CN1050908C - 液晶元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种液晶元件，它包括由能显示近晶相的液晶材料充填的液晶盒，液晶盒包括具有电极和电极上有定向膜的上下基片，上下定向膜控制的液晶材料的取向方向形成交角θ为180°-δ或360°-δ(0°＜δ≤90°)。还公开制备上述液晶元件的方法：处理定向膜，制备液晶盒，在小盒中形成上述范围内的交角。按照本发明，可得到各种技术领域所需的电光响应速度高且光学对比度的液晶元件。
Description
本发明涉及在光学通信、立体影象显示，图象处理、光学控制和平面图象处理等各种领域中进行光学调制所用的液晶元件，及制备该元件的方法。本发明更特别地涉及应用液晶近晶相电光效应的液晶元件及制备该元件的方法。
为了减轻各种光学调制元件和显示元件或降低这些元件所需能耗，这些元件使用液晶元件的倾向近来有所增加。在各种液晶元件中，应用液晶近晶相电光效应的铁电或反铁电液晶元件(下文称作“近晶液晶元件”)受到人们重视，因为它们与TN液晶元件相比具有较宽的视角范围和较高的响应速度，尤其因为反铁电晶体元件耐冲击性极好，几乎没有在液晶盒内表面印上液晶材料的问题，它们近年来更为受到重视。
近晶液晶元件包括液晶盒，其中，在一对基片上所安置的电极间充填厚度不大于几微米的能显示液晶近晶相的液晶材料(下文称作“近晶液晶材料”)，如果需要的话，还包括各种极化控制器。为了用此元件进行有足够高对比度的光学调制，液晶盒中的近晶液晶材料层最好是取向一致的，以使图3-A、3-B和3-C中所示的近晶液晶的层法线方向(垂直于近晶液晶层的方向)几乎互相一致。这些图中，液晶分子的取向方式是每一液晶分子有一倾角θ以形成液晶层，⊙表示自发极化向上，表示自发极化向下。图3所示层法线平行于液晶盒的电极表面。在图3-A中，由每一自发极化方向都向上的液晶分子形成的液晶层和由每一自发极化方向都向下的液晶分子形成的液晶层一层迭加在另一层上。图3-B中，全部都是由每一自发极化方向都向上的液晶分子形成的液晶层一层迭加在另一层上。图3-C中，全部都是由每一自发极化方向都向下的液晶分子形成的液晶层一层迭加在另一层上。
特别在光学通信上的光开关、立体影象显示上的快门和用于图象显示、图象处理和光学控制的光学空间调制器等情况下，至少约100的对比度是必需的，这样，不但要求在元件整个表面上近晶液晶层取向一致，而且要求近晶液晶层内不出现各种缺陷。
为使近晶液晶的层法线方向互相一致，有一个常规的已知方法是先在基片和液晶材料之间的界面上形成由聚酰亚胺之类聚合物薄膜制的定向膜，然后对将与液晶材料接触的定向膜表面作摩擦处理。此处所用的术语“摩擦处理”指用布等以一定的方向磨擦基片上的定向膜表面。
然而，在摩擦方向互相平行的定向膜之间充填液晶材料时，常常形成近晶液晶的层法线方向不同于邻近电畴的许多电畴。尤其在近晶液晶的层法线方向随电畴而显著不同的情况下，如果在液晶盒上施加电压以改变液晶盒内近晶液晶层的取向状态，则会发生光泄漏，因为近晶液晶层的消光位置因电畴而异。因此，装有上述这种液晶盒的液晶元件具有这样的问题，即与用液晶盒内存在的近晶液晶的层法线方向互相一致的液晶元件的情况相比，在用这种液晶元件进行光学调制前后输出光明暗之间的对比度变小。也就是说，用在这种摩擦方向互相平行的定向膜之间充填液晶材料的液晶盒制得的铁电或反铁电液晶元件不能得到足够高的对比度。
为了解决这一问题，提出了改变对上下基片上形成的定向膜的摩擦方向的方法。例如，日本专利公开公报№.371925/1992提出了使二个摩擦方向偏移的角θ1和θ2之和(θ1+θ2)的方法，角θ1是由上基片定向膜表面近晶A相液晶的层法线与摩擦方向构成的，角θ2是由下基片定向膜表面近晶A相液晶的层法线与摩擦方向构成的。日本专利公开公报№.3676/1994提出使摩擦方向偏移某一给定角度的方法。
但是，日本专利公开公报№.371925/1992提出的方法是不能应用的，因为对于层法线相对于摩擦方向不能单一地确定的液晶材料或不能处于近晶A相的液晶材料这样的情况下，上下基片上形成的定向膜的表面上的摩擦方向之间的角不能确定。
在日本专利公开公报№.3676/1994上提出的方法中也有获得足够一致取向的角的较佳范围并不总是清楚的问题。
而且，在上述常规方法中不能防止施加电场所引起的条纹缺陷，因此施加电压于反铁电液晶元件引起铁电状态间转换以进行光学调制时，仅使上下基片上形成的定向膜表面的摩擦方向偏移，很难通过施加电场获得足够高的对比度。
本发明旨在解决上述现有技术所伴有的这些问题，本发明的一个目的是提供可应用液晶近晶相的电光效应进行具有高对比度的光学调制的液晶元件，并提供制备所述元件的方法。
本发明的另一个目的是提供可阻止在驱动液晶元件的过程中出现条纹缺陷，从而在进行光学调制时保持高对比度状态的液晶元件，并提供制备所述元件的方法。
按本发明的液晶元件是这样一种液晶元件，它包括能显示近晶相的液晶材料充填的液晶盒，所述小盒包括上下基片，每一基片上有一电极，电极表面上有定向膜，每一定向膜的表面经过取向处理以控制与其接触的液晶材料的取向方向，一片定向膜的取向处理方向不同于另一定向膜的取向处理方向，这两个取向处理方向的交角以上基片侧的定向膜的取向处理方向为基准按顺时针方向测得，可用下面的式[I]或[II]表示：
θ＝180°-δ [I]
θ＝360°-δ [II]其中0°＜δ≤90°。
在这种液晶元件中，较好是：
(a)当充填有近晶相液晶材料的液晶盒放置在正交的Nicols装置的两个偏振片之间，其放置方式为使依次透过一个偏振片、液晶盒和另一偏振片的透射光的量达到最少时，用下式[IV]表示的透光率的最小值T不大于1.0％。
T＝[(I-I0)/I100]×100 [IV]其中I为透射光的最小量，I0是不放置液晶盒时正交的Nicols装置的透射光的量，I100是I0和不放置液晶盒时平行的Nicols装置的透射光量之间的差；
(b)当充填有近晶相液晶材料的液晶盒放置在正交的Nicols装置的两个偏振片之间，其放置方式为在液晶盒的电极间施加电压以改变小盒的光轴，使依次透过一个偏振片、液晶盒和另一偏振片的透射光的量达到最少时，用下式[V]表示的透光率的最小值T′不大于1.0％。
T′＝[(I′-I0)/I100]×100 [V]其中I′为透射光的最小量，I0是不放置液晶盒时正交的Nicols装置的透射光的量，I100是I0和不放置液晶盒时平行的Nicols装置的透射光量之间的差；或
(c)当充填有近晶相液晶材料的液晶盒放置在正交的Nicols装置的两个偏振片之间，其放置方式为在液晶盒的电极间施加交变电压以驱动小盒并停止施加电压后使依次透过一个偏振片、液晶盒和另一偏振片的透射光的量达到最少时，用下式[VI]表示的透光率的最小值T″不大于1.0％。
T″＝[(I″-I0)/I100]×100 [VI]其中I″为透射光的最小量，I0是不放置液晶盒时正交的Nicols装置的透射光的量，I100是I0和不放置液晶盒时平行的Nicols装置的透射光量之间的差。
制备按本发明的液晶元件的方法就是制备这样一种液晶元件的方法，这种液晶元件具有由能显示近晶相的液晶材料充填的液晶盒，所述小盒包括上下基质，每一基质上有一电极，电极表面上有定向膜，该方法包括处理每一定向膜的表面的步骤，即通过取向处理控制与其接触的液晶材料的取向处理方向，所述取向处理是以如下方式进行的，即在小盒中一片定向膜的取向处理方向与另一片定向膜的取向处理方向形成的交角，以上基片侧的定向膜的取向处理方向为基准按顺时针方向测得，用下面的式[I]或[II]表示：
θ＝180°-δ [I]
θ＝360°-δ [II]其中0°＜δ≤90°。
在制备按本发明的液晶元件的方法中，较佳的是：
将各向同性相的液晶材料冷却以进行从各向同性相向近晶相的相转变，冷却过程中在液晶盒的电极间施加电压，其绝对值大于液晶材料处于近晶相时为改变液晶材料的光轴所需的电压；或
在液晶盒的电极间施加电压，其绝对值大于液晶材料处于近晶相时为改变液晶材料的光轴所需的电压。
图1是按本发明的液晶元件的一个实施例的示意图。
图2-A-1、2-A-2、2-B-1和2-B-2均为图1所示液晶元件中定向膜摩擦方向的示意图。
图3-A、3-B和3-C表示充填在按本发明的液晶元件的近晶液晶盒内的近晶相液晶材料的各种取向状态。
首先，参照附图描述按本发明的液晶元件。
图1显示按本发明的液晶元件的一个实施例。
液晶元件10包括一个液晶盒5，它有一对基片1，1，在两个基片表面上形成的电极2，2，在一个电极2上形成的定向膜3，在另一个电极2上形成的定向膜3′，以及在小盒5内充填在定向膜3，3′之间的间隙4中的液晶材料6。
基片1是诸如透明玻璃片、透明塑料片或透明塑料膜。透明玻璃片的例子有钠钙玻璃、硼硅玻璃、无碱玻璃和石英。透明塑料的例子有聚烯烃、聚酯和聚苯乙烯。当石英片以外的玻璃片、透明塑料片或透明塑料膜用作基片1时，较好是通过浸涂、沉积或喷涂在基片1上预先形成衬底(未显示)如SiO2膜，然后在其上形成电极2，以防止基片1中所含杂质，如金属离子和稳定剂，流入液晶材料6。
在液晶元件10中，用对液晶元件10所调制的波长的光透明的导电膜作电极2，2。这种导电膜的例子有氧化铟锡导电膜(称作“ITO”)和氧化锌导电膜。导电膜是通过诸如浸涂、CVD法、喷镀、离子喷镀或真空沉积法在基片1上形成的。
在本发明中，电极2，2中至少一个能透过液晶元件10所调制的波长的光。当一个电极2可透过液晶元件10所调制的波长的光时，另一电极2可按液晶元件10的应有选自各种类型的电极。例如，可采用上述透明电极或通过在透明电极上形成光导层如无定形硅或CdSe层所得到的电极。在后一种情况下，在透明电极间施加电压时，定向膜3，3′间的液晶材料中形成的电场强度随光导层被辐照的光的强度而变化。利用此特性，可以控制诸如从仅有一个透明电极的基片侧进入的光的反射光的偏振状态。
此外，可借助诸如真空沉积或喷镀，在电极2，2之一或在两个电极上形成厚度为100-1,000的绝缘膜，如SiO2膜，以防止短路。
取向膜3，3′可以互相相同或不同，它们由聚合物如聚酰亚胺和聚乙烯醇(较佳为聚酰亚胺)的薄膜制成。较佳是厚度为50-3,000的聚合物薄膜在电极2上或在诸如SiO2膜的绝缘上(当用印刷、旋涂、沉积聚合、浸涂等在电极2上提供这种绝缘膜时)形成定向膜3或3′。特别当定向膜3，3′为聚酰亚胺薄膜时，液晶元件10可被长期稳定驱动。
在液晶盒5中，将与液晶材料6接触的取向膜3，3′的表面进行取向处理，例如，用起绒布如尼龙、丝绸或嫘萦沿一个方向摩擦定向膜3，3′的表面。取向处理按这样的方式进行，即接触液晶材料6的一个定向膜3的取向处理方向与接触液晶材料6的另一定向膜3′的取向处理方向形成的交角，以上基片侧的定向膜的取向处理方向为基准按顺时针方向计测时，可用下面的式[I]或[II]表示：
θ＝180°-δ [I]
θ＝360°-δ [II]其中0°＜δ≤90°，如图2-A-1、2-A-2、2-B-1和2-B-2所示。
在图1所示液晶元件10的液晶盒5中，能显示近晶相的液晶材料作为液晶材料6充填在经取向处理、该取向处理的方向形成上述交角的定向膜3，3′之间。
在液晶元件10中，由定向膜3，3′以上述方式控制取向方向，并提供充填能显示近晶相的液晶材料作为液晶材料6的液晶盒5。因此，利用近晶相的电光学变化，可以较高响应速度、较高对比度进行光学调制。当δ较佳不小于2°、更佳不小于3°、特佳不小于5°，并且较佳不大于40°、更佳不大于35°时，液晶元件10的对比度可进一步改善。
如上所述，在液晶盒5中，液晶材料6充填在定向膜之间的间隙4中。此间隙4通常通过在定向膜3，3′之间插入间隔物(未显示)将一对基片1，1连接而成。
作为间隔物，可使用树脂膜，切去其液晶充填部位和入口部位，其厚度相当于所需要的间隙4的距离。还可采用的是直径约等于所需间隙4的距离的球形间隔物(例如，球形氧化铝间隔物、球形二氧化硅间隔物、球形树脂间隔物)和柱样间隔物(如玻璃棒条间隔物)。
当使用树脂膜作间隔物时，在每个基片1，1和间隔物之间涂上粘合层，将粘合层固化以使每个基片1，1和间隔物粘接在一起。当使用球形间隔物时，将间隔物分散在一个基片1上，然后将另一基片1放在上面，两个基片用粘合剂连接在一起。当使用柱样间隔物时，将粘合剂与间隔物混合，所得混合物施加于一个基片1上，把此基片1和另一基片1用该混合物粘接在一起。这样形成的间隙4的距离，即充填在液晶盒5内的液晶材料6的厚度宜调节到最适值，该值由受液晶元件10调制的光的波长、液晶材料的双折射率和光进入和输出的方式决定。例如，当受液晶元件10调制的光是可见光，且光线从液晶盒5的一个基片1侧入射到液晶元件上，然后透过液晶盒5，不使用任何相移片而由液晶元件10调制光线时，充填在液晶盒5内的液晶材料宜在1.5～3μm范围内。
充填在液晶盒5内的液晶材料6可以是单一化合物或可以是多种化合物的组合物，只要它在液晶元件10的工作温度范围内显示近晶相。
在本发明中，能显示近晶相的液晶材料，较佳为手性近晶相，被用作液晶材料6。对液晶材料6无具体限制，只要它在液晶元件10的工作温度范围内显示近晶相。然而，较宜使用的是显示反铁电性的液晶材料，因为它具有高的耐冲击性，并且在液晶盒的内表面几乎不印上液晶材料。在液晶元件10的工作温度范围能加宽、液晶元件的电光学对比度等工作性能能改善这一点上，液晶材料6特别宜于含下式[III]所示化合物：
R′-(A-X)P-(B-Y)q-(C-Z)r-R* [III]其中R′为选自烷基、烷氧基、卤代烷基和卤代烷氧基的含3-20个碳原子的基团；
A、B和C各自独立地为选自如下基团的基团
和
它们的氢原子可完全或部分地被选自卤原子、甲基、乙基、甲氧基、乙氧基、羟基、三氟甲基、二氟甲基和一氟甲基的原子或基团取代，且A、B和C中至少一个为如下基团：
或
它们的氢原子可完全或部分地被选自卤原子、甲基、乙基、甲氧基、乙氧基、羟基、三氟甲基、二氟甲基和一氟甲基的原子或基团取代；
X、Y和Z各自独立地为选自-COO-，-OCO-，-CH2CH2-，-CH2O-，-OCH2-，-S-S-，-CO-CH2-和-CH2-CO-的二价基团；
R*为具有至少一个不对称碳原子的4-20个碳原子的旋光基团，该基团中连接于碳原子的氢原子可完全或部分地被卤原子取代，所述基团可含有选自硅原子、氧原子和硫原子的至少一个原子为连接基团；以及
p、q和r各自独立地为0或1，且p、q和r中至少一个为1。
下面所列的是上述式[III]所示化合物的例子。
在图1所示液晶元件10中，偏振片7，7安置在充填了液晶材料6的液晶盒5的两侧，使光线依次透过一个偏振片7、液晶盒5和另一偏振片7。
在液晶元件10中，两个偏振片7，7之间放置了一个液晶盒，但如果需要，本发明的液晶元件中可平行放置多个液晶盒5，使光线透过多个小室。例如，当光源发出的一定的偏振光入射到液晶盒5上，或当观测者通过偏振目镜观测从液晶元件10的出射光时，可省略两个偏振片7，7中的一个。当光源发出的给定偏振光入射到液晶盒5上，而且观测者通过偏振目镜观察从液晶元件10的出射光时，液晶元件可仅由液晶盒5组成。
如上所述，在专利权利要求的范围内，本发明的各种改变和修改均是可能的。
总之，在本发明的液晶元件中，较好是：
(a)充填近晶相液晶材料6的液晶盒5放置在正交的Nicols装置的两个偏振片7，7之间，其放置方式为使依次透过一个偏振片7、液晶盒5和另一偏振片7的透射光的量达到最少；
(b)充填有近晶相液晶材料6的液晶盒5放置在正交的Nicols装置的两个偏振片7，7之间，其放置方式为在液晶盒5的电极2，2间施加电压以改变液晶盒5的光轴，使依次透过一个偏振片7、液晶盒5和另一偏振片7的透射光的量达到最少；或
(c)充填有近晶相液晶材料6的液晶盒5放置在正交的Nicols装置的两个偏振片7，7之间，其放置方式为在液晶盒5的电极间施加交变电压以驱动液晶盒5并停止施加电压后使依次透过一个偏振片7、液晶盒5和另一偏振片7的透射光的量达到最少。
当液晶材料6处于近晶相时，液晶材料显示双折射，这时的异常光的偏振方向为液晶材料6的一个光轴。
在上述(a)的情况下，要求用下式[IV]表示的透光率的最小值T不大于1.0％，较佳为不大于0.8％，特佳为不大于0.5％；
T＝[(I-I0)/I100]×100 [IV]其中I为透射光的最小量，I0是不放置液晶盒时正交的Nicols装置的透射光的量，I100是I0和不放置液晶盒时平行的Nicols装置的透射光量之间的差。
在上述(b)的情况下，要求用下式[V]表示的透光率的最小值T′不大于1.0％，较佳为不大于0.8％，特佳为不大于0.5％；
T′＝[(I′-I0)/I100]×100 [V]其中I′为透射光的最小量，I0是不放置液晶盒时正交的Nicols装置的透射光的量，I100是I0和不放置液晶盒时平行的Nicols装置的透射光量之间的差。
在上述(c)的情况下，要求用下式[VI]表示的透光率的最小值T″不大于1.0％，较佳为不大于0.8％，特佳为不大于0.5％；
T″＝[(I″-I0)/I100]×100 [VI]其中I″为透射光的最小量，I0是不放置液晶盒时正交的Nicols装置的透射光的量，I100是I0和不放置液晶盒时平行的Nicols装置的透射光量之间的差。
具有透光率的最小值T或T′不大于1.0％的液晶元件宜用作光学调制如光快门中的液晶元件，具有透光率的最小值T″不大于1.0％的液晶元件宜用作显示用的液晶元件。
在图1所示液晶元件10中，两个偏振片7排列成正交的Nicols状态或平行的Nicols状态。两个偏振片7按如上排列，在液晶盒5中充填显示反铁电性的近晶相液晶材料作为液晶材料6的液晶元件10可应用于利用反铁电性的各种用途。例如，在立体影象显示领域中，可将其用作宽视角范围和高响应速度的光快门。当显示反铁电性和倾角为22.5度或22.5度左右的近晶型液晶材料用作液晶材料6时，且液晶盒5放置成这样的方式，即液晶盒5内近晶相液晶的层法线方向和入射侧偏振片7的透射轴之间的角度为22.5度时，可得到最小值T、T′和T″均不大于1.0％的液晶元件。
而且，如果透光率的最小值T、T′和T″中的任何一个制成不大于1.0％，可得到光学对比度不小于100的液晶元件。因此，最小值T、T′和T″中任一个不大于1.0％的液晶元件可适用于需要对比度为至少100的各种领域，如光学调制、立体影象显示、图象处理和光学控制领域。
与此相反，在常规的液晶元件中，透光率的最小值T、T′和T″都不能象后面所述实施例中显示的那样保持在不大于1.0％的水平，当使用液晶元件时，透光率的最小值超过1.0％。因此，这样的液晶元件的光学对比度难以保持在不小于100。
下面，详细描述制备按本发明的液晶元件的方法。
参见图1、2-A-1、2-A-2、2-B-1和2-B-2，在本发明的方法中制备这样的液晶元件，它包含：能显示近晶相的液晶材料充填的液晶盒，所述液晶盒包括上下基片，每一基片上有一电极，电极表面上有定向膜，该方法包括取向处理定向膜3，3′的表面的步骤，以控制与其接触的液晶材料6的取向方向。取向处理按如下方式进行，即在液晶盒中一片定向膜3的取向处理方向与另一片定向膜3′的取向处理方向形成的交角，以上基片侧的定向膜控制的取向处理方向为基准按顺时针方向计测时，可用下面的式[I]或[II]表示：
θ＝180°-δ [I]
θ＝360°-δ [II]其中0°＜δ≤90°。
如上所述，要求δ不小于2°为宜，更佳为不小于3°，特佳为不小于5°，并且较佳为不大于40°，更佳为不大于35°。
如上所述，由定向膜3，3′控制取向方向，并具有充填能显示近晶相的液晶材料为液晶材料6的液晶盒5的液晶元件10能利用近晶相的电光学变化以高速度进行具有高对比度的光学调制。
即，本发明的方法可制备能以高速度进行具有高对比度的光学调制的液晶元件。
而且，和常规方法不同，按照本发明的方法，并不总是需要将上述交角调节到以液晶盒内存在的近晶相液晶的层法线方向为基准的固定角度(如6.8°)，交角可被调节在式[1]或[II]所示的90°范围内。因此，即使层法线方向(即上述角度的基准)不能单一地确定，仍可高速度地进行具有高对比度的光学调制。
配有两个定向膜控制与定向膜接触的液晶材料的取向方向使其相交或上述范围的角度的液晶盒可通过以下步骤得到：
(i)在用于液晶盒的一对基片上所配置的电极的表面上先形成定向膜，
(ii)然后以这样的方式取向处理定向膜，即使两个定向膜的取向处理方向相交成式[I]或[II]所示角度，接着装配这样处理过的用于液晶盒的一对基片，使定向膜彼此相对。
在这一方法中，交角取决于定向膜控制的取向方向和具有电极、并有定向膜粘合于其上的一对基片在安装成液晶盒时的装配方式。
下面参照图1描述制备按本发明的液晶元件的方法的较佳实施方案。
在本发明中，较佳使用的是这样的方法：
将各向同性相的液晶材料6冷却以进行从各向同性相向近晶相的相转变，同时在液晶盒5的电极间施加电压，其绝对值大于充填在液晶盒5中的液晶材料6处于近晶相时使液晶材料的光轴变化饱和所需的电压(下文称作本发明的“第一种方法”)。
在本发明中，较佳使用的还有这样的方法：
在液晶盒5的电极间施加电压，其绝对值大于充填在液晶盒5中的液晶材料6处于近晶相时使液晶材料6的光轴变化饱和所需的电压，较佳为电压绝对值不小于上述电压的1.3倍，特佳为不小于2倍(下文称作本发明的“第二种方法”)。
在第一种方法和第二种方法的任何一种中，可制备透光率的最小值T、T′和T″中至少一个不大于1.0％的液晶元件，即使在电极上不形成任何定向膜。
而且，在第一种方法或第二种方法制得的液晶元件中，可抑制液晶元件驱动过程中出现的条纹缺陷，并可长时间保持不小于100的高对比度，因为透光率的最小值T、T′和T″中至少有一个不大于1.0％。而另一方面，当液晶元件是用上述以外的方法制取时，所得元件驱动时出现条纹缺陷，或透光率最小值T、T′和T″均超过1.0％，因此，即使是初始对比度不小于100的液晶元件也难于提供。
在用第二种方法制备液晶元件的情况下，在液晶盒5的电极间施加电压，其绝对值不小于充填在液晶盒5中的液晶材料6处于近晶相时使液晶材料6的光轴变化饱和所需电压的2倍时，只需通过在液晶盒的电极间施加几分钟电压就可制成最小值T、T′和T″中至少一个不大于1.0％的液晶元件。然而，在施加于液晶盒电极间的电压的绝对值大于充填在液晶盒5中的液晶材料6处于近晶相时使其光轴变化饱和所需电压的绝对值，即使两个电压之间的差很小，也可通过延长施加于液晶盒电极间的电压的时间来制得最小值T、T′和T″中至少一个不大于1.0％的液晶元件。
无论在按本发明制备液晶材料的第一种方法还是第二种方法中，较好是交替改变电压的极性以防止直流电压引起的不良现象，如充填在液晶盒中的液晶材料的印染。
即使在用本发明的第一种方法制备的液晶元件中，当该元件被驱动时，透光度的最小值T、T′和T″中至少一个有时会增加，或可能发生条纹缺陷。然而，在透光率的最小值T、T′和T″中至少一个(如T)超过1.0％之前，在液晶盒5的电极2，2之间施加电压，其绝对值大于充填在液晶小室5中的液晶材料6处于近晶相时使其光轴变化饱和所需电压，就能使透光度的最小值T保持在不大于1.0％的水平。
即使在用本发明的第一种方法制备的液晶元件被驱动长时间，使透光率最小值T、T′和T″中至少一个(如T′)超过1.0％的情况下，如果在液晶盒5的电极间施加电压，其绝对值大于充填在液晶盒5中的液晶材料6处于近晶相时使其光轴变化饱和所需的电压，则透光率的最小值T′可被回复到不大于1.0％。
制备按本发明的液晶元件的方法还包括这样的情况，即第一种方法和第二种方法结合起来，制备透光度最小值T、T′和T″中至少一个不大于1.0％的液晶元件。
元件长期搁置后，甚至用本发明的方法制备的液晶元件有时也会在元件驱动过程中发生条纹缺陷。但是，如果将上述第一种或第二种方法施用于发生条纹缺陷的液晶元件的液晶盒5，那些条纹缺陷可全部或几乎全部去除，可得到对比度不小于100的液晶元件。
在用第一种方法或第二种方法制备的液晶元件中，特别是用第二种方法制备的液晶元件中，较佳为液晶盒电极间施加的电压的极性是交替改变的，例如，在液晶盒的电极间施加交流电，以便将透光率最小值T、T′和T″中至少一个长期保持在不大于1.0％的水平。
采用上述这些方法，可抑制特别是反铁电液晶元件中液晶盒电极间施加电压引起的条纹缺陷。从而，上述方法可令人满意地应有于利用反铁电液晶材料的反铁电性进行光学调制的所有液晶元件和利用铁电状态间的切换进行光学调制的液晶元件。
与常规方法相比，按照本发明，可更容易、更有把握地得到诸如光学通信、立体影象显示、图象处理和光学控制等各种技术领域所需要的电光响应速度高、而且光学对比度也高的液晶元件。
在本发明的方法中，将各向同性相的液晶材料冷却以进行从各向同性相向近晶相的相转变，同时在液晶盒的电极间施加电压，其绝对值大于液晶材料处于近晶相时使其光轴变化饱和所需的电压；或在液晶盒的电极间施加电压，其绝对值大于液晶材料处于近晶相时为使其光轴变化饱和所需的电压。结果，可得到保持高对比度的液晶元件，而且驱动该元件以进行光学调制过程中出现条纹缺陷的现象受到抑制。
本发明将参照下面的实施例作进一步描述，但应当认为，本发明决不限于那些实施例。
实施例1
[制备小盒的方法1]
在表面磨光并涂有SiO2薄膜底涂层的1.1mm厚的两个钠钙玻璃基片上形成800p厚度的ITO透明电极，在透明电极上通过旋涂法涂上市售聚酰亚胺，使形成的聚酰亚胺膜厚度为300p，接着180℃加热1小时。
然后，用尼龙布以一定的方向摩擦每个基片上的聚酰亚胺膜表面。
将一个基片的聚酰亚胺膜侧表面用旋涂片涂上平均粒径2.0μm的球形二氧化硅间隔物的乙醇混悬液，110℃加热1小时以蒸发乙醇，从而使球形二氧化硅呈分散状态。然后，将此基片和另一基片叠放在一起，使上基片和下基片上的聚酰亚胺膜的摩擦方向彼此不同，相差θ角，并用热固性树脂使它们连接在一起。
然后，将下式(A)和(B)所述两个化合物以8∶2[(A)∶(B)＝8∶2](重量)混合比混合以得到近晶相液晶材料。
用偏振显微镜观测液晶材料的结构，结果确认此液晶材料在室温或其上下呈SmCA相。
接着，将液晶材料于140℃下注入图1所示上述式[I]所示交角θ为176°的液晶盒5中，然后缓慢冷却、将液晶盒5放在偏振显微镜中装的正交Nicols装置的偏振片之间，使用偏振显微镜以透射方式观察时得到最暗的状态。将卤灯用作光源。通过装在偏振显微镜镜片筒上的光电倍增管测量用前述式[IV]表示的透光率的最小值T。结果，小盒透光率的最小值T为0.5％。再用偏振显微镜观察小盒，确认整个小盒表面上消光位置几乎相同，在整个小盒表面上层法线方向几乎平行。
然而，当施加足以使上述液晶盒产生电光响应的电场——频率100Hz、占空比50％的±15V/2μm方波于小盒上时，发生平行于摩擦方向的条纹缺陷。然后，在停止施加电场后，铁电状态的透光率最小值T′变为1.5％，反铁电状态的透光率最小值T″变为1.2％。从而，得不到满意的对比度。
然后，在室温下将频率100Hz、占空比50％的±40V/2μm脉冲波施加于上述液晶盒5分钟，接着降低电场强度至±15V/2μm。结果，条纹缺陷显著减少，铁电状态最小值T′变为0.3％，停止施加电场后，反铁电状态最小值T″变为0.2％。从而得到优于起始阶段的对比度。
实施例2
将上述实施例1所用的液晶材料于140℃下注入与实施例1所述同样方法制备的液晶盒，在施加频率100Hz、占空地50％的±40V/2μm脉冲波于小盒的同时，组合物缓慢冷却至室温。然后将电场强度降至±15V/2μm。结果，铁电状态时的最小值T′变为0.3％，停止施加电场后，反铁电状态的最小值T″变为0.2％。
实施例3
除了将直流电场±40V/2μm用作施加于小盒的电场之外，按实施例2中所述同样的方法进行液晶组合物的缓慢冷却。结果，当施加±15V/2μm电场时，铁电状态的最小值T′变为0.4％，在停止施加电场后，反铁电状态的最小值T″变为0.2％。
实施例4
除了直流电场的施加始于75℃(正好在AC转变点之上)之外，按实施例2中所述同样的方法进行液晶组合物的缓慢冷却。结果，当施加±15V/2μm电场时，铁电状态的最小值T′变为0.4％，在停止施加电场后，反铁电状态的最小值T″变为0.2％。
对比实施例1
除了施加于小盒的电场改为±17V/2μm外，重复实施例1的方法。结果，当施加±15V/2μm电场时，铁电状态的最小值T′变为1.5％，在停止施加电场后，反铁电状态的最小值T″变为1.0％。因此，未得到满意的对比度。在施加电压±17V/2μm 30分钟的情况下，也得到几乎相同的结果。
对比实施例2
除了施加于小盒的电场改为±12V/2μm外，重复实施例2的方法。结果，当施加±15V/2μm电场时，铁电状态的最小值T′变为1.5％，在停止施加电场后，反铁电状态的最小值T″变为1.0％。因此，得到的暗度水平不足。
对比实施例3
除了前述式[II]所示角θ变为184°外，重复实施例2的方法以制备液晶元件。此液晶元件的最小值T为1.2％。当用偏振显微镜观测液晶元件的液晶盒内的液晶材料时，未观测到电畴内出现条纹缺陷。但是，相邻电畴内的消光位置不同。因此，未得到满意的暗度。
按照本发明，如实施例1至实施例4的结果所证明的那样，不仅在起始阶段而且在施加电场之后，在铁电状态和反铁电状态均得到满意的暗度。
实施例5
[制备小盒的方法2]
在表面磨光的两块钠钙玻璃基片上，均依次形成厚度500的SiO2薄膜和厚度800的ITD透明电极，并经旋涂法在其上面涂上市售聚酰亚胺(Optomer AL 1254)，使形成的聚酰亚胺膜厚度为300p，接着180℃加热。
然后，用尼龙布以一定的方向摩擦每个基片上的聚酰亚胺表面。
将这样摩擦过的一个基片上的聚酰亚胺膜(定向膜)用旋涂法涂上平均粒径2.0μm的球形二氧化硅间隔物的乙醇混悬液，将涂有涂层的基质于110℃下加热1小时以蒸发乙醇，从而使球形二氧化硅在定向膜上呈分散状态。
将此涂了具有分散间隔物的定向膜的基片和没有涂间隔物的带定向膜的基片叠在一起，使定向膜彼此相对，并用热固性树脂将它们连接在一起。
[制备小盒的方法3]
除了带有经摩擦的定向膜的两个基片的粘结方式是使两个定向膜的摩擦方向相交成角θ外，按上述方法2所述同样的方法制备液晶盒。
[制备液晶元件的方法1]
将如下结构的液晶化合物于160℃下注入上述方法2制得的小盒中。
然后，将小盒放在置于偏振显微镜中的正交Nicols装置的两个偏振片之间，在缓慢冷却下用偏振显微镜观测小盒。结果，无论在近晶A相还是近晶CA相，同一平面内各电畴的消光位置相差最多达9°。从这一事实确定，在上述结构的液晶化合物中，层法线与摩擦方向的角度不是在单一意义上确定的。
[制备液晶元件的方法2]
将上述方法1中用于制备液晶元件的液晶化合物于160℃下注入上述方法3制得的小盒(用上述式[I]表示的交角θ：170°)中，让化合物缓慢冷却。
将小盒放在偏振显微镜的正交的Nicols装置的两个偏振片之间，其放置方式使用偏振显微镜观侧小盒中的液晶化合物时可得到最暗状态。在用偏振显微镜观察时，使用卤灯作光源。用透射光的最小量I，即黑暗状态的透射光量，按照前述式[IV]评估透光率的最小值T时，该值为0.1％。再用偏振显微镜观察小盒内的液晶材料，结果确认小盒整个表面消光位置几乎相同，小盒整个表面上层法线方向几乎平行。
对比实施例4
除了将前述式[I]所示交角θ设定为10°之外，按实施例5所述同样方法制备液晶元件。
当用实施例5所述同样的方法评估透光率的最小值T时，该值为1.6％。还用偏振显微镜观测小盒内的液晶材料。结果确认相邻电畴的消光位置完全不同，且层法线方向随小盒中的位置不同而不同。
实施例6
按照实施例5中制备小盒的方法3制备小盒，而将前述式[I]所示交角θ设定为150°。在小盒中注入下式所示液晶化合物，以实施例5中所述的同样方法缓慢冷却该化合物。
用液晶盒和两个偏振片制成类似于实施例5的液晶元件。
当以实施例5所述同样方法评估液晶元件的透光率最小值T时，该值为0.3％。
对比实施例5
除了将前述式[I]所示交角θ变成10°之外，按实施例6所述同样方法制备液晶元件。
当用实施例5所述同样的方法评估液晶元件的透光率的最小值T时，该值为1.2％。还用偏振显微镜观测小盒内的液晶材料。结果确认相邻电畴的消光位置完全不同，且层法线方向随小盒中的位置不同而不同。
实施例7
按照实施例5中制备小室的方法3制备小室，而将前述式[I]所示交角θ设置为170°。在小盒中注入下式所示液晶化合物，以实施例5中所述的同样方法缓慢冷却该化合物。
用液晶盒和两个偏振片制成类似于实施例5的液晶元件。
当以实施例5所述同样方法评估液晶元件的透光率最小值T时，该值为0.2％。
实施例8
按照实施例5中制备小室的方法3制备小盒，而将前述式[I]所示交角θ设置为170°。在小盒中注入下式所示液晶化合物，以实施例5中所述的同样方法缓慢冷却该化合物。
用液晶盒和两个偏振片制成类似于实施例5的液晶元件。
当以实施例5所述同样方法评估液晶元件的透光率最小值T时，该值为0.3％。
实施例9
按照实施例5中制备小盒的方法3制备小盒，而将前述式[I]所示交角θ设置为110°。在小盒中注入下式所示液晶化合物，以实施例5中所述的同样方法缓慢冷却该化合物。
用液晶盒和两个偏振片制成类似于实施例5的液晶元件。
当以实施例5所述同样方法评估液晶元件的透光率最小值T时，该值为0.3％。
对比实施例6
除了将前述式[I]所示交角θ设定为10°之外，按实施例9所述同样方法制备液晶元件。
当用实施例9所述同样的方法评估液晶元件的透光率的最小值T时，该值为1.2％。
Claims (10)
1.一种液晶元件，其特征在于，包括由能显示近晶相的液晶材料充填的液晶盒，所述液晶盒包括上下基片，每一基片上有一电极，电极表面上有定向膜，每一定向膜的表面经过取向处理以控制与其接触的液晶材料的取向方向，一片定向膜的取向处理方向不同于另一定向膜的取向处理方向，二个取向处理方向形成的交角，以上基片侧的定向膜的取向处理方向为基准按顺时针方向测量，可用下面的式[I]或[II]表示：
θ＝180°-δ [I]
θ＝360°-δ [II]其中0°＜δ≤90°。
2.按权利要求1所述的液晶元件，其中近晶相为手性近晶CA相。
3.按权利要求1所述的液晶元件，其中液晶材料包括下式[III]所示化合物：
R′-(A-X)P-(B-Y)q-(C-Z)r-R* [III]其中R′为选自烷基、烷氧基、卤代烷基和卤代烷氧基的含3-20个碳原子的基团；
A、B和C各自独立地为选自如下基团的基团 和
它们的氢原子可完全或部分地被选自卤原子、甲基、乙基、甲氧基、乙氧基、羟基、三氟甲基、二氟甲基和一氟甲基的原子或基团取代，且A、B和C中至少一个为如下基团：或
它们的氢原子可完全或部分地被选自卤原子、甲基、乙基、甲氧基、乙氧基、羟基、三氟甲基、二氟甲基和一氟甲基的原子或基团取代；
X、Y和Z各自独立地为选自-COO-，-OCO-，-CH2CH2-，-CH2O-，-OCH2-，-S-S-，-CO-CH2-和-CH2-CO-的二价基团；
R*为具有至少一个不对称碳原子的4-20个碳原子的旋光基团，该基团中连接于碳原子的氢原子可完全或部分地被卤原子取代，所述基团可含有选自硅原子、氧原子和硫原子的至少一个原子为连接基团；以及
p、q和r各自独立地为0或1，且p、q和r中至少一个为1。
4.按权利要求1或2所述的液晶元件，其中，当充有近晶相液晶材料的液晶盒放置在正交的Nicols装置的两个偏振片之间，其放置方式为使依次透过一个偏振片、液晶盒和另一偏振片的透射光的量达到最少时，用下式[IV]表示的透光率的最小值T不大于1.0％
T＝[(I-I0)/I100]×100 [IV]其中I为透射光的最小量，I0是不放置液晶盒时正交的Nicols装置的透射光的量，I100是I0和不放置液晶盒时平行的Nicols装置的透射光量之间的差。
5.按权利要求1或2所述的液晶元件，其中，当充有近晶相液晶材料的液晶盒放置在正交的Nicols装置的两个偏振片之间，其放置方式为在液晶盒的电极间施加电压以改变小盒的光轴，使依次透过一个偏振片、液晶盒和另一偏振片的透射光的量达到最少时，用下式[V]表示的透光率的最小值T′不大于1.0％
T′＝[(I′-I0)/I100]×100 [V]其中I′为透射光的最小量，I0是不放置液晶盒时正交叉的Nicols装置的透射光的量，I100是I0和不放置液晶盒时平行的Nicols装置的透射光量之间的差。
6.按权利要求1或2所述的液晶元件，其中当充填有近晶相液晶材料的液晶盒放置在正交的Nicols装置的两个偏振片之间，其放置方式为在液晶盒的电极间施加交变电压以驱动小盒并停止施加电压后使依次透过一个偏振片、液晶盒和另一偏振片的透射光的量达到最少时，用下式[VI]表示的透光率的最小值T″不大于1.0％
T″＝[(I″-I0)/I100]×100 [VI]其中I″为透射光的最小量，I0是不放置液晶盒时正交的Nicols装置的透射光的量，I100是I0和不放置液晶盒时平行的Nicols装置的透射光量之间的差。
7.一种制备液晶元件的方法，该液晶元件具有由能显示近晶相的液晶材料充填的液晶盒，所述液晶盒包括上下基片，每一基片上有一电极，电极表面上有定向膜，该方法的特征在于：将各向同性相液晶材料冷却以进行从各向同性相向近晶相的相转变，在此过程中在液晶盒的电极间施加电压，其绝对值大于液晶材料为手性近晶相时使液晶材料的光轴变化饱和所需的电压。
8.按权利要求7所述的制备液晶元件的方法，其中电压的极性交替改变。
9.按权利要求7所述的制备液晶元件的方法，其中在液晶盒的电极间施加电压，其绝对值大于液晶材料为近晶相时使液晶材料的光轴变化饱和所需的电压。
10.按权利要求9所述的制备液晶元件的方法，其中电压的极性交替改变。
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