專利名稱：雙穩(wěn)向列相液晶裝置的制作方法
本申請(qǐng)是96197648.9申請(qǐng)案的分案申請(qǐng)。
本發(fā)明涉及雙穩(wěn)向列相液晶裝置。
液晶裝置一般包含一個(gè)夾在盒壁之間的液晶材料薄層。光學(xué)透明電極裝在壁上使得一個(gè)電場(chǎng)被施加在層間并造成了液晶分子的重排。
有三種已知的液晶材料類型，向列相、膽甾醇型和近晶相，每一種都具有不同的分子排列。本發(fā)明為采用向列相材料的裝置。
為了提供具有大量可尋址元素的顯示器，通常把電極制造為置在一個(gè)壁上的一系列行電極和置在另一個(gè)盒壁上的一系列列電極。這些形成如可尋址元素或象素的x、y矩陣，并且對(duì)于扭曲向列型裝置通常采用均方值尋址方法尋址。
液晶裝置的扭曲向列相和位相變化型通過(guò)施加合適的電壓被設(shè)置在ON狀態(tài)，以及當(dāng)施加的電壓降到某一較低電壓值以下時(shí)被設(shè)置在OFF狀態(tài)，即這些裝置是單穩(wěn)態(tài)的。對(duì)于扭曲向列相型裝置(如美國(guó)專利US 4,596,446中90°或270°扭曲)，可被均方值尋址的元素?cái)?shù)量通過(guò)裝置透射率與電壓曲線的陡度而被限制，對(duì)此Alt and Pleschko發(fā)表在IEEE Trans ED第ED21卷1974年146-155頁(yè)有詳細(xì)描述。改進(jìn)象素?cái)?shù)量的一種方法是將薄膜晶體管與每一相鄰的象素結(jié)合；這種顯示被稱作為有源矩陣顯示。向列相型裝置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)低的電壓要求。它們同樣具有機(jī)械穩(wěn)定性和具有寬的溫度操作范圍。這就容許制造小的并且可攜帶的以電池為能源的顯示器。
大顯示器尋址的另一種方法是使用雙穩(wěn)液晶裝置。采用近晶相液晶材料和適當(dāng)?shù)暮斜诒砻鏈?zhǔn)直處理，鐵電液晶顯示器可裝在雙穩(wěn)裝置中。這樣的裝置是由下述等人描述的表面穩(wěn)定的鐵電液晶裝置(SSFELCDs)L J Yu，H Lee，C S Bak and M M Labes，Phys Rev Lett36，7，388(1976)；R B Meyer，Mol Cryst Liq Cryst.40，33，(1977)；NA Clark and S T Lagerwall，Appl Phys Lett，36，11，899(1980)。鐵電裝置的一個(gè)缺點(diǎn)是需要相對(duì)大的電壓來(lái)切換材料。這種高電壓使得小的可攜帶的，電池驅(qū)動(dòng)的顯示器價(jià)錢昂貴。同樣這樣的顯示器還有其它的問(wèn)題如缺乏抗振性、溫度范圍有限和同樣由電引起的缺點(diǎn)，比如針。
如果采用向列相可完成雙穩(wěn)表面粘結(jié)則可制造具有上述技術(shù)優(yōu)點(diǎn)而無(wú)上述問(wèn)題的顯示器。
Durand等已經(jīng)表明向列相可通過(guò)使用手性離子或可變電耦合在兩種準(zhǔn)直狀態(tài)之間切換A Charbi，R Barberi，G Durand and PMartinot-Largarde，專利申請(qǐng)?zhí)朜o WO 91/11747，(1991)“雙穩(wěn)手性控制液晶光裝置”，G Durand，R Barbei，M Giocondo，P Martinot-Largarde，專利申請(qǐng)?zhí)朜o WO 92/00546(1991)“表面雙穩(wěn)性由可變電效果控制的向列相液晶顯示器”。這些摘要如下在專利申請(qǐng)WO 91/11747中一種裝置具有如下描述的特征1.采用具有合適厚度的SiO涂層和蒸發(fā)角的兩個(gè)表面制造的液晶盒使得兩種穩(wěn)定狀態(tài)存在于每一表面上。而且在一個(gè)表面上的兩種狀態(tài)被設(shè)計(jì)成水平角相差45°并且表面被取向?yàn)樗浇窍嗖?5°以及表面被取向?yàn)閮蓚€(gè)所產(chǎn)生的域的每一個(gè)都是非扭曲的。
2.液晶盒(6μm厚)被填充摻有0.5％苯基奎寧溴化物和1.8％苯基乳酸的5CB。前者為具有左扭曲的正電的手性離子而后者具有右扭曲的負(fù)電的手性離子。濃度要保證最終混合具有很長(zhǎng)的螺距以便于在薄的液晶盒中的狀態(tài)是均勻的。
3.施加110V直流電的脈沖40μs使得在兩種狀態(tài)切換。對(duì)于較長(zhǎng)的脈沖觀測(cè)到較低的閾值，如對(duì)于300μs脈沖觀測(cè)到80V閾值。
4.附加的適當(dāng)定向偏振造成一種狀態(tài)顯示黑色而另一種顯示白色，對(duì)比度大約為20。
5.還提到一種變形的裝置，它在具有不同的頂點(diǎn)粘結(jié)能的單穩(wěn)態(tài)表面造成短螺距的手性離子混合物。在4μm液晶盒中對(duì)于脈沖超過(guò)50V觀測(cè)到180°扭曲狀態(tài)和均勻狀態(tài)之間的切換。
在專利申請(qǐng)WO 92/00546中一種裝置具有如下描述的特征采用具有合適厚度的SiO涂層和蒸發(fā)角的兩個(gè)表面制造液晶盒使得兩種穩(wěn)定狀態(tài)存在于每一表面上。而且在一個(gè)表面上的兩種狀態(tài)被設(shè)計(jì)成方位角相差45°，并且表面被取向?yàn)閮蓚€(gè)所產(chǎn)生域的每一個(gè)都是非扭曲的。
表面同樣以這樣的方式被取向使得在一個(gè)表面上預(yù)傾角狀態(tài)與無(wú)標(biāo)號(hào)狀態(tài)位于另一個(gè)表面的無(wú)標(biāo)號(hào)狀態(tài)對(duì)直，反之亦然。當(dāng)填充5CB時(shí)，兩種狀態(tài)如圖7B和7C所示。
沿1μm液晶盒施加14V直流電的脈沖100μs使得在狀態(tài)之間切換。最終的狀態(tài)依賴于由于與可變電偏振的耦合的脈沖的符號(hào)。在兩種方向上的切換觀測(cè)到同樣的電壓閾值。
被Durand使用得到雙穩(wěn)準(zhǔn)直的表面是一個(gè)以精確傾斜角蒸發(fā)的SiO薄層?？墒沁@種方法缺點(diǎn)為任何蒸發(fā)角、層厚的偏差或甚至任何沉積參數(shù)都趨于制造具有唯一單穩(wěn)準(zhǔn)直的表面。對(duì)于大面積顯示器，這使得獨(dú)特傾斜蒸發(fā)技術(shù)不穩(wěn)定，或非常困難。
專利US 4,333,708描述一個(gè)多穩(wěn)液晶裝置，其中盒壁靠模加工后提供一個(gè)單一點(diǎn)的排列。這樣的襯底構(gòu)造提供了導(dǎo)向偶極子準(zhǔn)直的多穩(wěn)結(jié)構(gòu)，因?yàn)樾e(cuò)必須被移到在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)切換。通過(guò)施加電場(chǎng)達(dá)到切換。
另一個(gè)雙穩(wěn)向列相裝置在GB.2,286,467-A中被描述。它使用在至少一個(gè)盒壁上精確形成的雙光柵。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)被施加在液晶盒電極上如在專利申請(qǐng)NO.WO.92/00546中描述的直流與可變電偏振耦合，雙光柵容許液晶分子采用兩個(gè)不同角準(zhǔn)直方向。因?yàn)樵趦蓚€(gè)傾斜狀態(tài)導(dǎo)向偶極子在層平面上非常接近，在導(dǎo)向偶極子和可變電分量之間的耦合可很小，這就在某些環(huán)境中阻礙了切換。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)表面處理至少一個(gè)盒壁以容許向列相液晶分子采取在同一水平平面上兩個(gè)預(yù)傾角的其中一個(gè)，上述缺點(diǎn)可被克服。液晶盒可在這兩種狀態(tài)之間電切換以使得信息顯示可在掉電之后仍存在。
下面解釋同一水平平面；使盒壁位于x，y平面，這意味著正交于盒壁的是z軸。在同一水平平面上的兩個(gè)預(yù)傾角意味著在相同x，z平面上的兩個(gè)不同的分子位置。
根據(jù)本發(fā)明雙穩(wěn)向列相液晶裝置包括兩個(gè)盒壁，包含一個(gè)液晶材料層；位于兩個(gè)壁上的電極；兩個(gè)盒壁的相對(duì)表面上的表面準(zhǔn)直，為液晶分子提供準(zhǔn)直；用于區(qū)分液晶材料切換狀態(tài)的裝置；具有如下特征一個(gè)表面準(zhǔn)直光柵位于至少一個(gè)盒壁上，它容許液晶分子在相同的水平平面采取兩種不同的預(yù)傾角；具有這樣的排列，當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)被施加在電極后可存在兩種穩(wěn)定液晶分子結(jié)構(gòu)。
光柵具有一個(gè)對(duì)稱或不對(duì)稱的溝槽外形。
光柵可具有一個(gè)不對(duì)稱的溝槽外形，該溝槽外形將產(chǎn)生一個(gè)小于90°的預(yù)傾角，比如50°到90°。一個(gè)不對(duì)稱的外形可被定義為不存在h值的表面ψx(h-x)＝ψx(h+x)......(1)對(duì)于所有的x值，ψ是描述表面的函數(shù)。
光柵可被施加于兩個(gè)盒壁上并且在每一個(gè)壁上形狀可相同也可不同。另外光柵外形可在每一個(gè)象素區(qū)域內(nèi)變化，和/或在電極之間的內(nèi)象素間隙內(nèi)變化。一個(gè)或者兩個(gè)盒壁可涂覆表面活化劑如lethecin。
在一個(gè)或兩個(gè)穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)中液晶材料可為非扭曲的。
盒壁可由相對(duì)厚的非柔性材料形成，如玻璃，或一個(gè)或兩個(gè)盒壁可由柔性材料，如薄層玻璃，或塑料柔性材料，如聚烯烴或聚丙烯形成。塑料盒壁可被模壓在其內(nèi)表面上以提供一個(gè)光柵。此外，模壓可提供小的墩(例如1-3μm高和5-50μm或以上寬)以協(xié)助盒壁間隔的正確分離和當(dāng)液晶盒為柔性時(shí)還用于阻擋液晶材料流動(dòng)。另外墩可通過(guò)準(zhǔn)直層材料形成。
光柵可為光刻過(guò)程形成的光聚合物外廓層如M C Hutley，衍射光柵(Academic Press，London 1982)p95-125；和F Hom，PhysicsWorld，33(march 1993)。此外，雙光柵可模壓形成；M T Gale，J Kaneand K Knop，J App.Photo Eng，4，2，41(1978)，或刻線形成；E G Loewenand R S Wiley，Proc SPIE，88(1987)，或通過(guò)載流子層傳遞形成。
電極可由一系列行電極和列電極排列以及可尋址元素或顯示象素的一個(gè)x，y矩陣形成。典型的電極寬200μm，間距20μm。
另外，電極可以其它顯示方式排列如r-θ矩陣或7或8條柵顯示。
僅通過(guò)參考附圖的例子，將描述本發(fā)明。


圖1是矩陣多路尋址液晶顯示器的平面視圖；圖2是圖1顯示器的截面部分；圖3表示用于產(chǎn)生光柵面的掩模和暴露幾何面的俯視圖和側(cè)視圖。
圖4是位于導(dǎo)致較高預(yù)傾角的光柵面上的液晶引導(dǎo)偶極子結(jié)構(gòu)的截面部分。
圖5是位于導(dǎo)致較低預(yù)傾角的光柵面上的液晶引導(dǎo)偶極子結(jié)構(gòu)的截面部分。
圖6是以溝槽深度與螺距比率(h/w)為函數(shù)的兩個(gè)預(yù)傾角結(jié)構(gòu)的能量。
圖7表示在兩個(gè)狀態(tài)之間容許雙穩(wěn)切換的液晶盒結(jié)構(gòu)的截面部分。
圖8表示液晶盒的傳輸和以時(shí)間為函數(shù)的施加信號(hào)。
圖9表示用于雙穩(wěn)裝置的多路圖示例。
圖10表示用于雙穩(wěn)切換的替換液晶盒結(jié)構(gòu)。
圖11表示在非扭曲和扭曲狀態(tài)之間用于雙穩(wěn)切換的液晶盒結(jié)構(gòu)。
圖1，2中的顯示器包括由包含在玻璃壁3，4之間的向列相或長(zhǎng)螺距膽甾醇型液晶材料的層2形成的液晶盒1。墊環(huán)5保持壁典型為1-6μm間距。此外，同樣尺寸的大量壓條分布在液晶內(nèi)以保持精確的壁間距。類似帶條的行電極6，如SnO2或ITO(氧化銦錫)制成，形成于壁3以及同樣的列電極7形成于另一個(gè)壁4上。用m行和n列電極形成一個(gè)m×n的可尋址元素或象素的矩陣。每一象素通過(guò)行和列電極的交叉形成。
行驅(qū)動(dòng)器8提供電壓給每個(gè)行電極6。同樣列驅(qū)動(dòng)器9提供電壓給每個(gè)列電極7。施加電壓的控制是通過(guò)接收電源11的電能和時(shí)鐘12的時(shí)序的控制邏輯回路10進(jìn)行的。
液晶盒1的兩邊分別為偏振器13，13′，其偏振軸實(shí)際上分別彼此相交并實(shí)際上以45°與，如果有的話，位于后述的相鄰壁3，4上的準(zhǔn)直引導(dǎo)偶極子R相交。另外如伸展聚合物的光學(xué)補(bǔ)償層17可加在盒壁和偏振器之間的液晶層2鄰近處。
部分反射鏡16可與光源15一起排列在液晶盒1的后面。這些使得顯示器在反射光中可視并且光可從昏暗的背景中射出。對(duì)于傳輸裝置，鏡面16可被忽略。
在安裝之前，至少有一個(gè)盒壁3，4用準(zhǔn)直光柵處理以提供一個(gè)雙穩(wěn)的預(yù)傾角。其它表面可用平面(即預(yù)傾角與準(zhǔn)直偶極子間為零或小角度)或垂直的單穩(wěn)表面，或退化的平表面(即預(yù)傾角與非準(zhǔn)直偶極子間為零或小角度)處理。
最后液晶盒被填充向列相材料，如E7，ZLI2293或TX2A(Merck)。
構(gòu)造光柵表面方法的例子將參考圖3描述。
例1一件涂覆有ITO的玻璃形成的盒壁3，4用丙酮和異丙醇清洗以及用光阻材料(Shipley 1805)在3000rmp下進(jìn)行30秒螺旋涂覆，形成厚度0.55μm的涂層。然后在90℃下軟烘干30分鐘。
然后采用包含0.5μm的線21和0.5μm的間隔22(此處全部螺距為1μm)的鉻掩模20在涂覆后的晶壁3，4上完成接觸曝光，如圖3所示。曝光采用非正射光完成，在這種情況下采用60°角。掩模20取向使得如圖3所示的溝槽方向?qū)嶋H上垂直于入射平面。這種幾何面的曝光導(dǎo)致一個(gè)非對(duì)稱的光強(qiáng)分布和因此一個(gè)非對(duì)稱的光柵外廓(見(jiàn)B.J.Lin，Opt.Soc.Am.，62，976(1972)中的例子)。涂覆盒壁3，4在水銀燈(Osram Hg/100)下用光強(qiáng)0.8mW/cm2大約40到180秒時(shí)間曝光，如后面所述。
在曝光之后涂覆盒壁3，4從掩模20脫離并在Shipley MF319中顯影10秒鐘接著在消電離水中清洗。這使得盒壁表面形狀具有形成理想光柵外廓的非對(duì)稱表面模。在暴露于深UV輻射(254nm)接著在160℃下烘干45分鐘的情況下，光阻材料變硬。這樣做以保證液晶中的光阻材料的不溶性。最后光柵表面用表面活化劑卵磷酯溶液處理以便產(chǎn)生垂向的邊界條件。
采用有限元分析以便預(yù)測(cè)在這類光柵表面上的向列相材料的自由層分子(更精確地為引導(dǎo)偶極子)構(gòu)造。結(jié)果表示在圖4，5和6中，圖中短線代表整個(gè)層厚的液晶引導(dǎo)偶極子，底部的短線包絡(luò)表示光柵外廓。在這種情況下，光柵表面用函數(shù)描述y(x)=h2sin(2πxw+Asin(2πxw))......(2)]]>此處h是溝槽深度，w是螺距以及A是非對(duì)稱因子。在圖4和5中，A＝0.5和h/w＝0.6。在圖4中，有限元網(wǎng)格容許80°傾角的初始引導(dǎo)偶極子放寬。在這種情況下結(jié)構(gòu)恢復(fù)到89.5°的預(yù)傾角?？墒?，如果初始引導(dǎo)偶極子傾角被設(shè)為30°則網(wǎng)格恢復(fù)到23.0°的預(yù)傾角，如圖5所示。因此向列相液晶可采用依賴于起始條件的兩個(gè)不同構(gòu)造。
在實(shí)際中向列相液晶材料將恢復(fù)到這兩種構(gòu)型中具有最低的整體變形能量的一個(gè)。圖6表示高預(yù)傾角(實(shí)心圓)和低預(yù)傾角(空心圓)狀態(tài)的總體能量(任意單位)和溝槽深度與螺距的比率(h/w)的關(guān)系。對(duì)于低h/w，高預(yù)傾角狀態(tài)具有最低的能量并且因此向列相將采用一個(gè)高的預(yù)傾角狀態(tài)。與之相反對(duì)于高h(yuǎn)/w，低預(yù)傾角狀態(tài)具有最低的能量并且因此此狀態(tài)被形成?？墒钱?dāng)h/w＝0.52，狀態(tài)具有同樣的能量并且因此兩種都能存在而不恢復(fù)到另一種。因此如果一個(gè)表面按這種情況，或接近于這種情況被構(gòu)造，則在預(yù)傾角中可觀察到雙穩(wěn)性。參考上述構(gòu)造細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)80秒的曝光時(shí)間可導(dǎo)致一個(gè)雙穩(wěn)表面。在這種情況下雙穩(wěn)性純粹是表面函數(shù)并且不依賴于任何具體的液晶盒幾何。這意味著與現(xiàn)有技術(shù)如US 4333708(1982)區(qū)分。
容許在雙穩(wěn)狀態(tài)之間切換的一種適當(dāng)?shù)囊壕Ш薪Y(jié)構(gòu)如圖7所示，它是裝置的仿截面，其中具有正的介電各向異性的向列相液晶材料層2包含在雙穩(wěn)光柵表面25和單穩(wěn)垂向表面26之間。后一表面26應(yīng)當(dāng)為，例如，一個(gè)涂覆有卵磷酯的平的光阻材料表面。在這個(gè)裝置中液晶分子可存在于兩種穩(wěn)定狀態(tài)。在狀態(tài)(a)中兩個(gè)表面25，26為垂直的，而在(b)中光柵表面25為導(dǎo)致傾斜結(jié)構(gòu)的低預(yù)傾角狀態(tài)。對(duì)于許多向列相材料，傾斜或彎曲變形將導(dǎo)致大的可變電的偏振，在圖7中由知量P表示。直流脈沖可耦合此偏振并且依賴其符號(hào)將有良好的或較差的結(jié)構(gòu)(b)。
在狀態(tài)(a)中借助裝置，在垂向結(jié)構(gòu)中正脈沖的施加將導(dǎo)致脈動(dòng)盡管有正的介電各向異性。這些脈動(dòng)可足夠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)超過(guò)分離兩種準(zhǔn)直狀態(tài)的能量障礙。在脈沖結(jié)尾系統(tǒng)將降到狀態(tài)(b)，這是因?yàn)閳?chǎng)的符號(hào)很好地耦合可變電的偏振。在狀態(tài)(b)中借助系統(tǒng)，負(fù)符號(hào)的脈沖將再次破壞系統(tǒng)。但現(xiàn)在當(dāng)其符號(hào)不有利于可變電偏振的形成時(shí)它將恢復(fù)到狀態(tài)(a)。在其垂向狀態(tài)，雙穩(wěn)表面以稍小于90°(如89.5°)的角度傾斜。這就足以控制當(dāng)液晶盒切換到狀態(tài)(a)時(shí)所得到的傾斜方向。
包含向列相ZL12293(Merck)的特殊的液晶盒被夾在雙穩(wěn)光柵表面和垂向的平的表面之間。液晶盒厚度為3μm。在室溫(20℃)下施加直流脈沖測(cè)量通過(guò)液晶盒的透射率。位于液晶盒1的每一邊的偏振器和分析器13，13′相互相交并以±45°指向光柵溝槽。在這個(gè)設(shè)立中，圖7中的兩種狀態(tài)(a)和(b)，當(dāng)隨之尋址時(shí)分別顯示黑和白。
圖8表示以時(shí)間為函數(shù)的施加電壓脈沖(低軌跡)和光學(xué)響應(yīng)(高軌跡)。每個(gè)脈沖具有55.0伏峰值和持續(xù)時(shí)間3.3ms。脈沖間隔為300ms。借助正脈沖的第一次施加，透射由暗變亮表明液晶盒由狀態(tài)圖7(a)切換到狀態(tài)(b)。由于對(duì)正的介電各向異性的耦合的均方作用導(dǎo)致了整體材料到狀態(tài)(a)的即刻切換所以第二個(gè)正脈沖導(dǎo)致透射瞬時(shí)變化。可是，在這種情況下，液晶盒不卡在表面上并且仍保持在狀態(tài)(b)。下一個(gè)脈沖符號(hào)為負(fù)并且將液晶盒由狀態(tài)(b)切換到狀態(tài)(a)。最后第二個(gè)負(fù)脈沖使得液晶盒處于狀態(tài)(a)。這個(gè)試驗(yàn)表明液晶盒在每一脈沖都不改變狀態(tài)除非它有正確的符號(hào)。因此它證明了系統(tǒng)為雙穩(wěn)的以及最終狀態(tài)可根據(jù)施加脈沖的符號(hào)被可靠選擇。
切換在很寬的溫度區(qū)間發(fā)生。當(dāng)溫度增加時(shí)，用于切換所需的電壓下降。例如30℃時(shí)，需要44.8V電壓用于雙穩(wěn)切換而當(dāng)50℃時(shí)只需要28.8V電壓。類似地，對(duì)于一個(gè)固定電壓用于鎖定所需的脈沖長(zhǎng)度隨溫度下降。
在得到數(shù)據(jù)后，液晶盒被分解并且光柵面被AFM(原子力顯微)賦予特征。由方程2擬合的非對(duì)稱模形成1μm螺距，0.425μm溝槽深度(h/w＝0.425)和A＝0.5的非對(duì)稱因子。比較圖6的結(jié)果，此光柵具有h/w低值(0.425，與0.52相比)的雙穩(wěn)狀況?？墒怯捎趯?shí)際表面具有的斜刻面角要求附加有較高諧波，方程2不精確擬合AFM數(shù)據(jù)。對(duì)于更精確的比較，其它因素如AFM頂部半徑同樣需要考慮。因此可得出結(jié)論即測(cè)得的表面模與用于雙穩(wěn)性的預(yù)測(cè)狀況相似。
對(duì)于幾個(gè)相鄰象素的選擇，單個(gè)象素的成功切換容許適當(dāng)?shù)亩嘞笏胤椒ǖ脑O(shè)計(jì)。圖9表示這種方法的一個(gè)特定的例子。如其所示，在一個(gè)列中的4個(gè)相連的行R1，R2，R3，R4中的象素?cái)M被切換。兩個(gè)可能的準(zhǔn)直狀態(tài)可任意定義為ON和OFF狀態(tài)。行R1和R4擬被切換為ON狀態(tài)，行R2和R3處于OFF狀態(tài)。對(duì)每個(gè)行輪流施加三次時(shí)隙的+Vs選通脈沖接著三次時(shí)隙(ts)的-Vs。數(shù)據(jù)波形被施加到如示的列上并且對(duì)于ON象素包括1ts的-Vd伴以1ts的+Vd，以及對(duì)于OFF象素包括1ts的-Vd伴隨以1ts的+Vd。
現(xiàn)在考慮位于A點(diǎn)的特定象素。合成波形包括大的正和負(fù)的破壞向列相取向的脈沖，并且提高其能量達(dá)到分離兩個(gè)雙穩(wěn)表面狀態(tài)的勢(shì)壘。在這個(gè)場(chǎng)施加條件中，當(dāng)為一般的單穩(wěn)向列相裝置中時(shí)液晶分子沿電場(chǎng)準(zhǔn)直，如圖7a所示。這些相反極性的大“復(fù)原”脈沖后緊跟著小脈沖，在取向的恢復(fù)期間該小脈沖仍然大到足以支配象素的最終選擇狀態(tài)。電的平衡通過(guò)極性與切換脈沖相反的小脈沖和隨之的兩個(gè)大脈沖而達(dá)到。另外，在相鄰顯示尋址時(shí)間中可使用極性轉(zhuǎn)換。
上述雙穩(wěn)裝置通過(guò)在一個(gè)狀態(tài)中的可變電偏振的性能到達(dá)最終狀態(tài)選擇。因此這個(gè)結(jié)構(gòu)必須包含斜面。在試驗(yàn)的例子中只有一個(gè)表面被容許切換但工作裝置在兩表面切換中可被完成。唯一存在的約束是每一表面上的低預(yù)傾角狀態(tài)應(yīng)當(dāng)取不同值以便保持有限斜面?？墒羌词故堑皖A(yù)傾角狀態(tài)相等，如果其包含一個(gè)兩頻率的向列相材料，液晶盒仍然可被切換，即在低頻率時(shí)不導(dǎo)電的各向異性為正而高頻率時(shí)為負(fù)。此材料的一個(gè)例子為TX2A(Merck)，它具有6kHz的交叉頻率。圖9表示本結(jié)構(gòu)的截面。在狀態(tài)(a)中借助液晶盒，施加高頻率信號(hào)驅(qū)動(dòng)向列相整體到一個(gè)低預(yù)傾角。表面隨后形成并且液晶盒切換到狀態(tài)(b)。相反，低頻率信號(hào)將驅(qū)動(dòng)向列相到一個(gè)高預(yù)傾角并且液晶盒將被切換到狀態(tài)(a)。
例2下面描述雙穩(wěn)裝置的第二個(gè)例子。一件由涂覆ITO的玻璃所形成的盒壁用丙酮和異丙醇清洗以及用光阻材料(Shipley 1813)在3000rpm下30秒螺旋涂覆形成厚度1.5μm的涂層。然后在90℃下軟烘干30分鐘。
然后采用包含0.5μm的線和0.5μm的間隔(此處全部螺距為1μm)的鉻掩模完成接觸曝光。在本例中曝光采用正射光完成。這種幾何面的曝光導(dǎo)致一個(gè)對(duì)稱的光強(qiáng)分布和因此一個(gè)對(duì)稱的光柵外廓。樣品在水銀燈(Osram Hg/100)下用光強(qiáng)0.8mW/cm2曝光。
在曝光之后樣品從掩模20脫離并在MF319中顯影20秒鐘接著在消電離水中清洗。這使得樣品表面形狀具有對(duì)稱表面模。通過(guò)暴露于深UV輻射(254nm)接著在160℃下烘干45分鐘的情況下光阻材料變硬。這樣做以保證液晶中的光阻材料的不溶性。最后光柵表面用鉻的絡(luò)合物表面活化劑溶液處理以便產(chǎn)生垂向的邊界條件。
采用上述360秒曝光時(shí)間的方法制造一個(gè)特定表面。在此光柵上的AFM分析表明其具有1μm螺距和1.2μm厚的對(duì)稱外廓。這個(gè)表面被建立在相對(duì)于平的垂直面處以形成具有2.0μm厚度的液晶盒。在各向同性相中液晶盒填充有向列相材料E7(Merck)接著降到室溫。顯微觀察揭示兩個(gè)雙穩(wěn)狀態(tài)的混合，在圖7中(a)和(b)所示。
液晶盒在交叉偏振器間被定向以便溝槽方向與偏振器方向?yàn)?5°。因此狀態(tài)(a)為亮狀態(tài)而狀態(tài)(b)為暗狀態(tài)。然后交替符號(hào)的單極脈沖被施加到液晶盒。脈沖長(zhǎng)度設(shè)為5.4ms，脈沖間隔為1s。當(dāng)施加的脈沖的峰值電壓增加到20.3V時(shí)，在狀態(tài)(a)和(b)發(fā)生完全切換。與圖8中所示數(shù)據(jù)的同樣方法，成對(duì)脈沖也被施加到液晶盒。再一次只有第一脈沖改變系統(tǒng)狀態(tài)而第二脈沖只引起一個(gè)非鎖定的瞬時(shí)響應(yīng)。在這種情況中光學(xué)響應(yīng)時(shí)間同樣可被測(cè)量。用于從(a)切換到(b)的10％-90％響應(yīng)時(shí)間為8.0ms而用于從(b)切換到(a)的響應(yīng)時(shí)間為1.2ms。對(duì)此液晶盒的進(jìn)一步分析揭示出雙穩(wěn)狀態(tài)(a)和(b)分別在光柵面上導(dǎo)致預(yù)傾角90°和0°。因此本樣品證明了在預(yù)傾角中最大可能變化。
當(dāng)液晶盒厚度d如下給出時(shí)，圖7和10所示結(jié)構(gòu)中的光是最優(yōu)的d=λ2Δnav...................(3)]]>此處λ為操作波長(zhǎng)以及Δnav為向列相二次折射的內(nèi)平面分量(平行于液晶壁)的平均值。圖10中結(jié)構(gòu)所示的Δnav大于圖7，此時(shí)液晶盒厚度變小因此光學(xué)切換速度將變大。可是兩個(gè)頻率向列相的使用限制了可得到材料的選擇，同樣導(dǎo)致更復(fù)雜尋址方案，但可容許低電壓操作。
例3雙穩(wěn)光柵表面還可建在與平表面相對(duì)處。這樣的液晶盒包括具有與例2所述相同外廓的光柵。它建在與一個(gè)采用P132聚酰亞胺(CibaGeigy)層形成的研磨聚合物面相對(duì)之處。聚酰亞胺表面上的研磨方向設(shè)為與光柵面上的光柵溝槽方向平行。液晶盒間隔設(shè)為2.5μm并且向列相E7被用于填充液晶盒。在填充之后冷卻到室溫產(chǎn)生如圖11所示的兩個(gè)狀態(tài)。此圖不同于圖7之處在于位于雙穩(wěn)表面上的溝槽方向現(xiàn)在位于頁(yè)面平面上(在x，y平面)。因此位于光柵的90°預(yù)傾角狀態(tài)形成(a′)所示的混合結(jié)構(gòu)而位于光柵上的0°預(yù)傾角狀態(tài)形成(b′)所示的扭曲結(jié)構(gòu)。為在狀態(tài)間達(dá)到光學(xué)對(duì)比，液晶盒被放置在相交的偏振器13，13′取向之間以便光柵溝槽(和研磨方向)與一個(gè)偏振器平行，但是偏振器在兩個(gè)切換狀態(tài)之間可被旋轉(zhuǎn)到最佳對(duì)比。因此狀態(tài)(b′)為亮狀態(tài)而狀態(tài)(a′)為暗狀態(tài)。采用5.3ms單極脈沖，在(a′)和(b′)之間的切換發(fā)生在56.7V的峰值電壓。光學(xué)響應(yīng)時(shí)間對(duì)于從(a′)切換到(b′)為110ms，而對(duì)于從(b′)切換到(a′)為1.4ms。
亮狀態(tài)(b′)具有90°體扭曲。當(dāng)采用通常的TN結(jié)構(gòu)，當(dāng)N為整數(shù)時(shí)得到最大透射(C.H.Gooch and H.A.Tarry，J.Phys.DAppl.Phys.，81575(1975))N=(Δnd/λ)2+0.25··········(4)]]>此處Δn為向列相二次折射，d為液晶盒間隔以及λ為操作波長(zhǎng)。因此具有530nm操作波長(zhǎng)和N＝1并采用E7(Δn＝0.22)的雙穩(wěn)裝置將有2.1μm的液晶盒間隔。
比較例2中描述的結(jié)構(gòu)，它具有由方程3給出的最佳厚度。對(duì)于那個(gè)例子，Δnav為Δn/2因此方程3給出了一個(gè)1.2μm的厚度。因此不扭曲的雙穩(wěn)裝置在薄的液晶盒間隔將總是具有最佳光學(xué)以及將因此以具有短的光學(xué)響應(yīng)時(shí)間以低電壓進(jìn)行切換。
可加入膽甾醇型摻雜劑(如CB 15 Merck的＜1％)以阻止扭曲旋錯(cuò)。另外可通過(guò)排列溝槽方向不平行于研磨準(zhǔn)直方向如大約45°調(diào)整以阻止這些旋錯(cuò)。
采用如上所列的一系列技術(shù)可制造對(duì)于這些裝置的光柵表面。垂直處理可為任何具有與光柵表面有很好粘合的表面活化劑。這種處理應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致去栓準(zhǔn)直。即趨于特定向列相取向的準(zhǔn)直不引起表面上向列相的剛性位置排列。
從上分析可見(jiàn)，為了取得雙穩(wěn)性對(duì)于一個(gè)給定的非對(duì)稱，光柵模必須具有某一h/w。模的絕對(duì)尺度被其它因子限制。如果溝槽深度和螺距太大則衍射效果將變得明顯并且導(dǎo)致裝置通過(guò)量的損失。而且如果溝槽深度類似于液晶盒厚度，則相對(duì)平表面的溝槽峰向相對(duì)平表面的接近可阻止雙穩(wěn)切換。如果象圖10所示的裝置需要兩個(gè)光柵，則與液晶盒厚度相比大的溝槽深度將不可避免地導(dǎo)致依賴于兩個(gè)模相的切換。這將加重裝置制造過(guò)程的復(fù)雜性。
如果溝槽深度和螺距太小，則問(wèn)題仍然存在。對(duì)于常數(shù)h/w，當(dāng)螺距變得較小則在表面上的整體變形的能量強(qiáng)度變得較大。最終這個(gè)能量類似于位于表面上向列相的局部附著能量。因此圖4和5表示的結(jié)構(gòu)(假定無(wú)限的附著能量)將不再被得到并且雙穩(wěn)性不可避免地被丟失。在大約0.1到10μm區(qū)間和0.05到5μm區(qū)間，h和w的典型值分別為大約0.5μm和1.0μm。
少量的二向色染料比如1-5％可摻進(jìn)液晶材料。這可使用或不使用偏振器以提供色彩，改進(jìn)對(duì)比，或作為賓主類型裝置來(lái)運(yùn)行，如E63(Merck)中的材料D124。裝置(有或沒(méi)有染料)的偏振器可旋轉(zhuǎn)到裝置的兩個(gè)切換狀態(tài)之間的最佳對(duì)比。
權(quán)利要求
1.一種用于雙穩(wěn)向列相液晶裝置的盒壁，其特征在于，所述盒壁包括具有構(gòu)圖表面外廓的第一表面，以便為液晶材料的分子提供在相同的方位平面中兩個(gè)不同的預(yù)傾角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盒壁，其特征在于第一表面包括光聚合物的外廓層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盒壁，其特征在于構(gòu)圖表面外廓是通過(guò)模壓的材料層形成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盒壁，其特征在于盒壁是由柔性透明塑料材料制成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盒壁，其特征在于盒壁還包括電極結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盒壁，其特征在于第一表面的構(gòu)圖表面外廓包括能夠?yàn)橐壕Р牧系姆肿臃謩e提供在相同方位平面中的兩個(gè)不同的預(yù)傾角度的表面準(zhǔn)直光柵，所述預(yù)傾角度在0度到90度的范圍之內(nèi)，所述光柵具有對(duì)稱和不對(duì)稱溝槽外廓其中之一，其中溝槽深度(h)與溝槽螺距(w)提供了在0.02＜h/w＜200范圍中的h/w比。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的盒壁，其中0.02≤h/w≤2。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的盒壁，其中0.425≤h/w≤1.2。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的盒壁，其中0.1≤h/w≤0.9。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盒壁，其特征在于第一表面的構(gòu)圖表面外廓包括能夠?yàn)橐壕Р牧系姆肿臃謩e提供在相同方位平面中的兩個(gè)不同的預(yù)傾角度的表面準(zhǔn)直光柵，其中溝槽深度(h)與溝槽螺距(w)提供了在0.02＜h/w＜200范圍中的h/w比，其中光柵表面提供了垂直取向以接觸液晶分子。
11.一種雙穩(wěn)向列相液晶裝置，包括向列相或長(zhǎng)螺距膽甾型液晶材料層；包圍所述液晶材料層的兩個(gè)盒壁；兩個(gè)盒壁上的電極結(jié)構(gòu)；兩個(gè)盒壁的面對(duì)表面上的表面準(zhǔn)直，為液晶分子提供準(zhǔn)直；光學(xué)部件，用于在液晶材料的切換狀態(tài)之間進(jìn)行區(qū)分，其特征在于，所述兩個(gè)盒壁的其中至少一個(gè)包括根據(jù)權(quán)利要求1至10其中任一一項(xiàng)的盒壁，其特征還在于液晶材料、盒壁和表面準(zhǔn)直適合于使得在將合適的電信號(hào)施加到電極結(jié)構(gòu)上之后可以存在兩種穩(wěn)定的液晶分子結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述兩個(gè)盒壁是由塑料材料形成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于液晶材料具有正的介電各向異性。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述裝置包括多個(gè)單獨(dú)地可電尋址的像素。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述光學(xué)部件包括至少一個(gè)偏振器。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述光學(xué)部件包括兩個(gè)偏振器。
17.一種制造雙穩(wěn)液晶裝置的方法，包括步驟通過(guò)在兩個(gè)間隔的盒壁之間包圍向列相或長(zhǎng)螺距膽甾型液晶材料層，形成液晶盒；在兩個(gè)盒壁上提供電極結(jié)構(gòu)；在兩個(gè)盒壁的面對(duì)表面上提供表面準(zhǔn)直，以便為層中的液晶分子提供準(zhǔn)直；提供用于在液晶材料的兩個(gè)雙穩(wěn)狀態(tài)之間進(jìn)行區(qū)分的裝置；其特征在于在至少一個(gè)壁上形成允許液晶分子采用在相同方位平面中的兩個(gè)不同的預(yù)傾角度的外廓表面準(zhǔn)直，所述預(yù)傾角度落在0度到90度的范圍之內(nèi)；由此在將合適的電信號(hào)施加到電極結(jié)構(gòu)上之后可以存在兩種穩(wěn)定的液晶分子結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中外廓表面是通過(guò)模壓可變形材料層形成的。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于外廓表面是通過(guò)從載流子層傳遞而形成的。
全文摘要
一個(gè)雙穩(wěn)向列相液晶裝置盒在至少一個(gè)盒壁上提供了一個(gè)表面準(zhǔn)直光柵和在另一個(gè)盒壁上提供了表面處理。這樣的處理可為垂向準(zhǔn)直或具有或不具有準(zhǔn)直方向的平面準(zhǔn)直，以及零或非零預(yù)傾角。在單光柵上的表面外廓是不對(duì)稱的，在其兩個(gè)容許的準(zhǔn)直排列中其溝槽的高寬比選擇為在向列相材料中給出大致相等能量。單光柵可通過(guò)光刻過(guò)程或通過(guò)塑料材料模壓而形成。通過(guò)直流脈沖與材料中可變電系數(shù)的耦合，或通過(guò)兩個(gè)頻率可尋址方案和一個(gè)適當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)頻率材料的使用，液晶盒被切換。液晶盒每邊的偏振器在兩個(gè)切換狀態(tài)之間被分辨。盒壁可為剛性的或柔性的，并涂覆有電極結(jié)構(gòu)，如以行和列形式給出在液晶盒上的可尋址象素的x，y矩陣。
文檔編號(hào)G02F1/133GK1529203SQ200410030468
公開日2004年9月15日 申請(qǐng)日期1996年10月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月16日
發(fā)明者G·P·布賴恩—布朗, C·V·布朗, J·C·喬內(nèi)斯, G P 布賴恩―布朗, 喬內(nèi)斯, 布朗 申請(qǐng)人:英國(guó)國(guó)防部