CN100489634C - 液晶显示元件 - Google Patents

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Abstract

本发明的液晶显示元件包括一组或多组以下组合：一对基板；液晶层，包含表现胆甾相的液晶成分，并设置在所述一对基板之间；以及至少一层绝缘薄膜，用于使液晶层与电极相绝缘，其中：绝缘薄膜具有不大于10μF的静电电容；液晶层具有在2-5μm范围内的层厚；并且液晶成分具有在20-50范围内的介电各向异性。本发明在具有半永久显示保持功能(存储功能)的液晶显示元件中可以实现降低的驱动电压、放大的操作温度范围、电功耗的降低和宽显示保持温度范围至少其中之一。

Description

液晶显示元件
技术领域
本发明涉及一种使用胆甾型液晶的液晶显示元件。
背景技术
近年来，电子纸在商业组织和大学中日益蓬勃发展。对于预期的电子纸应用市场，提出了各种应用形式，包括以目录作为标题的电子书、用于移动终端的子显示器、用于IC卡的显示部件等。
电子纸最有前途的模式之一是使用胆甾型液晶的模式。胆甾型液晶具有优异的特性，如半永久显示保持功能(存储功能)、明亮的彩色显示、高对比度和高分辨率。
胆甾型液晶有时被称为手性(chiral)向列液晶。通过在向列液晶中添加相对大量(例如，重量百分比为百分之几十)的手性添加剂(还称为手性剂)，使向列晶体分子成为强螺旋缠绕状态(也称为胆甾相)，从而反射和干涉入射光，由此获得胆甾型液晶。
使用胆甾型液晶的液晶显示元件的显示和驱动原理如下所示。通过液晶分子的对准状态来控制胆甾型液晶进行的显示。在胆甾型液晶的对准状态下，有反射入射光1的平面状态2和透射入射光1的焦点圆锥状态3，如图1所示。在不施加电场的情况下它们稳定地存在。被反射的光4进入人眼5。
在平面状态下，其波长与液晶分子的螺距相对应的光被反射。反射最大的波长λ在下面的公式中用平均折射率n和液晶的螺距p表示。反射带Δλ是在横坐标绘制波长且在纵坐标绘制光反射率时在反射率峰值半高处的峰宽度值，反射带Δλ随着液晶的折射率各向异性Δn的增加而变大。即，Δn越大，显示越亮。
λ＝n·p
相比之下，在焦点圆锥状态下，光通过胆甾型液晶。因此，通过在液晶层的背面设置光吸收层，可以防止光反射，以便显示黑色。
图2A、图2B是使用胆甾型液晶的液晶显示元件的驱动实例。当强电场施加于胆甾型液晶时，液晶分子的螺旋结构变得完全松散，从而处于垂直(homeotropic)状态，其中所有的分子都沿着电场方向。在这个操作中，施加交流电，如图2A中的标记21所示，以便防止液晶的退化。这些电压是用以获得平面状态的驱动电压。当从垂直状态电位急剧地变为零时(在图2A的情况中由标记22所示)，液晶的螺旋轴变得垂直于电极，并且形成对应于螺距而选择性地反射光的平面状态。这里，应该指出的是，尽管在这幅图中的所有情况下都使用了矩形波，但是波形不限于此，可以组合使用各种形状。
另一方面，当施加弱电压(如图2B中的标记23所示)以致胆甾型液晶的液晶分子的螺旋结构不会变得松散(这些电压是用于获得焦点圆锥状态的驱动电压)，然后消除这些电压(如图2B中的标记24所示)时，或者当施加大电压，然后使电压逐渐减小时，液晶的螺旋轴变得平行于电极，形成焦点圆锥状态而透射入射光。此外，当施加中间值电压，然后急剧地消除电压时，存在平面状态和焦点圆锥状态的混合状态，从而可以显示中间色调。使用胆甾型液晶并利用这些现象，进行信息显示。
已知液晶的响应速度越大，液晶的粘度越小，或者液晶厚度(或单元间隙)越小。而且，在胆甾型液晶的情况下，粘度越小，当施加电压时，对垂直状态的响应越快。即，随着粘度变小，平面状态可能以较短的脉宽(脉冲施加时间)实现，从而使驱动电压下降。
相反，当粘度变大时，变为垂直状态的时间变长。因此，为了实现平面状态，必须施加更长时间的电压，或者施加更高电压。当粘度变得甚至更高时，难以实现完全焦点圆锥状态，从而使透射率减小和光的散射增加。
由于这些情况，在低温下驱动液晶显示元件时有时不能得到所需的对比度。液晶成分的粘度一般随着温度降低而升高，因此从驱动和显示质量的角度考虑，抑制粘度尽可能小幅度地升高也是很重要的。
图3表示在从初始平面状态向焦点圆锥状态的过渡期间用实线表示的电压响应特性。横坐标轴表示在施加驱动电压、然后停止施加电压的一组操作(如图2A、图2B中的标记21、23所示)中驱动电压的绝对值。例如，当驱动电压是+32V和-32V的组合时，绝对值是32V。下面，有时将驱动电压的绝对值简单地称为驱动电压。液晶在初始平面状态区31中反射光。之后，当脉冲电压的绝对值(即驱动电压)从0V升高时，它通过过渡状态区32进入焦点圆锥状态区33，并在该值进一步升高时，经过过渡状态区34进入平面状态区31。
相比之下，当液晶从初始焦点圆锥状态变为平面状态时，如图3中的虚线所示，液晶在初始焦点圆锥状态区35中透射光。之后，当脉冲电压的绝对值升高时，它通过过渡状态区36进入平面状态区31。
还应该注意到，如果胆甾型液晶的厚度(或单元间隙)为2μm或更大，则它提供一定的亮度值，因此平面状态下的亮度随着厚度增加而提高。为此，较厚的单元间隙一般是优选的。
使用胆甾型液晶的液晶显示元件在实践中具有以下所述的一些问题。
(1)液晶显示元件的驱动电压
液晶显示元件的驱动电压可以分为使液晶处于平面状态的驱动电压、使液晶处于焦点圆锥状态的驱动电压、以及使液晶处于过渡状态的驱动电压。然而，在不限制的情况下使用驱动电压这一术语时，是指这些当中最大的，即，使液晶处于平面状态的驱动电压。
使用胆甾型液晶的模式一般采用比其它模式更高的驱动电压，如用在电子纸中的电泳方法，即，在35-60V的范围内。由于这个原因，用于驱动电路的部件成本也高。为了克服液晶显示元件用LCD驱动器的通用IC的成本问题，35V或35V以下的驱动电压是必须的，并且如果考虑余量，将驱动电压减小到32V或32V以下是很重要的。
(2)电功耗
由于近年来RF-ID(射频识别：使用电波进行识别/通信的无接触独立识别技术)已经快速地流行起来，所以对于其中可以经RF(射频波)驱动液晶显示元件的显示器件的需求也日益增加。为了将胆甾型液晶应用于这种RF-ID，除了上述减小驱动电压之外，减小电功耗是非常重要的。为此，除了尽可能防止经过较大液晶电阻的漏电流之外，调节介电常数以将电容减小到合适的值也是必须的。
(3)显示保持温度
显示保持温度表示即使在持续长时间之后液晶也可以保持在平面状态或焦点圆锥状态的温度。在目前的水平上，一般在大约-10℃到60℃范围内的温度下，至少在几天之后可以保持平面状态或焦点圆锥状态，并且希望显示保持温度进一步扩大。例如，对于车辆用元件，希望显示保持温度在大约-20℃到90℃这样宽的范围内。
发明内容
如上所述，为了实现液晶显示元件的降低的驱动电压、扩大的操作温度范围、减小的电功耗以及宽范围的显示保持温度，有很多问题有待于解决。
根据本发明的一个方案，提供一种液晶显示元件，包括一组或多组以下组合：一对基板，具有一对电极，所述一对基板中至少一个基板是透光的；液晶层，置于一对基板之间并包含表现胆甾相的液晶成分；以及至少一层绝缘薄膜，用于使液晶层与电极相绝缘，其中：
绝缘薄膜具有不大于10μF的静电电容；
液晶层具有在2-5μm范围内的层厚；并
液晶成分具有在20-50范围内的介电各向异性。
通过本发明的这个方案，可以获得使用胆甾型液晶的液晶显示元件，该胆甾型液晶具有如半永久显示保持功能(存储功能)、明亮的彩色显示、高对比度和高分辨率等特性，其中可以实现降低的驱动电压、扩大的操作温度范围、减小的电功耗以及宽范围的显示保持温度中的一个或多个特性。
根据本发明的另一方案，提供一种使用根据上述方案的液晶显示元件的电子纸。作为电子纸的具体类型，优选进行无接触识别和无接触通信中的至少一种的电子书和器件。
附图说明
图1是用于解释胆甾型液晶的平面状态2和焦点圆锥状态3的概念图；
图2A是表示用于获得平面状态而如何施加驱动电压的示意图；
图2B是表示用于获得焦点圆锥状态而如何施加驱动电压的示意图；
图3是表示在从初始平面状态向焦点圆锥状态、以及从初始焦点圆锥状态向平面状态的过渡期间光反射率变化的曲线；
图4是表示本发明液晶显示元件的一个实例的剖面结构示意图；
图5表示实例1中使用的手性剂的化学式；
图6是表示驱动电压的温度相关性的曲线图；
图7是表示驱动电压的Δε/粘度相关性的曲线图；
图8是表示对比度的粘度相关性的曲线图；
图9是表示如何施加STN驱动器的输入驱动电压的示意图；
图10是本发明的驱动电路的方框图；
图11是用于解释驱动电压中的直流偏置的示意图；
图12是典型的多色显示器件的示意剖面图；
图13是表示向列液晶实例的图表；和
图14是表示向列液晶实例的另一图表。
具体实施方式
下面参照附图、表格、公式和实例介绍本发明的实施例。这些附图、表格、公式、实例以及文字说明都是用于表示本发明，而不是用于限制本发明的范围。当然，其它实施例也属于本发明的范畴，只要它们符合本发明的基本特性。附图中的相同元件用相同的参考标记表示。
本发明的液晶显示元件包括一组或多组以下组合：一对基板，具有一对电极，其中至少一个基板是透光的；液晶层，置于一对基板之间并由表现胆甾相的液晶成分构成；以及至少一层绝缘薄膜，用于使液晶层与电极相绝缘。在液晶显示元件的操作期间，绝缘薄膜的静电电容不大于10μF；液晶层的层厚在2-5μm范围内；液晶成分的介电各向异性在20-50范围内。在这些条件下，可以实现具有降低的驱动电压、减小的电功耗以及其它优异性能的液晶显示元件。当液晶成分在平面状态下反射可见光时，人们可以用肉眼看见显示内容。应该注意的是，如果驱动电压降低到35V或35V以下，优选32V或32V以下，通用IC(它们都具有35V的耐电压性)可以用于液晶显示元件的驱动电路，从而提供节约成本的方案。
已经发现在2-5μm范围内的液晶层厚度可以充分确保驱动电压余量，实现明亮的显示和低电压驱动。小于2μm的液晶层厚度在平面状态下提供不充分的亮度并具有较窄的驱动电压余量(换言之，具有较窄的驱动电压范围来实现焦点圆锥状态)，并且由温度变化引起的驱动电压余量的波动导致不稳定显示的问题变得更显著。如果液晶层厚度超过5μm，尽管可以充分地确保驱动电压余量，但是将出现需要高驱动电压来变为平面状态的问题。液晶层厚度优选调节到大约4μm，或者在4±0.5μm的范围内。应该指出的是，驱动电压余量表示例如在图3中由标记33所示的电压宽度。
如果绝缘薄膜具有不大于10μF的静电电容，则可以适当地抑制在驱动期间液晶显示元件的充电/放电电荷量，并限制电功耗。还可以提高液晶的绝缘特性，从而提供稳定的操作。如果有两个绝缘膜，不大于10μF的条件就是适用于这两个绝缘膜的静电电容总和的条件。如果没有绝缘膜，则将发生由于漏电流增加而导致无线驱动困难以及液晶的寿命缩短的问题。静电电容可以通过根据绝缘膜的介电常数、施加面积和厚度进行计算来获得。
不小于20的值Δε增宽可以在低驱动电压下使用的手性剂的选择范围。低于这个范围的值将使驱动电压升高，而高于这个范围的值将降低元件的稳定性和可靠性，从而容易产生缺陷图像和图像噪声。值Δε是导向器方向(液晶分子的主轴的平均方向)上的介电常数和其垂直分量的介电常数之间的差异。例如，通过测量以水平对准引入液晶的单元的静电电容以及以垂直对准引入液晶的单元的静电电容，可以确定值Δε。
Tc是液晶成分的其它特性中重要的。当液晶成分的温度超过Tc时，液晶从胆甾相向各向同性相转变，从而不可能进行显示。因此，温度越高，越优选，因为可以实现更宽的显示保持温度范围。具体地说，不小于80℃的Tc是优选的。对上限没有特别限制。从材料的角度考虑，好像一般大约130℃是上限。通过加热单元中处于平面状态的液晶成分以确定反射率急剧减小的温度，可以很容易地确定Tc。
本发明对于液晶成分没有特别限制，只要它表现胆甾相即可。可以从已知的材料中选择。一般使用包含向列液晶和手性剂的那些液晶成分。在这种情况下，优选手性剂的Δε在20-70范围内，Tc在80-130℃范围内。在同一成分中可以包含两种或更多种类型的手性剂。在这种情况下，这些范围适用于这些混合物的Δε和Tc。当手性剂的Δε处于这个范围内时，可以很容易将液晶成分的Δε控制到上述范围。这种情形对于Tc也是一样的。
此外，已经发现，当使用具有为液晶成分特殊设计的特性的两种或更多种类型的手性剂时，很容易实现上述性能。例如，当液晶成分包括具有在20-70范围内的Δε的手性剂以及具有在80-130℃范围内的Tc的手性剂时，很容易实现上述性能。采用手性剂A和手性剂B的混合物，例如，具有高于20(例如25)的Δε和低于80℃(例如75℃)的Tc的手性剂以及具有低于20(例如15)的Δε和高于80℃(例如90℃)的的Tc的手性剂的组合，能够作为整体手性剂提供在20-70范围内的Δε和不低于80℃的Tc。
优选地，使用的至少一种手性剂的分子中具有多个非对称碳。通过分子中具有多个非对称碳，螺旋扭曲功率(HTP；用于扭曲向列液晶的功率)升高，从而可以添加少量的手性剂来反射可见光。这提供了限制粘度增加的优点。
液晶成分一般包含重量百分比为15-40％的手性剂。在这个范围以下波长比可见光长的红外光可以被反射，而在这个范围之上波长比可见光短的紫外光可以被反射。
本发明对向列液晶不特别限制，可以从已知材料中选取。优选具有在20-50范围内的Δε和在80-130℃范围内的Tc的向列液晶。在同一成分中可以含有两种或更多种类型的向列液晶。在这种情况下，这些范围适用于这些混合物的Δε和Tc。当一种或多种向列液晶的Δε处于这个范围内时，可以很容易地将液晶成分的Δε控制到上述范围。这种情形对于Tc也是一样的。
关于本发明液晶成分的粘度，如前面已经说明的，它越低，越容易在低温下控制驱动电压的增加和对比度的降低。在驱动时(即，在0-50℃的范围内)，粘度优选在20-1200mPa·s范围内。在这个范围以上，驱动电压的升高和对比度的降低将变得明显。这些问题特别容易在低温下发生。在这个范围以下，存储功能可能降低。通过市售的粘度计可确定粘度。
通过采用这些条件，可以扩大驱动温度范围，从而对于低驱动电压覆盖宽温度范围。
通过将液晶的相对介电常数和比电阻(specific resistance)调节到预定范围，可以进一步降低电功耗。与上述方式相同，不是很高的相对介电常数在无线驱动时对于降低电功耗是有效的。具体地说，在5-15范围内的相对介电常数ε1对于液晶成分的平面状态是优选的。在10-25范围内的相对介电常数ε2对于焦点圆锥状态是优选的。如果相对介电常数小于这个范围，则驱动电压的升高将变大。如果可以使相对介电常数小于该上限，则当施加/释放电压时，可以限制电流量，从而限制电功耗。
此外，通过使液晶成分的比电阻保持在1010-1013Ω·cm的高值，可以限制由于液晶中的电离材料的移动等导致的电功耗损失，并且可以提供改进的电压稳定性，这不仅对于延长液晶的寿命是有效的，而且可以使用微弱的电磁波作为电源来实现稳定的无线驱动。作为液晶成分的组分的液晶和手性剂的选择对于调节相对介电常数和比电阻是有效的。
液晶成分优选具有在0.15-0.25范围内的折射率各向异性。在这个范围以下容易发生暗显示的问题。由于随着液晶的折射率各向异性Δn增大，折射带Δλ一般变得更大，因此优选较大的值。然而，由于上述范围以上的值导致焦点圆锥状态下光散射增加，从而导致昏暗，因此对比度容易下降。液晶成分的折射率各向异性是在入射光处于平行于导向器方向的方向上时的折射率，与入射光处于垂直于导向器方向的方向上时的折射率之间的差异。例如，使用市售的Abbe折射计可以确定液晶成分的折射率各向异性。
用于实现平面状态和焦点圆锥状态的驱动电压优选处于交流脉冲形式，基本上没有直流偏置。这里，直流偏置是指如图11所示可选脉冲(例如，图11中的V1-V2)的绝对电位值之间的差异。当存在直流偏置时，液晶退化，导致降低的液晶可靠性和较短的液晶寿命。
而且，通过将向平面状态的过渡中和向焦点圆锥状态的过渡中的电压脉冲施加时间调节到0.5-50毫秒范围内，并且将重写频率调节到不大于50Hz的范围内，由此限制保持将电场施加于液晶的电场施加时间，可以限制由于作为高Δε液晶的相关原因、即与周边材料反应或电离分解而导致的退化，从而可以限制电功耗。这里，电压脉冲施加时间表示在图2A和2B的情况下标记21或23的周期。而且，本发明的重写频率表示每秒重写液晶显示元件的次数。当上述脉冲施加时间比上述范围短时，不可能获得所希望的亮度和对比度。当上述脉冲施加时间比上述范围长时，电功耗将增加。当上述重写频率大于上述范围时，电功耗将增加，这对于无线驱动是不利的。
例如，还可以通过将一对电极的重叠面积限制到不大于100cm2来减小电功耗，所述重叠面积是从与液晶显示元件的显示屏垂直的方向看到的一对电极的重叠面积。通过组合上述条件，可以显著减小电功耗。具体地说，在没有电池的情况下和在几mW电功耗的情况下，可以对液晶显示元件进行稳定的无线驱动。例如，通过在液晶显示元件附近的电磁波能量，在驱动时可以产生电压脉冲，从而在没有电源的情况下液晶显示元件的显示可以变化。这可有利地适用于RF-ID用途。
利用本发明的液晶显示元件可以进行单色显示和多色显示。如上所述的这样一组足以用于单色显示。可以选择任何已知的技术用于多色显示。当具有如上所述的这样两组或更多组时，通过使每组实现独立的颜色，可以实现多色显示。
作为用于实现多色显示的方法，可以采用任何种类的方法。例如，有一种方法是通过如图12所示叠加多组以混合各组的颜色，从而用于实现多色显示。每组的颜色可以通过选择液晶的类型以提供具有合适波长的反射波来实现。
在这种情况下，通过在一组的液晶成分中添加吸收单独颜色的颜料，还可以限制被该组反射的波的波长范围。例如，通过在反射红颜色光的液晶成分中混合吸收蓝颜色的颜料和吸收绿颜色的颜料，可以进一步提高红颜色的纯度。
当具有多个上述组时，任一组都可以选择作为包括用于混合颜料的液晶成分的一组。然而，如果被颜料吸收的波长范围与一组的液晶成分的反射波的波长范围重叠且该组位于包括添加有颜料的液晶成分的一组后面时，当从显示一侧观看时，反射波的波长被该颜料吸收，对此必须加以注意。
可以使用滤色器来代替添加颜料。作为用于这些滤色器层的材料，可以列举以下材料：通过在无色透明材料中添加颜料获得的材料、在不添加颜料的情况下处于固有着色状态的材料、以及以与颜料相同的方式起作用的某些物质的薄膜。通过用滤色层材料来取代透明基板本身，而不是放置滤色器层，也可以获得相同的效果。
在这种情况下，从降低成本的角度考虑，优选地，选择每个液晶成分的Δε、粘度和Tc，使得上述两组或更多组中的每一组可以通过同一驱动电路来驱动。具体地说，便于将每个值调节在平均值的±10％范围内。
接着，下面使用图4示例性地解释本发明的液晶显示元件的结构。图4是表示本发明液晶显示元件实例的剖面结构示意图。这个液晶显示元件具有存储功能，这是由于它使用表示胆甾相的胆甾型液晶成分，并且即使在停止施加脉冲电压之后还能保持平面状态和焦点圆锥状态。
图4中，透光基板41、42上的条形电极43、44将具有液晶成分的液晶层45夹在中间，并且彼此相对，从而当从垂直于基板的方向观看时，这些电极条互相交叉。通过间隔器(未示出)来确保液晶层45中的间隙。间隔器的材料可采用树脂材料的或无机材料的球体。表面涂覆有热塑型树脂的固定设置间隔器也可以得到有利地利用。
优选地，至少用绝缘薄膜涂覆电极，以使液晶层与电极和/或对准控制膜(未示出)绝缘，从而促进液晶在界面附近朝向平面状态或焦点圆锥状态对准。绝缘薄膜经常具有气体阻挡特性，这是优选的。根据情况，绝缘薄膜和对准控制膜可以只位于一个电极上。绝缘薄膜还用作对准控制膜。当对准控制膜必须设置成与液晶层相接触时，绝缘薄膜可以与任一层接触，只要它位于电极与液晶层之间，但除了绝缘薄膜还用作对准控制膜的位置之外。如果需要的话，在基板的与入射光进入的表面相反的外表面(背面)上设置可见光吸收层48。液晶层45的液晶成分用密封材料46、47密封。当前的液晶显示元件是由施加脉冲形式特定电压的脉冲电源49进行驱动。
本实例中基板41、42都是透光的。然而，用于本发明液晶显示元件的一对基板中至少一个透光是必须的，而两个基板都透光不总是必须的。
以如上所述的方式，根据本发明，可以实现采用胆甾型液晶的液晶显示元件，其具有如半永久显示保持功能(存储功能)、明亮的彩色显示、高对比度和高分辨率等特性，其中实现了降低的驱动电压、扩大的操作温度范围、减少的电功耗和宽范围的显示保持温度中的一个或多个特性，从而显著扩大液晶显示元件的通用性。
通过这些效果，例如，上述液晶显示元件优选用于电子纸用途。特别是，上述液晶显示元件作为进行无接触通信或无接触通信/识别的器件，可以有利地用于电子书和RF-ID用途。这里，通信是指在当前器件与附近的器件之间交换信息，识别是指附近的器件通过所述通信来识别当前器件(从而，识别当前器件的载体)。
下面介绍本发明的部件材料。
玻璃基板是用于本发明基板的实例。除了玻璃基板之外，还可以使用薄膜基板如PET薄膜基板和PC薄膜基板。不透明基板可用作位于显示侧的另一侧(与透射入射光的基板相反的一侧)的基板。
ITO(氧化铟锡)是用于本发明具有透光特性的电极的典型材料。除此之外，还可以采用由IZO(氧化铟锌)等材料构成的透明导电膜、由铝和硅等材料构成的金属电极、或者由非晶硅和BSO(氧化铋硅)等材料构成的光电导膜。位于显示侧的相反侧上的电极不必是透光的，只要其表面可以吸收光即可，并且可采用常用金属，例如铜和铝及其合金。
例如，本发明的向列液晶还可以选自图13和图14中所示的液晶及其混合物。
任何已知的手性剂都可用作本发明的手性剂。图5是一个实例。其物理特性在实例1中示出。
除了上述向列液晶和手性剂以外，本发明的液晶成分还可包含颜料。对于这种颜料，可以使用各种惯用的已知颜料。与液晶具有良好兼容性的颜料是优选的。例如，可使用含氮化合物、苯醌化合物、蒽醌化合物或者二色性颜料。可以使用它们中的多种。当液晶成分和手性剂的总量是100重量份时，添加的量优选不大于3重量份。
本发明的绝缘薄膜具有至少比液晶的体积电阻大的体积电阻(Ω·CM)。无机材料膜如氧化硅以及有机材料膜如聚酰亚胺树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂和聚氨酯树脂为实例。
作为本发明的对准控制膜，有机材料膜如聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚乙烯基丁缩醛树脂和丙烯酸树脂以及无机材料膜如氧化硅和氧化铝为实例。
<实例>
下面参照附图详细解释本发明的实例。采用下面的评估方法。
(液晶显示元件的反射率和对比度)
关于下述各个实例中的液晶显示元件，当它们处于平面状态时，可实现高反射率状态，而当它们处于焦点圆锥状态时，可实现低反射率状态。
反射率是作为视觉识别反射率(Y值)而使用反射型分光计来确定的。当彩色显示截止时Y值越小，黑色显示更透明且更好。当彩色显示导通时Y值越大，彩色显示越好。
对比度由(平面状态的Y值/焦点圆锥状态的Y值)确定。
(比电阻和相对介电常数)
将液晶成分灌入具有1cm×1cm显示面积的玻璃制测试单元中之后，通过市售的LCR仪确定这些值。
(驱动电压)
在室温或在特定温度下，将如图2A所示脉宽为50毫秒的矩形波形式的电压施加于液晶显示元件，以确定在完全平面状态下获得的最小电压。
(显示保持温度)
在室温下使液晶显示元件处于平面状态或焦点圆锥状态之后，使其在特定温度下保持大约100小时。然后，观看是否保持原始状态。以5℃的间隔研究保持原始状态的温度值，以发现用于平面状态和焦点圆锥状态的上限和下限。
[实例1]
通过在设置于聚碳酸酯(PC)薄膜基板上的两个ITO透明电极上进行刻蚀，以0.24mm的间距形成条形图案，所述基板具有12×10cm的切割尺寸，以便可以表示具有640×480像素(dot)的VGA显示。当从与液晶显示元件的显示屏垂直的方向观看时，由这些对电极的重叠形成的面积为135cm2。
之后，通过旋涂，将聚酰亚胺对准控制膜材料施加于两个基板的透明电极上，其厚度大约为700埃(转换值大约为70nm)。然后，在90℃的炉子中进行焙烧处理1小时，以形成对准控制膜。然后计算每个对准控制膜的静电电容为大约2.5μF，并且总和为大约5μF。这个对准控制膜具有大约1016Ω·CM的体积电阻值。这被认为是本发明的绝缘薄膜。
接着，用分散器(dispenser)向一个基板的周边部分施加环氧密封剂，从而形成具有特定高度的壁。然后，在另一基板的对准控制膜上分散直径为4μm的间隔器(Sekisui Fine Chemical的产品)。之后，将上述基板接合在一起，并在160℃下加热1小时，从而使密封剂固化。
接下来，在通过以大约1：1的比例(重量比)混合市售的向列液晶A(在室温下，折射率各向异性Δn为0.24，Δε为6.5，粘度为28mPa·s，Tc为101℃)和市售的向列液晶B(在室温下，折射率各向异性Δn为0.20，Δε为34.3，粘度为77mPa·s，Tc为82℃)形成的向列液晶C(在室温下，折射率各向异性Δn为0.22，Δε为20.4，粘度为53mPa·s，Tc为92℃)中，添加都是市售的并具有图5所示结构(图5中的R是烃基并含有多个非对称碳)的手性剂A(Δε为22，Tc为60℃)和手性剂B(Δε为26，Tc为118℃)，其添加量为向列液晶成分和手性剂总和的28％的重量，由此制备液晶成分X，其中反射光的峰值波长选择为560nm或其附近。手性剂A和手性剂B的混合物的Δε为24，其Tc为85℃。
上述28％的重量是由20％重量的手性剂A和其余8％重量的手性剂B构成的。因此，向列液晶C构成72％重量。手性剂A和手性剂B在常温下是固体。在0-50℃的温度范围内，液晶成分X的折射率各向异性Δn和Δε分别是0.21和22。Tc是92℃。常温下粘度大约为120mPa·s，在50℃时粘度大约为30mPa·s，在0℃时粘度大约为600mPa·s。由于这个原因，发现在至少0-50℃的宽温度范围内可以进行驱动，在这个宽温度范围内可以保持良好的对比度。
液晶成分X的比电阻为1.22×1011Ω·cm，并且在平面状态下相对介电常数为9.0，在焦点圆锥状态下相对介电常数为23.5。
然后，利用真空填充方法将液晶成分X灌入上述基板之间的空间中，然后用环氧密封剂密封填充端口，从而形成液晶单元。此外，在位于入射光进入的一侧(显示侧)的相反侧的基板上设置黑色光吸收层。
在这种液晶显示元件中，当在室温下在电极之间的每条线上施加没有直流偏置和具有50毫秒的有效脉冲施加时间值(有效时间)的28V复位脉冲电压和重写脉冲电压时，提供反射被选可见光的状态(平面状态)，并且当施加没有直流偏置和具有50毫秒的有效时间的19V脉冲电压时，提供良好的透光状态(焦点圆锥状态)。这些驱动电压在0-50℃的宽温度范围下接近于常数。
关于显示保持温度，在特定温度下将液晶单元保持在恒定温度容器中100小时，然后观察其状态。已确认制备的液晶在高达90℃和低到-20℃的温度下保持显示状态(平面状态、焦点圆锥状态)。
接着，在TCP(带载封装)和四个S1D17A04(240输出)上使用一个通用STN(超扭曲向列)驱动器{由EPSON制造、S1D17A03(160输出)}在这种液晶显示元件上进行VGA显示。需要时，可使用通用操作放大器和齐纳二极管来使输入到驱动器的电压稳定化。而且，如果需要，可以在操作放大器前面的一级上使用用于响应像素数据来切换输出电压的模拟开关。
在STN驱动器的共用侧(扫描侧)和分割侧(数据侧)控制电压，从而产生如图9所示的输出。通过从ON(导通)分割线的输出电压减去被选共用线的输出电压来获得用于移动到平面状态而施加电压的变化(+32V/-32V和0V的组合)。通过从OFF(关断)分割线的输出电压减去被选共用线的输出电压来获得用于移动到焦点圆锥状态而施加电压的变化(+24V/-24V和0V的组合)。通过从ON分隔线的输出电压减去未选共用线的输出电压，可以具有+4V、-4V和0V的组合，这可以将施加电压的变化限制到不改变已经显示的平面状态或焦点圆锥状态的水平上。通过从OFF分隔线的输出电压减去未选共用线的输出电压，也可以具有-4V、+4V和0V的组合。
随后，将高频电源、控制电路和备有天线的驱动器IC安装在如图10所示的元件上，从而以大约10mW的电波输出进行短距离无线通信。在没有电池的情况下，可以在预定电压下进行所希望的显示。
[实例2]
制备使用3μm直径的间隔器的液晶显示元件(其它条件与实例1相同)，其尺寸大约为2×1cm，作为用于IC卡的显示部件。图6中示出了结果。图6的横坐标表示在驱动时的温度，纵坐标表示驱动电压。在连接用▲标记表示的数据的线上或上方的驱动电压指的是可以实现完全平面状态的驱动电压，连接用■标记表示的数据的线与连接用◆标记表示的数据的线之间的驱动电压指的是可以实现完全焦点圆锥状态的驱动电压。
从图6可以理解，在这种液晶显示元件中，当在0-50℃范围内的温度下施加具有14V驱动电压和50毫秒有效时间的脉冲电压时，获得反射光的被选状态(平面状态)，当施加具有9-10V电压和50毫秒有效时间的脉冲电压时，获得良好的透光状态(焦点圆锥状态)。由于这个原因，可以使用通用IC，因此可以实现成本降低。
而且，在这种情况下可以确定，以与实例1相同的方式，在90℃的高温和-60℃的低温下显示状态(平面状态、焦点圆锥状态)保持不变。
接着，在液晶显示元件上安装高频电源、控制电路和备有天线的驱动器IC，从而以大约10mW的电波输出进行短距离的无线通信。在没有电池的情况下，可以在预定电压下进行所希望的显示。这种液晶显示元件的电功耗(不包括驱动电路的电功耗)极小，不大于1mW。
尽管单元间隙小到3μm，也可以将亮度的减小限制到最小值。通过这种方式，小单元间隙可以实现14V驱动，并且进一步使用成本低的IC。
[实例3]
在下面的实验中，如实例1中那样制备液晶显示元件，除了不同地改变液晶和手性剂的组合。
图7是表示本发明液晶成分的Δε/粘度与驱动电压之间的关系的曲线图。应该理解，不大于32V的驱动电压的条件通过Δε≥20和粘度≤1200mPa·s来满足，如本发明那样。
图8是表示粘度与对比度之间的关系的曲线图。它表示在低温下粘度大于1200mPa·s、焦点圆锥状态的透光率下降(即，散射增加)和对比度急剧下降时的情况。
除了这一点之外，当液晶的比电阻小于1010时，驱动时的电功耗显著增加，并且无线驱动变得不稳定。此外，观察到显示质量如显示老化特性退化。
此外，当相对介电常数ε在平面状态下在5-15范围以下或者在焦点圆锥状态下在10-25范围以下时，Δε也下降，从而导致驱动电压升高，难以使用通用IC，并且使无线驱动难以进行。另一方面，当相对介电常数在上述范围以上时，驱动时的液晶显示元件的电荷充电/放电量变大，并且电功耗增加，从而使无线驱动不稳定。
[实例4]
接着，表1表示通过改变添加的手性剂的条件进行评估的实例。驱动电压是在室温下的驱动电压。使用与实例1相同的向列液晶。作为常规手性剂，使用Δε为大约0(零)且Tc为大约50℃的手性剂。
在通过只使用手性剂A而将液晶成分调节成其反射波的被选峰值波长在560nm附近的情况下，Tc下降，并且显示保持温度的上限下降到大约70℃。
此外，在通过只使用手性剂B而将液晶成分调节成其反射波的被选峰值波长在560nm附近的情况下，在常温下驱动电压为32V，并且显示保持温度在-20℃到95℃的范围内，这优于在最左列的常规手性剂的情况。然而，在不大于10℃的低温下粘度增加到不小于1200mPa·s，从而导致在低温下驱动电压的显著增加和对比度的显著下降。
相比之下，在实例1(最右列)的液晶显示元件的情况下，发现通过使用适量的手性剂A和B，可以满足低驱动电压、宽操作温度范围、宽显示保持温度、低电功耗等所有重要特征。
表1
 
项目 向列液晶+常规手性剂 向列液晶+手性剂A 向列液晶+手性剂B 向列液晶+手性剂A+B
驱动电压(V) 35 28 32 29
显示保持温度(℃) -10-70 -20-70 -20-95 -20-90
[工业实用性]
根据本发明，使用胆甾型液晶可以提高液晶显示元件的性能。

Claims (18)

1、一种液晶显示元件，包括一组或多组以下组合：一对基板，具有一对电极，所述一对基板中至少一个基板是透光的；液晶层，包含表现胆甾相的液晶成分，所述液晶层设置在所述一对基板之间；以及至少一层绝缘薄膜，用于使所述液晶层与电极相绝缘，其中：
所述绝缘薄膜具有不大于10μF的静电电容；
所述液晶层具有在2-5μm范围内的层厚；并且
所述液晶成分具有在20-50范围内的介电各向异性；
其中所述液晶成分具有1010-1013Ω·cm的比电阻、在平面状态下具有5-15的相对介电常数ε1以及在焦点圆锥状态下具有10-25的相对介电常数ε2。
2、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述液晶成分具有不小于80℃的各向同性相变温度。
3、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述液晶成分包括向列液晶和手性剂，所述手性剂具有在20-70范围内的介电各向异性和在80-130℃范围内的各向同性相变温度。
4、根据权利要求3所述的液晶显示元件，其中所述手性剂包括具有在20-70范围内的介电各向异性的手性剂和具有在80-130℃范围内的各向同性相变温度的手性剂。
5、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述液晶成分包括向列液晶以及一种或多种手性剂，所述一种或多种手性剂的分子中具有多个非对称碳。
6、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述向列液晶具有在20-50范围内的介电各向异性和在80-130℃范围内的各向同性相变温度。
7、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述液晶成分在所述液晶显示元件驱动时具有在20-1200mPa·s范围内的粘度。
8、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述液晶成分被具有交流脉冲形式且没有直流偏置的驱动电压，驱动至平面状态和焦点圆锥状态。
9、根据权利要求8所述的液晶显示元件，其中每个所述交流脉冲具有在0.5-50毫秒范围内的脉冲施加时间和不大于5次/秒的重写频率。
10、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述液晶成分具有在0.15-0.25范围内的折射率各向异性。
11、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述液晶显示元件具有驱动电路，所述驱动电路具有耐受电压不大于35V的IC。
12、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中当在与所述液晶显示元件的屏幕垂直的方向观看时，所述一对电极具有不大于100cm2的重叠面积。
13、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述液晶显示元件能够无线驱动。
14、根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中所述组为两组或更多组，以进行多色显示。
15、根据权利要求14所述的液晶显示元件，其中所述多色显示是通过所述组的各个反射颜色的颜色混合来实现的。
16、根据权利要求14所述的液晶显示元件，其中所述两组或更多组的每个液晶成分的介电各向异性、粘度和各向同性相变温度被选择为使得所述两组或更多组中的每组都能够用同一驱动电路来驱动。
17、一种电子纸，使用根据权利要求1所述的液晶显示元件。
18、一种器件，使用根据权利要求1所述的液晶显示元件，进行无接触识别和无接触通信中的至少一种。
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