本發(fā)明涉及一種電控干涉濾色片，其具有至少兩個(gè)透明電極、至少一個(gè)向列型液晶層以及用于所述液晶取向的取向?qū)印Ｍㄟ^施加電場，可以實(shí)現(xiàn)所述液晶的再取向和伴隨再取向的所述干涉濾色片的透射波長范圍的位移。

背景技術(shù)：

通常有兩種類型的濾色片：干涉濾色片和吸收濾色片。電控濾色片只基于干涉原理。但是已知類型的干涉濾色片的操作模式和光學(xué)特性部分地有很大不同。基于lyot原理的電控濾色片可由lot公司以商品名“varispecfilter”商購獲得。lyot濾色片由雙折射材料的層結(jié)構(gòu)和隨后的偏振濾色片組成。如果入射的光未被線性偏振，則前接附加的偏振濾色片。單級lyot濾色片既不實(shí)用也不是商購可得。串聯(lián)的lyot濾色片越多，自由光譜范圍越大。在“varispec濾色片”的情況下，液晶單元被用作電控雙折射材料，并且通常串聯(lián)12個(gè)或更多個(gè)lyot濾色片以形成濾色片疊層。作為構(gòu)造條件，由此產(chǎn)生幾厘米(通常1.5英寸＝3.8厘米)的濾色片厚度。復(fù)雜的構(gòu)造方法和長切換時(shí)間(>50ms)是“varispec濾色片”的另一個(gè)缺點(diǎn)。在de3727655a1中描述了一種電控調(diào)制濾色片，其包括具有手性近晶c相的鐵電液晶材料。通過所述鐵電液晶在電場中的再取向，事實(shí)上所述調(diào)制濾色片的透射率在可見光譜范圍內(nèi)變化，對波長敏感而不會(huì)獲得特定波長下的有效阻擋。例如在us2003/0075721a1或us2008/0030635a1中描述的基于螺旋膽甾醇型lc排布的濾色片以及如us3，693，115中描述的所有可機(jī)械控制的濾色片對于運(yùn)動(dòng)圖像是不可行的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

由此開始，本發(fā)明的目的是提供一種電控干涉濾色片，其中可以省去偏振濾色片的使用，并且可以通過電氣控制來影響非偏振光的透射。

通過具有權(quán)利要求1的特征的電控干涉濾色片實(shí)現(xiàn)該目的。在權(quán)利要求13和14中，描述了根據(jù)本發(fā)明的用途。

根據(jù)本發(fā)明，提供了具有至少兩個(gè)透明電極、至少一個(gè)取向?qū)右约跋蛄行鸵壕拥碾娍馗缮鏋V色片。所述向列型液晶層和所述至少一個(gè)取向?qū)又苯咏佑|，使所述液晶能夠取向。通過施加電場，所述干涉濾色片的透射波長范圍可以通過所述向列型液晶層中的液晶的再取向發(fā)生位移。

所述向列型液晶層優(yōu)選具有100nm至1000nm，特別是500至900nm范圍內(nèi)的層厚。因此所述干涉濾色片的兩條相鄰諧振線之間的間隔與所述向列型液晶層的層厚以及所述至少一個(gè)取向?qū)拥膶雍癯煞幢?。為了在可見光范圍?nèi)獲得兩條諧振線之間足夠?qū)挼淖杂晒庾V范圍，該層厚必須小于2λ/n。

原則上，所有向列型液晶結(jié)構(gòu)或其混合物都適合作為液晶：優(yōu)選的結(jié)構(gòu)是聯(lián)苯類、三聯(lián)苯類、四聯(lián)苯類和二苯乙炔類，例如，亞聯(lián)苯基、亞三聯(lián)苯基(terphenylene)、亞四聯(lián)苯基(quaterphenylene)、二苯乙炔或其混合物的氰基氰酸酯、氟代氰酸酯、異硫氰酸酯。由于所述濾色片的波長偏移隨著δn＝ne-n0的增加而增加，所以ne和n0之間的差應(yīng)當(dāng)盡可能大。應(yīng)當(dāng)期望達(dá)到至少5％的數(shù)值，優(yōu)選10％和更大。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，具有正或負(fù)介電常數(shù)的向列相的選擇顯然與閉合模式(off-mode)下的所述液晶的均勻的平面取向或垂直取向直接相關(guān)(尤其參見m.schadt等人，nature，381，212，1996；或a.seeboth，displays，20，131，1999)。所述取向?qū)觾?yōu)選是單分子的。根據(jù)光學(xué)定律(c.k.madsen和j.h.zhao，光學(xué)濾色片設(shè)計(jì)和分析(opticalfilterdesignandanalysis)，johnwiley&sons，inc.1999)，由所述液晶層(106)和所述取向?qū)?105)的厚度構(gòu)成的介電反射層(103)之間的間隔對于濾色片必須等于/小于2λ/n。隨著所述取向?qū)拥膶雍裨黾樱瑸V色片效果相應(yīng)地受到不利影響。此外，所述取向?qū)觾?yōu)選地化學(xué)共價(jià)鍵合到相鄰的固體表面，如在us4,842,375中已經(jīng)對于非單分子的取向?qū)铀枋龅?。對于單分子取向?qū)?，化學(xué)表面固定代表了額外的要求。為了將所述取向?qū)庸潭ǖ浇饘傺趸锉砻?例如sio2、ta2o5、nb2o5或tio2)，一方面，絕對必須有化學(xué)活性官能團(tuán)f如o-、coo-、nh2-、six4-、si(ox)4-或sixn(ox)4-n基團(tuán)(x＝h、ch3、c2h5、鹵素如f、cl、br、i)，這些基團(tuán)可以與反射層中的如si-o-si或ti-o-ti基團(tuán)反應(yīng)形成共價(jià)鍵，如h.h.dunken等人，physikalischechemieder(玻璃表面的物理化學(xué))(physicalchemistryoftheglasssurface)，vebgermanpressforbasicmaterialindustry1981內(nèi)的詳細(xì)描述。另一方面，這些具有所述官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)單元必須既不負(fù)面影響所述取向?qū)拥男蚊惨膊回?fù)面影響其界面張力γos。否則將不再能確保所述液晶的均勻取向和足夠的有序程度。所述向列型液晶通過毛細(xì)力的填充過程同樣是不可能的。根據(jù)本發(fā)明，可以以已知方式測定的所述取向?qū)拥慕缑鎻埩Ζ胦s和所述液晶的界面張力γlc(a.seeboth等人，膠體和表面a(colloidsandsurfacesa)，78，177，1993)優(yōu)選最大范圍地相同：δγ＝γos-γlc≈0。

用于所述取向?qū)拥暮线m的基本結(jié)構(gòu)是具有光活性乙烯基團(tuán)的化合物，例如香豆基-、苯基丙烯酰基-、3-(2-呋喃基)丙烯酰基-、3-(2-噻吩基)丙烯?；?和反式-芪衍生物，如圖2a所示，其中ar表示苯基、萘基、蒽基、呋喃基、噻吩基或任何其它芳族基團(tuán)。然而，為了將所述取向?qū)庸潭ǖ剿鼋饘傺趸锉砻?，該基本結(jié)構(gòu)還需要另外的附加官能團(tuán)f，其通過間隔基s或偶聯(lián)到如圖2b的芳族核上，或偶聯(lián)到如圖2c的主分子的脂肪族部分的任何點(diǎn)上。顯然，圖2c中的間隔基也可以鍵合在其它地方，例如如圖2d所示。此外，對于分子設(shè)計(jì)可以使用所有可能的其它組合，例如既偶聯(lián)到脂族分子部分也偶聯(lián)到芳族分子部分，如圖2e所示。圖2a-2e中記作r1、r2、r3、r4的取代基代表例如氫、鹵素(f、cl、br、i)、烷基、烷氧基、環(huán)烷基、苯基、萘基、蒽基、呋喃基、噻吩基或任何其它芳族基團(tuán)。所述間隔基s優(yōu)選是具有2-8個(gè)碳原子的烴鏈，其可以例如通過酰胺、醚或酯橋中斷。所述官能團(tuán)f優(yōu)選為o-、coo-、nh2-、six4-、si(ox)4或sixn(ox)4-n基團(tuán)(x＝h、ch3、c2h5、鹵素如f、cl、br、i)。

每個(gè)取代基r1、r2、r3、r4可以僅是本身或以r1、r2、r3、r4之間的任何組合出現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述向列型液晶層在兩個(gè)表面分別與一個(gè)取向?qū)又苯咏佑|。

此外，優(yōu)選所述干涉濾色片包括具有至少一個(gè)接納所述向列型液晶層的凹部的定距層。因此，可以通過所述定距層調(diào)節(jié)所述向列型液晶層的層厚。因此優(yōu)選以噴鍍法生成所述定距層，由此使得可以在個(gè)位數(shù)nm范圍內(nèi)精確地調(diào)節(jié)所述定距層的層厚。

更優(yōu)選的實(shí)施方案提供了所述干涉濾色片具有至少一個(gè)介電反射層。

所述介電反射層優(yōu)選地由低折射材料和高折射材料的交替成對的層組成，n是正整數(shù)。作為低折射材料，可以使用例如在589nm處折射率為1.46的sio2，和作為高折射材料可以使用在589nm處折射率在2.15和2.45之間的ta2o5、nb2o5或tio2。所述介電材料的選擇對于可見光譜范圍是經(jīng)優(yōu)化的。

對于所述介電反射層的排布，存在三種變型。在第一種變型的情況下，所述介電反射層可以設(shè)置在朝向所述向列型液晶層的透明電極側(cè)。第二種變型提供了所述介電反射層設(shè)置在遠(yuǎn)離所述向列型液晶層的透明電極側(cè)和第三種變型涉及在所述介電反射層中透明電極的集成。

優(yōu)選所述透明電極包括透明導(dǎo)電材料或由其組成。

其例子是氧化銦錫(ito)、鋁摻雜氧化鋅(azo)、氧化氟錫(fto)、氧化銻錫(ato)、石墨烯、銀納米線和碳納米管。

根據(jù)本發(fā)明的主題旨在參考隨后的附圖和實(shí)施例更詳細(xì)地說明，而不希望將所述主題限于本文示出的特定實(shí)施方案。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的干涉濾色片的示意結(jié)構(gòu)。

圖2示出了對于所述取向?qū)痈鶕?jù)本發(fā)明使用的組分的多種結(jié)構(gòu)。

圖3示出了在不用于光透射的光譜范圍內(nèi)根據(jù)本發(fā)明的干涉濾色片的透射范圍的位移，參見示意圖。

在圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的干涉濾色片，該濾色片有兩個(gè)取向?qū)?105)和(105')，在其之間設(shè)置了向列型液晶層(106)。所述向列型液晶層(106)的厚度由周圍的定距層(104)規(guī)定。在所述取向?qū)?105)和(105')的遠(yuǎn)離所述向列型液晶層(106)的一側(cè)，分別設(shè)置介電反射層(103)和(103')。在其上依次沉積透明電極(102)和(102')。此外，根據(jù)本發(fā)明的干涉濾色片還有外部載體層(101)和(101')。

實(shí)施例1

實(shí)施例1涉及為波長575nm的綠光設(shè)計(jì)的電控干涉濾色片。

為了本實(shí)施例，使用glas&optikgmbh公司的商業(yè)ito玻璃(cec050p)，其表面電阻為40ω/□。所述ito玻璃的透射率在450nm時(shí)為80％，在700nm時(shí)為87％。分別用為575nm的波長設(shè)計(jì)的介電反射層(103)涂覆兩個(gè)這樣的ito玻璃。所述介電反射層由四個(gè)sio2層和四個(gè)ta2o5層組成，它們以sio2開始以交替層序列進(jìn)行噴鍍(s[hl]^4h-575nm)。

隨后，在具有反射層的兩個(gè)生成的ito玻璃的第一個(gè)上，將反式-3-(3-(5-氯戊氧基)苯基)丙烯酸苯酯以浸漬法共價(jià)鍵合到所述反射層表面，結(jié)果形成具有光活性乙烯基團(tuán)的單分子有機(jī)層。通過用線性偏振光進(jìn)行光化學(xué)交聯(lián)，由此生成所述取向?qū)?105)的結(jié)構(gòu)化表面。橢圓偏光測量表明：正如對于單分子層所預(yù)期的，取向?qū)拥暮穸鹊陀?nm的受工藝影響的檢測極限。

在帶有反射層的第二個(gè)ito玻璃上，將定距層(104)以兩個(gè)腹板(steg)的形式施加在基體的相對兩端。因此在所述基體的中心形成凹部，在兩個(gè)半電池(half-cells)(ito玻璃+反射層+取向?qū)?ito玻璃+反射層+定距層)組裝之后，形成了填充有所述液晶層(106)的空腔。為了能夠精確地調(diào)節(jié)所述超薄定距層(104)，并因此調(diào)節(jié)得到的超薄液晶層(106)，以噴鍍法生成所述定距層，其中所述空腔表面被掩模覆蓋。對于本實(shí)施方案，噴鍍sio2形成753nm的層厚。生成近似753nm的lc層。

根據(jù)傳統(tǒng)的lcd組裝技術(shù)，平面平行地連接兩個(gè)半電池(ito玻璃+反射層+取向?qū)?ito玻璃+反射層+定距層)形成干涉濾色片。

在最后一步中，用向列型液晶填充所述干涉濾色片的空腔。在本實(shí)施方案中，為此目的使用共晶液晶混合物，該混合物在室溫下具有δn＝6％的向列相，其適應(yīng)于所述取向?qū)拥慕缑鎻埩棣摩茫溅胦s-γlc＝0.8mn/m。

可以通過施加11v的電壓將因此生成的濾色片連接到其ito電極上。所述濾色片的切換時(shí)間在μs/ms范圍內(nèi)，其中t開＝580μs和t關(guān)＝1.33ms。如果使用中心波長為575nm的單色光或窄帶光(led或激光二極管)作為背光，則電池的切換效果與肉眼清晰可見的綠色至黑色的切換效果相關(guān)。在“關(guān)”狀態(tài)下，所述濾色片對于波長為575nm的光是透明的，而在“開”狀態(tài)下，實(shí)際上完全阻擋了背光?！伴_”狀態(tài)下的透射波長處于未使用的光譜范圍內(nèi)。對于520nm至600nm的波長范圍，所述濾色片在“關(guān)”和“開”狀態(tài)下的透射光譜示于圖3。這些光譜用非偏振光測量。

在“關(guān)”狀態(tài)下，所述濾色片在觀察到的波長范圍內(nèi)具有最大值為545nm和575nm的兩個(gè)透射峰。它們之間的范圍被定義為自由光譜范圍。作為施加電壓的函數(shù)，所述峰從575nm連續(xù)位移到545nm。

實(shí)施例2

實(shí)施例2是為波長450nm的藍(lán)光設(shè)計(jì)的電控干涉濾色片。類似于實(shí)施方案1制備實(shí)施方案2。為了適應(yīng)改變的透射波長，首先將反射層(103)的sio2和ta2o5層的厚度改變?yōu)?6.36nm(sio2)/51.07nm(ta2o5)，其次間隔層(spacerlayer)的厚度為558nm。這樣生成的濾色片在其ito電極處于9.2v電壓處切換。使用單色背光，所述濾色片從藍(lán)色切換到黑色。同樣如實(shí)施方案1，切換效果肉眼清晰可見。

實(shí)施例3

實(shí)施例3是為波長632nm的紅光設(shè)計(jì)的電控干涉濾色片。類似于實(shí)施方案1，同樣制備實(shí)施方案3，其中sio2和ta2o5層的厚度適應(yīng)為反射層95.53nm(sio2)/64.12(ta2o5)和間隔層的厚度適應(yīng)為798nm。這樣生成的濾色片在其ito電極處于11.9v電壓處切換。使用單色背光，所述濾色片從紅色切換到黑色。同樣如實(shí)施方案1和2，切換效果肉眼清晰可見。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員很顯然，通過改變選擇向列型液晶(δn、δε、粘度的改變)、反射層構(gòu)型和層材料(反射層的組成對數(shù)、層厚和層的介電性質(zhì))、所述液晶層的厚度、單分子取向?qū)拥幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu)(界面性質(zhì)的改變)，電控濾色片的切換時(shí)間和閾值電壓既可以位移到較高的值也可以位移到較低的值。同樣明顯的是：波長的最大位移范圍取決于δn，并且可以通過電壓可變地控制使用的位移范圍。這些實(shí)施方案可以以單個(gè)濾色片或以rgb濾色片使用，也可以以矩陣形式使用。