專利名稱：鐵電液晶裝置排列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)鐵電液晶裝置排列。
液晶顯示器是眾所周知的。它們通常包括一個(gè)由保持在兩個(gè)玻璃壁之間的一薄層液晶材料構(gòu)成的液晶盒。這些盒壁上帶有透明電極，這些電極在液晶層上施加一個(gè)電場(chǎng)以使液晶分子重新取向。許多顯示器中的液晶分子采取兩種分子排列狀態(tài)中的一種。信息由處于一種狀態(tài)的的液晶區(qū)域與處于另一種狀態(tài)的區(qū)域?qū)Ρ榷@示。一種已知的顯示器是由在一個(gè)壁上的行電極與在另一個(gè)壁上的列電極之間的交叉區(qū)域形成的象素或顯示單元矩陣構(gòu)成的。這種顯示器常常通過(guò)向連續(xù)的行電極和列電極施加電壓而以多路轉(zhuǎn)換形式進(jìn)行尋址。
液晶材料有三種基本類型，向列相液晶、膽甾相液晶和近晶相液晶，它們分別具有不同的分子排列。
本發(fā)明涉及手性近晶相液晶材料，特別是涉及鐵電液晶相液晶材料。使用這種材料的液晶裝置包括表面穩(wěn)定鐵電液晶(SSFLC)裝置。這些液晶盒能夠表現(xiàn)出雙穩(wěn)定性，即當(dāng)由正負(fù)電壓脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)液晶分子，更準(zhǔn)確地說(shuō)是分子偶極子處于兩種排列狀態(tài)中的一種，并且當(dāng)電壓去掉后保持在所轉(zhuǎn)換的狀態(tài)。這種行為部分地依賴于表面排列性質(zhì)。當(dāng)有一個(gè)交流偏壓存在時(shí)所轉(zhuǎn)換的狀態(tài)就可以是穩(wěn)定的，所說(shuō)偏壓可以是由多路轉(zhuǎn)換尋址裝置中的數(shù)據(jù)(列)電壓提供的。另一種類型的鐵電液晶盒(FELCD)為電診斷裝置。如在N.A.Clark & S.T.Lagerwall，應(yīng)用物理通信36(11)，1980年，899-901頁(yè)和US-4367924中對(duì)于SSFLC就有介紹。另一種類型是反鐵電裝置(參考文獻(xiàn)A.Fukuda等人，化學(xué)材料雜志，(1994)4，7，997-1016頁(yè))。
鐵電液晶的排列通常是采用摩擦聚合物排列處理方法實(shí)現(xiàn)的，但是這種方法存在一些局限。這些缺陷包括會(huì)弄臟液晶盒、由于平面內(nèi)的電極放電造成的電損傷以及預(yù)傾角和錨定的均勻性。另一種已知的排列處理方法是斜蒸技術(shù)，如SiO斜蒸技術(shù)。這種方法難以對(duì)大面積顯示器實(shí)施。
可以看到，如果所采用的排列造成高溫膽甾相液晶分子的傾斜，那么在鐵電相中就會(huì)形成主要(鋸齒形)的無(wú)缺陷的排列。這可能是由于表面預(yù)傾角和表面(頂點(diǎn)和方位)錨定能量之間的平衡能夠?qū)е略诠ぷ鳒囟认鲁霈F(xiàn)C1或C2人字紋。為了能夠使給定液晶的平衡達(dá)到最佳，理論上必須能夠有控制地和獨(dú)立地改變表面預(yù)傾角和錨定能量。當(dāng)所有這些特性都在同一物理相互作用中體現(xiàn)時(shí)，用摩擦聚合物的方法是難以實(shí)現(xiàn)的。
對(duì)于某些液晶材料，排列可能對(duì)這個(gè)平衡是非常敏感的，所以需要在表面上具有預(yù)傾角和錨定能量的良好的均勻性，用摩擦排列技術(shù)并不總能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
此外，在某些FLC裝置中那些彼此平行或偏轉(zhuǎn)所需的角度的分子準(zhǔn)確地排列在選定方向(在膽甾相中確定的)是關(guān)鍵的。而這用常規(guī)排列方法是非常難以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闊o(wú)法在表面上形成容易觀察得到的方向。
根據(jù)本發(fā)明通過(guò)在液晶盒壁的內(nèi)表面上使用光柵解決了上述問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明，一種液晶盒包括一層封閉在兩個(gè)盒壁之間的近晶相液晶材料，在各個(gè)盒壁的內(nèi)表面上帶有電極結(jié)構(gòu)，各個(gè)表面經(jīng)過(guò)處理以使表面上的液晶材料形成排列，其特征在于在至少一個(gè)盒壁上具有光柵表面排列結(jié)構(gòu)。
可取的是該光柵表面排列結(jié)構(gòu)能夠獨(dú)立地控制排列錨定強(qiáng)度和液晶表面傾角，從而可以使整個(gè)液晶層的液晶材料分子偶極子形成所需的傾斜。
較大的方位錨定能量可以用于C2鐵電液晶材料，而較弱的方位錨定能量可以用于C1鐵電或反鐵電液晶材料。
光柵表面可以是一個(gè)單光柵或一個(gè)雙光柵，并且可以是對(duì)稱或不對(duì)稱(炫耀的)光柵的任意結(jié)合。兩個(gè)盒壁之間的光柵的角度可以是基本平行的，或是不平行的。具有至少一個(gè)不對(duì)稱(炫耀的)光柵的雙光柵可以同時(shí)形成表面排列和表面預(yù)傾角。兩者可以這樣設(shè)置，使得在高溫長(zhǎng)螺距膽甾相中，液晶分子具有傾斜結(jié)構(gòu)。
液晶材料可以是在正常工作溫度下具有鐵電液晶相的一種材料，特別是那些在高溫下顯示出較少有序的液晶相，例如近晶相A和膽甾相液晶。
在這個(gè)意義上說(shuō)，雙光柵表面就是可以描述成下式的表面Y(x，y)＝Y(jié)(x＋mkx，y＋nky)其中Y是描述表面幅度的函數(shù)，m和n為整數(shù)，kx，ky為周期數(shù)。單個(gè)光柵在主方向x和y之一是恒定不變的。炫耀調(diào)制，例如說(shuō)在x-方向，定義為一個(gè)表面，在這個(gè)表面上不存在一個(gè)h值使得Y(h－x)＝Y(jié)(h＋x)對(duì)于所有的x值，這個(gè)定義可以簡(jiǎn)單地應(yīng)用于其它主調(diào)制(光柵)方向(y)。
非炫耀(對(duì)稱)雙光柵表面的一個(gè)例子是由下式表示的雙正弦結(jié)構(gòu)的光柵Y＝a1sinkxx＋a2sinkyy如果a1或a2之一被設(shè)為零，那么就復(fù)原為一個(gè)單光柵。
為了在一個(gè)雙光柵表面實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)定排列，在較高溫膽甾相(或近晶相A)中必須使一個(gè)光柵調(diào)制作用在能量上超過(guò)另一個(gè)；即a12kx3＞a22ky3。如果在兩個(gè)其主方向基本平行設(shè)置的光柵表面之間存在一種液晶，它具有長(zhǎng)螺距膽甾相-(近晶相A)-鐵電近晶相的相序列，那么對(duì)膽甾相加熱會(huì)形成單穩(wěn)定排列，當(dāng)冷卻為鐵電近晶相時(shí)就得到排列得非常好的一種液晶。
該雙光柵可以是采用干涉圖方法，例如M.C.Hutley，衍射光柵(學(xué)術(shù)出版社，倫敦，1982，95-125頁(yè))；或照相制版方法，例如F.Horn，物理世界，33(1993年三月)形成的光聚合物成型層。該雙光柵也可以是采用壓紋技術(shù)，M.T.Gale，J.Kane和K.Knop，應(yīng)用照相制版工程雜志，42，41(1978)，或刻劃技術(shù)；E.G.Loewen和R.S.Wiley，Proc SPIE，815，88(1987)，或采用載體層轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)形成。
一個(gè)或兩個(gè)盒壁可以是由相對(duì)厚的非柔性材料如玻璃制成，或者一個(gè)或兩個(gè)盒壁可以是由柔性材料如一薄層玻璃或塑料如聚丙烯制成。塑料盒壁可以使其內(nèi)表面形成壓紋以構(gòu)成一個(gè)光柵。此外，壓紋還可以形成小支柱(例如1-3μm高和5-50μm或更寬)用以幫助盒壁之間的正確分隔，當(dāng)盒壁彎曲時(shí)還可以構(gòu)成液晶材料流的屏障。這些支柱也可以由排列層材料構(gòu)成。
現(xiàn)在將通過(guò)實(shí)施例，參照附圖介紹本發(fā)明的一種形式，在附圖中


圖1為可多路轉(zhuǎn)換尋址矩陣液晶顯示器；圖2為圖1所示顯示器的橫截面圖；圖3為用于制造盒壁上光柵表面的示意圖；圖4為用于制造光柵排列表面的另一種裝置的示意圖；圖5-12表示了盒壁上光柵的各種結(jié)構(gòu)。
圖1、2所示的顯示器包括一個(gè)由包含在玻璃盒壁3、4之間的一層鐵電液晶材料2構(gòu)成的液晶盒1。材料2在較高溫度相，例如近晶相C，近晶相A，長(zhǎng)螺距膽甾相隨著溫度的提高有序程度較差。長(zhǎng)螺距膽甾相可以定義為螺距大于層厚的膽甾相。分隔環(huán)5一般保持盒壁分開(kāi)2μm。
此外，在液晶材料中散布由許多2μm直徑的珠粒以保持盒壁之間精確的間隔。在一個(gè)盒壁4上形成由條形的行電極6例如SnO2或ITO電極，而在另一個(gè)盒壁3上形成由相似的列電極7。這m-行和n-列電極構(gòu)成了一個(gè)可尋址單元或象素的m，n矩陣。每個(gè)象素是由一個(gè)行電極和一個(gè)列電極的交叉點(diǎn)形成的。
行驅(qū)動(dòng)器8向每個(gè)行電極6施加電壓。同樣列驅(qū)動(dòng)器9向每個(gè)列電極7施加電壓。施加電壓的控制是由一個(gè)控制邏輯電路10完成的，該控制邏輯電路從電壓源11得到能量，從一個(gè)時(shí)鐘12得到時(shí)鐘信號(hào)。
液晶盒1的兩側(cè)為偏振片13、13’。常規(guī)的表面穩(wěn)定鐵電雙穩(wěn)裝置在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，所說(shuō)穩(wěn)定狀態(tài)在由摩擦方向促進(jìn)形成的表面排列方向的其中一側(cè)形成排列。對(duì)于本發(fā)明的裝置，兩個(gè)液晶盒壁3、4都具有雙光柵排列結(jié)構(gòu)，并在光柵主要方向的其中一側(cè)具有排列結(jié)構(gòu)的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。偏振片13、13’的偏振軸彼此正交，同時(shí)一個(gè)偏振片的偏振軸平行于兩個(gè)(轉(zhuǎn)換的)穩(wěn)定狀態(tài)排列方向之一。
在液晶盒1后面可以設(shè)置一個(gè)部分反射鏡16和一個(gè)光源15。這使得可以利用反射看到顯示和在昏暗的環(huán)境中從后面照亮。對(duì)于透射裝置，這個(gè)鏡子可以省略。
在裝配圖1、2所示的液晶盒之前，至少一個(gè)液晶盒經(jīng)過(guò)表面處理以形成一個(gè)光柵；另一個(gè)盒壁也可以具有一個(gè)雙光柵或一個(gè)單光柵或經(jīng)過(guò)常規(guī)的例如摩擦排列處理。用于制作這個(gè)雙光柵的裝置表示在圖3中。
如圖3所示，來(lái)自一個(gè)氬離子激光器21的光20用一個(gè)第一透鏡22聚焦到一個(gè)固定的第一漫射片23和一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的第二漫射片24。一個(gè)第二透鏡25將已經(jīng)散開(kāi)的激光束重新匯聚到一個(gè)半鍍鋁的分光器26。光線從該分光器26反射到一個(gè)第一鏡面27上，然后照射到由一個(gè)支架29支撐的基片28上。從分光器26透射的光被從一個(gè)第二鏡面30和一個(gè)第三鏡面31反射到該基片上。于是基片28接受來(lái)自第一鏡面27和第三鏡面31的兩束光20a、20b，形成穩(wěn)定的條紋圖形。條紋圖形的間距取決于來(lái)自第一和第三鏡面27，31的兩束光20a、20b。
利用圖3所示的裝置可以按如下所述制作正弦(對(duì)稱)雙光柵例1在丙酮和異丙醇中清洗構(gòu)成液晶盒壁的涂覆ITO的玻璃片28，然后以4000rpm旋覆光聚酰亞胺(Nissan RN901)20秒鐘以使涂覆厚度達(dá)到1.2μm。然后將其在80℃下軟態(tài)烘30分鐘。之后將樣品28在由圖3所示的氬離子激光器21(波長(zhǎng)為457.9nm)產(chǎn)生的光干涉條紋中曝光。
將樣品28在1.5mW/cm2的能量密度下曝光90秒鐘。將樣品28從支架29上取下，旋轉(zhuǎn)90°，重新放置好后再曝光90秒鐘。然后將其浸入微定位MF319顯影液中顯影60秒鐘，其后在去離子水中漂洗30秒鐘。最后經(jīng)過(guò)在170℃下烘烤60分鐘，在350℃下烘烤30分鐘使光聚酰亞胺發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。這樣得到的樣品就包含一個(gè)表面凹凸的雙光柵，其中兩個(gè)主調(diào)制方向彼此成90°角。但是，對(duì)于某些特殊用途調(diào)制方向彼此之間的角度小于90°，例如45°可能是有利的。
上述的技術(shù)可以用于單個(gè)或雙非炫耀光柵。圖4中表示了制作其中一個(gè)主調(diào)制方向?yàn)殪乓碾p光柵的一種簡(jiǎn)單技術(shù)。
帶有銦錫氧化物薄電極36的基片35上涂覆有一種光聚物37如Ciba Geigy 343。在聚合物37之上是由在一個(gè)玻璃片40上的鉻圖紋39形成的掩膜38。鉻圖紋是雙光柵照相制版掩膜的圖紋。一個(gè)汞燈41以與掩膜表面非正交的角度照射掩膜38。這種在由掩膜法線和掩膜主方向之一所定義的平面內(nèi)的離軸照射確保了在一個(gè)方向得到炫耀光柵輪廓而在其它主方向上得到非炫耀輪廓(在QZ3301中顯影和在QS3312中清洗之后)。不在由掩膜法線和一個(gè)主方向所定義的平面內(nèi)的離軸照射則形成在兩個(gè)主方向上都是炫耀輪廓的雙光柵。
下面的圖5-12表示了在一個(gè)液晶盒中光柵的不同設(shè)置。
圖5示意性表示了對(duì)稱(非炫耀)和不對(duì)稱(炫耀)光柵輪廓，其中用雙箭頭表示對(duì)稱結(jié)構(gòu)，而用單箭頭表示炫耀方向。
圖6表示基本平行排列的兩個(gè)單光柵表面(在相同或相反方向)。陰影橢圓表示在較高溫膽甾相的各個(gè)平面中得到的液晶偶極子排列。在例如一種膽甾相中偶極子排列的同一方向，表面預(yù)傾角為零。
圖7表示兩個(gè)光柵表面，上壁具有非炫耀光柵(垂直箭頭)和輔助其它光柵的任意一個(gè)第二非炫耀光柵(用虛線表示的水平方向)。這導(dǎo)致偶極子排列如圖所示，在上壁表面為水平排列，表面傾角為零。下表面上的雙光柵是類似的。這兩個(gè)雙光柵基本形成了較高溫膽甾相中液晶分子的非扭曲、單穩(wěn)定排列。
圖8表示在上表面形成排列和零表面傾角的一個(gè)雙光柵。其下表面具有一個(gè)對(duì)稱光柵和一個(gè)炫耀光柵。該對(duì)稱光柵是主要的，因此液晶偶極子呈水平排列，但是具有由于炫耀光柵形成的表面傾角。
圖9表示兩個(gè)類似的雙光柵，在兩個(gè)液晶盒壁上的一個(gè)對(duì)稱光柵和一個(gè)不對(duì)稱光柵；對(duì)稱光柵是主要的。這些光柵形成了排列方向和表面傾角，在膽甾相中形成了傾斜的偶極子結(jié)構(gòu)。
圖10與圖9相似，但是下表面上的炫耀方向與上表面的炫耀方向相反。這些光柵基本形成了較高溫膽甾相液晶分子的非扭曲、單穩(wěn)定排列。
圖11表示兩個(gè)彼此方位存在偏差的單光柵或雙光柵表面，從而該液晶盒將使膽甾相液晶材料排列為單穩(wěn)定扭曲狀態(tài)。偏轉(zhuǎn)角可以調(diào)整以使在一種人字紋層結(jié)構(gòu)中的鐵電液晶中的半傾斜狀態(tài)穩(wěn)定或不穩(wěn)定。
圖11b表示兩個(gè)雙光柵表面，，每個(gè)表面對(duì)于與該表面接觸的膽甾相液晶分子具有兩種優(yōu)選的排列狀態(tài)。在每個(gè)雙光柵中的兩個(gè)光柵具有相同的形成這兩個(gè)優(yōu)選的排列方向的錨定能量。該雙光柵是彼此偏轉(zhuǎn)設(shè)置的，以在膽甾相中形成基本均勻的單穩(wěn)定排列。每個(gè)表面上的雙穩(wěn)態(tài)之間的夾角是可以調(diào)整的以使在一種人字紋層結(jié)構(gòu)中的鐵電液晶中的半傾斜狀態(tài)穩(wěn)定或不穩(wěn)定。
圖12表示兩個(gè)雙光柵表面，每個(gè)都具有兩個(gè)炫耀的主方向，以在較高溫膽甾相中形成基本無(wú)扭曲的排列。兩個(gè)雙光柵都形成排列和表面傾角。所示的實(shí)施例具有兩個(gè)在相同方向平行的炫耀方向，而另外兩個(gè)(主要的)則在相反方向平行；這使得人字紋狀態(tài)以及半傾斜狀態(tài)的穩(wěn)定性可以調(diào)整。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是錨定能量與排列方向在兩個(gè)液晶盒壁上的相反方向可以是不對(duì)稱的。
權(quán)利要求
1.一種液晶裝置，包括一層包含在兩個(gè)液晶盒壁之間的近晶相液晶材料，兩個(gè)盒壁的內(nèi)表面上帶有電極結(jié)構(gòu)，每個(gè)表面都經(jīng)過(guò)處理以使表面上的液晶材料形成排列，其特征在于在至少一個(gè)盒壁上具有光柵表面排列結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說(shuō)光柵表面是一個(gè)單光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說(shuō)光柵表面是一個(gè)雙光柵。
4.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于至少一個(gè)光柵表面是對(duì)稱的。
5.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于至少一個(gè)光柵表面是不對(duì)稱的。
6.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于兩個(gè)盒壁上由所說(shuō)光柵構(gòu)成的表面排列方向是基本平行的。
7.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于兩個(gè)盒壁上由所說(shuō)光柵構(gòu)成的各表面排列方向彼此之間具有非零夾角。
8.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說(shuō)液晶材料是在較高溫下至少為近晶相A或膽甾相的一種鐵電液晶。
9.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說(shuō)液晶材料是隨著溫度的降低為以下液晶相的鐵電液晶-各向同性-膽甾相-近晶相A-手性近晶相或各向同性-膽甾相-手性近晶相。
10.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于兩個(gè)液晶盒壁具有雙光柵表面，這兩個(gè)光柵設(shè)置用于在較高溫液晶相時(shí)在整個(gè)液晶層上形成傾斜分子排列。
11.如權(quán)利要求10所述的液晶裝置，其特征在于所說(shuō)雙光柵是采用干涉圖方法、照相制版技術(shù)、壓紋技術(shù)、刻劃技術(shù)、或載體轉(zhuǎn)換技術(shù)形成的一層結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說(shuō)盒壁是由玻璃材料構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說(shuō)盒壁是由柔性塑料制成。
14.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于在一個(gè)或兩個(gè)盒壁上形成由分隔支柱。
15.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于由構(gòu)成光柵的材料在一個(gè)或兩個(gè)盒壁上形成分隔支柱。
全文摘要
一種鐵電液晶裝置包括包含在兩個(gè)液晶盒壁之間的一層鐵電液晶材料，兩個(gè)盒壁上具有電極結(jié)構(gòu)和表面排列處理結(jié)構(gòu)。表面排列是由在至少一個(gè)盒壁上具有一定輪廓形狀的表面，例如一個(gè)光柵所形成的。該光柵可以是具有對(duì)稱或不對(duì)稱輪廓的一個(gè)單光柵或一個(gè)雙光柵。這樣一種構(gòu)型可使表面傾角和排列錨定能量獨(dú)立調(diào)整以適合不同的液晶材料和液晶盒類型，從而形成所需的分子排列和較少的液晶盒故障。該光柵可以采用干涉圖方法、照相制版技術(shù)、壓紋技術(shù)、刻劃技術(shù)、或載體層轉(zhuǎn)移技術(shù)制成。液晶盒上的排列方向可以是平行的或不平行的。兩個(gè)盒壁的表面傾角可以是相同值或不同值。液晶盒壁可以是相對(duì)剛性的，例如玻璃片，或柔性的，例如薄的塑料，其內(nèi)表面可以制成壓紋結(jié)構(gòu)以構(gòu)成光柵，或者同時(shí)構(gòu)成光柵和一組分隔支柱。
文檔編號(hào)G02F1/141GK1145122SQ95192470
公開(kāi)日1997年3月12日 申請(qǐng)日期1995年1月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月9日
發(fā)明者G·P·布賴恩-布朗, D·G·麥唐奈爾, M·J·陶勒, J·C·瓊斯 申請(qǐng)人:英國(guó)國(guó)防部