專利名稱：按反射方式使用的顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按反射方式使用的顯示裝置，它包括一層液晶材料，該液晶材料位于至少具有一個透明的第一控制電極的第一透明支撐板和用隔板將其隔開的一個第二支撐板之間，它還包括具有一個或多個開關(guān)元件的至少一個半導(dǎo)體主體，用于驅(qū)動按行和列排列的象素陣列，該主體還具有可分別被電驅(qū)動的圖象電極，所說的圖象電極至少在開關(guān)元件區(qū)域基本上完全復(fù)蓋了該半導(dǎo)體主體。
從美國專利No.4，239，346可以了解到前一段中所描述的這種類型的一種顯示裝置。但在這種裝置中所用的效應(yīng)(動態(tài)散布)是緩慢的。
本發(fā)明的一個目的是提供一種在第一段中描述的這種類型的顯示裝置，它即具有足夠高密度的象素，又能足夠快地顯示迅速變化的圖象。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種顯示裝置，在此裝置中能以可再現(xiàn)方式得到灰色標(biāo)度。
為此，按照本發(fā)明的顯示裝置的特征在于，通過加在圖象電極上的電壓該液晶材料層可在兩種狀態(tài)之間變換，所說的顯示裝置根據(jù)所施加的電壓可在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間的連續(xù)減少或連續(xù)增加的反射值的一個范圍內(nèi)變化，其中在第一狀態(tài)下液晶材料的分子具有第一取向，在第二狀態(tài)下液晶的分子具有第二取向，第二取向基本上垂直于第一取向，反射后兩個狀態(tài)之間的有效光路長度差的差值對于中心波長為λ0的一個入射光速來說基本上是1/2λ0，在兩種狀態(tài)中的一種狀態(tài)下反射的光量最大，而在另一種狀態(tài)下反射的光量最小。
本發(fā)明所依據(jù)的原則就是，為了獲得良好的操作結(jié)果應(yīng)該把有效光程差限制在大致為1/2λ0。這就是說，必須減少液晶材料層的厚度，從而轉(zhuǎn)換時間可減少到幾個毫秒。
當(dāng)使用具有負(fù)介電各向異性的材料時，無電壓狀態(tài)下液晶分子的取向基本上垂直于支撐板。基本上垂直入射的光不會受到二次折射，並且根據(jù)偏光鏡的使用情況，上述基本上垂直入射的光在反射后或者能通過去或者不能穿過去。
光的二次折射和該傾斜角有關(guān)，故從一個固定的門限電壓開始要產(chǎn)生二次折射。如果該門限電壓增加，二次折射迅速增加到反射后有效光程長度差為1/2λ0的一個數(shù)值。在習(xí)慣上常用的裝置中由于所用的液晶層厚度非常大。所以調(diào)整這個數(shù)值是非常重要的;再考慮二次折射的迅速增加，這使中間狀態(tài)(灰色標(biāo)度)的調(diào)整非常困難。
因而，按照本發(fā)明的顯示裝置的一個最佳實施例的特征在于，無電壓狀態(tài)下液晶材料分子的取向基本上是平行于支撐板，或者是相對于支撐板的平面以小角度延伸。這就提供了良好調(diào)整灰色標(biāo)度的可能性。
所以，最好為支撐板配備取向?qū)?，此取向?qū)邮挂壕Х肿拥娜∠蚧旧掀叫杏谥伟宓钠矫?，或者平行于和支撐平面成某一角度的一個平面(傾斜的)，偏光鏡的偏振方向和第一支撐平面區(qū)域的分子取向成某一角度(最好是45°)。
在這樣一種裝置中，由于使用了具有正的介電各向異性的液晶材料，可以按可再現(xiàn)方式獲得灰色標(biāo)度。在零電壓下二次折射最大，所以2d△n＝1/2λ0成立，其中△n是普通光波和異常光波折射率之差，d是液晶材料層的厚度?，F(xiàn)在，在交叉的偏光鏡和檢偏器之間就得到了最大的反射。在電壓增加的情況下，液晶分子朝向垂直于支撐板的軸。于是就獲得一個相當(dāng)平滑的電壓/傳輸特性。
為了在該裝置中得到一個反射為零的狀態(tài)，則必須施加一個比較高的電壓(理論上是無限高)才能使所有分子的取向都垂直于支撐板。
為避免這樣，最好提供一個具有相反的二次折射的相位板，例如其相位旋轉(zhuǎn)一個角度-δ。然后就可以將液晶材料層的厚度選擇成對一個指定的λ來說2d·△n＝1/2λ0+2δ成立。在零電壓下產(chǎn)生最大的傳輸，而在垂直于支撐板的軸和液晶分子之間的角度使二次折射產(chǎn)生的相位旋轉(zhuǎn)為δ的情況下來實現(xiàn)消光。這樣做所需的電壓低得多。實際上，通過液晶材料的電壓在0.5伏和2.5伏之間，在這個電壓范圍內(nèi)可建立所有的灰色標(biāo)度。
為此通常所選擇的最大厚度d滿足d≤ (1.2λO)/(4△n)其中λ0是所用的波長。在波長高達(dá)800毫微米左右時，並且△n的值約為0.15，則該液晶層的厚度至多為2微米。
在兩個支撐板上的液晶分子取向可能有一個交互的扭曲。這對顯示裝置的轉(zhuǎn)換速度可能會產(chǎn)生有利的影響。
例如可借助在未提前公開的專利申請NL8701347(PHN12145)中所描述的方法來獲取期望的液晶材料層厚度一致性。一個比較容易制造的實施方案的特征是，給一個支撐板提供隔板，而這些隔板是通過對一個均勻?qū)舆M(jìn)行浸蝕制得的，並且兩個支撐板是通過壓力件保持在一起的。為了獲得均勻分布的壓力，例如可使用硅橡膠作中間材料。
為了提高反射能力，最好給第二支撐板提供一個附加的反射層(介質(zhì)鏡)，此反射層復(fù)蓋了所有象素點和(可能的)半導(dǎo)體材料的中間部分。將該中間半導(dǎo)體材料對入射光屏蔽起來則更好。
第二支撐板在象素區(qū)可以是包括半導(dǎo)體元件(例如非晶形硅或多晶硅的薄膜晶體管開關(guān))的石英板或玻璃板，例如在提供介質(zhì)鏡和(可能的)隔板之前要對該支撐板進(jìn)行偏光處理。但是為此目的最好選擇一個具有驅(qū)動線路的半導(dǎo)體基底層。借助于驅(qū)動電路和驅(qū)動線就在第二支撐板內(nèi)提供了由導(dǎo)電材料組成的一個額外的層(或結(jié)構(gòu))以防止來自于行和列的對圖象電極的交互干擾。進(jìn)而，還可以給該半導(dǎo)體基底提供一個導(dǎo)熱材料層(例如一個金屬層)來冷卻該基底。另外，例如還可以通過在半導(dǎo)體基底和硅橡膠之間單另加上一塊金屬板來構(gòu)成上述導(dǎo)熱材料層。
如上所述，所述的顯示裝置特別適合于要用(彩色)投影電視的那些裝置上。
下面對照附圖通過實例較詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1是支撐板中的一個支撐板的部分平面示意圖;
圖2是從圖1中的Ⅱ-Ⅱ線剖取的剖面示意圖;
圖3圖示出依據(jù)正介電各向異性的一個液晶效應(yīng);
圖4表示相關(guān)的電壓/光強特性;以及圖5圖示出圖1、圖2的裝置在投影電視中的使用情況。
圖1是一個平面示意圖，圖2是一個顯示裝置1的剖面示意圖，顯示裝置1包括第一支撐板2，例如可由玻璃制成，支撐板2有一個透明的電極3，電極3由氧化錫銦(indiumtinoxide)或其它適當(dāng)?shù)牟牧蠘?gòu)成，如果必要，支撐板2還有一個取向?qū)?，它的作用可能是防止在液晶材料5和電極之間產(chǎn)生不期望有的反應(yīng)。在第一支撐板和第二支撐板之間存在液晶材料5，例如ZLI1132(Merck)，第二支撐板由半導(dǎo)體主體6構(gòu)成，兩個支撐板由隔板7隔開。用邊框8將該裝置封閉起來。
在本實施例中，把由例如用鋁作成的反射圖象電極9組成的象素陣列安排在第二支撐板(即半導(dǎo)體主體)上。這些圖象電極可由在半導(dǎo)體主體6中做好的開關(guān)元件進(jìn)行電驅(qū)動。例如由P型基底10組成的這個半導(dǎo)體主體在主表面11上包括n-MOS晶體管12，將這些晶體管的n型源極區(qū)13連到n+型區(qū)14，對于一列中的所有象素而言n+型區(qū)14是公用的，所以n+型區(qū)起到列導(dǎo)體的作用。將MOS晶體管12的n型漏極區(qū)15連接到n+型接觸區(qū)以便實現(xiàn)和圖象電極9的接觸。
給主表面11涂敷一層絕緣材料17，例如氧化硅，它在選通電極18區(qū)域起選通氧化層的作用。通過淺離子注入將源極區(qū)13和漏極區(qū)15安排成相對于選通電極18為自記錄方式。在一行中由多個象素形成的選通電極18是一個行電極19的組成部分。每一個晶體管12和相關(guān)的圖象電極9可通過行電極9和列電極14分別單獨驅(qū)?。为谅柟选通稻~緹擔(dān)潯傅詼鼉擋 0。在本實施例中，在此層20上提供有一個導(dǎo)體結(jié)構(gòu)21，它在n+型層14和行電極19的上方延伸。通過對這個導(dǎo)體結(jié)構(gòu)施加一個固定電壓(例如地電位)，能防止來自列和行導(dǎo)體對圖象電極9的交互干擾。當(dāng)然，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)21也可以在開關(guān)元件和半導(dǎo)體主體的其它部分的上方延伸;當(dāng)然，它們在絕緣層17，20和23中的接觸孔22區(qū)域還要包括一些凹槽，絕緣層23使導(dǎo)體結(jié)構(gòu)21和圖象電極9絕緣。為了得到平滑的鏡面，在為了在接觸區(qū)16和圖象電極9之間實現(xiàn)電連接而提供接觸噴涂金屬粉25和接觸孔22之前，可以將絕緣層22極化。為了提高反射能力，可以給整個表面都涂敷一個介電鏡24。為了得到良好的冷卻效果，半導(dǎo)體主體6的下端有一導(dǎo)熱層26。
例如在諸如移位寄存器等控制電子學(xué)線路已經(jīng)被制做在這個半導(dǎo)體主體中時，該半導(dǎo)體主體可延伸到邊框8之外。
在本實施例中，圖象電極的表面積約為30×30(微米)2，而實際的晶體管12的表面積例如可約為12×15(微米)2。為了提高剩余量，可以將多個晶體管(或其它開關(guān)元件，安置在圖象電極9的下面。
圖1和2所示的裝置還包括多個隔板7。這些隔板可以在完成了介電鏡24后通過用厚度例如為0.8微米的氧化鎂層涂敷被拋光的半導(dǎo)體主體6的表面27來獲得。該厚度和所用的液晶材料關(guān)系重大。通過光刻浸蝕獲得這些隔板。隔板的數(shù)量可在每個象素有1和2個隔板與每10至20個象素有一個隔板之間變化，這取決于第二支撐板最終表面的表面變化。在提供氧化鎂層之前，這一表面要經(jīng)受液晶取向處理，例如摩擦。也可以使用相應(yīng)的浸蝕步驟來同時確定出邊框8。
最終的液晶層5由浸蝕出隔板的那一層的厚度確定。在本實施例中，這個厚度是0.8微米。但是按照在本實施例中所使用的依據(jù)正介電各向異性的平面型的液晶效應(yīng)，這一層的厚度可能在例如0.25微米和2微米之間變化。為了得到所需的厚度均勻的液晶層5，先將液晶材料引入到半導(dǎo)體主體6和第一支撐板2之間，然后再使該主體6和第一支撐板2壓緊。在壓力足夠大的情況下，通過隔板7就得到了實際上厚度均勻的液晶層5，而不管在表面27中是否可能出現(xiàn)從宏觀角度觀察到的不均勻性。
在本實施例中是通過硅橡膠28來實現(xiàn)上述壓緊作用的，例如通過一個或多個螺栓連接29將包括如圖所示的外殼30在內(nèi)的整個組合裝置固定在一起，因此整個組合裝置承受均勻的壓力。
現(xiàn)在參照圖3和圖4較為詳細(xì)地闡明所說的平面型的液晶效應(yīng)和正介電各向異性的使用。將表面層4和27制備成在無電壓狀態(tài)下液晶的分子是指向和支撐面2，6的表面相平行的一個指定的方向。
偏光鏡31的偏振方向和液晶分子的取向?qū)?圖中用取向元32示出)成45°角。借助于這種偏光鏡31引入線偏振光，其偏振方向例如為33(圖3a)。由于這一振動方向和液晶的取向成45°角，所以該入射的偏振波被分裂成兩種波普通波(其振動方向34平行于液晶的取向)和異常波(其振動方向35垂直于振動方向34)。
普通波和異常波的光程長度差在它們反射后剛離開液晶時是2d△n(d為液晶層厚度;△n為普通波和異常波折射率之差)。在如圖3a所示的情況下光程長度差最大，這是因為液晶分子的取向基本上平行于支撐板(△n＝△nmax)。對于選定的一個波長λ0而言，若選擇一個滿足公式2d△nmax＝1/2λ0的厚度d，則異常的入射光束和出射光束相互之間的位相差為180°(分別用振動方向35和35′表示之)。然后將出射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°(在圖3a中用33′表示)，從而可使這束光可通過檢偏器36，檢偏器36的偏振方向相對于偏光鏡31的偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°。在V＝0時反射出最大的光量。
在圖3C的情況下，液晶的取向元32垂直于兩個支撐板?，F(xiàn)在，入射的偏振光束不被分裂，並且保持它的偏振方向不變(2d△n＝0)。這一光束不能通過檢偏器36。
在圖36的中間情況下，滿足0＜2d△n＜1/2λ0。出射光束是橢圓或圓偏振的，並且或多或少地通過檢偏器36，這取決于施加的電壓V和取向元與支撐板之間所成的相關(guān)角度。
為了在圖3C中實現(xiàn)全部消光，即所有的取向元全都垂直于支撐板，所需的電壓極高(理論上為無限大)(圖4中的曲線37)。
實際上可以通過選擇一個截止電壓V1(圖4)來避免使用極高的電壓，在這一截止電壓V1的情況下還要反射一定數(shù)量的光，以便和該偏振光的一個相位旋轉(zhuǎn)δ相對應(yīng)。通過用相位板39來擴展圖1所示的裝置來獲得全部消光，該相位板39例如可由人造偏振片、賽珞玢、或其它能產(chǎn)生相反的相位旋轉(zhuǎn)-δ的適當(dāng)二次折射材料組成。為了避免這一相位旋轉(zhuǎn)-δ在零電壓下也產(chǎn)生二次折射，要選擇液晶層厚度使其滿足d△nmax＝1/4λ0+δ。實際上，這些數(shù)值達(dá)d≤ (1.2λO)/(4△n) 即足矣。通過依據(jù)相位板39的二次折射和相移δ來適當(dāng)選擇d，即可使兩個狀態(tài)之間的有效光程長度差的差值在反射之后為1/2λ0。
在V＝0的情況下，取向元32相對于支撐板可能已經(jīng)成一固定的角度(傾斜的)。還有，在這種情況下可選擇滿足 (λO)/(4△n) ≤d≤ (1.2λO)/(4△n) 度d，其中△n是普通波和異常波在V＝0時的折射率的差。
在基于上述效應(yīng)的反射單元內(nèi)，觀察到所有的中間強度值(灰色色度)，其范圍自全部反射至全部不反射，其電壓范圍從接近零伏至近似為2.5伏之間，而得到的開關(guān)時間量級為5至10毫秒。這些開關(guān)時間還可以進(jìn)一步減小(到2毫秒左右)，其辦法是使兩個支撐板上的取向交互扭曲。
圖5圖示出用參照圖1和圖2描述的裝置1實施的一個投影裝置。
燈40(示意圖)發(fā)射出一個光束，該光束通過準(zhǔn)直器透鏡41，42后投射到一個反射鏡43上，因此這束光相對于法線48被小角度反射到液晶裝置1的方向。
經(jīng)過一個平凸透鏡44，這束光抵達(dá)半導(dǎo)體裝置的反射電極，這些反射電極在電子學(xué)控制電路的影響下決定了該液晶的狀態(tài)(或者反射，或者不反射)。該信息例如可以是用天線符號47示意表示出來的電視信號。
經(jīng)反射后該光束和法線48成小角度地離開了裝置1，並且經(jīng)平凸透鏡44和第二透鏡45抵達(dá)成像平面46。成像平面46例如可以和一個投影屏幕相吻合。例如可分別在反射鏡43和平凸透鏡44之間以及在透鏡44和45之間設(shè)置偏光鏡和檢偏器。
當(dāng)使用所述的效應(yīng)時，電壓V1(在這一電壓下對于不同的顏色產(chǎn)生了消光)的展寬非常小，故對于單色顯示而言使用具有寬光譜的燈40就足夠用了，而對液晶層的厚度d來說要選擇一個例如和λ＝0.6微米有關(guān)的平均值。
對于彩色顯示，圖5表示的就是對于三種組合顏色(例如蘭、綠和紅)中的任一種顏色的補加。光源最好發(fā)射一個光譜，中心波長為λi(i＝1，2，3)，對于厚度d最好選擇 (λi)/(4△n) 。
當(dāng)然本發(fā)明不限于所說明的實施例，對本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員來說可能會做出幾個在本發(fā)明范圍內(nèi)的變化。例如第二支撐板的壓緊可通過其它的壓力裝置實現(xiàn)，還可能選擇例如合成橡膠或其它適合的材料來代替硅橡膠。
權(quán)利要求
1.一種按反射方式使用的顯示裝置，包括一層液晶材料，該液晶材料在第一透明支撐板和第二支撐板之間，上述第一透明支撐板至少有一個透明的控制電極，上述第二支撐板被一些隔板隔開，該顯示裝置至少還包括一個半導(dǎo)體主體，該主體具有一個或多個開關(guān)元件，用于驅(qū)動按行和列排列的象素陣列，該主體還具有可分別被電驅(qū)動的圖象電極，所述圖象電極基本上完全復(fù)蓋了至少在開關(guān)元件區(qū)域的半導(dǎo)體主體，其特征在于該液晶材料層通過加在圖象電極上的電壓可在兩種狀態(tài)之間變化，所述的裝置依據(jù)所加電壓在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間往返移動連續(xù)減少或連續(xù)增加的反射值范圍，在該第一狀態(tài)下液晶分子有一個第一取向，在該第二狀態(tài)下液晶分子有一個基本上垂直于該第一取向的第二取向，在兩個狀態(tài)之間反射后的有效光程長度差的差值對于中心波長為λ0的一個入射光束而言基本上是1/2λ0，在兩種狀態(tài)中的一種狀態(tài)下反射最大的光量，在另一種狀態(tài)下反射最小的光量。
2.一種如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于在零電壓狀態(tài)下液晶材料分子的取向基本上平行于支撐板，或者液晶材料平面和支撐板平面成一個小角度。
3.一種如權(quán)利要求2所述的顯示裝置，其特征在于該顯示裝置包括一個偏光鏡和一個檢偏器，其特征還在于支撐板具有取向?qū)樱挂壕Х肿拥娜∠蚧旧掀叫杏谥伟寤蛘哒f與支撐板成一個小的角度，其特征還在于，偏光鏡的偏振方向和第一支撐板區(qū)的分子取向成一個角度。
4.一種如權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，液晶分子的取向和支撐板的交角至多為15°。
5.一種如權(quán)利要求1，2或3所述的顯示裝置，其特征在于偏光鏡的偏振方向和第一支撐板區(qū)分子的取向之間的交角大致是45°。
6.一種如權(quán)利要求3，4或5所述的顯于裝置，其特征在于第一支撐板上的取向相對于第二支撐板上的取向發(fā)生了扭曲。
7.一種如權(quán)利要求1至6中任何一個所述的顯示裝置，其特征在于還為該顯示裝置配置一個由二次折射材料組成的額外層以補償液晶層中的一定量的二次折射。
8.一種如前述權(quán)利要求中任何一個所述的顯示裝置，其特征在于液晶層的厚度最多為2微米。
9.一種如權(quán)利要求1至8所述的顯示裝置，其特征在于為一個支撐板提供通過對一個基本上均勻?qū)舆M(jìn)行浸蝕而得到的隔板，其特征還在于，用壓力件將兩個支撐板固定在一起，使液晶層得到基本上均勻的厚度。
10.一種如權(quán)利要求9所述的顯示裝置，其特征在于該壓力件包括硅橡膠。
11.一種如權(quán)利要求1至10中任何一個所述的顯示裝置，其特征在于，該顯示裝置在圖象電極和液晶材料層之間還包括一個反射材料層。
12.一種如權(quán)利要求1至11所述的顯示裝置，其特征在于，圖象電極基本上完全復(fù)蓋了液晶材料區(qū)的第二支撐板。
13.一種如權(quán)利要求1至12中任何一個所述的顯示裝置，其特征在于支撐板包括一個裝有驅(qū)動電路的半導(dǎo)體基底。
14.一種如權(quán)利要求12或13所述的顯示裝置，其特征在于，至少在驅(qū)動線區(qū)，在這些驅(qū)動線和圖象電極之間存在一層導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料層和該圖象電極以及所說的驅(qū)動線都是電絕緣的。
15.一種如權(quán)利要求12或13所述的顯示裝置，其特征在于該顯示裝置在遠(yuǎn)離液晶材料的半導(dǎo)體材料側(cè)還有一層導(dǎo)熱材料。
16.一種用于投影電視的裝置，其特征在于它包括至少一個光源，光源的光入射到一個如前述權(quán)利要求中任何一個所述的顯示裝置上，並且依據(jù)象素的光狀態(tài)被反射，其特征還在于，這樣調(diào)制的光經(jīng)投影裝置成像。
全文摘要
一種依據(jù)在一些薄層中介電各向異性的液晶顯示裝置(1)，故反射后兩個光狀態(tài)之間的有效光程長度差是1/2λ。使用配備有驅(qū)動元件(12)的半導(dǎo)體主體作反射基底(6)，用反射層(24)完全涂敷上述驅(qū)動元件(12)。
文檔編號G09F9/35GK1030144SQ8810451
公開日1989年1月4日 申請日期1988年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1987年6月10日
發(fā)明者泰斯·西博爾特·特費爾德 申請人:菲利浦光燈制造公司