CN1084012C - 铁电液晶显示装置的寻址方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表面经稳定化处理的铁电液晶(SSFLC)显示装置。这些显示装置是含有一薄层例如2μm厚的近晶相液晶材料的盒构成。盒的两内壁经表面处理并且上面布置有例如形成一个可寻址的显示单元或象元的x、y矩阵的电极，这些装置可以表现出双稳态，并且在 加上一个适合极性、幅值和宽度的直流脉冲时可以在这两个稳定状态之间转换。在本发明中首先通过在每个象元上加上两个不同的交流偏置电平之一对液晶材料进行预处理，由此改变该材料的转换特性，接着通过施加一个转换脉冲而对显示装置进行选址。从而使接收到第一交流偏置电平的那些象元发生状态转换，而另一些象元不发生状态转换。两个交流偏置电平可以通过例如双极选通脉冲和两个双极数据波形的组合以多路选址方式施加到行和列电极。随后施加的转换脉冲可以同样施加到行和列电极，以形成一个适合极性、幅值和宽度的合成脉冲。

Description

铁电液晶显示装置的寻址方法及其装置
本发明涉及铁电液晶显示装置的寻址。
液晶显示装置是公知的，典型的液晶装置是一个由保持在两个玻璃板之间的薄层液晶材料构成的液晶盒。这两个玻璃板上有若干个用于把电场加在液晶层的两侧上以便液晶材料的分子重新取向的透明电极。在很多液晶显示装置中的液晶分子可以呈现两种排列状态之一。信息由在一种状态下的液晶材料区同另一状态的区相对比来显示。公知的显示装置是由一个象元矩阵或显示单元矩阵构成，这些象元或显示单元由设置在一个壁上的列电极和设置在另一个壁上的行电极交叉形成。该显示装置通常采用把电压相继地加到行电极和列电极上以多路方式进行寻址。
液晶材料包括三种基本类型：近晶相液晶(smeetic)、向列相液晶(nematic)和胆甾相液晶(cholesteric)，每种液晶具有不同的分子排列结构。
本发明涉及铁电近晶相液晶材料(ferroelectric smecticliquid crystal material)。利用这种材料的装置构成了表面稳定的铁电液晶(S SFLC)装置。这些装置可以呈现两个稳定状态，即液晶分子(确切地说是分子取向子)在用正电压脉冲和负电压脉冲转换时呈现两种排列状态之一，并且在去掉电压后仍保持在这个转换状态下。这种行为与表面排列结构性质有关。
某种表面排列结构将提供一种在电压切断后仍保留在该转换后的状态的装置，另一类表面排列结构将提供一种在电压切断后状态可能随机衰减的装置。转换后的状态可以通过保持一个交流偏置电压稳定。实际达到的状态可能取决于现存在的交流偏压的幅值。该交流偏压可以由多路装置中的数据(列)电压提供。
目前已有许多采用多路寻址的铁电体显示装置的系统，例如参见Harada等人的论文(1985 SID论文8.4 PP131-134)  和lagerwall等人的文章(1985 IDRC PP213-221)，还可以参见GB2173336-A和GB2173629-A。用于SSFLC的多路寻址方案是采用一个按顺序加到一些行(但不一定是一些相继的行)上的选通脉波形，并同时把数据波形加到例如一些列电极上。为了向下扫描N线所需的时间被称为场时间，它等于寻址每根线所花的时间--线寻址时间的n倍。对于某些多路模式，为了使所有的象元转换到所需要的状态需要两个场时间，完成寻址一个矩阵的总的时间为帧时间。SSFLC的特征在于：它们在接收一个具有适合电压幅值和作用时间长度(即脉冲宽度)的脉冲时转换，把脉幅值和脉宽度的积称为电压时间积V.t。在设计多路寻址方案时必须考虑幅值和脉冲宽度这两个参数。
这个双稳态的性质与快的转换速度一起使SSFLC装置适合于具有大量象元或显示单元的大显示装置。这样的铁电显示装置例如在下列技术文件中有描述：N.A.Clark和S T Lagerwall，AppliedPhysics Letters Vol 36，No11 PP889-901 June.1980；GB-2166256A；US-4367924，US-4563059。专利GB-2209610(Bradshawand Raynes)；R B Meyer等人的J Phys.Lett.36 L69，975。
对于具有一个大数目N的显示装置，两倍场时间所花费时间可能很可观，一种减少这个时间的方法是利用单消隐脉冲使所有象元消隐到一种状态，然后在一场时间内用一个选通脉冲扫描每条线，以便使所选择的象元转换到另一状态。在此情况下，寻址的总时间为一场时间。全帧消隐的缺点是显示外观不佳，并且在进行写消隐显示期间会损失信息。另外，消隐脉冲也可以扫描位于选通脉冲前面的例如五根扫描线，用这种方法没有使显示外观品质降低。
虽然，SSFLC提供了块的转换时间，从而增加了复杂显示的可能性，但是为了能加入灰度和彩色还需要提高转换速度。灰度需要时间或空间的高频振动。彩色需要将每个象元或帧序贯重新象元化为三个一组。上述的两种技术都需要提高扫描速率，这两种技术都需要随着子帧(时间高频振动和帧序贯)保持无闪变的帧速率或同由于重新象元化(空间高频振动和颜色的三原色化)引起的象元数目的增加相适应。
本发明解决了上述的选址时间长和显示外观的问题，采用的方案是：在把转换的电压时间乘积同时加到全部或若干个象元上之前预先一次性处理象元，从而使在转换的电压时间乘积加入时只有选定的那些象元改变状态。
本发明提供一种由在一层近晶相液晶材料上的m组电极和n组电极的交叉形成一个可寻址象元的m×n矩阵而构成的铁电体液晶显示的多路选址方法，该方法包括下列步骤：
产生施加到m和n组电极的由各种直流幅度和极性的电压脉冲组成的行和列波形；
通过驱动电路加入行和列波形选址m组和n组电极，以便选址每个象元；
其特征在于：
通过把两个不同的交流偏置电平加到象元上预先处理上述的每个象元的液晶材料，其中第一电平加在需要转换的一些象元上，而第二电平加到另一些象元上；
将一个直流转换脉冲施加到与需要转换的那些象元相关联的所有的m和n电极上；
借此，使所有需要转换的象元由直流转换脉冲转换到所需要的状态，而使另一些象元保持在未转换状态。
本发明的多路寻址的液晶显示装置包括：
一个液晶盒，该液晶盒包括：一层夹在两个壁之间的铁电近晶相液晶材料，设置在一个壁上的m组电极和设置在另一壁上的n组电极，以共同形成一个可寻址象元的m·n矩阵；
在相继的时隙内产生m和n个单向脉冲波形、以便通过驱动电路把这些波形加到m和n组电极上的多个波形发生器；
用于控制m和n个波形的施加从而获得一个所要求的显示图形的装置；
其特征在于包括：
用于把第一或第二两个交流偏置的不同电平加在每个象元上的装置；
用于产生施加到m和n组电极和把一个转换脉施加到每个需要转换的象元上的转换脉冲的装置；
借此，通过加入两个交流偏置电平的第一电平预处理每个需要转换的象元，而另一些象元接收交流偏置的第二电平，相继加入的转换脉冲只转换由加入第一交流偏置电平预处理的那些象元，以便显示一个所要求的象元图形。
用于产生波形以便在矩阵显示装置中的选定的一些象元上产生两个不同偏置电平的技术在用于扭曲向列相液晶(TN)和超扭曲向列相显示(STN)的应用中已众所周知。可以参见例如P.M.Alt和P Pleshko.IEEE Trans Eledtron Devices ED-21，146-155，1978；J Nehring and A Kmetz，IEEE Trans Electron Devices，ED-26 785-802，1979；MG Clark，I A Shanks和N J Patterson，Proc SID Int Sump Digest，1979， Paper 13-1 PP110-111。
除了广泛使用的＂Alt和Pleshko＂波形外，其它的适合的波形包括伪随机二进制序列和Walsh函数，如在T.J.Scheffer和B.Clifton，Proc SID Int Symp Digest，1992，Paper 13-14 PP228-231中所用的。
每个象元上的这两个不同的交流偏置电平可以由用多路方式寻址电极而得到的行和列波形获得。这些转换脉冲可以同时加到所有的电极上，这些转换脉冲可以在两组电极之间按幅度分开。
交流偏置电平的频率应足够高，从影响近晶相液晶材料的转换特性，结果在没有转换脉冲时不会引起转换。
附图的简要描述
下面仅作为例子，并参考附图描述本发明的一种实施方式；
图1、2是液晶显示装置的平面和剖视图；
图3是图2的局部剖视图的模仿放大图，图中示出了几种可能的方向子分布之一；
图4是表示在不同电平下的交流偏置脉冲宽度相对脉冲电压的转换特性；
图5示出了一个带有显示图形的4×4x、y矩阵和为了在不同的象元上产生两个不同的交流电平而加在该x、y电极上的波形；
图6示出了用于一行和一列上的波形和用于预处理象元所需要的几个周期的在上述行和列交叉处上的最终波形，后面的是在这个预处理周期内的一个转换脉冲。
较佳实施例的描述
在图1和2中所示的液晶盒包括两个玻璃板2、3，这两个板由一个垫环4和/或分散的分隔物隔开约1～6μm。透明的铟锡氧化物电极5、6结构形成在两个玻璃板的内表面上。这些电极可以是通常的行(x)和列(y)形状、七段或γ-θ显示。液晶材料薄层夹在板2、3之间并包括一个垫环4，偏振片8和9布置在液晶盒1的前面和后面。偏振片8和9的光轴排列应能达到最大显示对比度的要求；即，使近似垂直交叉的偏振片具有一个沿着某种转换分子的取向的光轴。一个直流电压源10通过控制逻辑电路11供给被引线14、15同电极5和6相连的驱动电路12和13。
该装置可以在透射或反射模式下操作。在前者中，例如从钨丝灯16来的光透过装置有选择地透射或遮断而形成所需要的显示。在反射模式中，一个反射镜放置在第二偏振片9的后面，以便把周围的光向回反射透过液晶盒1和两个偏振片。通过使反射镜17部分地反射，此装置可以利用一个或两个偏振片在透射和反射模式下操作。
在组装之前，要对玻璃板2、3进行表面处理，例如旋覆一薄层聚合物(例如聚酰胺或聚酰亚胺)，经干燥后再进行适当的矫正处理；然后用一软布(例如人造纤维布)沿一个方向R1、R2抛光。这个公知的处理使液晶分子具有一个表面取向结构。这些液晶分子(如在向列相中所观测的那样)自发地沿抛光方向R1、R2排列，并且同上述的表面成约0°-15°角，该角度取决所用的聚合物和随后的处理情况。可以参考S Kuniyasu等人的论文(Japanese J of Appled Physics Vol.27，No5.1988年5月PP827-829)。此外，通过公知的在液晶盒两内壁上倾斜蒸发例如一氧化硅也可以提供表面排列结构。
表面排列处理为液晶材料相邻的分子提供一个固定力。这些液晶分子被所用材料的特有的弹性力约束在液晶盒的两内壁之间。该材料本身构成许多分子层20，这些分子层如图3所示那样彼此平行，图3是许多可能结构的一个具体的例子。Sc是一个倾斜相，方向子在该相中与所在层的法线成一个角度，因此，可以把每个分子方向子想象为倾向位于一个圆锥面上，它在圆锥面上的位置随着该层厚度改变，每个微薄层20常常具有一个V形外观。
考虑靠近该层中心的材料，分子方向子21近似位于在该层的平面上。当加上一个适当极性的直流电压脉冲时，将使该方向子沿着该圆锥面移动到该圆锥的相反侧。在这个圆锥面上的两个位置代表了该液晶方向子的两个稳定状态，即在切断所加的电压时，材料将保持在这两个位置D1、D2之一上。
在实际的显示装置中，方向子可能偏离这些理想位置。在要显示信息时，经常是把一个交流偏置电压在整个显示过程中加在材料上。这个交流偏置将影响方向子的运动并且可以改进显示外观。交流偏置的作用在例如Proc 4th IDR2.1982，PP217-220中有描述。利用交流偏置寻址的方案在GB专利申请90173162和J.R Hughesand E.P Raynes的PCT/GB91/01263中等有描述。交流偏置可以是加到列电极15上的数据波形。
图4示出了用于材料SCE8的转换特性，这些曲线标记出在转换和非转换之间的边界。转换将发生在脉冲电压时间乘积在该线之上时。图中示出的下面的曲线是在加上一个7.5V交流偏置时获得的，而上面曲线是在加上12.5V交流偏置时获得的。这些特性曲线是在交流频率为50KHz时获得的。
在这两条曲线之间表明一个适当的转换电压和脉冲宽度，即30V持续130μs。
图5示出了一种技术方案，其中用于预处理的交流电压被施加到一简单的4×4象元显示装置中。这是ALt和Pleshko波形的一个实例。实心圆表示将接收一个比较高的偏置交流电平的象元(因而不转换)，空心圆表示将接收一个比较低的交流偏置电平的象元(因而将要转换)。
为了获得这个预处理图形，把一个选通波形顺次加入到每行R1到R4。该选通波形在一时隙内为+Vs的脉冲，在下一时隙(ts)内为-Vs的脉冲，接着是6ts的零电压。
将数据波形加到每个列或y电极上。数据波形为+Vd和-Vd的交流脉冲，每个脉冲持续一个时隙。要接收一个交流偏置的较高电平的象元的数据波形与接收交流偏置较低电平的象元的数据波形相差180°。
Alt和Pleshko关系式给出交流偏置的较高电平与交流偏置的较低电平的比值： Vhigh / Vlow = M = ( N + 1 / N - 1 ) 1 2
式中N＝扫描线数目。
因此，在图5的简单的四行矩阵的例子中，
Vhigh/Vlow＝1.732
Vs：Vd的比值由 给出，因此Vs＝2Vd
Vd的值由 Vd = 1 2 ( M 2 + 1 ) 1 2 · Vlow
Vd＝Vlow，和Vs＝2Vlow
因此，Vs和Vd的值可以根据图4中的转换特性曲线计算出。
这个宽度ts由需要施加的预处理波形的时间长度和下列两个情况确定：为了保证液晶材料经历所需要的有效值(rms)而需要加几个周期的预处理波形和为了防止液晶材料方向子局部转换到交流部分上而保持交流频率成分的需要。
图6表示在具有两场时间的单帧时间内用于一个相交处的选通、数据和合成的波形R1C1。选通脉冲波形是一个由一ts和紧跟其后的一ts组成的双极脉冲，然后是6ts的零电压，这样的波形重复四次，以一个7ts的长脉冲Vswitching/2结束，而形成第一场时间的。后面跟着的第二场时间的相同的波形，结束于7ts的单极长脉冲-Vswitching。在第一场的列波形是每个脉冲继续1ts的双极脉冲-/+Vd，并结束于一个单极长脉冲-Vswitching/2。在第二场时间的列波形是与第一场时的列波形反相，即+/-Vd结束于7ts的单极长脉冲+Vswitching/2。
在第一场时间内，合成的波形在脉冲+/-(Vd)之中  包含到+/-(Vs+Vd)的电压偏移，第一场时间内的有效值(rms)被设置为12.5V。在第二场时间内，合成的被形为+/-(Vs-Vd)和+/-(Vd)的电压脉冲，这个有效值(rms)被设为7.5V。这个+/-Vs和+/-Vd的合成波形不转换显示装置，它们只为了接收一个适合的时间电压乘积的转换脉冲而预处理近晶相液晶材料。
其上已经施加了一个12.5V交流偏置的象元将按图4中的上面的那条曲线转换，而已经接收到7.5V交流偏置的另一些象元将按图4中下面那条曲线转换。于是，在图6中的第一场波形结束端表示的7ts的合成转换脉冲+Vswitching将不使象元R1C1转换，因为该象元已经被12.5V预处理。但是R1C1在接收第二场结束端示出的7ts-Vswitching时将转换，因为该象元刚刚被交流7.5V预处理过。
业已发现，为了预处理材料SCE8使其转换而需要加约1.0ms的交流偏置。
为了获得12.5∶7.5的Vhigh∶Vlow比值，Alt和Pleshko的关系式指出仅可以同时预处理四行：
N＝{(M2+1)/(M2-1)}2，其中M＝Vhigh/Vlow
业已发现，对于材料SCE8在25℃时，可以用一个45V，132μs的转换脉冲和利用6.0V和9.0V的交流电压进行预处理。行波形为Vs＝13.2V，列波形Vd＝5.4V，ts＝12μs。这便可以同时预处理6行。这样，Alt和Pleschko波形的一个周期是6(行)×2ts×12μs等于144μs，而在所需的约为1ms的预处理时间内可以得到7个完整的周期。
对于上述的方式存在许多变型，例如紧在预处理波形之前，可以将所有的象元消隐变成断开(OFF)状态，然后，利用转换脉冲有选择地转换到接通(ON)状态。此外，后跟转换的两个预处理周期为了对所有象元进行寻址是必须的。
显示出最小响应时间-电压特性(-Vmin)的那些材料部分适合于本申请，因为这些材料的-V曲线的比较高的范围对交流的稳定是特制敏感的。
适合的材料包括可以从Merck Ltd购买的商品标号为SCE8，ZLI-5014-000产品，这些材料列在PCT/GB88/01004，WO89/05025中，适合的材料还包括：
        19.6％ CM8(49％ CC1+51％ CC4)+80.4％ H1
        H1＝M1+M2+M3(1∶1∶1) 另一种混合物为LPM 68＝H1(49.5％)，AS 100(49.5％)，IG5 97(1％)
H1＝MB 8.5F+MB 80.5F+MB 70.7F(1∶1∶1)
AS100＝PYR 7.09+PYR 9.09(1∶2)

Claims (7)

1、一种对在一层近晶相液晶材料上的m组电极和n组电极交叉形成可寻址象元的m×n矩阵而构成的铁电液晶显示装置进行多路寻址的方法，包括下列步骤：
产生由不同直流的幅度和极性的电压脉冲组成的行和列波形，以施加到m和n组电极上；
通过驱动电路加入行和列波形选址m和n组电极，以便选址每个象元；
其特征在于下述步骤：
通过把两个不同的交流偏置有效值(rms)电平加到象元上预先处理上述每个象元的液晶材料，其中第一有效值(rms)电平加在需要转换的一些象元上，而第二有效值(rms)电平加在另一些象元上；
将一个直流转换脉冲施加到与需要转换的那些象元相关联的所有的m和n电极上；
借此，使所有需要转换的象元由直流转换脉冲转换到所需要的状态，而使另一些象元保持在非转换状态。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的转换脉冲同时加到所有需要的m个和n个电极板上。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的转换脉冲按顺序加到所有需要的m和n个电极上。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：对象元在第一场时间内进行预处理，随后进行第一转换，在第二场时间预处理后进行第二转换。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：对至少一行进行消隐，以便使一些象元先于那些在至少一行上被进行预处理一场时间并随后转换到另一状态的象元转换到一种状态。
6、一种多路寻址的液晶显示装置，包括：
一个液晶盒，该液晶盒包括：一层夹在两个壁之间的铁电体近晶相液晶材料，一设置在一个壁上的m组电极和设置在另一壁上的n组电极，从而共同形成一个可对象元寻址的的m·n矩阵。
在相继的时隙内产生m和n个由不同的直流幅值和极性的电压脉冲构成的m和n波形、并通过驱动电路把这些波形施加到m和n组电极上的若干个波形发生器；
用于控制m和n个波形的施加从而获得一个所要求的显示图形的装置；
其特征在于还包括：
用于把第一或第二两个具有不同有效值(rms)的偏置交流电平加在每个象元上的装置；
用于产生施加到m和n组电极的转换脉冲和把一个转换脉冲施加到每个需转换的象元的装置；
借此，通过加入两个有效值(rms)的交流偏置电平的第一电平预处理每个需要转换的象元，而另一些象元接收交流偏置的第二有效值(rms)电平，相继加入的转换脉冲只能转换由加入第一交流偏置电平预处理的那些象元，以便显示一个所需要的象元图形。
7、如权利要求2所述的装置，其特征在于：用于产生交流偏置的装置把一个选通波形加到m组电极上，而把数据波形加到n组电极上。
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