CN1165311A - 铁电向列型液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

一种液晶显示器，具有一对透明基片、基片之间的铁电向列型液晶层、附在基片上的偏振片和检偏镜。液晶具有正介电常数各向异性且取向均匀。液晶分子沿着分子轴具有恒定的偶极距。分子指向矢由一个基片到另一个基片被扭曲。液晶分子最初排列与TN型LCD的分子排列相似。当电场作用到两个基片之间时，液晶的自发极化以及正介电常数各向异性引起分子轴沿电场方向取向。本发明LCD的驱动电压低于传统TN型LCD的驱动电压。

Description

铁电向列型液晶显示器
本发明涉及一种液晶显示器，具体来说，涉及一种铁电向列型液晶显示器。
通常，由于晶体的分子位置及取向固定，晶体具有位置和取向有序性。当晶体熔化变成各向同性液体时这两种有序性会消失。液晶相位或状态不同于晶体和液体之处在于它只有取向有序性或者它有取向有序性和部分位置有序性。
由于液晶相的材料具有取向有序性，这种材料的分子具有不对称形状，称这种材料为具有不同定向物理特性的各向异性材料。
大多数液晶分子具有细长棒的形状。分子的长轴被称为分子轴，分子趋于自行排列以使分子轴彼此平行。平均分子轴的方向被表示为“指向矢”，取向有序度由分子轴和指向矢之间的关系来度量。即，将(3Cos2θ-1)/2的平均值作为有序参数来度量取向有序度，其中θ是单个分子轴与指向矢之间的夹角。有序参数典型值大约是0.3至0.9，随着液晶材料温度的上升有序参数下降。
液晶根据有序类型分成三类，也即，向列型液晶、胆甾型或手性向列型液晶以及近晶液晶。
向列型液晶具有取向有序性但没有位置有序性。向列型液晶分子的位置是混乱的，但是在向列相中存在引起分子彼此平行的分子间力。由于分子具有上-下对称性，在传统的向列型液晶中没有显出铁电性，因此，不可能希望分子偶极距的净极化。向列型液晶常常用在显示器中。
手性向列型液晶常常被认为不同于胆甾型液晶，但是由于它们的物理特性具有一些共同点，没有必要区分这两种液晶。这两种液晶具有相似的引起平均分子轴在空间沿着垂直于指向矢方向旋转的分子间力。存在于手性向列型液晶中的这种特性称为“手征”，平均分子轴旋转一圈的距离为“螺距”。众所周知，非手性向列型液晶借助取向过程也能够具有螺旋状结构。手性向列型材料被用于显示器中，也用于微波或电磁场检测当中。
近晶液晶具有比上面的两种液晶所形成的分子层更有序的结构。近晶液晶不但具有取向有序性，而且具有部分位置有序性。因此，分子位置在层的法线方向具有周期性，但是在层的平面内它们没有长程位置有序性。
在近晶液晶当中，倾斜的手性近晶液晶显示出铁电性，比如，近晶C型液晶。最近，铁电型液晶已经得到了广泛研究。近晶C型液晶是相对层法线分子轴倾斜的液晶。近晶C型液晶的分子具有旋光性，它们沿着层法线形成螺旋结构。近晶C型液晶在与指向矢和层法线垂直的方向上显示出自发的极化。近晶C型液晶相对于垂直于指向矢的轴具有旋转对称性，相对于分子层表面具有反对称性。然而，如果分子具有手性部分，在近晶C相中反对称性会受到破坏，而且横向偶极距产生自发极化。由于近晶C型分子沿着层法线螺旋排列，一个周期或一个螺距的宏观平均自发极化为零。因此，这种铁电型液晶被称为不规则的铁电型材料。通过外部电场能够扭曲该螺旋结构，并且大于临界场强度时螺旋结构完全松散，从而引起宏观自发极化。铁电型液晶显示(下文称为铁电型LCD)有几个缺点，如取向困难和易毁坏分子层。
液晶具有诸如电极化率和磁化率之类的各向异性的物理特性。正如上所述，这是因为分子具有非对称的棒状形状，因而在空间具有各向异性分子间力。
例如，沿着指向矢的电极化率不同于与指向矢垂直方向的电极化率。由于电极化率不同，这些方向上的介电常数也不同。
设定沿着指向矢的介电常数是∈1，垂直于指向矢方向的介电常数是∈2。那么，介电常数各向异性Δ∈定义为Δ∈＝∈1-∈2。介电常数各向异性为正是指Δ∈＞0的情况，介电常数各向异性为负是指Δ∈＜0的情况。当电场作用到液晶时，电位移D＝∈2E＋Δ∈(n°E)n。静电能∫D°dE＝-(1/2)∈2E2－(1/2)Δ∈(n°E)2。为了达到一种稳定状态，这个静电能与弹性能相对抗。结果，具有正介电常数各向异性液晶的指向矢趋于与作用的电场相平行，而具有负介电常数各向异性的液晶指向矢趋于同作用的电场相垂直。
LCD利用液晶的各向异性特性。以下对扭曲向列(TN)型的传统LCD详细加以描述。
图1A和1B表示利用正介电常数各向异性的传统的TN型LCD。图1A表示没有电场作用到液晶的状态，图1B表示有电场作用到液晶的状态。
具有正介电常数各向异性的液晶放置在两个透明基片11和12的内表面之间。在基片11和12的外表面分别附有偏振滤片13和检偏镜14。每个基片11或12的内表面上形成有透明的电极15或16以及取向层17或18。对取向层进行处理，从而一个表面的指向矢与另一表面的指向矢相垂直，这样使得整个液晶板的指向矢连续旋转90°。
如果两个基片11和12之间的间隔选择适当，穿过液晶板入射光的偏振能够根据分子排列而得到改变。
当在透明电极之间施加外部电压时，除了基片11和12附近表面区域外的液晶块里的分子趋于沿着电场方向取向，即，与基片11和12垂直。图1A和1B中的箭头代表指向矢。
现在，对这种TN型LCD的工作加以描述。
在基片11和12之间没有施加电压的“OFF”状态，对入射光来说液晶板的作用同波导板一样。入射到基片11的光在穿过偏振片时线性偏振，并且穿过液晶板偏振旋转。当偏振光到达另一基片12时，其出射的光偏振旋转90°。在偏振片13和检偏镜14的偏振轴彼此垂直的情况下，由于光的偏振与检偏镜14的偏振轴平行，光会穿过检偏镜14。然而，如果偏振片13和检偏镜14的偏振轴彼此平行，由于光的偏振与检偏镜14的偏振轴垂直，没有光穿过检偏镜14。
在基片11和12之间施加电压的“ON”状态，分子指向矢扭曲。由于液晶具有正介电常数各向异性，除了基片11和12附近表面区域之外的指向矢趋于沿着电场方向取向。通过控制电场强度来控制指向矢的倾角值，使液晶层的波导效应发生变化。在足够强的电场作用下，穿过偏振片13的线性偏振光到达检偏镜14时其最初的偏振不旋转。如果偏振片13和检偏镜14的偏振轴彼此垂直，光几乎不能穿过检偏镜14。当偏振片13和检偏镜14的偏振轴彼此平行时，光将会穿过检偏镜14。
在OFF状态和ON状态之间，通过控制外加的电场强度来获得模拟灰度等级。
在TN模式中分子指向矢的扭曲角度是90°，而在超扭曲向列(STN)模式中扭曲角度比TN模式中的扭曲角度大，如，是220°或270°。
传统的TN或STN型LCD存在多个缺点，其中一个缺点是由于在驱动中只采用介电常数各向异性，因而响应速度慢。
本发明的一个目的是提供一种具有较低驱动电压和较快操作速度的LCD。
本发明的另一个目的是提供一种由具有比传统LCD更容易取向这一优点的铁电型液晶制成的LCD。
为了实现这些目的，本发明采用一种铁电向列型液晶。
铁电向列型液晶的存在较早就已有预言。如《物理观察通讯》(PhysicalReview Letters)，1987年第59卷第3期，第345-346页Rolfe G Petschek和KimbrlyM Wiefling的“新型铁电型液体”；《物理观察通讯》1988年第60卷第22期第2303-2306页P.Palffy-Muhoray，M.A.Lee和Rolfe G Petschek的“铁电向列型液晶：可实现性和分子约束性”；以及《物理观察A》(PhyscialReview A)1989年第40卷第9期，5444-5446页，Marc Baus和Jean-LoisColot的“偶极子硬椭圆体的铁电向列型液晶相(Ferroelectric nematic liquid-crystal phases of dipolar hard ellipsoids)”。申请人在“具有偶极子相互作用的刚性棒铁电型液晶有序性”一文中也已经预测铁电向列型液晶的存在。该文描绘了表示传统的各向同性-向列(I-N)、向列-铁电向列(N-FN)以及直接各向同性-铁电向列(I-FN)相变的相图。最近，一些文章报导了极化向列型液晶特别是具有与其分子轴平行的恒定偶极距分子的极化向列型液晶的存在。
铁电型液晶的分子偶极距沿着外加电场取向，而介电常数各向异性根据正负号使分子轴与外加电场平行或垂直。
按本发明的LCD包括一对外部电源能作用到其上的透明基片，以及在基片之间具有铁电特性的向列型液晶层。
人们希望液晶层分子具有平行于分子轴的恒定的偶极距，在这种情况下，液晶具有正的介电常数各向异性，因此自发的极化和正的介电常数各向异性特性在构成上彼此相互作用。
两个基片经过处理以便具有引起指向矢与它们平行的均匀的取向力。第二基片上的指向矢相对于第一基片上的指向矢形成0°至180°的一个夹角，从而两个基片产生一个扭曲角。
此外，液晶层包括一种具有分子取向扭曲力的手性掺杂物。因而第一基片与第二基片的指向矢之间的夹角能够从0°调整到360°。
第一基片和第二基片之间的间隔除以液晶层螺距的值可以是约为0.0至1.0。第一基片和第二基片间的间隔除以液晶层螺距的值最好为0.25。另外，光各向异性乘以第一和第二基片间的间隔，其结果最好为0.1微米至2.0微米。
在两个基片上分别附有两个偏振片。两个偏振片的偏振轴间的夹角等于分子指向矢的扭曲角或者是分子指向矢的扭曲角加上±90°。两个偏振片的偏振轴也能彼此平行或彼此垂直。
按本发明的LCD能够与传统的TN型LCD进行相似的操作。
在“OFF”状态分子保持均匀取向，因此这种状态与TN型LCD的“OFF”状态相似。分子能够具有预定的预倾角。
经过第一基片上的偏振片入射在液晶层的线性偏振光到达第二基片上的偏振片。在“OFF”状态根据分子指向矢扭曲的角度入射偏振旋转一个角度。如果两个偏振片的偏振轴间的夹角等于分子指向矢的扭曲角，光穿过第二基片上的偏振片。如果这个夹角是±90°加上分子指向矢的扭曲角，光不能穿过第二基片的偏振片。
由于分子的纵向偶极距和正的介电常数各向异性特性，在“ON”状态下分子趋于沿着电场取向。通过控制电场强度将改变分子轴的倾斜角。当电场强度足够高时，大多数分子与电场平行排列。如果两个偏振片的偏振轴彼此平行，光穿过第二基片的偏振片。但是如果偏振轴彼此垂直，光不能穿过第二基片的偏振片。
现在参考附图更具体地描述本发明的优选实施例，其中：
图1A和1B表示由具有正介电常数各向异性的液晶制成的TN型LCD；
图2是表示按本发明实施例在LCD中光的透射率的曲线图。
借助附图，根据以下的详细描述，本发明的优选实施例将会清楚明了。
图1A和1B表示按本发明实施例的LCD，它们在对传统的已有技术进行的描述中也有所涉及。图1A表示没有电场作用的“ON”状态，图1B表示有电场作用的“OFF”状态。
如图1A和1B所示，两个透明基片11和12彼此相对设置。基片11和12具有透明电极15和16，取向层17和1 8用来产生均匀取向。铁电向列型液晶层10位于两个基片11和12之间。两个基片11和12的外表面分别附有偏振片13和检偏镜14。
最好，液晶层10具有正介电常数各向异性并与指向矢平行地自发极化，使液晶具有手征性的诸如S811或CB15之类的手性掺杂物混合到液晶层10中。
取向层17和18应该能够使分子水平或均匀地取向。它们能够用诸如烷基苯酚、十六烷基三甲基铵溴化物、聚亚酰胺之类的表面活性剂或取向吸收剂通过Langmir-Blodgett膜沉积法涂覆来形成。对取向层17和18进行磨光使液晶分子沿某一方向均匀取向。分子也能够具有0°至180°之间的某一预倾角。
表面处理，例如磨光既可在一个取向层上进行也可在两个取向层17和18上进行。当在两个取向层17和18上进行处理时，在两个取向层17和18上的分子指向矢能够一个相对另一个进行调整。最好分子指向矢是0°至360°
设定两个基片11和12间的间隔，更准确地说是两个取向层17和18之间的距离为d，液晶的螺距是p。那么最好d/p是0.0至1.0。当d/p＝0.25时，两个基片的分子指向矢经过液晶层10扭曲90°。
现在将描述按实施例LCD的操作。
如图1A所示，在“OFF”状态下分子保持均匀取向。
在此状态下，假定经过偏振滤片13和基片11的线性偏振光沿着表面法线垂直入射到基片11。那么，根据分子指向矢的扭曲光的偏振旋转。
如果检偏镜14和偏振片13的偏振轴间的夹角与分子指向矢的扭曲角度相同，到达检偏镜14的光的偏振与检偏镜14的偏振轴平行，因此光穿过检偏镜14。
如果检偏镜14和偏振片13的偏振轴间的夹角与分子指向矢的扭曲角度相差±90°，到达检偏镜14的光的偏振与检偏镜14的偏振轴垂直，那么光不会穿过检偏镜14。
当电场作用到液晶时，由于液晶具有与分子指向矢平行的自发极化，分子指向矢趋于沿着电场取向。此外，如果液晶具有正介电常数各向异性，分子指向矢与电场方向平行的取向趋势加强。如果电场强度足够高，分子轴与电场方向一致。如果外加的电场强度不够，分子取向扭曲某些角度。由于取向层17和18中存在的取向力大于电场力，基片附近的分子保持均匀取向。在足够高强度的电场作用下，液晶块中的大部分分子与基片11和12垂直。经过偏振片13的线性偏振光不受任何阻碍到达检偏镜14。如果偏振片13和检偏镜14的偏振轴彼此垂直，由于光的偏振与检偏镜14的偏振轴垂直，光几乎不能穿过检偏镜14。但是如果偏振片13和检偏镜14的偏振轴彼此平行，光会穿过检偏镜14。
单色光透射率取决于两个基片11和12间的间隙d、光各向异性Δn、以及入射光波长λ。透射率T为： T = 1 - sin 2 ( π ( 1 + u 2 ) / 2 ) / ( 1 + u 2 )
其中u＝2d((Δn/λ)当
Figure A9611227400102
、......时透射最大。当 时出现第一最大值，当
Figure A9611227400104
时出现第二最大值，以下类推。由于可见光波长范围是0.4至0.7微米，如果使用第一最大值至第三最大值，则希望dΔn小于2微米，特别是0.08至2微米。
图2表示与传统技术透射率相比较的按本发明实施例的透射率。分子指向矢扭曲角为90°，介电常数各向异性Δ∈为+5，液晶层的厚度即间隔为5微米，偏振片和检偏镜的偏振轴间的夹角为90°。图2中曲线表明：与传统的TN型LCD的透射率相比较，按本实施例的LCD具有电压变化的透射率。当自发的极化p变大时，按本发明的透射率比传统的TN型LCD变化更激烈。
如上所述，本发明包括两个基片和铁电向列型液晶层。与传统的TN型LCD相比本发明具有低驱动电压因而具有更快操作速度的优点。此外，本发明没有与传统铁电近晶C型LCD有关的取向困难的问题。
很明显，本领域的普通技术人员在不超出本发明的实质和范围内能够很容易地做出各种其它的改进。因此，所附权利要求的范围并不限于本文所进行的描述，而是将权利要求解释为包括归属于本发明中可以取得专利的新颖性的技术方案，包括由本领域的技术人员视为本发明同等的技术方案。

Claims (20)

1、一种液晶显示器，包括：
电场作用到其上的第一和第二透明基片；
在所述第一和第二透明基片之间具有铁电特性的向列型液晶层。
2、根据权利要求1所述的液晶显示器，其中所述液晶层具有与平均分子轴平行的自发极化。
3、根据权利要求2所述的液晶显示器，其中所述液晶层具有正介电常数各向异性。
4、根据权利要求1所述的液晶显示器，其中所述第一和第二基片分别具有引起分子指向矢沿着任何两个方向取向的均匀取向力。
5、根据权利要求4所述的液晶显示器，其中由于第一基片的取向力被取向的分子指向矢相对于由于第二基片的取向力被取向的分子指向矢形成0°至360°的夹角，第一基片表面上的分子指向矢相对于第二基片表面上的分子指向矢形成一个扭曲角。
6、根据权利要求5所述的液晶显示器，其中第一和第二基片间的间隔除以液晶层螺距的值为0.0至1.0。
7、根据权利要求6所述的液晶显示器，其中所述第一和第二基片间的间隔除以液晶层螺距的值为0.25。
8、根据权利要求7所述的液晶显示器，其中光各向异性与第一基片和第二基片之间的间隔的乘积为0.1微米至2.0微米。
9、根据权利要求5所述的液晶显示器，进一步包括分别附着在第一和第二基片的两个偏振片。
10、根据权利要求9所述的液晶显示器，其中两个所述偏振片的偏振轴之间的夹角等于分子指向矢的扭曲角。
11、根据权利要求9所述的液晶显示器，其中两个所述偏振片的偏振轴之间的夹角等于±90°加上分子指向矢的扭曲角。
12、根据权利要求9所述的液晶显示器，其中两个所述偏振片的偏振轴彼此平行。
13、根据权利要求9所述的液晶显示器，其中两个所述偏振片的偏振轴彼此垂直。
14、根据权利要求1所述的液晶显示器，其中所述液晶层包括具有将要被扭曲的分子取向的扭曲力的手性掺杂物。
15、根据权利要求14所述的液晶显示器，其中第一基片上的分子取向偶极于相对第二基片上的分子指向矢形成一个0°至360°的角。
16、根据权利要求15所述的液晶显示器，其中第一和第二基片间的间隔除以所述液晶层螺距的值为0.0至1.0。
17、根据权利要求16所述的液晶显示器，其中所述第一和第二基片间的间隔除以液晶层螺距的值为0.25。
18、根据权利要求17所述的液晶显示器，所述液晶层的光各向异性与第一和第二基片之间的间隔的乘积为0.1微米至2.0微米。
19、根据权利要求14所述的液晶显示器，进一步包括分别附在第一和第二基片上的偏振片。
20、根据权利要求1所述的液晶显示器，进一步包括附在第一基片和第二基片之一上的相位延迟板。
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