。
式II化合物在本發(fā)明的混合物中的比例可以在很寬的限度內(nèi)變化，例如約0.5～30％(重量)。約1～10％(重量)的范圍一般是較好的，最好為約3～10％(重量)的范圍。
具有傾斜近晶相的液晶材料可由常規(guī)材料組成。最好是具有近晶C相的材料，例如具有近晶C相的苯基嘧啶、苯基吡啶、苯甲酸苯酯、苯甲酸聯(lián)苯酯和4-聯(lián)苯羧酸苯酯的衍生物。
在具有這種液晶混合物的單元中，螺距高度p0在25℃下為0.3～0.4μ，雙折射率Δn為0.25。近晶傾角θ0在室溫下約為29°。自發(fā)極化率pc在25℃下約為1×10-8C/cm2。旋轉(zhuǎn)粘度約為1泊。該單元中液晶層的厚度為3.6μm。完全消除該螺旋結(jié)構(gòu)所需的電壓Uu約為2V。該單元的響應(yīng)時(shí)間約為200微秒。整個(gè)施加電壓范圖0≤U≤Uu的響應(yīng)時(shí)間大致相同。
對(duì)于線性操作，較好的β角的值為β＝22.5°(π/8)或β＝67.5°(3π/8)；對(duì)于二次操作，較好的β角的值為β＝0°、β＝45°(π/4)或β＝90°(π/2)。
所得單元提供了大于100∶1的反差。下表列出了對(duì)一系列電壓振幅的強(qiáng)度值I。電壓為矩形脈沖波的形式。這些數(shù)值用于線性操作。
表U〔V〕 I〔％〕0 10.15 100.25 200.45 350.6 551.0 901.5 991.75 982.0 972.45 802.6 652.95 503.3 404.0 355.15 35最大強(qiáng)度值為100％。在0～2伏電壓范圍內(nèi)的第一個(gè)值表明可得到的灰度。在2伏以上，由于近晶傾角較高，反差降低。電壓大于4.0伏時(shí)，螺旋完全解旋。
下面將參考實(shí)施例描述一種式II化合物的制備。
實(shí)施例1將2g 4，4＂-對(duì)三聯(lián)苯二酰氯(可在80℃下于吡啶中通過(guò)4，4＂-對(duì)三聯(lián)苯二甲酸與亞硫酰氯反應(yīng)進(jìn)行制備)于200ml無(wú)水吡啶中的溶液與1.59g S-(+)-2-辛醇混合，在20℃下攪拌24小時(shí)。然后將反應(yīng)混合物倒在冰和稀鹽酸的混合物上。將結(jié)晶產(chǎn)物濾出，用水洗滌并在高真空中干燥。色譜純化并重結(jié)晶，得到純的4，4＂-二〔2(S)-辛氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯，熔點(diǎn)為81～82℃。
類似地可以制備下列化合物4，4＂-二〔2(S)-己氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯；4，4＂-二〔2(R)-己氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯；4，4＂-二〔2(S)-庚氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯；4，4＂-二〔2(R)-庚氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯；4，4＂-二〔2(R)-辛氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯；熔點(diǎn)81～82℃。
4，4＂-二〔2(S)-壬氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯；4，4＂-二〔2(R)-壬氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯；4，4＂-二〔2(S)-癸氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯；4，4＂-二〔2(R)-癸氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯。
利用5％(重量)4，4＂-二〔2(S)-辛氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯和95％(重量)4-辛氧基苯甲酸4-己氧基苯酯的混合物測(cè)定自發(fā)極化率Ps。該混合物在40℃下的Ps值為8.8nC/cm2。4，4＂-二〔2(S)-辛氧羰基〕對(duì)三聯(lián)苯在40℃的外推Ps值為176nC/cm2。
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示單元，它具有一種手性鐵電近晶液晶層，其螺旋結(jié)構(gòu)受電場(chǎng)作用影響以致其光學(xué)各向異性發(fā)生改變；一對(duì)透明的平板，所述液晶配置在其之間，這對(duì)平板具有定向液晶分子的表面結(jié)構(gòu)并裝有可在其中產(chǎn)生電場(chǎng)的電極；在液晶前后各有一偏振片，其特征在于，液晶層的厚度d與螺旋扭曲的螺距高度p的比值d/p大于5，近晶傾角θ0為22.5～50°，厚度d、傾角θ0的平方、雙折射率Δn和光波長(zhǎng)λ倒數(shù)的乘積d.θ02.Δn.1/λ(相位因子)大于0.45μm。
2 一種根據(jù)權(quán)利要求1的單元，其特征在于，d/p的比值大于10。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的單元，其特征在于，θ0＝29°。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1的單元，其特征在于，相位因子大于1。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1的單元，其特征在于，當(dāng)該單元以透射光的強(qiáng)度與所加電壓成正比的形式操作時(shí)，螺旋軸與輸入側(cè)偏振片的偏振方向之間的±角為22.5°或67.5°。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1的單元，其特征在于，當(dāng)該單元以透射光強(qiáng)度與所加電壓的平方成正比的形式操作時(shí)，螺旋軸與輸入側(cè)偏振片的偏振方向之間的±角為0°或45°或90°。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1的單元，其特征在于，平板的表面結(jié)構(gòu)具有平面定向液晶分子的效應(yīng)。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1的單元，其特征在于，兩偏振片是正交的。
9.一種根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的單元，其特征在于，液晶由下列混合物組成26.1％(重量)5-辛基-2-〔對(duì)(辛氧基)苯基〕嘧啶、17.1％(重量)5-辛基-2-〔對(duì)(壬氧基)苯基〕嘧啶、24.5％(重量)5-辛基-2-〔對(duì)(癸氧基)苯基〕嘧啶、32.3％(重量)手性添加劑
10.一種液晶混合物的手性添加劑，其特征在于它具有下式
其中R1和R2彼此獨(dú)立地表示具有至少2個(gè)碳原子的烷基，C*表示手性碳原子。
11.一種具有至少2個(gè)組分的液晶混合物，其特征在于，至少一個(gè)組分是具有權(quán)利要求10所限定通式的光學(xué)活性化合物。
12.具有權(quán)利要求10所限定通式的化合物用于電-光用途的應(yīng)用。
全文摘要
一種液晶顯示單元，它具有一種在兩塊透明平板之間的手性鐵電近晶液晶；用于產(chǎn)生電場(chǎng)的電極；在液晶前后各有一偏振片，液晶層的厚度d與螺距扭曲的螺距高度p的比值d/p大于5，近晶傾角θ
文檔編號(hào)G02F1/141GK1032182SQ8810674
公開日1989年4月5日 申請(qǐng)日期1988年9月17日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月18日
發(fā)明者列昂尼德·A·貝雷斯尼夫, 尼娜·I·凱諾瓦, 弗拉迪米爾·G·奇格連諾夫, 德米特奇·I·德加切夫, 亞歷山大·V·伊瓦殊肯科, 瑪林娜·V·洛塞瓦, 波利斯·I·奧斯特羅夫斯基, 阿諾德·Z·拉賓諾維奇, 埃夫根尼·P·波茲代夫, 馬丁·薩特, 維克托·蒂托夫 申請(qǐng)人:霍夫曼-拉羅奇有限公司, 尼奧匹克莫斯科研究及生產(chǎn)協(xié)會(huì)