專利名稱：液晶顯示設(shè)備及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用AFLC(反鐵電液晶)材料的LCD(液晶顯示器)設(shè)備，尤其涉及一種能夠進(jìn)行多層次顯示的LCD顯示設(shè)備，以及驅(qū)動(dòng)該顯示設(shè)備的方法。
利用FLC(鐵電液晶)的鐵電液晶顯示設(shè)備，由于它相比于向列型液晶的TN液晶顯示設(shè)備具有較快的響應(yīng)速度和寬的視角，從而已受到人們的注意。
已知的FLC顯示設(shè)備包括使用鐵電液晶的FLC顯示設(shè)備和利用AFLC的AFLC顯示設(shè)備。
AFLC顯示設(shè)備利用AFLC所具有的三個(gè)穩(wěn)定的取向狀態(tài)顯示圖象。
對此予以較詳細(xì)的討論。有關(guān)LC(液晶)分子的取向，AFLC具有第一至第三個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，(1)根據(jù)第一和第二穩(wěn)定狀態(tài)，在加到AFLC上的電壓等于或大于第一閾值電壓時(shí)，液晶呈現(xiàn)第一鐵電相，其中LC分子在第一方向內(nèi)取向，或者第二鐵電相，其中LC分子在第二方向內(nèi)取向，這種取向是根據(jù)所加電壓的極性不同而不同；(2)按照第三穩(wěn)定狀態(tài)，在加至AFLC的電壓等或小于第二閾值，小于第一閾值時(shí)，液晶顯現(xiàn)反鐵電相，它的LC分子取向不同于第一和第二鐵電相的LC分子取向。測定一對安置在LCD裝置的任一側(cè)的偏振板的相變軸取向時(shí)，依據(jù)在反鐵電相內(nèi)的液晶分子層的光軸，使顯示設(shè)備能夠按照所加電壓利用控制光的透過率來顯示圖象。
即使外加電壓出現(xiàn)變化，AFLC仍保持在反鐵電相的第一或第二相，至于所加的電壓值需在第一和第二閾值之間的范圍內(nèi)。已知這種特性可作為一種存儲(chǔ)性能。通過利用這種存儲(chǔ)性能可采用一種簡單的矩陣方式來驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的AFLC顯示設(shè)備。
利用在液晶內(nèi)使其從第一或第二鐵電相相變至反鐵電相的電壓值與在液晶內(nèi)使其從反鐵電相相變至第一或第二鐵電相的電壓值之間的差來測量AFLC的存儲(chǔ)特性。這些電壓值幅度之間的差愈大，存儲(chǔ)性能愈好。換言之，液晶的光學(xué)特性滯后作用愈明顯，則存儲(chǔ)性能愈好。
基于此，一種常規(guī)的AFLC顯示設(shè)備，它是采用一種簡單的矩陣方式驅(qū)動(dòng)，所采用的這樣一種AFLC液晶它的上述電壓之間的差是大的。
然而，常規(guī)的利用具有優(yōu)良存儲(chǔ)性能的AFLC的AFLC顯示設(shè)備的光透過率很難進(jìn)行任意的控制。即，對顯示層次的控制幾乎不可能，也不能實(shí)現(xiàn)多層次的顯示。
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠根據(jù)所需的層次可靠地顯示圖象的AFLC顯示設(shè)備。
本發(fā)明上述目的第一方面是提供一種液晶顯示設(shè)備，它包括一個(gè)第一基底，其上象素電極和連接至象素電極的有源元件以矩陣圖形安排；一個(gè)第二基底，其上面對象素電極形成一個(gè)公共電極；一層液晶導(dǎo)，由第一和第二基底之間密封反鐵電液晶材料形成，反鐵電液晶在其處于整體狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)手性近晶相；取向膜層，它布置在第一和第二基底的相對表面之一上，具有取向力，利用這種力，液晶分子可以在液晶層內(nèi)鄰接的近晶層之間基本上與分子序不相關(guān)的狀態(tài)受到取向，以及利用這種力，使液晶層的導(dǎo)向子的取向基本上與近晶層的法線方向相一致；以及改變液晶層導(dǎo)向子的器件，它是利用在象素電極和公共電極之間加上一個(gè)電壓來改變的。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在沒有電壓加到液晶層的條件下，液晶分子長軸的平均方向基本上與近晶層的法線方向一致，同時(shí)使液晶分子定位成，由于每個(gè)取向膜層和液晶之間的相互作用，而使近晶層之間的分子序(一種分子排列系統(tǒng))不存在相關(guān)作用。在電壓加到液晶層時(shí)，液晶分子按照所加的電壓和它的極性在一個(gè)預(yù)定方向內(nèi)受到取向。當(dāng)加到液晶層的電壓逐步地增強(qiáng)或下降時(shí)，液晶分子的取向方向逐步地改變，使液晶層的取向元按照所加的電壓連續(xù)地變化。根據(jù)偏振板在液晶裝置中的布置，可以取得沒有滯后作用的電光特性，其中外加電壓與透過率之間的關(guān)系基本上描述成一種呈V型或S型的圖形線，在該范圍內(nèi)光學(xué)特性具有寬的線性變化。按照該電光特性，所加的電壓確定顯示的層次。所以，將相應(yīng)于所需層次的電壓加到液晶層，就可顯示具有該層次的圖象。
為了使欲取向的液晶分子處于在近晶層之間分子序中不存在相關(guān)作用，最好使取向膜層所具有的取向力大于液晶分子之間的分子間作用力。
還有，最好取向膜層的表面能量分散力在30-50dyn/cm范圍內(nèi)，而取向膜層的范德華(van der waals)力在3-20dyn/cm范圍內(nèi)。
在整體狀態(tài)，液晶呈現(xiàn)具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的一種手性近晶CA相。在將液晶密封于第一和第二基底之間時(shí)，雙螺栓結(jié)構(gòu)斷開，液晶分子以一種近晶層之間的分子序不存在相關(guān)作用的狀態(tài)受到取向，同時(shí)導(dǎo)向子基本上設(shè)置成與近晶層的法線方向一致。液晶層的導(dǎo)向子依據(jù)外加電壓的極性和幅度大小而改變。在將超過預(yù)定值的高壓加到液晶層上時(shí)，液晶層依據(jù)所加電壓的極性呈現(xiàn)一種鐵電相。
前述的用于改變導(dǎo)向子的機(jī)構(gòu)包括，為了執(zhí)行層次顯示對導(dǎo)向子進(jìn)行控制的機(jī)構(gòu)，通過在每個(gè)象素電極和公共電極之間用有源元件加電壓的方式將電壓加到液晶層。
按照這種結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將電壓加到液晶層時(shí)，液晶層的液晶分子按照所加電壓的極性和幅度大小，并沿著手性近晶CA相內(nèi)的分子所描繪的圓錐形軌跡運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，液晶層的導(dǎo)向子依據(jù)所加的電壓連續(xù)地改變。由于這種情形，上述的液晶顯示設(shè)備能夠進(jìn)行層次顯示。
最好驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使液晶層的導(dǎo)向子沿著由手性近晶CA相內(nèi)的分子所描繪的圓錐形軌跡運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)以一個(gè)小于由圓錐形和圓錐形的軸之間所形成的錐角的最大值的角度進(jìn)行。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，不需將液晶層置定在鐵電相內(nèi)來執(zhí)行層次顯示。由此，抑制顯示突變現(xiàn)象，可以獲取高顯示屏反差和高質(zhì)量圖象。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種液晶顯示設(shè)備，它包括第一基底，其上形成第一電極；第二基底，其上正對第一電極形成第二電極；一個(gè)液晶顯示層，由第一和第二基底之間的密封形成，在液晶處于整體狀態(tài)時(shí)，反鐵電液晶呈現(xiàn)一種手性近晶相；以及取向膜層，安置在第一和第二基底的一個(gè)相對表面上，具有使液晶分子取向在某種狀態(tài)的取向力，在該種狀態(tài)液晶層內(nèi)相鄰近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用，同時(shí)由這種取向力使液晶層的導(dǎo)向子基本上設(shè)置成與近晶層的法線的方向相一致。
根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)，在這種情況下，近晶相的液晶分子被取向成近晶層之間分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用，這是由于每個(gè)取向膜層與液晶分子之間的相互作用之故。在將電壓加到液晶層時(shí)，由于外加電壓所產(chǎn)生的電場與液晶本身所具有的自發(fā)極化的相互作用，使液晶分子按照所加電壓的大小和極性在一個(gè)方向內(nèi)取向。在加到液晶層的電壓逐步增強(qiáng)或減弱時(shí)，液晶分子的取向方向會(huì)逐漸地改變，從而液晶層的導(dǎo)向子按照外加的電壓連續(xù)地變化。根據(jù)液晶顯示設(shè)備內(nèi)偏振板的布置，外加電壓確定液晶層的導(dǎo)向子的方向。所以，通過控制加到液晶層的電壓大小，就可以按照需要來控制導(dǎo)向子的方向。
在這種液晶顯示設(shè)備中最好使取向膜層所具有的取向力強(qiáng)于液晶分子之間作用的分子間力，以便允許液晶分子取向成在近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用的狀態(tài)。
上述的液晶顯示設(shè)備還包括，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于對液晶層加上電壓來控制液晶層的導(dǎo)向子，以便實(shí)現(xiàn)層次顯示。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，液晶分子按照所加電壓的大小和極性運(yùn)動(dòng)，并且使在手性近晶CA相內(nèi)的分子沿著錐形軌跡運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，液晶層的導(dǎo)向子連續(xù)地按照所加電壓的不同而變化。這將使液晶顯示設(shè)備取得層次顯示。
最好使上述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿著由手性近晶CA相內(nèi)的分子所示跡的圓錐形運(yùn)動(dòng)液晶層的導(dǎo)向子，運(yùn)動(dòng)的角度小于由圓錐和錐軸之間所形成的錐角的最大值，由此在鐵電相內(nèi)不需設(shè)置液晶層就能執(zhí)行層次顯示。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，執(zhí)行層次顯示不需要在鐵電相內(nèi)設(shè)置液晶層。于是，使顯示突變現(xiàn)象受到抑制，可獲取高質(zhì)量的顯示屏反差和圖象。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種驅(qū)動(dòng)液晶顯示設(shè)備的方法，該方法包括下述步驟密封，第一和第二基底之間密封由液晶材料形成的液晶層，這種液晶材料呈現(xiàn)手性近晶CA相，同時(shí)該液晶材料是處于整體狀態(tài)，液晶材料的液晶分子被取向成一種使液晶層內(nèi)的近晶層之間分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用的狀態(tài)，并且液晶層的導(dǎo)向子，在液晶層被密封在第一和第二基底之間時(shí)，基本上設(shè)置成與近晶層的法線方向相一致的方向；以及利用對液晶層加電壓來控制液晶層的導(dǎo)向子方向，以執(zhí)行層次顯示。
最好使液晶層的導(dǎo)向子沿著由手性近晶CA相內(nèi)分子示跡的圓錐形運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的角度小于由錐形和錐形軸之間所形的錐角的最大值，由此在鐵電相內(nèi)不用設(shè)置液晶層就能執(zhí)行層次顯示。
按照本發(fā)明的第四方面，提供一種顯示層次的方法，該方法包括下述步驟通過密封形成具有預(yù)定厚度的液晶層，密封位于第一和第二基底之間的液晶層，液晶層內(nèi)的液晶材料處于一種整體狀態(tài)，并且呈現(xiàn)手性近晶CA相；取向液晶分子，使其處于在液晶層內(nèi)的鄰近的近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用的狀態(tài)，并使液晶層的導(dǎo)向子基本上與近晶層的法線方向一致，這種一致是通過利用形成在第一和第二基底的內(nèi)表面上的取向膜層的取向力進(jìn)行的；利用對液晶層加電壓來控制液晶層的導(dǎo)向子的方向；以及利用偏振機(jī)構(gòu)探測導(dǎo)向子的變化以顯示圖象層次。
在液晶密封于基底之間呈現(xiàn)的位相，即，在該位相，每層近晶層內(nèi)的液晶分子受到取向，但是近晶層在液晶分子的取向內(nèi)彼此沒有相關(guān)作用，這樣的位相可以利用每個(gè)取向?qū)优c液晶之間的相互作用(表面效應(yīng))來取得。取向膜層具有取向液晶分子的取向力，使近晶層在液晶分子的取向內(nèi)彼此不存在相關(guān)作用。
上述的液晶分子的取向狀態(tài)是由于取向膜層的取向力所致，例如，這種取向力大于作用在液晶分子間的互相作用力，從而保持反鐵電分子取向，以及使鐵電相與反鐵電相之間的能隙變小。


圖1表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中液晶顯示設(shè)備結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖2表示圖1示液晶顯示設(shè)備的下基底結(jié)構(gòu)的平面視圖；圖3表示偏振板的透射軸和液晶分子的取向方向之間關(guān)系的一個(gè)示例視圖；圖4表示用整體的液晶分子經(jīng)跡的雙螺旋結(jié)構(gòu)的說明圖5表示對基底之間密封的液晶分子取向狀態(tài)的說明圖；圖6表示對液晶分子的取向狀態(tài)的說明圖；圖7表示對液晶分子的取向狀態(tài)的說明圖；圖8A-8E表示所加電壓與液晶分子的取向之間相互關(guān)系圖；圖9A表示將具有矩表波形的低頻電壓加到采用圖3所示光學(xué)裝置的本發(fā)明例1所示的液晶顯示設(shè)備上時(shí)所加電壓與透射率之間的關(guān)系圖；圖9B表示在間隙長度為5μ時(shí)所加電壓與比較例1中透過率之間的關(guān)系圖；圖10表示在整體狀態(tài)的液晶的干涉圖形；圖11A和11B表示偏振板的透過光軸和液晶分子的取向方向之間相互關(guān)系的另一個(gè)示例圖；圖12A表示將具有矩形波形的低頻電壓加到采用圖11B所示光學(xué)裝置的本發(fā)明例2所示的液晶顯示設(shè)備上時(shí)所加電壓與透射率之間的關(guān)系圖；圖12B表示在間隙長度為5μm時(shí)所加電壓與比較例2中透過率之間的關(guān)系圖；圖13A-13C表示說明本發(fā)明AFLC顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)方法的時(shí)序圖；圖14表示在圖2的液晶顯示設(shè)備(根據(jù)本發(fā)明的)采用圖13所示的驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)時(shí)所加電壓與透射率之間的相互關(guān)系圖；圖15表示完成圖13所示驅(qū)動(dòng)方法用的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)的示例方框圖；圖16表示一種簡單矩陣型液晶顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所述的AL顯示設(shè)備，它能顯示半色調(diào)圖象，下文將結(jié)合附圖詳細(xì)進(jìn)行描述。
LC顯示設(shè)備是一種有源矩陣型裝置，具有一對透明的基底(例如玻璃基底)11和12。在圖1中，在下透明基底11(下面稱為下基底)上以矩陣圖形布置透明象素電極和連接到基底的有源元件14。
有源元件14，例如以薄膜晶體管的形式形成(下文稱為TFTs14)。每個(gè)TFTs14具有一個(gè)形成在下基底11上的選通電極，一個(gè)復(fù)蓋選通電極的選通絕緣膜層，一個(gè)形成在選通絕緣膜層上的半導(dǎo)體層，一個(gè)形成在半導(dǎo)體層上的源電極和一個(gè)漏電極。
如圖2所示，選通線15(掃描線)安置在象素電極13的行之間，而數(shù)據(jù)線16(層次信號線)設(shè)置在象素電極13的列之間。各個(gè)FTFs14的選通電極被連接到他們的相應(yīng)選通線15，而TFTs的漏電極被連接到他們的相應(yīng)數(shù)據(jù)線16。
選通線15的端部分15a連接到選通驅(qū)動(dòng)器31，而數(shù)據(jù)線16的端部分16a連接到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器32。選通驅(qū)動(dòng)器31將一個(gè)選通信號(下面將介紹)加到選通線15，以便對選通線15掃描。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器32接收顯示數(shù)據(jù)(層次數(shù)據(jù))，并將相應(yīng)于顯示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信號加到數(shù)據(jù)線16。
選通線15用TFTs14的選通絕緣膜層(透明膜層)復(fù)蓋，他們的端部15a除外。數(shù)據(jù)線16形成在該選通絕緣膜層上。象素電極13由ITO等材料制做。并形成在選通絕緣膜層上。每個(gè)象素電極13在其一端部被連接到相應(yīng)于TFTs14之一的源電極上。
在圖1中，一個(gè)透明公共電極17，它正對下基底11的各個(gè)象素電極13，并形成在上透明基底12上(下稱為上基底)。公共電極17由ITO等材料制做，它是由伸出整個(gè)顯示區(qū)的單電極構(gòu)成。將一個(gè)參考電壓加到公共電極17。象素電極13和公共電極17將一個(gè)電壓加到介于其間的LC層21上，由此控制LC分子的取向方向，使LC分子的導(dǎo)向子(長軸的平均方向)連續(xù)地改變。采用如此做法，使LC層的光軸連續(xù)地受到控制，從而控制顯示層次。
取向膜層18和19設(shè)置成在每一個(gè)其上形成電極的下和上基底11和12的表面上。
取向膜層18和19是均勻的取向膜層，它在相同的方向(圖3中所示的第3方向，對此將在下文討論)受到磨面的取向處理。取向膜層18和19有取向力，利用這種力使LC分子基本上在取向處理的方向21內(nèi)受到取向。
取向膜層18和19，他們受到例如磨面的取向處理，并由有機(jī)高分子化合物，例如聚酰亞胺制成，其厚度約為25nm-35nm。
下基底11和上基底12在其周邊緣部分利用框形的密封件20使它們互相固著。利用基底11和12之間的密封件20在外圍區(qū)域內(nèi)通過將LC層21進(jìn)行密封來形成一個(gè)LC單元25。LC層21的厚度等于或小于液晶的天然間距，假設(shè)為1.5μm左右。LC層21厚度由LC層21受密封的區(qū)域內(nèi)透明的間隔22來限制。
LC層21是由LC材料形成，(1)LC材料在整體狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)一種手性近晶CA(SmCA*)相；(2)LC材料，在密封于基底11和12之間時(shí)，呈現(xiàn)一種位相，其中LC分子在每層(近晶層)近晶LC的層結(jié)構(gòu)中受到取向，并且導(dǎo)向子基本上與近晶層的法線方向一致，而在近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用；(3)在將具有低電平或中等電平的電壓加到LC材料時(shí)，LC分子根據(jù)所加電壓的極性和強(qiáng)度在一個(gè)方向逐漸地取向；(4)在將相當(dāng)高的電壓加到LC材料上時(shí)，LC材料呈現(xiàn)一種鐵電相，其中LC分子基本上在圖3所示的第一方向21A或第二方向21B內(nèi)取向。
下面將討論LC層21的詳細(xì)內(nèi)容。
一對極化板23和24設(shè)置在LD裝置的底部和頂部。如圖3所示，下偏振板的光軸(下稱為透射軸)23A基本上平行于近晶層的法線。該法線的方向基本上與第三方向一致。下偏振板24的光軸(透射軸)24A基本上設(shè)置成垂直于下偏振板23的透射軸23A。其法線的方向基本上與第三方向21C一致。上偏振板24的光軸(透射軸)24A基本上設(shè)置成垂直于下偏振板23的透射軸23A。
AFLC顯示設(shè)備的透過率，該裝置的偏振板23和24具有圖3所示的透射軸23A和24A，在LC層21的方向基本上表示為第一取向方向21A或第二取向方向21B時(shí)，顯示設(shè)備的透過率幾乎達(dá)到最大值(此時(shí)顯示最明亮)。在LC層21的導(dǎo)向子基本上表示為第三方向21C時(shí)，透過率幾乎成為最小值(顯示成為最暗)。
尤其，在LC分子在第一方向21A或第二方向21B內(nèi)受到取向時(shí)，線性偏振光的偏振狀態(tài)出現(xiàn)改變，該偏振光平行于透射軸23A通過光入射側(cè)的偏振板23，這是由于LC層21的雙折射效應(yīng)所致，并且由此已改變偏振態(tài)的光進(jìn)入出光側(cè)的偏振板24。平行透射軸24A的光分量通過出光側(cè)的偏振板24，結(jié)果顯示變得明亮。在導(dǎo)向子代表第三方向21C的情況下，通過平行于透射軸23A的光入射側(cè)偏振板23的線偏振光幾乎對LC層21的雙折射效應(yīng)一點(diǎn)也不敏感。此時(shí)，已經(jīng)通光入射側(cè)偏振板23的線偏振光再通過LC層21，并大部分由光出射側(cè)偏振板24吸收，結(jié)果使顯示變暗。
在LC層21用光學(xué)方法處于中間狀態(tài)時(shí)，可獲取依據(jù)導(dǎo)光元的方向的層次顯示。
下面將詳細(xì)介紹取向膜層18和19，以及LC層21。
LC層21由液晶形成，它的主要成分，例如可以是一種具有用在化學(xué)式1表示的骨架的液晶組分。這種液晶的特性表示在表1中。
前述的錐角是由以錐軸用LC分子示跡的錐形所形成的角，第一方向21A和第二方向21B形成2θ角，該角是錐角θ的二倍。
在整體狀態(tài)，LC材料包含由取向的分子形成的若干層，它具有圖4所示的螺旋結(jié)構(gòu)。在每層中鄰近的分子具有一種雙螺旋結(jié)構(gòu)，他們示跡的螺旋形對于虛錐具有近似180度的移位。LC分子在鄰近近晶層內(nèi)的自發(fā)極化互相抵消。
當(dāng)LC材料被密封在LC單元25中時(shí)，LC層21的厚度(單元間隙)近似等于LC材料(LC層21的厚度為1.5μm)的螺旋結(jié)構(gòu)的1個(gè)間距(天然螺距)。
具有上述結(jié)構(gòu)的液晶的特性在于反鐵電相的液晶的位能與鐵電相的液晶的位能之間的能隙是小的，并且反鐵電序容易趨向無序，使預(yù)過渡現(xiàn)象相比于正常的反鐵電液晶時(shí)更明顯。這種“預(yù)過渡現(xiàn)象”是指這樣一種現(xiàn)象，即，在加到反鐵電相的液晶分子上的電場逐步加強(qiáng)時(shí)，LCD裝置的透過率(采用圖3所示的光學(xué)裝置)在從反鐵電相至鐵電相過渡之前是高的。透過率的增加表示LC分子在相變出現(xiàn)前的行為，又表示處于反鐵電相的液晶的位能與處于鐵電相的液晶的位能之間的能隙是較小的。
這樣一種被密封在LC單元的液晶對于出現(xiàn)在液晶與取向膜層18和19之間界面處的相互作用(表面效應(yīng))是敏感的，換言之，取向力是由于取向處理的結(jié)果形成。由于取向力與LC層21的分子間作用力之間的相互關(guān)系，LC分子不能成為鐵電或反鐵電相，并成為在電偶極子的方向上不存在能量優(yōu)勢。即，液晶呈現(xiàn)一種位相，其中LC分子在近晶LC的層結(jié)構(gòu)的每個(gè)(近晶)層內(nèi)的相同方向上均受到取向，由此導(dǎo)向子基本上與近晶層的法線方向相一致取向，但是在近鄰層之間的分子序內(nèi)基本上不存在相關(guān)作用。
在所述相位，LC分子能夠很容易地沿著圖5所示的想象中的圓錐形運(yùn)動(dòng)，而有些LC分子其受到的取向相對于基底的主要表面有一定的傾斜。
對于這樣取向的LC分子的模型表示在圖6和7中。
在將電壓加到LC層21上時(shí)，LC分子行為如圖5所示，沿著由近晶CA*相內(nèi)的分子示跡的設(shè)想圓錐運(yùn)動(dòng)，這是由所加電壓與LC分子的電偶極子之間的相互作用之故，同時(shí)LC分子在第一方向21A或第二方向21B上均受到取向。
當(dāng)將一個(gè)具有正極性的合適高電壓(該電壓等于或大于飽和電壓)加到LC層21時(shí)，液晶呈現(xiàn)第一鐵電相，其中LC分子基本上在第一方向21A內(nèi)受到取向。在這種條件下，LC分子的自發(fā)極化在幾乎相同的方向內(nèi)導(dǎo)向。
當(dāng)將一個(gè)具有正極性的合適高電壓(該電壓等于或小于飽和電壓)加到LC層21時(shí)，液晶呈現(xiàn)第二鐵電相，其中LC分子基本上在第二方向21B內(nèi)受到取向，在這種條件下，LC分子的自發(fā)極化在幾乎相同的方向內(nèi)導(dǎo)向。
在所述鐵電相內(nèi)，LC層21的光軸基本上與第一方向21A或第二方向21B一致。
在對LC層21不加上電壓時(shí)，LC分子在不同方向內(nèi)延伸，LC分子的導(dǎo)向子(平均取向方向)近似表示取向處理的方向21C，如圖8所示。
在將合適的電壓加到LC層21時(shí)，LC分子在第一方向21A或第二方向21B內(nèi)受到取向，并且導(dǎo)向子，如圖8所示，表示第一方向21A或第二方向21B。
在將中等電壓加到LC層21時(shí)，根據(jù)所加的電壓大小，LC分子在第一方向21A或第二方向21B內(nèi)受到傾斜。如圖8D和8E所示，并且導(dǎo)向子在近晶層的法線方向21C與第一方向21A之間連續(xù)變化，并在法線方向21C與第二方向21B之間連續(xù)變化，這種連續(xù)變化是按照所加電壓的極性不同而進(jìn)行的。
所述LCD裝置的光學(xué)特性，如曲線圖所示，在所加OV電壓附近不示跡成一個(gè)水平線，而是按照所加電壓的絕緣值的增加平滑地變化。LCD裝置的光學(xué)特性在加正電壓時(shí)與加負(fù)電壓時(shí)是對稱的。在將絕緣值等于或大于飽和電壓的電壓加到LC層時(shí)，透過率成為飽和。
圖9A示例說明在例1實(shí)施例的LCD裝置中，透過率與加到LC層的矩形電壓之間的關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明例1的LCD裝置的LC層21，其中的液晶主要成分已由對具有化學(xué)式I的骨架和表1所列性能的液晶組成進(jìn)行處理而獲取。LC層21被密封在上和下基底之間，密封的單元間隙為1.5μm，在這種情況下，已使由LC分子示跡的螺旋結(jié)構(gòu)被斷開。
在上述LCD裝置中所采用的取向膜層18和19是由有機(jī)高分子化合物形成，例如聚酰亞胺，并且膜層受到了磨面處理。
圖9B表示透過率與加到LCD裝置(比較例1)中的LC層上電壓之間的關(guān)系。LCD裝置的LC層被密封在5μm間隙的單元內(nèi)，此時(shí)由LC分子示跡的螺旋結(jié)構(gòu)得到維持。
如圖9A所示，本發(fā)明例1所述的LCD裝置其透過率特性與所加電壓的關(guān)系沒有一個(gè)限定的閾值，透過率是連續(xù)變化，該特性相對于外加電壓的極性是對稱的，滯后作用非常小，反差(最小透過率和最大透過率之間的差)是高的。外加電壓和透過率基本上互相一一對應(yīng)。這就允許可靠地顯示半色調(diào)，有可能獲取高反差的顯示圖象。
另一種情況，在比較例1中所加電壓對LCD裝置的透過率特性有一個(gè)閾值，則滯后作用是明顯的，如圖9B所見，外加電壓與透過率特性曲線不是平滑的。況且反差是低的。
圖10表示處于整體狀態(tài)時(shí)LC材料的錐光圖象。圖10所示錐光圖象是在近晶層的法線方向觀示LC材料所拍攝的。在圖10中，兩個(gè)光軸影(亮點(diǎn))沿著近似垂直于箭頭所示電場E的虛線出現(xiàn)，并通過同心的同消失影的中心(亮和暗環(huán))，兩個(gè)光軸影相對于近似平行于箭頭所示電場E，并通過上述中心的虛線是對稱的。這些情況意味著LC分子是處于反鐵電相，其中LC分子示跡雙螺旋結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例的LCD裝置中，如上所述，LC層21假設(shè)為該種取向狀態(tài)，其中近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用。在電場加到LC層21，并且逐步地增強(qiáng)或減弱時(shí)，導(dǎo)向子的方向根據(jù)所加電壓的情況在第一方向21A和第二方向21B之間連續(xù)變化。這就允許以所需的層次可靠地顯示圖象。
在圖3中，下偏振板23的透射軸23A設(shè)置成幾乎平行于包含在LC層21內(nèi)的近晶層的法線，而上偏振板24的透射軸24A設(shè)置成垂直于透射軸23A。然而，上和下偏振板23的24的透射軸23A和24A的布置根據(jù)所需LCD裝置的電光特性可以是任意的。
例如，在采用錐角θ約為22.5度的LC材料情況下，下偏振板23的透射軸23A安排成平行于第二方向21B，而上偏振板24的透射軸24A安排成垂直于下偏振板23的透射軸23A，如圖11所示。按照這種結(jié)構(gòu)，在將適當(dāng)?shù)木哂胸?fù)極性的高電壓(等于或大于閾值的電壓)加到LC層21時(shí)，導(dǎo)向子表示第二方向21B，使顯示成為最暗。另，在將合適的具有正極性的高電壓(等于或大于閾值的電壓)加到LC層21時(shí)，導(dǎo)向子表示第一方向21A，使顯示變成最亮。
在采用錐角θ大于22.5度的LC材料情況下，一個(gè)偏振板(下偏振板23或上偏振板24)的透射軸可以設(shè)置成與LC層21的法線形成22.5度的角度；在LC層呈現(xiàn)鐵電相時(shí)，起導(dǎo)向子作用的第二方向21B可以如此設(shè)定，即在第二方向21B與LC層21的近晶層法線之間形成一個(gè)大于22.5度但小于錐角θ的角度；其它偏振板的透射軸可以設(shè)置成基本上垂直于前述的一個(gè)偏振板的透射軸，如圖11B所示。采用這種光學(xué)布置，液晶可以受到驅(qū)動(dòng)，不用呈現(xiàn)鐵電相。所以，可以阻止顯示突亮現(xiàn)象等出現(xiàn)，也可使閃變受到抑制。
例如，在摻入錐角是32度的LC材料情況下，該材料由化學(xué)式1表示的，此時(shí)下偏振板23的透射軸23A安置成與LC層21的近晶層法線形成例如22.5度的角度(法線的方向基本上與方向21一致)，如圖11B所示。另，上偏振板24的透射軸24A基本上安置成垂直于透射軸23A。
利用使相對電極之間加一個(gè)低于可能使由上述液晶形成的LC層呈現(xiàn)鐵電相的電壓來控制透射光量，從而LC層的導(dǎo)向子，在由與近晶層的法線成22.5度角的方向(23A)和由與近晶層(法線方向基本上方向21C)一致的法線形成22.5度角度的方向(21D)之間限定的范圍內(nèi)進(jìn)行改變。
按照上述結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)向子表示透射軸23A的方向時(shí)，顯示變成最暗，在導(dǎo)向子表示與透射軸23A形成45度角度的方向21D時(shí)，顯示成為最亮。在這種情況下，層次顯示可以不用改變導(dǎo)向子予以取得，直至導(dǎo)向子與第一方向21A和第二方向21B成為一致，以此取得最小至最大層次顯示。簡言之，液晶可以不需設(shè)定在鐵電相就可受到驅(qū)動(dòng)。
甚至在采用上述光學(xué)布置的情況下，所加的電壓與LC層21內(nèi)分子的行為，相變等之間的關(guān)系也如前面所討論的，導(dǎo)向子的方向在第一方向21A和第二方向21B之間連續(xù)地變化。這就允許以所要求的層次顯示圖象。還有，與圖3中所示的光學(xué)布置情況相比，閃變下降，液晶層21也沒有設(shè)定在鐵電相。所以，使顯示突亮現(xiàn)象受到抑制，從而取得高質(zhì)量的高反差的顯示圖象。
圖12A表示外加電壓與LCD裝置(本發(fā)明的例2)的透射特性關(guān)系曲線圖。在該LCD裝置中，圖11B所示的光學(xué)布置用到上述的LC單元(其中，液晶具有表1所示的性能，并作為主要成分含有由化學(xué)式1表達(dá)骨架的液晶組分，將該液晶密封在1.5μ間隙的單元內(nèi))。
圖12B表示外加電壓與本發(fā)明例2有相同結(jié)構(gòu)的LCD裝置(比較例2)的透射特性之間的曲線關(guān)系，對于單元間隙是5μm 這一點(diǎn)除外。
圖12A和12B中所示的特性是通過在電極13和正對電極13的電極17之間加上一個(gè)矩形電壓所得的。
從圖12A可見，外加電壓對本發(fā)明例2的LCD裝置的透射特性關(guān)系不具有確定的閾值，透過率連續(xù)地變化，相對于外加電壓的極性，所述特性是對稱的，滯后作用是小的，反差是大的。另，在比較例2的情況，外加電壓對透過率特性具有一個(gè)閾值，滯后作用是明顯的，并且外加電壓對透過率特性不是平滑的，如圖12所示。況且，反差是低的。
也可以從圖12A和12B確定，本發(fā)明LCD裝置具有很好的顯示能力。
一種驅(qū)動(dòng)本發(fā)明LCD裝置的方法(其具有上述的結(jié)構(gòu))將參見圖13予以說明。
圖13A表示選通信號，由選通驅(qū)動(dòng)器31將該信號加到任意行內(nèi)選通線15上，而F13B表示數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器32將該信號加到與選通脈沖同步的每個(gè)數(shù)據(jù)線16上。將數(shù)據(jù)信號的電壓設(shè)置成一個(gè)可引起LC層21不呈現(xiàn)鐵電相的值，即，位于VTmax和VTmin之間的一個(gè)電壓，并相應(yīng)于所獲得的透過率。圖13C表示發(fā)生在外加如圖13B所示的數(shù)據(jù)脈沖時(shí)透過率的變化。
在選擇周期內(nèi)，每個(gè)選通信號將ON變成為一個(gè)選通脈沖，在該周期中選擇一個(gè)相應(yīng)的行。所述選通脈沖在選擇的行內(nèi)導(dǎo)通TFTs。在TFTs14處于ON的寫入周期內(nèi)，相應(yīng)于顯示層次的數(shù)據(jù)信號加到象素電極13和面對象素電極13的出共電極17上。在選通脈沖成為OFF時(shí)，TFTs14變成OFF，此時(shí)加在電極13和17之間的電壓被保持在由電極13，電極17和位于電極之間LC21組成的每個(gè)象素電容內(nèi)。如圖13C所示，與保持電壓相應(yīng)的顯示層次予以維持，直至下一個(gè)選擇周期被選擇時(shí)為止。
圖14表示本發(fā)明例2的LCD裝置由圖13A和13B所示驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)時(shí)，以及數(shù)據(jù)信號的電壓連續(xù)地從-5v至+5v增加，和連續(xù)地從+5v至-5v降低時(shí)透過率的變化情況。從圖14可知，采用圖13A和13B所示的驅(qū)動(dòng)方法，圖象可以按所需的層次可靠地得到顯示。
一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器32的結(jié)構(gòu)舉例，它將使這種驅(qū)動(dòng)成為可能，對此將參見圖15予以描述。
如圖15所示，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器32包括，一個(gè)第一取樣/保持電路41，一個(gè)第二取樣/保持電路42，一個(gè)A/D(模擬數(shù)字)轉(zhuǎn)換器43，一個(gè)計(jì)時(shí)控制器44和一個(gè)電平位移器45。
第一取樣/保持電路41對VD’信號分量(一個(gè)圖象數(shù)據(jù)項(xiàng))取樣或保持，用于外加模似信號的相應(yīng)象素。第二取樣/保持電路42對由第一取樣/保持電路41所保持的信號VD’進(jìn)行取樣/保持。
A/D轉(zhuǎn)換器43將由第二取樣/保持電路42保持的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字層次數(shù)據(jù)。
在每個(gè)選擇周期，計(jì)時(shí)控制器44提供作為取樣/保持指令的計(jì)時(shí)控制信號加到第一和第二取樣/保持電路41和42。
電平位移器45將由A/D轉(zhuǎn)換器43輸出的數(shù)字層次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有相應(yīng)電壓VD(一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓，需用于由數(shù)字層次數(shù)據(jù)所賦予層次的顯示)，并輸出相應(yīng)于數(shù)據(jù)線16之一的數(shù)據(jù)脈沖。電平位移器45將用于信號處理系統(tǒng)的電源以及用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源互相分開。從電平位移器45輸出的電壓VD，在TFTs14處于相應(yīng)行為ON的寫入周期內(nèi)加到LC層21，并在TFTs14在OFF時(shí)將該電壓保持在電極13和17之間。
第一取樣/保持電路41，第二取樣/保持電路42，A/D轉(zhuǎn)換器43和電平位移器45對于每列象素均設(shè)置，而計(jì)時(shí)控制器44公用于許多列象素。
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器32的結(jié)構(gòu)不限于圖15所示的。例如，一個(gè)取樣/保持電路(包含在A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)的)可以用作第二取樣/保持電路42。從A/D轉(zhuǎn)換器43的輸出可采用特殊方式處理，經(jīng)處理之后的數(shù)據(jù)可以加到電平位移器45，從而轉(zhuǎn)換用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓。被處理過的數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換成一個(gè)具有用于信號處理系統(tǒng)電壓的層次信號，之后可以加到電平位移器45，從而轉(zhuǎn)換成供驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用的電壓。
多種計(jì)時(shí)信號可以從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器32的外側(cè)提供。還有，圖象數(shù)據(jù)本身可以是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
本發(fā)明不限于上述的實(shí)施例，也可有各種改進(jìn)和應(yīng)用。
例如，本發(fā)明的反鐵電液晶不限于一種主成分是具有化學(xué)式I所示架構(gòu)的液晶組成，可以使用任何其它的液晶，在其所示的位相，可以對每個(gè)近晶層內(nèi)的LC分子予以取向，而近鄰層在LC分子的取向時(shí)互相之間不存在相互作用。
液晶的性能也不限于之前所描述的。取向膜層的材料，厚度等在需要時(shí)也可以改變。
可以采用任何LC材料和取向膜層的組合，只要上述LC分子的取向可以取得。
LC層21的厚度也可以人為確定，只要可以獲取LC分子的上述取向。即使一種液晶，其中一部分LC分子不以前述的情況受到取向，但也可以采用，只要這部分存在，就幾乎不影響顯示。
還有，根據(jù)上述的實(shí)施例，將偏振板23和24安置成使他們的透射軸23A和24A互相垂直。然而，偏振板23和24也可安置成他們的透射軸互相平行。另，偏振板的光軸可以是吸收光軸。
還有，本發(fā)明不限于適用TFTs作為工作元件的AFLC顯示設(shè)備，也適用于適用MIMs作為工作元件的AFLC顯示設(shè)備。
本發(fā)明也可用于簡單矩陣(被動(dòng)矩陣)型顯示設(shè)備，其中掃描電極71和垂直于掃描電極71的信號電極72被設(shè)置在彼此相向的基底11和12的相對表面上，如圖16所示。
雖然本發(fā)明的LCD裝置采用一種AFLC，但是為了以所需的層次顯示圖象，他們可以連續(xù)地變化顯示的層次。
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示設(shè)備，包括一第一基底，在其上象素電極和連接到所述象素電極的有源元件以矩陣形式設(shè)置；一第二基底，其上面對所述象素電極形成一個(gè)公共電極；一液晶層，通過密封由位于所述第一與第二基底之間的反鐵電液晶形成，該液晶以松散狀態(tài)呈現(xiàn)一種手性近晶相；取向膜層，每一層設(shè)置在所述第一和第二基底的相對表面之一上，并具有取向力，由這種取向力，使液晶分子取向到某一種狀態(tài)，在該種狀態(tài)時(shí)所述液晶層內(nèi)相鄰近晶層之間的分子序內(nèi)基本上不存在相關(guān)作用，并且利用這種取向力，所述液晶層的導(dǎo)向子基本上設(shè)定成與所述近晶層的法線的方向一致；以及一種改變裝置，用于通過在所述象素電極和所述公共電極之間加一電壓來改變所述液晶層的導(dǎo)向子方向。
2.如權(quán)利要求1的液晶顯示設(shè)備，其中所述取向膜層所具有的取向力大于所述液晶分子之間的分子間作用力。
3.如權(quán)利要求2的液晶顯示設(shè)備，其中所述取向膜層的表面能量分散力在30-50dyn/cm范圍內(nèi)，范德華力的范圍在3-20dyn/cm內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3的液晶顯示設(shè)備，其中所述的處于松散狀態(tài)的液晶呈現(xiàn)一種具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的手性近晶CA相；在所述液晶密封在所述第一和第二基底之間時(shí)，所述的雙螺旋結(jié)構(gòu)斷開，此時(shí)液晶分子受到取向，在所述近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用，導(dǎo)向子基本上與所述近晶層的法線方向一致；所述液晶層的導(dǎo)向子隨著外加電壓的大小和極性的改變而變化；及當(dāng)超過預(yù)定值的高電壓加到所述的液晶層時(shí)，所述液晶層根據(jù)所施加的高電壓的極性呈鐵電相。
5.如權(quán)利要求1的液晶顯示設(shè)備，其中所述改變導(dǎo)向子的裝置包括驅(qū)動(dòng)裝置，用于控制導(dǎo)向子以便執(zhí)行層次顯示，這種控制是通過在所述的每個(gè)象素電極與所述公共電極之間通過所述的有源元件的該電壓，以此將電壓加到液晶層來實(shí)現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求5的液晶顯示設(shè)備，其中手性近晶CA相內(nèi)分子的示跡錐形有一個(gè)軸，并與所述軸形成一個(gè)錐角，所述驅(qū)動(dòng)裝置使所述液晶層的導(dǎo)向子沿著所述錐形運(yùn)動(dòng)一個(gè)小于所述錐角最大值的一個(gè)角度，由此執(zhí)行層次顯示，不用將所述液晶層設(shè)定在鐵電相內(nèi)。
7.一種液晶顯示設(shè)備，包括一第一基底，在其上形成第一電極；一第二基底，在其上正對所述第一電極形成第二電極；一個(gè)液晶層，在所述第一和第二基底之間由密封反鐵電液晶形成，在所述液晶呈松散狀態(tài)時(shí)，該反鐵電液晶呈現(xiàn)手性近晶相；以及取向膜層，其每一層設(shè)置在所述第一和第二基底的相對表面之一上，具有取向力，利用這種力使液晶分子取向在所述液晶層的相鄰近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用，并利用這種取向力使所述液晶層的導(dǎo)向子基本上與所述近晶層的法線方向一致。
8.如權(quán)利要求7的液晶顯示設(shè)備，其中所述取向膜層的取向力大于液晶分子之間的分子間相互作用力。
9.如權(quán)利要求7的液晶顯示設(shè)備，其中還包括驅(qū)動(dòng)裝置，用于控制所述液晶層的導(dǎo)向子，以便通過對所述液晶層外加電壓來進(jìn)行層次顯示。
10.如權(quán)利要求9的液晶顯示設(shè)備，其中在手性近晶CA相內(nèi)分子示跡的圓錐有一個(gè)軸，它與所述軸形成一個(gè)錐角，所述驅(qū)動(dòng)裝置使所述液晶層的導(dǎo)向子沿著所述錐形運(yùn)動(dòng)一個(gè)比所述錐角的最大值小的角度，由此進(jìn)行層次顯示，不用將所述液晶層設(shè)定在鐵電相內(nèi)。
11.一種驅(qū)動(dòng)液晶顯示設(shè)備的方法，包括下列步驟在第一和第二基底間密封由液晶材料形成的液晶層，在所述液晶材料呈松散狀態(tài)時(shí)該液晶層呈現(xiàn)手性近晶CA相，所述液晶材料的液晶分子被取向成在所述液晶層內(nèi)近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用，所述液晶層的導(dǎo)向子在所述液晶層密封在第一和第二基底之間時(shí)它與所述近晶層的法線的方向基本上保持一致；以及利用對所述液晶層加電壓控制所述液晶層的導(dǎo)向子，以執(zhí)行層次顯示。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中在手性近晶CA相內(nèi)的分子示跡的圓錐有一個(gè)錐軸，它與所述軸形成一個(gè)錐角，液晶層的導(dǎo)向子沿著所述的圓錐運(yùn)動(dòng)一個(gè)小于所述錐角的最大值的角度，由此進(jìn)行層次顯示，不用將所述的液晶層設(shè)定在鐵電相。
13.一種顯示層次的方法，包括下述步驟利用在第一和第二基底之間密封液晶材料來形成具有一定厚度的液晶層，該液晶材料處于松散狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)手行近晶相；取向液晶分子，使其在所述液晶層內(nèi)的相鄰近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用，并通過利用形成在所述第一和第二基板的內(nèi)表面上的取向膜層的取向力，使所述液晶層的導(dǎo)向子基本上與所述近晶層的法線的方向保持一致；利用對所述液晶層加電壓來控制所述液晶層的導(dǎo)向子；以及通過用偏振裝置檢測導(dǎo)向子變化來顯示層次。
全文摘要
一種液晶材料被密封在基底之間,在液晶材料成整體狀態(tài)時(shí)液晶材料呈現(xiàn)一種反鐵電相。密封在基底之間的液晶層,由于取向膜層的取向力,取向液晶分子,使相鄰近晶層之間的分子序內(nèi)不存在相關(guān)作用,液晶層的導(dǎo)向子基本上與近晶層的法線方向一致。按照形成在基底上的電極之間所加電壓的大小和極性導(dǎo)向子連續(xù)地改變方向。設(shè)置偏振板,使得位于其間的基板能進(jìn)行有層次的顯示。
文檔編號G02F1/1337GK1201162SQ98115409
公開日1998年12月9日 申請日期1998年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月8日
發(fā)明者田中富雄, 吉田哲志, 武居學(xué), 小倉潤 申請人:卡西歐計(jì)算機(jī)株式會(huì)社