CN1122868C - 反铁电液晶盒 - Google Patents

Abstract

反铁电液晶盒的对比度被改善，其中该液晶盒具有在一对基板之间夹置反铁电液晶的结构。该反铁电液晶盒具有层结构，从而当将作为基准频率的正弦波电压加在该液晶盒上，并对其输出信号进行傅里叶变换时，经变换的输出电压包含为基准频率的奇数和偶数倍的频率分量，且其光路长度为100nm至800nm。

Description

反铁电液晶盒

技术领域

本发明涉及用于液晶显示器等的液晶盒。本发明特别涉及使用反铁电液晶和有良好显示质量的反铁电液晶盒。

背景技术

反铁电液晶(以下称为AFLC)的特征在于，与其它液晶材料比较，它具有较大的自发极化Ps。众所周知，在其结构为一对基板之间夹置AFLC的反铁电液晶盒中，AFLC分子被排列在未施加电压的层中，其结构是使自发极化在各层之间抵消。与使用传统的向列型液晶比较，在1988年发现的AFLC材料最初是作为提供不会引起老化的模式的材料介绍的，老化是指在施加电压前写入的信息仍持续在液晶板上的现象。从那时起，为了利用AFLC的这一特性，一直进行着反铁电液晶板的开发。迄今为止的研究成果涉及具有大的自发极化Ps的材料的发展和用于这种材料的混合技术，以保持快速响应，因此，响应特性被极大地改善。但是，在其它特性中，在对比度即白色显示和黑色显示状态之间的光传输率之比上仍有许多不能令人满意之处。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供通过改善对比度具有良好显示质量同时保持AFLC模式的快速响应和宽视角特性的反铁电液晶盒。本发明的目的还在于有助于液晶盒的简化。

为了实现上述目的，按照本发明，提供一种反铁电液晶盒，具有在一对基板之间夹置反铁电液晶的结构，所述反铁电液晶具有下列之一的层结构；在 $Z=\frac{1}{2}d$ 处未形成液晶的人字形结构，这里Z是垂直于层面的座标轴，d是液晶盒厚度；液晶盒中各层相对于上、下基板的角度在不同位置是不同的；层结构是弯曲的；或者在 $Z=\frac{1}{2}d$ 处或相对于垂直于基板的两折轴旋转180°时，观察液晶盒旋转前后有结构差别。

其中，所述反铁电液晶盒具有层结构，从而当将作为基准频率的正弦波电压加在所述液晶盒上，并对所产生的输出信号进行傅里叶(Fourier)变换时，所述经变换的输出电压包含为所述基准频率的奇数和偶数倍的频率分量，其中所述液晶盒的光路长度处于100nm至800nm的范围内。

按照本发明，无论反铁电相位还是铁电相位，都能够提供反铁电液晶板，即

(1)保持快速响应特性，

(2)保持宽视角特征，

(3)改善对比度，和

(4)容易制造。

附图的简要说明

图1是展示用于说明本发明的电压波形的图。

图2是展示用于说明本发明的电压波形的图。

图3是展示用于说明本发明的电压波形的图。

图4是展示用于说明本发明的谐波分量的图。

图5是展示反铁电液晶板中电压和透过率之间关系的图。

图6是展示反铁电液晶盒结构的图。

图7是展示用于测量谐波分量的电路结构的方框图。

图8是展示从本发明的反铁电液晶盒获得的谐波分量的曲线图。

图9是展示从不同于本发明的比较例获得的谐波分量的曲线图。

图10是展示液晶盒断面上的层结构的图。

图11是展示液晶盒横截面上的层结构的图。

图12是展示光学各向异性部件的叠层结构的图。

图13是展示光路长度和偶次谐波之间关系的曲线图。

图14是展示液晶盒的光路长度和传输光的强度之间关系的曲线图。

具体实施方式

在驱动反铁电液晶盒的显示器中设置极化板的一种方法中，把其极化轴具有相互正交尼科尔(Nicol)棱镜结构的一对极化板夹在反铁电液晶盒中，并这样设定一个极化板的极化轴，使在未施加电压的情况下与AFLC分子的平均方向一致。通过这样排列极化板，能够获得这样的反铁电液晶板，即当不施加电压时产生黑色显示，而当施加电压时产生白色显示。使用AFLC的驱动模式的特征在于，(1)反铁电相位为稳定状态，(2)铁电状态为亚稳定状态，并可利用这两个相位之间的相位转换。在AFLC屏上产生的白色显示意味着通过施加电压进行从反铁电状态转换成铁电状态的相位转换。

对于使用反铁电液晶的板，诸如自发激化Ps量和导电率σ的大小等参数已被用作评价显示质量的标准。本发明者针对这些参数进行了研究。为进一步弄清楚它们之间的关系，本发明者测量了介电常数，考查了谐波，并研究了液晶特性之间的关系。

用于测量介电常数的主要装置很早以前就已披露，通过考查谐波分量来分析铁电液晶或AFLC的介电常数的例子已披露于下列文献中，例如，由Kimura和Hayakawa组公开的论文(例如：Jpn.J.Appl.phys32，(1993)4571 Liq.Cryst.，14(1993)427)，或由Orihara和Ishibashi组公开的论文(例如：J.Phys.Soc.Jpn，64(1995)3188 Solid-State Physics 31(1996)459)。该技术的特征在于将单一频率的正弦波电压供给铁电液晶板铁电液晶，同时测量和分析输出电压的基波和谐波分量。该两个组都在液晶盒较厚的区域上进行了测量。可是，主要对奇次谐波进行了分析，对偶次谐波未作研究。鉴于这种情况，本发明者注意到奇次和偶次谐波，针对决定板特性的因素进行了试验。下面，结合其原理详细描述测量介电常数的方法。

在测量将AC电压作为输入电压施加到样品上时获得的输出电压的波形时，有两种评价其输出电压波形的方法：一种方法是沿时间轴观察测量的结果，另一种方法是观察在频率范围中的结果。在这两种方法中，通过某一交换，时间轴可转换为频率轴或者相反进行。使用傅立叶变换可进行该交换，并且作为以高速进行该交换的方法，已知快速傅立叶变换(FFT)。

图1示意地示出沿时间轴给出的输入电压波形(100Hz驱动频率的正弦波)，图2示意地示出当将图1所示的输入电压加在样品上时沿时间轴测量的输出电压波形。如果一个人恰好看见图2中输出电压的波形，那么他不知道输出波形是由多少种波形构成的。然而，如果用FFT对在时间轴中获得的波形进行交换，那么该波形可被分离成三种电压波形分量，即：基波(100Hz)，两倍于基波频率(200Hz)的波和三倍于基波频率(300Hz)的波，如图3所示。当注意力集中在这三个电压波形中的每一个频率和强度上时，获得图4。当输入电压波形的频率被表示为W时，两倍于输入频率的频率分量2W、三倍于输入频率的频率分量3W和N倍于输入频率的频率分量NW分别被成为2次谐波、3次谐波和N次谐波。

以下将说明测量介电常数的原理。用ε表示介电常数，用E表示电场，用Ps表示自发激化，那么电位移D(electic displacement)可用下式表示为：

      D＝εE+Ps

由于电位移D为每单位面积的电荷量q，因而将电场E施加于已知区域的电介质上，同时测量电容C，可确定介电常数。

      D＝q＝C·V＝εE+Ps

      ε＝q/E-Ps/E

在AFLC的情况下，由于在施加外电压时，自发激化Ps值无限接近于零，因而在右边的第二项可被看作零。结果，介电常数ε被定义为电荷q与电场E之比。即，必须在保持该定义的所加电压范围内测量介电常数，在自发激化Ps无限接近零的范围内施加的电压随AFLC材料变化；因此，当测量介电常数时，必须对每一种待测材料确定其E和q之间为线性关系的施加电压范围。

用于测量AFLC板特性的方法在“铁电体”(1993，vol.149，pp.255)中进行了详细说明。这里参照图5简要说明该方法。当电压加在AFLC板上时，因AFLC分子的相位转变(分子重新排列)，因而板的透射率呈现如图5所示那样的磁滞现象。具体地说，利用选择电压V_s、固定电压V_b和施加电压的持续时间的组合，确定矩阵驱动板的特性。图5具体地示出当将正电压加在液晶上时板的透射率特性，但是在施加负电压时，板的透射率特性仍呈现相类似的磁滞现象。

就对比度的定义而言，对比度被定义为在施加全负荷电压的条件下在铁电状态下的透射率Fw(白色状态)与在反铁电状态，即在施加零电压的条件下的透射率T_b(黑色状态)之比。对比度是对提高肉眼可视性有重要贡献的主要因素之一，正如已知的那样，该比值越大就越好。

由从反铁电相(AF)到铁电相(F)的相位转变时间(AF→F)和从铁电相(F)到反铁电相(AF)的相位转变时间t(F→AF)构成AFLC的响应时间。

图6是展示反铁电液晶盒结构的图。图6中，该液晶盒包括反铁电液晶层10，一对玻璃基板11a和11b，以及用于将玻璃基板粘接在一起的密封材料12。在玻璃基板11a和11b的相对面上形成其上分别涂有聚合的对准膜(polymericalignment film)14a和14b的电极13a和13b。极化板15a和15b被设置于玻璃基板11a和11b的外表面上。

图6申，d表示液晶盒的厚度。当用Δn表示沿液晶分子长轴的折射率和沿液晶分子短轴的折射率之差(折射率各向异性)时，由折射率各向异性Δn与液晶厚度d之积给出光路长度，即Δn·d。

[实施例]

为在反铁电液晶盒上施加单一频率的正弦电压，并在此时测量输出电压的基波和谐波分量，制备图7所示那样的电路。为制备用于图7中的液晶盒，用旋涂法在两块玻璃板的每一块上沉积厚度为300埃的聚酰亚胺作为对准膜，然后将这两块基板粘接在一起。此后，将液晶盒预热到约100℃，用真空注入技术将AFLC材料注入液晶盒中。

在液晶厚度被设置为1.5μm，光路长度约为220nm之后，按图7中所示那样设置液晶盒，测量介电常数。在图7中，参考序号1是有基准频率的电源，液晶盒2和具有已知电容的基准电容(Cref)可串联连接到电源1上。在该电路结构中，测量在基准电容器3两端上出现的电压δv。Cref值被设置为液晶电容器的电容值(CLC)的500至1000倍，以使所加电压大部分施加在液晶盒上。此时流入液晶盒的电荷Δq为Δq＝δvCref。利用电源1，将具有恒定峰值电压的正弦电压加在液晶盒2上，同时顺序改变基准频率，测量输出电压Δv，以测量流动电荷的变化量Δq。然后，通过进行如前所述的傅立叶变换，在从流动电荷的变化量Δq获得的输出电压的一个周期上，分析基波和谐波分量。

图8中示出在液晶盒输出电压中的2次谐波(2W)、3次谐波(3W)、4次谐波(4W)和5次谐波(5W)的强度。符号0表示施加以100Hz频率作为基准频率的电压时的结果，□是施加以1kHz频率作为基准频率的电压时的结果，◇是施加以10kHz频率作为基准频率的电压时的结果。这些结果表示在液晶盒的输出电压中，分别等于基准频率的奇数倍(W、3W、5W、…)和偶数倍(2W、4W、…)的各频率分量有各自的强度。然后，输出上述奇次和偶次谐波的液晶盒作为用于显示的AFLC板，对其施加30V和100μs持续时间的电压脉冲，进行实际驱动。这样驱动的AFLC板有宽视角，快速响应时间和高对比度，由此产生高质量的显示。

[比较例1]

以与上述实施例相同的方式分析基波和谐波分量，只是液晶厚度被控制到9μm，光路长度被设置为约1320nm。对于2次谐波(2W)、3次谐波(3W)、4次谐波(4W)和5次谐波(5W)的强度，获得图9中所示的结果。图中，从相对于本底噪声的测量准确性的观点来看，因沿垂直轴绘出的位于10^-6以下的强度区域中的分量不能与噪声区分开，因此它们可被忽略。由图9可知，仅观察到基准频率(W)、3次谐波(3W)和5次谐波(5W)。在基准频率的偶数倍的位置观察不到其分量。将30V、100μs持续时间的电压脉冲施加在该液晶盒上，作为AFLC板进行实际驱动，以进行显示，但却不可能驱动该AFLC，即使以各种方式改变电压脉冲，也不产生转换，因此是不可能进行显示的。

下面，将研究出现奇次谐波时的物理意义。图10是展示液晶盒横截面的图。图10(a)示出在 $Z=\frac{1}{2}d$ 处形成人字形结构的液晶的情况。在图10(a)的情况下，用椭圆P1表示的 $Z=\frac{1}{2}d$ 处，使其围绕两折(two-fold)轴旋转180度，观察此盒，在旋转前后其结构没有差别。即当从上面观察和从下面观察时，看不出该盒的区别。在这种层结构的情况下，不产生偶次谐波。

另一方面，在图10(b)的情况下，在 $Z=\frac{1}{2}d$ 处未形成液晶的人字形结构。结果，当在用用椭圆P2表示的 $Z=\frac{1}{2}d$ 处，使其围绕两折轴旋转180度，观察此盒，发现在其旋转前后其结构出现差别。也就是说，旋转时，如图10(b)所示，盒的弯折结构从A变到A’。在这种层结构的情况下，出现偶次谐波。

图11示出允许偶次谐波出现的液晶盒结构的另一实例。图11(a)表示液晶盒中在不同位置的层的角度相对于基板顶部和底部是不同的。尤其是，在由C1、C2和C3所示那样的弯折层结构的情况下，在弯折区的相当宽的范围内引起分子对准的中断。图11(b)中，在用椭圆e表示的部分中的层结构没有弯折但成曲线状。在这种层结构中，由于盒对称性的打断，导致出现偶次谐波。

因此，发现在液晶盒变成上述那样复杂的结构和自由的形状时，出现偶次分量。

利用在奇次谐波的基础上还出现偶次谐波的液晶盒，可获得AFLC板，该板有比带有不出现偶次谐波的液晶盒的板更高的对比度。

图12是展示光学各向异性部件的叠置结构的图。在图10和11所示的结构中，不考虑围绕垂直于基板的轴的旋转。然而，在实际的盒中，如下所述，引起围绕垂直于基板的轴的旋转。在例如SeitaroTsuboi的“极化显微镜(Polarization Microscopes)”中详细描述了光学各向异性部件的叠置结构的基波。这里要研究的问题是：多个光学各向异性的板(在图12的情况下为三块板)以它们的光轴相互对准地一个叠置于另一个的顶部上地设置的结构(在图12(a)中所示的排列)，与它们的光轴相互错位地设置的结构(在图12(b)中所示的排列)相比是否产生光学差。由于液晶在本质上是光学各向异性的材料，通过延伸该讨论，进行下列研究。

图12(a)是示意性地展示例如三块光学各向异性部件1、2和3以它们的光轴相互对准地一个叠置于另一个的顶部上地设置的结构图。该图的上部是具有对准的光轴的叠层结构，下部表示从上观察液晶盒时光学各向异性部件1、2和3的光轴的取向。另一方面，图12(b)是示意性地展示光学各向异性部件1和3的光轴按相对的方向相互相对于光学各向异性部件2旋转的叠置结构的图。图的上部是带有按相对方向旋转的光轴的叠层结构的透视图，下部表示从上观察液晶盒时光学各向异性部件1、2和3的光轴的取向。

在图12(a)所示的层结构的情况下，当该结构围绕在半中间截开盒的位置用椭圆q1和q2表示的两折轴的任一个或围绕用椭圆q3表示的垂直于基板的两折轴旋转180°时，在旋转前后其层结构没有发生变化。另一方面，在图12(b)所示的层结构的情况下，当该结构围绕两折轴q1、q2和q3旋转180度时，在旋转前后其层结构发生变化。在图12所示的层结构中，在具有对准的光轴的层结构的情况下(图12(a))，公观察到奇次谐波，但在具有旋转的光轴的叠层结构的情况下(图12(b))，观察到偶次谐波和奇次谐波。

图12展示了由三个光学各向异性的部件构成的层结构，但层数不必一定限于三层。

如图10(b)、11(a)、11(b)和12(b)所示，在具有旋转的层结构或变形的层结构的液晶盒情况下，观察到偶次谐波和奇次谐波。下面，将说明图光长度与偶次谐波之间关系的曲线图。沿水平轴绘出光路长度，沿垂直轴绘出偶次谐波(以2次和4次谐波为例)与基波频率分量之比。由图13可知，在至800nm的光路长度的范围中可观察到偶次谐波，但当光路长充超过800nm时，该比值降至10^-6的数量级以下，从测量准确性的角度来看，谐波电平变得不能与噪声区分开。还发现，当光路长度超过800nm时，不仅偶次谐波减小，并且在进行显示时还产生彩色色调(color tinting)，并需要高电压进行驱动。

图14是表示在光路长度与透射过液晶盒的光强度之间关系的曲线图。由该曲线可知，当光路长度小于100nm时，显示的亮暗状态变得不能用肉眼辨别。由此发现，通过将液晶盒的光路长度设置于100nm至800nm的范围内可获得希望的结果。

下面，将说明液晶盒的光路长度和层结构。在图12(a)所示的结构与图12(b)所示的结构之间，其光路长度Δn小于图12(a)所示结构的该值。当Δn较小时，对于相同光路长度来说，液晶盒的厚度会变大。例如，在其厚度d为1μm的液晶盒的情况下，如果Δn较小，那么液晶盒的厚度可被增加，例如达到1.5μm。这有利于液晶盒的制造。换句话说，在具有允许出现偶次谐波的层结构，例如图12(b)所示的结构(以及图10(b)、11(a)和11(b)的层结构)的液晶盒情况下，对于相同的光路长度，可使液晶盒的厚度较大。

如上所述，按照本发明的反铁电液晶盒，可实现对比度的改善，同时保持快速响应和宽视角特性。此外，由于可增加液晶盒的厚度，因而还容易制造该液晶盒。

Claims (3)

1.一种反铁电液晶盒，具有在一对基板之间夹置反铁电液晶的结构，其特征在于，所述反铁电液晶具有下列之一的层结构；

在 $Z=\frac{1}{2}d$ 处未形成液晶的人字形结构，这里Z是垂直于层面的座标轴，d是液晶盒厚度；

液晶盒中各层相对于上、下基板的角度在不同位置是不同的；

层结构是弯曲的；或者

在 $Z=\frac{1}{2}d$ 处或相对于垂直于基板的两折轴旋转180°时，观察液晶盒旋转前后有结构差别。

2.根据权利要求1所述的反铁电液晶盒，

其特征在于，所述反铁电液晶盒具有这样的结构；

从而当将作为基准频率的正弦波电压加在所述液晶盒上，并对所产生的输出信号进行傅里叶变换时，所述经变换的输出电压包含为所述基准频率的奇数和偶数倍的频率分量。

3.根据权利要求1反铁电液晶盒，其中所述液晶盒的光路长度处于100nm至800nm的范围内。

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