CN1185536C - 双稳态向列设备及寻址双稳态向列设备的方法 - Google Patents
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Abstract
通过将行信号施加给x，y像素矩阵中相继行电极，同时将两个数据信号其中的一个施加给每个列电极而对双稳态向列液晶装置进行寻址。行信号具有两个或多个时隙(ts)的周期，具有两个产生到暗态切换的幅值相反的直流脉冲，和两个幅值相反的产生到亮态切换的直流脉冲。数据信号具有与选通信号相同的周期，直流脉冲具有相反幅值，与选通脉冲一起切换该装置。该装置可以在两个场周期内被寻址，一个场切换到暗态，另一个场切换到亮态。或者，该装置可以被消隐为暗态，然后有选择地被切换到亮态。当使用消隐时，行信号在选择切换之前很短时间处具有消隐直流脉冲，减小总寻址时间。可以在选通和数据信号的两个或多个时隙周期内使用零电压脉冲；这就减小了像素处的r.m.s.电压，增强了对比度。
Description
本发明涉及双稳态向列液晶装置的寻址。
在WO-97/14990，PCT/GB96/02463，GB98/02806.1，EP96932739.4中描述了一种已知的双稳态向列液晶装置，并且已经描述了一种天顶(zenithal)双稳态装置(ZBDTM)。该装置包括一薄层包含在单元壁之间的向列或长螺距胆甾型液晶材料。沿可寻址象素的x，y矩阵设置的光透明性行和列电极结构允许电场施加在每个像素处的层上，导致材料的开关。对单元的一个或两个壁进行表面处理，允许向列液晶分子采取两个预倾角中任一个预倾角的方向，在每个平面处预倾角处于相同方位角平面内。相对表面可以具有处于不同方位角平面的预倾角。可以观察到暗(例如黑色)和亮(例如亮灰度级)状态的两种状态。该单元可以在这两种状态之间进行电切换，允许去除电源时信息显示得以保留；即液晶材料被锁存成两种允许状态中的任一种状态，并且保持在该锁存状态直到被电切换到另一种锁存状态。
在WO99/34251，PCT/GB98/03787中描述了另一种双稳态向列设备。该装置使用光栅结构提供类似WO-97/14990的双稳态取向，不过使用负介电各向异性材料。
需要对术语切换和锁存进行某些解释：在单稳态向列设备中，所施加的适当的电场将液晶分子(更确切地是指向矢)从一种排列状态改变到另一种，即零施加电压的OFF状态改变到施加电压的ON状态。在双稳态装置中，施加电压可能导致液晶分子的某种运动，没有足够的导致液晶分子永久地运动到不同(两者之一)状态的运动。在本申请中，术语切换和锁存用于表明导致分子从一种双稳态运动到另一种双稳态；它们保持在该状态直到被切换或锁存回该第一种状态。
术语相同方位角平面解释为：使单元壁处于x，y平面，意味着壁的法线方向为Z-轴。两个预倾角处于相同方位角平面内意味着在相同x，z平面内两个不同的分子位置。
GB-2,286,467中描述了另一种双稳态向列液晶装置。该装置使用一个光栅取向表面，产生处于不同方位角平面中的两个稳定状态。
最近可得到的液晶装置是单稳态的，使用rms.寻址方法进行寻址。例如通过施加适当的电压将扭转向列和相位改变型液晶装置切换到ON状态，当所施加的电压下降到最低电压值以下时允许将该液晶装置切换到OFF状态。在这些装置中液晶分子对电场的rms.电平做出反应。使用多种众所周知的寻址机制；均使用交流rms.电压值。这是很显然的，因为如果所施加的电压为直流，液晶材料会发生变质。
EP569,029描述了一种具有两个亚稳定切换状态的长螺距胆甾型液晶显示器。该材料首先被切换到Frederick’s临界状态，然后使用另一电压切换到两种亚稳定状态中的任一种。当电压被去除之后每个状态维持大约10秒；即该显示器具有(暂时的)双稳态，提供被连续寻址的显示。
另一种类型的装置是铁电液晶显示器(FELCD)，使用近晶型液晶材料和适当的单元壁表面取向处理可以制成双稳态装置。该装置为表面稳定的铁电液晶装置(SSFELCDs)，如L J Yu，H Lee，C S Bak和M M Labes，Phys Rev Lett 36，7，388(1976)；R B Meyer，Mol CrystLiq Cryst.40，33(1977)；N A Clark和S T Lagerwall，Appl Phys Lett，36，11，899(1980)所描述的。这些装置在所接收的适当电压幅度和时间的适当单极(直流)脉冲的基础上进行切换。例如，正脉冲切换到ON态，负脉冲切换到OFF态。该装置的一个缺陷在于在直流电压下材料将发生变质。从而多种已知寻址机制必须确保纯粹的零值直流电压。例如通过周期性地对所有电压进行反向。
用于双稳态近晶型装置的已知寻址机制包括EP-0,542,804，PCT/GB91/01263，EP-0,306,203，EP-0,197,742，Surgey等人，铁电(ferroelectric)1991，Vol.122 pp63-79等中所描述的寻址机制。某些使用单脉冲选通脉冲，另一些使用双向选通脉冲和双向数据脉冲。
如上所述，双稳态向列设备在接收适当单极(直流)脉冲时在它们的两个双稳定状态之间进行切换或锁存。允许使用现有在前用于铁电双稳态装置的现有寻址机制。不过双稳向列设备的开关特性与铁电双稳态装置不同。
本发明通过提供新的寻址机制解决双稳态向列液晶装置的切换问题，考虑到双稳向列设备的不同开关特性。
根据本发明，一种寻址双稳态向列设备的方法，由密封一层向列或长螺距液晶材料的两个单元壁形成的向列设备，壁上具有电极结构，在一个壁上形成一组行电极，在另一壁上形成一组列电极形成相交区域或像素矩阵，对至少一个壁进行表面处理，提供一种分子排列，在施加适当的单极电压脉冲时允许壁处或壁附近的分子沿两种不同稳定状态取向，该方法包括步骤：
顺序将行信号波形施加给每一行，同时将两个数据信号波形其中之一施加给每个列电极，从而每个像素可以独立地在两种双稳状态之间进行切换。
行信号波形具有至少两个时隙的周期，至少两个用于将该装置切换到第一状态的单极脉冲，和至少两个用于将该装置切换到第二状态的单极脉冲。
两个数据信号波形具有至少两个时隙的周期，在每个时隙中为一个单极脉冲，至少一个数据信号波形与该行信号波形一起，产生到一种锁存状态的切换。
从而每个像素可以被寻址或锁存到任一种状态，共同提供所需的显示，将基本上为净零的直流电压施加给该装置。
最好是将单元壁的取向处理设置成具有两种不同的开关特性，称为从一种锁存状态切换到另一锁存状态的最低电压/时间值。可以通过改变光栅结构中沟槽的高度，和/或改变光栅周期，和/或选择光栅上的表面活性剂，和/或选择材料弹性常数来进行设置。该活性剂可以是卵磷脂或铬络合物活性剂。
可以在两个场时间内对装置进行寻址，一个用于切换到一种稳定状态，另一个用于切换到第二稳定状态。场时间的长度可以相同或不同。可以通过在一个场时间内有选择地将像素电切换到一种状态，在第二场时间内有选择地将像素切换到另一种状态而对装置进行寻址。或者，某些或所有像素可以被消隐成一种状态，然后有选择地被切换到另一状态。可以在相同时间对所有像素进行消隐，一次一行(例如在有选择寻址前进行一行或多行)，或者可以在被寻址的每一行处结合使用消隐和选择寻址。
行信号波形可以是至少两个能够消隐像素的单极脉冲，以及至少两个能够与数据信号波形一起有选择地切换像素的单极寻址脉冲。消隐脉冲可以具有相等并相反(或相同极性)幅值或不同(包括零)幅值；与之相似，寻址脉冲可以具有相等并方向相反或不同(包括零)的幅值，使得整个装置接收大体纯粹为零的直流电压。消隐脉冲可能具有与寻址脉冲相同或不同的幅值。两个消隐脉冲和两个寻址脉冲可以具有相等或不等的时间间隔，包括消隐后立即进行寻址。当行信号波形周期由三个或多个ts周期构成时，那么至少一个时隙可以为零电压幅值。
通常每个数据信号波形具有相等或相反的交替脉冲。不过，对于某些应用，可以在每个信号波形周期的一个时隙中施加一个零电压。
行和数据信号波形可以具有两个，三个，四个，或多个时隙ts的周期。线寻址时间可能具有两个，三个，四个，或多个时隙ts的周期。另外，行信号波形周期可以以一种与EP-0,542,804 PCT/GB91/01263中FELCDs的寻址相类似的方式延伸到多于一个线寻址时间的时间。
可以依次或者以不同顺序对每一行进行寻址，如隔行扫描寻址，如下面的图11所示。
可以测量液晶材料的温度和电压Vs、Vd的比Vs/Vd，和/或ts的时间长度，和/或调节选择寻址脉冲的消隐位置，补偿随温度变化的开关特性。
可以将附加电压信号波形，电压减少信号波形施加给行或列电极。当将这些电压减少信号波形施加给行电极时，与列电压一起，没有改变对于峰值或rms.电平总的减少所需的开关电压值。
电压减少信号波形的使用给出了驱动电路所需的减少电压。这就使得能够设计用于寻址扭曲向列型显示器的标准驱动电路，用于如GB2,290,160中。
根据本发明，一种双稳态向列设备包括：
两个分隔设置并密封一层向列或长螺距胆甾型液晶材料的单元壁；
在一个壁上的第一组电极和在另一个壁上的第二组电极，第一组电极和第二组电极共同形成相交区域或像素的矩阵；
对至少一个壁进行表面处理，提供一种分子排列，允许在施加适当单极电压脉冲时，壁处或壁附近的分子沿两个不同双稳态排列；
用于区别液晶材料切换状态的装置；
用于产生并将行信号波形顺序施加给第一组电极中每个电极的装置；
用于产生并将两个数据信号波形其中之一施加给第二组电极中每个电极的装置；
具有至少两个时隙周期和至少两个用于将装置切换到第一状态的单极脉冲、至少两个用于将装置切换到第二状态的单极脉冲的行信号波形；
两个数据波形具有至少两个时隙周期，在每个时隙中的单极脉冲具有基本上为净零的直流值，至少一个数据信号波形与行信号波形一起产生到一种锁存状态的切换；
因此，可以独立地将每个像素切换到任一种稳定状态，共同地提供所需的显示，将大体纯粹为零的dc电压施加给该装置。
用于区别液晶材料开关状态的装置可以是两个偏振器，或者具有或不具有一个或多个偏振器的液晶材料中的二色性染料。偏振器可以是非彩色的或彩色的。
第一组电极可以形成为行或线电极，第二组电极形成列电极。行和列电极共同形成一个可寻址像素的x，y矩阵。一般电极宽度为200μm，电极间隔为20μm。可以采用其它电极结构。例如所谓的r-θ配置。还可以排列成字母数字，或排列成七或八条。
表面处理可以是光栅化表面。光栅可以是用光刻过程所形成的光致聚合物成型层，例如M C Hutley，衍射光栅(Diffraction Gratings)(Academic Press，伦敦1982)p95-125；和F Horn，物理世界(PhysicsWorld)，33(1993年3月)。或者，可以通过压花形成光栅；M T Gale，J Kane和K Knop，J App.Photo Eng，4，2，41(1978)，或者通过光栅划线技术形成光栅；E G Loewen和R S Wiley，Proc SPIE，88(1987)，或者通过载运层的转移形成光栅。
在每个完整像素区域光栅外形可以是均匀的，或者可以在每个像素中改变从而切换像素不同区域需要不同的电压大小。对于这种设置，可以使用多于两个的不同数据信号波形。
该装置可以包括驱动电路，逻辑阵列，诸如键盘的输入装置，或者连接寻址该装置的计算机。或者该装置可以仅仅为一个具有单元壁，电极，液晶材料和表面取向处理的一个单元。在后一种情形中，该装置可以包括当显示装置发生改变时，按照要求连接驱动器的接触器。这利用的装置的双稳态特性。例如智能卡可以显示能够被插入控制电路的诸如驱动电路，无线电装置，磁铁或激光阅读机或寻址器的外部装置改变的信息。
将单元设计成智能卡，可能在被来回传递，例如放入口袋或钱包中时会产生静电效应。为了避免可能发生的静电效应，可以将部分或全部电极与电阻连线连接在一起。这样就允许在电极处的电荷保持稳定，防止显示中所不希望的改变。连线具有足够的大小，允许感应电荷慢慢地平衡，而在单元被寻址时不会导致更高频的电压改变。
该装置可以仅包括向列材料，或者包括向列与少量添加的手性或胆甾型材料，如胆甾型液晶材料，可以包括一定量的用于增强观察色彩的双色性染料。
现在将仅参照附图描述本发明，其中：
图1为WO-GB96/02463中所描述的多路寻址液晶显示器的平面图；
图2为图1中显示器的横截面图；
图3a和3b给出了如WO-97/14990所描述的具有在两种状态之间双稳态切换的新型单元结构的横截面示意图，这两个图分别给出了在双稳态表面上高和低表面的倾斜；
图4给出了单元的透射率和以时间为函数的施加信号；
图5给出了对于双稳态向列设备，时间对电压的开关特性曲线，所给出的两组曲线表明从暗到亮(上面的曲线)和从亮到暗(下面的曲线)的切换，实线表示完全切换，虚线表示开始切换；
图6给出了本发明第一实施例的使用两个时隙寻址和设置在两个相等场寻址时间内的选通脉冲对四列八线进行寻址的信号波形；
图7给出了像素对由图6寻址方案所施加的电压的光学响应；
图8给出了在几个标记像素处，改变线寻址时间对透射率的影响，给出像素图案对图6中寻址机制的依赖性；
图9给出了一种与图6相似的机制，不过在第一场时间将零电压施加给所有列电极；
图10给出了具有两个时隙的机制，其中每个线被消隐到一种状态，然后被有选择地切换到另一状态；
图11给出了具有消隐和选择切换的两个时隙机制，其中用两个交叉的场对行进行寻址，而不是如图9所示依次用每个场进行寻址；
图12给出了像素对图11寻址机制所施加电压的光学响应；
图13给出了在几个标记像素处改变线寻址时间对透射率的影响，给出了像素图案对图11寻址机制的依赖性；
图14给出了一种四时隙寻址机制，在选通和数据信号波形中在消隐后为选择切换和零电压周期；
图15给出了一种三时隙寻址机制，在消隐后为选择寻址和施加给行的用于减小rms.电压的减小信号波形。
图1，2中的已知显示器包括一个由包含在玻璃壁3，4之间的一层向列或长螺距胆甾型液晶材料2所形成的液晶单元1。间隔环5保持壁通常分开1-6μm。可以另外将多个具有相同尺寸的小珠分散在液晶之间，保持精确的壁间距。在一个壁3上形成诸如SnO2或ITO(氧化铟锡)的条状行电极6，在另一个壁4上形成相似的列电极7。使用m-行和n-列电极形成一个m×n可寻址元件或像素的矩阵。通过一个行和列电极的交点形成每个像素。
行驱动器8向每个行电极6施加电压。与之相似，列驱动器9向每个列电极7施加电压。控制逻辑10对所施加的电压进行控制，从电源11接收功率，从时钟12进行同步。
在单元1的每一侧设置一个偏振片13，13’，其偏振轴基本上相互垂直，并与下面将要描述的相邻壁3，4上的取向方向R(如果有的话)成45°角。另外可以在单元壁与偏振片之间邻近液晶层2设置一个诸如拉伸聚合物的光补偿层17。
可以在单元1后面设置一个部分反射镜16以及一个光源15。这就允许在昏暗的环境光下观看到从背后照明的反射方向的显示。对于透射装置，可以省略反射镜16。或者可以使用内反射表面。
在装配之前，将至少一个单元壁3、4处理成取向光栅，提供双稳态预倾角。可以将另一表面处理成或者为平面(即具有零或几度预倾角的取向方向)或同型单稳态表面，或简并平面表面(即没有取向方向的零或几度预倾角)。
可以使用多种技术制造用于这些装置的光栅表面，如WO-97/14990中所述。同型处理可以是任何表面活性剂，与光栅表面具有良好的粘结。该处理还应该导致一种拆开排列。也就是，满足特定向列取向而不产生表面上向列的严格位置顺序。
最后，将一种正介电各向异性向列材料填充到单元中，该材料可以为例如E7，ZLI2293或TX2A(Merck)。或者该材料可以是负介电各向异性向列材料，如ZLI4788，ZLI4415或MLC.6608(Merck)。
可以将少量，例如1-5％的双色性染料添加到液晶材料中。该单元可以使用或不使用偏振片，提供彩色，改善对比度，或者作为宾主型装置进行操作；例如E63(Merck)中的材料D124。可以对该装置(具有或不具有染料)的偏振片进行旋转，得到该装置两个切换状态之间最佳的对比度。
图3给出了一种允许在两个稳定状态之间进行切换的单元构造，为装置的横截面图，正介电各向异性向列液晶材料包含在双稳光栅表面25与单稳同型表面26之间。后一个表面26可以为覆盖有卵磷脂的平面型光刻胶表面。在该装置中，液晶分子可以存在两种稳定状态。在状态(a)中两个表面25，26都为同型的，而在状态(b)中光栅表面25处于导致倾斜结构的低预倾角状态。取决于偏振片的方向、整体扭转角和单元几何形态(透射型/反射型)，每个状态可以是亮或暗的。在本发明中采用定义图3a的OFF状态为暗(或黑)状态，图3b为亮(或白)状态的约定。对于许多向列材料，倾斜或弯曲形变将导致肉眼可见的弯电偏振，由图3b中的矢量F表示。直流脉冲可以匹配这种偏振，取决于其符号决定是否为所希望的结构(b)。
对于处于状态(a)的装置，尽管具有正介电各向异性，正脉冲的施加将导致同型结构的波动。这些波动足以驱动系统超过能障，将两个取向状态分开。在脉冲终点处系统将处于状态(b)，因为场信号与弯电偏振很好的匹配。对于处于状态(b)的系统，一个负信号脉冲将再次干扰该系统，不过现在该系统将不会弛豫到状态(a)，因为其符号没有与弯电偏振结构很好的匹配。在同型状态，双稳表面以稍小于90°(例如89.5°)发生倾斜。这足以控制当单元被切换到状态(b)时所得到的倾斜方向。
一种特定单元包括一层夹在双稳光栅表面和同型平面表面之间的向列ZLI2293(Merck)层。该单元厚度为3μm。在室温下(20℃)在施加直流脉冲过程中测量穿过单元的透射率。在单元1每一侧的起偏器和检偏器13、13’相互垂直，并与光栅沟槽成±45°取向。在这种设置中，当进行如下的寻址时，图3(a)和(b)的两种状态分别表现为暗(黑)和亮(白)显示。
图4给出了以时间为函数的所施加电压脉冲(下面的曲线)和光学响应(上面的曲线)。每个脉冲具有高度为55.0伏特的峰值，持续时间为3.3ms。脉冲间隔为300ms。当首先施加正脉冲时，透射率从暗变亮，表明单元从图3中的状态(a)被切换到状态(b)。第二个正脉冲导致透射率的瞬变，因为与正介电各向异性的匹配的rms.效应导致整个材料被瞬时切换到状态(a)。不过，在这种情形中，该单元在表面处没有被锁存，从而保持在状态(b)。下一个脉冲为负脉冲，使单元从状态(b)切换到状态(a)。最后第二个负脉冲使单元处于状态(a)。该实验表明单元没有在每个脉冲改变状态，除非脉冲具有正确符号。从而该系统是双稳态的，所施加的脉冲符号可以可靠地选择最终状态。
图5给出了典型开关特性。给出了四条曲线，上面的实线和上面的虚线表示从暗切换到亮时的时间/电压曲线；虚线表示开始切换，实线表示完成切换。实线和虚线之间的区域表示部分切换区域。下面的两条线表示从亮切换到暗的相同特性。在实线上的时间/电压值一直在切换。如图所示，对于特定时间τ，负Vs(或-(Vs-Vd)或-(Vs+Vd))脉冲将所有像素切换到暗态；不过+Vs本身不足以完成到亮态的切换。从而切换到亮态要求+(Vs+Vd)，即需要选通脉冲加上适当的数据脉冲。
可以利用部分切换区域对像素进行部分切换，从而以模拟方式产生灰度级。例如可以使用这样一种方法对数据信号波形幅值Vd进行调制，以一种可控方式使得到的选通加数据脉冲处于暗到亮的部分切换区域之内。如果选通和数据电压为(Vs-Vd)，处于切换曲线的开始处和处于完全切换曲线上的+(Vs+Vd)，那么对于所得到的+(Vs±Vd)数据电压幅值从零到Vd的改变将给出受控部分切换亮度值，而所得到的-(Vs±Vd)将一直切换到暗态。
将这些曲线与例如FELCDs比较，其开关特性曲线随所施加电压的形状而改变，而不随切换方向而变化。可以通过改变光栅表面的高度，和/或改变光栅幅值，和/或改变表面锚定能来例如使用不同表面活性剂，改变两个曲线相分开的距离。这具有改变两个允许状态能量值的作用。通过这种方法，可以使两条曲线分开的更远，相互重合或者甚至交换它们的位置。
对两条曲线的分离的一种可能的解释为使用两种与施加电场相匹配的弯电介电(对于正介电各向异性材料)切换到暗态，而切换到亮态时仅使用弯电常数。选择光栅表面形状，给出两种允许状态中稍有差别的能级，或者增加切换电压之间的差别。在一个典型的例子中，光栅高度h与周期w的比值h/w为0.6；通常该值的范围为0.5到0.7。通常h为0.5，处于0.1到10μm范围内，w为1，处于0.05到5μm范围内。在WO-97/14990的装置中，h/w为0.6。对于较低的h/w，最倾斜的状态具有最低的能量，向列液晶最好采用这种状态，图3a。相反，对于高h/w值，低预倾角状态具有最低能量，向列液晶最好采取这种状态。在h/w＝0.52附近，两种状态具有相同能量。将h/w设置成偏离该条件，则使图5中的两个切换曲线分开。另外，表面活性剂可以被改变。
在一个实验单元(例如一个单像素单元)中通过施加适当电压脉冲可以得到图5中所示的特性。在具有多个像素的矩阵单元中，例如图1，通过在将两个数据信号波形其中之一施加给每个列的同时将行信号波形依次施加给每一行来施加电压。这就要求设计行和列信号波形的形状来达到所需效果。下面将描述几种不同形状和设计。一个共同特点在于需要在每个像素处得到基本上纯粹为零的直流电压。通常使用具有一对大小相等方向相反的单极脉冲信号波形来达到这个目的，如果仅用于寻址的目的，单个脉冲将是足够的。
图6给出了本发明的第一个例子。四列八行矩阵被寻址为所给出的特定图案，用实心圆表示OFF暗态，空心圆表示ON亮态。
所有信号波形被按时间分为时隙ts。寻址每一个线所用时间为2ts，被称为线寻址时间。寻址一次完整显示所花费的时间被称为帧时间，由两个场时间组成(在图6的特殊例子中)。
通过依次顺序施加给每行的行信号波形，以及施加给每列的两个数据信号波形其中之一进行寻址。行信号波形由第一场内一个ts内第一电压脉冲+Vs，以及紧随其后的一个ts内的-Vs脉冲，和其后在第二场内的反向脉冲组成。在图6中，幅值为Vs的四个脉冲被称为选通脉冲。在FELCD’s技术领域，术语选通用于与数据(列)脉冲一起有选择地实现像素开关的(行)脉冲；而术语消隐脉冲用于在不考虑施加给列的数据脉冲的情况下总能导致像素被切换的(行)脉冲。通常消隐脉冲在幅值和/或时间上比选通脉冲大得多。对于图6中的八行显示，场时间为8×2ts，从而帧时间为2×8×2ts。
两个数据信号大小相同但极性相反，当切换到暗态时使用一个信号(表示为数据-1)，当与适当选通脉冲一起切换到亮态时使用另一个数据信号(表示为数据-2)。每个数据信号波形由在相继时隙内或者为+Vd或者为-Vd的脉冲组成。
图6上由行和列交点R3/C1，R3/C2，R3/C3和R3/C4分别标记为像素A，B，C和D。
给出了施加给列C1到C4的列信号波形。由于C1中所有的像素均保持在OFF暗态，对于整个寻址时间C1的数据信号保持为相同的数据-1的值。在列C2中，像素交替地处于OFF和ON态，从而施加给C2的信号交替地为数据-1和数据-2。对于C3，列信号在2ts的相继线寻址时间内为数据-2，数据-1，数据-1，数据-2，数据-2，数据-1，数据-1和数据-2。列C4在相继线寻址时间内接收数据-1，数据-1，数据-2，数据-2，数据-1，数据-1，数据-2，数据-2-
给出了在像素A，B，C，D处呈现出的信号波形。对于像素A，在第一场时间内使用数据-1和在ts6产生的第二选通脉切换到暗态，导致-(Vs+Vd)。对图5的解释表明，在两条曲线之间的电压时间乘积处像素可以从亮切换到暗态。可以在第一场时间中将-(Vs+Vd)或-(Vs-Vd)设置成处于两条曲线之间，导致到暗态的切换。这意味着在第一场中的数据信号可以是数据-1或数据-2。在图6所给出的特定例子的像素A中使用数据-1。从而，使用FELCD’s的术语，第一个两个选通脉冲为消隐脉冲，即使它们与真正的选通脉冲具有相同的幅值。然后，对于第二场时间内的像素A，所产生的+(Vs-Vd)不足以从OFF切换到ON态，因为该电压处于图5中的两条曲线之间，从而低于从暗到亮的切换所需的值。
在第一场时间的ts6，像素B被电压-(Vs-Vd)切换到暗态(因为切换到暗态比切换到亮态要求较小幅值)，在第二选通脉冲对的第二脉冲中在ts22第二场时间中被电压+(Vs+Vd)切换到亮态。与之相似，像素C(如同像素A)在第一场时间被切换到暗态，并在第二场时间中保持为暗态。像素D(如同像素B)在第一场时间内被切换到暗态，在第二场时间中被切换到亮态。
曲线的分离允许将选通脉冲作为消隐脉冲。两场机制的一个缺点为亮态具有减小的平均值，因为例如像素B和D在一个场时间中一直被切换为暗态，在第二场时间中被切换为亮态。结合图5中的两条曲线，允许调节电压值，使得亮像素在第一场中能够保持亮态，增加平均透射值。
图6中所给出的例子使用持续时间相等的两个场时间，第一场用于切换到OFF暗状态，第二场用于切换到ON亮状态。在第一和第二场时间中，将数据-1或数据-2施加给每一列。这具有一个在每个像素处保持电压的高rms.电平的缺点。随着rms.电平的增加，显示对比度减小。
图7给出了像素对图6的信号的响应；上面给出了所施加的信号波形，下面给出了光学响应。实验详细说明如下：Vs＝15V，Vd＝4V，线寻址时间＝10ms，材料为默克公司的BL-036，厚度大约为4μm。在时间零时像素处于亮态，不过由于在亮态像素处列信号所产生的rms.信号，透射率很小。一个大直流脉冲将像素切换到暗态，在寻址暗帧所给出的时间内透射率下降到低值。如果那时像素接收零电压，透射率会下降得更低；表示为零偏压帧时间。
在第二场时间中，表示为寻址亮帧，由于列信号而接收到一定量的rms.，然后接收寻址到亮态的脉冲，导致透射率的增加，表明该像素已经被切换到亮态。如果然后该像素接收零电压，表示为零偏压帧，那么透射率会增加到一个更高的值。
观察到两个特点。第一像素切换并锁存在两种稳定状态，暗和亮态。第二，像素上rms.电压的出现减小了暗态和亮态之间的对比度。从而当所有像素均被锁存在它们所需的暗态或亮态，并且当从装置中去除所有电压时可以得到最佳显示。对于某些装置，其被显示的信息很少发生改变，这种寻址机制就足够了。例如信用卡型显示器，仅仅是售出交易发生改变。
图8给出了对于图6中每个像素A，B，C，D的光透射率相对线寻址时间(l.a.t)的改变而绘出的曲线。图6中的寻址机制中，Vs＝15V，Vd＝4v，为32线寻址。当线寻址时间为大约8或9毫秒时，所有四个像素被全部切换。在该时间的每一侧，某些像素被部分切换，从而给出了被称为像素图暗依赖性的特性。因此对于图6的机制，为了得到最大效益，必须调节线寻址时间，使得无论要求何种暗和亮像素图案，均能得到清晰的显示。
图9与图6相似，除了在整个第一场时间内，列信号保持在零伏以外。结果在第一场时间中像素A，B，C，D处的最大电压为+Vs和-Vs。设置该值，使得当接受-Vs时足以将所有像素切换到暗OFF态。在第二场时间中，要求为ON态的所有像素被脉冲+Vs+Vd切换到ON态。对于像素B和D，一个不利之处在于对于一个场时间像素B和D被切换到OFF态，然后在第二场时间被切换到ON态；这就减小了它们的平均亮度。
在图9的变型中(图中没有给出)，在第一场时间两个选通脉冲被同时施加给每一行，从而将第一场时间减小到2ts那样小，不过可以使第一场时间更长些。在相同时间，或者零，或者数据-1，或者调制数据被施加给所有列。然后，在图9中的第二场时间中，将剩余的选通脉冲和数据-1或数据-2分别施加给行和列，导致有选择地切换。这种寻址机制可以限定为在一个场内在选通后跟有有选择切换；减小了帧时间。
在一个线寻址时间和有选择切换内改变整个消隐时间，然后依次有选择地寻址每一行。图10给出的这种机制，其中在有选择寻址之前每一行被消隐2个线寻址时间。在图10给出了特定例子中，消隐脉冲与选通脉冲具有相同的幅值。例如，在行R3处，在ts2中消隐脉冲为-Vs(在接收+Vs ts1时间后)，无论施加什么数据信号，所有像素均切换到暗态。表示为合成信号波形，其中在第一双时隙中行R3中所有像素进行切换。
在图10的特定例子中，消隐为选通之前的2线寻址时间；可以选择其它值。例如，可以在两个选通脉冲或者可能在几个线寻址时间之前立即进行消隐。
从而在R3中，在第二消隐脉冲-Vs施加之后，对于ts3和ts4来说均为。零。将ts5的选通-Vs和ts6的选通+Vs与适当数据一起施加，如ts5，ts6期间的列信号所示。在选通信号之前，包括两个消隐脉冲和两个选通脉冲的信号被依次施加给行R1到R8的每一行。总寻址时间为8个线寻址时间，即16ts，与图6，7给出的机制中的32ts不同。
对结果进行考察，表明：
对于像素A，大的消隐+(Vs+Vd)，然后是-(Vs+Vd)，然后是+Vd，-Vd(消隐和选通寻址之间的时间)，然后为ts5，ts6中的-(Vs-Vd)和+(Vs-Vd)。这些值Vs-Vd不足以导致从消隐的暗态到亮态的切换，因为Vs-Vd线处在图5中的两条曲线之间，该材料将不会切换到亮态。
对于像素B，用+(Vs-Vd)进行消隐，然后为-(Vs-Vd)。因为Vs-Vd处于图5的曲线之间(即在切换到暗态的曲线上面)，将切换到暗态，该材料将切换到暗态。然后在ts5，ts6中，产生-(Vs+Vd)，然后+(Vs+Vd)切换到亮态，因为Vs+Vd在图5的暗态到亮态切换曲线上面。
在ts5，ts6时间周期中，像素A与像素B之间的差别在于用于像素A的数据信号与像素B的数据信号不同。这就允许取决于与选通脉冲一起使用的数据信号，像素从暗态到亮态的有选择地切换。
对于像素C和D，情况与像素A和B相似，称为通过ts1，ts2内消隐所产生的到暗态的切换和在ts5，ts6中有选择地切换到亮态。
在图10的机制中，在单一场内对整个装置进行寻址，场时间和帧时间相同。在另一个实施例中，每一行被消隐，然后在至少两倍每个帧时间内有选择地寻址；即在每帧的两个或多个场内每一行被寻址两个或多次。WO-95/27971中描述了用于FELCDs的相似的机制。
图11给出了双时隙寻址机制，其中第一和第二个场是交错的，每个像素被消隐到黑色，然后有选择地被切换到亮态。用+Vs对行信号进行消隐，然后在相邻时隙内为-Vs，然后为4ts的零电压，然后在相邻时隙中为-Vs和+Vs的寻址选通。在该例子中，消隐脉冲和寻址选通脉冲具有相同大小，不过它们可以是不同的。
数据信号为-Vd，然后为用于暗切换的+Vd，以及+Vd，然后为用于亮切换的-Vd。当特定行被消隐时，在所有列上数据大小为零，由于没有必要对数据进行选择，像素将仅在-Vs下切换到暗态。
R3的寻址如下所述：对于时间周期ts5，ts6，选通信号为+Vs，然后为-Vs，在C1到C4的所有列上行信号为零，在每个像素A，B，C，D产生+Vs然后是-Vs，在ts6给出切换到暗态的消隐值。对于时间ts7，ts8，在像素A，B，C，D的电压为+Vd，然后为-Vd，小于任何切换值。对于时隙ts9和ts10，在像素A，B，C，D处所产生的电压为零，因为行3信号为零，所有的列为零，而行4被消隐。对于时隙ts11和ts12，寻址选通为-Vs，然后为+Vs，在C1和C3上数据信号为-Vd，然后为+Vd，在C2和C4上为+Vd，然后为-Vd。在像素A和C处为-(Vs-Vd)，然后为+(Vs-Vd)，不足以导致从暗态到亮态的切换。在像素B和D处的电压为-(Vs+Vd)，然后为+(Vs+Vd)，足以在ts12中产生到亮态的切换。
交错的效果如下所述：在R3之后立即进行消隐，即ts7和ts8，通过选通脉冲-Vs，然后是+Vs，同时将+/-Vd数据电压值施加给C1到C4中的每一行，将R2有选择地切换到亮态。然后在时间，即ts9和ts10中，通过消隐脉冲+Vs，然后是施加给R4的-Vs，同时将零数据电压施加给列C1到C4。从而寻址过程如下：(例如在行R3处开始)消隐R3，有选择地寻址R2，消隐R4，有选择地寻址R3，消隐R5，有选择地寻址R4，消隐R6，有选择地寻址R5，消隐R7，有选择地寻址R6等。交错的效果在于减小了要求处于亮态的像素在暗态和亮态之间的时间，由于在某些时间周期中的零电压，还减小了每个像素处的rms.电平。
图12中下面的线给出了相对对施加电压的光学响应，上面的曲线给出了图11中寻址机制；Vs＝15v，Vd＝4v，l.a.t＝20ms，32线寻址。在时间零时像素处于亮态，从数据信号接受少量rms.。在所标记的寻址暗帧之间内，像素接收可导致切换到暗态的消隐-Vs脉冲，导致光透射的极大减少。在所标记的寻址亮帧时间中，大的开关脉冲Vs+Vd导致到亮态的切换，光透射极大增加，在表示为零偏压的时间内光透射进一步增大。比较图12与图7，给出了尤其是在像素中出现rms.电压过程中，在暗态和亮态之间改进的对比度。从而对于要求信息更新的显示而言，图11的寻址机制比图6更好。
另外，如图13所示，像素A，B，C，D切换的线寻址时间比图8好得多。从大约12ms到大约35ms得到清晰地切换。这表明图11的机制对像素图暗的不规则性相当不敏感。
图6-11的寻址机制为双间隙机制，即选通和数据信号均为两个脉冲周期。
图14给出了一种具有消隐的四时隙机制。其中行信号为零，+Vs，-Vs，0给出了消隐，零，-Vs，+Vs，零给出选通脉冲。列信号为零，-Vd，+Vd，零，给出到暗态的有选择切换，零，+Vd，-Vd，零给出到亮态的有选择切换。如图所示，消隐和选通脉冲具有相同幅值，不过幅值可以不同。消隐脉冲终点与选通脉冲起点之间的间隔为4ts时间周期，不过可以更长或更短。
对于像素A，在周期ts1到ts4中为零，+(Vs+Vd)，-(Vs+Vd)，零，在ts3给出到暗态的消隐。在周期ts9到ts12，电压为零，-(Vs-Vd)，+(Vs-Vd)，零，不切换到亮态，像素A保持在所要求的暗态。
对于像素B，在ts1到ts4中合成电压为零，+(Vs-Vd)，-(Vs-Vd)，零，足以在周期ts3中消隐到暗态。在周期ts9到ts12，电压为零，-(Vs+Vd)，+(Vs+Vd)，零，在ts11按照需要切换到亮态。
与之相似，在ts3像素C，D均被消隐到暗态，在ts11像素D被有选择地切换到亮态。
对合成信号的观察表明所要求的在从暗态到亮态切换之间的较短时间，对于某些周期为零电压，从而减小了rms.电平。
上面对两个和四个时隙寻址机制均进行了描述。还可能具有奇数个时隙。图15中给出了具有奇数个时隙的机制，是一种仅将电压减小信号波形施加给行的的消隐三时隙机制。在三个相继ts周期中行信号为零，+Vs，-Vs，给出消隐电压，然后在相继三个ts周期内为零，-Vs，+Vs与适当的数据信号一起给出到亮态的选择寻址。在三个消隐脉冲的端点与三个选择寻址脉冲起点之间的周期为3ts，不过该周期可以更大或更小。另外消隐和选通幅值相同，不过可以不同。在选通脉冲之间为一个电压减小信号。在三个时隙周期的每一个中施 -Vd/2，+Vd和-Vd/2的电压。
在三个相邻时隙中数据信号为-Vd，+Vd，零，给出到暗态的切换；在三个相邻时隙中为零，+Vd，-Vd，给出到亮态的切换。
在行R3中，在ts1到ts3期间，A到D的所有像素被消隐到暗态，然后在ts7到ts9周期中像素B和D被选择切换到亮态。在ts4到ts6周期中，在先被消隐的R2被有选择地切换到亮态。
对于像素A，在ts1，ts2，ts3中合成电压为-(0-Vd)，+(Vs-Vd)，-(Vs-0)给出ts3中到暗态的切换。在周期ts7，ts8，ts9，合成电压为-(0-Vd)，-(Vs+Vd)，(Vs-0)，没有从暗态切换。
对于像素B，在ts1，ts2，ts3中合成电压为0-0，+(Vs-Vd)，-(Vs-Vd)，给出在ts3中到暗态的切换。在周期ts7，ts8，ts9，合成电压为-(0-0)，-(Vs+Vd)，+(Vs+Vd)，给出在周期ts9中到亮态的有选择切换。
对于像素C和D是相似的，它们均在ts3消隐为暗态，在ts9像素D有选择地切换到亮态。
在消隐和选择切换周期以外，由于在行上电压减小信号的出现(-Vd/2，Vd，-Vd/2)以及数据信号值(0，Vd，-Vd)，导致合成信号的减小，产生-Vd/2，0，Vd/2或Vd/2，0，-Vd/2的合成电压。得到的合成信号具有减小的r.m.s.值。
使用电压减小信号效应的例子如下：
附录A.
计算具有或不具有图14的行减小信号的信号的r.m.s.。
假设显示器具有N行。
所产生的消隐脉冲可以是两个值其中之一：
Vd，Vs-Vd，-Vs或0，(Vs-Vd)，-(Vs-Vd)
这给出了N-通道寻址环的均方值：
B1＝((Vd2/3+(Vs-Vd)2/3+Vs2/3)/N或B2＝(2(Vs-Vd)2/3)/N
与之相似，ON和OFF选通合成信号为：
0，-(Vs+Vd)，(Vs+Vd)和Vd，-(Vs+Vd)，Vs
给出N-通道寻址环的均方值为：
SON＝(2(Vs+Vd)2/3)/N或SOFF＝(Vd2/3+(Vs+Vd)2/3+Vs2/3)/N
数据信号为：
-Vd，Vd，0和0，Vd，-Vd
给出N-通道寻址环的均方值为：
对于两种情形，D＝(2Vd2/3)(N-2)/N
例如，如果N＝128，Vs＝20且Vd＝4，那么
B1＝1.75，B2＝1.333，SON＝3，SOFF＝2.583，D＝10.5
在N-通道寻址环上可能的r.m.s.值为：
ONrms＝(B1+SON+D)1/2＝3.905或ONrms＝(B2+SON+D)1/2＝3.851
OFFrms＝(B1+SOFF+D)1/2＝3.851 或ONrms＝(B2+SOFF+D)1/2＝3.796
如果现在包含r.m.s.减小信号，则数据信号合成为：
-Vd/2，Vd/2，0和0，Vd/2，-Vd/2
给出均方值：
对于两种情形为DR＝(2(Vd2/4)/3)(N-2)/N
其中，使用上面的实验数据，DR＝2.625。
由于消隐和选通没有改变，所可能产生N-通道寻址环上的r.m.s.值为：
ONrms＝(B1+SON+DR)1/2＝2.715或ONrms＝(B2+SON+DR)1/2＝2.637
OFFrms＝(B1+SOFF+DR)1/2＝2.637或ONrms＝(B2+SOFF+DR)1/2＝2.557
即，在r.m.s.值中电压～3.8出现～1.2V的减小，减小了～31％。
Claims (29)
1.一种寻址双稳态向列设备的方法，由密封一层向列或长螺距胆甾型液晶材料(2)的两个单元壁(3，4)形成的向列设备，壁上带有电板结构，在一个壁(4)上形成一组行电极(6)，在另一壁(3)上形成一组列电极(7)来形成相交区域或像素矩阵，对至少一个壁进行表面处理，提供一种分子排列，在施加适当单极电压脉冲时，允许壁处或壁附近的分子沿两种不同稳定状态取向，该方法包括步骤：
顺序将行信号波形施加给每一行，同时将两个数据信号波形其中的一个施加给每个列电极，从而每个像素可以独立地在两种双稳状态之间进行切换；
行信号波形具有至少两个时隙的周期，至少两个用于将该装置切换到第一状态的单极脉冲和至少两个将装置切换到第二状态的单极脉冲；
两个数据信号波形均具有至少两个时隙的周期，在每个时隙中具有一个单极脉冲，至少一个数据信号波形与行信号波形一起产生到一种锁存状态的切换；
从而每个像素可以被寻址锁存在任一种稳定状态，共同提供所需显示，将基本为净零的直流电压施加给该装置。
2.如权利要求1所述的方法，其中在两个场时间内对该装置进行寻址，一个用于切换到一个稳定状态，另一个用于切换到第二稳定状态。
3.如权利要求2所述的方法，其中场时间具有相同长度。
4.如权利要求2所述的方法，其中场时间具有不同长度。
5.如权利要求1所述的方法，其中通过在一个场时间中有选择地将像素切换到一个状态，在第二场时间中有选择地将像素切换到另一状态而对该装置进行寻址。
6.如权利要求1所述的方法，其中将该装置切换到第一状态的两个单极脉冲为消隐脉冲，将该装置切换到第二状态的单极脉冲为切换脉冲，其中一些或所有像素被消隐到一种状态，然后被有选择地切换到另一状态。
7.如权利要求1所述的方法，其中行波形信号具有至少一个其幅值能够消隐像素的单极脉冲，和至少一个其幅值能够与数据信号波形一起有选择地切换像素的单极寻址脉冲。
8.如权利要求6所述的方法，其中消隐脉冲幅值相等方向相反，切换脉冲幅值大小相等方向相反。
9.如权利要求6所述的方法，其中该消隐脉冲不相等，包括一个零幅值，但方向相反，切换脉冲不相等，包括一个零幅值，但方向相反，使得寻址时整个装置接收基本为净零的直流电压。
10.如权利要求6所述的方法，其中消隐脉冲与切换脉冲具有相等或不等的幅值。
11.如权利要求6所述的方法，其中在时间上消隐脉冲和切换脉冲被相等或不等地分开。
12.如权利要求1所述的方法，其中行信号波形具有至少两个用于将像素消隐到一个状态的单极消隐脉冲，和至少两个有选择地将像素切换到第二状态的单极切换脉冲，依次用消隐脉冲，然后用切换脉冲与两个数据信号波形其中之一一起对每一行进行寻址。
13.如权利要求12所述的方法，其中消隐脉冲和切换脉冲之间至少分开一个线寻址时间。
14.如权利要求12所述的方法，其中在将消隐脉冲施加给一行期间，列没有接收电压脉冲，非寻址行不接收电压脉冲，没有被消隐的像素接收零电压。
15.如权利要求12所述的方法，其中在每次行信号波形为零幅值期间，消隐脉冲和切换脉冲间分开至少一个线寻址时间的周期。
16.如权利要求1所述的方法，其中行和数据信号波形具有相同的两个，三个，四个或多个时隙ts的周期。
17.如权利要求1所述的方法，其中行信号波形和数据信号波形均由三个或多个时间周期形成，在选通信号波形和/或数据信号波形中至少一个时隙为零电压幅值。
18.如权利要求1所述的方法，其中通过将行信号波形依次施加给每一行进行寻址。
19.如权利要求1所述的方法，其中以一种交替方式(图11)将行信号波形施加给每一行而进行寻址。
20.如权利要求1所述的方法，其中将附加的电压减小信号波形施加给行信号波形和两个数据信号波形中的一个或两个。
21.如权利要求1所述的方法，还包括表面处理的步骤，使得与切换到另一种双稳状态相比，在较低电压处发生到一种双稳状态的切换。
22.如权利要求1所述的方法，其中测量液晶材料的温度，调节电压以便补偿切换特性随温度的改变。
23.如权利要求1所述的方法，其中选择线寻址时间使像素图案依赖性最小。
24.如权利要求1所述的方法，其中将附加信号波形施加给行或列电极，以便减小像素处的rms电压值，改善显示对比度。
25.一种双稳态向列设备包括：
相互分隔设置且密封一层向列或长螺距胆甾型液晶材料(2)的两个单元壁(3，4)；
在一个壁(4)上的第一组电极(6)和另一壁(3)上的第二组电极(7)，所述第一组电极和第二组电极共同形成了相交区域或像素矩阵；
在至少一个壁(3，4)上的表面处理，提供分子排列，允许在施加适当单极电压脉冲时壁处或壁附近的分子沿两种不同稳定状态取向；
用于区别液晶材料切换状态的装置(13，13’)；
用于产生并将行信号波形依次施加给第一组电极中每个电极(6)的装置(8，10)；
用于产生并将两个数据信号波形其中之一施加给第二组电极中每个电极(7)的装置(9，10)；
具有至少两个时隙的周期和至少两个用于将装置切换到第一状态的单极脉冲、至少两个用于将装置切换到第二状态的单极脉冲的行信号波形；
具有至少两个时隙的周期，在每个时隙中具有一个单极脉冲的两个数据信号波形，至少一个数据信号波形与选通信号波形一起导致到第一状态的切换，另一数据信号波形与选通信号波形一起导致到第二状态的切换；
从而可以独立地将每个像素切换到任一种稳定状态，共同提供所需的显示，将基本上为净零的直流电压施加给该装置。
26.如权利要求25所述的装置，其中调节在壁表面取向处理处于两种稳定状态的液晶分子的能级，使之相同，从而在两种状态之间进行切换时切换特性(图5)相同。
27.如权利要求25所述的装置，其中调节在壁表面取向处理处于两种稳定状态的液晶分子的能级，使之不同，从而在两种状态之间进行切换时切换特性(图5)不同。
28.如权利要求25所述的装置，其中设置光栅壁表面处理的高宽比，当该装置被切换到两种稳定状态时给出不同的切换特性。
29.如权利要求25所述的装置，还包括用于产生并向第一和第二组电极(6，7)两者中任一个或者两者的每一个电极施加电压减小信号波形的装置(10，8，9)。
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