CN1040582C - 胆甾相液晶显示器件 - Google Patents

Abstract

一种液晶盒(10)，进行处理用以使具有负的介电异向性的手征性向列相液晶材料(11)呈垂直排列。

Description

胆甾相液晶显示器件

本发明涉及一种新型的液晶显示技术，其采用具有负的介电异向性的手征性向列相的液晶。

平板型液晶显示器是显示技术中的重要部分。由于具有高的分辨率和成本低的特点，扭曲向列型(TN)和超扭曲向列型(STN)元件、铁电液晶和液晶-聚合物散射型元件已经广泛应用在各种显示场合。上述技术中的每一种都存在缺点。TN和STN液晶盒两者都需要复杂的表面处理，从而增加了其制造难度和费用。由于TN液晶盒在接近液晶盒表面存在无法消除的双折射现象，在暗状态下通常并不是很暗的。为了得到良好的对比度，TN和STN液晶盒可能需要附加延迟或补偿层，这又进一步增加了制造的难度和费用。此外，STN和TN液晶盒在电压接通状态下是暗的，在电压断开状态下是明的，在多像元显示时使寻址方案复杂化。铁电液晶也需要精密的表面处理，并且由于对机械震动敏感，从而限制了应用。对于聚合物-液晶显示器由于需要聚合物，增加了制造的费用和复杂性。

本发明的目的在于提供一种与这些技术不同的经济的替换器件，它的优点是成本低，关断状态非常暗，接通状态非常明显，具有优异的对比度，对于低转换阈值电压的某些应用场合，能够用以产生本征的颜色透光度。

本发明提供一种替代TN和STN液晶盒的经济液晶盒，并具有许多优于上述液晶盒的优点。首先，该器件特性依赖其垂直于表面的液晶分子排列，而且比TN液晶盒要更简单地得到这种垂直于表面的分子排列。这就降低了操作步骤的数量，使器件制造即简易又便宜。其次，本发明器件的暗或不透明“关断”状态显现出优异的消光性并且对于垂直的入射光不会有残留的双折射。因此，不透明状态远比TN元件所显现的暗得多，并且不需要实在的(positive)延迟层。第三，该器件可以调节，以便得到趋于零的小的阈值电压并能显示灰度。第四，作为在根据电压产生的电场下的发光强度与不存在电场时的发光强度的比率的准直光对比度在垂直的入射角下超过3000∶1，其远远优于大多数TN液晶盒。比外，这样一些对比度出现在暗显示的光线下。在暗背景下的亮写入方式明显优于在亮显示例如TN液晶盒的暗写入方式。最后在颜色取决于施加电压的场合，在某些结构中，优选显示颜色是可能的。通过调节液晶盒参数，该器件可以用在很多的显示场合以及明显地比现在存在的各种技术更有效地降低成本。

如上所述，本发明建立在具有负的介电异向性的手征向列相液晶材料基础上。对于已经处理表面以便增进液晶分子垂直于表面排列特性的足够薄的液晶盒，在整个液晶盒中手征性材料的螺距展开并且液晶显示均匀的垂直排列。假如调节螺距，使得液晶的偶极子(director)沿着液晶盒的宽度产生近于90°的方位角旋转，该器件就可以像一高对比度的光阀一样工作。在零电压时，分子呈垂直取向，使得当插入到正交的偏振器之间时，垂直入射的光线将不能通过液晶盒。由于在表面处不存在平面上的双折射层，本发明液晶盒的电场取消状态通常比在TN或STN中看到的要更暗。

在足够高的电压下，液晶采取近于纯螺旋扭曲，在液晶盒的大部分内部区域内，其偶极子近乎平行于液晶盒壁。通过液晶材料的偏振光将受到延迟和旋转的综合作用，该旋转始终按照一接近液晶旋转方位角约90°的角度，并且通过正交的偏振器显现出来。

如上所述，本发明的一个实施例提供一种液晶显示器件，其包含液晶盒壁和在各液晶盒壁之间配置的手征性向列相液晶材料。液晶盒壁包括：用于对液晶材料进行电方式寻址的部分以及用于对经其通过的光产生平面偏振的部分。使每一个偏振器定向取向，以便使通过一个偏振器的光的偏振方向垂直于通过另一个偏振器的光的偏振方向，即二偏振器是正交的。液晶盒壁也要处理，以便增强液晶材料分子的垂直排列。液晶材料具有负的介电异向性并且所包括的手征性材料足够少，以使在不存在电场时，整个液晶盒中的液晶偶极子呈垂直排列。在一个实施例中，各液晶盒壁间隔的距离为手征性向列相液晶螺距的大约3/2，以便降低阈值电压。在一优选实施例中，液晶材料具有的螺距，在存在电场的情况下，能够有效地使通过该液晶盒的光约旋转90°。在另外一个实施例中，调节液晶盒的厚度，使得在两个可能的本征偏振模之间的光的延迟接近2π即360°的整数倍，以便使传输达到最大程度。

在另一个实施例中，至少处理一个液晶盒壁，以便增强相邻液晶分子方位角倾斜的优选取向，最好平行于其中一个偏振器的取向。在一个优选实施例中，处理液晶盒壁，通过在与液晶盒的法线成某一角度的壁表面上喷覆含有玻璃分隔颗粒的氟氯烷，来增强优选的取向。其它的使方位角倾斜优选取向的方式可以包括按一定角度沉积SiO2，然后沉积表面活化剂，或者沉积交联聚合物，然后沉积表面活化剂。

手征性向列相液晶是具有负的介电异向性的向列相液晶和足以产生所需螺距的手征性材料的混合物。适合的向列相液晶和手征性材料都是可购买到的，并且就本说明书而言，这些对于本领域一般熟练的技术人员是公知的。向列型液晶和手征性材料的数量将根据所使用的液晶和手征性材料，以及工作模式和液晶盒厚度而变化。本领域中的一个一般熟练技术人员将能够根据液晶的手征性材料掺杂的一般原理来选择用于本发明的适当材料，例如利用在由Hoffman-LaRoche公司出版的由Schadt等人在1990年所撰写的题为“为了保证最佳螺距和补偿温度关系曲线，怎样掺杂形成液晶混合物”的一文中所介绍的方法，此文在本申请中仅作为引用。对于高对于度的光阀，一般应当选择手征性材料的百分比，以便使偶极子在液晶盒的厚度范围内产生90°的旋转，尽管在特定的应用中也可以通过改变手征性材料的数量来实现。

对于本领域的一般熟练技术人员来说，为增强液晶的垂直排列采用适当的表面处理剂是公知的，其包括硅烷和表面活化剂。一种适宜的表面活化剂是六癸基三甲基铵溴化物(HTAB)。

可以利用对本领域熟练技术人员所熟知的装置，例如有源矩阵、双路转换电路和电极进行寻址。适宜的偏振器也是可购得的，就说明书而言，这些对本技术领域一般熟练的技术人员是公知的。

在实施本发明时，制备液晶盒基片，然后利用例如环氧树脂或其它材料按照常规方法围绕它们的边缘部分地进行密封。制备包含预期数量的向列相液晶和手征性材料的溶液并将其注入液晶盒基片之间。该液晶盒可以利用本领域的一般熟练技术人员公知的方法例如毛细作用进行充注。一个优选的技术是真空充注液晶盒。这样改进了液晶盒的均匀性并消除了液晶盒中的气泡。对于可电寻址的各元件，在注入液晶之前，液晶盒壁利用透明电极例如铟锡氧化物覆盖。

如果不考虑理论上的约束，本发明的液晶盒，由于改进了液晶盒参数，可以具有趋于零的很小的阈值电压。当为了使具有负的介电异向性的手征性向列相液晶形成垂直排列向被处理的液晶盒施加与该液晶盒垂直的电场时，在液晶盒中存在三个表示自由能特征的项或参量。合起来看，成双的弯曲弹性变形有利于垂直排列的形成，以及负的介电极化率异向性有利于分子取向平行于液晶盒表面，引起公知的Freedericksz相变，即在想使液晶畸变施加电场的情况下在某阈值电压下产生的相变克服了该弹性能引起的变形。然而，手征性材料也具有基(ground)态扭曲。假设初始为垂直排列，为了降低液晶能量和实现扭曲，对于液晶仅有的方法是使液晶首先形成弯曲畸变。因此，电场和手征性材料的扭曲趋势两者与弯曲弹性变形相竞争并降低阈值电压。与阈值电压(V_th)和试件厚度无关的常规扭曲向列相液晶盒不同，在本器件中的V_th是基态螺距P_balk、试件厚度d和扭曲对弯曲弹性系数的比值的函数。当螺距接近1.5×d时，这种液晶盒的V_th可以小到趋于零。

在另一个实施例中，通过调节液晶盒参数，液晶盒的透光强度和均匀度可以达到最大。良好的透光性可以通过使用其螺距能使通过液晶盒的偏振光旋转90°的液晶盒和其厚度使得在本征偏振模之间的光程差接近360°的整数倍的液晶盒得到。如果V＜V_th，进入液晶盒的偏振光看起来是垂直取向的并且既不被旋转也没有被延迟。因此，光不会通过在液晶盒相对侧上的正交的偏振器，并且器件在电场取消状态下是暗的。由于在液晶盒中没有残留的双折射，不需要任何延迟层电场取消状态对于垂直入射的光也是异常暗的。

如果V＞V_th，相对于该层法线会产生偶极子的倾斜。此外，该偶极子呈螺旋状，它的轴线平行于基片法线。偏振光被旋转和延迟，因此使光能够通过正交的偏振器。由于多分子具有负的介电异向性，如果V＞V_th，具有2π的方位角倾斜退变，即偶极子可以从液晶盒法线沿一方向倾斜。由于液晶处在绝热(adiabatic)极限内，其中光电场(opticalfield)按螺旋线旋转，与在表面处的方位角取向无关，将会发现在较高的电压下，这将不会影响液晶盒的可感觉的透光度。然而，在刚好在V_th以上的较低电压下，再也不会达到光的绝热极限。在这种状态下，该液晶盒显现Schlieren状织构。

接近液晶盒表面，在该处分子偶极子并不严格平行于液晶盒表面，偶极子的方位角取向在沿着液晶盒表面的范围内逐点变化。当没有优选方位角取向时，偶极子可取任一方位角方向。当偶极子的方位角取向即不平行也不垂直于其中一个偏振器时，由偏振器显示的电场矢量将分为两个分量，称为本征偏振模。每个本征偏振模将随偶极子产生旋转，并在液晶盒的反向侧显现。此外，每个本征偏振模将按其自身速度行进通过液晶盒，使得在两个本征偏振模之间将出现相位移即相延迟，引起椭圆形偏振光。然而，在方位角取向平行于或垂直于偏振器的情况下，电场矢量将不会分成两个本征偏振模。线性偏振光的单个本征偏振模沿着液晶盒将旋转大约90°，并从正交的偏振器显现出来。

假如在偶极子即不平行也不垂直于偏振器的区域内产生的两个本征偏振模之间，不将总相移仔细调节到360°的某一整倍数，在这些区域内通过液晶盒透过的光量将会降低。在较低的电压下，由于没有达到绝热极限，在这些区域与那些偶极子平行或垂直于偏振器的区域之间的透光度的差别导致形成可感觉的明暗区域。

在较高的电压下，在达到绝热极限的情况下，单个的本征偏振模有效地旋转，以最大强度从正交的偏振器中显现也来，该织构变得几乎是不可发觉的。此外，对于一特定的液晶盒，通过调节液晶盒厚度，使得两个本征偏振模之间的相位移为360°的某一整倍数，透光的强度和均匀度可以达到最大。在这种状态下，旋转90°的线性偏振光由正交的偏振器显现出来。因此，在延迟为360°的某一倍数的情况下，为了使由在偶极子即不垂直于也不平行于偏振器的那些区域透过的光形成最大透光度，与各织构相关的对比度变得很小，液晶盒看起来近于均匀明亮。

本发明人已经发现，对于一定的双折射，可以调节液晶盒厚度以满足这种条件并使透过的光线强度最大。此外，假如将在一个表面处的方位角倾斜配置得平行于该偏振器，即所谓的易轴，表面双折射可忽略并只有一个本征偏振模存在，使得两个本征偏振模的问题完全消失。为了提供该易轴，处理一个表面，因此沿着一优选的的方向的分子倾斜也将起作用，降低或消除该织构的形成。含有玻璃分隔颗粒的液体氟氯烷按一定角度例如从液晶盒法线成约35°在表面活性剂上面喷覆，就能够形成这种易轴。其它可能的方式包括机械摩擦，沉积非常少量的聚合物，以及使用其它表面处理剂例如硅烷。

由对各优选的实施例和附图的详细介绍，定会更加充分理解本发明的很多附加特征和优点。

图1是在电场取消状态下的本发明的液晶盒的示意性概略断面图。

图2是在电场形成状态下的本发明的液晶盒的示意性概略断面图。

图3是表示存在电场时沿液晶盒的厚度的液晶取向的原理图。

图4和5是通过相对于液晶盒上的入射光的角度变化，由本发明的液晶盒显示的对比度的曲线图。

图6是本发明的液晶盒响应施加电压的透光度的曲线图。

图7是通过改变入射光的角度，表示本发明液晶盒由于散入射光而显示的对比度变化的曲线图。

图8是通过改变入射光的角度，表示本发明的另一种液晶盒显示对比度的曲线图。

图9是图8中的液晶盒响应于施加电压的透光度变化曲线图。

图10是通过改变入射光的角度，表示图8中的液晶盒由于散射入射光而显示的对比度变化的曲线图。

图11是通过改变入射光的入射角，本发明的液晶盒显示的对比度变化的曲线图。

图12是本发明的另一种液晶盒响应于施加电压的透光度变化的曲线图。

图1和2是本发明的液晶盒10分别处在阈值电压以上和以下的示意性断面图。液晶11包含在用铟锡氧化物(ITO)14覆盖的玻璃片12之间，该(ITO)14用作电极。在ITO上沉积一表面活化剂层16，以诱导液晶分子18的垂直排列。正交的偏振器20、20′置于液晶盒壁12的外侧，以及将a·c电压源17连接到该单元，以便利用ITO电极在液晶盒两侧施加电压。

图1表示液晶盒处在电场取消状态，其中V＜V_th。在这种状态下，遍及液晶盒的分子偶极子维持平行于液晶盒法线。沿着液晶盒法线的入射光由偏振器20或20′产生偏振。由于传播方向维持平行于液晶偶极子，没有双折射以及因此没有光延迟。当光透出该液晶盒时维持偏振并且为对侧的偏振器20或20′所吸收，对侧的偏振器与第一个偏振器正交，故引起吸光。对于倾斜的入射光。该光相对于分子偶极子成某一角度穿过液晶，因此产生某些延迟。在这种情况下，某些光将通过正交的偏振器，引起在倾斜的角度下降低了对比度。图2表示处在电场存在状态下的液晶盒，其中V＞V_th。在这种状态下，分子趋于平行于液晶盒壁排列，即垂直于沿液晶盒法线方向施加的电场排列。

图3是表示对于V＞V_th，分子取向作为沿液晶盒法线方向的位置的函数的原理示意图。如图所示，表面处的分子处于平行液晶盒法线的方向。极化倾斜角φ随着深入液晶盒的主体内部而增加，在中心处达到最大，在该处分子或多或少处于平行于液晶盒壁的方向。此外，分子围绕一平行于液晶盒法线的螺旋线轴线旋进，即沿所称方位角θ旋进。例如当电压V明显大于V_th时，对于足够长的螺距，由于分子双折射大和极化倾斜角大，由沿着液晶盒法线方向传播的光经受的有效的双折射是大的。这就是“绝热极限”，其中光—电场矢量围绕螺旋线旋转，即随着分子偶极子旋转。在这种状态下，近于表面的且随液晶盒表面上的位置随机变化的初始方位角将不会影响感觉的光的透光度。

由于通过液晶盒的光的传播取决于折射率，偶极子的定位极化倾斜角度、螺距、样品厚度和视角，很明显液晶盒的性能精密地决定于各可调参数。为了得到优异的高对比的光阀和降低阈值电压，本发明人已经发现与手征性液晶的螺距相关的液晶盒厚度的各种参数。

阈值电压是螺距对厚度比的函数。使用具有负的介电异向性Δx＜0的手征性向列相液晶和由P_bulk＝2π/q₀限定的主体中的螺距P_bulk时，由如下公式(1)给出自由能： $F=\frac{1}{2}{K}_{33}{\left(\hat{n}\×\▿\×\hat{n}\right)}^2+\frac{1}{2}{K}_{22}{(\hat{n}\·\▿\×\hat{n}-q_0)}^2-\frac{1}{2}\mathrm{\ΔX}{(\stackrel{\‾}{E}\·\hat{n})}^2---\left(1\right)$ 其中K₂₂和K₃₃分别是扭曲和弯曲弹性系数，n是偶极子，E是施加的电场。对于一个为垂直排列的足够薄的液晶盒，其中液晶盒厚度(d)略小于螺距，并且在没有电场作用时，螺旋线展开，在整个液晶盒中该偶极子垂直于液晶盒表面。取与表面垂直的方向为Z，在液晶盒平面内的方向为X和Y，沿Z方向的电场将试图旋转偶极子，使得E⊥n。这种作用将与弯曲弹性项相竞争，弯曲弹性力图维持均匀的偶极子。假设偶极子与Z有小的偏向。液晶盒中的液晶偶极子的Cartesian分量由如下公式(2)限定：

        n_x＝sinsinθ≈sinθ

        n_y＝sincosθ≈cosθ     (2)

        n_t＝cos≈1其中φ是距Z的极化角，θ是在X-Y平面内的方位角。根据φ和θ，自由能变为：

在不存在手征性时，K₂₂项消除。低于某一阈值电压，弯曲弹性项决定自由能，对φ＝0，其取最小值，试件维持均匀。超过阈值电压，与电场有关的项变得重要，对于φ≠0，F为最小，偶极子转动，使得其不再与电场方向平行。在负性材料中，这种变化为通常的Freedericksz相变。然而，手征性引入一与K₂₂成比例的附加项。由于胆甾相液晶在它的基本状态为螺旋形的，试件可以通过扭曲降低它的自由能。尽管对于垂直排列(homeotropic)，这是不可能的，假如形成少量弯曲，就可以形成扭曲。然后该偶极子从液晶盒的一个表面到另一个表面，将围绕一个圆锥旋转，如图3所示。手征性有利于形成非零的φ。在将对于θ的Euler-Lagrange方程应用到方程(3)中的自由能时，会看到对于螺旋结构 ，对应一螺矩，

。应当注意，当保持方程(2)的近似值时，对于螺矩与极角φ无关的假设仅适用于很少的φ。通过将最低的能量付里叶分量φ＝φ_q1sinq₁z代入到方程(3)，其中q₁＝π/d₁，会得到 $F_{q1}=[\frac{1}{2}{K}_{33}{q}_1^2+\frac{1}{2}{K}_{33}{\left(\frac{K_{22}{q}_0}{K_{33}}\right)}^2-K_{22}{q}_0\left(\frac{K_{22}{q}_0}{K_{31}}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\ΔX}{E}^2]{\mathrm{\φ}}_{q_1}^2---\left(4\right)$ 应注意，异向性是负的，电压V=Ed，会得到一个Freedericksz阈值电压的表达式： $V_{\mathrm{th}}^2=-\frac{{\mathrm{\π}}^2}{-\mathrm{\ΔX}}-(K_{33}-\frac{K_{22}^2{d}^2{q}_0^2}{K_{33}{\mathrm{\π}}^1})---\left(5\right)$ 方程(5)指出，对于一足够厚的液晶盒，阈值电压降为零。在临界厚度

下会产生这种情况。由于K₃₃通常为3K₂₂，临界厚度通常为主体液晶螺距P_bulk大约23。然而，这一条件一般不会提供最大对比度，随着伴生V_th的增加，通过降低手征性掺杂剂，可以改进对比度。

因此，通过提供具有适当厚度和足够低的数量的手征性材料的液晶盒，使得在不存在电场的情况下使液晶呈垂直排列，就可以得到本发明的优异的光阀。确切地说，假如采用了这种几何形状参数，对于一个平板型显示器，电场取消状态下在正交的偏振器之间就显得很暗。超过阈值电压，其中φ≠0，以及偶极子具有精细的螺距dθ/dZ，就会有一般的双折射和光一电场矢量的综合作用。光将会透过偏振器，在电场存在的状态下，像元显现是亮点。当电压刚好超过V_th，分子极化倾斜相对小，对于光的有效双折射部分相应也是小的。因而，器件基本上作为一延迟型液晶盒工作。对于方位角取向如果没有优选的易轴，沿液晶盒的表面，θ可能逐点地飘移。引起不希望的织构产生。然而，对于超过阈值电压的适当电压，在大部液晶盒范围内，极化倾斜角φ接近π/2，并且由于液晶盒延迟和旋转的综合作用，器件可以工作在“绝热极限”内。由于透光度取决于光-电场矢量的总的方位角旋转θ和延迟，得到近于均匀的亮度。因而，θ≈π/2会趋于提供最大透光度，而液晶盒厚度为3/2螺距会形成最小阈值电压。此外，当没有优选的方位角取向时，因此有两个本征偏振模，当上述条件θ≈π/2被满足时得到对一特定液晶盒的最大透光度，以及调节液晶盒厚度，使得两个偶极子之间的相位移是360°即2π的整数倍。根据公式∫2π/λΔn_eff(Z)dZ≈2π。其中n是有效双折射，Z是液晶盒厚度。

实例1

通过在其中一平板的表面上首先逐渐地均匀沉积少量的直径7μm的玻璃丝(一般长度为20μm)制备由覆盖有ITO和表面活性剂HTAB的二玻璃片构成的液晶盒。将第二玻璃片面向下置于第一片之上并利用真空保持就位。然后液晶盒用可用U.V.(紫色线)可固化的环氧树脂进行密封。在2cm×2cm的液晶盒表面范围内确定其均匀间隔约为7±0.5μm。将自行粘附的正交的二偏振器置于液晶盒器壁的外表面上，然后在室温下将CB 15手征性材料和ZLI-2806向列相液晶注入该液晶盒。按照手征性材料和向列相液晶的合重，CB 15具有的数量为0.99％。ZLI-2806具有的介电极化率异向性接近0.38，双折射(率)为0.044。两种材料可由E.Merck购得。

在室温下，在光学显微镜下观察试件，可以看到优异的无缺陷的垂直排列。施加60Hz的a.c电压，在1.75Vrms(有效值)下，材料开始显现Schlieren状织构，液晶盒的透光度不均匀。随着电压增加，在接近3V时，在正交的偏振器下方，液晶盒变得均匀明亮。

然后将液晶盒置于来自工作在波长λ＝6328的He-Ne激光器的光束通道中。该光束顺序地通过第一偏振器、试件、第二正交的偏振器、光调制器并进入光敏二极管探测器。探测器输出被送入锁定放大器，其在317Hz的调制频率下定标。与探测器的光强成比例的锁定放大器的输出利用数字电压表测量。

首先测量当施加到试件上的电压为0时垂直入射的光的强度，然后将3Vrmv，60Hz的电压加到液晶盒上，再次测量光强。将对比度取为I(V＝3V)/I(V＝0)。在3V下在液晶盒上存在电场时，通过测量垂直入射的He-Ne激光器激光，测定液晶盒的透光度。将这一强度除以通过一个铟锡氧化物(电极)的光的强度，该铟锡氧化物覆盖置于两个平行的偏振器之间的玻璃片。后一测量接近模拟通过液晶盒的理想透光度。对于这个实例得到为20％的透光度。然后将液晶盒围绕一平行于偏振器的轴线在试件的平面内旋转，再次测量对比度。在旋转角度高达60°下重复进行这一过程，对测试结果绘图，如图4所示、由图4可以看出，液晶盒具有优异的对比度，在20°附近超过2000∶1，在60℃附近维持100∶1以上。

然后，使液晶盒重新取向，使得相对偏振器旋转轴线成45°并处在液晶盒的平面内。图5表示其对比度。由于在电场取消状态下对于倾斜透过液晶盒的光很大程度上增加了透光度，在视角超过25°时，对比度变得相当差。这里，光的偏振是常规的和超常规的方式混合体，因此使得在电场消除状态在倾斜入射光的情况下产生延迟。将这一状况与图4所示进行对比，在图4中所示的情况下，光的偏振对于倾斜入射光或者是纯粹超常规或者是纯粹常规方式的，并且因此，在电场取消状态下，只有很少或没有光透过该正交的偏振器。

然后将液晶盒旋转回到与入射光垂直的状态，测量作为施加电压函数的激光透过强度。这一测量结果表示在图6中。这里发现所有的结果在60Hz＜ν＜10000Hz的范围内均与驱动频率无关。发现阈值电压V_th为1.75V，对于I(90％)/I(10％)的电压比接近1.45。

通过利用触发开关转换接通和断开a.c电压和利用数字存储示波器观测信号，测定透光强度的上升和下降时间。在接通3Vrms电压之后，在光强开始增加之前，会有大约200ms的延迟，接着经过150ms上升到最大光强的90％。在断开电压时，透光强度立即开始衰减，在大约70ms内下降到最大值的10％。对于3.6V信号，光强上升没有延迟，并且在300ms范围内，光强接近线性上升达到最大值的90％。

然后，将激光在液晶盒上扩展形成大约直径为2cm的光点。在液晶盒的前方置一块用于散射光的磨光玻璃，接着是一0.8cm直径的掩膜。直接在液晶盒之后大约0.6cm距离处，置一具有大约1cm²的接收区的宽面积的探测器。使用未经调制的光。在这里，测量作为角度函数的对比度I(V＝3V)/I(V＝0)。测试结果表示在图7中。对于垂直入射光，达到对比度超过约50∶1。在60°入射光下，对比度约大于10∶1。

实例2

按上述实例中所述的方式制备一个液晶盒，其中液晶材料是一种混合物，按重量计，在ZLI-2806中所含CB 15为1.65％。在这一液晶盒上，进行在上述实例中介绍的对比度和光强与电压相对关系的实验。尽管在图8中所示对于He-Ne激光得到的对比度比在实例1中所用的低手征性材料有所降低，但这个液晶盒在55°的角度附近仍然具有100∶1以上的对比度。这个液晶盒对比度具有的对比度的降低是由于较密的螺距，其导致光的旋转大于π/2，使得大部分光不能通过正交的偏振器。所幸的是，当入射角距法线接近40°时，所示对比度出现峰值，测量在垂直入射光的情况下光强相对电压的关系，其结果表示在图9中。正如对于这种有更高手征性的材料所希望的，阈值电压小于在实例1中的材料的阈值电压，大约1.25V。由于使用在前述实施例中的材料，超过V_th会出现光强的慢上升，不过使用这种材料，在低于大约3V的电压下仍会有可观察到的织构。这是因为液晶盒还没有达到它的“绝热极限”。图10表示这种液晶盒对于He-Ne激光的对比度。在这种较高的手征性下，与实例1中的材料的且如图7中表示的对比度相比对比度明显降低。

实例3

除了液晶盒使用在ZLI-4330向列相液晶(E.Merck)中含1.0％的CB 15的混合物注入液晶盒以外，以在实例1中所述的方式制备一个液晶盒。这种材料具有高得多的双折射(Δn-0.147)，稍小一些的介电异向性(Δx＝-0.15)以及粘度小于实例1中的ZLI-2806粘度的三分之一。因而，对于较小的激化倾斜角将会达到“绝热极限”并且延迟较大。由于较低的介电异向性的影响，对于这种元件的阈值电压大约为3V。

利用电场形成用的4V电压，对于垂直入射He-Ne激光的对比度接近800∶1。如图11所示。由于具有较大的双折射，与实例1中的材料相比，在倾斜入射光下，暗透光状态则较明亮。在40°角下，对比度约为4，在20°下，对比度为1.3。然而，由于使用的延迟层或具有稍低双折射的材料，对比度随角度的迅速降低可以被减缓。

由于更完全的绝热旋转和较大的双折射，垂直入射的He-Ne激光的透光度至少为85％，是相当大的。由于具有很低的粘度，响应时间快得多。接通时间为30ms数量级，尽管在器件对电压反映之前存在很短的延迟，该延迟取决于施加的电压。关断时间约50ms。

在显微镜下利用白光观察液晶盒。在4V下，透过的光呈白色。在较高的电压下观察颜色，随着施加电压的增加，从黄色对橙色到红色。颜色效果的出现来自光谱中的一个部分的优先延迟超过另一部分。为了降低织构，在一个表面处的偶极子的方位角取向相对于偏振器理想状况应约为45℃，提供两个相等幅值的本征偏振模。另外，光旋转应为90°。因此，准直的光的高透光度和颜色的结合在彩色投影器件中有用的。

实例4

除了在表面活化剂处理的表面处利用倾斜喷射的氟氯烷沉积玻璃分隔颗粒以外，像在前述实例中一样，构成另一种7μm宽的液晶盒。从距玻璃40cm处相对基片法线约成55°喷射氟氯烷。

利用几种稀释剂得到的ZLI-2806中CB 15的混合物被注入液晶盒。因此精确的浓度是未知的，尽管根据CB 15和ZLI-2806的合重，按重量计，CB 15可能接近1.9％。这种浓度与仅为0.35V的V_th的情况是接近的。利用光学显微镜在没有电场的情况下观察垂直排列的织构，尽管有几个缺陷存在，其中推测有大的氟氯烷滴击中表面并破坏了HTAB表面活化剂。对于V＞V_th的情况，在刚好超过阈值电压时仅观察到有少量的织构。代之以看到一些条状的多少平行的暗的区域，约长100μm，在其它的均匀的亮背景中沿着试件的长度走向。在较暗的条和较亮的背景之间的对比度随电压的升高而降低。确信氟氯烷处理剂对均匀的背景是较敏感的，以及各条可能是由于氟氯烷的较大微滴或玻璃丝沿表面滑动造成的。最终可以证明这种作用在对方位角取向提供易轴方面是有用的，因此消除了当电压刚好超过V_th时形成的区域结构或组织并使得可以用于灰度显示。图12表示光强与用于准直垂直入射He-Ne激光的电压跟踪相互关系曲线。最大对比度接近50∶1，当接近其浓度时，即在该浓度下V_th趋于0时，对比度连续下降。

根据前述公开内容，对于本技术领域的一般熟练技术人员来说，本发明很明显可有很多改型和变化。例如，通过利用更薄的液晶盒、更低粘度的材料以及通过调节弹性系数对粘度比，例如通过向混合物添加适当的聚合物液晶，可以使接通时间改进并达最佳。通过利用相似的方法，以及通过利用这样一些材料，它们的介电异向性的符号是与频率相关的，也可以改进关断时间。采用相似方式，通过改变弯曲弹性系数对扭曲弹性系数的比，例如通过利用聚合物掺杂可以调节阈值电压以及超过阈值电压的旋光特性。因此可理解，在所提出的权利要求的范围内，可以按与已经详细表示和介绍的不同的方式实施本发明。

Claims (19)

1.一种液晶显示器件，包含液晶盒壁和置于所述液晶盒壁之间的手征性向列相液晶材料，所述液晶盒壁包括用于利用电场对液晶材料寻址的装置和用于对从其通过的光形成平面偏振的装置，对其中每一个所述偏振装置定向取向，以便通过一个偏振装置的光的偏振方向实际上垂直于通过另一个所述偏振装置的光的偏振方向，其中对所述液晶盒壁进行处理，以增强所述液晶材料的最适当的垂直排列，以及其中所有液晶材料具有负的介电异向性并包括足够少量的手征性材料，以便使液晶偶极子在没有电场时能呈垂直排列。

2.根据权利要求1所述的液晶器件，其特征在于：所述液晶盒壁隔开距离近似为手征性向列相液晶的螺距的3/2。

3.根据权利要求1所述的液晶器件，其特征在于：所述液晶材料包括足够数量的手征性材料，以便在没有电场时，产生的螺距使通过液晶盒的光旋转90°。

4.根据权利要求3所述的液晶显示器件，其特征在于进入所述液晶的光部分分为两个本征偏振模且所述液晶盒壁隔开的距离能有效地使所述本征偏振模之间产生360°整倍数的相移。

5.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于所述的液晶材料包括足以在有电场时产生可以有效地使通过液晶盒的光旋转约90°到150°的螺距量的手征性材料。

6.根据权利要求5所述的液晶显示器件，其特征在于进入所述液晶的至少一部分光被分成两个本征偏振模以及所述液晶盒壁分开距离使得两个所述偏振模之间在有电场时产生从175°到585°的相移。

7.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于所述的液晶材料包括足以在有电场时产生可以有效地使通过液晶盒的光旋转30°到150°的螺距量的手征性材料。

8.根据权利要求7所述的液晶显示器件，其特征在于进入所述液晶的至少一部分光被分成两个本征偏振模以及所述液晶盒壁分开距离，使得两个所述偏振模之间在有电场时产生从175°到585°的相移。

9.根据权利要求6或8的液晶显示器件，其特征在于进入液晶盒的光是可见光。

10.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于所述手征性向列相液晶材料包括足以在有电场时在所述液晶中产生一个约为2.4到4倍于液晶盒的厚度的螺距量的手征性材料。

11.根据权利要求10的液晶显示器件，其特征在于进入到所述液晶的光被分成两个本征偏振模，以及所述液晶盒壁分开一个距离，使得产生的所述液晶盒间距和所述液晶的光双折射约在0.31与1.03微米之间。

12.根据权利要求1的液晶显示器件，其特征在于所述手征性向列相液晶包括足以在有电场时在所述液晶中产生从2.4倍到12倍于液晶盒的厚度的螺距量的手征性材料。

13.根据权利要求12的液晶显示器件，其特征在于进入到所述液晶的光被分成两个本征偏振模，以及所述液晶盒壁分开一个距离，使得产生的所述液晶盒间距和所述液晶的双折射约在0.31与1.03微米之间。

14.根据权利要求11或13所述的液晶显示器件，其特征在于进入到所述液晶盒的光是可见光。

15.一种液晶显示器件，包含液晶盒壁和置于所述液晶盒壁之间的手征性向列相液晶材料，所述器件壁包括用于利用电场对液晶材料寻址的装置和用于对从其经过的光形成平面偏振的装置，对其中每一个所述偏振装置定向取向，以使通过一个偏振装置的光的偏振方向实际上垂直于通过另一个所述偏振装置的光的偏振方向，其中对所述液晶盒壁进行处理，以增强所述液晶材料的垂直排列，以及其中所述液晶材料具有负的介电异向性和包括足够低量的手征性材料，以便在没有电场时使液晶偶极子能垂直排列，以及其中所述器件壁隔开的距离近似为手征性向列相液晶的螺距的3/2。

16.一种液晶显示器件，包含液晶盒壁和置于所述液晶盒壁之间的手征性向列相液晶材料，所述液晶盒壁包括用于利用电场对液晶材料寻址的装置和用于对从其通过的光形成平面偏振的装置，对其中每一个所述偏振装置进行定向取向，以便使通过一个偏振装置的光的偏振方向垂直于通过另一个所述偏振装置的光的偏振方向，其中对所述液晶盒壁进行处理，以便增强所述液晶材料的垂直排列，并且其中所述液晶材料具有负的介电异向性和包括足够数量的手征性材料，以便使产生的螺距在具有电场时使通过液晶盒的光旋转90°，但是在没有电场时能使液晶偶极子呈垂直排列，并且其中进入液晶的光的至少一部分分为两个本征偏振模，以及所述液晶盒壁隔开的距离使得在所述本征偏振模之间产生近于360°整倍数的相位移。

17.一种液晶显示器件，包含液晶盒壁和置于所述液晶盒壁之的手征性向列相液晶材料，所述液晶盒壁包括用于利用电场对液晶材口料进行寻址的装置和用于对从其通过的光形成平面偏振的装置，对其中每一个所述偏振装置定向取向，以便使通过一个偏振装置的光的偏振方向垂直于通过另一个所述偏振装置的光的偏振方向，其中对所述液晶盒壁进行处理，以便增强所述液晶材料的垂直排列以及至少其中一个所述液晶盒壁通过沿所述液晶盒壁的表面按与液晶盒法线成某一角度的方向喷覆包含玻璃分隔颗粒的氟代烃，以便增强在形成电场的状态下相邻液晶分子偶极子的优选方位角取向以及其中所述液晶材料具有负的介电异向性和包括足够低量的手征性材料，以便在没有电场时能使液晶偶极子呈垂直排列。

18.一种液晶显示器件，包含液晶盒壁和置于所述液晶盒壁之间的手征性向列相液晶材料，所述液晶盒壁包括用于利用电场对液晶材料寻址的电极，所述电极是未磨损的，和用于从其通过的光形成平面偏振的装置，其中每个所述偏振装置是定向取向，以便使通过一个偏振装置的光的偏振方向实际上垂直于通过另外一个所述偏振装置的光的偏振方向，其中对所述液晶盒壁进行处理，以增进所述液晶材料的垂直排列，并至少其中一个所述液晶壁被进行处理以增进在加上电场下相邻液晶分子偶极子的优选方位每取向，和其中所述液晶材料具有负的介电异向性和包括足够低量的手征性材料，以便在没有电场时使液晶偶极子能呈垂直排列。

19.根据权利要求18的液晶显示器件，其特征在于在形成电场的状态下相邻液晶分子偶极子的所述优选的方位角取向，即与其中一个所述偏振装置的取向约成45°角。

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