液晶裝置的製作方法

2023-10-09 00:38:44 3

專利名稱：液晶裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及液晶裝置，尤其是包括獨立可控像素陣列的液晶裝置。
背景技術：
現在的像素化液晶裝置通常都包括使用導體來切換液晶材料層的像素部分的分子取向以便在液晶材料層的各個像素部分內產生電場。通過利用在液晶層任一測上提供的電極將電位差應用到液晶層上來產生這些電場，或者如圖5中描述的平面內(in-plane)切換裝置所示的那樣，通過將液晶層的公共側上的縱嚮導體對之間的電位差施加到在相應像素區域的相反邊緣處的液晶層的公共側來產生這些電場。

發明內容
本發明的發明人已經發現也可以通過利用分布在各個像素區域上的各個導體組切換像素部分來形成所述有用的平面內切換液晶裝置。
因此，本發明提供一種液晶裝置，其包括液晶材料層和提供在所述液晶材料層的一側上的導體陣列，該導體陣列用於在其間產生電場以改變液晶材料層像素部分的分子取向，其中液晶材料層的每個像素部分與相應的像素區域上分布的相應的導體組相關聯，該導體組用於在比像素尺寸還小的距離之間施加電壓，每個組內的所述導體和之間的間隔相對於液晶材料層的厚度來說足夠得小，以便每個組都能用於產生電場，所述電場穿過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在各個像素部分的整個區域上基本上是均勻的。
本發明還提供一種液晶裝置，其包括液晶材料層和提供在所述液晶材料層的一側上的導體陣列，該導體陣列用於在其間產生電場以改變液晶材料層像素部分的分子取向，其中液晶材料層的每個像素部分都與相應的像素區域上分布的相應的導體組相關聯，該導體組用於在比像素尺寸還小的距離之間施加電壓，所述液晶材料層的厚度比每個組內的導體間距大至少5倍。
在一個實施例中，所述液晶是響應於導體上施加的電壓的RMS(均方根)的類型，也就是說對導體上施加的電壓極性不敏感。上述液晶的一個例子是向列相，其中液晶根據感應偶極子來切換取向。
在一個實施例中，在液晶層的另一側提供一個透明的、導電的對電極，其保持在恆定電壓上。
在一個實施例中，導體具有比裝置使用的光波長更短的間距。
例如，每組導體都可以包括平行的縱嚮導體，例如由一對交叉電極的手指(digit)提供的那些導體，或者例如是分開的導體的二維陣列。
本發明還提供一種包含根據本發明的液晶裝置的顯示系統和光切換系統。
根據本發明的另一方面，提供一種在所述液晶材料層的一側包含有至少一對交叉電極的液晶顯示裝置，其中手指的寬度和手指之間的間隔相對於液晶材料層的厚度來說足夠得小，以便產生電場，所述電場穿過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在手指和手指之間的間距上基本上都是均勻的。
根據本發明的另一方面，提供一種在所述液晶層的一側上包含有至少一對在X方向上間隔配列的導體的液晶顯示裝置，其中所述導體之間的間隔相對於液晶材料層的厚度來說足夠得小，以便產生電場，所述電場穿過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在直接在電極之間的區域和該區域在Y方向上的延伸上基本上都是均勻的。


下面將參照附圖，僅通過舉例來詳細描述本發明的實施例，其中圖1表示的是根據本發明的一個實施例的裝置的構成圖；圖2表示的是圖1的裝置中使用的導體的詳細配置；圖3表示的是可以使用圖1和圖2所示的導體結構產生的分子取向的變化；圖4表示的是圖1中的裝置的另一種導體配置；圖5表示的是傳統的平面內切換液晶裝置的截面圖；圖6表示的是兩個平面未扭轉陣列之間的切換；以及圖7表示的是一個平面未扭轉陣列和一個平面扭轉陣列之間的切換。
具體實施例方式
本發明的第一實施例是一個在矽VLSI晶片上具有液晶層的LCOS(矽上液晶)裝置。這種裝置以反射方式正常操作，並且所述液晶層修改入射光束的極化狀態或相位。液晶層中產生的電場導致其光學特性的改變，所以，在顯示裝置的例子中，可以將圖像寫入大的像素陣列。液晶層的厚度一般由像素的光學功能來固定並與所使用的光波長有關。例如，可以選擇給出1/4、1/2或一個整波長的延遲。對於LCOS顯示器(可見光)或用於以反射方式操作(如通常LCOS裝置)的通信應用(接近紅外光)的LCOS裝置來說，液晶層的厚度一般是在1-5微米的範圍內。
圖1表示的是根據本發明第一實施例的LCOS裝置，其包括在上層部分4上形成有CMOS電路的矽晶片2，可操作地與下面的CMOS電路耦合的表面導體組6，用於在液晶材料8的上層的各個部分內產生電場。在所述液晶材料層的另一側上設置有透明的可導電的覆蓋(blanket)層10，其作為所有導體組的「對電極」。在所述裝置的操作中，該「對電極」保持在恆定電壓上。例如，可以是接地的。圖2表示的是圖1中各平面導體組配置的平面圖。如圖2所示，每個導體組都包括有各個交叉電極對的手指。液晶厚度與上面所述被使用的光的波長有關。為此，這裡使用的微電極的結構比傳統像素小得多，並且所述微電極可具有比所使用的光波長還要小的間距。
讀者會理解，所述液晶裝置通常都包括許多比圖1中為示意性目的而表示的3個像素多很多的二維陣列。
圖3表示的是取向類型，通過使用圖1和圖2中所示的導體配置將向列液晶從垂直(homeotropic)分子取向切換到所述取向類型上。就圖3來說，所述導體具有0.25微米的寬度和0.5微米的間隔，並且所述液晶材料層厚度是5微米。可用尺寸小到0.1微米級的深亞微米矽CMOS電路結構來光刻性地限定一些特徵。
在圖3中，縱軸是以微米為單位的液晶厚度。在z＝-5微米處分別對交替導體6(圖3中未示出)施加+3.2伏和-3.2伏的電壓，在z＝0微米處對液晶材料層的另一面上的「對電極」(圖3中未示出)施加0V電壓，緊鄰著z＝0處，所述液晶呈現出保持垂直平面配列。
在圖3中，穿過液晶材料層厚度的主要部分(大概整個5微米中的3.5微米厚)的分子取向模式在導體及其間隔上的X方向上是均勻的。對於所述液晶層厚度的主要部分來說，由交叉電極結構沿著表面施加的電場而感應出的各相異性在距離上積分，所述距離是導體結構間距長度的至少幾倍。出現這種情況是因為存在一個表徵液晶相位的取向順序相關聯的相關距離。這種情況的結果是如果所述液晶在其整個厚度上採用均勻配列的結構，液晶中存儲的彈性應變能量就被最小化。
圖3是計算機模擬的結果，其中液晶中存儲的彈性應變能量被最小化。其建立在向列液晶連續理論的假設基礎上，當實現這種均勻結構時確實會出現最小化的自由能量。
當消除電場時，液晶材料的分子取向又恢復到垂直配列。這種液晶導向器(director)的取向的切換用在例如顯示裝置和光學元件的多級幅度和相位切換中。
例如利用合適的表面活性材料，利用合適的聚合材料，如聚醯亞胺材料，或者通過在界定液晶材料層的表面上例如SiO2的蒸鍍薄膜，可以實現在施加任何電場前存在的初始垂直配列。
每個導體組都包括多於兩個的平行縱嚮導體，所述導體延伸正好跨過各個像素區域的y方向，用於在x方向上短於半個像素的距離上施加電壓。每個組內導體間相對小的間隔意味著對於給定電壓來說可產生相對大的電場，或者相反，需要相對小的電壓來產生給定強度的電場。
也可以使用相同類型的導體結構在其他類型的取向配列之間進行切換。一個例子是在正交平面配列之間進行切換，如圖6所示。詳細來說，可以使具有正介電各向異性的向列液晶從其方位角平行於交叉電極的手指的第一平面未扭轉陣列切換到其中n導向器方位角切換了90度的第二平面陣列。其它的例子是在扭轉和未扭轉平面狀態之間進行切換，如圖7所示，以及在兩個具有90度扭轉差的扭轉狀態之間進行切換。
可將每個導體組配置和排列成與圖2不同的形式。例如，每個導體組可包括一個在像素區域上規則分布的統一尺寸導體的二維陣列，如圖4所示。可以通過例如電容性地耦合到下層電路給每個導體施加合適的電壓。使用這樣的導體配列，可以通過改變給導體施加電壓的模式來產生不同的電場模式。
申請人注重這樣一個事實，在不限制上面所述的定義範圍的前提下，本發明可以包括這裡直接公開或隱含公開的任何特徵或特徵組合或者任何推理產物。對於上面的描述，可以在本發明的範圍內做出各種修改，這對本領域技術人員來說是清楚的。
權利要求
1.一種液晶裝置，包括液晶材料層和提供所述液晶材料層的一側上的導體陣列，該導體陣列用於在其間產生電場，以改變所述液晶材料層的像素部分的分子取向，其中所述液晶材料層的每個像素部分與在相應的像素區域上分布的相應的導體組相關聯，所述導體組用於在比像素尺寸小的距離之間施加電壓，其中所述每組內的導體和其間的間隔相對於液晶材料層的厚度來說足夠得小，以便每個組都可用於產生電場，所述電場穿過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在各個像素部分的整個區域上基本上是均勻的。
2.一種液晶裝置，包括液晶材料層和提供在所述液晶材料層的一側上的導體陣列，該導體陣列用於在其間產生電場，以改變液晶材料層的像素部分的分子取向，其中所述液晶材料層的每個像素部分與在相應的像素區域上分布的相應的導體組相關聯，所述導體組用於在比像素尺寸還小的距離之間施加電壓，其中所述液晶材料層的厚度比每個組內的導體間距大至少5倍。
3.如權利要求1或2所述的液晶裝置，其中每個導體組都包括平行的縱嚮導體陣列。
4.如權利要求3所述的液晶裝置，其中所述導體包括一對交叉電極的手指。
5.如權利要求1或2所述的液晶裝置，其中每個導體組都是分開的導體的二維陣列。
6.一種包括任何前述權利要求所述的液晶裝置的顯示系統。
7.一種包括權利要求1-5中任一項所述的液晶裝置的光切換系統。
8.一種控制任何前述權利要求的裝置的液晶材料層的像素部分的光學特性的方法，所述方法包括在相關聯的組內的導體上施加電壓以便在所述液晶材料層的像素部分內產生電場，所述電場穿過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在像素部分的整個區域上基本上是均勻的。
9.一種液晶顯示裝置，在所述液晶材料層的一側包含有至少一對交叉電極，其中手指的寬度和手指之間的間隔相對於液晶材料層的厚度來說足夠得小，以便產生電場，所述電場通過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在手指和手指之間的間隔上基本上都是均勻的。
10.一種操作權利要求9所述的液晶顯示裝置的方法，包括以下步驟在所述電極上施加電位差以便在所述液晶材料層內產生電場，所述電場穿過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在手指和手指之間的間隔上基本上都是均勻的。
11.一種液晶顯示裝置，在所述液晶層的一側上包含有至少一對在X方向上間隔排列的導體，其中所述導體之間的間隔相對於液晶材料層的厚度來說足夠得小，以便產生電場，所述電場穿過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在直接在電極之間的區域和該區域在Y方向上的延伸上基本上都是均勻的。
12.一種操作權利要求11所述的液晶顯示裝置的方法，包括以下步驟在所述導體上施加電位差以便在所述液晶材料層內產生電場，所述電場穿過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在直接在電極之間的區域和該區域在Y方向上的延伸上基本上都是均勻的。
全文摘要
一種液晶裝置，包括液晶材料層，和提供在所述液晶材料層的一側上的導體陣列，用於在其間產生電場以改變液晶材料層的像素部分的分子取向，其中液晶材料層的每個像素部分與相應的像素區域上分布的相應的導體組相關聯，用於在比像素尺寸還小的距離之間施加電壓，每個組內的所述導體及其間的間隔相對於液晶材料層的厚度來說足夠得小，以便每個組可以用於產生電場，所述電場穿過液晶材料層厚度的至少一部分來感應不同的分子取向模式，所述模式在整個像素部分區域上基本上是均勻的。
文檔編號G02F1/1337GK1826555SQ200480020865
公開日2006年8月30日 申請日期2004年6月2日 優先權日2003年6月2日
發明者威廉·A.·克洛斯蘭德, 安東尼·B.·達維 申請人:劍橋大學技術服務有限公司