CN1029040C - 具有层列相的封装液晶 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个内容是具有层列相的液晶材料被封装，另外的内容本发明提供了封装具有层列相液晶材料的方法及利用该封装液晶材料制造液晶装置的方法。

Description

本发明涉及液晶，尤其是具有层列相的封装液晶。此外，本发明还涉及应用该封装液晶的装置和该封装液晶及其装置的制造方法。

背景技术

液晶已被广泛地应用于各种装置中，包括光学器件，例如，可视显示。这些器件通常需要较低的功率并具有令人满意的响应时间，可提供适当的反差，并且比较便宜。使液晶能够应用到如可视显示中的特性，就在于一方面液晶可传输光线，另一方面液晶可散射和/或吸收光线，这取决于当电场施加到液晶材料两端时液晶结构的排列（或不规则的 排列）。在美国专利3322485中给出了对电场敏感的液晶材料及其应用的例子。

某些液晶材料是对温度敏感的，根据液晶材料的温度而改变其光学特性。

本发明将在下文中揭示关于液晶材料特别是既对电场敏感又对温度敏感的液晶材料的应用。

通常液晶具有三种类型，即胆甾型，向列型和层列型。在本申请的发明所描述的最佳实施例中涉及的是具有层列相的液晶材料的应用。本发明还可包括既有层列相又有向列相的液晶材料。

胆甾型、向列型和层列型液晶材料的不同特性在已有技术中已被描述了。已知的液晶材料的一个特征是它的可逆性，特别在此应指出向列型液晶材料是可逆的，但胆甾型液晶材料是不可逆的。可逆的向列型液晶材料的一个特点是如将电场施加在液晶材料上以后再消除，液晶材料将恢复它的原始结构。另一方面，层列型液晶材料在电场消除后将保持它的结构。

为了增加液晶材料的反差，也许还有其它的性能，多向色性染料可同液晶材料混和形成溶液。多向色性染料的分子通常与液晶材料的分子相结合。因此，该多向色性染料以类似于液晶材料的方式亦随变化参数如加电场或加热与否而具有光学的特性。在美国专利3499702和3551026中描述了在液晶材料中应用多向色性染料的例子。

液晶材料的一个重要特性是各向异性。各向异性材料在不同的方向具有不同的物理性质。例如，液晶在光学上是各向异性的，即它们的折射率随入射光的传播方向和偏振方向而变化。

液晶材料还具有电学上的各向异性，例如，对于层列型液晶材料来说，当液晶结构中的分子平行于电场时其介电常数是一个值，而当液晶结构中的分子垂直于电场时其介电常数可能变为另一个值。由于该介电值是排列方式的函数，则将其作为“介电系数”可能要比通常的“介电常数”更恰当些。其它型式的液晶材料亦具有相似的特性。

胆甾型液晶封装的一些简要论述记述在美国专利3720623、3341466和2800457中，其中后两篇专利在第一篇专利中被引用。

以前，应用液晶的装置，如可视显示或其它装置，都具有较小的尺寸。应用液晶的大尺寸的装置，例如广告牌的显示或标志，由于一些原因一直没有被令人满意地制造出来。一个原因是液晶的流动性，（液晶材料可以流动以造成具有不同厚度的显示区域）。所以，显示装置的光学特性可能不够均匀，在不同的显示部分具有变化的反差特性，等等。厚度的变化同样也引起了液晶装置的光学特性方面的变化或产生层次。此外，液晶层厚度的变化，将引起液晶电学性质的相应变化，如容抗和阻抗的变化，进一步降低了大尺寸液晶装置的均匀度。液晶层电学性质的变化还可引起加在液晶材料两端的有效电场的相应变化和/或在一个恒定电场下液晶层电学性质的变化将在不同厚度的液晶区域上做出不同的响应。

多向色性显示，即一种在其中将多向色性染料和液晶材料溶解在一起，具有不需要应用偏振器的优点。但是，该多向色性的装置在只应用向列型液晶材料时存在反差相对较低的缺点。虽然，在以前还发现，将胆甾型液晶材料同染料一起添加到向列型液晶材料中可改善反差特性。参见怀特等人的文章：《应用物理学杂志》，第45卷，NO.11，1974年11月，第4718-4723页。但胆甾型材料在电场消失时将不会恢复到它原始的无电场的形式。

在液晶材料的溶液中包含多向色性染料还会遇到另一个问题，那就是不论液晶材料是何种特殊型式，在“有场”条件下染料对光的吸收作用不是零。更确切地说在“有场”条件下这种吸收作用可归结为一个所谓的有序参数，它联系着一个染料之间相对排列的函数，或者就是这个函数。液晶材料的光传输特性是液晶材料厚度的指数函数。特别是，液晶材料的“导通”状态或称为“有场”或“激发”状态是液晶材料的厚度的指数函数，并且“吸收”状态或称为“无”状态也是一个关于厚度的不同的指数函数。

为了解决上面两段中所描述的问题，液晶材料应当具有一个最佳的均匀厚度。（根据上下文关系，在这里所应用的术语“液晶”材料系指液晶材料本身和与其溶解在一起的多向色性染料）。此外还应具有最佳的电极间隙，由电极来对液晶材料施加电场或加热。为了保持最佳厚度和间隙，就必须保持高精度。为了保持高精度，对于应用液晶的装置的尺寸就存在一个限制。因为在大的表面等区域上保持高精度是相当困难的。

发明的概要

简而言之，按照本发明一方面是具有层列相的 液晶材料被封装起来，另一方面是封装液晶材料被应用于液晶装置，如可视显示装置和光屏。按照本发明进一步的内容，还提供了封装液晶材料的方法以及应用该封装液晶制造液晶装置的方法。

按照本发明既具有层列相又有向列相的液晶也可被封装。液晶材料的转变温度决定了它是处于层列相还是处于向列相。处于向列相时，液晶是向列型工作的，正如下文和美国专利4435047中所描述的，该专利在1984年3月6日颁发，署名为弗格森，题目是“封装液晶及其制造方法”，在此将其作为参考资料。

所谓“向列型工作”是指在无外场时，液晶的结构畸变是由在其边界上液晶的取向控制的而不是由体效应，例如很强的扭曲（在胆甾型材料中）或形成层状（在层列型材料中）来控制。所以，那些虽有引起扭曲的趋势但不能克服边界排列效应的手征性组份仍被认为是向列型工作的。这些向列型工作的液晶材料可包含多向色性染料、手征性化合物或其它的合成组份。

在这里液晶盒通常被用作容器或介质来限制液晶材料的数量，“封装介质”或“材料”是指构成该液晶盒的介质或材料。所谓“封装液晶”或“封装液晶材料”是指一定数量的液晶材料被限制或被包含在封装介质内部单个的容体中，例如包含在由固体介质构成的单个液晶盒中或在干燥固化的乳胶中。但是，单个的容体也可以互相连接起来，比如采用一个或多个通道。液晶既可选择分立的容体，也可采用互相连接的通道。这样，在各个液晶盒的内部容体中可以通过一个或多个通道实现流体的连接。

按照本发明的液晶盒一般具有近似球形的结构（虽然这不是发明本身所必需的），它的直径约为0.3到100微米，可选为0.1到30微米，尤其是可为3到15微米，例如5到15微米。按照本发明所揭示的内容，封装及其类似的术语不仅是指那些通常被称为液晶盒的物体的结构，而且也指固化乳胶的结构或在添加剂（封装介质）中悬浮的液晶材料，它在均匀环绕的介质中产生了稳定的、具有近似均匀尺寸的粒子的结构。封装技术，根据液晶盒的尺寸一般叫做微囊法，在现有技术中是公知的（参见《微囊工艺和技术》，作者是Asaji    Kondo，由Marcel    Dekker，Inc.出版），对于熟悉本领域的技术人员可以根据本文揭示的内容确定对于液晶材料所适用的封装添加剂及方法。

一个液晶装置是由液晶材料所构成的。在本发明中该装置是由具有层列相的、具有典型的液晶材料功能的封装液晶材料所构成的，例如，该液晶装置可以是一个可视显示装置或者一个光屏，它们根据有无电场和是否加热来改变对于光辐射的一个选定的衰减度，这些光辐射可包含从远红外线直到紫外线的波长范围。

制造封装液晶的一个方法包括，把具有层列相的液晶材料与在其中液晶材料将不溶解的封装介质混和在一起，形成含有液晶材料的单个的液晶盒的结构。

制造含有该封装液晶材料的液晶装置的方法包括，将这些封装液晶材料加到一个基板上，另外，该方法还具有对液晶材料施加一个电场或进行加热以改变其特性的手段。

按照本发明的另一个特征，溶有多向色性染料的具有层列相的液晶材料被放在大致为球形的液晶盒之中。在无电场时，液晶盒的壁使液晶结构产生畸变，则液晶和染料将会吸收光线，不论光线的偏振方向如何。当施加一个适当的电场使其穿过该液晶盒时，例如穿过它的轴线，液晶材料将会平行于所加电场而排列，从而导致了该液晶材料的吸收特性将减小到假定液晶材料是平面构形时的数值。为了保证所加的适当的电场穿过液晶盒中的液晶材料，而不是只穿过或通过封装介质，而且，实际上要使最小的电压降落在各个液晶盒的壁上，则一方面封装介质的介电常数最好不小于液晶材料的较低介电常数，另一方面，封装介质应具有较高的阻抗。理想情况下，封装介质的介电常数应接近于液晶的较高介电常数。

应用封装液晶的液晶装置的反差，可以通过选择一种其折射率与液晶材料的O光折射率（即在与晶体光轴平行方向上的折射率）相匹配的封装介质来改善。参见Born和Wolf的《光学》或Hartshorne和Stewart的《晶体和偏振显微镜》。封装介质不仅可以封装液晶材料，而且还可将液晶盒粘在起支持作用的基板上。此外，也可应用另一种粘接介质使得液晶盒固定在基板上。在后一种情况下，最好所添加的粘接介质具有与封装介质折射率相匹配的折射率，以保持上述改善了的反差特性。因为一种材料的折射率通常与材料的应变有 关，而且在封装介质中也可能引起应变，因此在匹配液晶封装介质、或许还有粘接介质的折射率时有必要考虑这种效应。进一步来说，如果要避免色散的话，就需要在可能波长的一定范围内匹配折射率，而不是在某一波长上。

本发明的一个特征是在施加电场之前具有层列相的液晶材料的分子将排列在垂直于球形液晶盒或具有其它曲面表面的液晶盒的曲面方向上。因此液晶结构将受力或被畸变以形成一个特殊的形状，一般是焦锥型的，从而给定的含有液晶材料的液晶盒所具有的光学特性就是，在施加电场之前，不论入射光的偏振方向如何，所有实际上由它传输的光线都将受到作用，如散射作用（当不存在多向色性染料时）或吸收作用（当存在多向色性染料时）。即使没有染料，这种效应也能引起散射从而使其不透光。

本发明的另一个特征是层列相液晶材料的分子的排列方向平行于所施加的电场并且在消除电场后仍可保持这种排列。以这种方式排列时，液时材料减少了在其它排列方式时所出现的对光线的散射或吸收。若随后在液晶材料上加以足够的热时，一般会引起液晶材料的畸变排列，在此排列方式下光线被散射或被吸收。出现这种情况的温度可能是从层列相到向列相的转变温度或是层列相到各向异性的转变温度。这个概念可以称作热清除。

本发明的另一个特征依赖于热激发显示的概念。这种显示应用了一种既有层列相又有向列相的封装液晶材料。液晶受热时处于向列相，在它的上面施加一个电场就实现了可视显示，降低液晶的温度它就处于层列相，若将电场消除则显示仍保留。可以采用加热液晶使之重新处于向列相的方法来清除显示。

还有另一个特征是通过控制液晶盒的内径来实现对包含在液晶盒内的液晶材料有效厚度的控制。该内径的控制可受到在应用各种已有的或新的技术来制造封装液晶时的尺寸分选处理的影响，同时还可受到对混和工艺、组份的数量和/或在混和过程中组份具有的性质所进行的控制的影响。通过控制这些厚度的参数达到较高的精度，则在应用封装液晶来制造液晶装置时实际所要求的精度就不象在以前对非封装的装置所要求的那么关键。

此外，本发明进一步的特征是高质量的液晶装置在尺寸上是没有限制的，它可依照本发明采用封装液晶制成。特别是，由于将液晶材料的量分别限制在所述的那些液晶盒中，则在以前所遇到的阻碍液晶材料应用于大尺寸装置中的各种问题都被克服，因为每个单独的液晶盒实际上仍以独立的液晶器件工作。此外，每个液晶盒最好应具有使它能够被安装在任何的实际环境中的物理性能，包括能将多个这样的液晶盒安装到一个基板或类似的支撑物上，以使其随着某种激发源如电场或热源的施加和消除而进行工作。这个特性也使得液晶材料可仅安装在光学装置的某一选定的区域上，例如，在大尺寸显示（如广告牌）或光屏等光学装置中。

有关本发明的重要内容是，第一，封装介质的电学特性按一定的方式与被封装的液晶材料的电学特性相匹配，另外最好在光学上也与该液晶材料的光学特性相匹配，这样可以使液晶材料随一个外部激发源的激发或非激发而具有有效的和高质量的性能。第二，封装介质与液晶材料的相互作用以一定的方式使液晶材料产生畸变从而改变了液晶材料的工作模式。

本发明的一个目的是使具有层列相的液晶材料能够应用，其中材料被封装并且保持较高的工作性能、被控制的均匀输出和令人满意的反差。

另一个目的是限制具有层列相的液晶材料，在其中产生通常地畸变排列以散射或吸收光线，并随着一个给定的输入信号而减少了对光线的散射或吸收，在给定的输入信号消失之后仍保持散射或吸收的减少，因此提供了一个具有记忆功能的显示装置。

还有另一个目的是使显示能够被消除或采用加热来增加液晶的温度从而使其不处于层列相。

本发明的上述和其它的目的和优点将在下面的描述中变得更加明显。

附图的简要描述

图1是现有技术的液晶装置的示意图。

图2是按照本发明的液晶装置的示意图。

图3是按照本发明的液晶显示装置的立体图。

图4是图3所示的液晶显示装置局部放大的部分剖面图。

图5是按照本发明在无场条件下液晶盒的放大的示意图。

图6与图5相似是在有场条件下的示意图。

图7是在液晶盒上施加电场时的连接电路示意图。

图8a和图8b是按照本发明分别在电场消除条件下和加热条件下液晶盒的放大示意图。

已有技术的液晶装置的概述

现在详细参照附图，图中标出的相同部分具有相同的数字符号。首先看图1，数字1表示已有技术的液晶装置，装置1包括液晶材料2，它插在电极3之间，电极可用氧化铟锡制成，它安在用于支撑的相对的固定或限位基板4上，基板可用玻璃、塑料板或类似的材料。板4可为透明的并可作为电极3，从而装置1是一个光传输控制器件。由此在电极3不施加一个穿过液晶材料2的电场时入射光可被吸收和/或被散射，在施加一个穿过液晶材料的电场时，光线可通过液晶材料2传输。电引线5和开关6可将电极3的两端接到电源7上用来提供电场。电源7既可是交流电源也可是直流电源。

在装置1中的液晶材料2为了保持在所需的局部位置而由基板4作一些限制，比如说，整体地作为数字显示装置的一部分。另一方面，液晶材料2必有足够的运动自由度，则可以假定它在无电场作用时是无规取向或是无规分布，而在通过电极3加上一个电场时，它是一种特定的分布或是定向排列。如果需要的话，基板4之一可为反光性的，以将通过液晶材料2接收的入射光反射回液晶材料中，再通过另一个基板4传出加以利用。液晶装置1的各种主要工作原理和特性以及缺点已在上面作了概述，并且在已有技术文献中也有描述。

液晶材料2实际上可为任何型式，只要它对所加于其上的电场能作出响应以使装置1具有所需要的工作特性。如果需要的话，液晶材料2还可含有与其溶解在一起的多向色性染料。

最佳实施例的描述

现在参照图2，数字10表示一种按照本发明的改进的液晶装置。装置10含有一个具有层列相的封装液晶11，封装液晶由固定基板12支撑，并由电极13、14产生一个穿过封装液晶的电场。

电极13可采用在基板12上进行真空淀积氧化铟锡而成，电极14可采用导电涂料。一个防护层或涂层15可涂在电极14上起保护作用，但对于支撑和限制封装液晶11或电极14，防护层15一般不是必需的。电压可由交流或直流电源16加到电极13、14上。一个可闭合开关17和电引线18、19用来在开关17闭合时，产生一个穿过封装液晶的电场。另一个可闭合开关60和电引线62、64用来提供一个电阻性热源以对液晶材料加热增温，其作用将在后面叙述。开关60可闭合以产生一个适当的电流流过电极13，从而加热液晶材料使其达到所要求的温度。其它技术，如一个热喷枪也可用来加热液晶材料。

固定基板12和电极13、14以及保护涂层15可为透光的，则液晶装置10可根据是否存在由电极13、14所加的穿过液晶材料11的电场来控制光线的传输。另外，固定基板12可为反光的或在其上有一个反光涂层，则保护涂层15所收到的由反光涂层所反射的入射光线将与是否存在穿过液晶材料11的电场有关。

可将许多封装液晶11安在固定基板12上，可采用将封装液晶粘在固定基板12或一个中间材料如电极13上的方式，由固定基板12支撑封装液晶11并使其相对之间保持在一个固定的位置上。最好形成液晶盒22的封装介质也适用于将液晶盒22接合在或粘在基板12上。此外，还可用另外的接合介质（未示出）将封装液晶11粘在基板12上。因为液晶盒22被粘在基板12上，并且每个液晶盒22都对液晶材料20有一个所需的限制作用，则另一个固定基板，如图1所示的已有技术的液晶装置中的附加基板，一般来说不是必要的。然而，为了防止电极14被损伤、电化学腐蚀如氧化之类的事情，可在液晶装置10的相对于固定的基板12的边缘或表面上涂覆防护层15，基板12在装置10的一边上也提供了所需的保护。如上所述，由于封装液晶11是相当牢固地粘在基板12上，而且一般不需要附加的基板，则电极14可直接加在封装液晶21上。

现在参照图3，依照本发明的液晶装置的一个应用例是一种液晶显示装置。在其基板12上呈现一个矩形符号“8”30，在此情况下基板可为一种塑料材料如聚酯薄膜，也可是另外的材料如玻璃等。图3中组成矩形符号“8”的阴影部分由许多封装液晶11被排列成一层或多层粘在基板12上而构成。

图4是符号“8”30的一部分32和基板12的局部放大的部分剖图面。如图4所示，在厚约10mil 的基板12的表面31上涂有一层厚为200

的电极层33，它可用氧化铟锡或其它适当的电极材料如金、铝、氧化锡、氧化锡锑等制成。许多封装液晶11的一个或多个薄层34直接和电极层33粘合。若采用构成单个液晶盒22的封装介质来实现粘接则更好，当然，如果需要，如前所述的附加粘接材料也可完成这样的粘接任务。薄层34的厚度可为0.3-10mil，较好的是0.7-4mil，更好的是取0.8-1.2mil，特别是可为1mil。其它厚度尺寸也可被采用，这特别将取决于制造薄膜的能力和薄膜的电击穿性能。另一个电极层35覆盖在薄层34上，既可直接涂在构成液晶盒22的材料上，也可涂在附加的用于将每个封装液晶11与其它封装液晶及基板12之间接合起来的接合材料上。电极层35的厚度约为1mil，它可为导电印剂或为上述薄层33的材料。一个与前述的图3中的涂层15起同样保护作用的防护涂层36在图4中亦被标出。

在通用的显示装置中，不论是采用液晶的，还是采用发光二极管的，符号“8”一般分为7个电绝缘段，可以有选择地激发其中一些电绝缘段，则可产生各种数字的形状，例如，激发段30a和30b将显示数字“1”，激发段30a、30b和30c将显示数字“7”。

本发明利用封装液晶11的一个特征是可以制成一个可显示任何所需图形的多用途的基板12，它仅与印在液晶材料上的导电印剂电极的可选择的段有关。在此情况下，基板12的整个表层31可涂上电极材料33，电极材料的整个表面可直接涂上封装液晶11的薄层34。然后，由导电印剂构成的电极段按给定的形状印在薄层34上所需要的位置上。一个电引线可将表层31接到电源上，一些相应的电引线将相应的导电印剂段通过相应的控制开关连接到电源上。此外，封装液晶11和/或电极材料33可被置于表层31上所需要的显示段的位置。能够用基本通用的方法（如丝网印刷或其它印刷法）将封装液晶置于如显示段这些所需要的区域或一组区域上，这一点是特别吸引人的。与已有技术相比，已有技术存在着要在平板之间容纳液晶的问题。

虽然，下面将详细描述单个封装液晶11的工作情况，在这里仍要指出薄层34上的封装液晶对入射光具有衰减或不衰减的作用。在液晶材料之中可溶有多向色性染料，在施加电场之前通过吸收光线来达到实际的衰减作用，但在施加电场之后实际上成为透明的。该电场可通过将液晶装置10中的位于单独的段如段30a上的电极层部分33、35连接电源上来实现。从无场条件（不激发）下到有场条件（激发）时使得封装液晶11具有开关作用的电场值与几个参数有关，其中如单个液晶盒的直径和薄层34的厚度，而它又取决于单个液晶盒22的直径及在薄层34厚度方向上液晶盒的数目。重要的是，应注意到由于液晶材料20限制在各自的液晶盒22中，而且单个封装液晶11被固定的基板12上，则液晶装置10或任何依照本发明使用封装液晶的装置的尺寸实际上是没有限制的。当然，在根据有场或无场条件来改变装置中封装液晶的光学性能的那些区域上，用电极或其它手段对其施加一个适当的电场是必要的。

电极层33可通过蒸发、真空淀积，阴极真空喷镀、印刷或其它一般的技术措施加在基板12上。此后，封装液晶11的薄层34可通过网膜或照相凹版滚筒或反版滚筒印刷技术加于其上。电极层35可采用各种印刷、型板喷刷或其它技术制成。如果需要的话，电极层33可涂制在整个基板12如聚酯薄膜上，如上所述，制造工艺中的一个环节是制备聚脂薄膜板材，另一环节是可将薄层34涂覆在其上。

电极33可通过可闭合开关60连到电源上，开关60与用以激发导电段的相应的控制开关分开。当开关60以脉冲方式闭合时，电极33作为一个电阻性的加热元件对液晶材料加热以增加它的温度。

如果液晶材料既有层列相又有向列相，可通过闭合开关60而进行加热，以使液晶温度超过使其由层列相变为向列相的转变温度。随后一个电场（跨于电极33、35之间）加在液晶材料上，此时液晶处于向列相，则液晶材料实际上是透明的，从而实际可视显示，如数字“1”，（见图6）。然后，打开开关60，液晶材料的温度就会下降，使液晶材料处于层列相。这时电场可被消除，而显示仍将保留（见图8a），如数字“1”。因为处于层列相的液晶的分子是不能自由改变方向的，而且处于此相时液晶是较为粘滞的。上述概念可称作热激发显示。

为了清除显示，开关60可再次以脉冲方式闭合，从而加热液晶到转变温度，使液晶处于向列相。正象所讨论的那样，在向列相状态下，当电场不存在时（见图8b）入射光被吸收或散射，因此显示被有效地消除了。也可通过加热液晶使其处于各向同性来清除显示，在此状态下，入射光亦被吸收或散射。

在本发明中，仅具有层列相的液晶材料也可被应用。层列相可分为层列A相和层列C相，层列C相工作电压较层列A相为低，而且层列C相可具有手征性，可施加一个电场穿过处于层列相的液晶，从而消除了原来存在的对光线的散射或吸收（见图6）。通过施加电场，产生了显示，如数字“1”。当电场被消除后，显示仍会保留（见图8a）。随后可通过加热液晶，使其温度高于由层列相到各向同性的转变温度，则显示消失。另外，加热液晶使其温度高于由层列相到向列相的转变温度，显示也会消失。这种显示原理可称为热消除，它不同于热激发显示，后者是通过施加电场在液晶处于层列相时达到显示效果。

在适当电压下工作的层列相封装液晶系统能用来制成一个新型的显示装置。这一原理是基于层列相液晶在电场的作用下具有上述的可无限期地贮存显示内容的能力。因此，显示装置可采用元件阵列制成，它具有交叉网格的形式。通过同时提高要被记录的行和列上的电压，就在交叉网格上形成一个永久的图形。不被记录的行上可被加上一个与在列上所加的相近的电压。反极性的同样电压被加在将被记录的行上，使得在其行列交叉点上出现的电压是不被记录的行上所加电压的两倍。

如果以一个足够慢的速度逐次进行这个过程，则在行列交叉点上的有效电压不会增加，这样，图形可保持在一定位置上，直到显示被加热（用于清除）到层列相液晶的相变温度。

热清除和热激发显示器特别适用于那些变更或修改显示内容的时间间隔较长的显示装置中。这些显示器也可用做温度指示标志以指出何时温度超过某一给定值。例如，某种化学品必须贮存在一定温度之下，可将一个显示器放入装有化学品的容器内，它读出“OK”，当温度升到一个危险值以上时，“OK”消失。

之所以能成功地制造和使用上述类型的热清除和热激发液晶装置，部分上是由于能够制造封装液晶以及该封装液晶的性质，这些都是本发明的特征，现将描述这些特征。

特别参照图5，液晶盒22一般具有平滑的曲面内壁50，它决定了容体21的边界，内壁50和整个液晶盒22的线度参数与容纳在内的液晶材料的数量有关。此外，液晶盒22对液晶施加一个压力或至少在容体21内保持一个基本不变的压强，其结果是，由于液晶表面的湿润性质，一般处于自由状态的液晶结构将趋于有规化，一般被变形为焦锥形状，虽然也许是随机分布的。由于这样的形变，液晶材料贮存了弹性能量。为了简单的说明和充分地领悟上述内容，取向由相应的虚线52所示的液晶分子被表示成具有从液晶盒中心部分形成放射状的体排列，它在与内壁50的相交处与其垂直。

因此，在单个液晶盒中的液晶分子的原始状态，除非受如电场等外力作用，取决于液晶盒内分子的体排列。在此需要指出的是，若电场消失，如图6所示的层列相液晶的定向取向将保留（见图8a）。对液晶加热到超过其相变温度，则它将恢复如图5所示的畸变排列（见图8b）。

液晶分子具有层列相。这样的分子通常呈现平行构形，含有这些分子的液晶通常对光线的偏振方向是敏感的。但是，由于封装液晶11内的结构52在液晶盒22的整个三维空间内是畸变的或受力而呈现如图5或图8b所示的焦锥形状，则液晶盒内的液晶材料具有改善的光学特性，即对入射光的偏振方向不敏感。进而，当液晶盒22中溶有多向色性染料时，既使这样的染料一般也对光的偏振敏感，但由于染料趋于具有同液晶结构同样的取向或畸变，则它就不再对光的偏振敏感了。

由于液晶结构如图5或图8b的方式产生畸变，在施加一个穿过封装液晶11，确切地说是穿过液晶材料20的电场之前，一般封装液晶11可吸收或阻挡通过它传输的光线。

虽然前面的讨论中用到了液晶材料的均匀取向的提法，但这不是本发明所必需的。所需的仅在于，液晶盒和液晶的相互作用在液晶材料中产生一个取向，它一般是均匀的并且分段连续，使得液晶盒内液晶材料的空间平均取向一般为焦锥形状的，而且在无电场时，液晶基本上不是平行的取向。正 是这种取向造成了对光的吸收或散射及对偏振的不敏感性。

然而，当一个电场如图6所示的方式穿过封装液晶11时，液晶和任何溶于其中的多向色性染料将根据电场按图示的方式排列，这种排列可使光线透过封装液晶11，如图2、3、4所描述的。

当电场被消除时，如图6所示的液晶的排列仍保留。如图8b所示，对液晶加热可使液晶恢复到图5所示的畸变排列形式。

为了优化包含封装液晶11的液晶装置如图3中所示的10′的反差特性，特别是，为了避免由于入射光从封装介质射到液晶材料时和反之所产生的折射引起的图6中封装液晶11的光学畸变，封装介质的折射率与液晶材料的0光折射率应匹配使其尽可能相同。折射率匹配的程度依赖于装置所需要的反差和透明度，晶体的0光折射率与介质的折射率相差可不大于0.03，较好的是不大于0.01，最好为0.001。允许的差值决定于液晶盒的大小和装置的用途。在Sears著，Addison-Wesley出版的教课书《光学》中，有关于前述的二次光折射的详尽讨论，此书的相关部分在此作为参考。

可是，在没有电场时，液晶边界和液晶盒壁的折射率会有一个差别，这是由于液晶的e光折射率大于封装介质的折射率。这在接触面或边界上引起光折射，进而引起散射，这也是本发明的封装液晶材料即使不用多向色性染料也有阻挡光线传输作用的原因。

封装液晶11一般放在基板12上（图3），单个封装液晶11是相对随机地定位的，许多液晶盒的厚度可保证在基板表层31上有足够数量的液晶材料以提供如液晶装置10′或类似装置所要求的阻光性和/或光传输特性。

在液晶装置中，如图3所示的10′，它由含有多向色性染料的液晶材料20按照本发明形成封装液晶构成。可发现其光线吸收率至少同图1所示的含有多向色性染料的相对自由（无封装）的液晶材料相同。同时可意外地发现当用图6所示的方式施加电场时，含有多向色性染料的封装液晶20的透明度至少同已有技术中包含溶有染料的相对自由的液晶材料的装置1一样。

重要的是，如图6所示的电场E的绝大部分加在液晶盒22内的液晶材料20上，而不是实际损耗在形成液晶盒的封装材料上。换句话说，在形成液晶盒22的壁54的材料上不产生电压降，而电压降主要产生在液晶盒22容体21中的液晶材料20上。

封装介质的电抗最好比封装液晶11内的液晶材料的电抗大很多，使得不会通过壁54产生短路，即从A点仅经过壁到达B点，绕过液晶材料。因此，使感应或传导电流从A点仅沿壁54流到B点的有效阻抗应大于沿着从A点到内壁表面50上A′点再经过液晶材料20到仍在容体21内的B′点最终到B点途径的阻抗。这个条件确保在A点和B点之间有一电位差，它应大到足以产生一个穿过液晶材料的并能使其排列的电场。应该知道，由于几何上的考虑，即考虑到从A点仅通过壁面到B点的长度，即使壁面材料的有效阻抗可能低于含于其中的液晶材料的阻抗，上面的条件仍可被满足。

构成封装介质并使液晶材料含于其中的材料的介电常数（介电系数）及液晶盒壁54的有效电容特别是在径向的有效电容，以及电场E穿过其间的液晶材料的有效电容，彼此之间应相互关联以使液晶盒22的边壁54不使所加电场E的数值有所减少。

图7表示施加图6所示的电场E所用的电路示意图。电场是当开关17闭合时由电源16产生。一个电容器70表示在如图6所示方式施加电场时，封装液晶11由液晶材料20的电容。电容器71表示液晶盒22的壁54上半部区域的电容（方向参照附图而定但没有特殊含义），并与图5、图6中液晶盒22的上半部相类似是弯曲的。同样，电容器72表示在电场E中的液晶盒下半部的电容。每个电容器70-72的电容是形成每个电容器的材料的介电常数（介电系数）和有效电容器板的间距的函数。产生在每个电容器71、72上的电压降将小于产生在电容器70两端上的电压降，其结果是，所加电场E的最大部分穿过封装液晶11内的液晶材料20，从而取得液晶的最优工作，如其分子排列，且对电源16的能量要求达到最小。但是降在一个或两个电容器71、72上的电压降可能超过电容器70上的电压降，但只要降在电容器70（液晶材料）上的电压降大到足以产生一个电场以使液晶材料能达到和/或趋近如图6所示的有 场条件，它就可令人满意地工作。

关于电容器71，电介质材料是构成液晶盒22的上半部的壁54的材料。电容器71的有效电容板有外表面和内表面73、51，如图6的液晶盒22的下半部的电容器72也同样如此。由于要求壁54尽可能地薄，还要提供一个适当的强度以能在容体21内容纳液晶材料20，电容器71、72的值可被扩大，特别是与液晶材料20上半部74和下半部75近似地或等效地所构成的电容器70的电容器板之间的厚度或距离相比较而言。

液晶材料20具有各向异性的介电常数。最好是壁54的介电常数（介电系数）不小于各向异性的液晶材料20的较低介电常数（介电系数），这有助于满足上面的条件。由于典型的液晶材料的较低介电常数约为6，则表明封装材料的介电常数起码取6。这一数值根据所使用的液晶材料可在宽的范围内改变，如对于常用的液晶材料最低约为3.5，最高约为8。

封装液晶11有这样的特点，由于液晶结构被变形而且多向色性染料被同样地变形，则对通过封装液晶传输的光的吸收和阻挡是非常有效的。另一方面，由于有效地施加一个穿过在封装液晶11内的液晶材料20的电场以排列液晶材料的分子及沿着它的染料，并由于前述的折射率匹配，如封装介质和液晶材料之间的匹配，则在电场建立时，在液晶盒壁54和液晶材料20之间的接触面上，入射光将不被折射，从而封装液晶11具有一个好的光传输特性。

由于最终的液晶装置一般需由多个封装液晶11组成，如图3中的装置10′，并且由于这些封装液晶通常存在于几个薄层中，为了减小建立电场E所需的电压，液晶材料应具有较高的电介质各向异性。特别是，当没有电场时，液晶材料20的介电常数应很小，当有电场时，其介电常数应很大，这两种情况下液晶材料20的介电常数的差别应尽可能大以与封装介质协调。

液晶盒22可具有各种尺寸，液晶盒的尺寸越小，为使在液晶盒内的液晶分子产生排列而对电场的要求就越高，也就是说，当液晶盒的尺寸相当小时，薄层34单位而积上的液晶盒就越多，于是和大尺寸的液晶盒相比，封装介质中的电压降损耗也就越大，其单位面积上的场强就会变小。最好，用封装液晶11制做的装置，如液晶装置10′，应采用均匀尺寸的液晶盒，使装置10′能以均等的和较好的受控方式被激发或消去激发。相反，当液晶盒的尺寸不均匀时，在施加电场时就会使每个液晶盒受到不均等的激发，即其中液晶分子的排列不均等。一般情况下，液晶盒22的直径约为1到30微米之间。

正如前面提到的，液晶盒尺寸越大，液晶分子产生排列所需电场越小。但是，这个球体越大，响应时间越长。根据本发明所揭示的内容，本领域的普通专业人员可不困难地根据给定电场确定一个适当的或最佳的液晶盒的尺寸。

现有的适当的液晶材料是由BDH Chemical，Pool，England出售的层列A相材料S₂，另一种适当的液晶材料可通过按括号中所示的比例混和E.Merck Chemicals，Darmstadlt，West Cermany提供的下列液晶而成：K24（18.7%），K30（27%），K36（40.8%），ZLI1840（6.5%）和CB15（7%）。

构成液晶盒22的封装介质应为那类完全不受液晶材料影响及不与其起反作用或其他化学反应的材料。特别是，液晶材料应不溶于封装介质中，反之亦然。上述的有关介电常数和折射率与液晶材料和封装介质相关联的其它特点也限制了材料的选择。并且，当使用多向色性染料时，封装介质也应不受染料材料的影响或反过来影响它。另一方面，染料应溶于液晶材料中并且不易被封装介质吸收。另外，为使封装介质达到所需要的高阻抗，介质要具有相当高的纯度。特别是当封装介质是由水状分散法或离子聚合法制备时，离子的不纯度要尽可能地低，这一点是重要的。

根据本发明的封装液晶11中可适用的多向色性染料如靛酚蓝、Sudan黑B、Sudan3、Sudan2和D-37、D-43、D85，它们由上述E.Merck公司出品。

聚乙稀醇（PVA）被发现具有上述所需要的性能，在用浮化法进行封装时，可用它来做封装介质。PVA有好的、相当高的介电常数，它的折射率相当接近地与所选的液晶材料的折射率相匹配。

为了纯化PVA，可将其溶于水中，利用沉淀技术用乙醇将杂质洗去。也可采用其它技术来纯化PVA使其含有最少的盐份或其它明显降低其电抗 的成分。一种可供选择的纯化的PVA是Monsanto出品的Gelvatol。如前所述，如果PVA被适当地纯化，它很适合做其本身的浮化剂和湿润剂，从而可按下面将叙述的方法制造封装液晶。其它类型的封装介质可如明胶;Carbopole（B.F.Goodrich    Chemical    Corp.生产的一种羧基聚乙稀聚合物）;Gantrez（聚甲基乙稀醚/苹果酸酐）由GAF公司生产，可用水来获取，后两个是聚合电解质。这些介质可单独使用或与其它聚合物如PVA组合。

几种PVA材料的其它例子和特性如表1所示。

一种制造封装液晶11的乳化方法，可包括将封装介质、液晶材料（如果使用的话，还包括多向色性染料）和一种载体介质（例如水）混和起来。混和可以在各种混和装置中进行，如混和器，最常被选用的胶体磨或类似的装置。在上述混和过程中，各种组份形成了一种乳胶，它可被干燥以除去载体介质，例如水，从而令人满意地固化了封装介质，例如PVA。尽管如此制造的封装液晶11的每个液晶盒22可能不是理想的球体，但每个液晶盒的形状基本上是球形的，因为球体是单个微滴、液滴或乳胶液晶盒不论在最初状态还是以后干燥和/或固化时的最低自由能状态。

另一种封装介质是胶乳。胶乳可为天然橡胶或合成聚合物或共聚物微粒的悬浮液。通过干燥上述微粒的悬浮液，即可形成胶乳介质。在申请号为705209，公开日为1985年2月25日的美国专利中，进一步解释了胶乳介质及其制造方法，该专利的发明人是Pearlman，标题是“胶乳密封NCAP液晶的合成、方法和装置”。该专利公开的内容在此作为参考。（表1见文后）

简而言之，胶乳封装的液晶可通过在预先已经在含水状态下乳化了的液晶材料中混和胶乳微粒的悬浮液及液晶材料而形成。另外，所有的成分可预先加在乳化液晶材料中。然后可把这个混和物涂到一个基板上，当混和物干燥时，它就会粘到基板上，当它干了的时候，胶乳微粒就形成了一个在其中含有散开的液晶微粒的胶乳介质。

在这里应注意的是，多向色性染料所具有的必可溶于液晶材料中并且在水或聚合物中不易被吸收的特性，保证了上述多向色性染料将不被在制造封装液晶11时所使用的PVA、胶乳或其它封装介质或载体介质（例如水）所吸收。

例1

一种具有层列相的液晶材料，是通过混和下列购自E.Merck    Chemics，Darmstadt，W.Germany的液晶材料而成：

K24    18.7%

K30    27.0%

K36    40.8%

ZLI1840    6.5%

GB15    7.0%

为了保证良好的混合，各种组份被溶解在三氯甲烷中。成型温度的范围是：

0℃到46℃-层列A型

46℃到48℃-胆甾型

层列型液晶（SLC）混和物在聚合物溶液中被乳化，其溶液含有92.5%PVA20/30（购自Airco    Auentown    Pennsylvania）的80%水溶液，5%Gantrez169（89%水溶液）和2.5%甘油。

SLC混和物与PVA基质的比例是1∶2。把合成的乳剂涂到聚脂薄膜上，在该薄膜上预先蒸发了氧化铟锡（ITO）。使用一个2mil间距的刮刀，制成0.5mil厚的干燥薄膜。

将薄膜覆盖到涂有氧化铟锡的聚脂薄片上，然后放入100℃的烘箱烘烤1小时。其产物是一个液晶盒，它在100V直流电压作用下被激发，即变成透明。当消除电场时，该薄膜的保持透明状态。

减小电压，几乎不产生多大变化，在所有情况下，液晶乳剂都保持在激发状态。当薄膜被加热到它的转变温度46℃或以上时（热清除），它将恢复到原始状态，也就是散射状态。

例2

所用材料和工艺与例1一样，而且进一步利用三氯甲烷做溶剂，把3%的蓝色染料M141（购自Mitsui    Toatsu    Chemicals，Tokyo，Japan）加到上述的混和物中。

当把电场加到液晶盒上时，其颜色由不透明的蓝黑色变成透明的蓝色。

例3

和例2一样，但是加入了3%的黄色染料（G232，购自Mitsui    Toatsu    Chemicals）。结果，当加上电场时，液晶盒从不透光的深橙色变为 透明的黄色。

例4

一种液晶混和物，它包括三份K24和一份CE3，这两种液晶材料都购自E.merck公司，最终形成的材料在室温（24℃）是层列C型，但在58℃变成层列A型。层列A型在68.1℃变成胆留型，在67.6℃这种材料变成各向同性的。

当把60V电场加到所形成的液晶盒上时，它变成透明的，而且直到把它加热到67.6℃时，仍然保持透明。

根据本发明，例如根据上述方法制造封装液晶11时，各种组份的数量可以是如下所述的：

液晶材料-这种材料可以是从5%左右到20%左右，而且最好可到50%（在某些情况下根据封装材料的性质，甚至可以更高）。包含多向色性染料的全部溶液被送到混和装置（例如胶体磨）中。所用的液晶材料的实际数量通常应超过封装介质如PVA的容量以优化液晶盒的尺寸。

PVA-溶液中PVA的数量应当是5%到10%左右的数量级，而且可能更大，这取决于PVA的水解作用和其分子量，如上所述，最好是22%左右。例如，如果PVA分子量太大，形成的材料将玻璃一样，特别是在溶液中使用过多的PVA时更是如此。另一方面，如果分子量太小，使用过少的PVA将导致材料的粘度太小，所形成的乳剂充分地凝固成所希望的球形封装液晶。

载体介质-溶液的其它部分将是水或其它的、最好是易挥发的载体介质，如上所述，利用载体介质可以制造乳剂，并且把这种材料铺在基板、电极或类似的构体上。

例5

制造胶乳封装的层列型液晶的方法，可包含将0.03克表面活化剂Igepol C0720（购自CAF，N·Y·，NY）和0.03克表面活化剂DOW509g（购自DOW Chemicals，Midland，Michigan）加入到2.09克S2层列型液晶中（购自BDH Chemicals，Pool.England），此后加热此混和物到它的各向同性温度，使它溶解，然后把混和物冷却到室温（24℃）并且加入0.5克MeCl₂，使其溶解。随后加入3.0克包含有按重量为40%胶乳微粒的Neorez R-967（购自Polyvinyl Chemicals，Wilmington，Mass.），并且用叶片转速为每分钟2400转的混和器进行混和3分钟。然后再加入0.2克结合剂Tyzor LA的5%溶液（购自Dupont，Wilmington，Del.），并以300转/分左右的速度缓慢地混和。

成型的温度范围是：

0℃-48℃    层列A型

48℃-49℃    向列型

49℃以上    各向同性

不加电场时，入射光被散射，当加热到它的转变温度48℃时，这种液晶具有向列相。施加一个电场，可使光线透过液晶。消除电场后，把液晶冷却到室温，光线的能透过液晶。为了产生散射，则再把液晶加热到它的转变温度48℃左右。

例6

与例5一样，但是把1%蓝色染料B1（购自E.Merck公司）加入S2液晶材料中。结果，在加电场时，颜色由不透明的蓝色变成透明的蓝色。

应当认识到，因为未固化的液晶盒或封装介质液滴和液晶材料被载于液体之中，可使用常规的或其它技术按液晶盒的大小对其进行分选，则如果某一液晶盒的尺寸不符合要求，可再送入混和装置以重新构成，由于上述原因，则最后所使用的液晶盒具有所希望的均匀度。

虽然，上面用乳化作用描述了封装技术，但由于封装材料和粘合剂在使得液晶装置容易被制造方面是相同的，则液晶材料的单个液晶盒的制备，在某种情况下可能是有利的，使用那样的单个液晶盒（带有粘合剂）仍在本发明所推断的范围内。

虽然在此详细地描述了本发明的一些特殊的实施例，但是本发明不仅限于那些实施例，由要由所提的权利要求来限定。

表1

容器介质    温度和

（PVA）    粘度    水解（%）    分子量    溶液浓度（%）

20～30

Gelvatol.Monsanto    4～6CPS    88.7～85.5    10，000    4%在20℃

cpmpany出品

40～20

Gelvatol.Monsanto    2.4～3CPS    77～72.9    3，000    4%在20℃

company出品

523

Air    Prosucts    and    21～25    87～89    -    4%在20℃

ChemiCals，Inc.出品

72～60

Elvanil，D    ponr    55～60    99～100    -    4%在20℃

Company出品

405

Povel，K    rashiki出品    2～4CPS    80～82    -    4%在20℃

Claims (13)

1、一种液晶装置，包括具有层列A相的液晶材料，具有用以限制液晶材料的分立容体的封装介质部件，所述容体具有弯曲表面，用以引起所述液晶材料的通常的畸变排列，所述畸变排列至少对光线起散射和吸收作用其中之一，以及包括用以将电场选择性地加到所述液晶材料上的电极，使得所述液晶材料可以选择性地在光线受到散射和吸收作用其中之一的所述畸变排列状态与透光状态之间转变，其特征在于，当所述液晶材料处于层列A相时而所述电场消除后，所述透光状态仍然保持；以及包括用以把处于层列A相的所述液晶材料的温度提高到预定值以上的装置，使得所述畸变排列状态可以在无电场加到所述液晶材料期间出现。

2、根据权利要求1的液晶装置，其特征在于进一步包括基板部件，以支撑一层所述液晶材料和封装介质部件。

3、根据权利要求2的液晶装置，其特征在于所述的层在厚度上包括几层液晶盒状的容体。

4、根据权利要求1的液晶装置，其特征在于所述的层列A相液晶材料具有光学上的各向异性，而且其中所述的层列A相液晶材料的O光折射率和所述封装介质部件的折射率之差不大于0.03左右。

5、根据权利要求1的液晶装置，其特征在于所述的层列A相液晶材料有一个正的电介质各向异性。

6、根据权利要求1的液晶装置，其特征在于所述的封质介质部件包括一种作为所述容体构成各个液晶盒的固体介质。

7、根据权利要求1的液晶装置，其特征在于所述的封装介质部件包括一种作为所述容体构成相互连接的各个液晶盒的固体介质。

8、根据权利要求1的液晶装置，其特征在于所述封装介质部件包括一种干燥稳定的乳胶体。

9、根据权利要求1的液晶装置，其特征在于进一步包括与所述的液晶材料相混和的多向色性染料。

10、液晶装置，包括具有层列相和向列相的液晶材料以及用于将所述的液晶材料限制在基本上弯曲的容体内的封装介质部件，所述的封装介质部件引起所述的液晶材料通常的畸变排列，该液晶材料响应这种排列至少对光线起散射和吸收作用的其中之一，该液晶材料还响应给定的输入减少上述散射或吸收的量，其特征在于由所述基本上弯曲的容体内的所述处于层列相的液晶材料的所述散射或吸收减少量在给定的输入消除之后仍然保持，以及包括用以使所述基本上弯曲的容体内的所述液晶材料的温度提高到所述液晶材料由层列相到向列相的转变温度或由层列相到各向同性相的转变温度的至少其中之一，以引起所述畸变排列的装置。

11、根据权利要求10的液晶装置，其特征在于所述给定的输入包括一个温度，使得所述液晶材料处在向列相，和一个电场。足以减少处于向列相的状态时上述散射或吸收的量。

12、根据权利要求11的液晶装置，其特征在于进一步包括用来减低温度的部件，以使在消除电场后，散射或吸收的减少量仍然保持。

13、液晶装置，包括具有层列相的，正的电介质各向异性的液晶材料，以及用于把所述液晶材料限制在基本上弯曲的容体内的封装介质部件，所述容体含有适量的所述液晶材料，所述封装介质部件引起所述液晶材料的通常的畸变排列，所述液晶材料响应这种排列对光线起散射和吸收作用的至少其中之一，以及响应电场，减少所述基本上弯曲的容体内的处于层列相的所述液晶材料的这种散射或吸收量，其特征在于，所述电场消除后所述散射或吸收的减少量仍然保持，以及包括用以使所述液晶材料的温度增加到预定值以上的装置，使得所述封装介质部件引起所述畸变排列。