專利名稱：液晶電-光裝置的制作方法
專利說(shuō)明 本發(fā)明屬于改進(jìn)了的液晶電-光裝置，更具體說(shuō)，屬于采用一種新的改進(jìn)了的驅(qū)動(dòng)方式的鐵電液晶裝置。
目前已經(jīng)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，并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，由于相鄰象素在以多路時(shí)間方式工作期間存在串?dāng)_，因此，單位顯示面積上能起作用的象素?cái)?shù)目，亦即象素密度，實(shí)際上是受到限制的。
這種顯示器中的開(kāi)關(guān)作用可以用多個(gè)為各象素配置的薄膜晶體管完成，這種驅(qū)動(dòng)排列稱之為有效陣列系統(tǒng)(activematrixsystem)。但是，因?yàn)橹圃旆椒◤?fù)雜，很難制成大面積的顯示器，同時(shí)也難以降低成本。
為試圖克服現(xiàn)有裝置的上述缺點(diǎn)，Clerk等人在美國(guó)專利No.4367924中提出了一種鐵電液晶裝置。附

圖1是一說(shuō)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(duì)玻璃基板11和11′之間放入鐵電液晶。每塊基板的內(nèi)表面均鋪以由In2O3、SnO2或ITO(銦錫氧化物)制成的電極排列。兩基板間的液晶材料排列成使每一分子層12垂直于基板，如圖所示。該液晶物質(zhì)的工作相為手性碟狀結(jié)構(gòu)的C相(chiral smectic C)，所述材料可望于室溫下具有這種相。其液晶分子能取兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)Ⅰ和Ⅱ，如圖2所示，這兩個(gè)狀態(tài)與液晶層的垂線成θ和-θ角傾斜。
分子在這兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換取決于垂直施加于基板的外部電場(chǎng)。以此方式，基于不同狀態(tài)的象素間具有不同的雙折射性就能形成可見(jiàn)的圖象。這種類型的顯示裝置的特點(diǎn)之一是其雙穩(wěn)性，該雙穩(wěn)性是由以下事實(shí)造成的每一液晶分子的狀態(tài)即使在所施加的電場(chǎng)移去后也會(huì)繼續(xù)保持，直到另一電場(chǎng)又以相反的方向施加其上為止。換句話說(shuō)就是這種顯示裝置具有非易失性存儲(chǔ)元件的功能。
雖然由Clerk等人提出的這種裝置對(duì)于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(chǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看卻存在關(guān)鍵性的缺點(diǎn)。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松脫。這樣，兩基板之間的間距必須為液晶分子螺旋形螺距的數(shù)量級(jí)，例如幾個(gè)微米或與其相當(dāng)?shù)拈g距。因此，這種類型的液晶裝置的性能對(duì)基板間的間距的一致性相當(dāng)敏感。為此，可以預(yù)料，在大量制作這種裝置時(shí)，要保證這樣窄的縫隙的一致性將是十分困難的。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種在大量制作過(guò)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(fā)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，并可處于兩種穩(wěn)定的光學(xué)各向異性狀態(tài)，如同Clerk等人的裝置一樣，但是，這兩種穩(wěn)定態(tài)的轉(zhuǎn)換需經(jīng)過(guò)一種中間態(tài)，在此狀態(tài)時(shí)，液晶分子重新排列成呈現(xiàn)一種光學(xué)各向同性的螺旋形結(jié)構(gòu)。含有液晶材料層的兩基板之間的距離最好選擇成大于分子螺旋形螺距約一個(gè)數(shù)量級(jí)，更可取的是不小于螺距的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，只有制造出上述這樣的裝置，才能談得上使液晶分子達(dá)到這種狀態(tài)。
圖1為一說(shuō)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(wěn)定狀態(tài)。
圖3是含有鐵電手性碟狀結(jié)構(gòu)液晶材料的(ferroelectricchiralsmecticliquidcrystalmaterial)本發(fā)明液晶裝置的剖視圖。
圖4為一示意圖，示出研究本發(fā)明液晶裝置特性的一種系統(tǒng)。
圖5(A)和5(B)示出輸入到本發(fā)明液晶裝置上的鋸齒形電壓波形和響應(yīng)輸入信號(hào)的被本裝置接收的輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)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(fā)明液晶裝置上的電壓脈沖序列和響應(yīng)輸入信號(hào)的被本裝置接收的輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)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(shí)施本發(fā)明時(shí)所用的驅(qū)動(dòng)方式。
參看圖3，這里以剖視圖來(lái)示出本發(fā)明的一種液晶顯示裝置。該裝置包括一對(duì)玻璃基板1和1′;第一組平行的電極條3，設(shè)置在基板1上，并以平行于圖紙平面?zhèn)认蜓由?第二組平行的電極條3′，設(shè)置在基板1′上，并以垂直于圖紙平面方向延伸;由聚酰亞胺樹(shù)脂制成的第一定向控制膜4;由SiO制成的第二定向控制膜4′;以及一定數(shù)量的酯類鐵電液晶材料5。
定向控制膜4和4′用于使液晶分子排列成行。通過(guò)電壓源7將電場(chǎng)加于第一和第二電極條3和3′之間。鐵電液晶材料是一種合成手性碟狀結(jié)構(gòu)的C相液晶。第一和第二電極條3和3′合起來(lái)形成限定出一組象素的電極陣列。適當(dāng)選取一種合用的樹(shù)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(zhuǎn)換的信號(hào)的相對(duì)閾值電平。第一和第二定向控制膜4和4′是經(jīng)過(guò)擦凈處理的?；逅闹苎b有密封件6，以防止液晶流失。標(biāo)號(hào)2和7示出兩塊偏振片，配置在適當(dāng)?shù)姆轿簧稀?br> 本裝置各部件的尺寸選擇只是為了解說(shuō)方便，并不是真實(shí)的設(shè)計(jì)。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，以使它們之間保持恒定的間隔。實(shí)際上，基板之間的距離可為20微米，每個(gè)電極條的寬度可為0.36mm，而相鄰兩條的間隔為0.04mm。實(shí)際合用的液晶材料的例子是這樣的材料在溫度范圍為-10℃到+70℃量級(jí)時(shí)表現(xiàn)出手性碟狀結(jié)構(gòu)的C相。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，特別合用的材料是在上述溫區(qū)的高溫端呈現(xiàn)碟狀結(jié)構(gòu)的A相。
按照一個(gè)舉例性的實(shí)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(gè)烷基，它包括6-12個(gè)碳組分原子;R＊代表一種光活性基，它包括9-15個(gè)碳組分原子，其中至少包括一個(gè)不對(duì)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(shí)驗(yàn)，制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(zhì)。發(fā)現(xiàn)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，并在室溫下(23℃)用偏振顯微鏡觀察。這些條紋證實(shí)了螺旋形結(jié)構(gòu)的存在。其螺距大約2.8微米。在旋轉(zhuǎn)其上放置有該液晶裝置的顯微鏡載物臺(tái)的同時(shí)，通過(guò)顯微鏡連續(xù)觀察液晶的情況，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)光消失的特殊位置。然后，通過(guò)電極3和3′對(duì)液晶施加一電場(chǎng)，這時(shí)發(fā)現(xiàn)存在不透光的特殊方位。這種“黑態(tài)”即使在電場(chǎng)移去以后也還繼續(xù)存在，直到另一電場(chǎng)以相反方向施加為止。
用圖4所示的一個(gè)系統(tǒng)對(duì)穿過(guò)液晶裝置的光的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)包括激光器11，放在一對(duì)偏振片15之間的試樣液晶裝置13，以及光檢測(cè)器17。來(lái)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于基板的電場(chǎng)。穿過(guò)樣品和穿過(guò)偏振片的光的強(qiáng)度被檢測(cè)器17檢測(cè)并顯示在示波器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(guò)該裝置的光的強(qiáng)度。示波器的CRT顯示器上顯示的一幅相應(yīng)的照片示于圖5(C)。另外，當(dāng)將一脈沖序列施加于該裝置時(shí)，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(yīng)的被檢測(cè)光的強(qiáng)度，而圖6(C)示出其照片。這些試驗(yàn)結(jié)果都是在25℃時(shí)作出的。
在圖5所示的轉(zhuǎn)換工作期間，為了顯示依照本發(fā)明圖示的轉(zhuǎn)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(diǎn)“1”時(shí)的電場(chǎng)時(shí)的液晶分子排列，處于這種排列時(shí)的液晶分子狀態(tài)這里稱之為“第一種狀態(tài)”。圖7(B)示出不加電場(chǎng)時(shí)，即相應(yīng)于圖5(A)和5(B)中點(diǎn)“1”時(shí)的電場(chǎng)時(shí)的液晶分子排列，處于這種排列時(shí)的液晶分子狀態(tài)這里稱之為“第一種狀態(tài)”。圖7(B)示出不加電場(chǎng)時(shí)，即相應(yīng)于圖5(A)和5(B)中點(diǎn)“M1”時(shí)的液晶分子排列。圖7(C)示出施加如圖5(A)和5(B)點(diǎn)“0”時(shí)的另一方向的電場(chǎng)時(shí)的液晶分子排列，處于這種排列時(shí)的液晶分子狀態(tài)這里稱之為“第二種狀態(tài)”。圖7(D)示出當(dāng)輸入的電場(chǎng)的強(qiáng)度又變?yōu)榱銜r(shí)，即相應(yīng)于圖5(A)和5(B)中點(diǎn)“M2”時(shí)的液晶分子排列。由圖7(A)到7(D)可見(jiàn)，液晶材料排列在其第一和第二種狀態(tài)之間的變化是經(jīng)過(guò)一種中間態(tài)(“M1”和“M2”)，處于這種狀態(tài)時(shí)的液晶分子取螺旋形(光學(xué)各向同性的)結(jié)構(gòu)。還有，從圖6(A)到圖6(C)可見(jiàn)，即使不施加外部電場(chǎng)，第一種和第二種狀態(tài)也能保持。這種情況下測(cè)得的對(duì)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(duì)比度大體相當(dāng)。其視角也與通常的裝置同量級(jí)。
使用類似的液晶裝置重復(fù)進(jìn)行了上述試驗(yàn)，只是兩基板之間的距離分別為10、20和50微米。為方便起見(jiàn)，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(jié)構(gòu)存在，當(dāng)用偏光顯微鏡觀察試樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，不存在不透光的試樣的“黑態(tài)”方位。試樣10中的螺旋形結(jié)構(gòu)的輪廓不太清楚，然而，由于不存在任何“黑態(tài)”方位，因此很明顯，液晶分子是排列成螺旋形結(jié)構(gòu)的。這些試樣的試驗(yàn)是在25℃的條件下進(jìn)行的，以便測(cè)出對(duì)比度。圖6(A)說(shuō)明電壓脈沖以1Hz的頻率輸入到試樣上。該脈沖電壓電平為±20V，對(duì)試樣10、試樣20和試樣50測(cè)得的對(duì)比度分別為10.2、22.7和9.3。對(duì)試樣10測(cè)得的對(duì)比度較低是由于鄰接的基板的內(nèi)表面影響的結(jié)果。對(duì)試樣50測(cè)得的對(duì)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(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例液晶裝置的結(jié)構(gòu)基本上與上述實(shí)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?；彘g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(gè)烷基，它包括6-12個(gè)碳組分原子;R＊代表一種光活性基，它包括9-15個(gè)碳組分原子，其中至少包括一個(gè)不對(duì)稱碳原子。這些材料的一些例子如下
按照實(shí)驗(yàn)，制備了一種含有上述液晶材料D、E、F和G的混合液晶物質(zhì)。發(fā)現(xiàn)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，并在室溫下(23℃)用偏振顯微鏡觀察。這些條紋證實(shí)了螺旋形結(jié)構(gòu)的存在。其螺距大約0.8微米。在本實(shí)施例中，用與前一實(shí)施例相同的方法，還證實(shí)了存在兩種穩(wěn)定的各向異性的狀態(tài)，在此狀態(tài)下本裝置的透光率分別為0%和90%。本裝置的狀態(tài)也可以在所述兩種狀態(tài)之間以90微秒的響應(yīng)速度經(jīng)過(guò)一種中間態(tài)而變化。處于中間態(tài)時(shí)，其液晶分子排列成螺旋形結(jié)構(gòu)。測(cè)量表明其對(duì)比度為31.1。
對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例加以特別敘述后應(yīng)當(dāng)了解，本發(fā)明并不局限于所述的特殊實(shí)例，在不違背所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍之內(nèi)可作出各種改型和變化。例如，其他的液晶材料，諸如聯(lián)苯基或間二氮苯基的材料，也能用于本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1、一種液晶電-光裝置，包括
一對(duì)相對(duì)放置的基板，彼此間隔一預(yù)先確定的恒定距離；
一種電極排列，配置在所述一對(duì)基板的內(nèi)表面上；以及
一種手性碟狀結(jié)構(gòu)的液品層，放在所述基板之間；并且
其中所說(shuō)的電極排列成這樣所述液晶層的分子狀態(tài)是依據(jù)由該電極排列施加于其上的電場(chǎng)而受到控制的，并且能有選擇地處于兩種光學(xué)各向異性狀態(tài)之一，而在兩種狀態(tài)之間的變化過(guò)程中是通過(guò)一種中間態(tài)，在中間態(tài)時(shí)，分子成為螺旋形結(jié)構(gòu)。
2、如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述液晶層包含這樣的材料在高于顯示其手性碟狀結(jié)構(gòu)的C相溫度時(shí)，該材料顯示其A相。
3、如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述液晶層含有這樣一種材料該材料出現(xiàn)手性碟狀結(jié)構(gòu)的C相時(shí)的溫度范圍包含-10℃和70℃之間的范圍。
4、如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于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(gè)烷基，它包括6-12個(gè)碳組分原子;R＊代表一種光活性基，它包括9-15個(gè)碳組分原子，其中至少包括一個(gè)不對(duì)稱碳原子;l是1或2。
5、如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述的R和R＊為
R l R＊
C8H171
C12H251 同上
C10H212 同上
6、如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于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(gè)烷基，它包括6-12個(gè)碳組分原子;R＊代表一種光活性基，它包括9-15個(gè)碳組分原子，其中至少包括一個(gè)不對(duì)稱碳原子。
7、如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述的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(jié)構(gòu)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于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(chǎng)時(shí)形成螺旋形結(jié)構(gòu);所述第一和第二部件使該液晶分子呈現(xiàn)為第一種和第二種穩(wěn)定方向之一。
對(duì)至少所述液晶材料一部分施加一電場(chǎng)的部件，用于使所述電場(chǎng)反向;所述電場(chǎng)強(qiáng)度足以使上述一部分液晶材料中的分子在該電場(chǎng)從原來(lái)施加的方向翻轉(zhuǎn)到相反的方向時(shí)由所述第一方位轉(zhuǎn)移成所述第二方位;以及
調(diào)整穿過(guò)所述液晶材料的光的部件，使穿過(guò)具有上述第一方位的部分液晶的光能與穿過(guò)具有上述第二方位的部分液晶的光區(qū)分開(kāi)來(lái)。
9、如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述第一和第二部件為具有聚酰亞胺和氧化硅的相對(duì)表面的板。
10、如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述施加電場(chǎng)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;以及用于在上述第一和第二電極之間施加一電壓的部件。
11、如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述的螺旋形結(jié)構(gòu)有一螺距，所述第一和第二部件之間的距離不小于該螺距的五倍。
12、如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述的方位在所述電場(chǎng)撤消后仍然保持。
13、一種雙穩(wěn)非易失性鐵電液晶電-光裝置，其特征在于該液晶材料是夾在兩塊相對(duì)的基板表面之間的;兩基板彼此間隔一定的距離，該距離等于所述液晶材料分子排列成的螺旋形螺距的預(yù)定的倍數(shù)，以使該液晶材料能依照所施加的電場(chǎng)在兩穩(wěn)定的光學(xué)各向異性狀態(tài)之間經(jīng)由一光學(xué)各向同性的中間態(tài)轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種新型的非易失性雙穩(wěn)態(tài)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(jù)所施加的電場(chǎng)有選擇性地處于兩種穩(wěn)定的光學(xué)各向異性狀態(tài)之一，在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程經(jīng)過(guò)一個(gè)中間態(tài)，在中間態(tài)時(shí)，液晶分子重新排列成螺旋形結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)為光學(xué)各向同性狀態(tài)。
文檔編號(hào)G01N25/18GK1037967SQ8910118
公開(kāi)日1989年12月13日 申請(qǐng)日期1989年2月22日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月16日
發(fā)明者佐藤正彥, 濱谷敏次, 荻原利光, 近藤仁 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所, 高砂香料工業(yè)株式會(huì)社