專利名稱：反鐵電液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液晶顯示器(以下稱為LCD)，尤其是一種利用具有扭曲結(jié)構(gòu)的反鐵電液晶的液晶顯示器。
液晶是一種既不同于晶體又不同于液體的相或狀態(tài)，其中只具有方向序或者具有方向序和部分位置序。由于處于液晶相的材料具有方向序，而且它的分子有不對(duì)稱的形狀，所以把這樣一種材料稱為各向異性材料，它因取向不同而具有不同的物理性質(zhì)。典型的液晶分子呈細(xì)長棒狀。分子的長軸稱為分子軸，分子自身趨于排列成使分子軸從平均的角度看是平行的。沿著平均分子軸的方向稱為“指向”(director)。
液晶按其序的類型可分成三類，即，向列型(nematic)，膽甾型(cholesteric)或手征向列型(chiral nematic)，以及層列型(smectic)液晶。向列型液晶具有方向序，但沒有位置序。手征向列型液晶具有分子間作用力，這種力使平均分子軸在空間沿著垂直于指向的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這種存在于手征向列型液晶中的特性稱為“手征性(chirality)”。層列型液晶具有一種比上述兩種液晶更多序的結(jié)構(gòu)，形成層列層。層列層液晶不僅具有方向序，而且還部分地具有位置序。
在層列型液晶當(dāng)中，斜向的手征層列型液晶，例如層列C*液晶顯現(xiàn)出鐵電性。層列C液晶是那些相對(duì)于層的法線成具有傾斜分子軸的液晶。層列C*液晶的分子具有旋光性，因此他們沿著層的法線形成一種螺旋結(jié)構(gòu)。層列C*液晶在垂直于指向和層的法線方向呈現(xiàn)一種自發(fā)極化。層列C液晶相對(duì)于垂直于指向的軸具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，相對(duì)于層列層的表面具有反演對(duì)稱性。然而，如果分子具有手征部分，則反向?qū)ΨQ性受到破壞，橫向偶極矩在層列C*晶相內(nèi)產(chǎn)生自發(fā)極化。平均超過一個(gè)周期或一個(gè)螺矩的宏觀自發(fā)極化為0，因?yàn)樘幱趯恿蠧*晶相的分子在層的法線方向是呈螺旋排列的。因此，這種鐵電液晶稱為非正常鐵電材料。這種螺旋結(jié)構(gòu)可在外電場作用下受到畸變，在臨界場強(qiáng)以上完全繞開，從而感生一種宏觀自發(fā)極化。
另外，有多種不同的層列C液晶表現(xiàn)出反鐵電性。
反鐵電液晶的特性將參見

圖1描述。
反鐵電液晶的分子在垂直于指向的層的法線方向上具有一個(gè)偶極子部，在兩個(gè)相鄰層列層內(nèi)的反鐵電液晶分子沿相對(duì)于層法線的反方向是傾斜的。由于在兩個(gè)連續(xù)的層列層內(nèi)偶極子部是反平行的，如圖1所示，所以宏觀自發(fā)極化是零。與鐵電液晶不同，反鐵電液晶其相鄰層列層之間具有電偶極子耦合力，這種耦合力比由于液晶的各向異性所引起的力大許多。由此，在外加電場所致的力小于耦合力時(shí)，分子對(duì)電場不響應(yīng)。然而，分子趨向于沿一個(gè)方向排列，這使得偶極子沿電場方向排列，電場強(qiáng)度超過臨界值。在這種情形下，液晶呈現(xiàn)鐵電性，這種鐵電性基本上是由于電場而出現(xiàn)。
下面將參見圖2A-2C予以說明采用反鐵電液晶的普通LCD。
將一種反鐵電液晶放置在兩個(gè)透明電極11和12之間。層列液晶層(未圖示)垂直于電極11和12排列。
如圖2B所示，在電極11和12上沒加電場時(shí)，指向和垂直于層列液晶層的軸之間的夾角在一定的溫度下是常數(shù)，在兩個(gè)相鄰層列液晶層內(nèi)的分子相對(duì)于層的法線反向傾斜。
如圖2A和2C所示，當(dāng)把場強(qiáng)超過臨界值的電場加到所述電極上時(shí)，分子根據(jù)電場的極性沿兩個(gè)方向之一排列。在兩種情況下的分子方向互相相對(duì)于層的法線是對(duì)稱的。
結(jié)果，反鐵電液晶是以三種狀態(tài)響應(yīng)于所加電場的，即，開(ON)狀態(tài)，反鐵電性狀態(tài)和斷(OFF)狀態(tài)，而鐵電液晶是以兩種狀態(tài)，即開(ON)態(tài)和斷(OFF)狀態(tài)響應(yīng)于所加電場的。
這種常規(guī)的反鐵電液晶顯示器(下稱AFLCD)有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如低閃爍和低交擾，并且相比于鐵電LCD改善觀視特性。
然而，由于所加電場強(qiáng)度應(yīng)該足夠大，以克服偶極子的耦合力，所以驅(qū)動(dòng)電壓高。此外，常用的AFLCD還有灰度低和調(diào)整性差的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種采用具有模擬灰度和均勻取向結(jié)構(gòu)的反鐵電液晶的液晶顯示器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明在兩個(gè)透明電極之間使用一種反鐵電液晶材料。該液晶具有層列層，這些層垂直于電極的表面排列，分子指向從一個(gè)電極至另一電極逐漸扭曲。由兩個(gè)電極的表面所限定的指向之間的扭曲角在0度和180度之間。
對(duì)于固定的溫度，分子相對(duì)于層的法線具有恒定的分子傾斜角。扭曲角可以等于或小于兩倍分子傾斜角，最好是等于兩倍分子傾斜角。在這種情況下，所希望的材料是一種具有分子傾斜角為15°-60°，尤其是從40°-50°的反鐵電液晶。然而，通常從一個(gè)電極到另一個(gè)電極可能的扭曲角是從0°-180°。
可以通過適當(dāng)?shù)谋砻嬲{(diào)整來調(diào)節(jié)兩個(gè)電極上的予傾角。
本液晶顯示器還包括分別貼在電極上的偏振器。使電極表面上的指向相對(duì)于偏振器之一的偏振軸對(duì)稱調(diào)準(zhǔn)。兩個(gè)偏振器的偏振軸互相之間或者平行，或者垂直。
代替使用一對(duì)偏振器，可以采用貼到一個(gè)電極上的一個(gè)偏振器，而將另一電極上貼一個(gè)反射器。
可以將一個(gè)補(bǔ)償膜片貼到一個(gè)電極上。
液晶顯示器使用背光或自然光作為光源。使用自然光時(shí)，將反射器貼至一個(gè)電極上。
在不存在外加電場情況下，由于保持分子傾角的力和在給定溫度下一定的調(diào)整力之間相互作用，分子的指向續(xù)地在一個(gè)錐形表面上運(yùn)動(dòng)。在存在外加電場情況下，分子指向的取向隨著電場以下述方式變化，即分子的偶極子平行于電場，從而能表示灰度。
以下將參照附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。附圖中圖1表示反鐵電液晶顯示器的分子；圖2A-2C表示在普通反鐵電LCD的相繼層列液晶層中分子的排列；圖3表示本發(fā)明實(shí)施例的反鐵電LCD；圖4表示本發(fā)明實(shí)施例反鐵電LCD的層列液晶層中的分子排列；圖5表示本發(fā)明實(shí)施例反鐵電LCD的多個(gè)層列液晶層中的分子排列；圖6表示在本發(fā)明的反鐵電LCD中LCD隨外加電壓不同情況下的光調(diào)制圖。
從下面對(duì)詳細(xì)說明的研究，同時(shí)參見附圖的說明將使本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例更為清楚。
圖3表示本發(fā)明實(shí)施例的一種反鐵電LCD。
從圖3所示，反鐵電液晶10在兩個(gè)透明電極11和12之間，它或者具有正的介電各向異性，或者具有負(fù)的介電各向異性。在電極11和12的外表面上，分別貼有偏振器13和分析器(analyzer)14。
液晶10的層列層20垂直于電極11和12的表面，液晶10的分子指向相對(duì)于層的法線形成一個(gè)稱作“分子傾角”的固定角。
每個(gè)電極11或12的內(nèi)表面用調(diào)整層(未圖示)涂層，使液晶10的分子指向均勻排列。調(diào)整層可以由例如，表面活性劑如烷基酚(alkylphenol)和溴化十六碳烷基三甲胺(hexadecyltrimethylammonium bromide)，聚酰亞胺(polyimides)，或者調(diào)整吸收劑形成，表面活性劑采用Langmuir-Blodgett膜沉淀方法進(jìn)行涂層。將調(diào)整層拋磨處置，使液晶10的分子指向沿著一定方向排列。
在兩電極上的拋磨方向之間的角度是兩倍的分子傾角。
于是，使分子指向安排成，利用取向力來平衡保持分子傾角和偶極子的耦合力的力。
圖4和5表示位于兩電極11和12之間的反鐵電液晶的層列層中分子的排列。
令x軸垂直于層列層，y軸平行于電極11和12，y軸與正的x軸逆時(shí)針成90°，z軸垂直于x-y面，它與y軸逆時(shí)針成90°?！胺肿觾A角”θ0定義為正x軸與分子導(dǎo)向n之間的角度，“水平角”θ為x軸與分子指向在x-y平面上投影之間的夾角，“轉(zhuǎn)動(dòng)角”φ為x軸與指向在y-z平面上投影之間的夾角。于是，指向n可表示為n＝(cosθ，sinθcosφ，sinθsinφ)。此外，假定在指向在x-y平面上的投影位于y＞0的區(qū)內(nèi)時(shí)水平角θ為正，而位于y＜0的區(qū)內(nèi)時(shí)水平角θ為負(fù)。
由于反鐵電液晶的特性，對(duì)于確定的溫度來說，分子傾角θ0(＞0)，是恒定的。
由于均勻排列，在電極11和12的平面上由指向掃描的平面平行于電極11和12的表面。在下電極11上指向的轉(zhuǎn)動(dòng)角φ是θ0，而在上電極12上指向的轉(zhuǎn)動(dòng)角是180°。指向17和18的水平角θ的大小是相同的，但它們的符號(hào)是不同的。即在下電極11上指向的水平角θ等于+θ0，而在上電極12上的水平角θ等于-θ0。
總體水平角θ在液晶片內(nèi)從+θ0至-θ0改變。
結(jié)果，指向在圓錐40的表面上轉(zhuǎn)動(dòng)，其扭轉(zhuǎn)角為2θ0。
所以，從下電極11表面至中點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)角φ從0°至90°改變，而在中點(diǎn)至上電極12表面的區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)角φ從90°改變至180°。還有，從下電極11表面至中點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)水平角θ從+θ0改變至零，而從中點(diǎn)至上電極12表面的區(qū)域內(nèi)水平角θ從零改變至-θ0。
由此，在電極11和12上指向之間的轉(zhuǎn)動(dòng)角φ的差是180°，而水平角θ的差是2θ0，也就是等于在兩個(gè)電極11和12上指向之間的角度。
圖5表示兩電極11和12之間的反鐵電液晶的層列層中的分子排列。
在每個(gè)層列層內(nèi)，電極11和12表面上的分子沿一個(gè)由表面處理所決定的方向排列。然而，在整體內(nèi)的分子趨于排列成使兩個(gè)相鄰的層列層內(nèi)的分子相對(duì)于層的法線相反方向地受到傾斜，并使分子的傾角保持固定。所以，在整體內(nèi)兩個(gè)層列層中的分子在相反的方向內(nèi)在圓錐40的表面上旋轉(zhuǎn)。從而，在兩個(gè)相鄰層列層內(nèi)靠近中點(diǎn)的分子位于圓錐40的相反側(cè)。
如果上電極12表面上分子的偶極子平行于從下電極11至上電極12所指的方向，則在中點(diǎn)處的偶極子位于沿著垂直于層法線并平行于層列層的方向。另外，下電極11上的偶極子平行于從上電極12至下電極11所指的方向。
在存在外加電場的情況下，分子的取向受到破壞。由于每個(gè)反鐵電液晶的分子具有垂直于分子軸的電偶極子，和趨于平行于外加電場的偶極子，所以分子本身排列成使它們垂直于所述電場，同時(shí)保持固定的分子傾角。
所以，在將電場加至下電極11和上電極12之間時(shí)，分子將趨于排列成使它們的偶極子平行于該電場。于是，分子在圓錐40的表面上旋轉(zhuǎn)，將排列成如圖5中上電極12上的分子那樣。然而，由于在下電極11上的分子保持他們的取向，所以在下電極11表面和某一個(gè)分子連續(xù)地在圓錐40表面上旋轉(zhuǎn)的平面之間存在著一個(gè)區(qū)域。相反，當(dāng)將電場施加于跨過上電極12和下電極11之間時(shí)，分子在圓錐40的表面上旋轉(zhuǎn)，將排列成如圖5中所示的在下電極上的分子那樣。同樣，在上電極12表面和某一個(gè)分子連續(xù)地在圓錐40表面上旋轉(zhuǎn)的另一平面之間存在著一個(gè)區(qū)域。此外，分子取向遵循從初始態(tài)至最后的穩(wěn)定態(tài)有最小的路徑。
由于分子轉(zhuǎn)動(dòng)的量取決于外電場的強(qiáng)度，所以可以得到作為場強(qiáng)度函數(shù)的連續(xù)電光效應(yīng)。
下面將參照?qǐng)D4和5描述具體實(shí)施例用反鐵電液晶所制成的LCD的工作情況。
在電極11和12表面上的兩個(gè)指向相對(duì)于偏振器13的偏振軸對(duì)稱，而偏振器13和分析器14的偏振軸是互相垂直的。例如，偏振器13的偏振軸平行于圖4中所示的x軸。
在沒有電場的情況下，由于指向沿著圓錐保持扭曲狀態(tài)，所以偏振器13的偏振軸與液晶的平均光軸相一致。假定通過偏振器13的線偏振光沿著面法線垂直地入射到電極11上。于是，通過液晶片層的光，其偏振與平均光軸保持一致。由于偏振器13和分析器14的偏振軸互相垂直，到達(dá)分析器14的光的偏振垂直于分析器14的偏振，因此光不能通過分析器14。然而，如果分析器14的偏振軸與偏振器13的偏振軸互相平行，則到達(dá)分析器14的光的偏振平行于分析器14的偏振軸，光通過分析器14。
在液晶上加有電場時(shí)，分子趨于取向成使它們的分子偶極子平行于圓錐40表面上的電場方向。如上所示，由于存在著一個(gè)分子連續(xù)地在圓錐40表面上轉(zhuǎn)動(dòng)的區(qū)域，所以液晶的平均光軸將轉(zhuǎn)動(dòng)。該區(qū)域的大小以及平均光軸轉(zhuǎn)動(dòng)的量由電場強(qiáng)度確定。
所以，隨著通過偏振器13的線偏振光的偏振轉(zhuǎn)過平均光軸轉(zhuǎn)動(dòng)的量，它到達(dá)分析器14并且部分通過分析器14。應(yīng)予指出的是，光的透過率不取決于電場的方向，因?yàn)閮蓚€(gè)電極11和12表面上的指向相對(duì)于偏振器11的偏振軸是對(duì)稱排列的。
如上所述，按照本實(shí)施例的反鐵電LCD具有均勻的取向，其扭曲角是分子傾角的二倍。還有，偏振器和分析器的偏振軸是互相垂直的。然而，扭曲角，預(yù)傾角，以及偏振器和分析器的偏振軸之間的角度是可以調(diào)節(jié)到最佳性能的。
圖6表示對(duì)于本實(shí)施例的AFLCD和普通AFLCD的電光調(diào)制作為外電場強(qiáng)度的函數(shù)。由于如圖6所示那樣，本發(fā)明的調(diào)制作用約為現(xiàn)有技術(shù)的七倍，所以可以低壓驅(qū)動(dòng)，灰度性能和高對(duì)比度也是可能的。
如上所述，本發(fā)明使用具有扭曲結(jié)構(gòu)的反鐵電液晶，實(shí)現(xiàn)一種連續(xù)的電光效應(yīng)，低壓驅(qū)動(dòng)、高對(duì)比度和大面積均勻的取向。
應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可容易地作出對(duì)本發(fā)明的各種變動(dòng)。因此，本發(fā)明的范圍不受上述具體實(shí)施例的限定，權(quán)利要求書是強(qiáng)調(diào)本發(fā)明中具有專利新穎性的所有特征，它們包括屬于本發(fā)明的由本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為等效的所有特征。
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示器，它包括第一和第二透明電極；位于第一和第二電極之間的反鐵電液晶，其中，層列液晶層垂直于第一和第二電極，液晶的分子指向從第一電極向著第二電極扭曲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示器，其中，第一和第二電極表面上的分子指向是均勻排列的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的液晶顯示器，其中，第一電極表面上的分子指向相對(duì)于第二電極表面上的分子指向形成0°-180°的扭曲角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的液晶顯示器，其中，所述分子指向相對(duì)于層列層的層法線形成一個(gè)分子傾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的液晶顯示器，其中，所述扭曲角等于或小于兩倍的分子傾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的液晶顯示器，其中，所述扭曲角是兩倍的分子傾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的液晶顯示器，其中，所述分子傾角在15°-60°范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示器，其中，還包括兩個(gè)分別貼到第一和第二電極上的偏振器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的液晶顯示器，其中，所述各偏振器的偏振軸互相垂直。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的液晶顯示器，其中，所述各偏振器的偏振軸是互相平行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的液晶顯示器，其中，所述電極表面上的指向相對(duì)于偏振器之一的偏振軸被調(diào)整成對(duì)稱地排列。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的液晶顯示器。其中，所述各偏振器的偏振軸是互相垂直的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的液晶顯示器，其中，所述各偏振器的偏振軸是互相平行的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示器，其中，還包括貼附于電極之一的補(bǔ)償膜。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示器，其中，還包括用于將光提供給液晶顯示器的背光。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的液晶顯示器，其中，還包括一個(gè)貼附于電極之一上的反射器。
全文摘要
一種液晶顯示器，有一對(duì)透明電極、一位于兩電極間的反鐵電液晶及貼附于兩電極上的偏振器和分析器。層列液晶層垂直于電極，液晶具有扭曲的結(jié)構(gòu)。兩電極表面上的指向相對(duì)于偏振器的偏振軸對(duì)稱地排列，使液晶的平均光軸與偏振器的偏振軸相一致，在沒有外加電場時(shí)，通過偏振器的入射光通過液晶厚層并保持其偏振。然而在外加電場時(shí)，液晶分子受到某種種度的變形，使平均光軸轉(zhuǎn)動(dòng)。所以通過液晶厚層的入射光具有旋轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)G09G3/00GK1162163SQ9612399
公開日1997年10月15日 申請(qǐng)日期1996年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月26日
發(fā)明者李信斗 申請(qǐng)人:三星電管株式會(huì)社