专利名称：反射式液晶显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及实现亮显示的反射式液晶显示装置。
液晶显示设备是非发光装置，它通过调整背景光和入射在装置上的光进行显示。因此，在液晶显示装置中的功率消耗是很低的。此外，它是薄型和轻型的。由于它具有这样优良的特性，所以它已广泛运用在诸如手表、计算器、计算机终端、文字处理器、TV等的信息显示装置中。
近年来，正如创新成语“先进信息社会”所表达的，已经分布并传播不断增长的信息量。相应地，个人对于信息的私人收集和选择有着不断增加的需求量。在这样的环境下，对用于个人运用的诸如PDA的便携式信息设备有着广泛被认可的需求。曾渴望这样的设备，而现正在积极地开发。
在这种便携式信息设备中，作为人与机器的界面的信息显示装置起重要作用，并认为它是设备中的关键装置。要求这种便携式信息设备的显示装置是薄型和轻型的，可以显示大量的信息，在可见度方面占优势，并且功率低消耗。已经开发了预期可以满足这些要求的液晶显示装置。
特别是，由于反射式液晶显示装置有效地运用背景光(ambientlight)，所以它可以是合适的显示装置，从而充分地显示在液晶显示装置中固有的低功率消耗的特性。
然而，当在不加背光(back light)的反射液晶显示设备中采用TN或STN模式(现今，它们是较佳的显示模式)时，需要将两个偏振器设置在装置中；因此导致暗显示。因此，只可在黑白反射式液晶显示装置中采用TN或STN模式，但是由于彩色反射式液晶显示装置必须设置有滤色器和偏振器，所以不在彩色反射式液晶显示装置中采用它，因而不能获得实际的亮度。
于是，在传统上，在彩色反射式液晶显示装置中主要采用宾主(guest-host)模式(在下文中也称为“GH”模式)。在这种显示模式中，将二向色性颜料溶解在作为溶剂的液晶材料中，而且利用二向色性颜料的吸收系数的各向异性，进行显示。于是，通过用外加电场控制液晶分子的取向并且于此同时改变颜料分子的取向，不用任何偏振器或滤色器，即可以实现彩色显示。
当简化在有或没有外加电压的情况下取向液晶分子的方式时，对于传统的反射式GH显示装置，已讨论了诸如显示的对比度和亮度的显示特性的改进。然而，由于在实践中，当在实际液晶显示装置中施加电压时，液晶分子以更加复杂的方式改变取向，所以在传统理论的基础上可能不曾充分地讨论特性的改进。
根据本发明的一个方面，反射式液晶显示装置包括一对电极；和插在一对衬底中间的液晶层，其中具有正介电常数各向异性的液晶材料形成所述液晶层，在衬底附近的液晶材料分子的长轴基本上与衬底平行，而且液晶材料包括混合在其中的二向色性颜料。设定值KM、颜料浓度c％和液晶层厚度dμm的乘积KMcd以满足下列表达式。
3.0S2-7.3S+5.7≤Kmcd≤14.7S2-15.1S+6.15其中值KM表示如下KM=3K1/(1+2S)或者KM=3K2/(1-S)，其中K1表示对于基本上与液晶分子平行的线偏振光的吸收系数；K2表示对于基本上与液晶分子垂直的线偏振光的吸收系数；而S表示包括混合在其中的二向色性颜料的液晶材料的有序参数(order parameter)，而且其中跨过液晶层施加的电压有效值在大约0到5V的范围内。
在本发明的一个实施例中，将自然具有扭曲结构的手性(chiral)材料加入液晶材料，从而液晶层具有扭曲结构。
下文中，将叙述由这种结构引起的本发明的功能。
在反射式液晶显示装置中(如此设计所述的反射式液晶显示装置，从而值KM、颜料浓度c％和液晶层厚度dμm的乘积KMcd满足前面所提到的关系)，可以获得具有高亮度和高对比度的显示。此外，通过规定可以实现最佳亮度和高对比度的物理性能的范围，在设计反射式液晶显示装置方面提供更大的自由度，从而促进这种设计。
此外，由于在没有外加电压的情况下，可以更加有效地吸收光，所以通过将手性材料加入液晶材料，可以实现具有甚至更高的对比度的显示。
于是，这里叙述的发明使提供具有优良显示质量的反射式液晶显示装置的优点成为可能，同时优化参数，从而通过对于在有和没有外加电压的情况下液晶分子如何取向和二向色性颜料如何取向的详细试验，相容地实现高亮度和高对比度。
通过参照附图，阅读并理解下列详细说明，本发明的这个和其它优点对于熟悉该技术领域的人员来说是显而易见的。
图1示出根据本发明的值KMcd和有序参数S的最佳范围。
图2是示出根据本发明的例子的液晶显示装置的结构示意图。
图3是示出吸收系数相对于颜料分子的跃迁矩和长轴之间的角度的变化的曲线图。
首先，叙述本发明的原理。
在反射式液晶显示装置中，亮度和对比度成相互折衷的关系。即，当比起对比度更倾向于亮度时，结果对比度可能较低。类似地，当比起亮度更倾向于对比度时，结果显示可能较暗。将这类似地施于GH显示模式，其中，由颜料浓度决定对比度和亮度。即，一般来说，当增加颜料浓度时，不能获得高对比度。
通常，包括颜料因而吸收光的媒体的透射T是颜料的吸收系数α[/μm]、颜料浓度c[％]和媒体的厚度d[μm]的函数。可用下列表达式表示透射T。
T=e-αcd在GH显示模式中，基本上根据上述表达式表示的原理吸收光。然而，由于典型地用于GH显示模式的颜料呈现二向色性并溶解在液晶材料中，所以使它的分子取向复杂化。此外，在GH显示模式中，吸收系数α是有序参数S的函数，它大大影响了显示。即，对于给定的颜料，透射T是颜料浓度、元件(cell)厚度和有序参数的函数。
当KM[/μm]表示颜料跃迁矩的幅度；c[％]表示颜料浓度；d[μm]表示液晶层的厚度；而S表示包含混合在其中的颜料的液晶材料的有序参数，并假设颜料的跃迁矩与颜料分子的长轴平行时，可将吸收系数K1和K2(分别对于具有与颜料分子的长轴方向平行的偏振的线偏振光和具有与它垂直的偏振的线偏振光)表示如下。
K1=KM(1+2S)/3K2=KM(1-S)/3从理论上讲，颜料分子的跃迁矩相对于颜料分子的长轴成某一角，因而跃迁矩相对于颜料分子的长轴具有一些旋转自由度。因此，必须根据它的空间平均值讨论颜料分子的跃迁矩。然而，对于适用于实际应用的二向色性颜料，例如，对于含偶氮化合物颜料和含蒽醌颜料，在颜料分子的长轴和它的跃迁矩之间角度很小。此外，实际上，典型地将吸收系数作为对于相对于液晶材料的方向平行或垂直光的值来讨论。相应地，这里假设跃迁矩与颜料分子的长轴平行。
图3示出计算依赖于颜料分子的跃迁矩和长轴之间的角度的吸收系数变化的结果。在图3中，横轴表示颜料分子的跃迁矩和长轴之间的角度β，而纵轴表示颜料分子对于具有与颜料分子的长轴平行的偏振的线偏振光的吸收系数。这里，当β=0(即，颜料的跃迁矩与它的长轴平行)时，将吸收系数归一化为值1。根据下列表达式，计算颜料分子的吸收系数。
f(β)=Ssin2β/2+(1-S)/3+S(2-3sin2β)/2当将颜料混合在其中时，在表达式中的参数是GH液晶材料的有序参数S。从图3中可看到，当在向列相液晶材料中有序参数不大于0.9并将β设为15°或更小时，吸收系数的差小至7％或者更小，从而表观有序参数对于实际运用不至于太低。这就暗示了在实际应用中，可假设颜料的跃迁矩与颜料分子的长轴平行。
当假设二向色性颜料分子在溶液中随机取向时，可将它的吸收系数表达如下α=(2K2+k1)/3在液晶材料中，使二向色性颜料分子的取向如液晶分子的取向，从而呈现二向色性。例如，当液晶分子和二向色性分子均匀排成直线时，对于没有外加电压情况下的背景光，可用下列表达式表示GH液晶显示装置的反射比R。
R={ef(K1)+ef(K2)}/2其中f(x)=-2xcd这里，假设GH液晶显示装置的反射器保持光的偏振状态。然而，在实际运用中，当液晶分子的取向不同时，在液晶材料内光的传播条件也不同，相应地，光吸收的有效值不同，因而函数f(x)的值也不同。
鉴于上述原理，关于反射式GH液晶显示装置的对比度和亮度，决定分别将颜料浓度c和元件厚度d设为什么值是十分重要的。即，通过将乘积KMcd(颜料跃迁矩的幅值KM，颜料浓度c，和元件厚度d)设为较大时，光的吸收增加，相应地，当在没有外加电压的情况下显示黑色时可以充分地抑制反射。这样，可以获得令人满意的对比度。然而，当在有外加电压的情况下显示白色时，由于在直线排列层(alignment layer)表面附近的液晶分子的影响，使得显示变暗。其原因如下。当施加足够的电压时，将液晶分子取向为基本上与衬底垂直，而且相应地使颜料分子朝着基本上与衬底垂直的方向，从而可以减小光的吸收。然而，当在实际应用中由诸如TFT的有源元件驱动液晶显示装置时，可以施加的最大电压的有效值低至大约5V，当施加这样的电压时，出现在直线排列薄膜附近的液晶分子的取向与衬底保持平行，从而吸收光，这样就暗示了应将KMcd的下限设为可获得所需对比度的最小值(即，它是这样的值，如果颜料浓度或元件厚度减小至任何较低值，就不能获得所需的对比度)。
此外，当减小值KMcd时，光吸收减小，从而，即使当施加电压时出现在显示表面附近的液晶分子保持未取向，当显示白色时也能保证足够的亮度。然而，当在没有外加电压的情况下显示黑色时，不能充分地吸收光，从而不能获得令人满意的对比度。鉴于这一点，应将KMcd的上限设为能够获得所要亮度的最大值(即，该值是这样的，如果将颜料浓度或元件厚度增至任何较高值，就不能获得所需的亮度)。
对于反射式GH液晶显示装置，本发明的发明者也检测了亮度及对比度的值，并发现如下，考虑到决定KMcd上限的亮度，为了实现黑白显示和彩色显示，当单独用液晶元件(不包括滤色器等)观测时，需要具有大约40％或更大的反射比(更好是，大约45％或更大)。类似地，考虑到决定KMcd下限的对比度时，需要具有大约3.5或更大(更好是，大约4.0或更大)的对比度。把对比度和亮度设为这些值的原因如下。
例如，在对反射式液晶显示装置中的对比度和亮度作心理物理主观评估的。一份研究报告(日本电子、信息和通信协会的技术研究报告，第95卷，第526号，第113页至118页)指出，亮度和对比度是互相紧密相关的。即，当显示较亮时，接受较低的对比度，类似地，当对比度较大时，接受较低的亮度。在该报告中还讨论了对比度和亮度对于主观评估的影响。例如，当将亮度设置为大约40％时，大约3.5的对比度是在观看者容限范围的边缘，在统计上认为它位于95％置信区间内。
对于具有大约40％的亮度和大约3.5的对比度(它在上述置信区间内)的显示，如果将反射比增至大约45％或更大，或者将对比度增至大约4.0或更大，那么可以实现几乎所有观看者可以容忍的甚至更佳的特性。
此外，考虑到对比度，通过如上所述将对比度设为大约4.0或更大，当运用微型滤色器进行彩色显示时，可以抑制彩色混合状态的生成，从而实现带有高质量彩色再现的显示。
由于在本发明中，将标准亮度设置为等于或大于白报纸的亮度，所以在上述讨论中将亮度设置为大约40％。鉴于白报纸的亮度大约为40％至60％这一事实，在本发明中将最小所需亮度设置为大约40％。
整体考虑上述事实，决定设计反射式液晶显示装置，它满足亮度大约为40％或更大(更好是，大约45％或更大)和对比度大约为3.5或更大(更好是，大约4.0或更大)的条件，在本说明书中用到的术语“亮度”与所评述的上述研究报告中白色图象的光反射比“Yw”相对应。
图1用曲线示出上述事实。在图中，假设有效的外加电压是在大约0至5V的范围内。在其中液晶分子和二向色性颜料分子均匀排成直线的GH式液晶显示装置中，当增加外加电压时，即使在衬底附近的液晶分子也被竖起，而且，同时竖起颜料分子，从而，显示变得更加明亮。然而，当增加外加电压时，功率消耗相应增加。它有损于反射式液晶显示装置所固有的低功率消耗的特性。此外，当显示大量信息时，需要为每个象素提供诸如TFT或MIM的有源元件，以运用有源元件驱动原件液晶显示装置。在实际应用中，运用有源元件的液晶显示装置用跨于液晶层施加大约0至5V的有效电压典型地驱动。因此，当将驱动电压限制在这个范围内时决定参数的值。图1中的阴影部分表示KMcd和S的范围，它允许在反射式GH液晶显示装置中有大约3.5或更大的对比度和大约40％或更大的亮度的显示。可在范围内设定每个参数，从而实现所需的显示质量。即，当比起亮度更倾向于对比度时，应该根据所用的GH式液晶材料的有序参数S决定颜料浓度c和元件厚度d，同时将值KMcd设置为可以获得大约40％的亮度的最大值。
为了实际地表示上述在表达式中的范围，将满足大约3.5对比度的曲线表示如下。
KMcd=3.0S2-7.3S+5.7(1)类似地，将满足大约4.0对比度的曲线表示如下。
KMcd=4.2S2-9.2S+6.7(2)此外，将满足大约40％亮度的曲线表示如下。
KMcd=14.7S2-15.1S+6.15(3)类似地，将满足大约45％亮度的曲线表示如下。
KMcd=12.8S2-13.5S+5.55(4)表达式(1)至(4)的这些曲线如图1所示。基于上述结果，为了实现大约40％或更大亮度和大约3.5或更大对比度的特性，应在下列表达式所规定的范围内设定颜料浓度c和元件厚度d。
3.0S2-7.3S+5.7≤KMcd≤14.7S2-15.1S+6.1S为了实现45％或更大亮度及4.0或更大对比度的特性，应在下列表达式所规定的范围内设定颜料浓度c和元件厚度d。
4.2S2-9.2S+6.7≤KMcd≤12.8S2-13.5S+5.5S(例子)下文中，将叙述本发明的例子。
图2是示出根据本发明的例子的液晶显示装置的结构剖面图。
参照图2，本例的液晶显示装置包括透明衬底1a和1b，衬底相互相对，在它们之间有一预定间隔。将也作为显示电极的反射器2和用于使液晶分子取向排成直线的排直薄膜4a设置在衬底1a上。类似地，将透明电极3和排直薄膜4b设置在衬底1b上。将液晶层5设置在两个排直薄膜4a和4b之间。液晶层5包括二向色性颜料和混合在其中的手性材料。这里，将具有正介电各向异性的液晶材料用作基质材料。液晶层5吸收由二向色性颜料引起的光，并且天然具有由加入其中的手性材料引起的扭曲结构。于是，在没有外加电压的情况下有效地吸收光，从而，当显示黑色时，将反射比压至足够低。结果，可以实现高对比度显示。
将用于改变液晶分子的取向的调节控制器10连到反射器2和透明电极3，还将它们用作显示电极。用电场控制液晶分子的取向，所述电场是由外加显示电压引起的外场，从而调节并控制通过液晶层5的光的强度。通过将扭曲结构的GH式液晶显示装置与上述分子调节控制器组合，作为光学装置的液晶显示装置101能够调节通过它的光强度。
在下文中，将叙述用于构造具有这种结构的液晶显示装置。将大约1.1mm厚的玻璃衬底1(例如，“7059”:Corning Japan)用作衬底1a和1b。在玻璃衬底1a上溅射铝以形成反射电极。在玻璃衬底1a上形成细微的凹/凸部分(未图示)。例如，通过用研磨剂使玻璃衬底的表面变粗糙，然后用氢氟酸腐蚀，形成凹/凸部分。通过这些步骤，构造具有散射性能的反射电极。此外，通过将ITO薄膜溅射在透明衬底1b上，形成电极3。
通过均匀地旋涂聚酰亚胺(“SE-150”:NissanChemicalLtd.)，烧结聚酰亚胺薄膜，然后摩擦薄膜形成排直薄膜4a和4b。进行摩擦处理以获得在衬底1a和1b之间相对于彼此被扭曲大约240°摩擦方向。
此后，为了保持在衬底1a和1b之间的间隙不变，把具有大约5μm颗粒直径的玻璃光纤隔离物(未图示)散布在衬底1a和1b中的一个衬底上，并且把包含混入在其中具有大约5.3μm颗粒直径的光纤隔离物的粘性密封件作为封闭层(未图示)进行丝网印制刷，从而形成密封部分，此后把两个衬底互相贴合。然后，在抽空衬底之间的空隙后用气压将液晶材料注入衬底之间。
虽然，在本发明中将液晶层(元件空隙)的厚度设为大约5μm，但是厚度并不局限于此。实际上，只要可以获得光的充分吸收和有实效的灵敏度，厚度可以取任何值。典型地，厚度大约是2至15μm。
此外，为了在有外加电压的情况下获得液晶分子的一致取向，需要将液晶分子从衬底的表面稍微倾斜一点。通过变更摩擦条件可以控制这个所谓的“预倾角(pretilt angle)”。
GH式液晶材料制备如下。将几种含偶氮化合物及含蒽醌的二向色性颜料的大约1至5wt％加入主液晶材料(“ZL1-4792”:Merck&Co.,Inc.)，而调节色彩以允许作黑白显示。此外，为了给予液晶材料自发的扭曲，将几个wt％的光学活性物质(“S-811”:Merck&Co.,Inc.)加入液晶材料，同时将螺距p(pitch)和元件间隙d的比率d/p调节到大约0.5。
比率d/p并不局限于上述值。在本例中，例如，d/p可以取在从大约0.42到大约0.91的范围内的任何值。然而，取决于排直薄膜或液晶材料的类型，当d/p的值太大时可能出现条纹区域，从而不能实现令人满意的显示。因此，需要预先检测所用的液晶材料和所用的排直薄膜材料的临界d/p范围，而且需要调节元件厚度和液晶材料的自发螺距的比率。
根据图1设定颜料浓度。由于在本例中用到的GH式液晶材料的有序参数大约为0.76，所以当比起对比度更倾向于亮度时，将值KMcd设为大约2.7。在有外加电压的情况下，如此构造的反射GH式液晶显示装置呈现很高的亮度和对比度(大约46％亮度和大约4.0对比度)。应注意，从单独用反射器观测到的反射比计算上述亮度。
在本例中，采用具有大约240°扭曲角的GH显示模式，从而能够显示具有多个灰度级的图象，同时获得充分的亮度和对比度。然而，扭曲角并不局限于此。
此外，在本发明中，将在其上不设置有源元件的衬底用作衬底1a。然而，显而易见，通过将本例与诸如TFT或MIM等有源元件组合，可以显示大量信息。
此外，虽然在本例中只讨论了黑白显示，但是，显而易见，通过将本例与已知微型滤色器组合，可以实现彩色显示。
如上所述，根据本发明，设计反射式液晶显示装置，从而值KM、颜料浓度c％和液晶层厚度dμm的乘积KMcd满足前面所提到的关系。因此，可以实现具有高亮度和高对比度的显示。此外，通过规定可以实现最佳亮度和高对比度的物理性能的范围，在设计反射式液晶显示装置方面提供更大的自由度，从而促进这种设计。
此外，由于在没有外加电压的情况下，可以更加有效地吸收光，所以通过将手性材料加入液晶材料，可以实现具有甚至更高的对比度的显示。
对于熟悉本技术的人员，不脱离本发明的构思和范围的其它各种变更是显而易见的并可以容易地进行，相应地，所附的权利要求书的范围并不局限于这里所提出的描述，而是更概括地解释权利要求书。
权利要求
1．一种反射式液晶显示装置，包括一对衬底；和插在一对衬底的中间的液晶层，其中具有正介电常数各向异性的液晶材料形成所述液晶层，在所述衬底附近的所述液晶材料分子的长轴基本上与所述衬底平行，而且液晶材料包括混合在其中的二向色性颜料，其特征在于，设定值KM、颜料浓度c％和液晶层厚度dμm的乘积KMcd以满足3.0S2-7.3S+5.7≤Kmcd≤14.7S2-15.1S+6.15其中所述值KM表示如下KM=3K1/(1+2S)或者KM=3K2/(1-S)，其中K1表示对于基本上与所述液晶分子平行的线偏振光的吸收系数；K2表示对于基本上与所述液晶分子垂直的线偏振光的吸收系数；和S表示包含混合在其中的所述二向色性颜料的所述液晶材料的有序参数，而且其中跨过所述液晶层施加的电压有效值在大约0到5V的范围内。
2．如权利要求1所述的反射式液晶显示装置，其特征在于，将自然具有扭曲结构的手性材料加入所述液晶材料，从而所述液晶层具有扭曲结构。
全文摘要
反射式液晶显示装置包括一对衬底;和插在一对衬底中间的液晶层。液晶层包括液晶材料和二向色性颜料,而且在衬底附近的液晶分子长轴基本上与衬底平行。设定反射式液晶显示装置的多个参数,从而值K
文档编号G02F1/133GK1213089SQ9711936
公开日1999年4月7日 申请日期1997年9月30日 优先权日1997年9月30日
发明者伊藤康尚, 木村直史 申请人:夏普株式会社