TWI381042B - 雙穩態顯示材料及其形成方法與其應用元件 - Google Patents

雙穩態顯示材料及其形成方法與其應用元件 Download PDF

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Description

雙穩態顯示材料及其形成方法與其應用元件
本發明係關於雙穩態顯示元件，更特別關於應用的材料及其形成方法。
高分子分散液晶(PDLC)模式具有多項優勢特性，包括不需偏光片、可大面積塗佈，無上下基板間距(cell gap)的限制，非常適用於可撓式軟性顯示器的需求，然而，PDLC需要持續施加電場維持顯示狀態，並不符合節能的需求，且無法應用於省電型顯示裝置。再則依據PDLC的顯示原理，若要得到高對比，高分子與液晶的折射率匹配(index match)相當重要。
近年來有一種稱為填充式向列型(filled nematics)液晶顯示元件，是以奈米矽粒(aerosol)混合液晶而成。初始態時奈米矽粒呈散亂橋聯於液晶中致使系統為熱力學穩定的高度散亂態；當系統施加電場，引發液晶轉動，彼此橋聯的矽粒將斷開橋聯而重新隨液晶排列方向再度排列橋聯(line-up bridge)，而移去電場後，重新橋聯的矽粒結構則如同支架(frame)，同樣提供熱力學上穩定的組態，而這個澄清態如同前述散亂態都有長時間記憶的效果，故受到重視。雖然其散亂-澄清的顯示原理相當類似PDLC，但相較之下對比更佳，且不需配向、不用偏光片、可大面積塗佈，更重要的是，具有至少兩種熱力學上的穩態，可進一步應用電子書。
美國專利第5729320號首先揭露以填充式液晶製成之 顯示材料與對應元件。其中指出奈米矽粒混合於液晶中，是以奈米粒間的彼此氫鍵力橋聯作為具顯示記憶性的支架關鍵，根據相關文獻報導，其記憶效率可達90%。
不過美國專利第5729320號只清楚展現了澄清穩態的操作，當需轉換成散亂態時，已形成的奈米粒支架需被瓦解，才有可能重新回歸原始散亂態。在該篇專利之實施例，僅指出熱、雷射、超音波、或外加應力等一般破壞氫鍵力方式，然而這些破壞系統平衡的方法，實際應用上不易調控且不實用。若能全以電場驅動液晶分子，再藉液晶的黏彈力效用來調控，則系統操作相形是更容易。
雙頻液晶是一種可在低高頻率呈現正負介電異方性的液晶，因此可藉由低高頻的轉換來驅使液晶呈現平行電場或垂直電場的狀態。以常用的雙頻液晶代表Merck MLC-2048為例，其在低頻(~1K Hz)為正型液晶(△ε>0)，在高頻(~13K Hz)則轉變為負型液晶(△ε<0)。其他見諸文獻的雙頻液晶包括Chisso之DF-02xx、DF-05xx、FX-1001、或FX-1002都有類似特性，只是轉換的頻率略有不同。Electronics Letters 1991,Vol.27,13,1195中揭示以雙頻液晶作為填充式液晶雙向驅動的手段。
在實際操作下發現雙頻液晶普遍都有介電異方性過小的現象，特別是高頻時的介電異方性，不但驅動電壓要提高且散亂態的轉換也較不完全；再則高頻電場下，呈現負型特性的液晶平均散亂度只有接近層狀散亂二維空間，相較於初始態的散亂度有明顯的不足，因此記憶性與對比有極大改善的空間。
綜上所述，雙頻液晶有簡單驅動的優點，但如何提高其在高頻時的散亂度以改善雙頻液晶對比為本發明之目的。
本發明提供一種雙穩態顯示材料的形成方法，包括均勻混合雙頻液晶、不可聚合奈米粒、可聚合奈米粒、及光起始劑；接著填入上下可導電之透明基材間，施加電場，使雙頻液晶與電場平行；照光，起動光起始劑聚合可聚合奈米粒以形成奈米鏈段；其中可聚合奈米粒與不可聚合奈米粒之重量比約介於10：90至60：40之間；雙頻液晶與(可聚合奈米粒及不可聚合奈米粒)之重量比約介於98：2至93：7之間；以及可聚合奈米粒及光起始劑之重量比約介於99.5：0.5至95：5之間。
本發明亦提供一種雙穩態顯示材料，包括98至93重量份之雙頻液晶；以及2至7重量份之奈米組合物；其中奈米組合物係由10%至60%之奈米鏈段及90%至40%之不可聚合奈米粒組成。
本發明更提供一種雙穩態顯示元件，包括液晶層，夾設於兩基板之間；其中液晶層包括上述之雙穩態顯示材料。
為解決習知技藝之雙頻液晶其散亂態不夠散亂，導致散亂態與穩定態之間對比不明顯的問題，本發明導入奈米鏈段使雙頻液晶形成多重區域(polydomain)。奈米鏈段係由均勻分散於雙頻液晶中的可聚合奈米粒聚合而成，其聚合 機制係光聚合。
為達成上述目的，首先取雙頻液晶、不可聚合奈米粒、可聚合奈米粒、及光起始劑均勻混合。
本發明之雙頻液晶與奈米組合物(不可聚合奈米粒及可聚合奈米粒)之重量比約介於98：2至93：7之間。若奈米組合物之比例過高或過低，都不利雙穩態產生。雙頻液晶可為市售產品如Merck之MLC-2048，或Chisso之DF-02xx、DF-05xx、FX-1001、或FX-1002。以MLC-2048為例，在施加低頻電場如1kHz後，雙頻液晶之排列方向會平行電場；在施加高頻電場如13kHz後，雙頻液晶之排列方向會垂直電場。
不可聚合奈米粒之粒徑介於7nm至50nm之間，組成包括氧化鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鐵、或上述之組合。不可聚合奈米粒可為購自Degussa之AEROSIL®300或R 812；購自Wacker之HDK® N20、T40、H15；或購自Cabot之CAB-O-SIL®系列產品。不可聚合奈米粒可為親水性或親油性，取決於奈米粒表面之羥基多寡。
可聚合奈米粒之粒徑介於7nm至50nm之間，其核心組成包括氧化鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鐵、或上述之組合，其表面經改質後具有含碳碳雙鍵之有機鏈段，可以光起始劑聚合成奈米鏈段。另一方面，可聚合奈米粒可為購自Degussa之AEROSIL® R 711或R 7200。不可聚合奈米粒可為親水性或親油性，取決於奈米粒表面之羥基多寡。在奈米組合物中，可聚合奈米粒與不可聚合奈米粒之重量比約介於10：90至60：40之間。若可聚合奈米粒之比例過 高，系統傾向維持澄清，不易達成散亂態，系統偏向單穩態；若可聚合奈米粒之比例過低，效果同專利5729320所述，對比不佳。
光起始劑決定了射線種類、波長、及能量強度，可為苯乙酮類如2-甲基-1-(4-(甲基硫醇基)苯基-2-嗎林基丙基酮(2-methyl-1-(4-(methylthio)phenyl)-2-morpholino-propane)、1-羥基環己基苯基酮(1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone)、二苯乙氧基酮(diethoxyacetophenone)、2-羥基2-甲基-1-苯基-1-丙基-1-酮(2-hydroxy-2-nethyl-1-phenyl-propane-1-one)、2-甲苯基-2-(二甲基胺基)-1-[4-(嗎林基)苯基]-1-丁基-1-酮(2-benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(morpholinyl)phenyl]-1-butanone)、其他合適之苯乙酮；安息香類如安息香(benzoin)、安息香甲基醚(benzoin methyl ether)、安息香二甲醚(benzyl dimethyl ketal)、其他合適之安息香；二苯基酮類如二苯基酮(benzophenone)、4-苯基二苯基酮(4-phenyl benzophenone)、羥基二苯基酮(hydroxyl benzophenone)、或其他合適之二苯基酮；噻吨酮類如異丙基噻吨酮(isopropyl thioxanthone)、2-氯基噻吨酮(2-chlorothioxanthone)、或其他合適之噻吨酮；蒽醌類如2-乙基蒽醌(2-ethylanthraquinone)、或其他合適之蒽醌。上述之光起始劑除可單一使用外，亦可混合使用以得到較快之感光速度，比如異丙基噻吨酮混合2-甲苯基-2-(二甲基胺基)-1-[4-(嗎林基)苯基]-1-丁基-1-酮。可以理解的是，光起始劑與可聚合奈米粒之間的比例將決定之後形成的奈米鏈 段的長度。可聚合奈米粒與光起始劑的比例介於99.5：0.5至95：5之間。同樣地，若光起始劑之比例過高，將造成之後形成之奈米鏈段過短，無法提供輔助支架的功能，則情況接近未添加可聚合奈米粒的效果，無法提昇對比。另一方面，若光起始劑之比例過低，將造成之後形成之奈米鏈段過長，這會使得系統僅有澄清的單穩態。
接著將上述混合物置入兩片基板之間之後施加電場。基板為透光材質，包括玻璃或石英等硬性材質，或塑膠、橡膠、聚酯、或聚碳酸酯等可撓性材質。在本發明一實施例中，電場為介於10Hz至500Hz之間的低頻電場，使雙頻液晶的排列方向與電場方向平行，可聚合奈米粒與不可聚合奈米粒會因雙頻液晶在電場的轉動切斷原有表面羥基之間的氫鍵結而重新在液晶排列的方向形成新的氫鍵支架結構。
在有電場系統維持澄清態的情況下，照光啟動光起始劑，使可聚合奈米粒聚合形成奈米鏈段。在本發明一實施例中，照光波長約320-350nm，20秒至1分鐘之間。此奈米鏈段為本發明之關鍵，與傳統單純使用不可聚合之奈米粒形成的支架結構最大的不同在於傳統方法奈米粒之間會以氫鍵力彼此橋聯著，當施以高頻電場時，氫鍵橋聯斷開而重新隨電場轉動方向再次橋連；而本發明中則同時使用不可聚合與可聚合兩種奈米粒，若未加以照光聚合部份的奈米粒，支架主要也是賴以氫鍵橋聯，當施以飽和電場、系統為完全澄清的狀態下，同時進行照光，由於本發明採用兩種奈米粒，可想而知，可聚合的奈米粒在空間形成不 定位但平行電場方向的奈米鏈段分佈，如此這些不連續的奈米鏈段將可扮演系統輔助支架的功能，且在電場轉換時不易受到液晶轉動的橋聯破壞，相反地，這些不連續的奈米鏈段反而在電場轉換時成為提供液晶轉向的另一種牽制，高頻時，雙頻液晶不再只有垂直電場的一個選擇，平行電場的奈米鏈段亦提供液晶相當的錨定能，兩者競爭的造成有更多的小區域形成(polydomain)，使得系統散亂度大增，因此對比可以提昇。而當系統需要回復澄清態時，這些不連續的奈米鏈段更可加速支架的橋聯，有效提昇反應速率。因此，本發明所建構的不連續的奈米鏈段除了可作為輔助支架外，其空間的不定位更幫助系統散亂，有助於提高澄清態與穩定態之間的對比。第1圖係本發明雙穩態顯示元件的澄清態。如第1圖所示，在基板10之間的雙穩態顯示材料中，奈米鏈段11與雙頻液晶13之排列方向均與電場15方向平行。當可聚合奈米粒聚合成奈米鏈段後，即使移去電場，系統仍保持清澈透明。至此，已完成本發明之雙穩態顯示材料。
如第2圖所示，接著施加另一電場25，使部份雙頻液晶23A的排列方向垂直電場25。在本發明一實施例中，另一電場25係介於5kHz至120kHz之間的高頻電場。氫鍵組成之支架結構會被部份重新排列的雙頻液晶13A摧毀，並隨部份雙頻液晶13A的再排列方向(垂直於外加電場)形成新的支架結構(未圖示)。另一方面，其他部份的雙頻液晶13B則會被周圍的奈米鏈段11所錨定，其排列方向無法完全垂直於外加電場25，使整個系統呈現多重區域的散亂 態。即使移去電場，新的支架結構(未圖示)與奈米鏈段11的錨定作用仍能穩定上述散亂態。
由於奈米鏈段係於澄清態形成，因此再度施加低頻電場可使系統回復至澄清態。即使移去電場，澄清態仍能維持。
經低頻電場-高頻電場的反覆操作，本發明之雙穩態顯示材料均可依電場的頻率高低分別轉換為澄清態及散亂態，即使移去電場仍能維持澄清態及散亂態。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：
【實施例】 實施例1
取不同重量比之雙頻液晶(購自Merck之MLC-2048)、不可聚合奈米粒(購自Degussa之Areosil R812)、可聚合奈米粒(購自Degussa之Areosil R711)、及光起始劑(購自Ciba之I369)如表1，均勻混合後溶入試藥級丙酮，以超音波震盪器(MISONIX Sonicator 3000)震30分鐘至1小時，使可聚合奈米粒、不可聚合奈米粒、及光起始劑均勻分散於雙頻液晶中，接著在40℃下緩慢揮發丙酮，24小時後置入50℃的真空烘箱中放置1天。
接著將乾燥且分散均勻的混合物直接置於ITO玻璃上，兩邊以6μm PET作間隙物，加熱至120℃使樣品熔融，再蓋上另一片ITO玻璃，夾緊成cell，降溫至室溫。
將液晶盒施以100Hz之70V電場，可觀察液晶盒由散亂的白霧狀轉至澄清透明態，分別記錄起始穿透度(Ti)、飽和電壓穿透度(Ts)、及移去電壓之穿透度(T1)。接著再施以40kHz之60V電場，可觀查液晶盒由澄清透明態轉至散亂的白霧狀態。再次分別記錄施加電壓時的穿透度T0及移去電壓時的穿透度T2。可依下式計算曝光前之記憶效果(memory effect)： Mon=(T1-Ti)/(Ts-Ti)*100%
Moff=(T2-T1)/(T0-T1)*100%
接著以UV燈(Spectroline EA-180，1300μW/cm2)進行曝光20秒使可聚合奈米粒聚合成奈米鏈段後，移去電場。液晶盒在移去電場後仍維持澄清態。
將液晶盒施以40kHz之60V電場，可觀察液晶盒由澄清態轉為白霧狀的散亂態。分別記錄施加電壓時的穿透度T0及移去電壓時的穿透度T2。移去電場後，液晶盒仍維持散亂態。接著施以100Hz之60V電場，可觀察液晶盒由散亂的白霧狀轉至澄清透明態，分別記錄起始穿透度(Ti)、飽和電壓穿透度(Ts)、及移去電壓之穿透度(T1)，以上述公式計算曝光後之記憶效果Mon與Moff。
由第1表之比較可知，可聚合與不可聚合之奈米矽粒總重約占雙穩態顯示材料之2至7%，而可聚合奈米矽粒之重量約占奈米矽粒總重之10至60wt%，可得較佳之記憶效果。
10‧‧‧基板
11‧‧‧奈米鏈段
13、13A、13B‧‧‧雙頻液晶
15、25‧‧‧外加電場
第1圖係本發明之雙穩態顯示元件之澄清態；以及第2圖係本發明之雙穩態顯示元件之散亂態。
10‧‧‧基板
11‧‧‧奈米鏈段
13A、13B‧‧‧雙頻液晶
25‧‧‧外加電場

Claims (8)

  1. 一種雙穩態顯示材料的形成方法，包括：均勻混合雙頻液晶、不可聚合奈米粒、可聚合奈米粒、及光起始劑；施加一電場，使該雙頻液晶與該電場平行；以及照光，起動該光起始劑聚合該可聚合奈米粒以形成一奈米鏈段；其中該可聚合奈米粒與該不可聚合奈米粒之重量比約介於10：90至60：40之間；該雙頻液晶與(該可聚合奈米粒及該不可聚合奈米粒)之重量比約介於98：2至93：7之間；以及該可聚合奈米粒及該光起始劑之重量比約介於99.5：0.5至95：5之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雙穩態顯示材料的形成方法，其中該不可聚合奈米粒之粒徑介於7nm至50nm之間，包括氧化鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鐵、或上述之組合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雙穩態顯示材料的形成方法，其中該可聚合奈米粒之粒徑介於7nm至50nm之間，核心包括氧化鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鐵、或上述之組合，且表面具有含碳碳雙鍵之有機鏈段。
  4. 一種雙穩態顯示材料，包括：98至93重量份之雙頻液晶；以及2至7重量份之奈米組合物； 其中該奈米組合物係由10%至60%之奈米鏈段及90%至40%之不可聚合奈米粒組成，其中該奈米鏈段係由一可聚合奈米粒與一光起始劑聚合而成，且該可聚合奈米粒與該光起始劑之重量比介於99.5：0.5至95：5之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之雙穩態顯示材料，其中該不可聚合奈米粒之粒徑介於7nm至50nm之間，包括氧化鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鐵、或上述之組合。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之雙穩態顯示材料，其中該可聚合奈米粒之粒徑介於7nm至50nm，核心包括氧化鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鐵、或上述之組合，且表面具有含碳碳雙鍵之有機鏈段。
  7. 一種雙穩態顯示元件，包括：一液晶層，夾設於兩基板之間；其中該液晶層包括申請專利範圍第4項所述之雙穩態顯示材料。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之雙穩態顯示元件，其中該些基板包括玻璃、石英、塑膠、橡膠、聚酯、或聚碳酸酯。
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