反铁电液晶显示装置的制作方法

专利名称：反铁电液晶显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用AFLC(反铁电液晶)的液晶显示装置，更确切地说，涉及一种能确保灰度显示的AFLC显示装置。
采用铁电液晶(FLC)的铁电液晶显示装置由于它与采用向列液晶的TN液晶显示(LCD)装置相比具有更快的响应速度和更宽的视角而受到了关注。
公知的FLC显示装置包括采用FLC的FLC显示装置和采用AFLC的AFLC显示装置。
AFLC显示装置利用AFLC所具有的排列状态的稳定性来显示图象。
下面将对此进行具体讨论。AFLC具有三种液晶(LC)分子的稳定排列状态。(1)当施加到AFLC上的电压等于或大于第一阈值时，液晶根据所施加的电压极性成为LC分子处于第一方向的第一铁电相或LC分子处于第二方向的第二铁电相。(2)当施加到AFLC上的电压等于或小于比第一阈值低的第二阈值时，液晶成为处于第一和第二铁电相之间的中间排列状态的反铁电相。如图39所示，根据在反铁电相中作为基准的光轴，通过确定一对位于LCD装置两侧的偏振片的传输轴方向，就可以根据所加的电压通过控制光的传输来显示图象。
既使是所加电压的变化象第一和第二阈值之间出现的变化那么持久AFLC也会保持在第一或第二铁电相或反铁电相。也就是说，AFLC具有存储能力。传统的AFLC显示装置是以利用这种存储能力的简单矩阵模式驱动的。
利用使液晶从第一或第二铁电相变成反铁电相的电压和使液晶从反铁电相变为第一或第二铁电相的电压之间的差可以确定AFLC的存储能力。电压差越大，排列状态的存储能力越强。也就是说，随着光学滞后特性增强存储能力也增大。
因此，用简单矩阵模式驱动的传统AFLC显示装置使用了电压差很大的AFLC。
但是，对于使用了具有高存储能力的AFLC的传统AFLC显示装置来说，无法随意控制它的光传输。也就是说，几乎无法控制显示灰度，所以不能实现多层次显示。
因此，本发明的目的是提供一种AFLC显示装置，该装置能够实现清晰的灰度显示。
为了达到这个目的，按照本发明第一种形式的AFLC显示装置包括第一基片，其上设有多个象素电极和多个与象素电极相连的激活元件；第二基片，其上形成有与象素电极相对的共用电极；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶，其具有LC分子基本上处于第一排列方向的第一铁电相，和LC分子基本上处于第二排列方向的第二铁电相以及反铁电相，该反铁电相上具有处于第一排列方向的LC分子和处于第二排列方向的LC分子，第一排列方向和第二排列方向形成与由手性近晶相(Chiral Smectic Phase)形成的层的垂线方向相一致的指向矢平均方向，因此，处于第一排列方向和第二排列方向中一个方向上的那些LC分子在所加电压的作用下转而指向另一个排列方向，这样在短于可见光带中光波长的范围内就形成了多个不同排列状态的区域，而且指向矢的方向随处于第一排列状态的区域和处于第二排列状态的区域的比例而变化。
为了达到这个目的，按照本发明第二种形式的AFLC显示装置包括第一基片；面对第一基片的第二基片；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶，其具有LC分子基本上处于第一准直方向的第一铁电相，和LC分子基本上处于第二排列方向的第二铁电相以及反铁电相，该反铁电相上具有处于第一排列方向的LC分子和处于第二排列方向的LC分子，第一排列方向和第二排列方向形成与由手性近晶相形成的层的垂线方向相一致的指向矢平均方向，因此，处于第一排列方向和第二排列方向中一个方向的那些LC分子在所加电压作用下转而指向另一个排列方向，这样在短于可见光带中光波长的范围内就形成了多个不同排列状态的区域，而且指向矢的方向随处于第一排列状态的区域与处于第二排列状态的区域的比例而变化；和控制装置，该装置向液晶施加电压并改变所施加的电压以便控制处于第一和第二排列状态的区域比例，由此将反铁电液晶指向矢的方向调整到第一和第二排列方向之间的任一方向上。
在本发明第一和第二种形式的AFLC显示装置中，反铁电液晶的LC分子的状态在所加电压的作用下从第一和第二排列状态(稳态)中的一种状态变为另一种状态，而且变化率与所施加的电压有关。因此，通过调节所加电压可以控制LC分子处于第一稳态的微小区域和LC处于第二稳态的微小区域的比例。反铁电液晶导向体的方向随该比例而改变。因此，可以将指向矢的方向控制在第一和第二排列方向之间的任一方向上。
按照本发明第三种形式的AFLC显示装置包括第一基片，其上设有多个象素电极和多个与象素电极相连的激活元件；第二基片，其上形成有与象素电极相对的共用电极；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶，其具有LC分子排列状态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间排列状态，而且通过LC分子的运动可使指向矢相对于该状态发生变化，LC分子的运动是在所加电压的作用下由相移先导(Phase Transition Precursor)引起的。
按照本发明第四种形式的AFLC显示装置包括第一基片；面对第一基片的第二基片；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶，其具有LC分子排列状态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间状态，而且通过LC分子的运动可使指向矢相对于该排列状态发生变化，LC分子的运动是在所加电压的作用下由相移先导引起的；和控制装置，其向反铁电液晶施加电压并控制反铁电液晶的相移先导，由此将反铁电液晶指向矢的方向调整到第一和第二排列方向之间的任一方向上。
在本发明第三和第四种形式的AFLC显示装置中，反铁电液晶的LC分子在在所加电压的作用下借助相移先导而产生倾斜。反铁电液晶指向矢的方向随该倾角而改变。因此，可以将指向矢的方向控制在第一和第二排列方向之间的任一方向上以便改变LC层光轴的方向，由此来适当地控制显示。
按照本发明第五种形式的AFLC显示装置包括第一基片，其上设有多个象素电极和多个与象素电极相连的激活元件；第二基片，其上形成有与象素电极相对的共用电极；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶，其具有LC分子排列状态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间排列状态，而且通过使LC分子根据所加电压在垂直于电场的方向上倾斜可使指向矢相对于排列状态发生变化。
按照本发明第六种形式的AFLC显示装置包括第一基片；面对第一基片的第二基片；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶，其具有LC分子排列状态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间排例状态，而且通过使LC分子根据所加电压在垂直于电场的方向上倾斜可使指向矢相对于该排列状态发生变化；和控制装置，该装置向反铁电液晶施加电压并改变所施加的电压以便控制反铁电液晶的各LC分子在垂直于电场方向上的倾斜量，由此将反铁电液晶指向矢的方向调整到第一和第二排列方向之间的任一方向上。
在本发明第五和第六种形式的AFLC显示装置中，反铁电液晶的LC分子在在垂直于电场的方向上随所施加的电压而产生倾斜。反铁电液晶指向矢的方向随该倾角而改变。因此，可以将指向矢的方向控制在第一和第二排列方向之间的任一方向上以便由此来控制显示。
按照本发明第七种形式的AFLC显示装置包括第一基片，其上设有多个象素电极和多个与象素电极相连的激活元件；第二基片，其上形成有与象素电极相对的共用电极；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶，其具有LC分子排列状态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，反铁电相的LC分子按近晶CA++相的双螺旋结构排列，反铁电液晶具有中间排列状态，该排列状态处于铁电相和反铁电相之间，而且因施加电压而引起的双螺旋结构的变形使指向矢的排列状态发生变化。
按照本发明第八种形式的AFLC显示装置包括第一基片，其上设有多个象素电极和多个与象素电极相连的激活元件；第二基片，其上形成有与象素电极相对的共用电极；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶，其具有LC分子排列状态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，反铁电相上的LC分子接近晶CA++相的双螺旋结构排列，反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间排列状态，而且通过施加电压而引起的双螺旋结构的变形使得指向矢相对于排列状态发生变化控制装置，该装置向反铁电液晶施加电压并改变所施加的电压以便控制反铁电液晶双螺旋结构的变形，由此将反铁电液晶指向矢的方向调整到第一和第二排列方向之间的任一方向上。
在本发明第七和第八种形式的AFLC显示装置中，由反铁电液晶的LC分子跟踪的双螺旋结构随所施加的电压而变形。反铁电液晶指向矢的方向随着这种变形而改变。因此，可以将指向矢的方向控制在第一和第二排列方向之间的任一方向上以便改变LC层光轴的方向，由此来适当地控制显示。
第一和第二种形式的LCD装置、第三和第四种形式的LCD装置、第五和第六种形式的LCD装置、第七和第八种形式的LCD装置均使用了液晶，这些液晶因LC分子相对于所加电压产生不同的行为状态而形成中间排列状态。还可以使用反铁电液晶，这种反铁电液晶在随所加电压同时或连续发生的各种现象等综合因素的作用下产生中间排列状态。只要上述LC分子的行为状态能构成形成中间排列状态的所有或至少一些因素，上述结果就能够实现。


图1是表示按照本发明一个实施例所述LCD装置结构的剖视图；图2是图1所示LCD装置底衬结构的平面图；图3是表示偏振片的传输轴和LC分子排列方向之间关系的示意图；图4是表示由反铁电液晶(AFLC)的LC分子跟踪的双螺旋结构的示意图；图5是解释密封在基片之间的LC分子的排列状态的示意图。
图6A-6G表示按照第一实施例所述施加给AFLC显示装置的电压和LC分子排列状态之间的关系，其中图6A是用于解释当不施加电压时LC分子排列状态的示意图，图6B和6C是用于解释当施加正向中等电压时LC分子排列状态的示意图，图6D是用于解释当施加正向足够大的电压时LC分子排列状态的示意图，图6E和6F是用于解释当施加负的中等电压时LC分子排列状态的示意图，图6G是用于解释当施加负的足够大的电压时LC分子排列状态的示意图；图7是表示在比可见光带中光波长短的距离内形成的处于不同排列状态下的多个微小区域的解释性示意图；图8是当向第一实施例中的AFLC显示装置施加低频三角波电压时，表示所加电压v.s传输特性的曲线图；图9A-9I是表示第一实施例中AFLC显示装置的多个偏振微观照片的示意图，其中所加电压按图9A-9I的顺序不断增加。
图10A-10C是用于解释利用本发明驱动AFLC显示装置的时基图，其中图10A表示门信号，图10B表示数据信号而图10C表示保持在每个象素中的电压信号；图11是表示当用图10A-图10C所示的方法驱动第一实施例的LCD装置时所加电压v.s传输特性的曲线图；图12是用于解释LC分子运动状态的示意图；图13A-13E表示施加到本发明第二实施例的AFLC显示装置上的电压和LC分子排列状态之间的关系，其中图13A是用于解释当不施加电压时LC分子排列状态的示意图，图13B是用于解释当施加正向中等电压时LC分子排列状态的示意图，图13C是用于解释当施加正的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图，图13D是用于解释当施加负的中等电压时LC分子排列状态的示意图，和图13E是用于解释当施加负的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图；图14是表示当向第二实施例的AFLC显示装置施加低频三角波电压时所加电压v.s传输特性的曲线图；图15是表示当用图10A-10C中所示方法驱动第二实施例中的LCD装置时所加电压v.s传输特性的曲线图；图16A-16E表示施加到本发明第三实施例的AFLC显示装置上的电压和LC分子排列状态之间的关系，其中图16A是用于解释当不施加电压时LC分子排列状态的示意图，图16B是用于解释当施加正向中等电压时LC分子排列状态的示意图，图16C是用于解释当施加正的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图，图16D是用于解释当施加负的中等电压时LC分子排列状态的示意图，和图16E是用于解释当施加负的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意17是表示当用图10A-10C中所示方法驱动第三实施例中的LCD装置时所加电压v.s.传输特性的曲线图；图18A-18G表示施加到本发明第四实施例中AFLC显示装置上的电压和LC分子排列状态之间的关系，其中图18A是用于解释当不施加电压时LC分子排列状态的示意图，图18B和18C是用于解释当施加正向中等电压时LC分子排列状态的示意图，图18D是用于解释当施加正的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图，图18E和18F是用于解释当施加负的中等电压时LC分子排列状态的示意图，和图18G是用于解释当施加负的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图；图19是表示当向第四实施例的AFLC显示装置施加低频三角波电压时所加电压v.s.传输特性的曲线图；图20A-20I是表示第四实施例中AFLC显示装置的多个偏振微观照片的示意图，其中所加电压按图20A-20I的顺序不断增加。
图21A-21E表示施加到本发明第五实施例中AFLC显示装置上的电压和LC分子排列状态之间的关系，其中图21A是用于解释当不施加电压时LC分子排列状态的示意图，图21B是用于解释当施加正向中等电压时LC分子排列状态的示意图，图21C是用于解释当施加正的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图，图21D是用于解当施加负的中等电压时，LC分子排列状态的示意图，和图21E是用于解释当施加负的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图；图22是表示当向第五实施例的AFLC显示装置施加低频三角波电压时所加电压v.s.传输特性的曲线图；图23是表示当用图10A-10C中所示方法驱动第五实施例中的LCD装置时所加电压v.s.传输特性的曲线图；图24A-24C表示施加到本发明第六实施例中AFLC显示装置上的电压和LC分子排列状态之间的关系，其中图24A是用于解释当不施加电压时LC分子排列状态的示意图，图24B是用于解释当施加正向中等电压时LC分子排列状态的示意图，图24C是用于解释当施加负的中等电压时LC分子排列状态的示意图，图25A-25G表示施加到本发明第七实施例中AFLC显示装置上的电压和LC分子排列状态之间的关系，其中图25A是用于解释当不施加电压时LC分子排列状态的示意图，图25B和25C是用于解释当施加正向中等电压时LC分子排列状态的示意图，图25D是用于解释当施加正的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图，图25E和25F是用于解释当施加负的中等电压时LC分子排列状态的示意图，和图25G是用于解释当施加负的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图；图26和27是表示当向第七实施例的AFLC显示装置施加低频三角波电压时所加电压v.s传输特性的曲线图；图28是表示当用图10A-10C中所示方法驱动第七实施例中的LCD装置时所加电压v.s传输特性的曲线图；图29是表示带有上述双螺旋结构的AFLC分子排列状态的示意图；图30A-30E表示施加到本发明第八实施例中AFLC显示装置上的电压和LC分子排列状态之间的关系，其中图30A是用于解释当不施加电压时LC分子排列状态的示意图，图30B是用于解释当施加正向中等电压时LC分子排列状态的示意图，图30C是用于解释当施加正的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图，图30D是用于解释当施加负的中等电压时LC分子排列状态的示意图，和图30E是用于解释当施加负的和足够大的电压时LC分子排列状态的示意图；图31是表示当向第八实施例的AFLC显示装置施加低频三角波电压时所加电压v.s传输特性的曲线图；图32是表示当用图10A-10C中所示方法驱动第八实施例中的LCD装置时所加电压v.s传输特性的曲线图；图33A-33B表示施加到本发明第九实施例中AFLC显示装置上的电压和LC分子排列状态之间的关系，其中图33A是用于解释当不施加电压时LC分子排列状态与当施加正向电压时LC分子排列状态相比较的示意图，图33B是用于解释当不施加电压时LC分子的排列状态与施加负电压时LC分子排列状态相比较的示意图；图34是表示当向第九实施例的AFLC显示装置施加低频三角波电压时所加电压v.s传输特性的曲线图；图35是表示当用图10A-10C中所示方法驱动第九实施例中的LCD装置时所加电压v.s传输特性的曲线图；图36A-36D表示按照第九实施例中AFLC显示装置的干涉图象，其中图36A表示当不施加电压时的干涉图象，图36B和36C表示当施加正向中等电压时的干涉图象，而图36D表示当施加正的足够大的电压时的干涉图象；图37是表示当向第十实施例的AFLC显示装置施加低频三角波电压时所加电压v.s传输特性的曲线图；图38A-38C表示按照第十实施例中AFLC显示装置的干涉图象，其中图38A表示当施加正向中等电压时的干涉图象，图38B表示当不施加电压时的干涉图象，而图38C表示当施加负的中等电压时的干涉图象；和图39是表示传统AFLC显示装置上所加电压v.s.传输特性的曲线图。
下面将参照附图描述能够提供任一中间排列状态且适用于反铁电液晶(以下称作“AFLC”)的本发明的优选实施例以及采用这种AFLC的有源矩阵型AFLC显示装置。第一实施例首先，讨论按照本发明第一实施例所述AFLC显示装置的结构。图1是AFLC显示装置的剖面图，图2是基片的平面图，该基片上形成有象素电极和激活元件。
这种AFLC显示装置是一种有源矩阵型AFLC显示装置，其包含一对透明基片(例如玻璃基片)11和12。在图1中，将透明象素电极13和连接到象素电极13上的激活元件14以矩阵的形式设置在下部透明基片(以下称为下部基片)11上。
激活元件14由例如薄膜晶体管(以下称为“TFTs)构成。每个TFT14均包括形成在下部基片11上的门电极、盖住门电极的门绝缘膜、形成在门绝缘膜上的半导体层、形成在半导体层上的源电极、和漏电极。
如图2所示，将门线(扫描线)15敷设在象素电极13的行之间并将数据线(灰度信号线)16敷设在象素电极13的列之间。将各TFTs14的门电极连接到相关的门线15上，而且将TFTs14的漏电极连接到相关的数据线16上。
通过端部15a将门线15连接到行驱动器31，且通过端部16a将数据线16连接到列驱动器32。行驱动器31向门线15提供门信号(将在下面说明)以便进行门线15的扫描。列驱动器32根据所接收的显示数据(灰度数据)向数据线16提供与显示数据相应的数据信号。
门线15除了其端部15a之外全部被TFTs14的门绝缘膜(透明膜)覆盖，而数据线16形成在该门绝缘膜上。在门绝缘膜上形成有由例如ITO或类似物制成的象素电极13而象素电极13的一端连接到与TFTs14相连的源电极上。
在图1中，在上部透明基片(以下称为上部基片)12上形成有与下部基片11上的各象素电极13相对的透明共用电极17。共用电极17由ITO或类似物制成而且该电极由一个单一的电极构成，这个电极的面积覆盖整个显示区，其上加有基准电压Vo。象素电极13和共用电极17用于向夹在其中的液晶21施加电压以便控制液晶(LC)分子的排列方向、控制LC分子的指向矢、和最终控制LC层的光轴。用这种方式即可控制显示灰度。
将取向膜18和19设置在下部基片11和上部基片12的电极形成表面上。取向膜18和19是由有机高分子化合物，例如聚亚酰胺，构成的均匀取向膜，它们的相对表面受过在相同方向(方向21C，下面将讨论)上进行“摩擦”的排列处理。
下部基片11和上部基片12的周边部分通过边框形密封件20粘合在一起。上述液晶21密封在由基片11和12之间的密封件20环绕的区域中。
液晶21由具有近晶CA++相的AFLC构成。液晶21的层厚受到透明或黑色间隔件22的限制，在此间隔件22位于LC密封区内。
当施加了足够高的电压时，如图3所示，AFLC21在所加电压的极性影响下处于LC分子指向第一排列方向21A的第一铁电相或处于LC分子指向与第一排列方向21A不同的第二排列方向21B的第二铁电相。
当不施加电压时，AFLC21的指向矢(LC分子长轴的平均方向)处于反铁电相，其中由SmCA++相形成的层垂直线基本上指向排列处理的方向21C。当向AFLC21施加中等电压时，AFLC21具有多种中间状态。
将一对偏振片23和24设置在LCD装置的顶部和底部。如图3所示，将下部偏振片23的光轴(以下称为“传输轴”)23A设在基本上平行于近晶层垂直线的方向上，近晶层与排列处理的方向21C实际上有一定的倾角。上部偏振片24的光轴(传输轴)24A基本上处在与下部偏振片23的传输轴23A垂直的方向上。
其偏振片23和24的传输轴23A和24A设置成图3所示状态的AFLC显示装置在铁电相中实际上具有最大的透射比(亮度最大的显示)，这时AFLC21的指向矢基本上处于第一或第二排列方向21A或21B。在反铁电相中透射比变为最小(最暗的显示)，这时AFLC21的指向矢基本上处于第三方向21C。
更确切地说，当LC分子处于第一或第二方向21A或21B时，由于AFLC21的双折射作用而使穿过入射侧偏振片23的传输轴23A的线性偏振光变成非线性偏振光。该非线性偏振光投射到出射侧的偏振片24上，而且使平行于出射侧偏振片24传输轴24A的非线性偏振光分量射出，从而进行较亮的显示。
当指向矢处于第三方向21C时，穿过入射侧偏振片23的线性偏振光几乎不会受到AFLC21双折射作用的影响。而且，穿过入射侧偏振片23的线性偏振光以线性偏振光的形式穿过AFLC21并且大部分被出射侧的偏振片24吸收，从而进行较暗的显示。
当AFLC21在视觉上处于中间状态时，便获得了沿指向矢方向的灰度。
下面将详细讨论AFLC的细节。
AFLC21由液晶组成，该液晶具有30度-45度(理想的是35度或更大)的较大锥角并且具有按I、SmA和SmCA++顺序变化的近晶CA++相。在堆积状态下，AFLC21具有如图4所示的排列分子层状结构和螺旋结构。与已往的铁电液晶(FLC)分子不同，AFLC21中邻接的LC分子具有双螺旋结构，该结构是通过使每层的LC分子偏移一个锥面的约180度来实现的。AFLC21具有很强的反铁电作用(使每层LC分子的排列方向反向的作用)和很强的铁电作用(使各LC分子易于在铁电相中与一个方向平行取向的作用)。应注意的是，反铁电作用是最强的。
把具有表(I)-(III)中所示主要结构的液晶按例如5-50％(重量)的(I)和(II)，其余为(III)的混合比进行混合，即可得到AFLC21。
表1
其中RfC1或C2氟代烷基，R1C3-C20直链或支链烷基，R2、R3、R4分别为氢，C1-C15直链或支链烷基，C2-C15直链或支链烯基，或C7-C10直链或支链芳烷基，X1羧基、醚基或单键，X2羧基、醚基、甲氧基或单键，X3羧基、甲氧基、醚基或单键，X4醚基、羧基或单键，
A、B分别为具有取代的6-元环的基团，n0或1，R6取代的C1-C15烷基或烷氧基，R7取代的C1-C15烷基，Q醚基、羧基、尿烷或单键，和E苯环或嘧啶环。
将AFLC21的层厚(盒缝)设定得小于AFLC21螺旋结构的一个螺距(自然螺距)。由此，如图5中的解释性示图所示，将AFLC21密封在双螺旋结构消失的基片11和12之间。可以通过将盒缝设置得大于AFLC21中螺旋结构的一个间隔并通过由稳定取向膜18和19的表面而产生的表面稳定效果来取消双螺旋结构。
图6是用于解释在所加电压作用下LC分子排列状态的示意图。
每个LC分子都具有分子长轴处于第一排列方向21A和处于第二排列方向21B两种排列状态(如图3所示)。
如图6所示，当未施加电压时，LC分子交替地处于第一和第二排列方向21A和21B。也就是说，第一排列状态和第二排列状态是层层重复的。在这种情况下，在每一层中出现自发极化，但是相邻层的永久偶极子朝向相反的方向，从而抵消了偶极矩。结果，从系统的观点看，并不存在自发极化，由此可建立反铁电相。经空间平均的AFLC21的光轴实际上与指向矢相重合(如图3所示，近晶层(由近晶相形成的层)的垂直线方向21C)。
当将等于或大于给定值Ec的电压(饱和电压)施加到AFLC21上时，如图6D和6G所示，LC分子根据所加电压的极性处于第一或第二排列状态。在这种状况下，几乎所有LC分子的永久偶极子都处于形成自发极化的相同方向，而且AFLC21成为第一或第二铁电相。
如上所述，AFLC21具有很强的铁电作用。也就是说LC分子处于第一准直状态或第二排列状态的能力很强。当施加的正向电压E小于饱和电压Ec时，如图6B和6C所示，一些处于第二排列状态的LC分子根据所加电压E的电平变为第一排列状态。当施加的电压E增大时，排列状态发生变化的分子数目(比例)也随之增加。因此，随着所加电压的增加，AFLC21的指向矢(分子长轴的平均方向)朝着第一排列方向21A不断变化。
当施加小于饱和电压Ec的负电压E时，如图6E和6F所示，处于第一排列状态的一些LC分子根据所加电压E的电平变为第二排列状态。随着所加电压E的增大，排列状态发生变化的分子数目(比例)也随之增加。因此，随着所加电压绝对值的增加，LC分子指向矢的平均方向也不断朝着第二排列方向21B变化。
换句话说，如图7的解释性视图所示，当向AFLC21施加电压时，在短于可见光带光波长的距离内，形成LC分子处于第一排列状态的多个微小区域和LC分处于第二排列状态的多个微形成LC分子处于第一排列状态的多个微小区域和LC分处于第二排列状态的多个微小区域。这些微小区域的面积或数目比随所加电压而变化。由于每个微小区域的尺寸都小于可见光带内的光波长，所以使多个微小区域的光学特性形成光学平均，从而使多个微小区域中的AFLC指向矢的平均方向基本上成为AFLC21的光轴。该光轴随LC分子排列状态的变化而连续变化，即，随着从第一排列状态变为第二排列状态的LC分子的比例变化而变化，LC分子状态的改变是由于所加电压发生变化而引起的。
因此，具有上述结构的AFLC显示装置的光学特性曲线在所加电压为0伏左右时具有不平直部分，并随所加电压的增加而产生连续和平滑地变化。此外，透射率曲线相对于所加电压的极性是对称的。当所加电压的绝对值等于或大于饱和电压Ec时，透射率达到饱和。而且，滞后很小。
图8表示在用表1所示液晶材料来调节I-SA转换温度为92℃，SA-SC++转换温度为68℃，自发极化率为130nc/cm2和锥角为54度的液晶组合物并用这种组合物作为AFLC21时，透射率和加到LCD装置上的电压之间的关系。
通过在相对的电极17和13之间施加+-20伏和0.1赫兹的三角波电压即可获得图8所示的曲线。从曲线中可明显看出，能够稳定地显示中间灰度。
从例如图9A-9I所示的显示表面的放大视图中可以看出，在这种LCD装置中的LC分子根据所加电压而产生与上述相同的行为。图9I-9A表示显示表面的变化，其变化顺序是从未施加电压的状态到施加了足够高的电压状态。
在未施加电压时，如图9I所示，大多数表面是“黑色”。也就是说，第一排列状态下的LCD装置和第二排列状态下的LC分子几乎是均匀存在的，而且AFLC21的指向矢(LC分子的平均排列方向)大约处于第一排列方向21A和第二排列方向21B之间的中间方向21C。
如图9I-9B所示，随着所加电压的增加，在“黑色”区域面积减小的同时，“白色”区域的面积增大。各“白色”和“黑色”区域的透射率没有改变。这意味着，处于第一或第二排列状态的“黑色”区域的LC分子已经变成一个小区接着一个小区的第二或第一排列状态。也就是说，在某些小区中液晶相已经变成铁电相。
如图9A所示，随着所加电压的进一步增加，整个表面几乎全变成了“白色”，即，AFLC21成为铁电相，其中大部分LC分子处于第一和第二排列方向中的一个方向而且大部分LC分子指向同一个方向如上面所讨论的，本实施例中AFLC21的LC分子根据所加电压沿着锥面依次翻转180度后，从第一或第二排列状态变成第二或第一排列状态。AFLC21的平均排列方向随所加电压而连续改变。透射率也同样发生变化。因此，可以进行任何灰度的显示。
下面将说明使具有上述结构的AFLC显示装置进行灰度显示的驱动方法。
图10A表示由行驱动器31向与第一行TFTs14相连的门线15施加的门信号的波形，图10B表示由列驱动器32向数据线16施加的数据信号的波形，而图10C表示每个象素中保持的电压。为了便于理解本发明，图10B仅示出了第一行象素的数据信号，而没有示出其它行的数据信号。
在图10A-图10C中，TF表示一帧周期，TS表示第一行象素的选择周期，TO表示非选择周期。每个选择周期TS例如约为60微秒。
如图10B所示，根据显示灰度把极性相反但绝对值相同且电压值为VD和-VD的驱动脉冲(写脉冲)在两个连续帧的选择周期TS内加到数据线16上。也就是说，把一个为正电压值+VD而另一个为负电压值-VD的两个驱动脉冲分别加在两个连续帧的选择周期TS内。
相对于与加到共用电极17上的电压具有相同电压值的参考电压Vo，驱动脉冲的极性和电压值与数据信号的极性和电压值相同。
将写电压VD设定得稍稍低于使透射率饱和的饱和电压EC，并将其控制在Vo-Vmax的范围内。
当用具有图10A和图10B所示波形的门信号和数据信号驱动AFLC装置时，写电压VD通过TFTs14加到象素电极13上，TFTs14在每个选择周期TS中由门信号接通。
如图10C所示，当使门信号截止和使时限变为非选择周期TO时，相关的TFTs14将断开并将写电压VD保持在由相关象素电极13、共用电极17和两电极之间的AFLC21形成的电容(象素电容)中。因此，如图10C所示，将象素的透射率保持在与非选择区TO中象素电容所具备的电压相对应的值。
按照本实施例，在LCD装置中所加电压v.s.的光学特性曲线没有具体的阈值但与写电压VD的绝对值相对的透射率几乎可以精确确定。因此，通过用改变写电压VD的绝对值的方式来控制透射率可以实现清晰的灰度显示。
图11表示当用图10A和10B所示TS＝60微秒的驱动脉冲波形驱动具有图8所示光学特性的LCD装置时，所加电压VD和透射率之间的关系。从该曲线中可以看出，该驱动方法可通过改变写电压VD和根据写电压VD精确确定显示灰度来不断改变透射率，由此确保灰度显示。
按照这种驱动方法，可将适合单一象素数据的电压+VD和-VD施加到两个连续帧中的AFLC上。因此，既使是相对于所加正向电压的光学特性与相对于所加负向电压的光学特性有所不同，也能观测这些光学特性的平均特性。既使是相对于正向和负向电压的光学特性彼此不同，也可形成清晰的灰度显示。
当向两个连续帧中的AFLC21施加适合于单个象素数据的写电压+VD和-VD时，可防止DC电压分量集中地加到AFLC21上。这样就不会出现显示过度(既使是不再向AFLC21施加电压，也仍然保持显示图象)或AFLC退化的现象。第二实施例下面将说明按照本发明第二实施例所述的AFLC显示装置。
本实施例中AFLC显示装置的基本结构与图1-3中所示第一实施例的AFLC显示装置大体上相同。
本实施例中的AFLC21由液晶构成，该液晶具有30度-45度(理想的是35度或更大)的较大锥角并且具有按I、SmA和SmCA++顺序变化的SmCA++相。如图4所示，堆积状态下的AFLC21包含排列分子的层状结构和螺旋结构。将AFLC21密封在已不存在由分子跟踪的双螺旋结构的基片11和12之间(图5所示的状态)。这一点与第一实施例中的AFLC基本相同。
应该注意到，本实施例中AFLC21的特征在于，相邻近晶层的LC分子间的相互作用非常弱。如图4所示，由于这种很弱的相互作用，当电场E加到AFLC21上时，由于永久偶极子和电场之间的相互作用，使AFLC21的分子开始沿由近晶层中的LC分子跟踪的假想锥面运动，并呈电性不稳定的铁电相。也就是说，该AFLC成为反铁电相和铁电相的相移先导，其中LC分子的取向随外部电场而不断变化。
换句话说，反铁电相和铁电相的相移先导是指这样一种现象，即，当把电场加到反铁电相的AFLC上时，在永久偶极子和电场的相互作用下，LC分子在螺旋形锥面上连续运动。正如从LC分子的行为状态中可以看出的那样，这种现象是LC分子在所加电压作用下相对于基片发生倾斜变化，而且可以认为倾斜角是如图12中所示的初始倾斜角。
通过把以四氢化
键作为LC分子的主要结构且两侧具有氧原子和氟原子的四氢化
体系的AFLC组合物与在分子两侧端处的取代基上具有氧原子和氟原子的液晶组合物或类似的液晶组合物相混合便能够得到这种ALFC。
例如，通过将表2中所示的液晶组合物(I)和(II)分别以60％(重量)和40％(重量)的混合比进行混合即可得到AFLC21。
这些液晶组合物包括具有负极性的氧原子和氟原子，在每个分子的端部取代基上夹有不对称的碳原子。所以，在相邻近晶层之间的分子存在相互作用。当施加外部电场时，由于相移先导的作用而使LC分子开始沿锥面运动并随外部电压连续变化。当外部电压变得足够大时，LC分子将重新排布成完整的铁电相。该AFLC具有较小的滞后并具有连续的中间灰度，其中的滞后量用使反铁电相变为铁电相的电压和使铁电相变为反铁电相的电压之间的差值表示。
下面将用分子的排列模式来说明LC分子相对于所加电压的状态。当未施加电压时，如图13A所示，LC分子交替处于第一和第二排列方向21A和21B。在这种状态下，在每一层上都出现自发极化，但是由于相邻层上的永久偶极子朝向相反的方向，所以消除了偶极矩。因此，从整体的观点看，并不存在自发极化，由此建立了反铁电相。AFLC的空间平均光轴指向近晶层的垂直线方向，该方向是LC分子的平均排列方向。
当加到AFLC21上的电压等于或大于饱和电压Ec时，处于第一或第二排列状态的LC分子沿锥面运动(转动或倾斜)并指向第二排列方向21B或第一排列方向21A从而变成第二或第一排列状态。在这种状态下，相邻层的永久偶极子均指向相同的方向，并产生自发极化，同时使AFLC21变成第一或第二铁电相。
当在垂直于基片11和12的主表面上施加小于饱和电压Ec的正向电场E时，因电场作用而产生的力作用在其分子长轴指向第二排列方向21B的LC分子上，并使LC分子沿锥面移动预定的量(预定角度)。移动量(移动角度)与所加电压的值相对应。因为由自发极化作用产生的力较大，所以分子长轴指向第一排列方向21A的LC分子并不转动。当向处于图13A中实线所示排列状态和AFLC21施加小于饱和电压Ec的正向电压E时，一些分子表现为图13B中虚线所示的倾斜状。每个分子的倾斜角与所加电场的强度相对应。
当在AFLC21上施加绝对值小于饱和电压Ec的负向电压E时，由电场作用而产生的力作用在分子长轴指向第一排列方向21A的LC分子上，并使LC分子沿锥面移动预定的量(预定角度)。移动量(移动角度)与所加电压的值相对应。已经处于第二排列方向21B的LC分子并不转动。当向处于图13A中实线所示排列状态的AFLC21施加电压-E时，一些分子表现为如图13D中虚线所示的倾斜状。每个分子的倾斜角与所加电场的强度相对应。
从以上说明中可明显看出，该实施例中AFLC21的分子随着所加电压沿锥面转动。因此，通过控制所加电压，就可以不断改变LC分子或指向矢的平均排列方向。这样，AFLC的光轴也能在第一排列方向21A和第三排列方向21C之间以及第二排列方向21B和第三排列方向21C之间连续变化。
因此，如图14所示，通过在电极13和17之间施加约0.1赫兹这样频率很低的三角波电压便可得到该实施例的AFLC显示装置，这种显示装置的光学特性曲线在所加电压为零伏附近处具有不平的区域，其随所加电压绝对值的增加而连续变化，而且没有阈值。此外，透射率曲线相对于所加电压的极性是对称的。当所加电压的绝对值等于或大于饱和电压Ec时，透射率基本上达到饱和。而且，滞后很小。实际上可以采用上述驱动方法借助图10A和10B所示的驱动波形来驱动该实施例的AFLC显示装置。图15表示在将选择周期TS设定为60微秒且用图10A和10B中所示的驱动方法驱动采用具有上述光学特性且I-SA转换温度为71℃，SA-SC++转换温度为57℃，自发极化率为176nc/cm2和锥角为63度的AFLC作为AFLC21的LCD装置时透射率和所加电压之间的关系。
从该曲线中可明显看出，这种LCD装置和这种驱动方法可通过改变写电压VD来使透射率连续变化并且可根据写电压VD来精确确定显示灰度。这样，通过控制写电压VD就可确保灰度显示。第三实施例下面将说明按照本发明第三实施例所述的AFLC显示装置。
该实施例中AFLC显示装置的基本结构大体上与图1-3中所示第一实施例中AFLC显示装置的结构相同。
该实施例中的AFLC21由液晶组成，该液晶具有30度-45度(理想的是35度或更大)的较大锥角并且具有按I、SmA和SmCA++顺序变化的SmCA++相。在堆积状态下，AFLC21具有如图4所示的排列分子层状结构和双螺旋结构。AFLC21是以这样的状态密封在基片11和12之间的，即，由分子跟踪的双螺旋结构已经不存在(图5中所示的状态)。这些基本上与第一实施例中的AFLC相同。
ALFC21的特征在于，它的分子是绕分子长轴的旋转力较强的分子，但是在施加电场时，其绕分子长轴的转动受到电场的抑制，因此，使LC分子离开锥面并在垂直于电场的方向上(在图12中的Y-Z平面中)产生倾斜。
下面将用图16A-16E所示的模式说明LC分子相对于所加电压的行为状态。当未加压时，如图16A所示，反铁电作用(趋向于保持反铁电相分子排列的作用)使LC分子交替指向第一和第二排列方向21A和21B。在这种状态下，在每一层上都出现自发极化，但是由于相邻层上的永久偶极子朝向相反的方向，所以消除了偶极矩。因此，从整体的观点看，并不存在自发极化，由此建立了反铁电相。AFLC21的空间平均光轴实际上平行于近晶层的垂直线方向，该方向是LC分子的平均排列方向。
在这种情况下，尽管LC分子受到反铁电相作用的限制，但是LC分子仍然绕它们的长轴转动。
当在垂直于底衬11和12主表面的方向上施加小于饱和电压Ec的正向电压时，LC分子绕其长轴的转动受所加电压的电平抑制并产生极化。极化与电场之间的相互作用使LC分子离开锥面在垂直于电场的方向上产生如图16B中虚线所示的倾斜。
这时，处于第二排列方向21B的LC分子的倾斜角较大而处于第一排列方向21A的LC分子的倾斜角较小。然而，平均倾斜角大体上与所加电压相对应。
当向AFLC21施加负电压E时，分子在如图16C中虚线所示的相反方向发生倾斜，这时，处于第一排列方向21A的LC分子的倾斜角较大而处于第二取向方向21B的LC分子的倾斜角较小。然而，平均倾斜角大体上与所加电压相对应。
当加到AFLC21上的电压等于或大于饱和电压Ec时，如图16C和16E所示，LC分子在所加电压的影响下指向从第一或第二排列方向21A或21B倾斜预定角度的方向。在这种情况下，相邻近晶层的永久偶极子都指向相同的方向，并产生自发极化，从而建立起第一或第二铁电相。在这种状态下，LC分子的转动明显受到所加电场的抑制，因此出现了较大程度的极化。
从以上描述可明显看出，由于本实施例的AFLC21的分子转动受到所加电压E的抑制，所以使LC分子在垂直于电场的方向上产生倾斜。因此，通过控制所加电压，可以使指向矢在反铁电相和铁电相之间的中间状态中不断变化。这样，可以使AFLC21的平均光轴基本上在第一排列方向21A和第二排列方向21B之间不断变化。透射率基本上以同样的方式相对于所施加的具有不同极性但具有相同绝对值的电压发生变化。
因而，通过在电极13和17之间施加极低频率的三角波电压而获得的本实施例中AFLC显示装置的光学特性曲线在所加电压为零伏左右时具有不平的区域，其随着所加电压绝对值的增加而连续平滑地变化，且没有阈值。此外，透射率曲线相对于所加电压的极性是对称的。当所加电压等于或大于饱和电压Ec时，透射率基本上达到饱和。然而，当施加的电压增加时，由于LC分子的转动受电场的抑制，所以排列状态稍有改变且透射率稍有增加。而且滞后很小。
具有这种光学特性曲线的LCD装置，可以根据所加电压几乎很准确地确定显示灰度，特别是可以得到任何灰度的显示。因此，如上所述，通过使用有源矩阵型LCD装置并将所加电压基本保持在与每个象素非选择周期中的显示灰度相应的特定值上就能获得任何灰度的显示。
可以用图10A和10B中所示驱动方法作为使具有上述结构的LCD装置完成灰度显示的实际驱动方法。
图17表示在将选择周期TS设定为60微秒且用图10A和10B中所示的驱动方法驱动采用具有上述特性且I-SA转换温度为68℃，SA-SCA++转换温度为54℃，自发极化率为132nc/cm2和锥角为60.8度的AFLC作为AFLC21的LCD装置时透射率和所加电压之间的关系。
从该曲线中可明显看出，这种LCD装置和这种驱动方法可通过改变写电压VD来使透射率连续变化并且可根据写电压VD来具体确定显示灰度。这样，就可确保灰度显示。第四实施例以上根据具有中间排列状态的AFLC显示装置解释了第一至第三实施例，所述中间排列状态是通过(1)使处于第一或第二排列状态的一些LC分子变为第二或第一排列状态，(2)在相移先导作用下LC分子沿锥面的行为状态，或(3)在所加电压的作用下LC分子离开锥面并沿垂直于电场的方向倾斜这三种情况形成的。
还有一种AFLC装置，这种装置是通过把出现的不止一种现象结合起来提供一种中间排列状态。
下面将讨论一种通过将(1)使处于第一或第二排列状态的一些LC分子变为第二或第一排列状态，(2)在相移先导作用下LC分子沿锥面的行为状态这两种情况相结合得到的AFLC和使用这种AFLC的LCD装置。
本实施例所述LCD装置的结构与图1-3中所示的实施例相同。
本实施例的AFLC21由液晶组合物构成，这种组合物具有能保持反铁电相的较弱反铁电作用和与铁电相中类似的较强铁电作用。
具有这种特性的AFLC21可通过将表3中(I)-(III)所示液晶主要结构按20％(重量)的(I)、40％(重量)的(II)和40％(重量)的(III)这样的混合比进行混合而获得。
这种AFLC21具有30度的锥角并且具有按I、SmA和SmCA++顺序变化的SmCA++相，在堆积状态下，AFLC21具有已排列分子的层状结构和螺旋结构。
表3
如果用这种液晶作为AFLC21，那么在未施加电压时，LC分子交替指向如图18A所示的第一和第二排列方向21A和21B。在这种状态下，在每一层上都出现自发极化，但是相邻层上的永久偶极子朝向相反的方向。因此，消除了偶极矩，所以，从整体的观点看，并不存在自发极化且由此建立了反铁电相。AFLC21的空间平均光轴指向LC分子的平均排列方向，即，由近晶相形成的层状结构的垂直线方向，该方向是基本上与指向矢一致的指向矢方向。
如上所述，本实施例的AFLC21具有很强的铁电作用。也就是说，LC分子通常处于平行状态。因此，如图8所示，当加到AFLC上的正向电压E小于饱和电压Ec时，受所加电压E的电平影响，使一些处于第二排列状态的LC分子变为第一排列状态。排列状态发生变化的分子数量(比例)随所加电压E的增大而增加。
LC分子的永久偶极子与电场相互作用使处于第二排列状态的LC分子沿图18B和18C中虚线所示的锥面倾斜预定量(预定角度)。倾斜角与所加电压的值相对应。由于自发极化所产生的较强作用而使已处于第一排列方向21A的LC分子不产生运动。
随着所加正向电压E的增大，处于第一排列状态的LC分子的数量增加。同时，处于第二排列状态的LC分子的倾斜角变大。因此，随着所加电压的增加，AFLC21的指向矢从近晶层的垂直线方向21C朝着第一排列方向不断发生变化。
当向AFLC21施加小于饱和电压Ec的负电压E时，如图18E和18F所示，处于第一排列状态的一些LC分子受所加电压E的电平影响变为第二排列状态。
处于第一排列状态的LC分子在所加电压的作用下沿锥面朝着第二排列方向21B倾斜。然而，由于与自发极化之间形成较强的作用而使已经处于第一排列方向21A的LC分子不再产生运动。
随着所加负电压E的增加，处于第二排列状态的LC分子的比例和处于第一排列状态的LC分子的倾斜度都增加。因此，随着所加负电压E的增加，AFLC21的指向矢朝着第二排列方向21B不断变化。
当加到AFLC21上的电压E等于或大于饱和电压Ec时，如图18D和18G所示，受所加电压E的极性影响，LC分子或者处于第一排列状态或者处于第二排列状态。在这种情况下，相邻近晶层的永久偶极子指向相同的方向，并产生自发极化，从而建立起第一或第二铁电相。
如图7所示，上述现象使本实施例的AFLC在比可见光带中的光波长短的距离内形成多个其中LC分子处于第一排列状态的微小区域，和其中LC分子处于第二排列状态和多个微小区域。这些区域的面积或其数量比随所加电压而变化。每个区域中AFLC21的指向矢均随所加电压而倾斜。
由于每个区域的尺寸小于可见光带中的光波长，所以这些区域的光学特性趋于平均，因而AFLC21的指向矢的平均方向基本是AFLC21的光轴方向。该光轴在第一排列方向和第二排列方向之间随着LC分子的不同排列而改变，LC分子取向的变化是因所加电压变化引起的。
因此，使用本实施例的AFLC装置即可实现灰度显示。
图19表示当用0.1赫兹的三角波电压驱动作为AFLC21的AFLC显示装置时透射率的变化情况，其中AFLC显示装置使用了液晶组合物，该液晶组合物是用表3所示液晶组合物调整的。从图20A-20I所示AFLC显示装置的显示表面的角度看，上述分子的行为状态也出现在本实施例的AFLC21中。
图20A-2I表示从不施加电压到施加足够高的电压的过程中显示表面的变化。
如图20I所示，当不施加电压时，大部分表面是“黑色”的，或处于屏蔽状态，仅存在极少点缀式的“白色”或透光区。
如图20I-20G所示，当所加电压逐渐增加时，虽然“黑色”区域和“白色”区域的面积几乎不变，但是整个面积变得较亮。这表明，“黑色”区域中的LC分子沿锥面移动并在所加电压的作用下改变它的排列状态。
如图20C-20G所示，随着所加电压的进一步增大，“白色”区域的面积增加而“黑色”区域的面积减小。这表明，“黑色”区域的LC分子(假设处于第二排列状态)已经一个小区接着一个小区地变成第一排列状态。也就是说，在某些小区内的液晶相已经变为铁电相。此外，这表明，在所加电压的作用下“黑色”区域中的LC分子沿锥面运动。
如图20C-20A所示，随着所加电压的进一步增大，“白色”区域的面积增加而“黑色”区域的面积减小。在该阶段，“黑色”区域中的透射率几乎不变。这表明，LC分子的排列状态在微小区域的单元内集中改变。
如上所述，按照本实施例的LCD装置，通过控制所加电压完成对(1)处于第一或第二排列状态的一些LC分子转变为第二或第一排列状态和(2)在相移先质的作用下LC分子沿锥面的行为状态这两种情况的组合控制即可获得中间排列状态。
图10A和10B中所示的驱动方法也可用来驱动该LCD装置。第五实施例下面将说明按照第五实施例所述的AFLC和使用该AFLC的AFLC显示装置，其中所述的AFLC通过(1)使处于第一或第二排列状态的一些LC分子转变为第二或第一排列状态(3)根据所加电压使LC分子离开锥面并向与电场垂直的方向倾斜这两种状态形成中间排列状态。
本实施例所述LCD装置的结构与图1-3中所示实施例相同。
下面将描述本实施例的AFLC21。
这种AFLC21由例如液晶构成，所述液晶具有30度-45度(理想的是35度或更大)的较大锥角并且具有按I、SmA和SmCA++顺序变化的SmCA++相。如图4所示，AFLC21包含排列分子的层状结构和堆积状态的双螺旋结构。如图5所示，将AFLC21密封在双螺旋结构消失的基片11和12之间。这一点与第一至第四实施例中的AFLC基本相同。
本实施例的AFLC21由液晶组合物构成，该组合物具有较弱的能保持反铁电相的反铁电作用和与铁电相中相类似的较强铁电作用。也就是说，AFLC21由液晶组合物构成，这种组合物具有很强的使各分子通常处于平行方向的倾向。此外，液晶材料分子的自由转动力很强。
如果用这种类型的液晶作为AFLC21，那么如图21A所示，当不施加电压时，分子交替指向第一和第二排列方向21A和21B。这种情况下，在每一层上都出现自发极化，但是相邻层上的永久偶极子朝向相反的方向。因此，消除了偶极矩，所以，从整体的观点看，并不存在自发极化且由此建立了反铁电相。AFLC21的空间平均光轴指向近晶层(具有近晶相的层)的垂直线方向或LC分子的平均排列方向。
在这种状态下，虽然LC分子受到反铁电作用的影响，但分子仍绕它们的长轴转动。
如上所述，本实施例的AFLC21具有很强的铁电作用。也就是说，使相邻层的LC分子处于平行状态的作用很强。因此，如图21所示，当加到AFLC21上的正向电压E小于饱和电压Ec时，受所加电压的影响，一些处于第二排列状态的LC分子变为第一排列状态。排列状态发生变化的分子数量(比例)随所加电压E的增大而增加。
所加电压抑制了LC分子绕其长轴的转动，并且导致出现自发极化。如图21B中虚线所示，自发极化与电场的相互作用使LC分子离开锥面，并在与电场垂直的平面(图12中的Y-Z平面)上产生朝向第一排列方向21A的倾斜。倾斜角随所加电压E的增大而增加。
当所加电压增大时，在因所加电压增大而使处于第一排列状态的LC分子增加和因抑制转动而使LC分子的倾斜度增加这两种状态的联合作用下，AFLC21的指向矢朝着第一排列方向21A不断变化。
如图21C所示，当加到AFLC21上的正向电压等于或大于饱和电压Ec时，几乎所有LC分子都变成第一排列状态。由于抑制转动产生的倾斜效果，使各LC分子都处于与第一排列方向21A倾斜预定角度的方向上。在这种情况下，相邻层的永久偶极子朝向相同的方向，并出现自发极化，从而建立了第二铁电相。在这种状态下，LC分子的转动受到所加电场相当大的抑制，因而形成较大程度的极化。
如图21D所示，当加到AFLC21上的负电压E小于饱和电压Ec时，一些处于第一排列状态的LC分子受所加电压E的电平影响变为第二排列状态。排列状态发生变化的分子数量(比例)随所加电压的增大而增加。
在所加电压的作用下抑制了LC分子绕其长轴的转动，并且导致出现自发极化。如图21D中虚线所示，自发极化与电场的相互作用使LC分子在与电场垂直的方向上产生倾斜。
当所加电压增大时，在因所加负电压增大而使处于第二排列状态的LC分子增加和因抑制转动而使LC分子的倾斜度增加这两种状态的联合作用下，AFLC21的指向矢朝着第二排列方向21B不断变化。
如图21E所示，当加到AFLC21上的负向电压E等于或大于饱和电压Ec时，LC分子都变成第二排列状态。由于因抑制转动而产生的倾斜效果，使各LC分子都处于与第二排列方向21B倾斜预定角度的方向上。在这种情况下，相邻层的永久偶极子朝向相同的方向，并出现自发极化，从而建立了第二铁电相。在这种状态下，LC分子的转动受所加电场相当大的抑制，因而形成较大程度的极化。
由于本实施例中处于第一或第二排列状态的一些AFLC分子在所加电压的影响下变为第二或第一排列状态，所以在比可见光带中的光波长短的距离内LC分子的平均排列也随之改变。也就是说，如图7的实施例所示，在比可见光带中的光波长短的距离内形成LC分子处于第一排列状态的多个微小区域和LC分子处于第二排列状态的多个微小区域。这些小区域的面积和数量比例以及在各小区域中LC分子的倾斜角随所加电压而变化。
由于每个微小区域的尺寸都小于可见光带内的光波长，所以这些微小区域的光学特性是光学平均的。从而AFLC21的光轴随LC分子排列变化而连续变化，或随着从第一排列状态变为第二排列状态的LC分子的比例的变化而变化，LC分子排列状态的改变是由于所加电压发生变化而引起的。
因此，如图22所示，通过在采用本实施例的AFLC的LCD装置中的电极13和17之间施加约0.1赫兹的极低频三角波电压而获得的光学特性曲线在所加电压为0伏左右时具有不平直部分，而且，透射率随所加电压的变化而不断改变，并且没有阈值。此外，透射率曲线相对于所加电压的极性是对称的。当所加电压等于或大于饱和电压Ec时，几乎所有LC分子都指向第一排列状态或是第二排列状态而且透射率基本上达到饱和。由于抑制了LC分子的转动而导致LC分子发生倾斜，所以使排列状态随所加电压的增加而出现轻微的改变。这使得透射率稍有增加。而且滞后很小。
具有这种光学特性曲线的LCD装置，可以根据所加电压准确地确定显示灰度，特别是可以得到任何灰度的显示。因此，如上所述，通过使用有源矩阵型LCD装置并将所加电压基本保持在与每个象素非选择周期中的显示灰度相应的特定值上就能获得任何灰度的显示。
可以用图10A和10B中所示驱动方法来驱动本实施例的AFLC显示装置。
图23表示在按图3所示状态设定排列处理的方向和偏振片透射轴的方向且把选择周期设定为60微秒的情况下，用图10A和10B中所示的驱动方法驱动采用具有上述特性且I-SA转换温度为71℃，SA-SC++转换温度为57℃，，自发极化率为176nc/cm2的AFLC作为AFLC21的LCD装置时透射率和所加电压之间的关系。
从图23中可明显看出，这种LCD装置和这种驱动方法可通过改变写电压来使透射率连续变化并且可根据写电压来具体确定显示灰度。这样，就可确保灰度显示。第六实施例下面将说第六实施例的AFLC和采用这种AFLC的AFLC显示装置，这种AFLC通过(2)在相移先导作用下LC分子沿锥面的行为状态，或(3)在所加电压的作用下LC分子离开锥面并沿垂直于电场的方向倾斜这两种状态形成中间排列状态。
本实施例中LCD装置的结构与图1-3所示实施例的结构相同。
这种AFLC21由例如液晶构成，所述液晶具有30度-45度(理想的是35度或更大)的较大锥角并且具有按I、SmA和SmCA++顺序变化的SmCA++相。如图4所示，AFLC21包含排列分子的层状结构和堆积状态的双螺旋结构。如图5所示，将AFLC21密封在双螺旋结构消失的基片11和12之间。这些点与第一至第五实施例中的AFLC基本相同。
本实施例的AFLC21由液晶组合物构成，这种液晶组合物具有例如强反铁电作用和弱铁电作用等特性。也就是说，这种液晶具有比较弱的使各分子处于平行状态的倾向。此外，液晶材料分子的自由旋转力很强。
当用这种类型的AFLC作为AFLC21时，如图24A所示，在未施加电压的情况下，LC分子交替地指向第一和第二排列方向21A和21B。在这种状态下，在每一层上都出现自发极化，但是相邻层上的永久偶极子朝向相反的方向。由此消除了偶极矩，因此，从整体上看，并不存在自发极化，而且还建立了反铁电相。AFLC21的空间平均光轴指向LC分子的平均排列方向或近晶层的垂直线方向，该方向是指向矢的方向。
如上所述，本实施例中的AFLC具有很强的铁电作用。也就是说，LC分子通常层层交替地处于第一排列方向21A和第二排列方向21B。因此，当加到AFLC21上的电压E小于饱和电压Ec时，如图24B或25C所示，各LC分子在锥面上所作的相应于所加电压的运动(相移先导)和对自由转动的抑制使处于第一排列状态下的LC分子和处于第二排列状态下的LC分子在保持层与层之间呈顺序反向排列状态的同时还发生倾斜度变化。因此，AFLC21中指向矢的方向在第一和第二排列方向之间不断变化。
利用第一到第五中每个实施例的中间排列状态可以显示中间灰度。第七实施例下面将说明一种采用AFLC的AFLC显示装置，其中的AFLC通过把(1)使处于第一或第二排列状态的一些LC分子转换成第二或第一排列状态，(2)在相移先导作用下LC分子沿锥面的行为状态，和(3)LC分子根据所加电压离开锥面并在垂直于电场的方向上产生倾斜这些状态结合起来形成一种中间排列状态。
本实施例所述的LCD装置的结构与图1-3所示实施例相同。
本实施例中的AFLC21由例如液晶组成，该液晶具有30度-45度(理想的是35度或更大)的较大锥角和按I、SmA和SmCA++顺序变化的SmCA++相。如图4所示，AFLC21具有堆积状的已排列分子层状结构和双螺旋结构。如图5所示，AFLC21密封在已不存在双螺旋结构的基片11和12之间的。这些基本上与第一至第五实施例中的AFLC相同。
本实施例的AFLC21具有能保持反铁电相的较弱反铁电作用和与在铁电相中相似的较强铁电作用。AFLC21还具有很强的绕分子长轴转动的转动力。
通过将具有表4中(I)所示主要组合物的液晶和具有表4中(II)所示主要组合物的液晶分别以60％(重量)和40％(重量)的混合比进行混合即可得到具有这种特性的AFLC21。该AFLC21的锥面角大约为30度。
表4
根据具有上述组合物的液晶，随着所加电压的变化，一些处于第一或第二排列状态的LC分子变为第二或第一排列状态，处于第一或第二排列状态的LC分子借助相移先导沿锥面运动，而且由于分子的转动受到抑制，从而可使LC分子在垂直于电场的方向上产生倾斜。因此，AFLC21的指向矢方向随所加电压而变化。
下面将参照图25所示模式，讨论该AFLC中LC分子的排列状态随所加电压变化的情况。
当未施加电压时，如图25A所示，LC分子交替地处于第一和第二排列方向21A和21B。也就是说，第一排列状态和第二排列状态是层层重复的。在这种状态下，在每一层上都出现自发极化，但是由于相邻层上的永久偶极子朝向相反的方向，所以消除了偶极矩。因此，从整体的观点看，并不存在自发极化，由此建立了反铁电相。AFLC21的空间平均光轴处于LC分子的平均排列方向上，即，近晶层的垂直线方向或指向矢的方向上。
在这种情况下，尽管LC分子受到反铁电作用的抑制但仍绕其长轴转动。
本实施例的AFLC21由液晶组合物构成，这种液晶组合物具有例如与在铁电相中相似的较强铁电作用的特性。也就是说，AFLC21由液晶组合物构成，该液晶组合物具有使各分子通常处于平行状态的较强趋势。
当加到AFLC21上的正电压E小于饱和电压Ec时，如图25B和25C所示，处于第二排列状态的一些LC分子根据所加电压E的电平变为第一排列状态。随着所加电压E的增大，排列状态发生变化的分子数目(比例)也随着电压E的增大而增加。
本实施例的AFLC21的反铁电作用较弱。也就是说，用于保持反铁电相中排列状态的作用较弱。因此，当在AFLC21上施中正电压E时，处于第二排列状态的LC分子在电场E和永久偶极子的作用下移动(倾斜)预定的量(预定的角度)。由于自发极化产生的较大作用而使已经处于第一排列方向的LC分子不再运动。
此外，LC分子绕长轴的转动受到所加电压的抑制，从而产生自发极化。自发极化与电场E之间的相互作用使LC分子在垂直于电场的平面上出现倾斜。该行为是LC分子离开锥面的运动。
如图25B和25C中的虚线所示，由于上述现象的联合作用，LC分子从未加电场时所处的第一排列方向21A或第二排列方向21B的排列状态偏移。通过由电场引起的LC分子在锥面上的运动和因抑制转动引起的LC离开锥面的运动这两种运动的总效果可确定处于第二排列状态下的LC分子的倾斜角δ2，而通过抑制转动的程度可确定处于第一排列状态下的LC分子的倾角δ1。倾角δ1和δ2随所加电场E的强度而变化。
当所加电压增加时，在处于第一排列状态的LC分子随所加正向电压E的增大而增加和各LC分子的倾斜度增大这两种情况的联合作用下，AFLC21从与近晶层垂直的方向朝第一排列方向21A不断变化。
当施加小于饱和电压Ec的负向电压E时，如图25E和25F所示，一些处于第一排列状态的LC分子在所加电压E的电平作用下变为第二排列状态。排列状态发生变化的分子数量(比例)随所加电压E的增大而增加。
在所加电压E的作用下，LC分子借助相移先导沿锥面朝第二排列方向21B运动。然而，由于较大的自发极化作用，使已经处于第二排列方向21B的LC分子并不运动。
此外，在所加电压E的电平作用下，LC分子绕长轴的转动受到抑制，从而引发自发极化。自发极化与电场的相互作用使LC分子在垂直于电场的方向上产生倾斜。
例如，如图25E和25F中的虚线所示，由于LC分子沿锥面运动和分子转动受抑制，使各LC分子从第一或第二排列方向21A或21B偏移。通过使LC分子在锥面上倾斜和抑制分子转动可确定处于第一排列状态的LC分子的倾斜角(偏移角)δ3，而且通过抑制分子转动可确定处于第二排列状态的LC分子的倾角δ4。倾斜角δ3和δ4均随所加电场的强度而改变。
随着所加负电压E的增大，处于第二排列状态的LC分子的数量增加而且LC分子的倾斜角也增大。因此，随着所加负电压E的增加，AFLC21的指向矢从近晶层的垂直线方向朝着第二排列方向21B不断改变。
当加到AFLC21上的电压等于或大于饱和电压Ec时，如图25D和25G所示，LC分子根据所加电压的极性变为第二排列状态。在这种情况下，相邻层的永久偶极子朝向相同的方向，并出现自发极化，从而建立了第一或第二铁电相。在这种状态下，LC分子的转动受所加电场相当大的抑制，因而形成较大程度的极化。
如图7所示，由于上述LC分子联合作用的结果，在比可见光带中的波长短的距离内，在AFLC21中形成了LC分子指向第一排列状态的多个微小区域和LC分子指向第二排列状态的多个微小区域，这些微小区域的面积或区域的数量比随所加电压而变化。由相移先导引起的LC分子沿锥面的倾斜和因抑制分子转动而引起的LC分子离开锥面的运动导致每个微小区域中AFLC21的指向矢产生倾斜。
由于每个微小区域的尺寸都小于可见光带内的光波长，所以这些微小区域的光学特性是光学平均的，从而AFLC21中指向矢的平均方向实际上成为AFLC的光轴方向。该光轴伴随所加电压的变化在第一排列方向和第二排列方向之间变化。
因此，如图26或27所示，通过在采用表4中所示AFLC的LCD装置中的电极13和17之间施加约0.1赫兹的极低频三角波电压而获得的和在所加电压为0伏左右时具有不平直部分的光学特性曲线，随所加电压绝对值的改变而不断变化，并且没有阈值。此外，透射率曲线相对于所加电压的极性是对称的。
当把绝对值等于或大于饱和电压Ec的电压加到AFLC上时，几乎所有LC分子都指向第一排列状态或是第二排列状态而且透射率基本上达到饱和。但是，由于抑制了LC分子的转动而导致LC分子发生倾斜，所以既使是所加电压E大于饱和电压Ec之后，透射率也会稍有增加。而且滞后很小。
如上所述，本实施例的LCD装置，可以根据所加电压准确地确定显示灰度，特别是可以得到任何灰度的显示。因此，如上所述，通过使用有源矩阵型LCD装置并将所加电压基本保持在与每个象素非选择周期中的显示灰度相应的特定值上就能获得任何灰度的显示。
可以用图10A和10B中所示驱动方法来作为使本实施例的LCD装置完成灰度显示的实际驱动方法。
图28表示在用表4所示液晶组合物调整I-SA转换温度为68℃，SA-SCA++转换温度为54℃，自发极化率为138nc/cm2和倾斜角为30.4度(锥角为30.8度)的液晶组合物时写电压和透射率之间的关系，其中用这种液晶组合物作为双螺旋结构消失的AFLC，并采用图10A和10B中所示的选择周期为60微秒的驱动方法。
从该曲线图中可明显看出，这种LCD装置和这种驱动方法可通过改变写电压来使透射率连续变化并且可根据写电压来具体确定显示灰度。这样，就可确保灰度显示。第八实施例虽然在第一至七实施例中是将液晶21置于不带有螺旋结构的基片11和12之间，但是也可以用带有螺旋结构的基片来密封上述液晶。下面将讨论一种AFLC显示装置，这种显示装置是将AFLC21密封在具有双螺旋结构的基片11和12之间，而且可以利用由LC分子跟踪的螺旋结构的变形来形成中间排列状态。
本实施例中LCD装置的结构与图1-3中所示的实施例相同。
本实施例中的AFLC21由例如液晶组成，该液晶具有30度-45度(理想的是35度或更大)的较大锥角和按I、SmA和SmCA++顺序变化的SmCA++相。而且AFLC21具有排列分子的层状结构和堆积状的双螺旋结构。这些基本上与第一至第五实施例中的AFLC相同。
将AFLC21中螺旋结构的一个螺距设定的小于AFLC21的厚度(盒缝)，而且取向膜18和19之间的相互作用很弱。如图29所示，将AFLC21密封在具有双螺旋结构的基片11和12之间。
图30A-30E是用于解释在所加电压的作用下使LC分子的双螺旋结构发生变形的示意图。这些视图表示各LC分子在图12所示Z-Y平面上的投影，其中Z是由每个LC分子跟踪的锥面轴，而Y是基片主表面的方向，X轴是垂直于基片主表面的方向。
在不施加电压的情况下，如图30A所示，LC分子跟踪两条彼此偏移180度的螺旋。在这种情况下，相邻层的永久偶极子朝向相反方向，因此偶极矩相互抵消。结果，不发生自发极化，并因此建立反铁电相。AFLC的空间平均光轴指向近晶层(具有近晶相的层)的垂直线方向，该方向是LC分子的平均排列方向，即该光轴基本上指向经过排列处理的方向21C。
当在AFLC21上施加电压时，如图30B和30D所示，受所加电压的极性和绝对值的影响，LC分子的永久偶极子与电场之间的相互作用使LC分子跟踪的双螺旋结构发生变形。该变形使平均光轴出现倾斜。
当加在AFLC21上的电压等于或大于所加的饱和电压Ec时，双螺旋结构消失且LC分子受所加电压极性的影响而具有第一或第二铁电相，其中的LC分子指向第一或第二排列方向21A或21B。
按照具有这种结构和工作特性的AFLC21，当由LC分子跟踪的双螺旋结构在所加电压的影响下发生变形时，AFLC21的平均光轴不断改变。光轴相对于所施加的极性不同但绝对值相同的电压发生基本上相同的变化。
因此，如图31所示，通过设置如图3中所示的偏振片和在象素电极13与共用电极17之间施加约0.1赫兹的极低频三角波电压而获得光学特性曲线在所加电压为0伏左右时具有不平直部分，透射率随所加电压绝对值的增大而不断变化，并且没有阈值。此外，透射率曲线相对于所加电压的极性是对称的。当向AFLC21施加绝对值等于或大于饱和电压Ec的电压时，螺旋消失且透射率达到饱和。此外，滞后很小。
如上所述，具有这种光学特性的LCD装置，可以根据所加电压准确地确定显示灰度。通过使用有源矩阵型LCD装置并将所加电压基本保持在与每个象素非选择周期中的显示灰度相应的特定值上就能获得任何灰度的显示。
可以用图10A和10B中所示驱动方法来作为使本实施例的LCD装置完成灰度显示的实际驱动方法。
图32表示在使用I-SA转换温度为92℃，SA-SCA++转换温度为68℃，自发极化率为130nc/cm2和倾斜角为27度(锥角为54度)且包含有可变形双螺旋结构的AFLC时，写电压和透射率之间的关系，其中按图3设置排列处理的方向和偏振片透射轴的方向并采用图10A和10B中所示的选择周期为60微秒的驱动方法。
从该曲线图中可明显看出，这种LCD装置和这种驱动方法可通过改变写电压来使透射率连续变化并且可根据写电压来具体确定显示灰度。这样，就可确保灰度显示。第九实施例存在一种AFLC，这种AFLC通过将第八实施例中出现的双螺旋结构的变形和上述第一至第七实施例中所述LC分子的行为状态相结合形成一种中间排列状态。
下面将讨论通形成中间状态的AFLC和采用这种AFLC的AFLC显示装置，所述中间状态是通过(a)在所加电压作用下双螺旋结构发生变形(b)在所加电压影响下LC分子离开锥面并在垂直于电场的方向倾斜这两种状态形成的。
本实施例中LCD装置的结构与图1-3中所示的实施例相同。
本实施例中的AFLC21由例如液晶组成，该液晶具有30度-45度(理想的是35度或更大)的较大锥角和按I、SmA和SmCA++顺序变化的SmCA++相，而且AFLC21具有已排列分子的层状结构和堆积状的双螺旋结构。将AFLC21中螺旋结构的一个螺距设定的小于AFLC21的厚度(盒缝)，而且将AFLC21密封在具有双螺旋结构的基片11和12之间。这些基本上与第一至第九实施例中的AFLC相同。
AFLC21与取向膜18和19的相互作用很弱，但AFLC21具有很强的绕每个分子长轴旋转的旋转力。
如图30A-30E所示，本实施例与第八实施例相同，其AFLC中LC分子的双螺旋结构在所加电压的作用下发生变形。
当在AFLC21上未施加电场时，各LC分子虽然受到反铁电相作用的抑制，但仍然绕它们的长轴旋转。当在垂直于基片11和12主表面的方向上施加电场E时，LC分子的转动受到抑制，并产生自发极化，在极化和电场的作用下，LC分子在垂直于电场的方向上产生倾斜。当向处于例如如图33A中实线所示排列状态的LC分子施加电场E时，分子在垂直于电场的平面上产生如图中虚线所示的倾斜。倾斜角&与所加电场的强度相对应。当电场的方向反向时，图33B中所示的倾斜方向也反向。换句话说，LC分子的倾斜角&受所加电场的影响而改变。
可以认为，LC分子在所加电场E的影响下所产生的倾斜就是由每个LC分子跟踪的锥面轴的倾斜(在图12中Z-Y平面上的倾斜)。
根据本实施例的AFLC21，在所加电压的影响下，双螺旋结构的变形和锥面轴的倾斜同时发生，所以LC分子的平均排列方向在反铁电相和铁电相之间的中间状态中不断变化。由于AFLC21中螺旋结构的螺距比可见光带中的光波长短，所以在第一排列方向21A和第三方向之间以及在第二排列方向21B和第三方向之间平均光轴不断变化。光轴相对于所施加的极性不同但绝对值相同的电压所发生的变化基本上相同。
因此，如图34所示，通过设置如图3中所示的偏振片和在象素电极13与共用电极17之间施加约0.1赫兹的极低频三角波电压而获得的光学特性曲线在所加电压为0伏左右时具有不平直部分，而且透射率随所加电压绝对值的改变而不断变化。此外，当所加电压足够高时，出现螺旋结构且透射率基本上饱和。然而当因LC分子的转动受到抑制而使LC分子进一步倾斜时，既使是施加的电压足够高透射率也只是稍有增加。而且，透射率的曲线相对于所加电压的极性是对称的。此外，滞后很小。
具有这种光学特性的LCD装置，可以根据所加电压准确地确定显示灰度。因此，如上所述，通过使用有源矩阵型LCD装置并将所加电压基本保持在与每个象素非选择周期中的显示灰度相应的特定值上就能获得任何灰度的显示。
可以用图10A和10B中所示驱动方法来作为使本实施例的LCD装置完成灰度显示的实际驱动方法。
图35表示在使用I-SA转换温度为83℃，SA-SCA++转换温度为74℃，自发极化率为261nc/cm2和倾斜角为32.3度(锥角为64.6度)且具有通过施加电压使双螺旋结构变形和通过抑制LC分子转动使LC分子的长轴倾斜的AFLC时写电压和透射率之间的关系，其中按图3所示设定取向处理的方向和偏振片传输轴的方向，并采用图10A和10B中所示的选择周期为60微秒的驱动方法。
从该曲线图中可明显看出，这种LCD装置和这种驱动方法可通过改变写电压来使透射率连续变化并且可根据写电压来具体确定显示灰度。这样，就可确保灰度显示。
这种AFLC中LC分子的上述行为状态可以从LCD装置的干涉图象中看出。
图36A-36D表示所加电压和这种LCD装置的干涉图象之间的关系。图36A表示未加电压时的干涉图象，图36B和36C表示当所加正向电逐渐增加时的干涉图象，图36D表示所施加的电压为正向电压且电压足够大时的干涉图象。
在图36A中，在上侧、下侧、和左侧、右侧出现均匀的亮区。这种情况表明液晶具有螺旋结构。
当施加的正向电压逐渐增大时，如图36B和36C所示，尽管仍保持对称结构，但是右侧变得更亮，左侧变得较暗。这表明，虽然光轴保持为单轴，但是LC分子向右倾斜(向图3中的第一排列方向21A)。
当所加的电压为正向电压且电压足够高时，如图36D所示，对称结构消失且只有右侧变为亮区。这表明，螺旋消失且几乎所有的LC分子均指向铁电相中的第一排列方向21A。
与图36B-36D相比，随着所加负电压的增大，获得的图象相对于Y轴基本上呈对称状。这表明，当施加负电压时，LC分子在保持螺旋结构的同时开始向左倾斜(朝着图3中的第二排列方向)，而且当所加的负电压足够高时，螺旋结构消失，并使几乎所有的LC分子处于铁电相中的第二排列方向21B。
如上所述，根据该实施例的AFLC装置，在所加电压的作用下，由LC分子跟踪的双螺旋结构产生变形并抑制了LC分子绕分子长轴的转动，因此，使液晶的指向矢不断变化，从而实现了任何灰度的显示。第十实施例下面将讨论按照另一个实施例的AFLC和采用这种AFLC的LCD装置，所述的AFLC通过螺旋变形和LC分子在第一排列状态与第二排列状态之间的转换这两种情况的结合效果形成中间排列状态。
可以直接使用具有例如表1所示结构的AFLC作为本实施例的液晶。然而，应该注意的是，将AFLC密封在具有双螺旋结构的基片11和12之间。
如果使用例如表1中所示的AFLC，那么在未加电压的情况下，如图30A所示，LC分子跟踪两条移位180度的螺旋。该AFLC21的空间平均光轴平行于近晶层的垂直线方向，即LC分子的平均排列方向。
当加到AFLC21上的电压等于或大于饱和电压Ec时，双螺旋结构消失且LC分子在所加电压的作用下变为LC分子指向第一或第二排列方向21A或21B的第一或第二铁电相。
当向AFLC21施加中等电平的电压时，受所加电压的极性和绝对值的影响，LC分子的永久偶极子与电场相互作用使LC分子跟踪的双螺旋结构发生如图30A-30E所示的变形。这种变形使平均光轴发生倾斜。
受所加电压的极性和电平的影响，一些处于第一或第二排列状态的LC分子变成第二或第一排列状态。排列状态发生改变的分子数量(比例)随所加电压E的增大而增加。
也就是说，受所加电压影响而出现的双螺旋结构的变形和LC分子排列的转换，使得LC分子的平均排列方向随所加电压而不断变化。
这基本上等同于双螺旋结构在所加电压的影响下产生变形和螺旋轴随所加电压而发生倾斜(相对于近晶层的垂直线)。
因此，通过不断改变LC分子的平均排列方向可以显示任何中间灰度。第十一实施例可以用第七实施例中使用的AFLC，且保持螺旋结构。
可以用例如具有表4中所示结构的AFLC作为本实施例的液晶。然而应注意到该AFLC上密封在保持着双螺旋结构的基片11和12之间。
如果使用例如表4中所示的AFLC，那么在未加电压的情况下，如图30A所示，LC分子跟踪两条移位180度的螺旋。该AFLC21的空间平均光轴平行于近晶层的垂直线方向，即LC分子的平均排列方向。
当加到AFLC21上的电压等于或大于饱和电压Ec时，螺旋结构消失且LC分子在所加电压极性的影响下变为LC分子指向第一或第二排列方向21A或21B的第一或第二铁电相。
当向AFLC21施加中等电平的电压时，受所加电压的极性和绝对值的影响，LC分子的永久偶极子与电场相互作用使LC分子跟踪的双螺旋结构发生如图30A-30E所示的变形。这种变形使平均光轴发生倾斜。
受所加电压E的极性和电平的影响，一些处于第一或第二排列状态的LC分子变成第二或第一排列状态。排列状态发生改变的分子数量(比例)随所加电压E的增大而增加。
由于这些现象是同时发生的，所以AFLC21的指向矢随所加电压而不断发生变化。这样便可以通过控制所加电压使LC分子的平均取向不断变化，从而实现灰度图象的显示。
图37表示所加电压和透射率之间的关系，其中用具有表4所示组合物的AFLC作为保持着螺旋结构的AFLC21，按图3所示形式建立排列处理的方向和偏振片的移动轴，并且在电极17和13之间施加约0.1赫兹的极低频三角波电压。
在所加电压为零伏左右时光学特性曲线具有非平坦区，且透射率随所加电压绝对值的增大而连续平滑地变化。当所加电压足够高时，螺旋结构消失且透射率基本上饱和。然而，由于分子转动受到抑制而使LC分子进一步倾斜，所以既使当所加电压足够高透射率也仍然会稍有增加。而且，透射率的曲线相对于所加电压的极性是对称的。此外，滞后很小。因此，按照本实施例的LCD装置，通过控制所加电压可以显示任意灰度的图象。
可以用图10A和10B中所示驱动方法来作为使本实施例的LCD装置完成灰度显示的实际驱动方法。
本实施例所述这种AFLC中LC分子的上述行为状态可以从这种液晶的干涉图象中看出。
例如，图38B示出了未加电压时的干涉图。该图中具有出现在上、下、左、右四个方向上的亮区。这意味着，当未加电压时存在螺旋结构。
当施加正向电压时，如图38A所示，图38B中所示的左右亮区彼此相连而上下亮区仍然分离。这意味着，LC分子沿锥面运动，所以在某种程度上螺旋结构消失。进一步说，如图38C所示，通过使所加电压的极性转向(变为负极性)可以用近点对称的方式使干涉图象转向。
通过以上描述可明显看出，在所加电压的作用下，液晶分子在锥面上倾斜，并且由于抑制了转动而使分子离开锥面。
因此，在用这种液晶作为AFLC21的情况下，由于具有图38中所示的特性，所以能够显示任意灰度。
虽然上面描述了本发明的第一至第十一实施例，但是本发明并不限于这些实施例，而是可以作出很多其它形式的改进。
例如，施加到LCD装置上的驱动波形并不限于图10A和10B所示的那些波形，而是可以根据需要改变。例如，虽然在图10A和10B所示的方法中是在相对单个显示数据的两个连续帧内向液晶施加两个极性相反的脉冲，但是也可以向用于单个显示数据的液晶施加一个写脉冲。
可以将偏振片23的透射轴23A和偏振片24的透射轴24A设置得相互平行。偏振片的光轴可以是吸收轴。此外可以将一个偏振片的光轴设置成平行于或垂直于第一或第二排列方向21A或21B，而将另一个偏振片的光轴设置成平行于或垂直于前一个偏振片的光轴。
本发明并不限于用TFT作为激活元件的AFLC显示装置，其也适合于用MIM作为激活元件的AFLC显示装置。
权利要求
1.一种反铁电液晶显示装置，包括第一基片(11)，其上设有多个象素电极(13)和多个与象素电极相连的激活元件(14)；第二基片(12)，其上形成有与所说象素电极相对的共用电极(17)；和密封在所说第一和第二基片之间的反铁电液晶(21)，其具有液晶分子基本上处于第一排列方向的第一铁电相，和液晶分子基本上处于第二排列方向的第二铁电相以及反铁电相，该反铁电相中具有处于第一排列方向的液晶分子和处于第二排列方向的液晶分子，其指向矢的平均方向与由手性近晶相形成的层的垂直线方向相一致， 因此，处于第一排列方向和第二排列方向中一个方向上的那些液晶分子在所加电压的作用下转而指向另一个排列方向，这样在短于可见光带中光波长的范围内就形成了多个不同排列状态的区域，而且指向矢的方向随处于第一排列状态的区或与处于第二排列状态的区域的比例而变化。
2.如权利要求1所述的反铁电液晶显示装置，其中所说的铁电相区域和反铁电相区域并存。
3.如权利要求1所述的反铁电液晶显示装置，其中所说的反铁电液晶是通过用螺旋结构消失的手性近晶CA相密封液晶构成的。
4.如权利要求1所述的反铁电液晶显示装置，其中所说的反铁电液晶具有在所加电压的作用下借助相移先导沿预定锥面运动的液晶分子。
5.如权利要求1所述的反铁电液晶显示装置，其中所说的反铁电液晶具有在所加电压的作用下沿垂直于电场方向产生倾斜运动的液晶分子。
6.如权利要求4所述的反铁电液晶显示装置，其中所说的反铁电液晶具有在所加电压的作用下沿垂直于电场方向产生倾斜运动的液晶分子。
7.如权利要求1所述的反铁电液晶显示装置，其中借助双螺旋结构把所说的反铁电液晶密封在基片之间，而且反铁电液晶具有其中所说双螺旋结构随所加电压产生变形的手性近晶相。
8.如权利要求4所述的反铁电液晶显示装置，其中借助双螺旋结构把所说的反铁电液晶密封在基片之间，而且反铁电液晶具有其中所说双螺旋结构随所加电压产生变形的手性近晶相。
9.如权利要求5所述的反铁电液晶显示装置，其中借助双螺旋结构把所说的反铁电液晶密封在基片之间，而且反铁电液晶具有其中所说双螺旋结构随所加电压产生变形的手性近晶相。
10.如权利要求6所述的反铁电液晶显示装置，其中借助双螺旋结构把所说的反铁电液晶密封在基片之间，而且反铁电液晶具有其中所说双螺旋结构随所加电压产生变形的手性近晶相。
11.如权利要求1所述的反铁电液晶显示装置，进一步包括第一偏振片(23)，其光轴所指方向实际上与近晶CA-相层的垂直线方向相平行或相垂直；和第二偏振片(24)，其通过所述的液晶面对所说第一偏振片而且第二偏振片的光轴处于与所说第一偏振片的所说光轴相平行或相垂直的状态。
12.一种反铁电液晶显示装置，包括第一基片(11)，其上设有多个象素电极和多个与象素电极相连的激活元件；第二基片(12)，其上形成有与所说象素电极相对的共用电极(17)；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶(21)，其具有液晶分子排列状态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间排列状态，而且通过液晶分子的运动可使指向矢相对于该状态发生变化，液晶分子的运动是在所施加的电压的作用下由相移先导引起的。
13.如权利要求12所述的反铁电液晶显示装置，其中把所说的反铁电液晶密封在近晶CA++相中双螺旋结构消失的基片之间，而且反铁电液晶的液晶分子借助于相移先导在垂直于电场的表面上发生倾斜，所说电场是通过施加的电压产生的。
14.如权利要求12所述的反铁电液晶显示装置，其中把所说的反铁电液晶密封在近晶CA++相中保持有双螺旋结构的基片之间，而且反铁电液晶的液晶分子在所加电压的作用下沿着由所说液晶分子在交替受到足够大和不同极性的电压时的轨迹画出的假想锥面发生倾斜。
15.如权利要求12所述的反铁电液晶显示装置，其中所说反铁电液晶的液晶分子在所加电压的作用下沿着由所说液晶分子在交替受到足够大且不同极性的电压时的轨迹画出的假想锥面移动实际上小于180度的角度。
16.如权利要求12所述的反铁电液晶显示装置，其中所说反铁电液晶的液晶分子受所加电压的影响在垂直于电场的方向上倾斜。
17.如权利要求12所述的反铁电液晶显示装置，其中借助双螺旋结构把所说的反铁电液晶密封在基片之间，而且反铁电液晶具有其中所说双螺旋结构随所加电压产生变形的手性近晶相。
18.如权利要求16所述的反铁电液晶显示装置，其中借助双螺旋结构把所说的反铁电液晶密封在基片之间，而且反铁电液晶具有其中所说双螺旋结构随所加电压产生变形的手性近晶相。
19.如权利要求12所述的反铁电液晶显示装置，进一步包括第一偏振片(23)，其光轴所指方向实际上与近晶CA++相层的垂直线方向相平行或相垂直；和第二偏振片(24)，其通过所述的液晶面对所说第一偏振片而且第二偏振片的光轴处于与所说第一偏振片的所说光轴相平行或相垂直的状态。
20.一种反铁电液晶显示装置，包括第一基片(11)，其上设有多个象素电极(13)和多个与象素电极相连的激活元件(14)；第二基片(12)，其上形成有与所说象素电极相对的共用电极(17)；和密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶(21)，其具有液晶分子排列状态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，所说反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间状态，而且通过所说液晶分子受所加电压影响在垂直于电场的方向上产生倾斜可以使指向矢相对于中间状态发生变化。
21.如权利要求20所述的反铁电液晶显示装置，其中由于所加电场和自发极化之间的相互作用而使绕分子长轴的转动受到限制，所以使所说反铁电液晶的液晶分子在垂直于所说电场的方向上产生倾斜。
22.如权利要求20所述的反铁电液晶显示装置，其中借助双螺旋结构把所说的反铁电液晶密封在基片之间，而且反铁电液晶具有其中所说双螺旋结构随所加电压产生变形的手性近晶相。
23.如权利要求20所述的反铁电液晶显示装置，进一步包括第一偏振片(23)，其光轴所指方向与所说反铁电相中所说液晶分子的平均排列方向相平行或相垂直；和第二偏振片(22)，其通过所述的液晶面对所说第一偏振片而且第二偏振片的光轴处于与所说第一偏振片的所说光轴相平行或相垂直的状态。
24.一种反铁电液晶显示装置，包括第一基片(11)，其上设有多个象素电极和多个与象素电极相连的激活元件；第二基片(12)，其上形成有与所说象素电极相对的共用电极(17)；和密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶(21)，其具有液晶分子排列状态彼此不同的第一和第二铁电相，以及其中所说液晶分子按近晶CA++中的双螺旋结构排列的反铁电相，所说反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间状态，而且通过双螺旋结构在所加电压影响下产生的变形可以使指向矢相对于中间状态发生变化。
25.如权利要求24所述的反铁电液晶显示装置，进一步包括第一偏振片(23)，其光轴所指方向与所说反铁电相中所说液晶分子的平均排列方向相平行或相垂直；和第二偏振片(24)，其通过所述的液晶面对所说第一偏振片而且第二偏振片的光轴处于与所说第一偏振片的所说光轴相平行或相垂直的状态。
26.一种反铁电液晶显示装置包括第一基片(11)；面对第一基片的第二基片(12)；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶(21)，其具有液晶分子基本处于第一排列状态的第一铁电相和液晶分子基本处于第二排列状态的第二铁电相，以及反铁电相，反铁电相中由处于第一排列状态的液晶分子和处于第二排列状态的液晶分子形成的指向矢的平均方向与由手性近晶相形成的层的垂直线方向相一致，因此，处于第一排列方向和第二排列方向中一个排列方向上的那些分子在所加电压的影响下转而指向另一个排列方向，这样就在比可见光带中的光波长短的距离内形成了多个不同排列状态的区域，而且所说指向矢的方向随着第一排列状态区域和第二排列状态区域之间的比例而变化；和控制装置(13，14，17)，该装置向反铁电液晶施加电压并改变所施加的电压以便控制处于第一和第二排列状态的区域比例，由此将反铁电液晶指向矢的方向调整到第一和第二排列方向之间的任一方向上。
27.一种反铁电液晶显示装置包括第一基片(11)；面对第一基片的第二基片(12)；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶(21)，其具有液晶分子排列态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，所说反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间排列状态，而且由于在所加电压作用下液晶分子借助相移先导产生运动，所以使指向矢相对于中间排列状态而变化；和控制装置(13，14，17)，该装置向反铁电液晶施加电压并改变所施加的电压以便控制所说反铁电液晶的所说相移先导，由此将所说反铁电液晶指向矢的方向调整到所说第一和第二排列方向之间的任一方向上。
28.一种反铁电液晶显示装置包括第一基片(11)；面对第一基片的第二基片(12)；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶(21)，其具有液晶分子排列态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，所说反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间排列状态，而且通过在所加电压作用下液晶分子沿垂直于电场的方向倾斜，而使指向矢相对于中间排列状态发生变化；和控制装置(13，14，21)，该装置向反铁电液晶施加电压并改变所施加的电压以便控制所说反铁电液晶的各液晶分子在垂直于所说电场的方向上的倾斜量，由此将所说反铁电液晶指向矢的方向调整到所说第一和第二排列方向之间的任一方向上。
29.一种反铁电液晶显示装置包括第一基片(11)，其上设有多个象素电极和多个与象素电极相连的激活元件；第二基片(12)，其上形成有与象素电极相对的共用电极；密封在第一和第二基片之间的反铁电液晶(21)，其具有液晶分子排列态彼此不同的第一和第二铁电相，以及反铁电相，反铁电相上的液晶分子按近晶CA++相的双螺旋结构排列，所说反铁电液晶具有处于铁电相和反铁电相之间的中间状态，而且通过所加电压而引起的双螺旋结构的变形使指向矢相对于排列态发生变化。控制装置(13，14，17)，该装置向反铁电液晶施加电压并改变所施加的电压以便控制所说反铁电液晶双螺旋结构的变形，由此将所说反铁电液晶指向矢的方向调整到第一和第二排列方向之间的任一方向上。
全文摘要
一种反铁电液晶显示装置包括有源矩阵型LC盒和盒内的反铁电液晶。处于第一和第二排列方向中一个上的液晶分子在所加电压的作用下转而指向另一个方向，这样在比可见光带中的光波长短的距离内形成了多个不同排列状态的区域，且所说指向矢的方向随处于第一排列状态的区域和处于第二排列状态的区域之间的比例而改变。在相移先导的作用下液晶分子根据所加电压沿预定的锥面运动。因此，在所加电压的作用下，液晶分子可以产生倾斜。
文档编号G02F1/141GK1164665SQ9610539
公开日1997年11月12日 申请日期1996年5月31日 优先权日1995年5月31日
发明者田中富雄, 吉田哲志, 小仓润, 下田悟 申请人:卡西欧计算机公司