CN1688918A - 滤色器及包含该滤色器的液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

一种滤色器，包括用于分别提供第一颜色例如红色，第二颜色例如绿色和第三例如蓝色的偏振光的第一、第二和第三区域。为了提供偏振光，区域包括用于有选择地透过第一、第二或第三颜色的各向同性着色剂，单轴有序的基材，以及通过单轴有序基材取向的用于吸收有选择地透过各向同性着色剂的光的二向色着色剂。在包括这种滤色器的液晶显示装置中，可省下一个偏振片，从而产生更加简单，更加经济有效和坚固耐用的显示装置。

Description

滤色器及包含该滤色器的液晶显示装置

本发明涉及一种滤色器及包含该滤色器的液晶显示装置。

滤色器用在例如全彩色液晶显示器(LCD)中。US5,096,520中披露了一种包含滤色器的全彩色LCD。其中披露的LCD具有包含单独可寻址像素的显示单元。为了提供全彩色功能，LCD包括具有与像素相对设置的红、绿和蓝着色区域的滤色器。为了使观看者能看到开关像素产生的电光效应，该显示器包括两个偏振片。其中一个偏振片设置在显示器的外部。由于偏振片在暴露于周围环境时易于被损坏，所以处于外部的偏振片致使显示器易于受到磨损、机械接触和环境老化的影响。偏振片还比较昂贵，并且对显示器厚度产生明显的影响。

本发明的目的在于消除或者至少部分地消除上述缺点。具体而言，本发明的目的尤其在于提供一种滤色器，其在应用于液晶显示器中时，使得液晶显示器结构简单、薄且制造成本低。此外，将滤色器用于显示器会产生一种对磨损、机械接触和环境老化更具抗性的显示器。

通过滤色器，更具体地通过包括彼此相邻设置的第一、第二和第三区域的偏振选择滤色器实现上述目的，

所述第一区域包含第一单轴有序的基材，响应于入射到滤色器上的光而有选择地透过第一颜色光的第一各向同性着色剂，和通过第一基材单轴取向且用于吸收第一颜色光的第一二向色着色剂，

所述第二区域包含第二单轴有序的基材，响应于入射到滤色器上的光而有选择地透过第二颜色光的第二各向同性着色剂，和通过第二基材单轴取向且用于吸收第二颜色光的第二二向色着色剂，以及

所述第三区域包含第三单轴有序的基材，响应于入射到滤色器上的光而有选择地透过第三颜色光的第三各向同性着色剂，和通过第三基材单轴取向且用于吸收第三颜色光的第三二向色着色剂。

根据本发明的滤色器具有偏振选择性，即一方面，该滤色器具有过滤光以便产生所需的第一、第二和第三颜色的功能，另一方面具有由入射到滤色器上的非偏振光产生偏振光的功能。

如果所述顺序为平面单轴有序，则对于以垂直于滤色器光入射面的角度入射的光而言，滤色器的偏振选择性最大，并且当入射角度增大时偏振选择性减小。如果所述顺序为垂直取向(homeotropic)单轴，则对于垂直入射光不发生偏振选择性，并且如果入射角度增大(从光入射面的法线测得的角度)则偏振选择性增大。“平面单轴有序”中的术语“平面”表示单轴排列的指向矢平行于或者如果适当的话局部平行于滤色器的光入射面，而术语垂直取向表示指向矢(director)垂直于或者如果适当的话局部垂直于滤色器的光入射面。通常，提供层状滤色器，在此情形中其主表面之一为入射面。

在现有技术液晶显示器中，由分离的部件即滤色器和偏振片实现滤色和偏振。因而，根据本发明的偏振选择性滤色器，如果用在液晶显示器中，则产生结构简化的液晶显示器，原因是由于省下了一个偏振片，所以其包含更少部件。减少一个偏振片还节省成本，且因为偏振片对显示器的厚度产生明显的影响，所以产生明显更薄的显示器。

将根据本发明的滤色器设置在液晶显示器单元的内侧上，使显示器更抗磨损、机械接触和环境老化，因为可省却的偏振片通常设置在液晶显示器单元的外部，而滤色器设置在液晶显示器单元的内部。如上所述，偏振片是在环境的影响下易于由于磨损和机械接触以及老化而损坏的脆弱部件。根据本发明提出将偏振片功能集成到滤色器中，从而使偏振片功能处于受显示器单元的衬底保护的液晶单元的内部，并使坚固的通常为玻璃的衬底材料暴露于周围环境。

此外，如果作为单独部件，则偏振片和滤色器均趋于稍微超尺寸，其与精确需要的相比吸收太多的光。从而，通过将偏振片和色彩功能集成到一个部件中，可以一致地优化这些功能，以便提高亮度。在操作过程中，当入射到偏振选择滤色器上的光通过滤色器区域时，各向同性着色剂吸收对于选择透过的颜色没有作用的光。换言之，被吸收的光的颜色与透过光的颜色互补，术语“互补”在此处表示与入射到滤色器上的作为参考点的光互补。通常，以纯白色作为参考点，表示一种颜色是否与另一种颜色互补。因此，如果入射在滤色器上的光为纯白色，则本发明范围内“互补”的定义与更常规的定义一致。显然，为了能选择所需颜色，选择透过的光的颜色必须为入射到滤色器上的光的一个分量。各向同性着色剂中的术语“各向同性”是指各向同性着色剂的光吸收对偏振不敏感。偏振选择滤色器中的二向色着色剂，通过吸收偏振态与所透过偏振态垂直的成分而使有选择地透过各向同性着色剂的光偏振。具体而言，二向色着色剂有选择地吸收线偏振光。各向同性和二向色着色剂的组合效应是提供所需颜色的偏振光，即根据所考虑的区域为第一、第二或第三颜色。

二向色着色剂偏振选择性地吸收光，这是因为其是通过基材而单轴取向的。如本领域中众所周知的，与非二向色(各向同性)着色剂相比，二向色着色剂的特征在于其吸收光谱是偏振选择性的，即仅有电场矢量与二向色着色剂发色团的吸收跃迁偶极矩成一条直线的光才被吸收。不过，仅当着色剂的分子或者粒子或者更具体而言跃迁偶极矩或多或少地在相同方向配向时，才能观察到这种偏振选择性。如果二向色分子或粒子的取向是随机的，则不发生偏振选择。

用于液晶显示器的偏振选择滤色器本身是已知的，参见例如WO99/42896和JP10-300932英文摘要。使用电子束照射，将未提到单轴有序基材和从而被取向的二向色着色剂的WO99/42896中的滤色器压印在玻璃板上。电子束照射昂贵且繁琐。JP10-300932没有提到具有通过单轴有序基材取向的二向色着色剂的滤色器。

在本发明一个特制实施方案中，区域的基材是液晶，使滤色器可通过电开关。使滤色器能通过电开关，使得滤色器可作为例如显示器的有源光调制部件。包括这种滤色器的显示器与传统显示器相比具有更少偏振片，从而产生更加简单、更薄和更节省成本的显示器。

这种可开关滤色器的特别实施方案包括能够在包括扭曲或超扭曲单轴有序状态的(局部)平面单轴有序状态与垂直取向有序状态之间切换的液晶。在平面单轴有序状态下，根据本发明的可开关滤色器具有偏振选择性，从而仅有一个线性吸收偏振片，其吸收轴与液晶的平面单轴排列配向，并需要二向色着色剂来获得暗态。

这种可开关滤色器的一个更加特别的实施方案包括一个区域(像素)，该区域包括作为基材的包含单轴有序液晶的各向异性凝胶和在整个凝胶中浸入液晶中的交联液晶的垂直取向有序聚合物网络，还包括各向同性着色剂和通过单轴有序液晶取向的二向色着色剂。各向异性凝胶本身是已知的，参见例如US5188760。从而包括这种滤色器的显示器具有不需要偏振片，从而使这种显示器更薄、更简单和更坚固耐用的独特优点。

在优选实施方案中，滤色器为用于过滤白光的滤色器，且第一、第二和第三颜色分别为红色、绿色和蓝色。尽管原则上对第一、第二和第三颜色的选择没有限制，并且对于滤色器应该过滤的颜色不加限制，但以全彩色液晶显示器为例，许多应用要求该滤色器在输入光为白光时工作，并使用红色、绿色和蓝色作为选择透过的颜色。通过改变红、绿和蓝区域中透过的光量，当通过人眼混合而察觉出分离光束时，可获得红、绿和蓝色所覆盖的原色三角形中的任何颜色，通过使用尺寸如此之小以至于人眼不能进行分辨的红、绿和蓝区域，易于促进这种混合。在用于过滤白光的滤色器的另一实施方案中，第一、第二和第三颜色分别为青色、品红和黄色。这种滤色器特别适用于提供高亮度的显示器，如投影显示器。

就显示器性能而言，使用多于三个区域是有益的。因此，一个特定实施方案涉及一种包括第四区域的滤色器，该第四区域包括第四单轴有序基材，第四用于响应于入射到该滤色器上的光有选择地透过第四颜色光的第四各向同性着色剂，以及通过第四基材单轴取向且用于吸收第四颜色光的第四二向色着色剂。例如在青、品红、黄色滤色器中使用分离的黑色区域获得CMYK颜色机制。

在优选实施方案中，第一和/或第二和/或第三和/或如果存在的话第四基材是一种相同材料。尽管原则上第一、第二和第三以及如果存在的话第四区域的基材可以不同，且这种不同是有利的，因为这提供了更多自由度来优化二向色着色剂的取向和各向同性着色剂的分散，但如果每个区域中使用相同基材，则滤色器的制造会变得更加简单。特别是，使用一种相同的材料，就可能在一次沉积步骤中提供第一、第二和第三区域的基材。

根据本发明滤色器的特定实施方案包括液晶或聚合物基材。

使基材处于单轴有序状态，从而能将二向色染料取向。术语“单轴”包括“双轴”。这种基材在本领域中是公知的，如，主要例子为液晶，尤其是向列液晶，以及单轴有序聚合物。使用液晶使得能够构造出动态即可电开关的滤色器。可使用本身在本领域中已知的通过拉伸而获得的单轴有序聚合物，或者由(光)可聚合或(光)可交联液晶成分获得的聚合物，该聚合物本身也是本领域中公知的。

根据本发明的滤色器的另一特定实施方案中，各向同性和/或二向色着色剂为染料或颜料。对于适于使用的各向同性和二向色着色剂没有特别的限制，一方面，选择尤其取决于各区域的所需颜色，另一方面则取决于入射到滤色器上的光的光谱，该光谱为希望滤色器起作用的光谱。

传统吸收滤色器中使用的染料和颜料可适合用作各向同性着色剂。各向同性着色剂可以是有机或无机的。特别是，各向同性着色剂可以为在基材中无规排列的二向色着色剂。

各向同性和/或二向色着色剂可由一种光吸收化合物组成，不过也可以使用光吸收化合物的混合物以便适于特殊吸收需要。例如，如果当白光入射于其上而需着色剂有选择地透过红光时，则可使用绿光吸收和蓝光吸收化合物的混合物。

二向色着色剂可以为一种其中的各个粒子具有偏振选择吸收的颜料。通过在基材中单轴排列颜料粒子(例如如果各粒子具有长圆形(oblong)形状则便于实现这一点)，则吸收的跃迁矩配向在相同方向，以便实现偏振选择吸收。Dirix等人在INSPEC AN 6670199中提供了这种基材与二向色着色剂的混合物的实例。或者，二向色着色剂可以为各分子分散于基材中的染料，具有发色团的各分子具有取决于方向从而具有偏振选择性的吸收。通过将各分子或多或少地进行单轴取向(如果分子具有长圆形形状，则便于实现这一点)，跃迁矩会在相同方向配向以便形成偏振选择吸收。由于大多数染料具有形状如果不是长圆形的也至少是非球形的分子，可适用于本发明滤色器的二向色着色剂有很宽的选择范围。US 6,133,973中披露了适当的例子。

二向色着色剂可以作为与基材分离的分子分散于区域中，不过也可以作为基材分子的一部分分散于区域中，以使配向更加容易。因此，根据本发明滤色器的特定实施方案包括这样一个区域，在其中二向色着色剂与基材组合成一种单轴取向的二向色基材，适于吸收通过所述区域的各向同性着色剂而有选择地透过的颜色。优选的是，第一颜色和/或第二颜色和/或第三颜色的所有区域都具有这种性质。

可以调节二向色着色剂的吸收光谱以便尽可能接近地与各向同性着色剂的透射光谱相匹配(换言之，二向色着色剂有选择地吸收各向同性染料有选择地透过的光)，不过并非必须如此，其带宽可以更宽。可以选择二向色着色剂的带宽，以便宽到能覆盖滤色器设计过滤的光的整个光谱。其具有对于每个区域即第一、第二或第三区域可使用相同二向色着色剂的优点。因此，在特定实施方案中，本发明的滤色器为这样一种滤色器，在其中第一、第二和第三区域包含分别用于吸收第一、第二和第三颜色的共同的二向色着色剂。

在优选实施方案中，本发明涉及一种液晶显示单元，该液晶显示单元包括第一衬底，第二衬底，以及设置于它们之间的根据本发明的滤色器。根据本发明的集成有偏振功能的滤色器设置于衬底之间，从而受到衬底的保护，产生一种与设置于外部的偏振片相比更不容易被损坏的显示单元。

如果发现对于特殊应用而言偏振对比度(效率)不够大，则该滤色器可以与传统的线性吸收偏振片结合，以便提高偏振对比度。由于这种传统偏振片接收的光已经被相当大程度地偏振，所以可使用相对较薄的偏振片。

不过，在显示单元的优选实施方案中，偏振片设置于衬底之间。这种偏振片(本领域中也称作单元内偏振片)本身在本领域中是公知的。由于与显示器LCD单元外部使用的传统偏振片相比，单元内偏振片的偏振对比度通常较低，从而根据本发明的滤色器与这种单元内偏振片的组合尤为有利。

可使用垂直取向的二向色着色剂改善被设计成对于法线入射光操作最优的传统线性吸收偏振片的视角依赖性。从而，在本发明的特定实施方案中，涉及一种本发明滤色器与垂直取向有序层的组合，滤色器中至少第一、第二和第三基材是平面单轴有序的，而垂直取向有序层包括分别与滤色器的第一、第二和第三区域相对设置的第一、第二和第三区域，

所述垂直取向有序层的第一区域包括第一垂直取向有序基材和通过第一基材而垂直取向的第一二向色着色剂，第一二向色着色剂与滤色器第一区域的第一二向色着色剂相同，

所述垂直取向有序层的第二区域包括第二垂直取向有序基材和通过第二基材而垂直取向的第二二向色着色剂，第二二向色着色剂与滤色器第二区域的第二二向色着色剂相同，

所述垂直取向有序层的第三区域包括第三垂直取向有序基材和通过第三基材而垂直取向的第三二向色着色剂，第三二向色着色剂与滤色器第三区域的第三二向色着色剂相同。

滤色器可以应用于各种各样的显示器、照相和照明领域中。滤色器特别适用于液晶显示装置中以获得全彩色性能。因此，本发明尤其涉及一种包含本发明滤色器的液晶显示装置。更具体而言，涉及一种包含显示单元的液晶显示装置，其中显示单元具有第一和第二衬底，在第一与第二衬底之间设有根据本发明的滤色器。包含滤色器的显示器可以是透射型显示器、反射型显示器或者透射反射型显示器。

既然发明人在此处披露了其发明，则本领域技术人员可知，取决于应用，滤色器并非必然具有不同的第一、第二和第三区域，任何其他数量的区域可使滤色器用于除全彩色显示器以外的其他领域中。

因此，广义而言本发明涉及一种用于过滤入射到其上的光的偏振选择滤色器，其至少包括一个包含单轴有序基材的区域，用于有选择地透过入射在滤色器上的光的第一颜色光的各向同性着色剂，以及通过基材单轴取向并且用于吸收第一颜色光的二向色着色剂。

通过参照附图和下面所述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且可进一步理解。

在附图中：

图1用剖面图示意地表示包含本发明滤色器的全彩色液晶显示装置，

图2用剖面图示意地表示根据本发明的滤色器的一个区域，以及

图3用剖面图示意地表示根据本发明的可电开关滤色器。

具体实施方式

图1用剖面图示意地表示一种液晶显示装置，更具体而言为包含本发明滤色器的透射型有源矩阵全彩色液晶显示装置。

显示器1包括有源板8，有源板8包括由玻璃、合成树脂或其他合适材料制成的第一透明衬底2，包含由例如氧化锡铟(ITO)制成的透明电极6的有源开关元件4用于开关显示器的各像素。无源板10包含透明衬底12，根据本发明的偏振选择滤色器14和透明反电极16。有源板8与无源板10之间夹设有(超)扭曲向列液晶层18。只要与LC层18相关的电光效应需要利用本发明滤色器所提供的偏振选择性，则液晶层或液晶效应的类型并非本发明的必要技术特征。为了获得LC层18的扭曲向列取向，使用了取向层，为了清楚起见，图1中未表示出这些取向层。所使用的LC效应的类型以及所用LC材料是常规的。

有源矩阵开关元件4允许单独寻址电极6。每个电极6能开关与其邻近的LC层18部分，从而获得具有单独可寻址像素的显示器。

为了使观看者能看到LC层18的开关效果，显示器1包括(线性，吸收)偏振片20，在本实施方案中该偏振片20包含于有源板8中。偏振片20可以为设置于显示单元22外部的常规偏振片，不过也可以设置于其内部，处于衬底12与4之间。第二偏振装置集成于偏振选择滤色器14中。在本实施例中，由于使用扭曲向列LC层18，偏振片20的透射轴与滤色器14的透射轴彼此成直角。

或者，偏振片20可以设置在无源板10上，而滤色器14设置在有源板8上。

偏振选择滤色器14具有与每个电极6相对的用于有选择地透过红光的第一区域14R，用于有选择地透过绿光的第二区域14G和用于有选择地透过蓝光的第三区域14B。这些区域组合在一起构成RGB三个一组的阵列，每一个三个一组由区域14R、14G和14B组成(图2中未示出)。

取决于滤色器的特定应用，不同着色区域的数量不必为三个，可以更少或更多。例如，如果通过将红、绿和蓝区域发出的光混合不能得到令人满意的纯白色，则该滤色器中可包括透明且对于入射到其上的任何光都不吸收的第四区域。另外，可以提供在与电极相对设置的区域周围排列成矩阵的黑色区域，以便提高对比度。在本实施方案中，设想所有区域具有处于相同方向的单轴取向。不过并非必须如此。尤其是如果采用子像素化来优化例如视角依赖性，则人们感兴趣的可能是使一个子像素与另一子像素的取向方向不同，从而具有单轴取向方向与子像素的取向一致的子区域。

在本实施方案中，使用红、绿和蓝区域获得全彩色功能，并且将滤色器14设计成过滤白光。其他颜色机制也是可能的，例如众所周知的青-品红-黄(CMY)或青-品红-黄-黑(CMYK)机制。显然，通过适当选择着色剂，可使滤色器能工作于可见光谱的任何其他部分。甚至可使用光谱的红外或紫外区域。

滤色器的厚度一般为50nm至100μm，特别是100nm至10μm。根据着色剂的吸收能力选择薄膜的厚度。

在操作过程中，偏振片20使光源24发出的白光偏振，产生线偏振光。在像素处于关闭状态下，没有电压施加给像素，LC层18将光的偏振态旋转90°或者90°的奇数倍。滤色器14的透光轴与偏振片20的透光轴成直角，光透过滤色器并被过滤，产生所需的颜色，同时不改变偏振态。另一方面，在像素的导通(ON)状态下，LC层18不旋转入射在其上的光的偏振态，从而在滤色器14的与该像素相应的区域中被吸收。

图2用剖面图示意地表示根据本发明滤色器的一个区域。

滤色器14的一个区域(例如，图2中所示的区域14R)包括基材14a、第一各向同性光吸收物质14b、第二各向同性光吸收物质14c(第一和第二光吸收物质一起构成各向同性着色剂14bc)以及二向色着色剂14d。

在本实施方案中，设想基材14a为固体，尤其是一种聚合物。不过并非必须如此，还可以使用液体特别是液晶基材，如果滤色器是可开关的，则其具有特殊用途。

基材具有使各向同性和二向色着色剂在该区域中均匀分散的功能。基材具有另外的使分散于这种基材中的二向色着色剂单轴取向的功能。为了提供该功能，使基材14a单轴有序。在图1和2所示的滤色器中，基材是平面单轴有序的，即单轴大致平行于光入射面15延伸。通过使基材并从而使二向色着色剂平面单轴排列，对于垂直入射光偏振选择性最优，如果入射角度增大(从法线测得的角度)，则偏振选择性减小。或者，单轴排列可以为垂直取向的，导致二向色着色剂与光入射面15成直角地取向。二向色着色剂如此排列，使得垂直入射时偏振选择性最差，并且随着入射角度增大偏振选择性变好。

能够使之处于并保持单轴有序状态，从而能使二向色染料取向的基材在本领域中是公知的，如主要例子为液晶，特别是向列液晶和单轴有序聚合物。可使用通过拉伸获得的单轴有序聚合物。这种聚合物本身在本领域中也是公知的。实例包括拉伸的聚乙烯、聚乙烯萘(PEN)、聚乙烯醇和聚对苯二甲酸乙二酯，以及其他聚合物，如US6,133,973中所披露的聚合物。

还可以使用由可(光)聚合和/或可(光)交联液晶成分获得的聚合物，以得到单轴有序聚合物。这种聚合物本身在本领域中是已知的，参见例如WO88/000227。可聚合和/或可交联液晶的实例为具有一个或多个可聚合基团如(甲基)丙烯酸酯、乙烯醚、乙烯基、氧杂环丁烷或环氧基团的内消旋配合物。还可以使用硫醇-烯(物系)。如果在单独的连续步骤中沉积滤色器的不同着色区域，则交联液晶成分具有特别的吸引力，这是因为以前沉积的交联区域提高了阻力，特别是提高了对沉积另一区域时所需工艺的溶剂阻力。

所述区域中基材的含量通常不超过95重量％，特别是不超过90重量％。优选其含量为该层中固体重量的大约20％至大约90％。更加优选的范围为大约30％到大约70％，最优选大约35％至大约65％。

尽管原则上第一、第二和第三，以及如果存在的话第四区域的基材可以不同，以例如优化二向色着色剂的取向和各向同性着色剂的分散，但如果各区域中使用相同基材，则滤色器的制造更加简单。特别是使用一种相同的材料提供了在一个沉积步骤中提供第一、第二和第三区域的基材的可能性。

根据本发明，滤色器的区域14R包含各向同性着色剂。在本发明范围内，各向同性是指选择性透过的光的颜色不依赖于入射光的偏振方向。更具体而言，在被过滤的光入射在滤色器上的角度范围内，颜色是独立的。着色剂可由单一种类的光吸收物质组成，不过其还可以包含多种光吸收物质，如图2中所示。

各向同性着色剂在本领域中是公知的。具体而言，传统上用于液晶显示器的吸收滤色器中所使用的着色剂适用于根据本发明的滤色器。

着色剂可以为由各个颜料粒子组成的颜料，或者可以为各个分子组成的染料。着色剂可以是有机或无机的。各颜料粒子或各染料分子均匀地分散于基材中。为了提供与方向无关的颜色，着色剂必须各向同性地分散到基材中。如图2中的各向同性着色剂14b所示，这可以通过使用其粒子或多或少为球形的着色剂来实现。本领域已知的球形染料分子并不是很多，不过颜料粒子在不具有优选方向的情况下通常或多或少为球形。或者，或者很可能另外，只要各染料分子或颜料粒子以无规取向分散于基材中，则可使用具有非对称形状分子或粒子的着色剂，如图2中各向同性光吸收物质14c所示。在选择颜料时优选颜料粒子尺寸较小，例如小于100nm，以便基本上不会干扰液晶宿主的取向。

在图2中，使用两种不同的各向异性着色剂14b和14c以提供有选择地透过红光的组合效果。例如，各向同性着色剂14b可吸收绿光，而各向同性着色剂14c吸收入射在显示器上的白光的蓝色部分。不过，还可以使用包含两种发色团(一种用于绿色、一种用于蓝色)或者单一的宽带发色团的单一的各向同性着色剂。或者，各向同性着色剂可以与基材结合，形成有选择地透过所需颜色光的各向同性的单轴有序基材。这可以通过使基材分子与各向同性染料分子共价键合而实现。

本发明中可使用的几种商业上可获得的各向同性着色剂的非排他性实例为：联苯胺黄G(C.I.21090)，联苯胺黄Gr(C.I.21100)，永久黄DHG(Hoechst AG的产品)，亮洋红色6B(C.I.15850)，若丹明6G Lake(C.I.45160)，若丹明B Lake(C.I.45170)，酞菁染料蓝非晶(C.I.74160)，酞菁染料绿(C.I.74260)，炭黑，油脂黄5G，油脂黄3G，油脂红G，油脂红HRR，油脂红5B，油脂黑HB，Zapon Fast Black RE，Zapon Fast Black G，Zapon Fast Blue HFL，Zapon Fast Red BB，Zapon Fast Red GE，Zapon Fast Yellow G，喹吖啶酮红(C.I.46500)。

各向同性着色剂存在的量优选足以将滤色器的区域均匀着色。以该层中固体的重量为基准，含量优选为大约5％到大约50％。更优选的范围从大约10％到大约40％，最为优选大约15％到大约35％。

根据本发明滤色器的区域包含二向色着色剂，特别是通过基材单轴取向的二向色着色剂。在图2中，二向色着色剂14e吸收红光。更具体而言，由于二向色着色剂14e被单轴取向，吸收是偏振选择性的。

在图2中，仅使用一种染料或颜料，不过通常二向色着色剂可包括多种染料和/或颜料。

二向色着色剂可以为其中各个粒子具有偏振选择性吸收的颜料。通过在基材中将颜料粒子单轴排列(如果各粒子具有长圆形形状，则其很便于实现)，吸收的跃迁矩在相同方向取向，以便实现偏振选择吸收。Dirix等人在INSPEC AN 6670199中提供了一个例子。

或者，二向色着色剂可以为这样一种染料，其中各分子在基材中均匀分散，具有发色团的各分子具有随方向而定的吸收性，从而是偏振选择性的。通过使各分子在相同方向单轴排列(如果分子具有长圆形形状则其便于实现)，跃迁矩沿相同方向取向，以便提供偏振选择吸收。由于大多数染料具有形状即便不是长圆形也至少为非球形的分子，从而具有其跃迁矩随方向而定的吸收，所以可以在较宽范围内选择二向色着色剂。US6,133,973披露了适当的例子。

特别适宜的二向色染料具有下式：

或

二向色着色剂的优选含量为足以吸收有选择地透过各向同性着色剂的光中的一种偏振成分的量。以层中固体的重量为基准，优选含量为大约5％至大约50％。更优选的范围为大约10％至大约40％，最为优选的是从大约15％至大约35％。

二向色着色剂可以分散成与基材分离的分子，不过还可以为基材分子的一部分，这样就可使配向更加容易，并减小组成滤色器一个区域的部分数量。利用例如二向色染料分子与基材分子的共价键合，可以实现二向色着色剂与基材的结合，以便形成单轴有序的二向色基材。

可将二向色着色剂的吸收光谱调节成与各向同性着色剂的透射光谱尽可能接近地匹配(换言之，有选择地吸收各向同性染料有选择地透过的光)，不过并非必须如此，其带宽可以更宽。可以将二向色着色剂的带宽选择成宽到能覆盖滤色器被设计过滤的光的整个光谱。其具有以下优点，即对于每个区域即第一、第二或第三区域，可使用相同的二向色着色剂。从而优选其中第一、第二和第三区域包括用于分别吸收第一、第二和第三颜色的共同二向色着色剂的滤色器。

图2中所示各向同性和二向色着色剂的组合效果是提供偏振的红光。通过相同的方式，可形成分别提供绿色和蓝色偏振光的区域。

图1中所示的滤色器包括分别提供红、绿和蓝色光的区域。或者，可使用包括青色(C)，品红(M)和黄色(Y)区域的偏振选择滤色器。这种CMY滤色器例如可由包含红色各向同性着色剂和绿色及蓝色二向色着色剂的第一区域、包含绿色各向同性着色剂以及二向色红和蓝着色剂的第二区域以及包含蓝色各向同性着色剂和红及绿二向色着色剂的第三区域构成。

有多种方法可用于制造根据本发明的滤色器。

在第一方法中，通过连续的第一、第二和第三构图步骤在适当的衬底上形成第一、第二和第三区域，所述第一、第二和第三构图步骤包括沉积包含基材、各向同性着色剂和二向色着色剂的成膜组合物，将基材并从而将所沉积的成膜组合物中的二向色着色剂单轴取向，并且如果存在的话，从所沉积的成膜组合物中去除被加入的以便能形成薄膜的一种或多种组分，如溶剂，以便形成第一、第二或第三区域

也可以在单独的步骤中沉积着色剂和基材。因而，第二种方法包括在适当衬底上沉积一层单轴有序的基材，该层是连续的或者被构图成包括多个不同区域，然后在连续的构图步骤中使第一、第二和第三各向同性和二向色着色剂扩散到基材层中。

如果在第二种方法中使用对于所有区域都相同的二向色着色剂，则可以与基材一起沉积二向色着色剂。

基材可以直接沉积成其最终的形式，如果基材为液晶或者拉伸聚合物膜，则这种方法很方便。还可以以前体的形式沉积基材，在沉积之后，将前体转变成其最终形式。这种前体材料的实例是可(光)聚合或者特别是可(光)交联的液晶材料，其在被单轴排列之后是(光)聚合或交联的，以便形成单轴有序的聚合物或交联基材。

可通过将所沉积的基材暴露于着色剂蒸气或者包含着色剂的溶液，使着色剂扩散到基材中。

适当的用于形成第一、第二和第三区域的构图方法包括光刻，或者另一种能够根据所需的图案暂时遮盖衬底的方法，以及印刷方法，如喷墨打印、柔版印刷、微接触印刷、胶印、丝网印刷。可以在一个构图沉积步骤中沉积不同颜色的区域，例如利用多喷嘴喷墨打印，或者可以在连续构图步骤中沉积。如果使用连续构图步骤，则必须将衬底和基材选择成能抵抗相继构图步骤。可使用交联基材获得这种抵抗性。可以通过传统装置，如取向层，使基材受到电场和/或磁场的作用，或者通过机械方法如剪切所引起的取向，使基材或其前体材料单轴取向。

例如，可如下制造滤色器14：用聚酰亚胺取向层涂覆玻璃衬底，例如利用旋涂在衬底上涂覆例如为30至150nm的前体聚酰亚胺薄膜(可从日本Synthetic Rubber购得的AL1051)；在240℃下将薄膜固化，用绒布单轴摩擦固化的薄膜，以便形成具有平面单轴取向能力的薄膜。然后在衬底上通过构图方式沉积包含各向同性和二向色着色剂的液晶丙烯酸酯组合物。在沉积时，聚酰亚胺取向层使所沉积的液晶丙烯酸酯组合物单轴取向。液晶分子采取的取向强加于二向色着色剂分子或粒子，从而使二向色着色剂单轴有序。随后，在这种单轴有序的状态下，使液晶丙烯酸酯组合物光聚合，同时保持单轴排列以便形成滤色器14的第一区域14R。重复该过程两次，以便获得区域14G和14B。在所获得的滤色器上，可通过溅射沉积ITO电极层16。为了避免损坏衬底，可在溅射前小心地在滤色器上设置薄膜二氧化硅。任选地，为了使滤色器平坦化，可以施用附加薄膜，例如由官能度大于2的丙烯酸酯单体组成的薄膜，从而在存在光引发剂的条件下通过UV固化获得稳定的交联薄膜。

液晶显示单元22的偏振选择滤色器14设置在衬底4与12之间，从而受到保护。如果认为滤色器所提供的偏振对比度对于特定应用来说不够大，则可以将滤色器与偏振片结合，以便提高偏振对比度。由于滤色器提供偏振光，可减小偏振片的厚度，从而减小显示器的厚度。优选的是，在单元22内部的衬底之间也设置偏振片。

根据本发明的滤色器与这种单元内偏振片的组合是有益的，因为通常对于内部偏振片来说难以获得传统偏光片的偏振对比度。如果单元内偏振片与偏振选择滤色器组合，则可获得所需的偏振对比度(即，透射偏振与吸收偏振的比值)，同时减小单元内偏振片和/或滤色器的厚度。滤色器与设置在显示单元内部的单元内偏振片的组合使显示单元抗磨损、机械接触以及环境老化。可适用作单元内偏振片的偏振片本身在本领域中是公知的。例如，可使用WO02/42832中披露的可涂覆偏振片作为单元内偏振片，并且可使用US6,049,428中披露的偏振片。这种偏振片的厚度通常为大约200nm至大约2μm。图1中所示显示器的滤色器14具有平面单轴排列，从而如果入射在滤色器区域上的光以垂直角度入射，则滤色器能最好地工作。假设二向色着色剂的吸收跃迁矩与单轴取向方向一致(通常为使用至少长圆形着色剂分子或粒子的情形)，则二向色着色剂不吸收任何沿单轴取向方向传播的光。从而，如果光以某一角度入射在滤色器上，使得其如果被分解成分量的话则具有沿单轴取向方向传播的分量，则对于该分量不发生偏振选择，对于这种偏离垂直的角度，其最终结果为偏振对比度小于以垂直角度入射的光。

为了提高根据本发明的滤色器对于偏离垂直入射的光的性能，滤色器可以与包含二向色着色剂的层结合，该层沿着垂直于需改善性能的滤色器区域的方向取向。在现有技术中也将这种取向称作垂直取向。因此，如果与包含分别与滤色器的第一、第二和第三区域相对设置的第一、第二和第三区域的垂直取向有序层相结合，则可以改善至少具有平面单轴有序的第一、第二和第三基材的滤色器的偏振对比度对视角的依赖性，

所述垂直取向有序层的第一区域包含第一垂直取向有序的基材和通过第一基材而垂直取向的第一二向色着色剂，该第一二向色着色剂与滤色器第一区域的第一二向色着色剂相同，

所述垂直取向有序层的第二区域包含第二垂直取向有序的基材和通过第二基材而垂直取向的第二二向色着色剂，该第二二向色着色剂与滤色器第二区域的第二二向色着色剂相同，

所述垂直取向有序层的第三区域包含第三垂直取向有序的基材和通过第三基材而垂直取向的第三二向色着色剂，该第三二向色着色剂与滤色器第三区域的第三二向色着色剂相同。优选的是，垂直取向有序层设置在滤色器附近，从而处于显示单元的内部。

垂直取向有序层，更具体而言包含垂直取向的二向色染料的垂直取向有序层本身在本领域中是公知的，参见例如EP608924，并且可以有效地与根据本发明的滤色器组合使用。

图1中所示的全彩色液晶显示器1是有源矩阵显示器，不过并非必须如此，根据本发明的滤色器还可以用在无源矩阵显示器中，或甚至用在分段显示器中。

显示器1为透射型显示器，不过本发明同样可应用于反射型或透射反射型液晶显示器。

反射型液晶显示器的第一实施方案相继包括：根据本发明的用于提供线偏振光的偏振选择滤色器，延迟层与液晶层的组合，用于在具有四分之一波长延迟或其奇数倍的状态与具有零或半波长延迟或其倍数的状态之间进行切换的组合，以及用于转换在反射时入射在其上的圆偏振光的旋性的光反射表面。滤色器偏振和过滤环境光，并检偏线偏振反射光。第一实施方案的引人之处在于，其不包含偏振片，所需的偏振功能包含在滤色器中。此外，如果液晶层夹在第一与第二衬底之间，第一衬底处于液晶的观察一侧上，则滤色器可以设置在第一衬底与液晶层之间，或者优选设置在第一衬底上，从而提高显示器的坚固性。

反射型液晶显示器的第二实施方案相继包括：线性吸收偏振片，用于切换线偏振光的液晶层，根据本发明对于线偏振光具有选择性的滤色器，以及光反射表面。第二实施方案的优点在于，不需要延迟层来提供亮和暗状态，这些延迟层通常相对较厚并且昂贵，另外其优点在于可获得很多种LC效应，如(超)扭曲向列，平面内切换或者能够在零或半λ延迟或其任何奇数倍之间进行切换的任何其他LC效应。

滤色器尤其用在透射反射显示器中，这种透射反射显示器的实施方案相继包括：线性吸收偏振片，用于切换线偏振光的液晶层，根据本发明提供线偏振光的滤色器，以及光反射器，即透射反射器，其被构图成提供反射区域和透明区域，反射区域与透明区域被组合成与单独可寻址像素相应，所述单独可寻址像素具有用环境光操作显示器的反射区域和在透射时用背光源发出的光操作显示器的透明区域。在反射时该显示器按照与上述反射显示器相同的方式工作，而在透射时该显示器如同图1的透射显示器1那样工作。该透射反射显示器的优点在于其不需要延迟器，并且LC层是共同的一个LC层，如(超)扭曲向列。

图1和2的滤色器为静态光学部件，因为滤色器受到电场时其功能不改变。不过，本发明不限于这种滤色器。本发明还涉及电光滤色器，可通过使该滤色器受到电场的作用而改变其滤波性质。使该滤色器可由电开关，使得滤色器成为例如显示器的有源光调节部件。包含这种滤色器的显示器的偏振片少于传统显示器，从而产生更简单、更薄和更加经济有效的显示器。

可使用液晶基材实现这种电可开关滤色器。在本发明一个特定实施方案中，一个区域的基材是使滤色器电可开关的液晶。可以通过电开关的液晶以及使用这种液晶可以实现的电光效应在本领域中是众所周知的。

这种可开关滤色器的特定实施方案包括能够在平面单轴有序状态(其可以为局部平面单轴有序状态如扭曲或超扭曲液晶状态)与垂直取向有序状态之间切换的液晶。在平面单轴有序状态下，根据本发明的可开关滤色器对于垂直入射光具有偏振选择性。为了获得暗态，将滤色器与单个线性吸收偏振片组合，线性吸收偏振片的吸收轴与液晶和二向色着色剂的平面单轴排列配向。当液晶被切换到垂直取向有序状态时，迫使分散于其中的二向色着色剂也呈现垂直取向有序，从而不能吸收沿垂直方向传播的光。这样，该滤色器透过非偏振光。线偏振片中仅仅吸收该非偏振光的一个分量，产生所需颜色的明亮状态。

图3用剖面图示意地表示根据本发明的电可开关滤色器。可开关滤色器31的一个更加特定的实施方案包括区域或像素32和33，其基材为包含垂直取向有序液晶34b和在整个各向异性凝胶34ab中分散于液晶34b中的交联液晶垂直有序聚合物网络34a的各向异性凝胶34ab，并且通过有序液晶34b将其二向色着色剂34c取向。各向异性凝胶本身是已知的，如参见例如US5188760。该凝胶还包含各向同性着色剂，不过为了清楚起见，图3中未示出各向同性着色剂。上面所述的适用于静态滤色器的各向同性和二向色着色剂还适用于电可开关滤色器。如果二向色着色剂34c、网络34a和液晶34b均为垂直取向有序的，如像素33中所示，则滤色器的像素是亮的，且呈现出各向同性着色剂有选择地透过的颜色。如像素32中所示，在施加适当的电场时，液晶分子34b变成平面单轴有序的，并且由此，二向色着色剂34c也变成平面单轴有序的，而聚合物网络34a的垂直取向排列得以保持，结果滤色器散射入射到其上面的光。为了能从垂直取向状态切换到平面单轴状态，可使用本领域已知的具有负介电各向异性的液晶。散射具有以下效果：入射光的两个偏振方向最终都被平面单轴有序的二向色着色剂34c吸收，同时散射现象导致去偏振，产生暗态。根据本实施方案的电可开关滤色器具有不需要偏振片的独特优点，从而使包含这种滤色器的显示器更薄、更简单和更加坚固。总之，本发明涉及一种选择性滤色器，该滤色器包括用于分别提供第一偏振光例如红，第二偏振光例如绿和第三偏振光例如蓝色的第一、第二和第三区域。为此，一个区域包含用于有选择地透过第一、第二或第三颜色的各向同性着色剂，单轴有序的基材和通过单轴有序基材取向、用于吸收有选择地透过各向同性着色剂的光的二向色着色剂。有序的二向色着色剂使该滤色器具有偏振选择性。当滤色器用在液晶显示器装置中时，可以省下一个偏振片，从而导致更简单、更薄、更加经济有效，并且如果所省下的偏振片处于显示单元的外部，则更坚固耐用的显示装置。广义而言，滤色器不必严格包含三个不同类型的区域，如果要求特殊应用，则也可使用任何其他数量。

Claims (15)

1.一种滤色器，包括彼此紧邻设置的第一、第二和第三区域，

第一区域包含第一单轴有序的基材，用于响应于入射在该滤色器上的光而有选择地透过第一颜色光的第一各向同性着色剂，和通过第一基材单轴取向并用于吸收第一颜色光的第一二向色着色剂，

第二区域包含第二单轴有序的基材，用于响应于入射在该滤色器上的光而有选择地透过第二颜色光的第二各向同性着色剂，和通过第二基材单轴取向并用于吸收第二颜色光的第二二向色着色剂，以及

第三区域包含第三单轴有序的基材，用于响应于入射在该滤色器上的光而有选择地透过第三颜色光的第三各向同性着色剂，和通过第三基材单轴取向并用于吸收第三颜色光的第三二向色着色剂。

2.权利要求1的滤色器，其中该滤色器为用于过滤白光的滤色器，且所述第一、第二和第三颜色分别为红、绿和蓝色。

3.权利要求2的滤色器，其中该滤色器为用于过滤白光的滤色器，且所述第一、第二和第三颜色分别为青、品红和黄色。

4.权利要求1、2或3的滤色器，包括第四区域，该第四区域包含第四单轴有序的基材，用于响应于入射在该滤色器上的光而有选择地透过第四颜色光的第四各向同性着色剂，和通过第四基材单轴取向并用于吸收第四颜色光的第四二向色着色剂。

5.权利要求1、2、3或4的滤色器，其中第一和/或第二和/或第三，和/或如果存在的话第四基材是一种相同的材料。

6.权利要求1、2、3、4或5的滤色器，其包括聚合物基材。

7.权利要求1、2、3、4、5或6的滤色器，其中各向同性和/或二向色着色剂为染料或颜料。

8.前面任一权利要求的滤色器，包括一个其中二向色着色剂与基材组合成一种单轴有序二向色基材的区域，适于吸收有选择地透过所述区域的各向同性着色剂的颜色。

9.前面任一权利要求的滤色器，其中第一、第二和第三区域包含用于分别吸收第一、第二和第三颜色的共同的二向色着色剂。

10.一种液晶显示单元，包括第一衬底，第二衬底，以及设置在它们之间的前面任一权利要求的滤色器与偏振片的组合。

11.一种权利要求1的滤色器和垂直取向有序层的组合，其中所述滤色器的基材是平面单轴有序的，所述垂直取向有序层包括分别与滤色器的第一、第二和第三区域相对设置的第一、第二和第三区域，

垂直取向有序层的第一区域包含第一垂直取向有序基材和通过第一基材垂直取向的第一二向色着色剂，该第一二向色着色剂与滤色器第一区域的第一二向色着色剂相同，

垂直取向有序层的第二区域包含第二垂直取向有序基材和通过第二基材垂直取向的第二二向色着色剂，该第二二向色着色剂与滤色器第二区域的第二二向色着色剂相同，

垂直取向有序层的第三区域包含第三垂直取向有序基材和通过第三基材垂直取向的第三二向色着色剂，该第三二向色着色剂与滤色器第三区域的第三二向色着色剂相同。

12.权利要求1至9中任一项的滤色器，包括使滤色器电可开关的液晶基材。

13.权利要求12的滤色器，包括其基材为包含垂直取向有序液晶和在整个凝胶中浸入液晶中的交联液晶的垂直取向有序聚合物网络的各向异性凝胶，并且其二向色着色剂通过有序液晶而垂直取向的区域。

14.一种液晶显示装置，包括前面任一权利要求中所述的滤色器。

15.一种偏振选择滤色器，用于过滤入射在其上的光，该偏振选择滤色器至少包括一个包含单轴有序基材、用于有选择地透过入射在该滤色器上的光中的第一颜色光的各向同性着色剂以及通过基材单轴取向并用于吸收第一颜色光的二向色着色剂的区域。

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