CN1025893C - 液晶电-光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的非易失性双稳态液晶装置，它具有两块相隔一定距离的基板，选取该距离使得液晶材料的分子排列成螺旋形，从而使该液晶分子能依据所施加的电场有选择性地处于两种稳定的光学各向异性状态之一，在两种稳定状态之间的转换过程经过一个中间态，在中间态时，液晶分子重新排列成螺旋形结构，并呈现为光学各向同性状态。

Description

本发明属于改进了的液晶电-光装置，更具体说，属于采用一种新的改进了的驱动方式的铁电液晶装置。

目前已经知道，在电-光显示器的改型中使用了绞合向列液晶（twisted    nematic    liquid    crystals）。所使用的是层状液晶材料，并在靠近液晶层处作出阵列式电极排列，从而在液晶层中确定出一组象素。然而，由于相邻象素在以多路时间方式工作期间存在串扰，因此，单位显示面积上能起作用的象素数目，亦即象素密度，实际上是受到限制的。

这种显示器中的开关作用可以用多个为各象素配置的薄膜晶体管完成，这种驱动排列称之为有效阵列系统（active    matrix    system）。但是，因为制造方法复杂，很难制成大面积的显示器，同时也难以降低成本。

为试图克服现有装置的上述缺点，Clerk等人在美国专利No.4367924中提出了一种铁电液晶装置。附图1是一说明性的原理图，示出在这种已有的装置中液晶分子的作用。在一对玻璃基板11和11′之间放入铁电液晶。每块基板的内表面均铺以由In₂O₃、SnO₂或ITO（铟锡氧化物）制成的电极排列。两基板间的液晶材料排列成使每一分子层12垂直于基板，如图所示。该液晶物质的工作相为手性碟状结构的C相（chiral smectic C），所述材料可望于室温下具有这种相。其液晶分子能取两个稳定的状态Ⅰ和Ⅱ，如图2所示，这两个状态与液晶层的垂线成θ和-θ角倾斜。

分子在这两种稳定状态之间的转换取决于垂直施加于基板的外部电场。以此方式，基于不同状态的象素间具有不同的双折射性就能形成可 见的图象。这种类型的显示装置的特点之一是其双稳性，该双稳性是由以下事实造成的：每一液晶分子的状态即使在所施加的电场移去后也会继续保持，直到另一电场又以相反的方向施加其上为止。换句话说就是这种显示装置具有非易失性存储元件的功能。

虽然由Clerk等人提出的这种装置对于以高象素密度显示非易失性信息的一种新类型的液晶装置的改型似乎是适用的，然而从生产的观点来看却存在关键性的缺点。中间放有液晶材料的两块玻璃基板彼此必须间隔如此之小的距离，以保证螺旋形的液晶分子不致松脱。这样，两基板之间的间距必须为液晶分子螺旋形螺距的数量级，例如几个微米或与其相当的间距。因此，这种类型的液晶装置的性能对基板间的间距的一致性相当敏感。为此，可以预料，在大量制作这种装置时，要保证这样窄的缝隙的一致性将是十分困难的。

因此，本发明的目的是提供一种在大量制作过程中适用的一种液晶装置。

为了完成上述的和其他的目的，本发明提出利用液晶材料的这样一种分子排列：其中液晶材料的分子排列成螺旋形，并可处于两种稳定的光学各向异性状态，如同Clerk等人的装置一样，但是，这两种稳定态的转换需经过一种中间态，在此状态时，液晶分子重新排列成呈现一种光学各向同性的螺旋形结构。含有液晶材料层的两基板之间的距离较可取的是不小于螺距的5倍，最可取的是比分子螺旋形螺距约大一个数量级，以便保证螺旋形分子排列。然而，从以下例子的描述中可看出，只有制造出上述这样的装置，才能谈得上使液晶分子达到这种状态。

图1为一说明图，示出前面提到的Clerk等人类型的一种装置中两基板间的液晶分子。

图2为一示意图，示出Clerk等人类型的显示器中液晶分子的两种稳定状态。

图3是含有铁电手性碟状结构液晶材料的（ferroelectric    chiral    smectic    liquid    crystal    material）本发明液晶装置的剖视图。

图4为一示意图，示出研究本发明液晶装置特性的一种系统。

图5（A）和5（B）示出输入到本发明液晶装置上的锯齿形电压波形和响应输入信号的被本装置接收的输出信号，该输出信号反映出本装置的透射率。图5（C）是一幅研究本装置特性的在示波器的CRT显示器上示出的图象。

图6（A）和69B）示出输入到本发明液晶装置上的电压脉冲序列和响应输入信号的被本装置接收的输出信号，该输出信号反映出本装置的透射率。图6（C）是一幅研究本装置特性的在示波器的CRT显示器上示出的图象。

图7（A）、7（B）、7（C）和7（D）为液晶材料分子排列的微观照片，表明实施本发明时所用的驱动方式。

参看图3，这里以剖视图来示出本发明的一种液晶显示装置。该装置包括一对玻璃基板1和1′;第一组平行的电极条3，设置在基板1上，并以平行于图纸平面侧向延伸;第二组平行的电极条3′，设置在基板1′上，并以垂直于图纸平面方向延伸;由聚酰亚胺树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′;以及一定数量的酯类铁电液晶材料5。

定向控制膜4和4′用于使液晶分子排列成行。通过电压源7将电场加于第一和第二电极条3和3′之间。铁电液晶材料是一种合成手性碟状结构的C相液晶。第一和第二电极条3和3′合起来形成限定出一组象素的电极阵列。适当选取一种合用的树脂以形成定向控制膜，就能提高需施加到液晶层上以完成转换的信号的相对阈值电平。第一和第二定向控制膜4和4′是经过擦净处理的。基板四周装有密封件6，以防止液晶流失。标号2和7示出两块偏振片，配置在适当的方位上。

本装置各部件的尺寸选择只是为了解说方便，并不是真实的设计。虽然图中未示出，但是用了一些隔离片，例如玻璃纤维片，放在基板之间，以使它们之间保持恒定的间隔。实际上，基板之间的距离可为20微米，每个电极条的宽度可为0.36mm，而相邻两条的间隔为0.04mm。实际合用的液晶材料的例子是这样的材料：在温度范围为-10℃到+70℃量级时表现出手性碟状结构的C相。实验结果表明，特别合用的材料是在上述温区的高温端呈现碟状结构的A相。

按照一个举例性的实施例，可用的一种液晶材料混合物，它至少包括一种可以下列通式表示的液晶材料：

其中R代表一个烷基，它包括6-12个碳组分原子;R＊代表一种光活性基，它包括9-15个碳组分原子，其中至少包括一个不对称碳原子;l是1或2。这些材料的一些例子如下：

材料    R    l    R＊

A C₈H₁₇1

B C₁₂H₂₅1 同上

C C₁₀H₂₁2 同上

按照实验，制备了一种含有上述三种液晶材料A、B和C的混合液晶物质。发现这种混合物的相变遵循Iso←（79℃）→SmA←（64℃）→SmC＊←（0.3℃）→晶体。将这种混合物放在基板间，如图3所示，并在室温下（23℃）用偏振显微镜观察。这些条纹证实了螺旋形结构的存在。其螺距大约2.8微米。在旋转其上放置有该液晶装置的显微镜载物台的同时，通过显微镜连续观察液晶的情况，没有发现光消失的特殊位置。然后，通过电极3和3′对液晶施加一电场，这时发现存在不透光的特殊方位。这种“黑态”即使在电场移去以后也还继续存在，直到另一 电场以相反方向施加为止。

用图4所示的一个系统对穿过液晶装置的光的强度进行测量。该系统包括激光器11，放在一对偏振片15之间的试样液晶装置13，以及光检测器17。来自电源19的输入电压加到该试样装置上，使该装置中的液晶材料承受一垂直于基板的电场。穿过样品和穿过偏振片的光的强度被检测器17检测并显示在示波器21上。电源19加到该装置上的输入电压也显示在示波器21上。

图5（A）示出加到上述装置上的输入电压波形（锯齿波），而图5（B）示出穿过该装置的光的强度。示波器的CRT显示器上显示的一幅相应的照片示于图5（C）。另外，当将一脉冲序列施加于该装置时，在图6（A）和图6（B）上还示出了另一种输入电压波形和与其相应的被检测光的强度，而图6（C）示出其照片。这些试验结果都是在25℃时作出的。

在图5所示的转换工作期间，为了显示依照本发明图示的转换方式而排列的液晶分子，给出了几幅微观照片。图7（A）示出施加如图5（A）和5（B）点“1”时的电场时的液晶分子排列，处于这种排列时的液晶分子状态这里称之为“第一种状态”。图7（B）示出不加电场时，即相应于图5（A）和5（B）中点“1”时的电场时的液晶分子排列，处于这种排列时的液晶分子状态这里称之为“第一种状态”。图7（B）示出不加电场时，即相应于图5（A）和5（B）中点“M₁”时的液晶分子排列。图7（C）示出施加如图5（A）和5（B）点“0”时的另一方向的电场时的液晶分子排列，处于这种排列时的液晶分子状态这里称之为“第二种状态”。图7（D）示出当输入的电场的强度又变为零时，即相应于图5（A）和5（B）中点“M₂”时的液晶分子排列。由图7（A）到7（D）可见，液晶材料排列在其第一和第二种状态之间的变化是经过一种中间态（“M₁”和“M₂”），处于这种状态时的液晶分子取螺旋形（光学各向同性的）结构。还有，从图6（A）到图6（C）可见，即使不施加外部电场，第一种和第二种状态也能保持。这种情况 下测得的对比度为23.5，这与用通常的使用铁电液晶材料的装置所获得的对比度大体相当。其视角也与通常的装置同量级。

使用类似的液晶装置重复进行了上述试验，只是两基板之间的距离分别为10、20和50微米。为方便起见，以下称这些装置为“试样10”、“试样20”和“试样50”。该液晶材料刚一放入两基板之间，在所有这三种试样中立刻就观察到螺旋形结构存在，当用偏光显微镜观察试样时发现，不存在不透光的试样的“黑态”方位。试样10中的螺旋形结构的轮廓不太清楚，然而，由于不存在任何“黑态”方位，因此很明显，液晶分子是排列成螺旋形结构的。这些试样的试验是在25℃的条件下进行的，以便测出对比度。图6（A）说明电压脉冲以1Hz的频率输入到试样上。该脉冲电压电平为±20V，对试样10、试样20和试样50测得的对比度分别为10.2、22.7和9.3。对试样10测得的对比度较低是由于邻接的基板的内表面影响的结果。对试样50测得的对比度较低是由厚度方向上碟状液晶层的位移造成的。

以下将描述本发明的另一个实施例。本实施例液晶装置的结构基本上与上述实施例相同，只是两基板之间的距离以及混合液晶材料的组分不同。基板间的距离选取为2.5微米。液晶材料的混合物中至少要包括下列通式所表示的一种液晶：

其中R代表一个烷基，它包括6-12个碳组分原子;R＊代表一种光活性基，它包括9-15个碳组分原子，其中至少包括一个不对称碳原子。这些材料的一些例子如下：

材料    R    l    n    m    R＊

D C₈H₁₇1 1 0

E C₉H₁₉1 1 1

F C₁₂H₂₅2 1 1

G C₁₀H₂₁2 1 1

按照实验，制备了一种含有上述液晶材料D、E、F和G的混合液晶物质。发现这种混合物的相变遵循Iso←（77℃）→SmA←（62℃）→SmC＊←（-8℃）→晶体。如图3所示，将这种混合物放在基板间，并在室温下（23℃）用偏振显微镜观察。这些条纹证实了螺旋形结构的存在。其螺距大约0.8微米。在本实施例中，用与前一实施例相同的方法，还证实了存在两种稳定的各向异性的状态，在此状态下本装置的透光率分别为0%和90%。本装置的状态也可以在所述两种状态之间以90微秒的响应速度经过一种中间态而变化。处于中间态时，其液晶分子排列成螺旋形结构。测量表明其对比度为31.1。

对本发明的几个实施例加以特别叙述后应当了解，本发明并不局限于所述的特殊实例，在不违背所附的权利要求所限定的本发明范围之内可作出各种改型和变化。例如，其他的液晶材料，诸如联苯基或间二氮苯基的材料，也能用于本发明中。

Claims (12)

1、一种液晶电-光装置，包括：

一对相对放置的基板，彼此间隔一预先确定的距离；

一对电极排列，配置在所述一对基板的内表面上；以及

一种铁电液晶层，插放在所述基板之间，

其中所述液晶层的分子可以依据施加于其上的电场在两个稳定状态间转换，其特征在于，所述基板间的距离选择得使所述液晶分子在没有电场加于其上时可以形成一种螺旋形结构。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于所述液晶分子根据加于其上的电场取得所述两个稳定状态中的状态之一。

3、根据权利要求1的装置，其特征在于所述液晶分子在取消所述电场后仍保持所述两个稳定状态之一。

4、根据权利要求1的装置，其特征在于所述装置还在所述基板的各内表置上包括一对彼此不同的取向控制装置。

5、根据权利要求1的装置，其特征在于所述分子在所述两个稳定状态之一时不形成螺旋状。

6、一种液晶电光装置，包括：

一对相对放置的基板，彼此间隔一预先确定的距离;

一电极装置，形成在所述基板上;以及

一铁电液晶层，插置在所述基板之间，其中所述铁电液晶层的分子可以根据加在其上的电场经一中间状态而在两个稳定状态之间转换，

其特征在于，选择所述预先确定的距离，以便所述铁电液晶层在分子取所述两个稳定状态时不形成螺旋状结构，但在所述中间状态时则形成螺旋状结构。

7、根据权利要求6的电光装置，其特征在于所述预先确定的距离不小于五倍的所述液晶分子的螺距。

8、根据权利要求7的电光装置，其特征在于所述预先确定的距离从五倍于所述液晶分子螺距至约比螺距大一个数量级。

9、一种液晶电光装置，包括：

一对基板，彼此间隔置放;

一种电极装置，形成在所述基板对上;以及

一铁电液晶层，插置在所述基板间，其中所述铁电液晶层的分子能根据加于其上的电场经一中间状态而在两个稳定状态之间转换，

其特征在于所述铁电液晶层在分子取所述两个稳定状态时不形成螺旋状结构，但在所述中间状态时形成螺旋状结构;以及

所述液晶层含有一种混合液晶材料，该材料至少包含下列通式表示的一种液晶材料;

其中R代表一个烷基，它包括6-12个碳组分原子;R＊代表一种光活性基，它包括9-15个碳组分原子，其中至少包括一个不对称碳原子;l是1或2。

10、根据权利要求9的一种液晶电光装置，其特征在于所述的R、l和R＊为：

11、一种液晶电光装置，包括：

一对基板，彼此间隔置放;

一种电极装置，形成在所述基板对上;以及

一铁电液晶层，插置在所述基板之是，其中所述铁电液晶层的分子在分子取所述两种稳定状态时不形成螺旋状结构，但在所述中间状态时形成螺旋状结构，以及

所述液晶层含有一种混合液晶材料，该材料至少包含下列通式表示的一种液晶材料：

其中R代表一个烷基，它包括6-12个碳组分原子;R＊代表一种光活性基，它包括9-15个碳组分原子，其中至少包括一个不对称碳原子，l，m和n分别代表数字。

12、根据权利要求11的液晶电光装置，其特征在于所述的R、l、n、m和R＊为：

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