專利名稱：單穩(wěn)鐵電體有源點(diǎn)陣顯示器的制作方法
用平面屏幕取代陰極射線管(顯像管)所需的顯示技術(shù)需要同時(shí)達(dá)到高圖像分辨率即高于1000線的分辨率，高的圖像亮度(＞200Cd/m2)，高的對比度(＞100∶1)，高的幀頻(＞60Hz)，充分的色彩顯示(＞16000000色)，大的圖像格式(屏幕對角線＞40cm)，低耗電量和寬廣的視角，并且要能夠經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)。迄今，還沒有任何技術(shù)能夠同時(shí)滿足這些要求。
許多制造商已經(jīng)開發(fā)出了基于向列液晶的屏幕，并在近年來用于筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字輔助設(shè)備和桌面監(jiān)視器。他們利用了STN(超級絞合向列)技術(shù)、AM-TN(絞合向列有源點(diǎn)陣)技術(shù)、AM-IPS(平面開關(guān)有源點(diǎn)陣)技術(shù)以及AM-MVA(多疇垂直排列有源點(diǎn)陣)技術(shù)，這些技術(shù)在文獻(xiàn)中有大量的描述，例如可見T.Tsukuda,TFT/LCD:Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors(薄膜晶體管尋址液晶顯示器)，Gordon and Breach 1996,ISBN 2-919875-01-9以及其中所引的文獻(xiàn)；SID Symposium(信息顯示學(xué)會(huì)論文集)1997,ISSN-0097-966X，頁7到10,15到18,47到51,213到216,383到386,397到404，以及其中所引的文獻(xiàn)。另外，他們還利用了PDP(等離子體顯示板)技術(shù)、PALC(液晶尋址等離子體)技術(shù)、ELD(場致發(fā)光顯示器)技術(shù)和FED(場致發(fā)射顯示器)技術(shù)，這些技術(shù)在上面所引的SID報(bào)告中也有說明。
Clark和Lagerwall(US 4 367 924)已能證明，在非常薄的象元(cell)中使用鐵電液晶(FLC)而形成的光電開關(guān)或顯示元件的開關(guān)時(shí)間與傳統(tǒng)的TN(絞合向列)象元相比，可快到1000倍，又見EP-A 0 032 362?；诖艘约捌渌挠杏锰卣?，例如能夠?qū)崿F(xiàn)雙穩(wěn)開關(guān)，并且對比度實(shí)際上與視角無關(guān)，F(xiàn)LC從根本上適合比如計(jì)算機(jī)顯示器和電視機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，佳能公司自1995年5月以來在日本銷售的一種顯示器表明了這一點(diǎn)。
FLC在光電元件或者純光學(xué)元件中的使用或者需要形成層列相并且本身旋光的化合物，或者需要向形成所述層列相但本身并不旋光的化合物中攙入旋光的化合物而引入鐵電層列相。在這種情況下，所需的相應(yīng)當(dāng)在盡可能寬的溫度范圍穩(wěn)定。
LC(液晶)顯示器的各個(gè)像素通常布置為x-y點(diǎn)陣，該點(diǎn)陣由沿著顯示器下側(cè)面或者上側(cè)面的行和列布置的各電極(導(dǎo)體線路)序列形成。水平的(行)和垂直的(列)電極的交點(diǎn)即構(gòu)成可尋址的像素。
像素的這種布置通常稱為無源點(diǎn)陣。為了尋址的目的，已經(jīng)開發(fā)出了各種復(fù)合機(jī)制，例如Displays(顯示器)1993,vol.14,No.2,pp 86-93以及Kontakte 1993(2),pp.3-14所描述的。無源點(diǎn)陣尋址的好處是顯示器的生產(chǎn)更簡單，因而生產(chǎn)成本低。但其缺點(diǎn)是，無源尋址只能一線一線地進(jìn)行，這就導(dǎo)致具有N線的整個(gè)屏幕的尋址時(shí)間是每線尋址時(shí)間的N倍。例如在HDTV標(biāo)準(zhǔn)(高清晰度電視，1152線)中，對于約為50微秒的一般線尋址時(shí)間來說，就意味著屏幕尋址時(shí)間約為60毫秒，也就是說，最大幀頻約為16Hz。這個(gè)頻率對于運(yùn)動(dòng)圖像的顯示來說太低了。另外，灰色調(diào)的顯示比較困難。在于法國布雷斯特召開的FLC大會(huì)(1997年7月20-24日，見Abstract Book 6thInternational Conference on Ferroelectric Liquid Crystals(第六屆鐵電液晶國際大會(huì)文摘)，Brest/France)上，Mizutani et al.提出了一種具有數(shù)字化灰色調(diào)的無源FLC顯示器，其中，每一個(gè)RGB像素(RGB=紅，綠，藍(lán))被分為子像素，從而能夠通過部分開關(guān)數(shù)字式顯示灰色調(diào)。利用三原色(紅綠藍(lán))的N個(gè)灰色調(diào)，能夠產(chǎn)生3N種顏色。這種方法的缺點(diǎn)是所需的屏幕驅(qū)動(dòng)線路大量增加，從而加大了成本。在布雷斯特所展示的屏幕中，所需的驅(qū)動(dòng)線路三倍于無數(shù)字灰色調(diào)的普通FLC顯示器的驅(qū)動(dòng)線路。
在所謂的有源點(diǎn)陣技術(shù)(AMLCD)中，通常在非結(jié)構(gòu)化基底上結(jié)合一個(gè)有源點(diǎn)陣基底。在該有源點(diǎn)陣基底的每一個(gè)像素中，集成一個(gè)電學(xué)非線性元件，例如一個(gè)薄膜晶體管。該非線性元件也可以是二極管、金屬-絕緣體-金屬或者類似元件，這些元件最好用薄膜工藝生產(chǎn)，在有關(guān)的文獻(xiàn)中有描述，例如見T.Tsukuda,TFT/LCD:LiquidCrystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors(薄膜晶體管尋址液晶顯示器)，Gordon and Breach 1996,ISBN 2-919875-01-9，以及其中所引的文獻(xiàn)。
有源點(diǎn)陣LCD通常由向列液晶在TN(絞合向列)、ECB(電控雙折射)、VA(垂直排列)或者IPS(平面開關(guān))模式下操作。在每一種情況下，所述有源點(diǎn)陣在每一個(gè)像素處產(chǎn)生獨(dú)特的電場強(qiáng)度，導(dǎo)致取向的改變，進(jìn)而改變雙折射性，這種改變在偏振光下可以看見。這些方法的一個(gè)嚴(yán)重的缺陷是由于向列液晶過長的開關(guān)時(shí)間，導(dǎo)致顯像能力差。
因?yàn)檫@些以及其他一些原因，提出了基于鐵電液晶材料和有源點(diǎn)陣元件的結(jié)合的液晶顯示器，例如見WO 97/12355或者Ferroelectrics(鐵電體學(xué))1996,179,141-152,W.J.A.M.Hartmann,IEEE Trans.Electron.Devices 1989,36,(9；Pt.1),1895-9，以及Dissertation Eindhoven,the Netherlands(荷蘭)1990。
Hartmann利用FLC的所謂“準(zhǔn)書架結(jié)構(gòu)”(QBG)和一種TFT(薄膜晶體管)有源點(diǎn)陣的一種組合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高的開關(guān)速度、灰色調(diào)和高透明度。但是，所述QBG在寬的溫度范圍上不穩(wěn)定，因?yàn)橄蛄袑雍駥囟鹊囊蕾囆詴?huì)破壞或者旋轉(zhuǎn)所述場致層結(jié)構(gòu)。另外，Hartmann利用了一種具有超過20nC/cm2的自發(fā)極化的FLC材料，這種材料在像素的實(shí)際尺寸例如為0.01mm2的情況下，能導(dǎo)致巨大的電荷(飽和時(shí)Q=2AP，其中A=像素面積，P=自發(fā)極化)，使用生產(chǎn)起來比較經(jīng)濟(jì)的無定形硅TFT時(shí)，所述電荷在TFT的動(dòng)作時(shí)間(opening time)之內(nèi)不能到達(dá)像素。因?yàn)檫@些原因，這里不繼續(xù)討論這種技術(shù)。
在Hartmann利用電荷控制雙穩(wěn)性來顯示實(shí)際連續(xù)的灰度級時(shí)，Nito et al.提出了一種單穩(wěn)FLC結(jié)構(gòu),見Journal of the SID,1/2,1993，頁163-169，其中，F(xiàn)LC材料借助于相對較高的電壓進(jìn)行定向，使得只形成一種穩(wěn)定狀態(tài)，從該穩(wěn)定狀態(tài)，通過薄膜晶體管施加電場，即產(chǎn)生許多中間狀態(tài)。當(dāng)象元結(jié)構(gòu)配合在相交的偏振器之間時(shí)，這些中間狀態(tài)就對應(yīng)于許多不同的亮度級(灰色調(diào))。
但是，這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是顯示器會(huì)產(chǎn)生條紋狀紋理，限制了象元的對比度和亮度(見上文所引文獻(xiàn)的圖8)。盡管這種條紋狀紋理的缺陷能夠通過向列相或者膽甾醇相中的高電壓(20-50V)處理而得以修正，但是，這種場處理不適合屏幕的大規(guī)模生產(chǎn)，并且通常不能形成對溫度穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。另外，這種方法的開關(guān)角范圍最多為傾斜角(tilt angle)的一倍，在Nito et al.所使用的材料的情況下約為22°(見頁165圖6)，因此，最大透明度僅為兩平行偏振器透明度的50％。
本發(fā)明的目的是提供一種鐵電體有源點(diǎn)陣液晶顯示器，其中含有鐵電液晶混合物，其中，液晶混合物呈單穩(wěn)態(tài)但并不形成條紋狀紋理，對溫度穩(wěn)定，并使得顯示器能夠達(dá)到非常高的透明度和非常高的對比度。
按照本發(fā)明，上述目的是通過一種單穩(wěn)鐵電體有源點(diǎn)陣顯示器實(shí)現(xiàn)的，該顯示器含有一種單疇形式的液晶層，所述單疇具有單值定義的方向，該方向?yàn)閟mC*相層的法向z，該方向與所述向列相或者膽甾醇相(N*相)的優(yōu)勢方向n形成大于5°的角。
本發(fā)明的所述有源點(diǎn)陣FLCD含有作為旋光層的鐵電液晶介質(zhì)(液晶相)，其具有下述相序(phase sequence)各向同性-向列相或者膽甾醇相(N*)-層列相C*或者是如下相序各向同性-向列相或者膽甾醇相(N*)-層列相A*-層列相C*其中，層列A*相的存在范圍(相范圍)最大為2℃，最好至多為1℃，尤其是0.5℃。前述相符號上的星號(*)表示涉及手征相。
所述顯示器的生產(chǎn)方法最好是這樣的在有源點(diǎn)陣顯示器的上消光(rubbed)基板和下消光基板之間的空間中引入所述液晶層，所述上下基板的消光方向基本上平行，從各向同性相開始冷卻所述液晶相，至少在從N*到smC*或者從N*到smA*到smC*的相轉(zhuǎn)變過程中，向所述顯示器施加一個(gè)直流電壓。
FLC混合物填充到了有源點(diǎn)陣顯示器中。這種AM顯示器的生產(chǎn)及其部件在上文所引的Tsukuda的文獻(xiàn)中有大量的說明。但是，與向列相顯示器不同，所述FLC層的厚度僅為0.7到2.5μm，最好為1到2μm。而且，所述上下基板的消光方向基本上是平行的。所謂“基本上平行”包括反平行，或者是10°以下的輕微交叉。
然后，對這種顯示器的功能重要的是，在顯示器的生產(chǎn)過程中，在受控冷卻時(shí)，要施加一個(gè)最好低于5V的直流電壓，并在從N*到smC*或者從N*到smA*到smC*的相轉(zhuǎn)變過程中維持。這樣就使得整個(gè)顯示器呈單穩(wěn)單疇?wèi)B(tài)，在相交的偏振器之間看起來完全黑暗。
一旦獲得所述單疇，就關(guān)掉直流電壓。這樣獲得的結(jié)構(gòu)是單穩(wěn)的，與上文所引的Hartmann方法以及傳統(tǒng)的雙穩(wěn)FLCD不同。這意味著所述優(yōu)勢方向n方向子(director)(指示縱向分子軸的優(yōu)勢方向)在所述象元的消光方向上，而z方向子(指示層列層法向的優(yōu)勢方向)相對于所述消光方向大約傾斜所述傾斜角的角度。這種方案與Clark和Lagerwall的普通雙穩(wěn)象元恰恰相反，在普通雙穩(wěn)象元方案中，z方向子在消光方向上。
與Nito的方案相比，在這種定向的情形下，絕對不存在層的兩個(gè)法向，從而不存在最終導(dǎo)致上述干擾性條紋狀紋理的兩個(gè)定向疇，而僅有所述z方向子的一個(gè)單值方向，因而只有一個(gè)單疇。而且，可以獲得兩倍于所述傾斜角的交角，從而獲得為平行偏振器100％的透明度，亦即獲得雙倍的亮度。
這樣得到的顯示器在相交的偏振器取合適的旋轉(zhuǎn)角時(shí)看起來完全黑暗。當(dāng)施加僅僅幾伏的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)就開始發(fā)亮，亮度可借助于電壓連續(xù)變化，在飽和狀態(tài)，實(shí)際亮度就是兩平行偏振片的亮度效果。這種顯示器的一個(gè)重要特征，是所述向列相(或者膽甾醇相)的優(yōu)勢方向與層法向(z方向子)之間的角度理想地等于所述層列C相的傾斜角，或者至少基本上等于該傾斜角?！盎旧稀痹诒景l(fā)明中的意思是值的范圍從該傾斜角的一半到全值，最好是該傾斜角的0.8到1倍，但至少為5°。
本發(fā)明的所述鐵電體有源點(diǎn)陣液晶顯示器具有很高的實(shí)用性，尤其是對于TV和HDTV或者多媒體，因?yàn)槠浣Y(jié)合了高透明度、短開關(guān)時(shí)間、灰度級從而全彩色能力、低成本生產(chǎn)和寬溫度范圍。另外，該顯示器能夠在≤10V的電壓，最好是≤8V，尤其是≤5V的電壓下工作。
本發(fā)明的有源點(diǎn)陣FLCD的自發(fā)極化最好小于15nC/cm2，在顯示器的工作溫度下，自發(fā)極化最好在0.01到10nc/cm2的范圍內(nèi)。
在液晶層中，在向?qū)恿邢噢D(zhuǎn)變的溫度以上至少2℃的溫度范圍內(nèi)，所述手征向列或者膽甾醇相的間距大于50μm。
特別地，本發(fā)明的有源點(diǎn)陣顯示器也可以是一種LCD，其兩個(gè)基板之一用一集成電路片的背側(cè)取代，例如D.M.Walba,Science270,250-251(1995)所述的。
所述顯示器可用在例如TV、HDTV或者多媒體領(lǐng)域，或者用于信息處理領(lǐng)域，例如用在筆記本個(gè)人電腦，個(gè)人數(shù)字化輔助設(shè)備或者臺式監(jiān)視器中。
以下的例子用來更加詳細(xì)地說明本發(fā)明。
例子例1制備具有下列組成的FLC混合物4-(5-十二基嘧啶-2-含氧基)苯基-4-(反戊基環(huán)己烷)羧酸酯按重量27％2-(4-己基羥苯基)-5-辛基嘧啶 按重量19.7％2-(4-癸基羥苯基)-5-辛基嘧啶 按重量25.6％(S)-2-氧代癸基-[4-(5-癸基嘧啶-2-含氧基)苯基]醚 按重量3％
相序是各向同性83.1℃膽甾醇相57.7℃層列A*57.6℃層列C*傾斜角在30℃時(shí)為25°。自發(fā)極化為2nC/cm2。
例2用光刻工藝在鍍有透明導(dǎo)電的氧化錫銦的玻璃基底上刻圖，形成電極結(jié)構(gòu)。這種電極結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)體線路用來通過一個(gè)功能發(fā)生器(function generator)電驅(qū)動(dòng)顯示器，從而模擬薄膜晶體管的開關(guān)。以這種方式刻兩個(gè)玻璃板，形成顯示器的上下兩側(cè)--也就是說顯示器的支承板，這兩個(gè)玻璃板借助于一種粘合結(jié)構(gòu)而結(jié)合起來。層厚為1.3μm。小心地加熱，使粘合劑硬化。然后在100℃將例1的液晶混合物填入，然后緩慢地將該象元冷卻到60℃。在該溫度施加4V的直流電壓，然后繼續(xù)冷卻過程到22℃。然后關(guān)掉直流電壓。這樣就得到了單穩(wěn)單疇，在相交的偏振器之間完全呈黑暗狀。
然后將該象元接通振幅可變的方波脈沖，用光電二極管和示波器測量透明度。獲得的透明度值如下
在接通方波脈沖后，象元再次回到黑暗狀態(tài)(0％透明度)。
下表給出了從最大亮度到零亮度狀態(tài)的開關(guān)時(shí)間和弛豫時(shí)間，它們是所施加的方波電壓的函數(shù)
所有的值都是在22℃測得的。
例32-(4-己基羥苯基)-5-辛基嘧啶 按重量18.9％2-(4-癸基羥苯基)-5-辛基嘧啶 按重量24.5％2-(4-辛基羥苯基)-5-辛基嘧啶 按重量23.6％2-(2,3-二氟癸基-4′-戊基聯(lián)苯基-4-含氧基)-5-壬基嘧啶 按重量30.0％(S)-2-氧代癸基-[4-(5-癸基嘧啶-2-含氧基)苯基]醚 按重量3％相序是各向性80℃膽甾醇相60℃層列C*自發(fā)極化為1.7nC/cm2。
例4用光刻工藝在鍍有透明導(dǎo)電的氧化錫銦的玻璃基底上刻圖，形成電極結(jié)構(gòu)。這種電極結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)體線路用來通過一個(gè)功能發(fā)生器電驅(qū)動(dòng)顯示器，從而模擬薄膜晶體管的開關(guān)。以這種方式刻兩個(gè)玻璃板，形成顯示器的上下兩側(cè)--也就是說顯示器的支承板，這兩個(gè)玻璃板借助于一種粘合結(jié)構(gòu)而結(jié)合起來。層厚為1.3μm。小心地加熱，使粘合劑硬化。然后在100℃將例3的液晶混合物填入，然后緩慢地將該象元冷卻到63℃。在該溫度施加4V的直流電壓，然后繼續(xù)冷卻過程到22℃。然后關(guān)掉直流電壓。這樣就得到了單穩(wěn)單疇，在相交的偏振器之間完全呈黑暗狀。
然后將該象元接通振幅可變的方波脈沖，用光電二極管和示波器測量透明度。獲得的透明度值如下
在接通方波脈沖后，象元再次回到黑暗狀態(tài)(0％透明度)。
下表給出了從最大亮度到零亮度狀態(tài)的開關(guān)時(shí)間和弛豫時(shí)間，它們是所施加的方波電壓的函數(shù)
所有的值都是在22℃測得的。
權(quán)利要求
1.一種單穩(wěn)鐵電體有源點(diǎn)陣顯示器，其中含有一種單疇形式的液晶層，所述單疇具有單值定義的方向，該方向?yàn)閟mC*相層的法向z，其中，該方向與所述向列相或者膽甾醇相(N*相)的優(yōu)勢方向n形成大于5°的角。
2.如權(quán)利要求1所述的有源點(diǎn)陣顯示器，其中，所述smC*相層的法向z與所述向列相或者膽甾醇相(N*相)的優(yōu)勢方向n之間的夾角為所述smC*傾斜角的0.5到1.0倍。
3.如權(quán)利要求1或2所述的有源點(diǎn)陣顯示器，其中，所述鐵電液晶層具有下述相序I*-N*-smC*其中，在所述N*相和smC*相之間可以有一個(gè)層列A*相，其存在范圍最大為2℃。
4.如權(quán)利要求1到3之任何一項(xiàng)所述的有源點(diǎn)陣顯示器，其中，所述鐵電液晶相的自發(fā)極化小于15nC/cm2。
5.如權(quán)利要求1到4之任何一項(xiàng)所述的有源點(diǎn)陣顯示器，其中，在所述液晶層中，在向?qū)恿邢噢D(zhuǎn)變的溫度以上至少2℃的溫度范圍內(nèi)，所述手征向列或者膽甾醇相的間距大于50μm。
6.生產(chǎn)如權(quán)利要求1到5之任何一項(xiàng)所述的有源點(diǎn)陣顯示器的方法，其中，在有源點(diǎn)陣顯示器的上消光基板和下消光基板之間的空間中引入所述液晶層，所述上下基板的消光方向基本上平行，從各向同性相開始冷卻所述液晶相，至少在從N*到smC*或者從N*到smA*到smC*的相轉(zhuǎn)變過程中，向所述顯示器施加一個(gè)直流電壓。
7.一種可按照權(quán)利要求6所述的方法制造的有源點(diǎn)陣顯示器。
8.如權(quán)利要求1到5和7所述的有源點(diǎn)陣顯示器在TV、HDTV或者多媒體領(lǐng)域或者信息處理領(lǐng)域的用途。
9.如權(quán)利要求8所述的在筆記本個(gè)人電腦、個(gè)人數(shù)字化輔助設(shè)備和臺式監(jiān)視器中的用途。
全文摘要
一種單穩(wěn)鐵電體有源點(diǎn)陣顯示器,其中含有一種單疇形式的液晶層,所述單疇具有單值定義的方向,該方向?yàn)閟mC
文檔編號G02F1/13GK1305604SQ99807524
公開日2001年7月25日 申請日期1999年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月20日
發(fā)明者漢斯－羅爾夫·杜巴爾, 萊恩·文恩, 野中敏章 申請人:阿溫提斯研究技術(shù)兩合公司