CN106200085A - 光波导显示基板及其制备方法和显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于显示技术领域，具体涉及一种光波导显示基板及其制备方法和显示装置。该光波导显示基板，包括侧光源、交变电场电极以及光散射层，所述侧光源设置于对应着所述光散射层的至少一侧，所述光散射层在交变电场的作用下能在透明状态与光散射态之间转换，以便将所述侧光源的入射光以与入射方向正交的方向散射出以形成显示图像；所述光散射层采用具有液晶相的聚合物单体与非晶体铁电液晶材料形成。该显示基板通过采用具有液晶相的聚合物单体与非晶体铁电液晶材料形成光散射层，能提高响应速度，降低驱动电压，提高器件的工作效率。

Description

光波导显示基板及其制备方法和显示装置

技术领域

本发明属于显示技术领域，具体涉及一种光波导显示基板及其制备方法和显示装置。

背景技术

随着显示技术的发展，以液晶显示装置为代表的平板显示已经成为目前的主流。随着新材料、新技术的发展，以液晶显示装置为基础衍生出新型的显示技术，例如光波导显示。目前的液晶显示装置大多采用向列式液晶作为介质，存在响应速度较慢，驱动电压较高的问题。

因此，如何提高光波导显示器件的驱动电压和响应时间成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种光波导显示基板及其制备方法和显示装置，至少部分解决光波导显示器件的驱动电压和响应时间的问题。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该光波导显示基板，包括侧光源、交变电场电极以及光散射层，所述侧光源设置于对应着所述光散射层的至少一侧，所述光散射层在交变电场的作用下能在透明状态与光散射态之间转换，以便将所述侧光源的入射光以与入射方向正交的方向散射出以形成显示图像；所述光散射层采用具有液晶相的聚合物单体与非晶体铁电液晶材料形成。

优选的是，所述具有液晶相的聚合物单体形成的聚合物网络与所述非晶体铁电液晶材料的比例范围为(1-10):(99-90)。

优选的是，所述具有液晶相的聚合物单体材料包括双丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯或其他不饱和聚酯预聚物。

优选的是，所述非晶体铁电液晶材料包括铁电液晶材料或反铁电液晶材料，所述铁电液晶材料包括苄叉类铁电液晶、芳羧酸酯类铁电液晶，所述反铁电液晶材料包括MHTAC、10B1M5或MHPOBC。

优选的是，所述聚合物单体为双丙烯酸酯单体，所述铁电液晶材料的相变顺序为Iso(114℃)N*-(91℃)SA(59℃)Sc*。

优选的是，所述交变电场电极包括相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别设置于所述光散射层的两侧，所述第一电极与所述光散射层之间还设置有第一取向层，所述第二电极与所述光散射层之间还设置有第二取向层，其中：所述第一电极为板状，用于提供公共参考电压；所述第二电极包括多个阵列排列的子电极，每一所述子电极用于为其所对应区域的所述非晶体铁电液晶材料提供形成散射角度的偏转电压。

优选的是，所述第二电极中的所述子电极为板状；所述光波导显示基板还进一步包括控制元件，每一所述控制元件的输出端与所述子电极连接，用于为所述子电极提供所述非晶体铁电液晶材料散射的偏转电压。

一种显示装置，包括上述的光波导显示基板。

一种上述的光波导显示基板的制备方法，形成所述光散射层的步骤包括：

在暗室中将聚合物单体与光敏剂掺入到非晶体铁电液晶材料中形成混合物；

将所述混合物进行搅拌并加热，灌注入交变电场电极之间形成液晶盒；

将所述液晶盒进行紫外固化，同时对液晶盒施加交变电场，得到聚合物网络稳定的光波导显示基板。

优选的是，所述混合物中，所述聚合体单体、所述光敏剂及所述非晶体铁电液晶材料的质量百分比范围为(3～5):(0.5～1.5):(93.5～96.5)。

优选的是，灌注形成所述液晶盒之前，将所述混合物在磁力加热搅拌器上搅拌时长范围为20-40min，并加热至温度范围为80-100℃后。

优选的是，所述液晶盒的紫外固化时长范围为20-40min，交变电场为(±50V，10Hz)，以使得在聚合物网络单体聚合过程中所述非晶体铁电液晶材料形成条纹织构。

本发明的有益效果是：该光波导显示基板通过采用具有液晶相的聚合物单体与非晶体铁电液晶材料形成光散射层，能提高响应速度，降低驱动电压，提高器件的工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例1中光波导显示基板的结构示意图；

图2为图1中光波导显示基板未加电的工作状态的光路示意图；

图3为图1中光波导显示基板加电的工作状态的光路示意图；

图中：

1－侧光源；2－第一衬底；3－第一电极；4－光散射层；41－聚合物网络；42－铁电液晶分子；5－第二电极；6－第二衬底。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明光波导显示基板及其制备方法和显示装置作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种光波导显示基板及其制备方法，该光波导显示基板能提高显示装置响应速度，降低驱动电压。

该光波导显示基板包括侧光源、交变电场电极以及光散射层，侧光源设置于对应着光散射层的至少一侧，光散射层在交变电场的作用下能在透明状态与光散射态之间转换，以便将侧光源的入射光以与入射方向正交的方向散射出以形成显示图像；光散射层采用具有液晶相的聚合物单体与非晶体铁电液晶材料形成。该光波导显示基板能提高响应速度，降低驱动电压，提高器件的工作效率。

如图1所示，该光波导显示基板包括侧光源1以及依次层叠的透明的第一衬底2、第一电极3、光散射层4、第二电极5、透明的第二衬底6等结构。其中，侧光源1提供边缘LED入射光，通过聚光镜调节入射光线角度，第一电极3为公共电极并集成了聚酰亚胺(PI)取向层，第二电极5为驱动电极并集成了PI取向层，光散射层4为聚合物网络-铁电液晶混合层，第一电极3和第二电极5为光散射层4提供交变电场。

根据光传播原理，光能被局限于特定的区域内传播，通常情况下可以被限定在与传播方向垂直的限定截面内，约束导波光的介质称之为光波导(optical wave guide)。基于光波导的原理，光波导器件在信息获取、信息传输、信息处理等领域有着广泛的应用，本实施例中的光波导显示基板即基于液晶盒设计了透明光波导显示基板，其中的核心为光散射层4。即该光波导显示基板通过将液晶盒设置为导光板结构，并在其中灌入液晶分子和可聚合的小分子的共混物。利用UV光照聚合小分子形成聚合物网络，形成对光散射的约束。目前的液晶显示基板中，为了控制液晶在未施加电压时的排列状态，在形成液晶盒的基板内表面涂布一层PI取向膜，将表面的液晶分子固定在所需的排列方向上，使得当在液晶层上施加电压时，液晶分子排列方向与电场方向平行。而在本实施例光波导显示基板的液晶盒中，可聚合的单体小分子在UV光照射下形成不规则排布的聚合物网络，导致非晶体铁电液晶分子在施加电压后的排布方向不一致，形成对入射光的散射。

在本实施例中，具有液晶相的聚合物单体形成的聚合物网络与非晶体铁电液晶材料的比例范围为(1-10):(99-90)。通过具有液晶相的聚合物单体形成的聚合物网络与非晶体铁电液晶材料的比例，形成聚合物网络稳定的铁电液晶。

优选的是，具有液晶相的聚合物单体材料包括双丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯或其他不饱和聚酯预聚物。上述具有液晶相的聚合物单体材料，取材广泛容易，本实施例中光波导显示基板中聚合物材料以双丙烯酸酯作为示例。

其中，非晶体铁电液晶材料包括铁电液晶材料或反铁电液晶材料，铁电液晶材料包括苄叉类铁电液晶、芳羧酸酯类铁电液晶，反铁电液晶材料包括MHTAC、10B1M5或MHPOBC。上述非晶体铁电液晶材料，取材广泛容易，本实施例中光波导显示基板中光散射材料以铁电液晶作为示例，但上述反铁电液晶材料或者其他铁电液晶材料中的任一种类似的材料也可使用。

一种优选的形成聚合物网络-铁电液晶混合层的方式为，聚合物单体为双丙烯酸酯单体，铁电液晶材料的相变顺序为Iso(114℃)N^*-(91℃)S_A(59℃)Sc^*。上述具有液晶相的聚合物单体材料和非晶体铁电液晶材料的具体配合，得到聚合物网络稳定的铁电液晶。

当然，为了实现光散射层4对光的调控作用，其中的交变电场起到了重要的作用。交变电场电极包括相对设置的第一电极3和第二电极5，第一电极3和第二电极5分别设置于光散射层4的两侧，第一电极3与光散射层4之间还设置有第一取向层(图1中视为与第一电极3集成并以同一附图标记标识)，第二电极5与光散射层4之间还设置有第二取向层(图1中视为与第二电极5集成并以同一附图标记标识)，其中：第一电极3为板状，用于提供公共参考电压；第二电极5包括多个阵列排列的子电极，每一子电极用于为其所对应区域的非晶体铁电液晶材料提供形成散射角度的偏转电压。在表面PI取向层和聚合物网络共同限制作用下，随着液晶盒电极间电压的变化，形成显示图像。

相应的，本实施例还提供上述的光波导显示基板的制备方法，其中最核心的为形成光散射层4的制备。

光波导显示基板的制备方法具体包括步骤：

1)准备第一衬底2和第二衬底6。

在该步骤中，将作为第一衬底2和第二衬底6的玻璃基板采用标准方法清洗；并且，第一衬底2和第二衬底6的其中任一的玻璃基板上方形成光线透过控制部件(通常为薄膜晶体管)，实现液晶偏转电场的电压控制，以便于背光源的光透过液晶；另一玻璃基板上方形成彩色显示部件，用于对透过的光进行彩色化处理。

2)分别形成第一电极3并集成第一取向层、形成第二电极5并集成第二取向层。

在该步骤中，首先，在第一衬底2和第二衬底6上分别形成电极图形。在其中一块上溅射200nm的ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)电极材料，采用光刻工艺、刻蚀工艺形成驱动电极的图形；在另一块上溅射350nm的ITO电极材料，并形成公共电极的图形；

然后，旋涂PI取向膜：将第一衬底2和第二衬底6具有电极图形的一面分别涂上取向剂，放到旋涂机内旋涂，转速设为2500转，时间为120s。

其次，对PI取向膜进行固化：将旋涂好的第一衬底2和第二衬底6置于烘箱内，温度设定为80℃，烘干预热30min；再将温度设定为200℃，烘烤2h。

最后，对PI取向膜进行摩擦取向；将烘干好的第一衬底2和第二衬底6，放在配向摩擦机的滑台上，转速调为2500转，完成摩擦取向。

3)将封框胶用丝网印刷的方法分别对第一衬底2和第二衬底6边缘的玻璃基板印上边框胶和导电胶。

4)在第一衬底2或第二衬底6任一的上方喷洒间隔子(即隔垫物)，对位压合后固化，第一衬底2或第二衬底6之间形成空盒，该空盒形成的有限空间即光的束缚空间(即光波导)。

5)将铁电液晶和聚合物单体混合物灌入空盒内，并将注入口封堵，形成光散射层4。

在该步骤中，首先，在暗室中将聚合物单体与光敏剂掺入到非晶体铁电液晶材料中形成混合物。在该步骤中，混合物中聚合体单体、光敏剂及非晶体铁电液晶材料的质量百分比范围为(3-5):(0.5-1.5):(93.5-96.5)。预设混合物中各材料的比例范围，以实现光散射层4的制备。优选的是，铁电液晶材料为SCE-9，其相变顺序为Iso(114℃)N*-(91℃)SA(59℃)Sc*，最终形成铁电液晶态；所用聚合物的单体是一种具有液晶相的双丙烯酸酯。聚合物单体、光敏剂及铁电液晶材料的质量百分比范围为3～5：0.5～1.5：96.5～93.5，优选为4：0.5：95.5。

接着，将混合物进行搅拌并加热，灌注入交变电场电极之间形成液晶盒。在该步骤中，将混合物在磁力加热搅拌器上搅拌时长范围为20-40min，将混合物加热至温度范围为80-100℃后，灌注形成液晶盒。通过设定搅拌和加热的条件，实现光散射层4的制备。优选的是，将混合物在磁力加热搅拌器上搅拌30min；将混合物加热到90℃后，灌注入液晶盒中。

最后，将液晶盒进行紫外固化，同时对液晶盒施加交变电场，得到聚合物网络稳定的铁电液晶显示基板。在该步骤中，液晶盒的紫外固化时长范围为20-40min，交变电场为(±50V，10Hz)，以使得在聚合物网络单体聚合过程中非晶体铁电液晶材料形成条纹织构。优选的是，将液晶盒置于紫外光中进行紫外固化的固化时间为30min，同时对液晶盒施加(±50V，10Hz)的交变电场以辅助固化，通过设定固化和电场的条件，实现光散射层4的制备，从而得到聚合物网络稳定的铁电液晶盒。

在聚合物网络稳定的铁电液晶模式中，在铁电液晶中掺入少量预聚物单体，经过紫外光照射后形成网络结构，并通过控制网络的疏密和取向来实现连续灰度。聚合物网络单体聚合过程中同时施加低频交变电场作用，得到了一新的液晶分子排列织构——条纹织构，获得了可实现多极灰度的“V”字型电光特性曲线。“V”字型电光特性曲线意味着铁电液晶旋转方向随着电压有线性变化，从而可实现不同电压下的不同亮度。

向列式液晶与受聚合物网络结合使用，其响应速度最高也只能达到10ms左右；而本实施例采用非晶体铁电液晶与受聚合物网络结合使用，理论响应速度能达到μs量级，并且具有视角较宽的优点，在许多应用场景中有独到的优势。

如图2和图3所示，本实施例中光波导显示基板的工作原理为：

图2中，亮侧光源1，交变电场电极不加电时，整个光波导显示基板为透明状态(接近99％)，入射光在第一衬底2和第二衬底6之间反射(实线箭头代表反射光)；

图3中，点亮侧光源1，交变电场电极施加电压时，利用聚合物网络稳定的铁电液晶作为光波导器件中的光散射层4，通过控制边缘入射光的入射角度，使得在第一衬底2或第二衬底6和空气界面处形成全反射(实线箭头代表反射光)；同时在表面PI取向层和聚合物网络共同限制作用下，随着液晶盒电极间电压的变化，铁电液晶的取向排列不一致，折射率产生差异，能够将边缘入射光散射出光波导显示基板(虚线箭头代表散射光)，形成显示图像。

可见，本实施例的光波导显示基板中，入射光大于全反射角入射到液晶盒内，由于玻璃和液晶的折射率都是1.5左右，会发生全发射现象，光线只在液晶盒内传播。这时施加电压会改变液晶的排列方向，液晶同时受到取向膜、交变电场和聚合物网络三者的作用力，尤其是聚合物网络是随机分布的，液晶的排列方向比较混乱，将入射光散射出液晶盒。该光波导显示基板的光透过率高，铁电液晶的响应速度更快，进一步降低了器件的驱动电压。

本实施例中的光波导显示基板，利用聚合物网络稳定的非晶体铁电液晶形成光散射层，在表面PI取向层和聚合物网络共同限制作用下，随着液晶盒电极间电压的变化，能够在透明状态和光散射状态之间转变，能够进一步提高光透过率，提高响应速率，降低光波导显示基板的驱动电压，提高器件的工作效率。相对于现有的采用向列式液晶形成的光波导显示装置，电压作用下液晶排列方式不同，响应速度和驱动电压均得到了较大的改善。

实施例2：

本实施例提供一种光波导显示基板及其制备方法，该光波导显示基板能提高显示装置响应速度，降低驱动电压。

在实施例1的光波导显示基板的基础上，进一步优选的是，交变电场电极其中之一的第二电极5中的子电极为板状；光波导显示基板还可以进一步包括控制元件，每一控制元件的输出端与子电极连接，用于为子电极提供非晶体铁电液晶材料散射的偏转电压。利用控制元件，在前一实施例的粗放式的控制模式的基础上，提供对铁电液晶取向排列的精细化控制。

本实施例中的光波导显示基板，受到聚合物网络的影响，在加电状态下，非晶体铁电液晶取向逐渐混乱，受到折射率差的影响，对光线进行散射，从而进行显示，相对于现有的采用向列式液晶形成的光波导显示装置，电压作用下液晶排列方式不同，响应速度和驱动电压均得到了较大的改善。

实施例3：

本实施例提供一种显示装置，包括实施例1或实施例2中的光波导显示基板。

该显示装置可以为：透明液晶面板、VR/AR装置、汽车挡风玻璃及仪表盘、博物馆展览橱窗、电子纸、手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。

该显示装置具有更快的响应速度和更低的驱动电压，显示性能更佳。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种光波导显示基板，其特征在于，包括侧光源、交变电场电极以及光散射层，所述侧光源设置于对应着所述光散射层的至少一侧，所述光散射层在交变电场的作用下能在透明状态与光散射态之间转换，以便将所述侧光源的入射光以与入射方向正交的方向散射出以形成显示图像；所述光散射层采用具有液晶相的聚合物单体与非晶体铁电液晶材料形成。

2.根据权利要求1所述的光波导显示基板，其特征在于，所述具有液晶相的聚合物单体形成的聚合物网络与所述非晶体铁电液晶材料的比例范围为(1-10):(99-90)。

3.根据权利要求1所述的光波导显示基板，其特征在于，所述具有液晶相的聚合物单体材料包括双丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯或其他不饱和聚酯预聚物。

4.根据权利要求1所述的光波导显示基板，其特征在于，所述非晶体铁电液晶材料包括铁电液晶材料或反铁电液晶材料，所述铁电液晶材料包括苄叉类铁电液晶、芳羧酸酯类铁电液晶，所述反铁电液晶材料包括MHTAC、10B1M5或MHPOBC。

5.根据权利要求1所述的光波导显示基板，其特征在于，所述聚合物单体为双丙烯酸酯单体，所述铁电液晶材料的相变顺序为Iso(114℃)N*-(91℃)SA(59℃)Sc*。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光波导显示基板，其特征在于，所述交变电场电极包括相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别设置于所述光散射层的两侧，所述第一电极与所述光散射层之间还设置有第一取向层，所述第二电极与所述光散射层之间还设置有第二取向层，其中：所述第一电极为板状，用于提供公共参考电压；所述第二电极包括多个阵列排列的子电极，每一所述子电极用于为其所对应区域的所述非晶体铁电液晶材料提供形成散射角度的偏转电压。

7.根据权利要求6所述的光波导显示基板，其特征在于，所述第二电极中的所述子电极为板状；所述光波导显示基板还进一步包括控制元件，每一所述控制元件的输出端与所述子电极连接，用于为所述子电极提供所述非晶体铁电液晶材料散射的偏转电压。

8.一种显示装置，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的光波导显示基板。

9.一种权利要求1所述的光波导显示基板的制备方法，其特征在于，形成所述光散射层的步骤包括：

在暗室中，将聚合物单体与光敏剂掺入到非晶体铁电液晶材料中形成混合物；

将所述混合物进行搅拌并加热，灌注入交变电场电极之间形成液晶盒；

将所述液晶盒进行紫外固化，同时对液晶盒施加交变电场，得到聚合物网络稳定的光波导显示基板。

10.根据权利要求9所述的光波导显示基板的制备方法，其特征在于，所述混合物中，所述聚合体单体、所述光敏剂及所述非晶体铁电液晶材料的质量百分比范围为(3～5):(0.5～1.5):(93.5～96.5)。

11.根据权利要求9所述的光波导显示基板的制备方法，其特征在于，灌注形成所述液晶盒之前，将所述混合物在磁力加热搅拌器上搅拌时长范围为20-40min，并加热至温度范围为80-100℃。

12.根据权利要求9所述的光波导显示基板的制备方法，其特征在于，所述液晶盒的紫外固化时长范围为20-40min，交变电场为(±50V，10Hz)，以使得在聚合物网络单体聚合过程中所述非晶体铁电液晶材料形成条纹织构。