液晶電-光裝置的製作方法
2023-05-17 13:41:56 1
專利名稱：液晶電-光裝置的製作方法
專利說明 本發明屬於改進了的液晶電-光裝置，更具體說，屬於採用一種新的改進了的驅動方式的鐵電液晶裝置。
目前已經知道，在電-光顯示器的改型中使用了絞合向列液晶(twistednematicliquidcrystals)。所使用地是層狀液晶材料，並在靠近液晶層處作出陣列式電極排列，從而在液晶層中確定出一組象素。然而，由於相鄰象素在以多路時間方式工作期間存在串擾，因此，單位顯示面積上能起作用的象素數目，亦即象素密度，實際上是受到限制的。
這種顯示器中的開關作用可以用多個為各象素配置的薄膜電晶體完成，這種驅動排列稱之為有效陣列系統(activematrixsystem)。但是，因為製造方法複雜，很難製成大面積的顯示器，同時也難以降低成本。
為試圖克服現有裝置的上述缺點，Clerk等人在美國專利No.4367924中提出了一種鐵電液晶裝置。附
圖1是一說明性的原理圖，示出在這種已有的裝置中液晶分子的作用。在一對玻璃基板11和11′之間放入鐵電液晶。每塊基板的內表面均鋪以由In2O3、SnO2或ITO(銦錫氧化物)製成的電極排列。兩基板間的液晶材料排列成使每一分子層12垂直於基板，如圖所示。該液晶物質的工作相為手性碟狀結構的C相(chiral smectic C)，所述材料可望於室溫下具有這種相。其液晶分子能取兩個穩定的狀態Ⅰ和Ⅱ，如圖2所示，這兩個狀態與液晶層的垂線成θ和-θ角傾斜。
分子在這兩種穩定狀態之間的轉換取決於垂直施加於基板的外部電場。以此方式，基於不同狀態的象素間具有不同的雙折射性就能形成可見的圖象。這種類型的顯示裝置的特點之一是其雙穩性，該雙穩性是由以下事實造成的每一液晶分子的狀態即使在所施加的電場移去後也會繼續保持，直到另一電場又以相反的方向施加其上為止。換句話說就是這種顯示裝置具有非易失性存儲元件的功能。
雖然由Clerk等人提出的這種裝置對於以高象素密度顯示非易失性信息的一種新類型的液晶裝置的改型似乎是適用的，然而從生產的觀點來看卻存在關鍵性的缺點。中間放有液晶材料的兩塊玻璃基板彼此必須間隔如此之小的距離，以保證螺旋形的液晶分子不致鬆脫。這樣，兩基板之間的間距必須為液晶分子螺旋形螺距的數量級，例如幾個微米或與其相當的間距。因此，這種類型的液晶裝置的性能對基板間的間距的一致性相當敏感。為此，可以預料，在大量製作這種裝置時，要保證這樣窄的縫隙的一致性將是十分困難的。
因此，本發明的目的是提供一種在大量製作過程中適用的一種液晶裝置。
為了完成上述的和其他的目的，本發明提出利用液晶材料的這樣一種分子排列其中液晶材料的分子排列成螺旋形，並可處於兩種穩定的光學各向異性狀態，如同Clerk等人的裝置一樣，但是，這兩種穩定態的轉換需經過一種中間態，在此狀態時，液晶分子重新排列成呈現一種光學各向同性的螺旋形結構。含有液晶材料層的兩基板之間的距離最好選擇成大於分子螺旋形螺距約一個數量級，更可取的是不小於螺距的5倍，以便保證螺旋形分子排列。然而，從以下例子的描述中可看出，只有製造出上述這樣的裝置，才能談得上使液晶分子達到這種狀態。
圖1為一說明圖，示出前面提到的Clerk等人類型的一種裝置中兩基板間的液晶分子。
圖2為一示意圖，示出Clerk等人類型的顯示器中液晶分子的兩種穩定狀態。
圖3是含有鐵電手性碟狀結構液晶材料的(ferroelectricchiralsmecticliquidcrystalmaterial)本發明液晶裝置的剖視圖。
圖4為一示意圖，示出研究本發明液晶裝置特性的一種系統。
圖5(A)和5(B)示出輸入到本發明液晶裝置上的鋸齒形電壓波形和響應輸入信號的被本裝置接收的輸出信號，該輸出信號反映出本裝置的透射率。圖5(C)是一幅研究本裝置特性的在示波器的CRT顯示器上示出的圖象。
圖6(A)和69B)示出輸入到本發明液晶裝置上的電壓脈衝序列和響應輸入信號的被本裝置接收的輸出信號，該輸出信號反映出本裝置的透射率。圖6(C)是一幅研究本裝置特性的在示波器的CRT顯示器上示出的圖象。
圖7(A)、7(B)、7(C)和7(D)為液晶材料分子排列的微觀照片，表明實施本發明時所用的驅動方式。
參看圖3，這裡以剖視圖來示出本發明的一種液晶顯示裝置。該裝置包括一對玻璃基板1和1′;第一組平行的電極條3，設置在基板1上，並以平行於圖紙平面側向延伸;第二組平行的電極條3′，設置在基板1′上，並以垂直於圖紙平面方向延伸;由聚醯亞胺樹脂製成的第一定向控制膜4;由SiO製成的第二定向控制膜4′;以及一定數量的酯類鐵電液晶材料5。
定向控制膜4和4′用於使液晶分子排列成行。通過電壓源7將電場加於第一和第二電極條3和3′之間。鐵電液晶材料是一種合成手性碟狀結構的C相液晶。第一和第二電極條3和3′合起來形成限定出一組象素的電極陣列。適當選取一種合用的樹脂以形成定向控制膜，就能提高需施加到液晶層上以完成轉換的信號的相對閾值電平。第一和第二定向控制膜4和4′是經過擦淨處理的。基板四周裝有密封件6，以防止液晶流失。標號2和7示出兩塊偏振片，配置在適當的方位上。
本裝置各部件的尺寸選擇只是為了解說方便，並不是真實的設計。雖然圖中未示出，但是用了一些隔離片，例如玻璃纖維片，放在基板之間，以使它們之間保持恆定的間隔。實際上，基板之間的距離可為20微米，每個電極條的寬度可為0.36mm，而相鄰兩條的間隔為0.04mm。實際合用的液晶材料的例子是這樣的材料在溫度範圍為-10℃到+70℃量級時表現出手性碟狀結構的C相。實驗結果表明，特別合用的材料是在上述溫區的高溫端呈現碟狀結構的A相。
按照一個舉例性的實施例，可用的一種液晶材料混合物，它至少包括一種可以下列通式表示的液晶材料
其中R代表一個烷基，它包括6-12個碳組分原子;R＊代表一種光活性基，它包括9-15個碳組分原子，其中至少包括一個不對稱碳原子;l是1或2。這些材料的一些例子如下 材料RlR＊ A C8H171
B C12H251 同上 C C10H212 同上 按照實驗，製備了一種含有上述三種液晶材料A、B和C的混合液晶物質。發現這種混合物的相變遵循Iso←(79℃)→SmA←(64℃)→SmC＊←(0.3℃)→晶體。將這種混合物放在基板間，如圖3所示，並在室溫下(23℃)用偏振顯微鏡觀察。這些條紋證實了螺旋形結構的存在。其螺距大約2.8微米。在旋轉其上放置有該液晶裝置的顯微鏡載物臺的同時，通過顯微鏡連續觀察液晶的情況，沒有發現光消失的特殊位置。然後，通過電極3和3′對液晶施加一電場，這時發現存在不透光的特殊方位。這種「黑態」即使在電場移去以後也還繼續存在，直到另一電場以相反方向施加為止。
用圖4所示的一個系統對穿過液晶裝置的光的強度進行測量。該系統包括雷射器11，放在一對偏振片15之間的試樣液晶裝置13，以及光檢測器17。來自電源19的輸入電壓加到該試樣裝置上，使該裝置中的液晶材料承受一垂直於基板的電場。穿過樣品和穿過偏振片的光的強度被檢測器17檢測並顯示在示波器21上。電源19加到該裝置上氖淙氳繆掛蠶允駒謔靜ㄆ 1上。
圖5(A)示出加到上述裝置上的輸入電壓波形(鋸齒波)，而圖5(B)示出穿過該裝置的光的強度。示波器的CRT顯示器上顯示的一幅相應的照片示於圖5(C)。另外，當將一脈衝序列施加於該裝置時，在圖6(A)和圖6(B)上還示出了另一種輸入電壓波形和與其相應的被檢測光的強度，而圖6(C)示出其照片。這些試驗結果都是在25℃時作出的。
在圖5所示的轉換工作期間，為了顯示依照本發明圖示的轉換方式而排列的液晶分子，給出了幾幅微觀照片。圖7(A)示出施加如圖5(A)和5(B)點「1」時的電場時的液晶分子排列，處於這種排列時的液晶分子狀態這裡稱之為「第一種狀態」。圖7(B)示出不加電場時，即相應於圖5(A)和5(B)中點「1」時的電場時的液晶分子排列，處於這種排列時的液晶分子狀態這裡稱之為「第一種狀態」。圖7(B)示出不加電場時，即相應於圖5(A)和5(B)中點「M1」時的液晶分子排列。圖7(C)示出施加如圖5(A)和5(B)點「0」時的另一方向的電場時的液晶分子排列，處於這種排列時的液晶分子狀態這裡稱之為「第二種狀態」。圖7(D)示出當輸入的電場的強度又變為零時，即相應於圖5(A)和5(B)中點「M2」時的液晶分子排列。由圖7(A)到7(D)可見，液晶材料排列在其第一和第二種狀態之間的變化是經過一種中間態(「M1」和「M2」)，處於這種狀態時的液晶分子取螺旋形(光學各向同性的)結構。還有，從圖6(A)到圖6(C)可見，即使不施加外部電場，第一種和第二種狀態也能保持。這種情況下測得的對比度為23.5，這與用通常的使用鐵電液晶材料的裝置所獲得的對比度大體相當。其視角也與通常的裝置同量級。
使用類似的液晶裝置重複進行了上述試驗，只是兩基板之間的距離分別為10、20和50微米。為方便起見，以下稱這些裝置為「試樣10」、「試樣20」和「試樣50」。該液晶材料剛一放入兩基板之間，在所有這三種試樣中立刻就觀察到螺旋形結構存在，當用偏光顯微鏡觀察試樣時發現，不存在不透光的試樣的「黑態」方位。試樣10中的螺旋形結構的輪廓不太清楚，然而，由於不存在任何「黑態」方位，因此很明顯，液晶分子是排列成螺旋形結構的。這些試樣的試驗是在25℃的條件下進行的，以便測出對比度。圖6(A)說明電壓脈衝以1Hz的頻率輸入到試樣上。該脈衝電壓電平為±20V，對試樣10、試樣20和試樣50測得的對比度分別為10.2、22.7和9.3。對試樣10測得的對比度較低是由於鄰接的基板的內表面影響的結果。對試樣50測得的對比度較低是由厚度方向上碟狀液晶層的位移造成的。
以下將描述本發明的另一個實施例。本實施例液晶裝置的結構基本上與上述實施例相同，只是兩基板之間的距離以及混合液晶材料的組分不同。基板間的距離選取為2.5微米。液晶材料的混合物中至少要包括
其中R代表一個烷基，它包括6-12個碳組分原子;R＊代表一種光活性基，它包括9-15個碳組分原子，其中至少包括一個不對稱碳原子。這些材料的一些例子如下
按照實驗，製備了一種含有上述液晶材料D、E、F和G的混合液晶物質。發現這種混合物的相變遵循Iso←(77℃)→SmA←(62℃)→SmC＊←(-8℃)→晶體。如圖3所示，將這種混合物放在基板間，並在室溫下(23℃)用偏振顯微鏡觀察。這些條紋證實了螺旋形結構的存在。其螺距大約0.8微米。在本實施例中，用與前一實施例相同的方法，還證實了存在兩種穩定的各向異性的狀態，在此狀態下本裝置的透光率分別為0%和90%。本裝置的狀態也可以在所述兩種狀態之間以90微秒的響應速度經過一種中間態而變化。處於中間態時，其液晶分子排列成螺旋形結構。測量表明其對比度為31.1。
對本發明的幾個實施例加以特別敘述後應當了解，本發明並不局限於所述的特殊實例，在不違背所附的權利要求所限定的本發明範圍之內可作出各種改型和變化。例如，其他的液晶材料，諸如聯苯基或間二氮苯基的材料，也能用於本發明中。
權利要求
1、一種液晶電-光裝置，包括
一對相對放置的基板，彼此間隔一預先確定的恆定距離；
一種電極排列，配置在所述一對基板的內表面上；以及
一種手性碟狀結構的液品層，放在所述基板之間；並且
其中所說的電極排列成這樣所述液晶層的分子狀態是依據由該電極排列施加於其上的電場而受到控制的，並且能有選擇地處於兩種光學各向異性狀態之一，而在兩種狀態之間的變化過程中是通過一種中間態，在中間態時，分子成為螺旋形結構。
2、如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述液晶層包含這樣的材料在高於顯示其手性碟狀結構的C相溫度時，該材料顯示其A相。
3、如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述液晶層含有這樣一種材料該材料出現手性碟狀結構的C相時的溫度範圍包含-10℃和70℃之間的範圍。
4、如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述液晶層含有一種混合液晶材料，該材料至少包含下列通式表示的一種液晶材料;
其中R代表一個烷基，它包括6-12個碳組分原子;R＊代表一種光活性基，它包括9-15個碳組分原子，其中至少包括一個不對稱碳原子;l是1或2。
5、如權利要求4所述的裝置，其特徵在於所述的R和R＊為
R l R＊
C8H171
C12H251 同上
C10H212 同上
6、如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述液晶層含有一種混合液晶材料，該材料至少包含下列通式表示的一種液晶材料
其中R代表一個烷基，它包括6-12個碳組分原子;R＊代表一種光活性基，它包括9-15個碳組分原子，其中至少包括一個不對稱碳原子。
7、如權利要求6所述的裝置，其特徵在於所述的R、l、n、m和R＊為
8、一種液晶電-光裝置，包括
一定量的手性碟狀結構的液晶材料;
鄰接所述液晶材料的第一和第二部件，用以使鄰接所述第一和第二部件的所述液晶材料的分子排列成平行於所述的第一和第二部件;所述第一和第二部件之間的距離選擇得使所述液晶材料的分子在不加電場時形成螺旋形結構;所述第一和第二部件使該液晶分子呈現為第一種和第二種穩定方向之一。
對至少所述液晶材料一部分施加一電場的部件，用於使所述電場反向;所述電場強度足以使上述一部分液晶材料中的分子在該電場從原來施加的方向翻轉到相反的方向時由所述第一方位轉移成所述第二方位;以及
調整穿過所述液晶材料的光的部件，使穿過具有上述第一方位的部分液晶的光能與穿過具有上述第二方位的部分液晶的光區分開來。
9、如權利要求8所述的裝置，其特徵在於所述第一和第二部件為具有聚醯亞胺和氧化矽的相對表面的板。
10、如權利要求8所述的裝置，其特徵在於所述施加電場的部件具有分別配置在鄰接所述第一和第二部件的第一和第二電極;以及用於在上述第一和第二電極之間施加一電壓的部件。
11、如權利要求8所述的裝置，其特徵在於所述的螺旋形結構有一螺距，所述第一和第二部件之間的距離不小於該螺距的五倍。
12、如權利要求8所述的裝置，其特徵在於所述的方位在所述電場撤消後仍然保持。
13、一種雙穩非易失性鐵電液晶電-光裝置，其特徵在於該液晶材料是夾在兩塊相對的基板表面之間的;兩基板彼此間隔一定的距離，該距離等於所述液晶材料分子排列成的螺旋形螺距的預定的倍數，以使該液晶材料能依照所施加的電場在兩穩定的光學各向異性狀態之間經由一光學各向同性的中間態轉換。
全文摘要
本發明公開了一種新型的非易失性雙穩態液晶裝置，它具有兩塊相隔一定距離的基板，選取該距離使得液晶材料的分子排列成螺旋形，從而使該液晶分子能依據所施加的電場有選擇性地處於兩種穩定的光學各向異性狀態之一，在兩種穩定狀態之間的轉換過程經過一個中間態，在中間態時，液晶分子重新排列成螺旋形結構，並呈現為光學各向同性狀態。
文檔編號G01N25/18GK1037967SQ8910118
公開日1989年12月13日 申請日期1989年2月22日 優先權日1988年5月16日
發明者佐藤正彥, 濱谷敏次, 荻原利光, 近藤仁 申請人:株式會社半導體能源研究所, 高砂香料工業株式會社