CN1041656C - 双稳态向列相液晶装置 - Google Patents

Abstract

一种双稳态向列相液晶装置，包括两上带电极结构的液晶盒壁，封有一层向列相液晶材料。在一或两个盒壁上形成双光栅，其表面形状使液晶分子可沿两个成一定角度的方向排列。对两盒壁上都有双光栅的液晶盒，两排列方向重合。液晶盒前后设有光轴正交的偏振片，其中一光轴平行于一个可转换排列方向。双光栅是对称或不对称的，不对称时存在一定表面倾角，形成倾斜分子结构，实现电转换。其它结构可用DC脉冲与手性离子结合实现转换。

Description

双稳态向列相液晶装置

本发明涉及双稳态向列相液晶装置。

液晶装置一般包括包含在盒壁之间的一薄层液晶材料。在盒壁上有光学透明的电极结构，施加到液晶层上的电场使得所说液晶分子重新排序。

有三种已知类型的液晶材料，向列相、胆甾相、和近晶相，它们分别具有不同的分子排序。本发明涉及使用向列相液晶材料的液晶装置。

为了提供具有大量可寻址单元的显示器，通常在一个盒壁上构成一组行电极，而在另一个盒壁上构成一组列电极。它们构成了例如一个可寻址单元或象素的x，y矩阵，并且对于扭曲向列相型液晶盒，通常采用rms寻址方法进行寻址。

通过施加一个适合的电压使扭曲向列相型和相改变型液晶装置转换到开(ON)状态，而当所施加的电压降低到低于一个低电平时转换到关(OFF)状态，即这些液晶装置是单稳态的。对于扭曲向列相型液晶装置(如US-4596446中所记载的90°或270°扭曲)，这些可以采用rms寻址的单元受到液晶装置透明度与电压曲线斜度的限制，如Alt &Pleschko在IEEE Trans ED vol ED 21 1974，146-155页中所述。增大象素数量的一个方法是在每个象素附近包括薄膜晶体管；这样的显示器被称为有源矩阵显示器。向列相型装置的一个优点是需要相对较低的电压。它们在机械上也是稳定的，并且具有宽的工作温度范围。这使得能够构成以电池作能源的便携式显示器。

可寻址大显示器的另一种方式是采用双稳态液晶装置。铁电液晶显示器可以利用近晶相液晶材料和适合的盒壁表面排列处理制成双稳态液晶装置。这种装置是一种如L．J．Yu，H．Lee，C．S．Bak和M．M．Labes在Phys Rev Lett 36，7，388(1976)；R．B．Meyer，在Mol Cryst，Liq Cryst40，33(1977)；N．A．Clark和S．T．Lagerwall在Appl PhysLett，36，11，899(1980)中所介绍的表面稳定的铁电液晶装置(SSFELCDs)。铁电液晶装置的一个缺点是需要相对较高的电压来转换控制液晶材料。这个高电压要求使得小的、便携式以电池作电源的显示器十分昂贵。这些显示器还存在其它问题例如不抗震，有限的工作温度范围以及电感应引起的例如针击穿。

如果利用向列相能够实现双稳表面定锚，则可以制成具有上述技术的优点而不存在那些问题的显示器。

Durand等人已经发现采用手性离子或电挠曲耦合可以使向列相在两种排列状态之间转换；如A．Gharbi，R．Barberi，G．Durand和P．Martinot-Largarde，专利申请WO 91／11747，(1991)“双稳态电手性控制的液晶光学装置”；G．Durand，R．Barberi，M．Giocondo，P．Martinot-Largarde，专利申请WO 92／00546(1991)“具有利用电挠曲效应控制的表面双稳态的向列相液晶显示器。下面概括介绍这些专利的内容：

在专利申请WO 91／11747中所述的液晶装置具有以下特征：

1、液晶盒是用具有适当厚度和蒸发角度的SiO涂层以使每个表面存在两个稳定状态的两个表面构成的。此外，在一个表面上的两种状态之间的方位角偏差为45°，并且表面的取向使得所形成的每个区域都是无扭曲的。

2、液晶盒(6μm厚)中填充有5CB掺杂的0．5％苄基奎宁溴化物和1．8％苯基乳酸。前者是具有左手旋向的正手性离子，而后者是具有右手旋向的负手性离子。其浓度保证最终的混合物具有非常长的螺距从而使在薄液晶盒中的状态是均匀的。

3、施加110V直流脉冲电压40μs可以使液晶在这两种状态之间转换。对于较长的脉冲观察到存在一个较低的阈值，例如对于300μs的脉冲存在一个80V的阈值。

4、加入适当取向的偏振片可以使得一种状态显现为黑色，而另一种显现为白色，对比度约为20。

5、还提到了一种不同的装置，这种装置在单稳态表面之间使用了一种短螺距手性离子混合物，它具有不同的顶点锚定能量。对于超过50V的脉冲在一个4μm厚的液晶盒中观察到在180°扭曲状态与一种均匀状态之间的转换。

在专利申请WO 92／000546中所述的装置具有以下的特征：

液晶盒是用具有适当厚度和蒸发角度的SiO涂层以使每个表面存在两个稳定状态的两个表面构成的。此外，在一个表面上的两种状态之间的方位角偏差为45°，并且表面的取向使得所形成的每个区域都是无扭曲的。

表面取向还使得在一表面上有预倾角的状态与另一表面上非倾斜状态对齐，反之亦然。当以5CB填充时，两种状态如图7B和7C所示。

在一个1μm厚的液晶盒上施加14V直流脉冲100μs可使之在两种状态之间转换。最终的状态依赖于由于与电挠曲偏振光耦合而具有的脉冲极性。对于两个方向之间的转换观察到同样的电压阈值。

Durand用来得到双稳态排列的表面是以精确的倾斜角度蒸发的一薄层SiO。但是这个方法有一个缺点，就是蒸发角度、层厚度和任何一个沉积参数的任何偏差都可能形成只有单稳态排列的表面。这使得斜蒸技术不适用于，或非常难以用于大面积显示器。

在US-4333708中记载了另一种双稳态向列相装置。

本发明的目的在于提供一种双稳态向列相液晶装置，该装置具有一种表面排列，使之能制成大面积的显示器。

根据本发明通过采用在盒壁上精确形成的光栅克服了上述缺点；这种光栅使得向列相液晶分子采取两个均匀排列方向中的一个。这两个排列方向可以电转换的方式形成显示。

根据本发明的一种双稳态向列相液晶装置包括：

两个液晶盒壁，其中封闭有一层液晶材料；

形成在两个盒壁上的电极结构；

在两个盒壁上形成液晶分子排列方向的表面排列结构；

用于识别液晶材料的两种转换状态的装置；

其特征在于：

在至少一个盒壁上有表面排列双光栅，当在电极上施加适当的电信号时排列双光栅使得液晶分子具有两种不同的角度排列方向。

两种排列方向之间的角度可以变化，并且依赖于该双光栅的形状。

双光栅可以是采用照相制版工艺制作的一层具有一定形状的光聚物，例如M．C．Hutley，衍射光栅(学术出版社，伦敦1982)95-125页；和F．Horn，物理世界，33(1993年3月)。此外，该双光栅还可以采用压纹技术制作；M．T．Gale，J．Kane和K．Knop，应用光学工程杂志，4，2，41(1978)，或刻划技术；E．G．Loewen和R．S．Wiley，Proc SPIE，815，88(1987)，或者采用载体层转移技术。

一个或两个盒壁可以由相对厚的非柔性材料如玻璃制成，或者一个或两个盒壁可以由一种柔性材料如一薄层玻璃或塑料材料如聚丙烯制成。塑料盒壁可以在其内表面制成压纹形状以构成一个光栅．另外，压纹结构可以形成小的支柱(例如1—3μm高，5—50μm或更宽)以帮助盒壁的正确分隔，并且当液晶盒弯曲时作为液晶材料流的屏障．这些支柱也可以由构成排列层的材料形成。

该双光栅可以是对称或不对称的；在后一种情况同时形成表面排列和表面倾角。可以设置两个双光栅从而使一个盒壁上的高的表面倾角与另一个盒壁上的低倾角相对，从而使液晶分子的两种转换状态都是倾斜结构。

双光栅表面可以表示为满足下式的表面： $\mathrm{\ψ}(x,y)=\mathrm{\ψ}(x+{\mathrm{mk}}_x,y+{\mathrm{nk}}_y)$

其中m和n是整数，kx和ky为周期数，ψ为表示表面幅度的函数。

考虑到双光栅表面能量的简单理论表示，该光栅表面可以表示为： $A=a\sin \frac{2\mathrm{\π}}{L_1}x+b\sin \frac{2\mathrm{\π}}{L_2}y$

其中a，b为常数，Ll，L2为两个光栅的间距。

让向列相液晶材料与这个表面接触，这样它的偶极子场表示为： $n=(\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ},\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ},\sin \mathrm{\θ})$

即θ为顶点角，φ为方位角。

让θ=θ(x，y，z)，但是假设φ为一个常数。

使偶极子与光栅表面相切，并且起伏较浅(a，b<<L_l，L₂)则 $\mathrm{\&theta;}(z=0)=a_{L_1}\cos \mathrm{\&phi;}{\cos }_{L_1}x+b_{L_2}\sin \mathrm{\&phi;}{\cos }_{L_2}y$

在光栅表面以外

0=(∞=z)θ

假定倾斜常数与弯曲弹性常数彼此相等，K₁₁=K₃₃，但是与扭曲常数K₂₂不同；则弹性自由能量密度由下式给出： $\frac{2W_d}{K_{33}}={\mathrm{\&theta;}}_x^2({l\sin }^2\mathrm{\&phi;}+{\cos }^2\mathrm{\&phi;})+{\mathrm{\&theta;}}_y^2({l\cos }^2\mathrm{\&phi;}+{\sin }^2\mathrm{\&phi;})+{\mathrm{\&theta;}}_z^2+{\mathrm{\&theta;}}_x{\mathrm{\&theta;}}_y(1-l)2\sin \mathrm{\&phi;}\cos \mathrm{\&phi;}$

其中L：K₂₂／K₃₃，θ_x为θ相对于x轴的偏差，θ_y和θ_z也类似。

于是Euler-Lanrange公式变为 ${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{xy}}({l\sin }^2\mathrm{\&phi;}+{\cos }^2\mathrm{\&phi;})+{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{yy}}({l\cos }^2\mathrm{\&phi;}+{\sin }^2\mathrm{\&phi;})+{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{zz}}+(1-l)\sin 2\mathrm{\&phi;}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{xy}}=0$

满足初始边界条件的解为 $\mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;}\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_1}\cos \mathrm{\&phi;}\cos \frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_1}\mathrm{xexp}\{-\sqrt{({l\sin }^2\mathrm{\&phi;}+{\cos }^2\mathrm{\&phi;})}\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_1}z\}$ $+b\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_2}\sin \mathrm{\&phi;}\cos \frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_2}\mathrm{yexp}\{-\sqrt{({l\cos }^2\mathrm{\&phi;}+{\sin }^2\mathrm{\&phi;})}\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_2}z\}$

定义 $A=b^2{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_2}\right)}^3{a}^{-2}{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_1}\right)}^{-3}$

即A是两个正交光栅的相对能量，于是每单位面积的表面能量F_d表示为下式： $F_d=\frac{\sqrt{\left(K_{33}{K}_{22}\right)}}{4}{a}^2{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_1}\right)}^3\{\sqrt{(1+(\frac{K_{33}}{K_{22}}-1){\cos }^2\mathrm{\&phi;})}{\cos }^2\mathrm{\&phi;}+A\sqrt{(1+(\frac{K_{33}}{K_{22}}-1){\sin }^2\mathrm{\&phi;})}{\sin }^2\mathrm{\&phi;}\}$

对于等间距即L₁=L₂的光栅

A=(a／b)²

该双光栅的轮廓满足0．5＜A＜2．0，可取的是0．8＜A＜1．2，典型地为0．9＜A＜1．1。一种典型的对称、正弦光栅可以具有0．8μm的间距和0．1μm的幅度(半峰到峰值)。不对称光栅可以具有相似的间距和幅度，但是可以是相应的锯齿形状。

不对称或炫耀双光栅可以定义为一个表面，在这个表面中不存在一个h值，使得：

Ψ_x(h-x)=Ψ_x(h+x)

对于所有的x值，Ψ为表示该表面的函数。如果炫耀方向沿着y方向，则可以写出相似的表示式。在正弦／炫耀双光栅的情况下，各个双稳态具有相同的预倾角。但是通过使用一个炫耀／炫耀双光栅，即在两个主方向上都是不对称的双光栅，例如横截面为锯齿形的光栅可以进一步减小其对称性。在这种情况下，发现双稳态之一是具有预倾角的，而另一个的预倾角则为零。

该液晶装置还包括用于向电极施加寻址电压的装置，从而该液晶装置可以在两种不同的排列状态之间转换以显示信息。

液晶材料还包括手性离子，从而可以通过施加一个较大的交流电压而后施加一个适当的单向电压脉冲使液晶装置进行转换。

液晶材料可以具有适当高的电挠曲值，从而可以通过施加一个相应极性的脉冲而使液晶装置实现电转换。

该液晶盒可以设置在两个彩色或灰色偏振片之间，两者在液晶材料中都含有或不含有少量的多色染料(例如D82Merck)。可以设置偏振片的偏振轴、层厚度和液晶材料的双折射率以使开关(ON和OFF)状态之间的显示对比度最佳。例如偏振片光轴可以从平行于或垂直于相邻的排列方向最大与之有几度的偏差。

现在参照附图以实施例的形式描述本发明，在这些附图中：

图1为矩阵型可多路寻址的液晶显示器；

图2为图1所示显示器的横截面图；

图3为表示四行一列(显示单元)的波形示意图。其中给出了每个象素上作为时间函数的形成的电压；

图4为用于制作液晶盒对称双光栅表面的装置；

图5为作为方位角函数的表面能量密度的理论上的曲线图；

图6a，6b为表示排列方向和液晶盒倾斜量的示意图；

图7a、7b、7c是表示两个相反的倾斜状态的示意图；

图8为用于制作不对称(炫耀)光栅的装置的示意图；

图9为经过图8所示装置处理的液晶盒壁的横截面图。

图1、2中的显示器包括由包含在玻璃壁3、4之间的一层铁电液晶材料2构成的一个液晶盒1。分隔环5通常保持盒壁分开2μm。此外在液晶材料中散布有许多2μm直径的聚合物分隔珠以保持盒壁的精确间隔。在一个盒壁3上形成有条形行电极6例如SnO₂电极，而在另一个盒壁4上形成有相似的列电极7。这m行和n列电极构成了一个可寻址单元或象素的m，n矩阵。每个象素由行电极和列电极的交叉点构成。

一个行驱动器8向每个行电极6施加电压。同样地，一个列驱动器9向每个列电极7施加电压。所施加电压的控制是由一个控制逻辑电路10执行的，该电路从电压源11中接受能量，从一个时钟12中接受时钟信号。

液晶盒1的两侧是偏振片13、13＇。对于其中两个盒壁3、4具有双光栅排列和两个排列方向彼此成45°角的装置，偏振片被设置成它们的偏振轴彼此交叉，其中一个偏振片的轴平行于相邻壁3、4上的两个排列方向之一。对于在一个壁3上具有双光栅，而在另一个壁4上具有单光栅(例如一种摩擦排列)的装置，偏振片13＇的轴平行于壁4上的单光栅排列方向，偏振片13的轴平行于壁3上两个排列方向之一。

在液晶盒1后面设置了一个部分反射镜16和一个光源15。这使得可以从反射中看到显示，和在昏暗的环境下从后面进行照明。对于透射型装置，可以省略这个反射镜。

在图1、2所示的液晶盒组装之前，至少一个盒壁要经过表面处理以形成一个双光栅；另一个盒壁可以是双光栅或单光栅或经过常规的例如摩擦排列处理。用于制成这个双光栅的装置如图4所示。

如图4所示，从一台氩离子激光器21中发出的光20经过第一透镜22聚焦到一个固定的第一漫射片23和一个旋转的第二漫射片24上。第二透镜25将已经散开的激光束重新汇聚到一个半镀铝的分光片26上。光线从这个分光片26被反射到第一镜面27，并从此反射到支撑在一个支架29上的一个基片28。从分光片26透射的光从第二镜面30和第三镜面31反射到基片上。于是基片28接收了两束光20a、20b，它们形成了静止的干涉条纹图形。干涉条纹的间距依赖于从第一镜面27和第二镜面31发出的两束光之间的夹角。

利用图4所示的装置按如下所述可以制成一个正弦双光栅：

实例1

将一片构成液晶盒壁的ITO涂覆的玻璃片在丙酮和异丙醇中清洗，然后用一种光聚物(Nissan RN901)以4000rpm旋覆20秒钟以形成1．2μm的涂覆厚度。然后在80℃温度下软态烘30分钟。之后将样品29在由如图4所示的氩离子激光器21(波长为457．9nm)发出的光的干涉场中曝光。

以1．5mW／cm²的能量密度对样品28曝光90秒钟。将样品28从支架29上取下，旋转90°并重新定位后再对样品进行第二次曝光90秒钟。然后将样品浸入微定位MF319显影液中显影60秒钟进行显影，之后浸入去离子水中30秒钟。在170℃烘烤60分钟，再在350℃烘烤30分钟之后光聚酰亚胺最后发生交联反应。这样得到的样品包含一个表面凹凸的双光栅，其中两个主调制方向彼此成90°。但是，对于某些应用来说，如果这些调制方向之间的夹角小于90°例如45°是比较有利的。

双光栅的尺寸是严格的；在相对较窄的值的范围以外，光栅无法形成两个方向的排列。

这可以参照图5加以解释，图5表示了在液晶／光栅界面处作为在此界面处向列相偶极子的方位角取向的函数的表面能量密度的理论曲线图。图中画出了几条对应不同的A(=(a／b)²)值的曲线，在各种情况下，所画出的向列相液晶分子在表面上的取向均位于函数最小值处。在这个模拟例中液晶材料常数K₃₃／K₂₂设置为1．25，这对于典型的向列相液晶是合理的。在A=0．8时，在+／-90°存在两个退化极小值，即向列相偶极子沿着y方向排列。类似地，当A=1．2时，向列相偶极子沿着x方向排列；x轴和y轴都位于光栅表面的平面内。但是，当两个主方向的沟槽深度具有相近的幅值时(A接近1)在处于沟槽方向之间的角度存在两个稳定的状态。当A＜0．9或A＞1．1时这个双稳定性丧失，因此理论上说需要将沟槽深度误差控制在小于5％。这种约束对于照相制版或干涉图光栅制作方法来说是不成问题的。

所以对于上面的实施例双稳定性需要在两个方向之间实现精确的能量平衡，这利用光栅是容易实现的，但是采用斜蒸技术是非常困难的；即0．9＜A＜1．1。

实例2

利用两个具有如在实例1中制作的A=1．0的双光栅的液晶盒壁，在液晶盒中构成了10μm厚的向列相液晶层，从而在一个液晶盒上的沟槽与位于另一个液晶盒壁上的沟槽的方向是相同的。这个液晶盒中填充有向列相液晶E7(一种Merck材料)。通过显微镜观察发现与理论一致，在相对于沟槽方向+／-45°处存在两个均匀的排列方向。所看到的各个状态的面积大致相等。在一个磁场中通过温度循环可以促进两种状态中的任何一种。例如将液晶盒加热到E7的各向同性相，然后在一个2．0T的磁场中沿着-45°方向将其冷却。这导致仅仅形成一个状态，在这个状态中偶极子指向+45°方向。类似地，在磁场中沿着-45°方向冷却则促进形成-45°状态。最后在无磁场时冷却则液晶盒返回到随机结构，在这个结构中两种状态共用液晶盒区域。这种特殊的结构还可以采用Durand的方法通过在向列相液晶中掺入手性离子而进行转换。

实例3

利用下述方法还可以制成正弦双光栅。将一片构成液晶盒壁的ITO涂覆的玻璃片28在丙酮和异丙醇中清洗，然后用一种阻光剂(Shipley1805)以4000rpm旋覆30秒钟以形成0．5μm厚的涂层。之后在90℃温度软态烘30分钟。再将样品29通过一个接触式包含1．5μm×1．5μm间距的照相制版掩膜在汞灯光下曝光。

以1．5mW／cm²的能量密度将样品曝光25秒钟，接着在MF319中显影10秒钟。在105℃下硬态烘10个小时之后就形成了液晶盒。液晶材料厚度是5μm。其转换方式与在实施例2中一样。

对于在一个盒壁上具有一个双光栅而在另一个盒壁上具有单光栅(例如经过摩擦排列处理)的液晶盒，可以观察到两种扭曲状态，其中液晶材料偶极子沿着单光栅表面的沟槽方向，而与双光栅表面上的沟槽方向成一个中间角度。这假定光栅的锚定强度与液晶的弹性常数大小为同样的量级。这种结构也可以利用手性离子实现转换。

已经发现可以通过制作一个沿其主沟槽方向是炫耀(不对称)的双光栅而将预倾角增加到双稳态中。这可以利用一个如N．K．Sheridon，应用物理通信，12，316(1968)中所述的改进的干涉仪来实现。

图8表示用于制作一个炫耀光栅的装置。如图所示，从一台氩离子激光器41(波长为457．9nm)中发出的光40通过一个第一透镜42聚焦到一个固定的漫射片43和一个旋转的漫射片44。一个第二透镜45将已经散开的激光束40重新汇聚，然后利用一个半镀铝的分光片46分光到两个镜面47、48上。要在其上构成一个光栅的基片49安装在位于两个镜面47、48之间的一个样品支架50上。在两个镜面47、48之间反向传播的光束建立起一个光学标准波，即干涉条纹，其具有半激光波长的周期。

在安装到样品支架50上之前，将涂覆有铟锡氧化物(ITO)的玻璃基片在丙酮和异丙醇中清洗，然后用一种光聚酰亚胺(Ciba Geigy343)以4000rpm旋覆30秒钟以形成3．5μm厚的涂层41。在80℃稳定下软态烘15分钟，再在100℃稳定下继续软态烘15分钟。之后如图4所示将基片49安装在样品支架50上，以一定倾角在从氩离子激光器41发出的标准图形光波中曝光。这是制作干涉图光栅的一个具体实例，参见M．C．Hutley，衍射光栅(学术出版社，伦敦1982)95-125页。

干涉条纹如图9所示记录在光聚物层51中。光栅的间距依赖于基片49与标准光波之间的角度。典型的曝光是以1．5mW／cm²的能量密度对样品曝光300秒钟。在二次曝光烘烤(105℃，5分钟)之后，将样品在QZ3301(Ciba Geigy)中旋转显影15秒钟，然后浸在QZ3312中15秒钟。

使用两个炫耀光栅在一个双稳态中给出零预倾角的情形参照图6a，b加以解释。图6表示液晶盒的上表面(图中所示朝下)。炫耀方向用箭头表示，实际上这些方向可以对应于锯齿形调制结构中的长小平面(图中表示为沿着各个主光栅方向的横截面)。于是表面的对称性表示位于各炫耀方向A1之间的四分之一处的状态将产生预倾角，而另一个状态B₁不产生预倾角(如果两个主调制结构具有不同的幅度或不同的不对称量，则两种状态都将产生预倾角，但是倾角的大小不同)。图6b表示液晶盒的下壁，图中所示朝上，炫耀方向用箭头表示。如果这为上表面，为图6a(图中所示朝下)，如为下表面，为图6b，(图中所示朝上)按照图示的取向构成，则得到两种液晶状态；如图7a，b，c所示的A₁B₂和B₁A₂。当两种状态具有相反的倾角时，这些倾斜结构是重要的，从而施加到液晶盒壁上的电极之间的电场引起的与电挠曲偏振(图中表示为P)的直流耦合使得可以以与上述的专利申请WO 92／00546中描述的同样的方式转换两种状态。

对于采用了与上述液晶盒相似的一个液晶盒，但是具有在两个双光栅形成的液晶排列方向之间的一个45°角度的显示器，可以如图3所示用电压寻址。

如图所示在一列上连续的四行R1、R2、R3、R4象素被转换。可以将两种可能的排列方向任意地定义为ON状态和OFF状态。行R1、R4被转换到ON状态，行R2、R3被转换到OFF状态。

三个时间周期ts的选通脉冲+Vs之后跟随着3ts的-Vs脉冲，如图所示依次施加到所达到的行上。如图所示一个数据波形施加到该列上，并包括一个1ts的-Vd脉冲，之后是一个施加一个ON状态象素的1ts的+Vd脉冲以及1ts的-Vd脉冲，之后再是OFF状态象素的1ts的+Vd脉冲。

形成的电压是先为正极性然后为负极性的大电压。这些电压使向列相液晶分子(更准确地说是偶极子)沿着垂直于盒壁的方向排列，即同向扭转的状态。其后由小的选通脉冲例如正电平将液晶转换到ON状态。当液晶分子恢复到没有电压存在时的均匀状态时这个小的正脉冲足以引起液晶材料中的手性列移动到一个盒壁上，并且促进转换到ON状态排列方向。紧跟着的小负电平脉冲形成直流平衡，其幅度不足以形成进一步的转换。

在一种转换状态中所有的分子都沿着一个偏振片13的光轴排列。因为偏振片13、13＇的光轴是交叉的，从偏振片13发出的偏振光通过液晶盒而被另一个偏振片13＇挡住；因此只有最少的光透过液晶装置。当液晶盒被转换使得所有分子都沿着与偏振片13、13＇成45°的方向排列时，由于液晶的双折射和偏振片13、13＇的相对位置使得透过液晶盒的光量最大。

同样，对于具有有益的大电挠曲常数，例如10^-4cgs或更大的向列相液晶，向列相液晶可以在参照图7所描述的两种倾斜状态之间转换。

记住在具有两个双光栅的液晶盒的转换状态中，向列相液晶在液晶层上没有扭曲；而相反扭曲型向列相液晶盒材料通常具有90°的扭曲。对于在一个盒壁上具有一个单光栅，而在另一个盒壁上具有一个双光栅的液晶盒，在两种转换状态之间会存在一定量的扭曲例如+45°&-45°。

上述实例中的光栅间距为0．8μm，但是也可以使用更宽范围的间距。图4所示的装置可以形成大于0．25μm的任何光栅间距，而更小的间距可以用紫外激光制作。对于一个单正弦光栅每单位面积的方位排列能量已经计算出(D．W．Berreman，物理综述通信，28，1683(1972))为U=2π³K₁₁(a²／L³)，其中a是光栅幅度(半峰高到沟槽底的深度)，L是间距。对于液晶排列，使用的光栅必须具有这样的轮廓，使得U大于热随机能量和大于与任何其它的表面无规则或物质的不均匀性相关的能量。此外，小的间距对于得到足够的能量是可取的，因为如果a太大，那么当在液晶盒上施加电场时在光栅上就会产生较大的电压降。

有效的双稳态转换还需要破坏表面的锚定。实现此目的所需的电压依赖于构成光栅的聚合物的顶点锚定能量。仔细选择这种聚合物材料或进行处理可以使这个电压降到最小。此外在光栅上还可以涂覆一层表面活性剂例如卵磷脂。

Claims (13)

1、一种双稳态向列相液晶装置，它包括：

其中封装有一层液晶材料的两个液晶盒壁；

形成在两个盒壁上的电极结构；

形成在两个盒壁上以构成液晶分子的排列方向的表面排列结构；

用于识别液晶材料的两种转换状态的装置；

其特征在于：

在至少一个盒壁上具有形成表面排列的双光栅，这使得当在电极上施加适合的电信号时液晶分子可以沿着成一定角度的两个不同的排列方向排列。

2、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：每个双光栅具有一种形状，使得0．8＜A＜1．2，其中A是所说双光栅的相对能量。

3、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：两个盒壁上都具有双光栅表面，两个盒壁上的两个排列方向彼此重合。

4、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：一个盒壁上具有一个双光栅，而另一个盒壁经过一种单稳态的单排列方向处理，其单排列方向位于双光栅的两个许可的排列方向之间。

5、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：至少一个双光栅具有至少一个不对称的光栅轮廓。

6、如权利要求5所述的液晶装置，其特征在于：液晶盒壁上不对称排列的方向在相同的方向上彼此相对。

7、如权利要求5所述的液晶装置，其特征在于：液晶盒壁上不对称排列的方向沿着相反的方向上彼此相对。

8、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：至少一个双光栅具有至少一个对称的光栅轮廓。

9、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：所说双光栅是通过干涉图法、照相制版法、压纹技术、刻划技术、或载体转换技术形成的一层结构。

10、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：所说液晶盒壁是由玻璃材料制成的。

11、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：所说液晶盒壁是由一种柔性塑料制成的。

12、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：在一个或两个盒壁上形成有许多分隔支柱。

13、如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：所说分隔支柱是由在一个或两个液晶盒壁上构成光栅的材料形成的。

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