CN1439113A - 向列型液晶电光元件和器件 - Google Patents

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Abstract

一液晶电光元件包括位于一对偏振板之间的一对衬底(20，21)，确定象素区域(1)的电极，和在所述衬底(20，21)的各自相对的内表面上的排列层，并且在所述一对表面之间夹有手性向列型液晶。至少一个排列层是以这样一种方式图形化使得方位角或前倾或两个排列方向(14到17，16到18)在衬底界面上是不同的，抑制了液晶基态的生长。当应用一初始电脉冲时，至少达到两双稳态中的一个，其中所述双稳态之间的对比率是2或者更大。只要显示信息不改变，具有这些元件的器件是长期双稳的并且不需要电更新。因此，该双稳器件的功耗最小。

Description

向列型液晶电光元件和器件
技术领域
本发明涉及向列型液晶电光元件和使用所述元件的一种显示器器件。
背景技术
1980年Berreman证明了扭曲向列型LC单元中短暂的双稳态。15年后Tanaka指出了一种新型的寻址方案，它缩短了显示器寻址和响应时间。在EP 0 579 247中公开了一种相应的短暂的双稳扭曲向列型(BTN)元件。
当被夹在具有合适排列层的两衬底之间时，Berreman的单元基于手性掺杂向列型LC分子的电压，以排列成不同的扭曲组态。这样的单元显示了三个有关的组态：用扭曲角Φ0表示的一高能基态Φ0；扭曲Φ1＝Φ0-180°的第一亚稳态Φ1；和扭曲Φ2＝Φ0+180°的第二亚稳态Φ2。
Berreman的工作集中在基态中扭曲Φ0＝180°的单元上，其中两衬底的取向层平行排列并显示平行的前倾角(pretilt angle)。由于两单轴排列衬底上的平行前倾角，基态Φ0变形地张开。随着一适当的电重置脉冲应用于该单元，正介电各向异性液晶分子平行于电场排列，这导致一个几乎同向(homeotropic)的队列。一旦应用一额外的电脉冲或通过适当地切断重置脉冲(快速或慢速的切断)，该显示弛豫或者进入高扭曲态(快速的切断)，或者进入低扭曲态(慢速的切断)。依赖于手性掺杂的符号，低扭曲态可以为Φ1或Φ2。接下来我们将因此用Φ-标记低扭曲态而用Φ+标记高扭曲态。在适当排列的两个偏光器之间能够光学地区分这两个亚稳态Φ-和Φ+。
图1显示了根据现有技术的一短暂双稳扭曲向列型(BTN)单元的原理。有一象素区1，它由透明电极3确定。象素1外的区域无象素区域称作框架或边界区2。在两个区域1和2中都存在相同的基态组态Φ0，即数字4。当一强重置脉冲应用于该单元时，液晶弛豫为两个亚稳态Φ+(5)和Φ-(6)中的一个。作为相邻不同分子组态的结果，在开关区域周围形成一旋错线(disclination line)7。旋错线7是被选的亚稳态5或6与基态4之间的拓扑差异的结果。在一亚稳态的形成之后，基态Φ0(4)慢慢移入象素区1而且亚稳态再次弛豫还原成基态4，如同能够在沿着时轴8的不同表示中看到的一样。基态4返回的速度的量级通常是每秒数个微米。对于不需要长期双稳态的应用系统，这样的BTN单元的亚稳态5，6存在足够长的时间以允许具有足够的驱动脉冲的BTN单元的时间多路转换技术(见T.Tanaka，Y.Sato，A.Inoue，Y.Momose，H.Nomura和S.Tino，Asia Display 259(1995))。
在WO 97/14990中公开了一顶点(zenithal)双稳显示(ZBD)。通过把一向列型液晶层夹在两透明，导电的衬底之间，其中一个通过使用同向表面活性剂以一通常的方式同向排列，而另一个显示出被一同向表面活性剂覆盖的一表面光栅，制造了ZBD。表面光栅的间隔的量级是1微米并且光栅振幅是光栅间隔的2到3倍。ZBD使得单元中的液晶能够在一同向和一同向/平面混合态中转换。ZBD显示了好的机械稳定性。这样制造薄的表面光栅以致可重复和无缺陷的排列结果仍然是一个挑战。
WO 97/17632公开了在0°到180°的扭曲组态之间转换的双稳液晶显示器。一典型的显示器包括两个具有相同方位角排列方向但是独特而不同的前倾角和结合能量的相对的排列层。通过使用适当的电脉冲有可能使显示器在一平行的(0°)和一180°的扭曲态之间转换。双稳态需要两个态的弹性能的适当的平衡。这通过用一手性添加剂掺杂液晶完成。由于显示器的转换主要依赖两排列层各自的碇系强度(anchoring strength)，并且因为该碇系强度在热和光应力下改变，显示器的该双稳性能是很敏感的。
向列型分子组态的使用具有的优点是它们能够可靠地排列在显示边界。切断一向列型显示器的驱动电压之后，电场诱导开态(on-state)分子组态可靠地变回断态(off-state)排列状态-甚至是在使液晶显示器(LCD)暴露于温度或机械冲击后。然而，这也是它们的光学单一稳定性的原因，导致一旦切断驱动电压显示画面就被抹去。在需要很低功耗，和/或高信息容量图象的再现不需要使用显示器衬底中的薄膜晶体管的应用系统中，单一稳定性是向列型LCD的一个严重的缺点。
切断一单稳LCD的显示器电压导致开态分子组态通过弹性恢复力松弛到无场断态。因此对显示图象必要的是需要在观看期间(帧时间)保持一个跨越一单稳显示器的每个图象元件(象素)的电场。因此，显示器必须经常被驱动电压访问，驱动电压使电光效应的断态分子组态变形，而LCD基于电光效应以产生所需要的图象。为了解决这个问题，精致的TFT在高信息容量向列型LCD中被结合成一显示器的两玻璃衬底的一片上的每一个象素。TFT担当电存储和寻址元件的作用，使得显示器的象素至少暂时是光学上双稳的。结合每个象素的存储容量，TFT开关在帧时间期间保持跨越每个象素的适当的电压并阻止分子驰豫回它们的断态。由于TFT的制造是很精细的，高信息容量LCD，例如用于计算机监控器，是很昂贵的并且限于最精细的显示应用系统。此外，TFT的制造需要与塑料衬底不兼容的高温处理过程。因此，TFT集成进入塑料LCD以启动由滚动处理制成的高信息容量塑料LCD不太可能发生。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种向列型液晶电光元件，它是长时间双稳的，即，把向列型元件的可靠排列与双稳态元件的低功耗结合。
根据本发明的向列型液晶电光元件使用权利要求1的特征特点。
该元件使用一新的电光效应，同时基于向列型分子组态的固有光学双稳态继承了这些液晶有利的特点。因为只要显示的信息没有改变，光学信息就存储在一双稳LCD的两光学态的一个中而不需要电子更新，所以双稳LCD的功耗是最小的。
根据本发明的区域稳定双稳扭曲向列型(D-BTN)液晶元件不仅仅显示一大大加强的双稳性并且显示更好的电光性能和多路复用性能。
D-BTN-LCD中被提议的区域稳定性由于新型的排列几何组态，有效地抑制了不需要的基态和允许长期的双稳性并且导致极好的电光性能，可重复性和双稳向列型显示器的寿命。
无源矩阵寻址D-BTN-LCD可能呈现短的响应时间，快的寻址速度和大的多路技术速率。由于没有旋错线必须当开关D-BTN-LCD时被变位，仅仅需要相对弱的重置脉冲。
两个提到的有利特性的结合允许了具有快的更新速率(视频帧速率)的高信息容量显示器的制造。因为D-BTN显示器的内在双稳性，仅仅显示图象在图象改变了的地方的那部分需要被更新。该部分显示器图象更新导致更高的更新速率。尤其是在慢慢移动的图象的情况下，导致很低的功耗，因为更新速率不是一个固定的，周期性的过程而是能够在任何秒，分，小时或天一旦要求时进行。在这些更新周期期间没有功耗。最新更新的显示图象总是呈现的，并且不需要任何进一步的电功率。
根据本发明的液晶显示器器件使用权利要求24和25的特征特点。
附图说明
根据它的具体实施方式的详细描述，本发明的这些和其它目标，特点和优势将变得更加明显，如在附图中所示的，其中：
图1根据现有技术的一暂时双稳扭曲向列型单元的示意图；
图2根据本发明具有一图形化衬底的一区域稳定向列型液晶器件的图示；
图3根据本发明的具有一图形化衬底的一区域稳定向列型液晶器件的底部和顶部排列层的一个例子和作为结果的具有界面LC分子取向的单元；
图4根据本发明的具有两个图形化衬底的一区域稳定向列型液晶器件的另一实施方式的底部和顶部排列层的一个例子和作为结果的具有界面LC分子取向的单元；
图5根据本发明的具有象素到象素的稳定性的一区域稳定向列型液晶器件的另一实施方式的底部和顶部排列层的一个例子和作为结果的具有界面LC分子取向的单元；
图6根据本发明的通过一490nm干涉滤光片观察的一个单元的高(暗)和低(亮)扭曲态象素；
图7根据本发明的具有两个图形化衬底的一区域稳定向列型液晶器件的另一实施方式的底部和顶部排列层的一个例子和作为结果的具有界面LC分子取向的单元；
图8在一底部排列层上的一圆形象素的一个例子(顶视图)；
图9根据本发明的具有两个图形化衬底的一区域稳定向列型液晶器件的另一实施方式的底部和顶部排列层的一个例子和作为结果的具有界面LC分子取向的单元；
图10根据本发明的具有两个图形化衬底的一区域稳定向列型液晶器件的另一实施方式的底部和顶部排列层的一个例子和作为结果的具有界面LC分子取向的单元；
图11根据本发明的具有两个图形化衬底的一区域稳定向列型液晶器件的另一实施方式的底部和顶部排列层的一个例子和作为结果的具有界面LC分子取向的单元；
图12根据本发明的具有两个图形化衬底的一区域稳定向列型液晶器件的另一实施方式的底部和顶部排列层的一个例子和作为结果的具有界面LC分子取向的单元；
图13位于一偏光器和一分析器之间的所制造的器件的两幅图，其中上面的图说明了所制造的具有不同类型的象素的器件中不同的机械稳定性，而下图说明了所制造的具有两个彼此相反稍微移位的图形化排列衬底的器件的例子；以及
图14根据本发明的具有两个图形化衬底的一区域稳定向列型液晶器件的另一实施方式的底部(左边)和顶部排列层(右边)的一个例子和作为结果的由经调整的稳定区域形成象素区域的单元。
具体实施方式
本发明集中在新方法和分子组态上以获得双稳向列型液晶显示器的长时间的稳定性。
迄今为止所有被报导过的光学双稳液晶显示器-近晶的，胆甾的，或向列型的-都以具有全局性的排列层为特征，例如，显示器的排列在两个显示器衬底的全部区域上均匀地延伸；而排列的方向在各个衬底上可以不同。
相反，通过使用非全局性排列几何组态，本发明选择一新的方法以在通常扭曲向列型LCD中获得双稳态。该方法出人意料地允许向列型LCD的长时间的稳定和可重复的双稳运行。
向列型显示器的衬底的一个或两个上的图形化的排列层使得能够产生同时共存并且引起一预先定义的象素区域中的双稳性的不同的LC组态(与迄今为止知道的向列型显示器的暂时双稳性相反)。接下来将描述这种新型向列型双稳性，名为区域稳定BTN(domainstabilised BTN)(D-BTN)，的原理。
图2显示了具有一图形化衬底10并且具有2×2元件的一区域稳定向列型液态单元12的一透视图和通过该器件的一个横截面。象素区域1和框架区域2用与图1中相同的方法标记。
通常第一区域组态控制象素区域1，而象素外的区域-即，边界或框架区域2-定义第二区域，它被不同的分子组态控制。象素外的该附加边界区域给象素区域1中的目标组态提供了稳定性。如同能够从横截面看到的，图形化衬底10的象素区域1和框架区域2保持不同的方位角和前倾方向。
应该注意到，本发明也包括这种情况，即在一象素区域1的紧靠的邻近区域中，有其它象素代替边缘区域。例如，除了一对称操作以外(镜向，旋转或它们的结合)，邻近象素的分子组态可以对应于象素区域1的分子组态。
由于象素1之间的边缘区域能够用黑色矩阵隐藏，不考虑它们的光学特性，边缘LC组态能够在双稳性上最优化。一旦对这种区域稳定BTN-显示器的象素1应用适当的电压，它们在不同的双稳态之间转换。每个象素1都显示一足够程度的双稳性以允许高的多路复用速率和/或电可擦光图象存储。
如图2所示，根据本发明的一显示器单元12，包括至少一个衬底10，在衬底界面13上具有不同的排列方向(关于方位角或者前倾或者两者)，抑制了象素区域1中的Φ0基态4的生长并且因此稳定了两亚稳态Φ+5和Φ-6。因此该Φ+和Φ-态被称为是D-BTN显示器10的双稳态5和6，使用相同的数字。
D-BTN显示器10的象素区域1中的排列取向与常规BTN单元的全局性取向一致。在象素1之间的边缘区域2中，或更普遍地，在邻近每个象素1的区域中，产生不同的排列方向。
图3显示了图2的单独的衬底10和11和它们的结合，以及衬底界面13上相应的LC分子的定向14，15和16的顶视图。该组态导致两个区域(框架区域2和象素区域1)，它们是底部衬底10和一全局性排列的上部衬底11上的排列模式的结果。
图4显示了由两个衬底20和21上的两区域排列层组成的D-BTN-LCD另一实施方式。衬底20和衬底21各自包括不同排列方向的条纹22，23和24，25。例如，通过使用衬底20和21制造一单元，由部分条纹22和24创造了象素区域1，而由部分条纹22和25，23和24以及23和25创造了框架区域2，其中至少一个衬底部分20或21包括与较小的条纹23和25一致的排列。因此仅仅条纹22和24的结合有助于象素区域1的存在，而条纹23或25中的一个的存在有助于框架区域2。
一种特别适合于实现所要求的组态14，15和16的技术是光排列方法。这样的方法通过使用通常偏振的光的辐射以诱导一相应取向层中的排列可能。除避免了在摩擦过程中固有的问题的优点之外，通过这些光定向方法可能制备具有不同方向的区域并且因此构造取向层。
本发明的一种光排列方法的适用性的一先决条件是它们不仅产生方位角取向而且产生偏斜(前倾)的能力。
一种将方便地用于本发明的方法是线性光聚作用(LPP)方法，同时有时称作光导向聚合体网(PPN)。例如在US5,389,698，US5,838,407和EP 0 756 193中有描述。本方法的综述可以在M.Schadt，K.Schmitt，V.Kozenkov  and V.Chigrinov，Jap.Journal Appl.Phys.31，2155(1992)或M.Schadt，H.Seiberle and A.Schuster，Nature 381，212(1996)中找到。那些光导向聚合体网可以在任何需要构造的或未构造的液晶取向层的情况下使用。
例如，在WO-A-96/10049和EP-A-0763552中描述了适合于液晶的这种光构造取向层形成的聚合体。通过这些用线偏振光辐照的化合物有可能除了引起需要的定向外，同时诱导一倾斜的角度。因此有可能制造已经构造了方位角取向和倾斜角的层。
根据本发明的区域稳定显示器不必需光排列边界，它们也能通过其它可供选择的排列技术实现。例如，通过精细的摩擦或蒸发技术，能够获得两个不同的排列方向和需要的前倾角。光排列因此不是制造D-BTN显示器的必需条件，然而，它使得制造过程简单得多。
被提议的区域排列层也能够被使用，通过把象素细分成子象素以进一步加强D-BTN显示器的视角。
接下来的描述涉及到单元的例子，首先一单元衬底上具有光排列区域定向模式的一D-BTN-LCD在两双稳扭曲态+90°和-270°(例1)之间转换，显示在图3中。
所制造的D-BTN-LCD由一基底10和一覆盖衬底11组成。两个衬底10和11都保留透明电极和光排列层。透明ITO电极在包括许多尺寸为200×400μm2或尺寸为600×1000μm2的象素的一8×8mm2的区域上是均匀的。
基底10上的两区域光排列层32和33导致两不同的LC取向，一个在象素区域1中而另一个在周围的边界区域2中。上部衬底34在整个区域上都是单轴光排列在一个方向。
光排列层通常是50nm薄并且以在环戊酮中溶解2％感光聚合物的溶液的形式使用来自Ciba特殊化学药品有限公司的LPP感光聚合物JP265。液晶混合物是具有0.129的双折射的一超扭曲向列型(STN)混合物，从Merck有限公司的命名为MLC14000的商品可以得到。为了获得需要的固有扭曲组态，LC混合物掺入了Merck有限公司的负旋向性(negative handed)手性添加剂ST9。单元间隙是5.1μm并且选择了0.58％(wt)的手性浓度，它导致d/p比率为0.3(d＝单元间隙，p＝螺旋间距)。
通过3000rp/m自旋涂覆30秒并且然后在150℃下的一热板上烘烤30分钟来施LPP光定向材料。LPP涂覆衬底被装备有一350W的水银灯和一UV偏光器的Karl-Suess UV曝光灯照明。在310nm上的UV光强是0.8mW/cm2。对于这里所有描述的曝光，相对于衬底法线，衬底以35°的极角暴露于线偏振UV光。为了产生图3中在基底(下部衬底)10上的两区域排列，在第一步中当用一铬掩模屏蔽框架区域时，衬底10暴露于UV光达135秒。线偏振光的方位角取向平行于一个象素边界并定义为0°。在第二曝光步骤中，清除掩模并且整个衬底曝光15秒，同样也是在35°的极化角下和在180°的方位角下。从其它实验中估计到象素区域1中导致的前倾角在5°和10°之间(见数字14)并且在框架区域2中约为70°(见数字15)。上部衬底曝光150秒导致估计的前倾角一致地处于5°和10°之间；相应的方位角是+90°(比较数字14和15，见16)。因此在象素区域手性负掺杂LC与排列层方位角取向一起促进-90°的方位角(Φ0＝-90°＝基态)，而前倾角支持+90°或-270°的扭曲(即，[Φ0＝-90°]±180°是两个双稳态)。
在115℃时的近各向同性态中用LC混合物填充D-BTN单元并使它冷却到室温后，该单元的一主要部分覆盖着旋错(disclination)。应用接下来的两种方法以获得需要的象素组态。
通过在室温时对该单元应用持续时间为10ms的电正弦脉冲和50Vrm的电压，象素进入低扭曲双稳态(+90°)。
通过在65℃时应用38Vrm的电正弦AC场两秒，所有的基态象素进入+90°的双稳态并且干扰旋错线消失了。
假定了在处于稳定基态并且当转换时不完全改变自己的LC组态的边界区域和可转接的象素区域之间形成了一旋错线。旋错线位于光图形化象素的边缘上并阻止基态流进象素区域。
可以通过各种类型的脉冲获得两双稳态之间的转换。为了说明双稳性这里选择了简单脉冲形式。转换为高的扭曲态(-270°)是通过21Vrm的500μs正弦脉冲完成。结果导致100ms的光开关时间。转换为低的扭曲态能够通过5V(峰值)的具有约100μs或更少的短上升时间和约60ms的延迟时间的锯齿形脉冲完成。这样一脉冲导致230ms的光开关时间。低扭曲象素态对平行偏光器显示一绿色的干涉颜色，并且D-BTN的排列层取向平行于偏光器。高扭曲态的颜色对于同样的偏光器组态显示红色。
对于这些颜色的可能调整，各种方法为本领域技术人员所知。例如，通过LC层的光延迟Δnd的一个合适的选择，通过内部或外部光补偿膜和偏光器的适当的取向，这两种干涉颜色可以改变以致结果为黑和白的显示。此外，使用更薄的LC层，导致更快的响应时间。结合对于快速高多路寻址方案的BTN的潜力，高信息容量显示器能够通过D-BTN原理被制造，这允许视频更新速率。
如上面描述制造的样本单元已经超过了通常是几个月的整个观察期间保持了它们的双稳性。
图4显示了例2中，位于两个单元衬底20和21上具有光排列取向图形的在两个双稳扭曲态+90°和-270°之间转换的D-BTN LCD的一个示意图。它显示了这两个衬底(上面部分)和结合衬底(下面部分)的两区域排列图形。
例2的D-BTN LCD单元是通过与例1中相似的方法制成。然而，与例1相反，衬底20和21都显示以条纹22，23和24，25的形式的两区域光排列层。每个排列层各自都覆盖组成100μm的一象素区域的宽条纹22和24，和组成30μm的一象素区域的窄条纹23和25，在这两个区域中有两个不同的排列方向。对象素区域的UV曝光时间是135秒而对框架区域是15秒。在象素区域1中的前倾角估计在5°和10°之间(数字14和16)，而在框架区域2中约70°(至少一个LC方向根据数字17或18)。
如例1中所示，在象素区域1中手性负掺杂LC和排列层的方位角方向一起促进-90°的方位角(基态Φ0＝-90°)，而前倾角支持+90°或-270°的扭曲(两个双稳态)。
为了获得需要的双稳象素组态，在这里同样执行类似于例1中描述的一电场处理。
使用一23Vrm的500μs正弦脉冲使显示器转换到它的高扭曲态。导致80ms的光开关时间。转换为低的扭曲态能够通过具有短上升时间和约40ms的延迟时间的6V(峰值)的锯齿形脉冲完成。这样一脉冲导致200ms的光开关时间。低扭曲象素态对平行偏光器显示干涉颜色在平行的偏光器下为蓝光，并且D-BTN的排列层取向相对于偏光器是45°。高扭曲态的颜色是红色。
在图6中显示了部分转换构造的显示器的两双稳态的一图示。它通过蓝色490nm干涉滤光器观察。低扭曲态41的象素颜色是淡蓝色而高扭曲态42的象素颜色是黑色。此外，可以区分框架区域的两不同的区域。在象素区域1的角43处(即，组成了框架区域2的上部和下部衬底的排列层的条纹23和25的交叉点)，有一具有高倾斜的区域43(参见图4)，它在平行的偏光器之间显得明亮。在边缘44处(两相邻象素区域1之间)，有一具有中等倾斜的区域，它显得较暗。框架区域2的两区域43和44都具有一个很稳定的态。此外，本领域技术人员也可以看到使象素区域1与框架区域2分离的旋错线。
通过LC层的Δnd的一个合适的选择，通过内部或外部光补偿膜和偏光器的适当的取向，这两种干涉颜色可以改变导致结果为黑和白的显示。使用更薄的LC层导致更快的响应时间。结合对于快速高多路寻址方案的BTN的潜力，一高信息容量显示器能够通过D-BTN原理被制造，这允许视频更新速率。
为了测试D-BTN单元的稳定性，器件放置在强压下以致产生LC流。在压力下出现具有低能的态。能够通过调节d/p比率和各前倾角控制该态。仅仅很强的流或很高的电场导致基态再次产生。这证明了相对于区域稳定LC单元中的基态Φ0的形成，根据本发明双稳态的稳定性的高的程度。
图5显示了本发明的另一实施方案的例子。它基于在衬底30和31两者上的象素到象素的稳定性，也就是说，代替一外在的框架区域，使用相邻象素51，52的组态来稳定两双稳态。象素中的方位角取向等于例1中的象素的取向并导致一个90°/-270°型D-BTN单元。为了在相邻象素51，52中获得适当的排列，根据例1中解释的程序通过单一的光掩模排列底部和顶部衬底30和31。然而与例1中相反，这两个排列层必须以这样一种方式彼此相互排列以致相邻象素区域51，52被彼此相反安置(见图5，数字14和19，16和29)。通过这种方法导致D-BTN的很高的填充因子。
在图7中说明了本发明的另一实施方案。它代表由衬底60和61两者上的一两区域排列层组成的一个+90°/-270°(Φ0＝-90°)元件。衬底60和61包括具有不同排列方向的象素区域62，64和一框架区域63，65。两衬底的排列层以这样一种方式相互调整以致两衬底的象素区域位置彼此相反。象素区域中的方位角和前倾方向与通常的BTN单元中的取向相似。通过使用这样的衬底可以独立地选择象素区域中的前倾角和框架区域中的前倾角。这与图3和图4中显示的实施方式相反。如果对于图3中阐述的实施方式在下部衬底10的象素区域1中选择了一小的前倾并且在单轴排列上部衬底11中选择了一小的前倾而且进一步在衬底10上的框架区域2中选择了一高的前倾，在该单元的框架区域中导致了一中间平均倾斜角。对图4所示的实施方式也是同样的。在图7所示的实施方式中，可以方便地选择象素区域中的一小的前倾角和框架区域中的一高的前倾角。
根据本发明获得双稳向列型LCD的区域稳定方法不仅可以稳定BTN单元中的可开关区域，而且能够稳定0°和180°扭曲组态之间转换的单元，例如那些在本说明书的介绍性部分所描述的(推广包括具有扭曲角Φ0±90°，典型地Φ0＜180°)。在转换一个常规的0°-180°扭曲单元之后，转换区域通常显示一随机的形状。通过本发明能够获得定义得很好的区域。本单元的制造可以根据例1完成但是覆盖衬底方位角以这样一种方式取向以致在象素区域中产生需要的组态。当设计这种类型的单元时象素的尺寸是一个重要的参数。
本发明包括包含允许应用垂直于衬底的电场的平面内电极几何组态的双稳单元和具有平行于衬底平面的分置的场。这样的电极允许在一个方向(Φ-_Φ+或Φ-
Figure A0181191700191
Φ+)或在两个方向(Φ-_Φ+)转换该单元。根据例1具有一个或两个隔开的电极的单元可以作为引用的例子。
本例中偏移扭曲角的绝对值|Φ0|(基态)总是90°。通常，首选偏移扭曲角的绝对值|Φ0|＜300°，但是也可以使用|Φ0|≥300°。扭曲差异角ΔΦ＝±180°意味着，ΔΦ具有量子化的尺寸并且约为±180°(ΔΦ分别是Φ0-Φ+或Φ0-Φ-)。
有利地是，模式的相邻区域的前倾角差异处于70°到110°之间的范围，比较好的是处于80°到100°之间的范围，更好的是处于85°到95°之间的范围。术语“前倾角差异”指模式的相邻区域中保持预定前倾角的界面液晶分子定义的矢量之间的差异角。作为例子，如果在图3中象素区域1中的前倾角是10°而在框架区域2中是80°，那么前倾角差异将是90°。
象素区域1中的前倾角通常小于约20°(在两个衬底上)，但是也可以使用更大的前倾角。框架区域2中的前倾角通常大于约45°左右但是也可以更小。
±90°单元中偏移扭曲角的绝对值|Φ0|(基态)通常是|Φ0|＜300°，但是也可以使用|Φ0|≥300°。扭曲差异角ΔΦ＝±90°意味着，ΔΦ具有量子化的尺寸并且约为±90°。
象素区域1的尺寸通常是几个10μm，对许多应用更好的是从4μm到400μm，但是可以更小和更大。
在本说明中描述的区域稳定性有可能产生多于两个稳定态5和6。
根据本发明的区域稳定单元可以进一步包含合适的内部和外部光补偿层以提高亮度和/或相反。例如这些补偿器可以包括液晶薄膜(单轴或扭曲层)，拉伸聚合物膜或这些膜的结合。
本发明可应用于透射和反射显示器。较好的是使用玻璃，塑料或CMOS作为衬底。
也可能具有除了显示器之外的应用。这包括例如电光快门和空间光调制器。
通常使用一电光快门来接通和切断光束。当将被处理的光源保持窄的光谱宽度时可以获得很高的对比度和亮度。例子是通常使用于无线电通信和其它用途的激光器或LED。对于具有较宽光谱宽度的光源，仍然可以获得好的对比度和亮度。依赖于D-BTN设计，需要黑色矩阵来抑制光在象素之间的稳定边界区域传播。
在空间光调制器(SLM)中每个象素可以是一个D-BTN元件。在各种SLM中有电和光寻址SLM，透射和反射型，以及振幅和相位调制SLM。由于每个象素可以位于两个态中的一个，SLM将代表一个二进制SLM。然而只要子象素尺寸大于所包含的LC元件的单元间隙，一个D-BTN象素可以再细分为子象素。
在许多情况下，电极尺寸大于或近似等于光图形化象素的尺寸。
由于在许多情况下根据本发明的区域稳定单元有利地具有一个适合于需要的温度范围的稳定间距，可取的是使用具有不依靠温度的间距的LC混合物。对这样一种LC混合物的可能的方法在Rolic有限公司的EP 0 450 025中有描述。
接下来的描述代表更优选地在两个衬底上具有图形化的排列层的附加设计和最优化可能。这样的最优化象素可以容易地转换和/或保持反抗单元中的压力诱导流的加强的机械稳定性。象素的第一类(更容易转换)通常更适合于多路显示技术，而后面的象素类型(加强机械稳定性)更适合于需要机械坚固度的长期双稳器件。具有位于以上两种情况之间的特性的折衷象素也是可以想象的。
已经观察到了一旦象素制备在能量稍微高的态并且被引进了一机械干扰时，象素的各边在承受干扰并保持初始态的强度上不同。一旦某一尺寸的子区域转换到能量更低态，整个象素将转换到该态。最容易机械地转换的子区域限制了象素的坚固度。这种工作情况将用一圆形象素的例子说明。
图8显示了底部排列层上的一圆形象素的例子。用与图1中相同的方法标示象素区域1和框架区域2。在一圆形排列模式象素的顶视图中，角度ψ指示了沿着象素边界的象素边界区域B的位置。选择参考角(ψ＝0°)作为象素排列取向的方位角取向。因此，角度ψ代表了方位角象素取向和边界取向之间的角度差异。两个态(低扭曲到高扭曲，和高扭曲到低扭曲)相互转换特性和低扭曲态反抗不同象素区域B中的机械干扰的机械强度依赖于角度ψ。
图8的描述首先假设了一个给定的双稳扭曲向列型器件有两个双稳态，例如，一低扭曲(LT)态和一高扭曲(HT)态。在具有根据本发明的象素并且在仅仅一个排列衬底上具有，例如矩形图形化象素，的器件中，能够观察到沿着不同象素边界的象素子区域在它们的转换特性上不同。这些象素边界子区域比其它的需要更多电能用于转换。
为了器件的象素从HT到LT态的适当的长期的转换，(其中HT态保持比LT态稍微低一点的能量，)所有的象素子区域必须转换，因为否则象素返回到原先的HT态。因此最难转换的子区域限制了整个象素的转换性能。在圆形象素的情况下，因此其特性依赖于指示象素边界子区域的一个角ψ。
对于具有定义在仅仅一个衬底上的象素的器件，因此具有以象素几何组态的形状的第一自由度。对于定义在仅仅一个衬底上的矩形图形化排列象素，这意味着该自由度是象素方位角取向和矩形象素的边之间的角度。象素几何组态或在矩形象素图形的情况下它们对于象素排列取向的取向代表了第一设计参数。随着两个排列层上的象素图形的使用，出现了第二个和更有效的设计自由度。主要的设计可能性(机会性)是方位角象素取向和定义所包含的边的象素的边取向之间的角度差异的值(例如对矩形象素，角度ψ1，ψ2，ψ3，和ψ4)。
图9到14显示了具有在两个衬底上的排列象素图形的不同实施方案。在这些情况下，一个将最优化的自由参数是两象素定义图形彼此相互偏移的方向(并且因此导致ψ1-ψ4)。它能够以这样一种方式完成，即基本上该优选象素的边贡献于作为结果的象素。由于对于象素有好的转换特性，需要低的前倾角，并且由于围绕该象素的稳定区域保持高的前倾角，由此作为结果的可转换象素区域是这样一区域，即其中两个图形化衬底都保持低的前倾角。
图9显示了具有低的前倾角区域62和64的两图形化排列衬底以及作为结果的象素1。底部象素图形边界显示为虚线而顶部象素图形边界显示为直线。作为结果的象素1由两底边线73和74，以及两顶边线71和72限定。这里，包含在两衬底上的排列区域64和62具有相同的尺寸和相同的形状。从两象素图形的完整的重叠开始两图形彼此相互偏移沿着对角线方向80。结果象素1的象素区域比两排列图形的区域62和64稍微小一点。
图10显示了两边上都具有排列图形的一区域稳定向列型液晶器件的顶部和底部排列衬底以及作为结果的器件象素的一个例子。从起作用的排列图形62和64的一完整重叠开始，两衬底在作为结果的象素区域1中的对角线方向80上彼此轻微相互偏移。底部衬底上的象素排列取向对于页面是水平的并且平行于两象素边。两个图形的相互偏移位于与图9前面的例子相比相反的方向。除了在方向80(与45°方向相关)上偏移的可能性，所述方向也可以具有与45°不同的一角度，例如40°，30°等等。
图11显示了具有象素区域和作为结果的象素的两图形化排列衬底。这相应于图10中所示的情形但是象素排列方向旋转45°。
图12显示了具有不相等排列图形62和64的另一实施方式。以这样一种方式调整排列衬底以致作为结果的象素被底部排列衬底的三条边71，72和74以及上部衬底的一条边73定义。因此，一排列衬底贡献于三条象素边并且另一排列衬底贡献于一条象素边。
图13显示了放置在一偏光器和一分析器之间的所制造的器件的两幅画面。上面的图显示了一器件，其中两个排列衬底都被图形化并且以这样一种方式彼此相互偏移以致导致四个不同象素。在LT态制备它们并应用一强机械力之后，四个象素的三个转换到能量稍微低的HT态。由于更强的象素边界，第四个象素类型“幸免于”该机械干扰(右上象素)。后者的象素保持与图9中描述的相似的取向。
图13的下图是具有根据图9的几何组态的所有象素的一个器件的例子。一半的象素处于LT态而一半的象素处于HT态。
图13的上图，例3，说明了所制造的具有不同类型象素的一器件中的不同机械稳定性。两个图形化排列衬底都根据例1中描述的方法被制备以用于底部图形化排列衬底。单元厚度还是5μm并且使用相同的Vantico(前Ciba特殊化学药品有限公司)LPP光聚合物JP265和相同的Merck液晶MLC14000。两衬底的排列图形显示在图9上半部中。象素排列图形是300×300μm2。在最后的器件中两排列衬底以这样一种方式彼此相互偏移以致在一底部象素区域上四个顶部象素区域产生在四个角中。这样单元的一部分显示在图13的上半部，那里能够看见两个这样的四折叠象素阵列。
首先在它们的LT态制备象素(如第一个例子中描述)。接着器件暴露于强的机械干扰，它在单元中引起一流动。该流动在除了称作右上象素的一个之外的所有象素类型中诱导从LT到HT态的一转变。象素类型和它们对于机械诱导流的抵抗力总结在下面象素/LT稳定性的列表中：
    象素     右上     左上     右下     左下
  LT稳定性     强     中     中     弱
“幸免于”机械干扰的右上象素在一对偏光器分析器之间显得暗，如图13的上半部所示。在平行偏光器/分析器之间LT和HT态的原始干涉颜色是绿色和红色。为了加强象素的光学对比度，在液晶器件之后的光路上加上一5μm厚的无源-90°扭曲向列型单元。如图13所示这些补偿象素在LT态显得暗而在HT态显得亮。
图13的下图，例4，示出了由与例1中使用的一样的两图形化排列衬底组成的一元件(300×300μm2的象素排列图形)，但是现在两衬底以这样一种方式彼此相互调整以致仅仅导致右上角象素类型。两个相应的排列图形和作为结果的象素显示在图9中。对这样一元件一衬底移离另一衬底的距离可以优选在3到20μm之间。对该图，由此制造的元件是通过LT和HT态中的象素制备。能够看到，象素周围无重叠区域是作为结果的总的象素区域的一小部分。此外，为了加强象素的光学对比度，在光束路径上加上一无源-90°扭曲向列型单元。
在图14中显示了可以方便使用方位角象素取向和定义所包含边的象素的边界取向之间的角差异的特殊值的本发明的另一实施方式。该实施方式是通过两图形化排列衬底60和61制成，它们示意在图的上半部。与以前描述的图形化衬底相反，仅给本衬底提供L正方形形状的稳定区域63和65(框架区域)的一小区域。
当两图形化衬底60和61结合时，以这样一种方式彼此调整它们以致如图的下半部描述那样形成一象素区域1。该象素接界稳定区域63和65，它们设立了边框或边界区域2以致底部衬底贡献于上部和右象素边界73和74，而顶部衬底在下部和左边界71和72限定了象素。

Claims (27)

1.一液晶电光元件(12)包括一对衬底(10，11；20，21；30，31；60，61)，给它们各自的相对的内表面提供各排列表面或层，和夹在所述排列表面或层对之间的向列型液晶，其特征在于至少一个排列表面或层以这样一种方式图形化以致方位角或前倾或两个排列方向(14到15，14到17，16到18，14到19，16到19)在该图形的相邻区域中是不同的，因此至少在液晶的某些区域中定义了一基态(Φ0)和至少两个双稳或多稳态(Φ+，Φ-)并且抑制了液晶中基态的生长。
2.根据权利要求1的元件，其特征在于图形的相邻区域之间的前倾角差异处于70°到110°之间的范围。
3.根据权利要求2的元件，其特征在于图形的相邻区域之间的前倾角差异处于80°到100°之间的范围。
4.根据权利要求3的元件，其特征在于图形的相邻区域之间的前倾角差异处于85°到95°之间的范围。
5.根据权利要求1到4中的任意一个的元件，其特征在于相应于衬底(11)的排列层包括对于整个衬底(11)的全局性的取向，以及相应于另一衬底(10)的排列层包括相互隔开的各第一部分(32)中的第一排列方向(14)，和位于各第一部分(32)之间的各第二部分(33)中的第二排列方向(15)，其中各第一部分(32)的各区域形成象素区域(1)。
6.根据权利要求5的元件，其特征在于第一排列层(34)中的前倾角小于20°(16)，更可取的是小于10°，以及对所述象素区域(1)无贡献的区域(33)中的第二排列层中的前倾角大于50°(15)，更可取的是约80°，以及在对所述象素区域(1)有贡献的区域(32)中第二排列层中的前倾角小于20°(14)，更可取的是小于10°。
7.根据权利要求5或6的元件，其特征在于第一排列层(34)和贡献于所述象素区域(1)的区域(32)之间的方位角差异大约是90°，并且第一排列层(34)和对所述象素区域无贡献的区域(33)之间的方位角差异大约是-90°。
8.根据权利要求1到4的任意一个的元件，其特征在于相应于一衬底(21)的排列层包括相互隔开的各第一条纹部分(24)中的各第一排列方向(16)和位于各第一条纹部分(24)之间的各第二条纹部分(25)中的各第二排列方向(18)，以及相应于另一衬底(20)的排列层包括相互隔开的各第三条纹部分(22)中的各第三排列方向(14)和位于各第三条纹部分(22)之间的各第四条纹部分(23)中的各第四排列方向(17)，其中衬底(20和21)以这样一种方式安装以致各第一和第二条纹部分(24和25)在相对于各第三和第四条纹部分(22和23)的一个角度上，其中中间夹的具有第一和第三条纹部分(22和24)的区域形成象素区域(1)。
9.根据权利要求8的元件，其特征在于第一条纹部分(24)中第一排列层中的前倾角小于20°(16)，更可取的是小于10°，以及第二条纹部分(25)中第一排列层中的前倾角大于50°(18)，更可取的是约80°，以及第三条纹部分(22)中第二排列层中的前倾角小于20°(14)，更可取的是小于10°，以及第四条纹部分(23)中第二排列层中的前倾角大于50°(17)，更可取的是约80°。
10.根据权利要求8或9的元件，其特征在于第一条纹部分(24)和第三条纹部分(22)之间的方位角差异是90°，并且第一和第二排列层(24，25)以及第三和第四排列层(22，23)之间的方位角差异分别是180°。
11.根据权利要求1到4中的任意一个的元件，其特征在于相应于一衬底(31)的排列层包括在各第一部分(35)中各第一排列方向(16)和在各第二部分(36)中各第二排列方向(29)的一格状图形，以及相应于另一衬底(30)的排列层包括在第三部分(37)中第三排列方向(14)和在第四部分(38)中第四排列方向(19)的一格状图案，其中衬底(30和31)以这样一种方式安装以致第一和第二部分(35和36)分别全等于第三和第四部分(37和38)，其中每一被夹的部分(出自35和37的51，出自36和38的52)形成象素区域(1)。
12.根据权利要求11的元件，其特征在于第一排列层和第二排列层中的的前倾角小于50°(14，16，19，29)。
13.根据权利要求11或12的元件，其特征在于第一排列层的第一部分(35)和第二部分(36)之间的方位角差异是180°，第二排列层的第三部分(37)和第四部分(38)之间的方位角差异是180°，以及第一和第三部分(35和37)之间与第二和第四部分(36和38)之间的方位角差异是90°。
14.根据权利要求11到13的任意一个的元件，其特征在于第一、第二、第三和第四部分(35，36，37，38)是矩形部分，更可取的是方形部分。
15.根据权利要求1到4中的任意一个的元件，其特征在于相应于一衬底(61)的排列层包括相互隔开的各第一部分(64)中的各第一排列方向(16)和位于各第一部分(64)之间的各第二部分(65)中的各第二排列方向(18)，以及相应于另一衬底(60)的排列层包括相互隔开的各第三部分(62)中的各第三排列方向(14)和位于第三部分(62)之间的各第四部分(63)中的各第四排列方向(17)，其中衬底(60和61)以这样一种方式安装以致第一和第二部分(64和65)分别全等于第三和第四部分(62和63)，其中第一部分(64)和第三部分(62)的区域形成象素区域(1)。
16.根据权利要求15的元件，其特征在于第一部分(64)中的前倾角小于20°，更可取的是小于10°，以及在第二部分(65)中的前倾角大于50°，更可取的是约80°，以及在第三部分(62)中的前倾角小于20°，更可取的是小于10°，以及在第四部分(63)中的前倾角大于50°，更可取的是约80°。
17.根据权利要求15或16的元件，其特征在于第一部分(64)和第三部分(62)之间的方位角差异大约是90°，并且第二部分(65)和对所述象素区域无贡献的第四部分(63)之间的方位角差异大约是-90°。
18.据权利要求1到4中的任意一个的元件，其特征在于相应于一衬底(61)的排列层包括相互隔开的各第一部分(64)中的各第一排列方向(16)和位于各第一部分(64)之间的各第二部分(65)中的各第二排列方向(18)，以及相应于另一衬底(60)的排列层包括相互隔开的各第三部分(62)中的各第三排列方向(14)和位于各第三部分(62)之间的各第四部分(63)中的各第四排列方向(17)，
其中在沿着第一部分(64)和第三部分(62)的边界的不同子区域中，在双稳或多稳态(Φ+，Φ-)之间转换分别需要不同的能量，并且其中衬底(60和61)以这样一种方式安装以致第一部分(64)和第三部分(62)的区域形成象素区域(1)，因此
象素区域(1)被沿着第一部分(64)的边界的第一被选子区域(71，72)和沿着第三部分(62)的边界的第二被选子区域(73，74)限定，所选第一和第二子区域(71，72，73，74)比沿着第一部分(64)和第三部分(62)的边界的其余的子区域需要a)根据一个选定的情况更多或b)根据另一选定的情况更少的能量以用于转换。
19.根据权利要求18的元件，其特征在于衬底(60和61)以这样一种方式安装以致第一和第二部分(64和65)分别不全等于第三和第四部分(62和63)，但是沿一方向(80)偏移。
20.根据权利要求18或19的元件，其特征在于第一部分(64)中的前倾角小于20°，更可取的是小于10°，以及在第二部分(65)中的前倾角大于50°，更可取的是约80°，以及在第三部分(62)中的前倾角小于20°，更可取的是小于10°，以及在第四部分(63)中的前倾角大于50°，更可取的是约80°。
21.根据权利要求18到20中的任意一个的元件，其特征在于第一部分(64)和第三部分(62)之间的方位角差异大约是90°，并且第二部分(65)和对所述象素区域无贡献的第四部分(63)之间的方位角差异大约是-90°。
22.根据权利要求18到21中的任意一个的元件，其特征在于第一部分(64)和第三部分(62)是不相等的形状，其中第一部分(64)的一部分与第四部分(63)重叠并且第二部分(65)的一部分与第三部分(62)重叠。
23.根据任何前面的权利要求的元件，其特征在于至少一个排列层中的排列方向是通过光排列产生的。
24.一液晶显示器件，包括前面的任意一个权利要求中定义的一液晶电光元件。
25.一液晶显示器件，其中，通过将前面任一权利要求限定的液晶电光元件的每一电极形成为扫描电极组和信号电极组，并且由扫描电极组和信号电极组的交叉点形成象素来设置一个矩阵。
26.一电光快门，包括权利要求1到23中的任意一个定义的一液晶电光元件。
27.一空间光调制器，包括权利要求1到3中的任意一个定义的一液晶电光元件。
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