CN102289096B - 具有快速响应和连续灰度级的液晶显示元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有快速响应和连续灰度级的液晶显示元件。其基于场序彩色***(“FSC”)并包括螺旋距小于放置在两个起偏器间的液晶层厚度的手性近晶型液晶和给该元件电极施加电压的电源，其中施加的电压幅度小于螺旋退绕的临界电压幅度。液晶在不施加电压时具有一个对应于扭绞螺旋的稳态。此时主光轴与螺旋轴一致，但在驱动电压作用下偏离稳态，从而在主轴稳定方向平行或垂直于光偏振面且驱动电压频率在10Hz到5kHz的情况下，提供了显示器的电光响应，该电光响应表现出在光透射或光反射中对驱动电压极性无滞后且不敏感的连续灰度级。在螺旋距很短的实施例中该元件在可见光谱范围中不发生选择反射和衍射。本发明不同实施例使用铁电液晶或反铁电液晶。

Description

具有快速响应和连续灰度级的液晶显示元件

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年5月18日提交的美国临时申请第61/344,070号的优先权，该美国临时申请的内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及具有快速响应和连续灰度级的液晶显示元件。

背景技术

液晶显示装置(以下简称LCD)由于其匹敌阴极射线管的卓越显示性能、构造纤薄且重量轻、以及其他诸如低功耗之类的有用特性而广泛应用于从计算器到电视机(以下简称TV)的各种领域中的商业应用。已对LCD技术进行了各种改进，并且LCD是目前所使用的类型最为丰富的显示器。在这些改进当中，对彩色LCD技术的改进涉及显示性能的各个方面并且在该技术的发展中是尤为重要的。

彩色显示器的原理是基于一种称为“加色混合法”的方法。当两个或多个彩色光束进入人眼时，这些光束在视网膜上被混合并被感知为不同于这些彩色光束的颜色。基于该原理，通过以适当比例对R(红)、G(绿)、B(蓝)三原色的光束进行加色混合能够获得任意颜色。实际中，基于该加色混合基本原理的两种不同的***在彩色LCD显示器中实现。

第一种是“同时加色混合法”。为了对彩色LCD应用该***，要与三个LCD面板结合使用R、G、B三个滤色器。使用这三个滤色器将三个彩色图像同时投射到屏幕上，这些彩色图像在屏幕上叠加合并成一个彩色图像。目前在现代LCD的大规模生产中广泛使用这一思想。

第二种是基于“连续加色混合法”的场序彩色(FSC)原理。如图1的图示100所示，该方法利用了人眼在时域上的分辨率限度。更具体地，该方法利用了这样的现象，即，当连续的颜色改变过快以致人眼无法察觉时，前一颜色的持续引起了该颜色与后一颜色的混合，这些颜色被人眼结合并被感知为一个颜色。如同时加色混合法中一样，在每个像素都能获得期望的颜色，从而***实现高图像清晰度并提供卓越的彩色再现。第一规范的彩色TV***利用了场序方法，但该方法并未被广泛应用于传统的量产LCD中。

然而，基于连续加色混合法的场序彩色方法比同时加色混合法具有许多优点。首先，三滤色器的制造工艺非常复杂并且昂贵，而相比之下与连续加色混合方法有关的制造则相对简单且成本低。其次，在不使用三个滤色器的情况下显示元件的光透射将高出三倍，使得在相同水平的显示亮度和显示分辨率下使用连续加色混合法能显著减小功耗。

快速切换铁电液晶(FLC)显示器(FLCD)是FSC LCD的良好候选，因为FLCD已显示出比传统向列型液晶更好的响应时间。使用Chigrinov等人在Photoalignment of Liquid CrystallineMaterials：Physics and Applications，248pp.，pp.143-148，Wiley，August 2008中所描述的光对准技术能够有效地解决通常与FLCD有关的诸如在足够大的表面积上FLC对准质量之类的问题，上述文献的全部内容通过引用并入本文(以下称为“Chigrinov onPhotoalignment”)。

应当意识到本发明的发明人为方便读者而创建了以上信息框架，前面是关于发明人所发现和/或意识到的问题的讨论，并非意在对现有技术进行回顾或分类。

发明内容

基于FSC的彩色显示器的LCD实现要求利用加色混合法且色帧频为至少60Hz的显示元件至少增加三倍的操作速度。因此，本发明涉及具有快速响应和连续灰度级的液晶显示元件。该液晶显示元件基于场序彩色***(“FSC”)，并且包括螺旋距小于放置在两个起偏器之间的液晶层厚度的手性近晶型液晶以及施加到元件电极的电源，其中所施加的电压幅度小于螺旋退绕的临界电压幅度。具有快速响应和连续灰度级的液晶显示元件的应用包括诸如调制器、滤波器、衰减器等之类的快速响应光子装置。

根据本发明的液晶元件的液晶层在不施加电压的情况下具有一个对应于扭绞螺旋的稳态。在此情况下，主光轴与螺旋轴一致，但在驱动电压的作用下偏离稳态，从而在主轴的稳态方向平行或垂直于光偏振面的情况下，提供了显示器的电光响应，该电光响应表现出在光透射或光反射中对宽范围驱动电压频率上的驱动电压极性无滞后且不敏感的连续灰度级。假设在对称的矩形交替符号驱动电压脉冲的情况下，该元件还表现出在光透射饱和状态的包络曲线中“完美的”(即，能够产生任意灰度并与驱动电压极性无关)高频(即，高于1kHz)V形模式。本发明的不同实施例可使用铁电液晶或反铁电液晶。

在阅读了以下详细描述并参见附图之后将明了本发明的其他目的和优点。

附图说明

图1是示出连续加色混合法的示图，在该方法中各个颜色被顺序结合；

图2是示出在根据一个实施例的液晶器件中手性近晶型C*相层的螺旋结构的示意图；

图3的示图示出了XY平面中近晶型C8指向矢量的方位角(z)分布，并示出了折射率椭圆沿Z轴的局部分布，还示出了在针对E＝0、E＞0和E＜0的光孔径上平均的折射率的椭圆，其中X轴、Y轴和Z轴是根据图2所示实施例定义的；

图4是示出根据一个实施例在DHF FLC(变形螺旋铁电液晶)中进行螺旋退绕期间基于所施加场的电控双折射Δn_eff(E)和透射率的曲线图；

图5是示出用于测试液晶元件性能的实验装置的示图；

图6是示出在一个实施例中施加到液晶元件的驱动电压波形(顶端)以及根据一个实施例的元件的对应电光响应(底端)的示波器屏幕；

图7是示出对于在2kHz电光响应频率处具有对称矩形交替符号驱动电压脉冲的情况下在光透射饱和状态的包络曲线中根据一个实施例的元件的V形模式的曲线图；

图8是示出对于在800Hz和3.3kHz驱动电压频率处具有对称矩形交替符号驱动电压脉冲的情况下在光透射饱和状态的包络曲线中根据一个实施例的元件的V形模式的曲线图；

图9是示出根据一个实施例的元件的V形曲线饱和度与驱动电压频率的相关性的曲线图；

图10是示出根据一个实施例的元件的Δn_eff和Δα与驱动电压频率的相关性的曲线图；

图11是示出根据一个实施例结合三色LED施加到液晶元件上的驱动电压波形(顶端)以及该元件的对应电光响应(底端)的曲线图；

图12示出了根据一个实施例从指定所施加驱动电压的程序截取的截屏(左侧)以及对应的关于强度对波长的透射光谱(右侧)；

图13示出了根据一个实施例从指定所施加驱动电压的程序截取的截屏(左侧)以及对应的颜色输出名称(右侧)；

图14是示出根据一个实施例作为所施加驱动电压频率的函数的Goldstone模式电介质极化率的介电色散的曲线图；

图15是示出根据一个实施例的Δn_eff和Δα与所施加电压频率的相关性的曲线图；

图16是示出根据一个实施例施加到液晶元件的驱动电压波形(顶端)以及该元件的对应电光响应(底端)的示波器屏幕；

图17是示出根据一个实施例施加到液晶元件的驱动电压波形(顶端)以及该元件的对应电光响应(底端)的曲线图；

图18是示出对于在500Hz和2kHz电光响应频率处具有对称矩形交替符号驱动电压脉冲的情况下在光透射饱和状态的包络曲线中根据一个实施例的元件的V形模式的曲线图；

图19是示出根据一个实施例的手性近晶型铁电相的单位晶格的示意图，其中q_T表示单位晶格中具有相同偏离符号(左/右)的近晶层与螺旋轴的比；

图20是将手性近晶型反铁电C_A*相与根据一个实施例的手性C*相(左侧)进行比较的示图，其中P是自发极化向量；

图21示出了文献I的图1；以及

图22示出了文献I的图4。。

具体实施方式

现在参考图2，图示200示出了根据本发明一个实施例的液晶元件。在该实施例中，一个液晶元件中的手性液晶层是一个手性近晶型C*相的FLC，其螺旋结构的螺旋距p₀小于第一和第二基板间的间隙d，该结论是在任何情况下从液晶与基板的边界算起并在任何所施加驱动电压V的条件下得到的，其中所施加驱动电压V应当小于螺旋退绕的临界电压V_c。透明基板1位于透明导电层2的外侧。基板1例如是由玻璃或塑料制成的。导电层2(可以是ITO(氧化铟锡))被覆盖了任意的取向层，并且被连接到驱动电压源4。近晶层3垂直于基板1定位。β表示在没有施加电压的情况下偏振面与螺旋轴之间的角度。D表示光束孔径，其远大于螺旋距。X、Y、Z坐标轴同样被描述为Z轴沿螺旋轴和液晶层的主光轴对准、X轴垂直于基板、并且Y轴平行于基板。应该意识到驱动电压源4可以是薄膜晶体管(TFT)阵列，其特别适合具有多像素的液晶元件(例如LCD显示器)。

当螺旋距p₀小于FLC层厚度d_FLC并且所施加电场E小于螺旋退绕的临界电场E_c时，铁电近晶型C*液晶工作在被称为DHF(变形螺旋铁电液晶)效应的电光模式中。DHF FLC元件的电控双折射是光的快速调相的基础，其应用在FSC显示装置中。如图3所描述的，电控双折射Δn_eff(E)＝＜n_e(E)-n_o(E)＞是基于在电场中的FLC螺旋结构变形和FLC主轴的偏离Δα(E)。图3还示出了作为Δα(E)偏离与对穿过手性近晶型C*层的光进行调相共同得到的结果而发生的线性偏振光偏振面的偏离。

当螺旋轴和夹在一对基板1之间并位于交叉的起偏器和分析器之间的手性近晶型C*层3的主光轴平行或垂直于偏振面(即，图2中的β等于0或π/2)，并且将AC矩形电压脉冲V＜V_c施加给液晶时，首先，电光响应对驱动电压极性不敏感并且其时间常数小于100μs(以下结合图6进行描述)；并且其次，对于具有对称矩形交替符号驱动电压脉冲的情况，该元件在光透射饱和状态的包络曲线中表现出完美的高频(即，高于1kHz)V形模式(以下结合图7至图8描述)。应当意识到，尽管本发明的实施例在此描述了关于交叉起偏器的情况，但通过使用反射液晶元件和一个起偏器也能实现相同的效果。

Pozhidaev等人的“New Chiral Dopant Possessing High TwistingPower，”Mol.Cryst.Liq.Cryst.，509，1042-1050(2009)作为文献I(以下称为“Pozhidaev等人的(文献I)”)包括作为本申请的一部分并通过引用将该文献的全部内容并入本文以使其如同提供在权利要求书之前，基于该文献中所描述的手性掺杂物，可使用新一代DHF FLC混合物来制造液晶元件，该种新混合物具有大约300nm到330nm螺旋距p₀以及非常高的双折射。Pozhidaev等人的(文献I)表明，增加添加到DHF FLC混合物中的手性掺杂物的浓度会降低混合物的螺旋距，但添加过多的手性掺杂物会不利地影响混合物的其他参数。一种类型的手性掺杂物越“有效”，所需使用的量就越少，因此防止了元件其他参数的退化。因为与传统手性掺杂物相比Pozhidaev等人的(文献I)所描述的手性掺杂物的效率相对较高，所以DHF FLC元件可被制造成具有较低的螺旋距(＜400nm)，该螺旋距表现出以下所述的电光特性。

因此，如图4所示，在一个可见光谱范围内的光散射被完全排除，除了临界电压附近的区域。图4的曲线图400示出了螺旋退绕期间(由点示出)的DHF FLC电控双折射Δn_eff(E)。另外，曲线图400还示出了无起偏器的DHF FLC的光透射的施加电场(实线)与短螺旋距(p₀＝0.33μm)的相关性。在驱动电压频率为1kHz、波长λ＝0.63μm以及T＝23℃的条件下对一个1.75μm厚的DHF FLC元件执行测量，该DHF FLC元件是基于P.N.Lebedev Physical Institute of RussianAcademy of Sciences开发的铁电近晶型C*FLC-587。

另外，可使用Chigrinov on Photoalignment中描述的光控取向技术来用于制造FLC元件。FLC元件的ITO表面被覆盖上10到20nm的光控取向基板，例如偶氮苯磺染料SD-1(azobenzene sulfonic dye SD-1)层。azo染料溶液被旋涂在ITO电极上并在155℃的温度下干燥，使得ITO表面覆盖有20nm的SD-1层。使用超高压汞灯、365nm干涉滤光片、以及偏振滤光片来获得偏振UV光。强度为6mW/cm²且波长为365nm的UV光被垂直照射到SD-1层上。元件具有13x13mm²的尺寸，宽度接合区域(width patch area)为2mm，玻璃基板厚度为1.1mm，电极区域为5x5mm²。制造出具有元件间隙为1.7μm、10μm、21μm和50μm的不同元件。通过比较不同的DHF FLC元件，发现随着dFLC从1.7μm增加到50μm而使得取向质量随之改善，这可能是因为在厚度更高的FLC层中固体取向表面附近的螺旋失真相对于整体规则定向的重要性更小。尽管这里将光控取向描述为制造取向层的方法，但应该意识到本领域技术人员可通过本领域中已知的其他方法来制造取向层，例如通过斜向蒸镀、等离子束蚀刻、或通过使用磨面聚酰亚胺层。

置于交叉起偏器之间的DHF FLC元件的光透射T_h通过以下关系式来描述

$T_h={\sin }^{2}2[\mathrm{\β}\±\mathrm{\Δ\α}(E,f)]\·{\sin }^2\frac{\mathrm{\Δ\Φ}(E,f)}{2}---\left(1\right)$

其中β为输入的线性偏振光偏振面与z轴之间的夹角(见图4)。ΔΦ被表示为

$\mathrm{\Δ\Φ}\left(E\right)=\frac{2\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{FLC}}\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}(E,f,\mathrm{\λ})}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

在这些等式中，λ为波长，f为频率，并且ΔΦ(E，f，λ)为DHF元件发射的非寻常光束与寻常光束之间的相移。

在所有实验中都选择β＝0的几何结构以提供对驱动电压极性不敏感的电光响应。在此条件下遵循这些等式得到的最大光透射发生在Δα＝45°且ΔΦ＝π的情况下。因此FLC的倾斜角θ应接近45°以在β＝0处提供最大光透射。使用FLC-587的液晶元件的θ＝37°，其中Δα≤θ。根据以上表示了图4所示透射率与所施加电场之间关系的关系式来选择厚度为d_FLC＝1.75μm的FLC层，以在大约处满足ΔΦ＝π。

在自动状态下执行电光测量来测试液晶元件的性能。实验装置500可如图5那样配置。该实验装置500的基本组件是来自NationalInstrument s的计算机数据获取(DAQ)板NIPCI-6251。该板具有2个模拟输出和16个模拟输入，并且最小登记时间(registrationtime)为1μs。可使用来自Krohn-Hite公司的宽带功率放大器KH型7600，其放大系数为5倍和25倍。该放大器能够输出高达±250V的连续变化的电压。将光电检测器连接到输入面板来用于光学测量。

实验装置的软件具有模拟输出-输入的内建功能。程序具有三个功能模块来与实验装置进行非常高效地协作。第一模块是可编程发生器，用来在2000个点时长实现任意形式的信号。一个点时长可被设置为1μs到1s。第二模块是测量模块，其在1μs到1s步长内保存4000个输入电压值。在DAQ板内第一和第二模块的操作被同步并且不会受到计算机中断的干扰。第三模块用来累积实验数据。

使用该装置在β＝0的情况下在DHF FLC元件上执行测试，结果表明：第一，电光响应对驱动电压极性不敏感；第二，在对称矩形交替符号驱动电压脉冲的情况下，该元件表现出在光透射饱和状态的包络曲线中完美的高频(即，高于1kHz)V形模式。

图6描述了对应于图5的实验装置中的DHF FLC元件的示波器屏幕600，其中该元件填充了d_FLC＝1.75μm的FLC-587。图6中描述的顶端波形显示了施加给元件的驱动电压波形，其电压幅度为±8.8V且频率为1kHz。图6中描述的底端波形显示了元件的电光响应，其中将元件以β＝0布置在两个交叉的起偏器之间并在λ＝0.63μm处进行测量。电光响应频率为2kHz。从图6能够看出，以上结果与基于向列型液晶(NLC)的液晶元件类似，但针对和二者的响应时间都小于100μs，并且在E＜E_c的情况下不依赖于所施加的电压幅度。

图7是描述了在图6顶端所示的对称矩形交替符号驱动电压脉冲(驱动电压频率为1kHz)的情况下测量到的在光透射饱和状态的包络曲线中上述图6所描述的元件的V形模式的曲线图700。图8的曲线图800描述了与图7相同的内容，不同之处仅在于驱动电压频率为800Hz和3.3kHz。与平行起偏器之间放置空元件所定义的空元件的光透射T_h＝1进行比较来评估图7和图8中的光透射T_h。

从图7和图8中能够看出在具有对称矩形交替符号驱动电压脉冲的情况下在光透射饱和状态的包络曲线中元件表现出完美的高频(超过1kHz)V形模式。在0.2-4kHz的相当宽的范围内该V形切换都不取决于驱动电压频率。在应用了对称矩形交替符号驱动电压脉冲的情况下，具有这些对驱动电压极性无滞后且不敏感特性的电光响应属性的液晶元件非常适合于显示装置中的应用。

另一方面，如图9中的曲线图900所示，V形曲线的饱和度T_s(最大光透射)取决于驱动电压频率，因为如图10的曲线图1000中所示的那样，Δn_eff和Δα都取决于频率。图9和图10所描述的测量是在利用了d_FLC＝1.75μm、β＝0并且λ＝0.63μm的FLC-587的元件上执行的。与平行起偏器之间放置空元件所定义的光透射T_s＝1进行比较来评估该光透射T_s。

可使用上述关系式(1)和(2)以及图10的曲线图1000中描绘的Δn_eff和Δα来以高精确度评估图9的曲线图900中描述的相关性。应该意识到图9和图10描述了对具有d_FLC＝1.75μm、β＝0并且λ＝0.63μm的FLC-587的元件的电光响应，该元件工作在DHF模式中使用高达4kHz的驱动电压频率以及V＝±8.8V的驱动电压幅度。然而，对于其电光响应对驱动电压极性不敏感且无滞后的显示元件而言，低到480Hz的操作频率(即，驱动电压频率)足够用于传统的使用FSC的有源阵列LCD。具体来说，应当意识到DHF FLC适合包括微型投影仪在内的FSC微显示器。

为了演示在FSC显示应用中使用上述DHF FLC元件，将该DHFFLC元件与红、绿、蓝(RGB)三个基色光的LED一同工作。图11描述的曲线图1100示出了，对于以β＝0放置在交叉起偏器之间并具有d_FLC＝1.75μm的基于FLC-587的元件来说，如何动态调节基色光强度来控制基于原色的颜色坐标。顶端波形(对应于右侧y轴)示出了与对应的红、绿、蓝发光二极管切换开关顺序同步的驱动电压脉冲，并且底端波形(对应于左侧y轴)示出了元件的电光响应。每个色帧具有2ms持续时间，并且T_R，T_G和T_B分别是时间上连续的红、绿、蓝光的光透射。图11示出了在色帧内任何基色的光透射都不取决于驱动电压脉冲的极性，而仅仅取决于驱动电压脉冲的幅度，因此有T_R(+V_R)＝T_R(-V_R)、T_G(+V_G)＝T_G(-V_G)以及T_B(+V_B)＝T_B(-V_B)。图11还确认了能够针对色帧内任意基色的光产生对驱动电压极性无滞后且不敏感的电控光透射。

图12是示出了如何在1kHz色帧频率下使用对应光透射光谱在FSC应用中获得白、红、绿、蓝(分别从顶端到底端)的基色的示图1200。示图1200左侧的程序框对应于用来控制发送到液晶元件的电压脉冲的简单计算机程序。通过输入与针对每个三基色(RGB)期望的透射水平相对应的数字，能够获得对应于透射光谱的光。图13是示出了针对一些同样在色帧频率为1kHz的相同FSC应用中获得的其他中间色，即，青绿色、浅绿色、黄色、洋红色(分别从顶端到底端)而输入的RGB水平的示例图1300。将意识到输入程序框中的数字可以是任意单位的，或者可以实际对应于施加到液晶元件上的驱动电压的实际电压幅度。

在另一个实施例中，通过使用Pozhidaev等人的(文献I)中所描述的更高浓度的手性掺杂物，可获得螺旋距更短的FLC混合物来用于DHF FLC元件。这些光电元件在可见光谱范围中不会发生选择反射和衍射，因此在DHF模式下表现出非常完美的操作。将意识到以上参考图3和等式(1)、(2)所讨论的原理同样可被应用于这里所讨论的具有更短螺旋距的FLC，其中等式(2)的Δn_eff用来描述。

如果入射偏振光的传播方向平行于具有亚波长螺旋距的DHFFLC的近晶型层，则电控双折射与电场的平方成比例：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\left(E\right)=(n_e-n_0)\frac{{\sin }^{2}2\mathrm{\θ}}{1-\frac{3}{2}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{G}^2{E}^2,---\left(3\right)$

其中，θ是倾斜角，n₀和n_e分别是寻常折射率和非寻常折射率，并且

$G=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\χ}}_G}{P_s},---\left(4\right)$

其中ε₀是真空介电常数，P_s是自发极化，并且χ_G是Goldstone模式电介质极化率。如Pozhidaev等人的″Phase modulation and ellipticity ofthe light transmitted through a smectic C*layer with short helix pitch，″Liq.Cryst.37(8)，1067(2010)(该文献的全部内容通过引用并入本申请)中所描述的那样，在β＝0的情况下，偏离Δα(E)＜＜电场中FLC主轴的θ，并且该偏离Δα(E)与电场成比例：

$\mathrm{\Δ\α}\left(E\right)=\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{2(1-\frac{3}{2}{\sin }^2\mathrm{\θ})}\mathrm{GE}---\left(5\right)$

因此能够看出Δn_eff(E)and Δα(E)二者都取决于电介质极化率χ_G，而该电介质极化率χ_G与电介质色散有关。

具有亚波长螺旋距的DHF FLC元件的典型电介质色散可在1kHz到100kHz间的宽频范围内清楚地观测到。对于使用FLC-587在T＝22℃条件下制造的DHF FLC元件(其具有d_FLC＝3μm、自发极化P_s＝1.5x10^-3C/m²、螺旋距p₀＝150nm以及倾斜角θ＝35°并且其中λ＝0.628μm)，图14的曲线图1400示出了根据所施加驱动电压的频率的Goldstone模式电介质极化率的电介质色散。图15的曲线图1500示出了在与图14中所示色散χ_G(f)相同频率范围上的色散Δn_eff和Δα(f)。因此，尽管这些结果并不完全匹配，但对应于Δn_eff和Δα(f)的数据或者对应于χ_G(f)的数据可被用于等式(3)到(5)来根据所施加驱动电压频率预测关于DHF FLC其它特性的趋势。

在该实施例的DHF FLC元件中至少可以观测到两个主要的电光效应。这两个效应的不同之处主要与入射光偏振面相对于螺旋结构主光轴的方位有关。对应于DHF FLC的两个主要电光模式的两个方位是最重要的：|β|＝|Δα|以及β＝0或者π/2。

在第一模式中，当|β|＝|Δα|时，与传统SSFLC(表面稳定铁电液晶)元件的响应类似，电光响应对所施加电压的极性敏感。然而，DHFFLC元件的响应比传统SSFLC元件的响应快得多。图16描述的示波器屏幕1600示出了驱动电压波形(顶端)和元件的电光响应(底端)，其中驱动电压波形以β＝Δα＝22.5°施加到上述基于FLC-587的元件(T＝22℃、d_FLC＝3μm、λ＝0.628μm)，该波形具有±15V的幅度和50kHz的频率，并且该元件的电光响应的频率也是50kHz。从图16中还能够看出在50kHz的驱动电压频率下响应时间为

在元件工作在色散区(见图15)期间，分子与它们的平衡位置的实际偏离随着所施加电压频率的增加而变小。因此，到达新平衡位置所需的时间随着所施加电压频率的增加而减小。然而，实现DHF FLC最大光透射的条件并不取决于分子偏离的量。为了满足最大光透射的条件，应满足以下条件(从等式(1)和(2)中推导得出)：

β＝Δα＝22.5°，(6)以及

$\frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}{d}_{\mathrm{FLC}}}{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{2}.---\left(7\right)$

对于本实施例中描述的DHF FLC元件，如图15的曲线图1500中的点箭头所示，在控制电压频率f＝50kHz处满足了条件(6)和(7)。在更高的频率也能满足条件(6)和(7)，例如在Chigrinov等人的″Liquidcrystal switchers for Fiber Optics，″Second Asia-Pacific Polymer FiberOptics Workshop，149(2003)文献(该文献的全部内容通过引用并入本申请中)的上下文中描述的其他类型装置中，在f＝85kHz处实现了电光响应时间τ_0.1-0.9＝850ns。因此，当|β|＝|Δα|时，DHF FLC的电光模式可提供亚微秒的响应时间，这些时间与温度无关。在Pozhidaev等人的″High Frequency and High Voltage Mode of Deformed HelixFerroelectric Liquid Crystals in a Broad Temperature Range，″vol.246(1-4)，235(2000)文献(该文献的全部内容通过引用并入本申请中)关于类似化学混合物的上下文中也示出了这种与温度无关的特性。

在第二模式中，当β＝0或π/2时，与NLC元件类似，电光响应对驱动电压极性不敏感，但响应时间比NLC快两个数量级，具有和图17的曲线图1700描述了在β＝0时置于交叉起偏器之间的d_FLC＝1.7μm的基于FLC-587的元件的所施加驱动电压(顶端波形，右侧y轴)与电光响应(底端波形，左侧y轴)之间的关系。电光响应频率f_el比驱动电压频率f_av高两倍。图18的曲线图1800描述了根据图17的矩形交替电压在响应频率f_el＝2kHz和500Hz的情况下(相对于将空元件置于平行起偏器之间的透射T＝1来对T进行评价)测得的光透射水平的饱和水平中的V形模式。如图18所示，针对矩形交替施加电压脉冲而获得的响应表现出在光透射的饱和水平中完美的V形模式。图17所示的驱动电压波形建立了无法观测到滞后的条件，因为光透射水平的寻址从相同的非变形螺旋开始，该螺旋在两个交替符号的脉冲之间的零电压处形成。因此，基于所施加的矩形交替电场波形、频率和元件结构，该V形电光响应是DHF FLC的一个特性。

在又一实施例中，液晶元件的手性液晶层可以是具有任意可能的手性近晶型相的铁电液晶，其螺旋结构的螺旋距在任意边界条件和任意小于螺旋退绕临界电压V_c的施加驱动电压V条件下小于第一与第二基板间隙。图19描述的示图1900示出了根据一个实施例的手性近晶型铁电相的单位晶格，其中q_T表示单位晶格中具有相同偏离符号(左/右)的近晶型层与螺旋轴的比。如果夹在一对基板之间并被置于两个交叉的起偏器和分析器之间的螺旋轴和手性铁电液晶层的主光轴平行或垂直于偏振面(类似于上面在图2中示出的β＝0或β＝π/2)，并且将幅度V＜V_c的AC矩形电压脉冲施加到液晶，则首先，电光响应不对驱动电压极性敏感，第二，在应用对称的矩形交替符号驱动电压脉冲的情况下(类似于图6的曲线图中在顶端示出的波形)，该元件表现出在光透射饱和状态的包络曲线中完美的高频(高于1kHz)V形模式(类似于图8所示的曲线图)。

在另一个实施例中，液晶元件的手性液晶层可以是手性近晶型C_A*相的反铁电液晶，其螺旋结构的螺旋距在任意边界条件和任意小于螺旋退绕临界电压V_c的施加驱动电压V条件下小于第一与第二基板间隙。图20描述了包括将手性近晶型反铁电C_A*相与根据一个实施例的手性C*相(左侧)进行比较的示图2000，其中P是自发极化向量。如果夹在一对基板之间并被置于一对交叉的起偏器和分析器之间的螺旋轴和手性近晶型C_A*相层的主光轴平行或垂直于偏振面(类似于上面在图2中示出的β＝0或β＝π/2)，并且将幅度V＜V_c的AC矩形电压脉冲施加到液晶，则首先，电光响应不对驱动电压极性敏感，第二，在应用对称的矩形交替符号驱动电压脉冲的情况下(类似于图6的曲线图中在顶端示出的波形)，该元件表现出在光透射饱和状态的包络曲线中完美的高频(高于1kHz)V形模式(类似于图8所示的曲线图)。

因此将意识到使用这里所描述的实施例可制造出新颖的光对准DHF FLC装置、DHF铁电液晶装置、以及DHF反铁电液晶装置，这些装置的应用包括具有高分辨率、低功耗和扩展色域的FSC FLC，该FSC FLC可被用于便携式PC、移动电话、PDA、FSC FLC微型显示器等的屏幕。

这里所举的包括出版物、专利申请以及专利的所有参考内容都按照针对每个参考个别特定指明的将被合并的参考范围来并入本文，并且在本文中列出了全部参考内容。

描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)所使用的术语“一个”、“该”等类似的指代除非在文中另有明确指出以外，都即覆盖单数情况也覆盖复数情况。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”除非另有特别说明以外都构成开放术语(即，意味着“包括但不限于)。这里对值的范围的陈述仅仅意在作为一种对落入该范围内的每个单独值进行个别提及的简化方法，除非另有说明，否则每个单独值如其被个别陈述那样并入本说明书中。这里描述的所有方法都可按照任意适当顺序来执行，除非在文中另有说明。这里对任何及所有示例及示例性语言(例如，“诸如”)的使用都仅是意在更好的描述本发明，而并不对本发明的范围进行限制，除非另有要求。说明书中不应有语言被构成为将任何非要求保护的组件指定为本发明实际所需的要素。

这里描述了本发明的优选实施例，包括发明人所知的用来执行本发明的最佳模式。在阅读了前面的描述之后，本领域技术人员容易对这些优选实施例作出改变。发明人而非本领域技术人员使用这些改变是适当的，并且发明人希望本发明能在除本文特别描述以外的其他方式下进行实践。因此，本发明包括法律允许的所附权利要求中陈述主题的所有变型和等价物。而且，所有可能改变中的组件的结合都包含在本发明内，除非在文中另有说明。

文献I：Pozhidaev等人的“New Chiral Dopant Possessing HighTwisting Power，”Mol.Cryst.Liq.Cryst.，509，1042-1050(2009)[引用于此的选段进行了格式改变以符合专利局的要求]。

引言

获得具有期望特性的铁电液晶(FLC)多组分合成物的最合理且低价的方法是将手性掺杂或掺杂物的合成物混合入手性近晶型C矩阵。该方法使得通过将FLC的产生过程分成两个阶段来使产生FLC的问题变得简单，所述两个阶段中的第一个阶段是确立手性矩阵制备处理所需的特性，诸如相位序列、近晶型C相的宽温度范围、旋转粘滞性分子倾斜角θ等。第二个阶段是根据所使用的电光效应类型对提供了预定数量的自发极化P_s和适当螺旋距p₀的手性掺杂进行选择。

应当这样选择手性掺杂的结构，即，将该手性掺杂引入近晶型C矩阵将不会对矩阵基本参数尤其是近晶型C相的温度范围造成很大改变。在此意义上最为合适的化学类型之一是p-三联苯-二羧基酸(p-terphenyl-dicarboxylic acid)的衍生物，其即使是非介晶的也能够在被添加到手性近晶型C矩阵时扩大混合物的C*相温度范围。

p-三联苯-二羧基酸(p-terphenyl-dicarboxylic acid)的手性衍生物在向列型和层列型C*相二者中都占用更高的螺旋扭转力。这就是为什么有了这些手性掺杂便第一次观察到了小于1μm的层列型C*相的螺旋距。而且，变形螺旋铁电(DHF)液晶的电光模式被认为是非常适合于低压快速切换(响应时间小于200ms)的液晶光快门的工作模式。

所有FLC混合物，在制备用于DHF-效应之前，都具有螺旋距，这在可见光谱范围内提供了选择性的光反射，因此螺旋距显然是大于400nm的。这就是为什么光散射伴随着置于两个交叉的起偏器之间的DHC元件的电光响应。遮光器的对比度受到这种光散射的限制，因此，期望p₀幅度向下到UV光谱范围的偏移通过抑制光散射来改善DHC元件的光质量。

本论文涉及对一种新的手性掺杂的合成与研究，该新的手性掺杂属于terphenyldicarboxylic酸的变型，并具有远高于此前已知系列的任何手性化合物的扭绞功率。

合成

图21中示出了新的掺杂

(R，R)-bis-(1，1，1-trifluorooct-2-yl)-4，400-terphenyldicarboxylate(FOTDA)的化学结构。

如文献I的图1所示实现了此掺杂的合成[见本发明的图21]。

[图21]FOTDA的合成方案，其中通过从ethyl trifluoroacetate(I)开始的三阶段合成来得到i：C₆H₁₃MgBr，Et₂O，reflux 4h；ii：chloroacetylchloride，pyridine，Et₂O/benzene；iii：从Candida rugosa得到的脂酶，磷酸盐缓冲液，pH 7.28，38℃，12h；iv：4，4”-terphenyl dicarboxylic aciddichloranhydride，pyridine/toluene，reflux.S)-1，1，1-trifluorooctan-2-ol(S-II)。I经过一点Grignard增/减序列，从而形成消旋酒精(II)[8]。通过与文献[7]中描述的方法类似的消旋-II的chloroacetic ester的enzymatic kinetic分解，以36％的产率(＞98％ee)得到旋光S-II。S-II与4，4”-terphenyl dicarboxylic acid dichloride的反应以23％的产率给出目标化合物FOTDA(III)。

材料

Ethyl trifluoroacetate，p-terphenyl，bromohexane，magnesium fillings，chloroacetyl chloride，NaOH，KH₂PO₄，silica gel 0.035-0.070mm(Acros)，从Candida rugosa得到的脂酶，type VII(Sigma)以及所有使用的溶剂和酸均能够商业购得。在使用前所有溶剂都被蒸馏并干燥(如果需要)。如[8]中所述得到n-Hexylmagnesium bromide。根据[10]从p-terphenyl得到4，4”-Terphenyldicarboxylic acid dichloride。通过将所得样本 的旋光度与lit.data[11]进行比较来评估(R)-1，1，1-trifluorooctan-2-ol的ee。

(R，R)-bis-(1，1，1-trifluorooct-2-yl)-4，4”-terphenyldicarboxylate(FOTDA)。100ml甲苯中的(R)-1，1，1-trifluorooctan-2-nol(2.9g，15.7mmol)溶液被逐滴添加至150ml干甲苯中的4，4”-terphenyldicarboxylicacid dichloranhydride，(2.13g，6.7mmol)冷却溶液中，然后添加干嘧啶(20ml)。反应混合物冷却整夜，然后在真空中浓缩。以己烷为洗脱液，在硅胶上对残余物进行色谱分离；在真空中对包含期望产物的部分进行浓缩，其中以粗FOTDA为包含根据HPLC的基本杂质量的玉米黄色油。随后通过制备的HPLC进行进一步提纯，其中在改型Soxlet设备中通过硅胶的短塞利用热己烷进行提取，并且MeOH的低温结晶会以23％的产率给出白色晶体FOTDA。

NMR¹H(CDCl₃，δ，ppm，J/Hz)：8.17(4H，d，8.2Hz)，7.74(4H，d，8.2Hz)，7,74(4H，s)，5.57(2H，sext.，6.6Hz)，1.90(4H，d，7.1Hz)，1.33(16H，m)，0.86(6H，t，6.3Hz)；

MS(m/z(I_rel.，％)：652(6.9)，651(37.1)，650(100.0，M⁺)，486(3.8)，485(18.2)，484(34.6)，468(12.6)，467(45.1)，439(5.0)，319(18.7)，318(74.1)，301(21.5)，229(13.3)，228(34.8)，227(14.8)，226(17.6)，202(6.0).

显微镜检测到的化合物FOTDA的熔点是42.2℃。

通过DCS检测到的化合物FOTDA的熔点是42.12℃，熔化热是3.9kcal/M。

结果和讨论

已知在具有低浓度手性掺杂物的近晶型液晶的混合物中，螺旋波矢量q₀由下列公式[3]表示：

q₀＝2π/p₀＝λ₀C_ch       (2)

其中λ₀是混合物的扭转力，p₀是螺旋距，C_ch是掺杂物的重量浓度。实验发现在由公式(2)来描述取决于具有掺杂FOTDA的5CB的二元混合物的q₀(C_ch)。

已经很好地测量出螺旋距p₀对其混合物中具有特别开发的非手性近晶C多组分阵列的手性掺杂物FODTAp₀(C_chm)的摩尔浓度C_chm的依赖关系(见文献I的图4)(见本发明的图22)。显然，q₀(C_chm)依赖关系(见文献I的图4)(见本发明的图22)显示了近晶C*相的阈值。之前的[12，13]已经描述了螺旋距的类似行为。

这意味着公式(2)对于近晶型C*相是无效的，并且该基本现象的根源还不清楚。近晶型C*相中的q₀(C_chm)依赖关系的分析表达式可以表示为：

$q_0=\frac{{\mathrm{\λ}}_{0m}}{2}[(C_{\mathrm{chm}}-C_{\mathrm{chm}}^{\mathrm{th}})+|C_{\mathrm{chm}}-C_{\mathrm{chm}}^{\mathrm{th}}\left|\right],---\left(3\right)$

其中是阈值浓度，λ_0m是有关手性掺杂物的摩尔浓度的扭转力。文献I的图4(本发明的图22)中表现出的实验依赖关系q₀(C_chm)可以在的条件下由关系式(3)给出。因此，与在近晶型C*相之前描述的任何一种方案相比，扭转力都很高，例如[3]。

文献I的图4(本发明的图22)螺旋距和波矢量对具有手性近晶型C多组分阵列的混合物中的FOTDA的摩尔浓度的依赖关系。在从A*-C*相转变(T_c-T)＝35℃的温度间隔下执行测量。

Claims (13)

1.一种液晶显示元件，具有快速响应和连续灰度级，该液晶显示元件包括：

手性近晶型液晶层，位于两个基板之间，该液晶层包括螺旋结构，所述螺旋结构的螺旋距小于该液晶层厚度；

至少一个起偏器，位于基板外侧；以及

电压源，用于给液晶显示元件施加驱动电压，

其特征是，

驱动电压幅度小于液晶层的螺旋结构的螺旋退绕的临界电压幅度；

在没有施加驱动电压的稳态下液晶层的主光轴与液晶层的螺旋结构的螺旋轴一致，以及

在施加驱动电压的作用下螺旋轴偏移主光轴以实现连续的灰度级。

2.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中该液晶显示元件是场序彩色液晶显示器的一部分。

3.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中手性近晶型液晶层是手性近晶型C*相的铁电液晶层。

4.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中手性近晶型液晶层代表了任意手性近晶型相的铁电液晶。

5.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中手性近晶型液晶层代表了手性近晶型CA*相的反铁电液晶。

6.如权利要求2所述的液晶显示元件，其中场序彩色液晶显示器包括时间上连续地发出施加到像素的光的红色、绿色、蓝色的发光源，所述发光源是发光二极管。

7.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中驱动电压是由薄膜晶体管阵列形成的。

8.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中基板是由玻璃或塑料制成的并被覆盖了氧化铟锡层。

9.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中液晶显示元件还包括至少一个取向层，其中所述至少一个取向层是以下层之一：光取向层、磨面聚酰亚胺层、以及通过斜向蒸镀形成的取向层。

10.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中液晶显示元件包括两个起偏器，其中这两个起偏器是交叉的。

11.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中液晶显示元件是反射型的并且只使用一个起偏器。

12.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中驱动电压包括电压脉冲。

13.如权利要求1所述的液晶显示元件，其中驱动电压包括对称矩形交替符号电压脉冲。