专利名称：双稳向列相液晶装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及双稳向列相或手性向列相液晶装置，尤其涉及具有高信息含量的显示装置。
液晶装置一般包括一个包含于光学透明盒壁之间的液晶材料薄层。这些壁一般涂敷在具有透明导电层的内表面，使得能够施加外部电场，当然利用平面内电极的装置也可以采用金属带来实现施加电场。有一些液晶装置还包括沿电极设置的半导体区，以便形成诸如薄膜晶体管(TFTs)的非线性元件。电极通常被设计形成一种可寻址元件或象素的矩阵，包括分段或rθ显示，当然也可以有其他的布局。虽然可以用单个或多个电极驱动每个象素，但复杂的装置(即那些具有大量象素的装置)通常通过把基底布置成有一系列行电极而另一基片有一系列列电极来驱动，使得每个象素形成在行和列的叠加处。
其他包含在装置内侧的层包括滤色片、平面(planarisation)阻挡层。每个象素的最内层表面通常由一个给出液晶方向的所需取向的排列层组成。此表面层与包括液晶的分子相互作用，并且把排列方向经液晶材料的弹力传递给样品。
对于向列相液晶有多种可能的表面结构。某种表面活性剂导致液晶的方向主要垂直于被称作“匀质”排列的表面。或者，液晶的方向主要平行于“平面”排列的表面，或以一定的中间角(通常称作预倾角)“倾斜排列”。无论是采用平面内排列还是倾斜排列的装置通常都还需要消除排列方向关于表面法线的简并度，并且有一个单一的液晶分子取向。
在文献中已提出了各种实现平面内匀质和倾斜匀质的排列方法。例如，无机层如单氧化硅(SiOx)或氟化镁(MgF)的倾斜蒸发根据加工条件导致平面内匀质或倾斜匀质的排列。相对于表面法线成60°的SiO的蒸发导致在垂直于蒸发平面方向中的平面内排列，而85°的蒸发角导致在蒸发平面上的倾斜(一般在25°至30°之间)。
平面内或倾斜排列通常通过用适当的聚合物如聚酰亚胺涂敷并用布在理想的方向上对表面打磨来实现。这通常导致与表面平面成0.1°至8°的预倾角(虽然也可以用特定的聚合物达到0°至90°的预倾角)，具体角度根据聚合物、摩擦条件以及其他包括烘烤温度的处理条件而定。或者，可以利用平面表面中的周期性光栅结构产生平面内匀质排列。然后当分子方向平行于光栅轴时产生向列相液晶的最低弹性能量。也可以利用非对称或闪耀的叠加双光栅表面得到倾斜的匀质排列。
近来已对数个具有不止一个向列相方向的稳定取向的新颖表面做了介绍。关于双稳态表面的第一个例子记载在Durand等的国际专利WO91/11747(1991)和WO92/00546(1991)中。在这些装置中表现出对SiO涂层的厚度和蒸发的精确控制，导致两个稳态表面取向第一个是平面，第二个是与第一取向成90°的方位角(即在表面的平面中)，但相对于表面平面倾斜大约30°。在英国专利GB2，286，467-A中描述了一种实现这种方位角双稳表面态的更实际的方法。它使用闪耀双光栅表面，其中局部的方向相对于表面是平面的，并通过对光栅间距、幅度和闪耀度的精确控制来稳定两个表面取向。
在英国专利申请PCT/GB96/0463中描绘了一个新颖的表面，其中具有匀质的局部方向取向的单光栅表面导致在相同的方位角平面但具不同倾角的两种稳态。该表面用于形成一个高射双稳态装置或ZBD。该表面也可以通过在导致液晶材料自发地匀质取向的层中产生光栅而实现，或更具体地说，通过在光栅表面涂敷一层适当的导致匀质的排列剂而实现。
对液晶装置施加电场可以有多个效应。很多装置依赖于液晶固有的介电各向异性(Δε)(Δε=ε‖-ε，此处‖和指平行于和垂直于液晶分子方向的方向)。如果Δε为正，则当液晶分子方向平行于施加的电场时，液晶的静电能最小，而如果Δε为负时，液晶分子方向趋于垂直于施加的电场。这些效应与电场的RMS值有关与电场极性无关。虽然某些材料设计成有两个频率特性，但多数材料在装置的整个工作频率范围内可正或是负，其中Δε在工作电频率范围内低频处为正，高频处为负。
近来介绍了一些采用许多液晶中发生的变电效应的装置。这些效应由液晶分子方向电场的某种弹性形变引发的液晶分子的极性顺序所导致。这些效应与DC电场有关并因而依赖于施加电场的极性。
利用前述原理的单稳态液晶装置的例子是(超)扭曲向列相(TN和STN)型液晶装置，并且是电控制的双折射(ECB)模式。
在TN中，处理装置的两个内表面以给出倾斜的匀质(或平面的)排列，而在反面上的方向彼此扭转一个角度。一旦填充向列相材料，装置中的整个液晶分子方向从一个表面扭曲到另一个表面。当表面在偏振片之间照射时，或如果液晶包括一种构成二向色染料的单偏振片时，此结构具有特定的透射率。当由正Δε的向列相材料构成时，电场的施加导致液晶分子方向重新取向成平行于电场，由此改变装置的光学特性，在TN型装置中，表面取向为在整个盒中基本上扭转90°。选择液晶双折射率Δn和盒间距，使得入射光的偏振方向旋转90°，导致交叉的偏振片(标准的白模式)之间的透射，或平行偏振片(标准的暗模式)之间的的暗态。施加的电场与Δε的耦合诱使整个盒倾斜并降低光的旋转度，由此导致通常白模式下较暗的透射或正常暗态下较亮的透射。
在一个复用装置中可寻址的不同元件数跟透射率与电压特性曲线的斜率有关，如Alt和Pleshko在IEEE Trans.ED，Vol ED 21 p146-155(1974)中所述。该曲线的斜率可以通过在每个象素中组合一个非线性元件如TFT或利用美国专利US4，596，446中所述的超扭曲(STN)效应来改进。此处的手性添加剂用于改变液晶的自发扭曲并促使90°至270°之间的扭曲，因此使透射率/电压特性曲线变陡。
另一种RMS可寻址的单稳装置是ECB模式。此处的匀质表面与表面的平面有高预倾角的倾斜的匀质表面相反。该装置连同负Δε材料一起使用，使得电场的施加减小整个盒的倾斜并改变光学延迟，由此导致光学反差。对于每一种这些装置，可以利用附加的被动延迟板改进光学特性(主要对比度、亮度和视角)。例如，利用近似取向于偏振片之间液晶盒的两个单轴延迟膜使STN装置从兰/白或黄/黑模式转变到黑/白模式。
利用表面双稳态的双稳向列相液晶的一个实例是英国专利AO97/14990，PCT/GB96/02463(GB9521106.6)中的高射双稳装置，以下称+ZBD。对一个或两个平面进行处理，从而在相同的方位平面但不同的高射角(或倾角)中给出两个双稳态。在本发明的优选实施例中，采用高射的双稳表面，与传统的匀质表面相反，并由于与施加电场的可变电耦合而发生切换。
这种装置的两种状态示于图2a中。在第一种状态中，整个盒均匀同质，液晶分子方向场连续扭曲接近光栅表面。在第二状态中，缺陷发生在接近表面处并且液晶分子方向在距表面一定的距离处均匀地预倾斜(图2b中的虚线表示)。根据DC电场的符号选择两种状态中的一种，两种状态中表面附近的变形导致变电极性。如果材料具有正的Δε，则因为场的RMS效应将同质排列从单稳态表面扩展到盒的整个，所以提高了接近任一状态的表面的变电极性强度。这导致ZBD的低电压/快响应。但在应用数据信号期间由于稳定两态中同质取向的RMS效应而严重地降低光学对比度。
关于相同的方位平面解释如下令盒壁位于x，y平面，这意味着垂直于盒壁的是z轴。在相同的方位平面内的两个预倾角表示在x，z平面中两个不同的分子位置。
本发明改进了ZBD装置的转换特性，给出了更好的对比度及降低了因多路寻址导致的AC电压的敏感度。
根据本发明的双稳态向列相液晶装置，包括两个封闭液晶层的盒壁；位于两盒壁上的电极结构；位于两盒壁内表面上的表面排列处理膜，对液晶分子进行排列；区分液晶材料的转换状态的装置；其特征在于一种具有零或负介电各向异性的向列相或长间距胆甾相液晶材料；一种在一个盒壁上的双稳表面排列膜，使得液晶分子能够在大致相同的方位平面内采用两种不同的预倾斜；在其它盒壁上的表面排列膜给出液晶分子一个优选的排列方向，平面内的匀质排列或倾斜的匀质排列；在给电极施加合适的电信号之后可以存在两种稳定的液晶分子结构的布局。
双稳态表面最好是由一种材料制成的或由表面活性剂涂敷的刻痕轮廓或光栅，它能诱使表面局部的液晶分子方向基本上垂直排列，并导致沿盒法向离开表面一定距离的整个液晶的方向上有不同的倾斜。一般说，光栅具有在盒中导致两种不同倾斜的间距、大小和形状一种是大致垂直于盒平面，另一种是与盒平面法向倾斜例如0°至60°角。光栅的这种结构使得两种状态的总能量基本上相同。
液晶的局部取向可以通过直接在玻璃或合适的材料中制作光栅而制成基本上为匀质，但更通常的做法是给材料涂敷适当的涂层。这种涂层通常是匀质表面活性剂，如卵磷脂、硅烷、铬络合物或长脂肪族侧链聚合物。该光栅可以通过各种已知的方法制成。例如，可以利用光刻工艺或其他的蚀刻工艺通过压印或从一个载运层中转移而在一种光聚物中形成。光栅的轮廓，如间距、大小、形状(对称或非对称)或形状的非对称度在每个象素上、或显示器中的象素和象素或在像素和非像素区比如象素间隙之间可以不同。这些变化可以只发生在光栅表面的一个方向，也可以发生在两个方向。
该装置也可以采用其他的表面，只要它们可以为装置提供不同预倾角的两个或多个稳态。
单排列表面可以是基本上为平面匀质或倾斜匀质的任意单稳表面，使得表面引发的关于高射双稳态面的预倾斜显著地小于可能的预倾角，例如与盒平面夹0.1°或20°角。这一般是摩擦处理过的聚合物表面，导致液晶分子在一个优选的方向上排列，但同样它也可以包括其它用于给出平面内的或倾斜的匀质排列的表面，其中包括倾斜蒸发的无机材料，利用偏振辐射而产生的光聚物、单光栅或双光栅结构。
双稳态表面和单排列表面的方位角排列方向可以布置成平行、反平行、互成90°角或任何希望的角度，如45°角。当采用非零扭曲角时，向列相材料可以包含一定量的旦甾相材料以产生优选的扭曲方向。当加入这种旦甾相材料时，材料中的扭曲可能超过90°，如180°或270°。对于双稳表面在两种稳态中的倾斜大于零时，单(平面的)排列具有比任何一种双稳态表面低的预倾斜角。双稳态表面包括零倾斜态，反面应为一个具有反平行排列的倾斜的匀质表面(而非平面的匀质)，以避免反转倾斜旋错的形成；应当有均匀的倾斜方向。以上所述对于具有整个层内扭曲的装置同样适用。
液晶材料在整个工作温度范围内具有向列相或手性向列相。在通常为1Hz和1MHz之间的电工作频率范围内，介电各向异性在0～-20之间优选Δε＜-0.1。虽然也可以采用其他的电极性转换机构，如手性离子或纵向铁电性，但最好材料对于向列相和胆甾相液晶具有共同的变电效应。该材料具有合适的双折射Δn值和/或具有多色染料作为构成成份，使得能够达到被光学分辩(通过干涉、吸收或散射)的不同稳态。
盒壁的一个或两个可以由光学透明介质制成。这种介质可以是厚的非挠性材料如玻璃，或者，盒壁的一个或两个可以由挠性材料如玻璃或塑料薄层如聚烯烃或聚丙烯制成。可以在塑料盒壁的内表面压印表面排列光栅。盒壁还可以包含其他的层，包括滤色片、内偏振片、电阻挡层、平面层以及其它的现有液晶装置制造者所熟知公用的层。盒壁既可以通过产生附加结构如聚合物壁或柱隔开，也可以利用玻璃/塑料隔离物隔开。电极是光学透明的，并通常由氧化铟锡(ITO)制成，但也可以包括附加的电学元件，如非线性元件(如TFTs)或非透明金属线，以便降低轨迹电阻效应。
下面将以参考附图为例对本发明进行描述
图1a是矩阵多路寻址液晶显示器的平面图；图1b是图1所示显示器的截面图；图2a(ⅰ)，(ⅱ)，2b(ⅰ)，(ⅱ)表示现有技术WO97/14990PCT/GB96/02463中的分子排列；图3(ⅰ)，(ⅱ)是根据本发明的负模式高射双稳态装置二维液晶分子方向轮廓的截面图，其中有两个稳态图3(ⅰ)的连续态和图3(ⅱ)的缺陷态。
图4是图3所示负模式高射二维液晶分子方向轮廓的简图，其中耦合到组成的液晶负介电各向异性并以液晶分子方向电场的变形为中心的施加电场的RMS效应接近双稳态表面；图5是本发明对于Δε＜0、整个层扭曲为零(例1)的一系列一维电开关；图6类似于图5，但具有90°的扭曲(例2)；图7是用于测试本发明双稳态开关的总波形；图8、9和10是表示在稍微不同的状态下例2装置的光学响应的示波器轨迹；图11表示本发明以及现有装置对于两种稳态转换态中的一种态(缺陷态)的光透射与电压的关系；图12表示本发明以及现有装置对于两种稳态转换态中的另一种态(无缺陷态或连续态)的光透射与电压的关系；图13表示本发明和现有装置中作为RMS电压的函数的两种切换态之间的对比度；图14表示本发明和现有装置的转换阈值随RMS电压的变化；图15是作为刻痕深度与间距比(h/w)函数的两种预倾斜结构的能量曲线。
图1a、b中的显示器包括一个由向列相或长间距胆甾相液晶材料的层2形成的液晶盒1，液晶材料包含在玻璃壁3、4之间。隔离环5保持玻璃壁分开1-10μm，一般为2-6μm。另外，可以在液晶内散布相同尺寸的大量珠粒以保持精确的壁间隔。在壁3上形成如SnO2或ITO(氧化铟锡)的带状行电极6，并在另一壁4上形成类似的列电极7。以m行和n列电极形成一个m×n的可寻址元件或象素矩阵。每个象素通过行和列电极的交叉而形成。
行驱动器8向每个行电极6施加电压。类似地，列驱动器9向每个列电极7施加电压。施加电压的控制来自于从电压源11接收电功率并从时钟12接收时钟信号的控制逻辑电路10。
盒1的每一侧是偏振片13、14，它们的偏振轴基本上彼此交叉，并与排列方向R基本上成45°角，在以下描述的例2的非扭曲情形中邻近壁3、4，或者在例3的扭曲情形中平行于一个排列方向。另外，可以加入诸如拉伸聚合物的光学补偿层19’，令其邻近盒壁和偏振片之间的液晶层2。
可以在盒1之后与光源20一起设置一个全反或部分反射镜15。这使得能够由反射观看显示，并从昏暗的环境光后发光。对于透射型装置可以省去反射镜15。
组装之前，对盒壁4用排列光栅16进行处理，从而提供两个双稳预倾角。用平面处理膜17即与排列方向成零或几度预倾角处理另一壁3.对于两个稳态均有大于零度倾角的双稳态光栅16表面的情形，平面排列膜17具有小于双稳态表面任一状态的预倾角。双稳态表面包括一个零倾斜态，其反面应是反平行排列倾斜的匀质表面(而非平面的匀质)，从而避免形成反转的倾斜旋错，并应具有均匀的倾斜方向。以上所述对于下列例2所述的具有扭曲层2的装置同样适用。对于三色显示器，可以设置一个滤色层18，在黑矩阵中有分离的红、绿和兰滤色区。
最后用负介电各向异性的向列相材料如ZLI.4788、ZLI.4415或MLC.6608(Merck)填充液晶盒。
可以用PCT/GB96/02463中所述的方法制作高射双稳态表面光栅16。例如，用光致抗蚀剂旋转涂敷一块洁净的ITO涂层玻璃(以3000转/分旋涂Shipley 1805 30秒钟，之后以90℃的温度柔和地烘烤30分钟-产生550nm厚的涂层)。使0.5μm线宽、0.5μm间隔的铬膜与基底接触，并用0.8mW/cm2的汞灯倾斜(基本上与基底/膜法线成60°角，给出一个非对称形状的光栅或对称形状的光栅)照射200至800秒。然后除去膜，并通过在Shipley MF319中显影10秒钟，之后再在去离子水中漂洗，从而得到对称的或非对称的表面调制。然后通过曝光于深紫外光(254nm)而将表面硬化，再在160℃温度下烘烤45分钟。最后用匀质排列诱发剂溶液如卵磷脂处理表面。
可以计算光栅表面上向列相材料自由层的分子结构。其结果示于图2a，其中短线表示光栅表面附近的液晶方向，在底部的短线包络面表示光栅轮廓。在这种情况下，光栅表面由下式表示y(x)=h2sin(2πxw+Asin(2πxw))..........(2)]]>此处h为刻痕深度，w为间距，A为非对称因子。在图2a(ⅰ)和2b(ⅱ)中A=0.5，h/w=0.6。在图2a(ⅰ)中，允许有限的单元格栅离开初始的倾斜方向80°。在这种情况下，该结构放宽到89.5°的预倾角。但如果初始倾斜方向设置为30°，则格栅放宽到23.0°的预倾角，如图2a(ⅱ)所示。因此，向列相液晶可以根据起始条件采用两种不同的结构。
实际上，向列相液晶材料将迟豫到放宽这两种结构中有最低的总畸变能量的哪一个。图15表示高预倾角(实圈)和低预倾角(空圈)态的总能量(任意单位)跟刻槽深度与间距比(h/w)的关系曲线。对于低h/w，高预倾角态具有最低的能量并因而向列相将采取高预倾态。相反，对于大的h/w，低预倾角态具有最低能量并因而形成此态。但当h/w=0.52时，两状态具有相同的能量，并因而都可以存在而不放宽到其它态当中。因此如果在此条件或接近此条件下制作表面，可以在预倾角的角度观察到双稳态。
专利申请PCT/GB96/02463描述了根据上述过程制作的光栅可以导致两个稳态排列，其中离开表面一定距离的液晶分子方向(director)根据是否有表面缺陷周期性接近表面而具有两种预倾角中的其中一值图2a中的高预倾角(ⅰ)和低预倾角(ⅱ)，图中线条表示靠近光栅表面的液晶分子(方向)排列。高预倾角(ⅰ)被称为连续或非缺陷态，导致预倾角接近90°；而低预倾角(ⅱ)被称为缺陷态，并具有0°至75°的预倾角，根据表面的形状和固定特性以及液晶的弹性特性，预倾角通常约为45°。
在PCT/GB96/02463中描述了一种装置，其中采用的高射双稳态表面与单稳态匀质表面相反。现有此种装置的双稳态液晶分子方向轮廓示于图2b，其中的线条表示整个液晶层的晶向排列。在图2b(ⅱ)的缺陷态中有净双折射，这导致当把液晶盒放置在以与液晶分子方向的平面非0°或90°交叉的偏振片之间时，垂直入射的光可以透射。在图2b(ⅰ)所示的非缺陷态中，垂直入射的光经历很少的或没有净双折射，并因而装置显得很暗。利用适当周期、幅度和与液晶的介电、变电特性相耦合的极性的电脉冲进行两种状态之间的选择。由此导致双稳态显示，去除电场后保持暗态或亮态，通过光栅表面使之稳定并对电、热或机械冲击扰动不敏感。最后的这一优点对于便携式显示器尤其有用。
其它现有的双稳态液晶装置包括那些基于铁电液晶的装置。这些装置必须免受震荡，因为铁电液晶需要一系列热处理以便排列就绪，并因而在因外部冲击而变得失准后不能正确地重新排列。
本发明的装置不同于PCT/GB96/02463的+ZBD，它具有下列实例中所述的优点。
现有技术实例具有非对称的光栅形状。下面将对PCT/GB96/02463中所述的被称作正模式高射双稳态向列相的装置(+ZBD)与本发明的装置作详细的比较。
一块1.1mm厚的ITO涂层玻璃用光致抗蚀剂Shipley 1813(以适当的稀释剂稀释成3∶1)以2000转/分的速度旋涂30秒钟。由此得出1.0μm的膜厚度。然后对表面以90℃的温度缓和地烘烤30分钟。再在光致抗蚀剂表面紧贴一层铬掩模。铬掩模由相距0.5μm空隙的0.5μm的铬线条组成。用未滤光的汞灯(0.3mW/cm2)对样品曝光530秒钟，曝光以与垂直于预定光栅刻槽的平面中表面法线成60°角进行；此角导致非对称的光栅形状。然后用Shipley MF319以800转/分的速度旋转显影10秒钟，再用去离子水漂洗。这导致光栅表面的形成。然后通过用深紫外光(254nm)曝光并在180℃下烘烤2小时而固化光致抗蚀剂材料。最后，通过铬络合物表面活性剂处理而使得表面匀质。
通过以类似于光栅表面的方式但不用光栅曝光制备Shipley 1805稀释层(0.2μm)从而制得正模式ZBD盒的反面。盒由一个光栅面和一个平坦表面利用包含2.5μm的玻璃珠隔离物的边缘密封胶而形成。盒中填充市售的向列相液晶E7(可从德国的E.Merck，Germany得到)，该液晶在整个可能的工作频率和温度范围内具有正的介电各向异性。转换通过先前添加的1％重量的材料N65(Norland)而实现，如专利申请GB97/21215.3所述。例如，在填充盒之前通过在熔融硅盒中以2.0mW/cm2光输出量的未滤光汞灯曝光来固化N65/E7混合物10分钟。N65是Norland Products Inc.，North Brunswick NJ，USA制造的UV固化黏合剂；其它类似的材料有N63、N60、N123。这些材料中包含酯类和丙烯酸盐在UV辐射下聚合的混合物。这种盒的表面固着力很弱。填充通过各向同性的毛细作用来完成，随后被慢慢冷却成向列相。
在具有大量的被排布成x，y矩阵的可寻址元件或象素的装置中，通常通过多路复用技术对其寻址。对于双稳态装置，需要对每一行依次施加选通脉冲波形，同时对所有的列电极施加两种数据脉冲波形(有相同的形状和相反的极性)中的一种。每个被寻址的象素对应于选通脉冲和数据的合成。为了测试单个盒的目的，可以在大显示器中施加合成波形以模拟寻址。
图7中所示的波形即是这种合成波形，并被用于现有装置和本发明装置的测试。在这种合成波形中，大脉冲发生于选通脉冲，小脉冲发生于数据波形。每个象素将接收随机大脉冲加多个小脉冲。这些小脉冲施加连续的低值RMS.信号，这在铁电装置中有用(它们提供AC稳定)，但对双稳态向列相装置不利。
然后对每个基底的ITO电极进行电接触并施加如图7所示的信号。此信号由持续时间为0.1至10ms、幅度在10至20V范围内的直线脉冲组成。使用的占空比在50∶1和500∶1之间，并叠加频率为1kHz至100kHz，幅度为Vrmx(0V至10V)的AC波形。施加的脉冲序列采用如图7所示的相反极性的交替脉冲，或者相同幅度、持续时间和极性的两个脉冲，随后两个极性相反的两个不同脉冲，如WO97/14990中所述。也可以使用其它的电信号，如WO97/14990中所使用的多路复用信号。
该液晶盒用钨灯白光源照射，并在两个交叉偏振片之间观察，偏振片的偏振轴与双稳态表面上的刻槽方向成±45°。利用与人眼响应滤光片结合在一起的光电二极管检测光学响应。在向列相中建立双稳态锁合，如9521106.6中所述，并类似于本发明的图8、9和10所示。
下面将详细描述本发明的两个实施例。
例1.非对称光栅和非扭曲向列相结构。
利用上述指导构建相隔4μm的装置，其中单稳态表面17有一个摩擦的聚酰亚胺表面(P132)，表面上的摩擦方向垂直于双稳态表面上的单光栅刻槽16。材料是负介电各向异性材料ZLIl.4788.此装置有两个稳定的二维方向轮廓，如图3(ⅰ)，(ⅱ)所示(例如通过假设在两种情况下Δε=0忽略RMS耦合效应)。这表明在这种装置中两种状态的方向变形度大于图2所示的传统装置；这对于非缺陷态尤其成立。因此，假设其它所有的条件相同(缺陷态的预倾角、材料的变电和粘滞弹性、盒间距等)的情况下，装置的转换将发生在较低的电压和/或较短的脉冲持续时间。例如，如果双稳态具有与盒平面成60°和90°的预倾角，并且单稳态表面有0°的预倾角，则图3(ⅰ)、(ⅱ)的装置总共有60°和90°的预倾角变化。这比图2a(ⅰ)、(ⅱ)所示的WO97/14990中的装置两个状态的角度变化0°和30°大很多。
如上所述，在一般的显示器中，RMS电压量将产生于每个象素并对两个转换态中的方向排列具有很大影响。这示于图4(ⅰ)、(ⅱ)的装置，其中Δε为负值(一般等于或介于-10和0.5之间)。此处，施加电压的RMS效应用作向双稳态表面压缩弹性形变。这用于增大变电极化度，可以耦合到施加电场的DC成份并导致双稳态之间的转换。
虽然此装置(例1)具有比传统ZBD快的转换和/或低的工作电压的潜能，但它也具有相同的主要缺点在多路复原装置中，由于相邻列上的数据波形而使每个象素都有RMS电压，实现锁合时在转换时间之前和之后每个象素都经受该电压。这导致两种状态中的光学差异(Δneff·d)接近，并因而降低对比度。
图5表示例1中两种转换状态具有或不具有RMS电压的方向排列。这是本发明的电学转换对于Δε＜0的一组一维表示。从左至右表示零场缺陷状态，施加场对缺陷状态的RMS效应，RMS电压对非缺陷场的效应，以及零场非缺陷状态。箭头表示两个双稳态之间的DC选择。
提高对比度的一种方法是减小Δε的大小(即利用Δε≈0)，但这显著地增大在两种状态之间转换所需的电压时间积，因为它消除了对集中接近双稳态表面的方向变形的RMS效应。这个问题在本发明的下一实例2中得以解决。
例2.对称光栅和扭曲向列相结构。
与上述现有技术的例1一样，光栅表面16通过用Shipley 1813涂敷ITO玻璃制成。但在这种情况下，使用不同的浓度，使得30秒钟的3000转/分的旋转速度制得1.2μm厚的光致抗蚀剂层。在90℃的温度下缓和烘烤30分钟后，把前述实例中同样使用的铬掩模紧贴着该光致抗蚀剂层放置，并且此时在正入射方向进行曝光180秒；这种正入射导致对称形状的光栅。然后利用与对比例相同的条件对光栅表面显影、漂洗、固化和在铬络合物中涂敷。
然后用与摩擦的聚酰亚胺(PI32Giba-Geigy)表面反面的高射双稳态光栅表面构成2.8μm间隔的盒。与例1相反，单稳态聚酰亚胺表面的排列方向排列成与单光栅表面的刻槽平行。盒通过毛细作用填充向列相液晶ZLI4788(可从E.Merck得到)，该液晶材料中已先被加入了2％的Norland N65并用UV照射，从而减小了表面固着力，如同GB97/21215.3中所述的一样。ZLI4788是一种向列相材料，室温下的Δε约为-5.7，Δn为0.1647。
此种装置的两种状态描述如下。在连续的或非缺陷态中，接近高射双稳态表面的分子方向是均匀的，具有90°的预倾角。离开此表面朝着聚酰亚胺表面的预倾角减小(预倾角约为2°)。最低的能量态只包括倾斜/弯曲变形，没有方向的扭曲。在缺陷态中，接近高射双稳态表面的分子方向被迫处于平面中接近0°的预倾角，其方向垂直于单光栅刻槽。因此，在整个盒中，盒平面中分子方向扭曲90°角，以与单稳态表面中的摩擦方向平行。此态具有与缺陷、倾斜/弯曲变形和扭曲变形相关的能量。光栅结构与选取适当材料相耦合的优化意味着两种可能的分子方向结构具有相同的能量并且盒为双稳。还可以利用适当的间距和手型性调节扭转弹性能量以及因而调节扭转态的总能量。
此液晶盒的转换机构示于图6a、6b。它非常类似于例1，除了在状态之间转换时有一个与扭曲的松弛相关的附加过程。考虑从缺陷态D(ⅰ)向非缺陷态(ⅳ)，(ⅴ)转换的情况(如图6a所示)。施加电场(ⅱ)的RMS效应又用于集中接近双稳态表面的分子方向倾斜/弯曲变形。扭曲大体上不会受此影响(除了与一般液晶材料的弹性各向异性有关的较小的影响)，并保持整个盒的大致均匀。极性恰当的DC场脉冲与接近双稳态表面的变电极化耦合并诱发(ⅲ)非缺陷的匀质取向。
过一段时间(根据总扭曲角和材料的粘滞弹性系数确定持续时间)，因为非缺陷态的最低能量结构被解开，所以盒中的剩余扭曲将展开(ⅳ)。一旦在表面锁定，此过程将发生，无论是否继续施加电场(ⅴ)。在图6b的反向过程状态中，(ⅰ)与6a(ⅴ)相同，RMS的作用把分子方向移向(ⅱ)。使用适当的DC脉冲导致在双稳态表面变电转换并直接引发扭转(ⅲ)，DC脉冲消除之后，在类似于前述的弹性过程中整个盒的扭曲变得均匀(ⅳ)至(ⅴ)。
液晶盒安置在交叉的偏振片之间并用白光源照射。最接近照射光源的偏振片布置成垂直于第一(双稳态)表面的刻槽方向，使得当处于缺陷态时入射的偏振光沿着液晶光轴的平面内方向。检偏器(最接近检测器的偏振片)校准成与此相交并平行于聚合物表面的摩擦方向。这类似于扭曲向列相液晶装置通常的白模式。
然后施加图7所示的电信号，扭曲负模式高射双稳态装置的光学响应示于图8至10，其中较低的曲线表示光学透射率-时间特性，较高的曲线表示外加的RMS信号。10ms的+28V和-10.5V的脉冲分别导致缺陷态和连续态之间的锁合。在施加3Vrms的1KHz方波期间内使用200∶1的占空比。实现缺陷态(透射)和连续态(暗)之间的锁合，并当不再供给脉冲时保持任一状态，如图8和图9所示。另外，由于液晶盒上的斜率变化，去除施加的AC波形导致透射状态下透射率的轻微下降，如图10所示。
此装置比例1有两个很大的优点。第一，在扭曲态中光学对比度和波长范围得到很大提高，非常类似于传统的扭曲向列相TN模式。调节装置的光学特性以在第一或第二Gooch/Tarry最小量中工作将产生高的亮度、黑态和白态之间的高对比度。这可由下式近似表示
T={l-sin2β/(1+α2)}其中， α=2△neff·d/λ，此处有效双折射△neff经缩放计入了液晶盒上的平均斜率ξΔneff=no(nδno2cos2ζ+nσ2sin2ζ-1)]]>通过确保在接近最小程度的扭曲态工作，其中β=p180°(p=1，2，3，4…)，可以通过利用90°扭转而不用附加的延迟片就可得到黑白态。通过细调装置的光学延迟(即△neff·d)可以对施加AC电场或不施加AC电场进行亮态透射率(此处为亮度和对比度)的优化。在例2中，结果表明施加AC波形的材料接近Gooch/Tarry最小量。第二个主要优点在于即使在整个液晶盒中存在严重的RMS电压如在多路复用期间也可以保持很好的光学对比度和亮度。
这些优点在例2的扭曲负模式装置的转换结果与反例中给出的传统正模式装置相比显得更为明晰。缺陷态透射率一施加的RMS电压关系结果曲线示于图11，而图12表示连续态的透射率．在两种情况下的结果与反例中描述的正模式ZBD的结果相比较，其中透射率水平以每种装置中达到的最大透射率归一化。
对比度比例(缺陷态透射率/连续态透射率)示于图13中的曲线。这些结果清楚地表明传统的正模式ZBD施加AC电场时经受对比度的严重下降，而对扭曲负模式施加RMS电压致使对比度比例提高(主要由于缺陷态的透射率提高)。
可以通过计算作为施加的RMS电压之函数的两个临界态的转换阈值来简单地估算导致区分利用多路寻址时两种状态的RMS电压范围。扭曲负模式装置的结果示于图14。这表示可以对2至3.5V RMS内的AC电场电学分辨两种状态．正和扭曲负ZBD装置的对比度之比对于3Vrms的多路数据电压分别是4∶1和160∶1。去掉RMS电压后的对比度比例分别为8∶1和95∶1。这些值表明了利用本发明例2的扭曲负ZBD所得到的很大的光学优点。这些优点与大大提高的白态以及扭曲负ZBD的视角结合。离轴视角特性的改进是因为例2两种状态的光学特性非常类似于WO97/39382，GB/96，078548的电压控制的扭曲(VCT)和平面内转换(IPS)模式的情形。可以利用传统的方法如利用附加延迟片或子象素来改进视角。
权利要求
1．一种液晶装置(1)，包括两个封闭向列相或手性向列相液晶材料的层(2)的盒壁(3，4)；位于两盒壁上的电极结构(6，7)；处于两盒壁相对表面上的表面排列处理膜(16，17)，提供对液晶分子的排列；区分液晶材料的转换状态的装置(13，14)；其特征在于一种具有零或负介电各向异性的液晶材料；位于一个盒壁(4)上的第一表面排列膜(16)，该膜使得液晶分子能够在大致相同的方位平面内邻近所述表面的整个材料(2)中采用两种不同的预倾斜；位于相反盒壁(3)上的第二表面排列膜(17)，该膜导致一个预倾角，该预倾角值实质上小于对该表面的正入射角；在给电极(6，7)施加合适的电信号(8，9，10，11，12)之后可以存在两种稳定的液晶分子结构的布局。
2．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一表面排列膜(16)包括一个周期性的光栅结构，该光栅的深度、间距、形状和固着特性设置成使离开表面一定距离的液晶材料有两个不同的预倾角。
3．根据权利要求2所述的装置，其特征在于光栅的深度(d)和间距(w)设置成对处于不同预倾角的液晶分子给出基本相同的畸变能量。
4．根据权利要求2所述的装置，其特征在于光栅的深度(d)和间距(w)尺寸设置成与该层中的任何分子扭曲合作，对处于不同预倾角的液晶分子给出基本相同的畸变能量。
5．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一表面排列膜(16)包括一个光栅，该光栅由一种诱发液晶分子关于局部的表面方向均匀取向的材料形成。
6．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一表面排列膜(16)包括一个光栅，该光栅由一种诱发液晶分子关于局部的表面方向均匀的或低预倾角取向的材料形成。
7．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一表面排列膜(16)是一种光栅结构，在每个象素、或在显示器的一个象素到另一个象素、或象素之间或象素之间的间隙中具有均匀的或形状变化的对称形状。
8．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一表面排列膜(16)是一种光栅结构，在每个象素、或在显示器的一个象素到另一个象素、或象素之间或象素之间的间隙中具有均匀的或形状变化的不对称形状。
9．根据权利要求1所述的装置，其特征在于处理第一表面排列膜(16)以诱使液晶分子关于局部的表面方向均匀地取向。
10．根据权利要求1所述的装置，其特征在于在第二表面(3)上的预倾角的大小和方向与第一表面(4)上的预倾角的大小和方向共同作用，给出整个液晶材料一个均匀的分子倾斜方向。
11．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第二表面排列膜(17)产生一个小于45°的单预倾角。
12．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第二表面排列膜(17)是一个摩擦的聚合物表面。
13．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第二表面排列膜(17)由一个极化的有机材料层形成。
14．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第二表面排列膜(17)由一个蒸发到盒壁(3)上的有机材料层形成。
15．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第二表面排列膜(17)由一个单光栅或双光栅层形成。
16．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一表面(4)的方位排列方向和第二表面(3)的方位排列方向基本上平行。
17．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一表面(4)的方位排列方向和第二表面(3)的方位排列方向不平行。
18．根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一表面(4)的方位排列方向和第二表面(3)的方位排列方向成90°倍数的夹角。
19．根据权利要求1所述的装置，还包括在盒壁(3、4)的至少一个表面上的表面活性剂，用于调节固着力。
20．根据权利要求17所述的装置，其特征在于用于改变表面特性的附加的表面活性剂与液晶材料混合。
21．根据权利要求17所述的装置，其特征在于液晶材料(2)在其转换态中有一个变电极性。
22．根据权利要求1所述的装置，还包括施加单方向电压脉冲的装置(8，9，10，11，12)，由此通过施加的电场和存在于弯曲的或倾斜的液晶材料中的变电极性相耦合来选择两种不同的稳态。
23．根据权利要求1所述的装置，还包括以两种不同的频率施加电信号的装置，并且其中向列相材料是一种可以两种频率寻址的液晶材料。
24．根据权利要求1所述的装置，其特征在于液晶材料(2)包括一定量的二向色性染料。
25．根据权利要求1所述的装置，其特征在于用于转换态之间光学区分的装置至少包括一个偏振片(13、14)。
26．根据权利要求1所述的装置，还包括用于改变转换态中装置光学特性的附加的双折射层。
全文摘要
双稳态向列相液晶装置盒在一个盒壁上设置一个能够维持两种温度状态的表面排列处理膜,在这两种状态中液晶分子的方向处于相同的方位平面但以不同的倾斜角伸出盒平面。此表面可以通过利用对称或非对称的光栅结构设置,而光栅结构通过光刻或压印技术形成,其中液晶分子局部的取向垂直于表面的局部方向。正确地选择光栅周期、深度、形状和固着特性导致两种稳定的方向结构:一种的方向垂直于光栅表面的盒平面,另一种的方向以与盒平面成0°至60°范围的预倾角取向。该表面与单稳态表面结合,通过摩擦聚合物或光栅表面形成平面匀质排列膜。单稳态表面的优选方向可以布置成与相对表面上的光栅刻槽成任意的角度。在一个实施例中,单稳态表面排列平行于刻槽,使得在一种状态中,使得液晶分子从一个表面到另一个表面扭曲90°,而另一种状态没有扭曲或扭曲很少。盒可以通过dc脉冲而转换,该脉冲与材料的变电系数耦合。材料具有负的介电各向异性并包括一种手性掺杂剂以给予优选的扭曲方向。盒壁可以由刚性的或柔性涂敷电极结构的透明材料形成,电极结构形成一个象素矩阵。通过一个或多个偏振片、或带有染料或没有染料的偏振片,和/或其它的光学元件提供用于光学区分不同状态的装置。
文档编号G02F1/137GK1285050SQ98813789
公开日2001年2月21日 申请日期1998年12月16日 优先权日1997年12月24日
发明者J·C·琼斯, E·L·伍德, G·P·布赖安-布朗 申请人:英国国防部