單穩鐵電體有源點陣顯示器的製作方法

2023-05-26 16:20:51 2

專利名稱：單穩鐵電體有源點陣顯示器的製作方法
用平面屏幕取代陰極射線管(顯像管)所需的顯示技術需要同時達到高圖像解析度即高於1000線的解析度，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，並且要能夠經濟地生產。迄今，還沒有任何技術能夠同時滿足這些要求。
許多製造商已經開發出了基於向列液晶的屏幕，並在近年來用於筆記本電腦、個人數字輔助設備和桌面監視器。他們利用了STN(超級絞合向列)技術、AM-TN(絞合向列有源點陣)技術、AM-IPS(平面開關有源點陣)技術以及AM-MVA(多疇垂直排列有源點陣)技術，這些技術在文獻中有大量的描述，例如可見T.Tsukuda,TFT/LCD:Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors(薄膜電晶體尋址液晶顯示器)，Gordon and Breach 1996,ISBN 2-919875-01-9以及其中所引的文獻；SID Symposium(信息顯示學會論文集)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。另外，他們還利用了PDP(等離子體顯示板)技術、PALC(液晶尋址等離子體)技術、ELD(場致發光顯示器)技術和FED(場致發射顯示器)技術，這些技術在上面所引的SID報告中也有說明。
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)而形成的光電開關或顯示元件的開關時間與傳統的TN(絞合向列)象元相比，可快到1000倍，又見EP-A 0 032 362。基於此以及其他的有用特徵，例如能夠實現雙穩開關，並且對比度實際上與視角無關，FLC從根本上適合比如計算機顯示器和電視機應用領域，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。
FLC在光電元件或者純光學元件中的使用或者需要形成層列相併且本身旋光的化合物，或者需要向形成所述層列相但本身並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，所需的相應當在儘可能寬的溫度範圍穩定。
LC(液晶)顯示器的各個像素通常布置為x-y點陣，該點陣由沿著顯示器下側面或者上側面的行和列布置的各電極(導體線路)序列形成。水平的(行)和垂直的(列)電極的交點即構成可尋址的像素。
像素的這種布置通常稱為無源點陣。為了尋址的目的，已經開發出了各種複合機制，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。無源點陣尋址的好處是顯示器的生產更簡單，因而生產成本低。但其缺點是，無源尋址只能一線一線地進行，這就導致具有N線的整個屏幕的尋址時間是每線尋址時間的N倍。例如在HDTV標準(高清晰度電視，1152線)中，對於約為50微秒的一般線尋址時間來說，就意味著屏幕尋址時間約為60毫秒，也就是說，最大幀頻約為16Hz。這個頻率對於運動圖像的顯示來說太低了。另外，灰色調的顯示比較困難。在於法國布雷斯特召開的FLC大會(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文摘)，Brest/France)上，Mizutani et al.提出了一種具有數位化灰色調的無源FLC顯示器，其中，每一個RGB像素(RGB=紅，綠，藍)被分為子像素，從而能夠通過部分開關數字式顯示灰色調。利用三原色(紅綠藍)的N個灰色調，能夠產生3N種顏色。這種方法的缺點是所需的屏幕驅動線路大量增加，從而加大了成本。在布雷斯特所展示的屏幕中，所需的驅動線路三倍於無數字灰色調的普通FLC顯示器的驅動線路。
在所謂的有源點陣技術(AMLCD)中，通常在非結構化基底上結合一個有源點陣基底。在該有源點陣基底的每一個像素中，集成一個電學非線性元件，例如一個薄膜電晶體。該非線性元件也可以是二極體、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，在有關的文獻中有描述，例如見T.Tsukuda,TFT/LCD:LiquidCrystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors(薄膜電晶體尋址液晶顯示器)，Gordon and Breach 1996,ISBN 2-919875-01-9，以及其中所引的文獻。
有源點陣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)模式下操作。在每一種情況下，所述有源點陣在每一個像素處產生獨特的電場強度，導致取向的改變，進而改變雙折射性，這種改變在偏振光下可以看見。這些方法的一個嚴重的缺陷是由於向列液晶過長的開關時間，導致顯像能力差。
因為這些以及其他一些原因，提出了基於鐵電液晶材料和有源點陣元件的結合的液晶顯示器，例如見WO 97/12355或者Ferroelectrics(鐵電體學)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「準書架結構」(QBG)和一種TFT(薄膜電晶體)有源點陣的一種組合，同時實現了高的開關速度、灰色調和高透明度。但是，所述QBG在寬的溫度範圍上不穩定，因為向列層厚對溫度的依賴性會破壞或者旋轉所述場致層結構。另外，Hartmann利用了一種具有超過20nC/cm2的自發極化的FLC材料，這種材料在像素的實際尺寸例如為0.01mm2的情況下，能導致巨大的電荷(飽和時Q=2AP，其中A=像素麵積，P=自發極化)，使用生產起來比較經濟的無定形矽TFT時，所述電荷在TFT的動作時間(opening time)之內不能到達像素。因為這些原因，這裡不繼續討論這種技術。
在Hartmann利用電荷控制雙穩性來顯示實際連續的灰度級時，Nito et al.提出了一種單穩FLC結構,見Journal of the SID,1/2,1993，頁163-169，其中，FLC材料藉助於相對較高的電壓進行定向，使得只形成一種穩定狀態，從該穩定狀態，通過薄膜電晶體施加電場，即產生許多中間狀態。當象元結構配合在相交的偏振器之間時，這些中間狀態就對應於許多不同的亮度級(灰色調)。
但是，這種方法的一個缺點是顯示器會產生條紋狀紋理，限制了象元的對比度和亮度(見上文所引文獻的圖8)。儘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模生產，並且通常不能形成對溫度穩定的結構。另外，這種方法的開關角範圍最多為傾斜角(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％。
本發明的目的是提供一種鐵電體有源點陣液晶顯示器，其中含有鐵電液晶混合物，其中，液晶混合物呈單穩態但並不形成條紋狀紋理，對溫度穩定，並使得顯示器能夠達到非常高的透明度和非常高的對比度。
按照本發明，上述目的是通過一種單穩鐵電體有源點陣顯示器實現的，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，該方向為smC*相層的法向z，該方向與所述向列相或者膽甾醇相(N*相)的優勢方向n形成大於5°的角。
本發明的所述有源點陣FLCD含有作為旋光層的鐵電液晶介質(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*相的存在範圍(相範圍)最大為2℃，最好至多為1℃，尤其是0.5℃。前述相符號上的星號(*)表示涉及手徵相。
所述顯示器的生產方法最好是這樣的在有源點陣顯示器的上消光(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*的相轉變過程中，向所述顯示器施加一個直流電壓。
FLC混合物填充到了有源點陣顯示器中。這種AM顯示器的生產及其部件在上文所引的Tsukuda的文獻中有大量的說明。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。
然後，對這種顯示器的功能重要的是，在顯示器的生產過程中，在受控冷卻時，要施加一個最好低於5V的直流電壓，並在從N*到smC*或者從N*到smA*到smC*的相轉變過程中維持。這樣就使得整個顯示器呈單穩單疇態，在相交的偏振器之間看起來完全黑暗。
一旦獲得所述單疇，就關掉直流電壓。這樣獲得的結構是單穩的，與上文所引的Hartmann方法以及傳統的雙穩FLCD不同。這意味著所述優勢方向n方向子(director)(指示縱向分子軸的優勢方向)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勢方向)相對於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的普通雙穩象元恰恰相反，在普通雙穩象元方案中，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法向，從而不存在最終導致上述幹擾性條紋狀紋理的兩個定向疇，而僅有所述z方向子的一個單值方向，因而只有一個單疇。而且，可以獲得兩倍於所述傾斜角的交角，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角時看起來完全黑暗。當施加僅僅幾伏的驅動電壓時就開始發亮，亮度可藉助於電壓連續變化，在飽和狀態，實際亮度就是兩平行偏振片的亮度效果。這種顯示器的一個重要特徵，是所述向列相(或者膽甾醇相)的優勢方向與層法向(z方向子)之間的角度理想地等於所述層列C相的傾斜角，或者至少基本上等於該傾斜角。「基本上」在本發明中的意思是值的範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°。
本發明的所述鐵電體有源點陣液晶顯示器具有很高的實用性，尤其是對於TV和HDTV或者多媒體，因為其結合了高透明度、短開關時間、灰度級從而全彩色能力、低成本生產和寬溫度範圍。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。
本發明的有源點陣FLCD的自發極化最好小於15nC/cm2，在顯示器的工作溫度下，自發極化最好在0.01到10nc/cm2的範圍內。
在液晶層中，在向層列相轉變的溫度以上至少2℃的溫度範圍內，所述手徵向列或者膽甾醇相的間距大於50μm。
特別地，本發明的有源點陣顯示器也可以是一種LCD，其兩個基板之一用一集成電路片的背側取代，例如D.M.Walba,Science270,250-251(1995)所述的。
所述顯示器可用在例如TV、HDTV或者多媒體領域，或者用於信息處理領域，例如用在筆記本個人電腦，個人數位化輔助設備或者臺式監視器中。
以下的例子用來更加詳細地說明本發明。
例子例1製備具有下列組成的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℃時為25°。自發極化為2nC/cm2。
例2用光刻工藝在鍍有透明導電的氧化錫銦的玻璃基底上刻圖，形成電極結構。這種電極結構的透明導體線路用來通過一個功能發生器(function generator)電驅動顯示器，從而模擬薄膜電晶體的開關。以這種方式刻兩個玻璃板，形成顯示器的上下兩側--也就是說顯示器的支承板，這兩個玻璃板藉助於一種粘合結構而結合起來。層厚為1.3μm。小心地加熱，使粘合劑硬化。然後在100℃將例1的液晶混合物填入，然後緩慢地將該象元冷卻到60℃。在該溫度施加4V的直流電壓，然後繼續冷卻過程到22℃。然後關掉直流電壓。這樣就得到了單穩單疇，在相交的偏振器之間完全呈黑暗狀。
然後將該象元接通振幅可變的方波脈衝，用光電二極體和示波器測量透明度。獲得的透明度值如下
在接通方波脈衝後，象元再次回到黑暗狀態(0％透明度)。
下表給出了從最大亮度到零亮度狀態的開關時間和弛豫時間，它們是所施加的方波電壓的函數
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*自發極化為1.7nC/cm2。
例4用光刻工藝在鍍有透明導電的氧化錫銦的玻璃基底上刻圖，形成電極結構。這種電極結構的透明導體線路用來通過一個功能發生器電驅動顯示器，從而模擬薄膜電晶體的開關。以這種方式刻兩個玻璃板，形成顯示器的上下兩側--也就是說顯示器的支承板，這兩個玻璃板藉助於一種粘合結構而結合起來。層厚為1.3μm。小心地加熱，使粘合劑硬化。然後在100℃將例3的液晶混合物填入，然後緩慢地將該象元冷卻到63℃。在該溫度施加4V的直流電壓，然後繼續冷卻過程到22℃。然後關掉直流電壓。這樣就得到了單穩單疇，在相交的偏振器之間完全呈黑暗狀。
然後將該象元接通振幅可變的方波脈衝，用光電二極體和示波器測量透明度。獲得的透明度值如下
在接通方波脈衝後，象元再次回到黑暗狀態(0％透明度)。
下表給出了從最大亮度到零亮度狀態的開關時間和弛豫時間，它們是所施加的方波電壓的函數
所有的值都是在22℃測得的。
權利要求
1.一種單穩鐵電體有源點陣顯示器，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，該方向為smC*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)的優勢方向n形成大於5°的角。
2.如權利要求1所述的有源點陣顯示器，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.如權利要求1或2所述的有源點陣顯示器，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*相之間可以有一個層列A*相，其存在範圍最大為2℃。
4.如權利要求1到3之任何一項所述的有源點陣顯示器，其中，所述鐵電液晶相的自發極化小於15nC/cm2。
5.如權利要求1到4之任何一項所述的有源點陣顯示器，其中，在所述液晶層中，在向層列相轉變的溫度以上至少2℃的溫度範圍內，所述手徵向列或者膽甾醇相的間距大於50μm。
6.生產如權利要求1到5之任何一項所述的有源點陣顯示器的方法，其中，在有源點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*的相轉變過程中，向所述顯示器施加一個直流電壓。
7.一種可按照權利要求6所述的方法製造的有源點陣顯示器。
8.如權利要求1到5和7所述的有源點陣顯示器在TV、HDTV或者多媒體領域或者信息處理領域的用途。
9.如權利要求8所述的在筆記本個人電腦、個人數位化輔助設備和臺式監視器中的用途。
全文摘要
一種單穩鐵電體有源點陣顯示器,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,該方向為smC
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 優先權日1998年5月20日
發明者漢斯－羅爾夫·杜巴爾, 萊恩·文恩, 野中敏章 申請人:阿溫提斯研究技術兩合公司