CN1636236A - 液晶装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种液晶装置，包括以一种布置置于两个单元壁(4，6)之间的液晶材料(2)层，该布置使得该液晶材料(2)可以采用在没有外加电场的情况下仍持续的两种或更多种稳态液晶结构中的任何一种。该液晶装置可在两个模式下操作：第一模式，施加合适的锁定电压脉冲可以选择两种或更多种稳态液晶结构中的任何一种，第二模式，施加电场可以将液晶材料层从锁定的结构切换为被切换的结构，并且其中当所施加的电场去除时该液晶材料层将返回所述锁定的结构。

Description

液晶装置
本发明涉及一种液晶装置，特别是涉及可以在两种不同模式中的任何一种下操作的液晶装置。
液晶装置(LCD)通常包括容纳在一对单元壁(cell wall)之间的液晶材料薄层。单元壁的内表面通常涂有特定材料，或以某种方式使液晶具有一定的表面排列度。这样液晶本体将采用依赖于单元壁的表面排列特性以及各种其它因素的结构，其它因素例如液晶材料的类型和液晶层的厚度。一个单元壁或两个单元壁上的光学透明电极结构可以使电场施加到液晶层上。
典型的液晶显示装置可以被设计为通过施加适当的电场可以选择两种或更多种液晶结构。将不同的液晶结构设计为是光学可区别的，使得液晶装置中可具有光学对比。例如，适当地位于一对偏振器之间的液晶装置可以具有一种使光穿过系统透射的结构以及阻止光穿过的结构。
我们知道单稳态液晶装置，其中液晶分子只能具有一种稳定的结构。施加电场可以使液晶分子的结构畸变，但是一旦去除电场，液晶在经过一定的特征时间(通常为几十毫秒到几秒)后将返回其单一的稳定结构。
扭转向列(TN)和超扭转向列(STN)LCD是单稳态装置的例子。可以通过施加适当的电压使该TN和STN装置切换为“通”状态，当所施加的电压减少到一定电平以下时，则该TN和STN装置将切换回“断”状态。应当注意术语“通”和“断”分别涉及施加高(即切换)电压和低(即非切换)电压，并不一定涉及所观察到的显示器的光透射。由于这些装置是单稳态的，因此功率损耗将导致图像的损失。
可以利用行和列电极条在上和下单元表面上构成多像素TN和STN无源矩阵显示器，这使得该装置可以被多路复用。选择施加到行和列电极上的驱动电压，从而可以向显示器的各像素施加大量单独的RMS电压电平。如Alt和Pleschko在IEEE Trans ED 211974第146-155页中所述，在阈值转移方式下，典型TN装置的光学透射随RMS电压非线性地变化。利用RMS方法可被寻址的像素的最大数目由TN或STN装置的光学透射与电压之间的特征曲线来决定，在实际中，已经证明由于串扰效应和制造公差，很难制造具有显著大于大约500个信息线的无源矩阵STN显示器。而且还已经证明可以使用其它正交函数例如Walsh函数来实现无源寻址TN和STN显示器。
已经发现在TN LCD中靠近各像素结合一驱动元件例如薄膜晶体管(TFT)或其它这样的非线性元件(例如背对背二极管，铁电层等)将显著地增加可被寻址的像素的总数目；这样的显示器称为有源矩阵。除了可被结合在TN显示器中的增加数目的像素，有源矩阵TN装置与多路复用的TN或STN显示器相比还具有很多其它优点，例如要求相对较低的操作电压，温度操作范围较宽以及提供灰度级的能力。TFT被切换的速度允许快速的顺序扫描显示器中的行和列，从而实现高速、视频速率、操作。由于利用TFT将各像素隔离，因此在有源矩阵装置中可以有效地去除串扰的影响。
很多单稳态装置可以通过控制施加到液晶材料层的电压的幅度来获得灰度级。选择具有浅的透射-电压特性的TN液晶结构并施加驱动电压以产生中间传输电平，从而可以在有源矩阵TN装置中得到灰度级。像素还可包括存储电容器以允许保持电荷，从而在有限的时间段内保持施加在液晶上的电场。在TN有源矩阵装置中，液晶是单稳态的，随着施加在像素上的电场衰减，液晶将返回到弛豫的结构。因此，在有源矩阵TN显示器上保持一个图像需要规则地更新各像素以及施加连续的电源。
有源矩阵TN装置今天通常在用于膝上型计算机、计算机监视器、便携式TV等的商用显示器中，并且本领域技术人员已知可以视频帧更新率以多灰度级工作的装置。对有源矩阵LCD技术的更多详细介绍可以参见例如R.G.Stewart(1996)有源矩阵LCD，信息显示协会，研究会报告纪要，第1卷，1996年5月13日，San Diego会议中心，CA，M5-1-35(P3.17-19)。
利用印刷技术或射流自装配技术被转移到装置衬底上的半导体电路的使用也可以形成分立的半导体电路，这些电路可以寻址两个或更多显示像素。这种装置的说明可以参见2000年9月25-28日在PalmBeach Florida USA举行的(2000)第20届国际显示器研究会议的论文集第415-418页中R.G.Stewart的论文。
US06120588说明了电泳墨水也可与TFT结合使用。使用TFT有源矩阵可以去除由电泳墨水导致的串扰的影响，它的状态之间不具有明显的阈值。这些装置也在第20届IDRC会议，84-87中由K.Amundsen和P Drzaic(2000)进行了说明。
另一种已知类型的LCD装置是双稳态装置。在双稳态LCD中，在没有施加电场的情况下，液晶材料可具有两个不同的稳定的结构。对双稳态LCD的研究主要在于他们存储图像的固有能力以及高的多路复用能力。这使得不需要具有昂贵有源矩阵背板的装置并且这实现每次传送一行的无源寻址。
对双稳态液晶层施加合适的电场可以实现在其所具有的两个稳态结构之间进行切换，也就是所谓的“锁定”。下文中“锁定”用于表示液晶从一个稳态结构到另一个稳态结构的转变，从而在去除所施加的电压后还能保持该状态，同时“切换”表示对液晶结构的任何场诱发的变化，其包括单稳态切换效应。
双稳态液晶装置几乎仅利用无源矩阵技术来寻址；显示器是利用上下单元表面上的行和列电极条构成的，这允许该装置可被复用。在没有功率的情况下存储图像的固有能力可能允许一次一线构建合成图像，并使双稳态装置可以在需要低能耗的应用中大受欢迎，这些低能耗应用例如膝上型计算机、PDA和移动电话装置。
双稳态液晶显示器的例子包括如N A Clark和S T Lagerwall，Appl.Phys.Lett.，36，11，899’(1980)中所述的表面稳定的铁电液晶(SSFLC)装置。铁电液晶装置通常是无源寻址的，但是由于FLC材料可以在两个稳态结构中极为快速的锁定，因此他们也可与有源矩阵背板组合从而产生具有非常快速帧时间的装置，参见例如(2000)第20届IDRC会议论文集((2000)Proceeding of the 20th IDRC)第13-17页J.Xue和M.A.Handschy的论文。
还有已经论证了(见US5604616)可以伪双稳态方式操作胆甾型显示器。可以通过施加高电压使该显示器从第一稳定状态电锁定为第二稳定状态。一旦将该装置锁定为第二稳定状态，则它可以被有效的“冻结”在该状态，并只可能通过加热该装置使其温度高于液晶材料的各向同性温度，实现可靠地重新选择第一稳定状态。该第一和第二稳定状态都是具有不同程度的整体扭转的扭转向列结构。在所谓的向列模式下操作该装置可以实现装置从稳定状态中的任何一个的RMS切换。US5604616中的装置不具有任何真正的双稳态操作的优点，例如这样的装置不允许只利用电寻址技术，使在没有施加电源时存留的图像被写入并随后多次重新写入。
在专利申请WO91/11747(“双稳态电手征控制的液晶光学装置”)和WO92/00546(“具有由弯电效应控制的表面双稳定性的向列液晶显示器”)中可以看出通过利用手征离子或弯电耦合可以使向列液晶具有两个稳定状态并在两个稳定状态之间切换。
WO97/14990教导了怎样利用给定设计的光栅来构造天顶双稳态装置(ZBD)，从而使向列液晶分子可以在同一方位平面采用两个稳定的预倾角。这些状态中的一个是高预倾角状态，另一个是低预倾角状态，装置可以采用两种稳定的液晶结构中的任何一种并在它们之间容易地切换。WO99/34251教导了另一种具有扭转向列结构的负介电各向异性材料的ZBD装置。专利申请GB0017953.1描述了一种表现出多个稳态而不是双稳态的天顶稳定装置。
ZBD的两个稳态的液晶结构可以在去除驱动电信号后持续保持，且(见Wood等SID Digest 2000)该装置可以承受机械冲击，并在低驱动电压(＜20V)时提供数十微秒的锁定时间，并具有很高程度的多路复用性。在(1998)亚洲显示器会议论文集(1998)proceedings ofAsia Display第1051-1052页中Bryan-Brown等还论述了利用可以实现像素的部分开关的线性调频脉冲光栅实现灰度级。
虽然双稳态装置对于低能耗和低成本应用很理想，但是在特定应用(例如当显示视频图像时)中还需要在暗和亮状态之间具有大量的灰度级。利用时间和/或空间抖动可以在真正的双稳态装置中实现灰度级，其中可以通过以比观众可感知的速率更快的速率对各像素进行“开”和“关”转换或通过将每个像素分为两个或多个加权的子像素区域来提供灰度级的感知。
在双稳态显示装置中利用空间和/或时间抖动技术会增加复杂度，从而增加装置的单位成本。例如空间抖动增加了行和列驱动器的数目，需要更细的轨迹从而增加了轨迹电阻以及在板面上的阻性功率损耗，还需要更精确的蚀刻技术来确保灰度级响应的线性。由于这些原因，至少目前为止，本领域技术人员所公知的无源寻址的双稳态装置不能产生大数目的灰度级和运动视频图像。
本发明的一个目的是缓和与上述液晶装置相关的某些缺点。
根据本发明的第一方面，液晶装置包括以一种布置置于两个单元壁之间的液晶材料层，该布置使得该液晶材料可以采用在没有施加电场的情况下仍保持的两种或更多种的稳态液晶结构中的任何一种，该液晶装置可在两个模式下操作：在第一模式下，施加一合适的锁定电压可以选择两种或更多种稳态液晶结构中的任何一种，在第二模式下，施加电场可以将液晶材料层从锁定的结构切换为被切换的结构，并且当所施加的电场去除时该液晶材料层将返回所述锁定的结构。
根据本发明第一方面的装置，当在第一(多稳态)模式下操作时，具有可以在不需要装置的连续电寻址的情况下存储图像的优点。一旦图像被存储，可以通过将装置锁定为所需的状态来去除该图像(或写入替换图像)。如上所述，在装置中写入(需要时重新写入)图像且该图像在断电时仍然存留的能力可以降低装置的整体能耗。这在装置被结合在便携式设备例如膝上型计算机、PDA、数字相机、电子画框、移动电话等时特别有用。
当根据本发明的装置在第二模式下操作时，还可从任何一个稳态的(即锁定的)液晶结构切换为“切换后的结构”。在向该装置提供电源时，该切换后的液晶结构将保持，但是当去除所加电场时液晶将衰变回到稳定的液晶结构。第二模式操作可以比第一(即多稳态)模式下的操作提供更多数目的灰度级或更快的切换速率。换句话说，在瞬时的液晶状态之间的切换可以用于显示图像，但这种图像需要定期更新。
根据本发明的装置可具有通常只与多稳态或单稳态装置相关的优点。例如，可通过在第一模式下操作实现低功率操作以及在第二模式下操作实现更快的图像更新和/或增加数目的灰度级等。
有利地，该液晶显示装置在第二模式下操作之前，可被锁定为特定的稳态结构。通常被选择的状态是与在第二模式下由电场诱发的状态最不相似的状态。
优选地，一种布置是液晶材料可采用三种或更多种稳态的液晶结构中的任何一种。然后提供锁定电压脉冲从而在三个或更多种稳态结构的任一种之间进行切换。
方便的，一种布置是液晶材料可采用两种稳态液晶结构中的任何一种。换句话说，该装置是双稳态的，通过施加适当的锁定电压脉冲可以选择两种稳态液晶结构中的任何一种。
有利的，在适于提供两种稳态的液晶结构的至少一个单元壁的内表面上提供表面排列光栅。该提供天顶双稳定性的表面排列光栅已经在现有技术例如WO97/14990中被说明。
方便的，液晶材料包括向列液晶材料。
优选，液晶装置可包括位于第一单元壁内表面上的表面排列光栅和位于第二单元壁内表面上的平面表面处理，该布置使稳态的液晶结构中的一种是扭转向列(TN)结构。
换句话说，由表面排列光栅导致的两种稳态排列的结构中的一种在一个单元壁上实现液晶基本平面排列，另一单元壁上的均匀表面处理可以导致在该壁上液晶的基本平面排列。由一个单元壁上的表面排列光栅导致的基本平面排列的面内排列方向基本不同于由另一单元壁上均匀表面处理导致的面内排列方向，从而使所采用的稳态液晶结构中的一种是扭转向列结构。
这里术语扭转向列(或TN)结构是指其中液晶从一个单元壁处的取向扭转为另一单元壁处的第二取向的结构。该术语包括所谓的超扭转(STN)结构等。
方便地，在扭转向列结构中液晶材料从第一单元壁到第二单元壁的扭转大于45°或大于90°或大于180°或大于270°。
有利地，在第二模式下操作之前，该装置被锁定为扭转向列结构。
这样，天顶双稳态装置(zenithally bistable device)提供有作为扭转向列(TN)结构的一种稳态的液晶结构。与现有技术中所描述的单稳态TN结构相似，该TN结构可响应RMS电压而切换。换句话说，装置可以通过施加电脉冲锁定为两种双稳态中的任何一种以及按照与单稳态TN装置相似的方法响应所施加的电压而切换。于是TN装置的优点与电锁定的双稳态操作的优点结合。
有利地，液晶装置包括位于第一单元壁内表面上的表面排列光栅和位于第二单元壁内表面上的同回归(homeotropic)表面处理，该布置使得稳态的液晶结构中的一种是垂直排列的向列结构。
换句话说，采用一个单元壁内表面上的表面排列光栅使其诱发基本同回归的排列，另一个单元壁上的表面处理导致液晶的基本同回归排列，从而使所采用的稳态液晶结构中的一种是垂直排列的向列(VAN)结构。
本领域技术人员应当理解术语垂直排列向列结构表示其中该装置中的液晶导向器的取向都基本垂直于装置的单元壁的任何液晶结构。换句话说，向列液晶相对于水平单元壁垂直排列。
方便地，在第二模式下操作之前，该装置被锁定为垂直排列的向列结构。
优选，液晶材料包括一种向列(或长间距胆甾)材料。方便地，液晶材料还可包括胆甾液晶材料。有利地，液晶材料包括小于0.02wt％的胆甾液晶材料。
有利地，液晶层厚度与液晶材料间距的比例大于0.25和/或小于1.25。
包括胆甾掺杂物可以使扭转向列结构很容易实现具有大于90°的扭转。具有大于90°的扭转的TN结构将实现像STN一样的较陡的电-光切换阈值。这种陡的阈值可以降低串扰效应并在连续模式下对大量的线进行无源寻址。
优选，液晶材料具有负介电各向异性或者正介电各向异性。
优选，单元壁包括用于向液晶施加电场的电极，该电极排列形成可寻址像素的矩阵。
方便地，该装置包括在第一单元壁上形成的行电极和在第二单元壁上形成的列电极，第一和第二单元壁的布置方式将限定可无源寻址像素的阵列。然后通过施加适当的行和列电压波形，对显示器进行多路复用操作。
有利地，该装置包括独立地向各单独像素施加电场的装置。换句话说，可以提供有源背板。
方便地，向各单独像素独立地施加电场的装置包括薄膜晶体管元件，它可有利地具有与其相关的存储电容器。该存储电容器允许存储电荷从而使电场在液晶上保持一段时间；由于上述与有源矩阵单稳态装置相关的原因，该电荷存储对于以第二模式操作的装置的操作性有利。
在另一优选实施例中，该装置包括至少一个分立的半导体电路，它可以寻址两个或更多显示像素。这种半导体电路已经在2000年9月25-28日USA Palm Beach Florida举行的第20届国际显示器研究会议论文集(2000)((2000)Proceedings of the 20th InternationalDisplays Research Conference)中R.G.Stewart的论文中说明。
优选，采用该装置使得在不同的像素或像素组上同时使用第一模式操作和第二模式操作。
有利地，将以第二模式操作的像素可以在以第二模式操作之前，被锁定为预定的稳态液晶结构(即空白的)。
因此显示装置的给定部分可以在第一模式下操作，而另一部分可以在第二模式下操作。在显示器情况下，这样可以使装置的特定区域利用第二模式操作的更快切换速度或增加的灰度级，同时可以通过使显示器的其余部分在第一模式下操作而在一定程度上节省功率。例如，可要求膝上型计算机显示器只在显示器的特定区域或窗口内显示动态或高分辨率图像。
方便地，施加到装置上的驱动电压基本上在时间上是d.c.平衡的。这防止了液晶材料的老化。
优选，第二模式适于以视频速率(即，每秒50或以上帧)和/或以至少64或256灰度级来显示图像。第二模式还可以较低速率(例如10帧/秒)来操作，从而显示黑白动画。
在另一优选实施例中，该装置包括至少一个偏振器来区别不同的液晶结构。本领域技术人员应当知道多种方法，其中布置一个或两个偏振器，或可能与附加的光学元件(例如延迟薄膜等)来结合，从而得到对应不同液晶结构的光学对比度。还应当知道除了提供偏振器外，液晶材料中还可以另外包括染色剂。
有利地，该装置还包括反射装置，并且该装置被配置在反射模式下操作。该反射装置包括镜面反射层或位于一个单元壁上与另一单元壁上的漫射体组合的反射层。
液晶显示装置可附加地包括彩色滤光元件。或者，根据需要使用彩色反射器或彩色吸收器或彩色偏振器。从而得到彩色显示器。
优选，该装置还包括用于选择第一模式或第二模式操作的装置。
例如，可以提供用于区分与静态图像和视频信号相关的信息的装置。例如可以在存储模式下对计算机屏幕上的页面中的文本区域进行寻址，同时在连续模式下对动态图像进行寻址。或者，该装置可以通过考虑将要显示的数据格式来选择操作模式。例如，当该装置显示时钟时，它可以在连续模式下显示秒，但在存储模式下显示分和小时以及其它信息(例如日期、图标等)。
还可以操作该装置从而在第二模式下更新一行信息(例如当前正在编辑的文本行)，同时利用第一模式显示该显示器的其余部分(即，当前没有被编辑处理的文本)。本领域技术人员应当知道怎样从用于构造显示的图像数据的图形硬件和/或软件中得到适当的选择第一模式或第二模式操作的信号。该技术对于其中在第一模式操作(即锁定)期间对比度降低的装置特别有用。
根据本发明的第二方面，信息显示装置包括一微处理器单元，它用于对根据本发明第一方面的液晶装置进行电子寻址。该信息显示装置可以是膝上型计算机、PDA、数字照相机、电子画框、移动电话等。
根据本发明第三方面，操作液晶装置的方法包括以下步骤：获得一液晶装置，该装置的布置可以使液晶材料采用两个或更多稳态液晶结构中的任何一个，这些稳态液晶结构在没有施加电场的情况下仍然保持；确定在第一模式还是第二模式操作该装置，在第一操作模式下，可以通过施加适当的锁定电压来选择两个或更多稳态液晶结构中的任何一个，在第二操作模式下可以施加电场将液晶材料层从锁定的结构切换到切换后的结构，并且当所施加电场去除时，液晶材料层将返回所述的锁定结构。
方便地，该液晶装置包括多个像素，并且其中只有一些像素在第二模式下操作。
有利地，液晶材料在第二模式下操作之前被锁定为特定的稳态结构。
优选，对适当构造的天顶双稳态装置执行本方法。
本发明提供了一种液晶显示装置，它可以在两种模式下操作，其中第一模式是多稳态模式，使得图像可以在不存在电场的情况下保留；在向装置施加适当的电场时与第一模式相比第二模式提供了更多数目的灰度级和/或更快的切换速度和/或在不导致不希望的对比度变化的情况下的寻址和/或显示动态图像的能力。
换句话说，液晶装置(LCD)包括，容纳在两个单元壁之间的液晶材料层以及向其施加电场的装置，光学上区分液晶层的不同结构的装置，其中采用该LCD使得在施加电场的情况下，该装置的光学透射特性可以受控方式被改变，其中不同的电场产生多个透射水平，其中液晶材料层还可以是双稳态的，从而在没有施加电场的情况下液晶材料可以采用两种结构中的任何一种，而施加具有适当极性、幅度和方向的电压脉冲可以使液晶材料锁定为其双稳态状态中的任何一个。
另外，本发明还提供一种以双模式操作液晶装置的方法，该方法包括以下步骤：在锁定模式下操作该装置，从而可以选择两种或更多稳态的液晶结构，所述稳态液晶结构可以在不存在外加电压的情况下保持；所述方法还另外或者可替换地包括在第二模式下操作装置的步骤从而使电场的施加提供多种暂态液晶结构，由此执行在锁定模式下操作LCD的步骤从而将LCD切换到稳态结构，使得所选择的稳态结构将在不需要连续消耗功率的情况下得以保持。
可以参照下面的附图来说明本发明，附图为：
图1示出现有技术ZBD的示意图；
图2示出现有技术ZBD的切换特性；
图3示出根据本发明的装置的透射-电压响应；
图4示出现有技术TN有源矩阵装置的示意图；
图5示出根据本发明的有源矩阵装置；
图6示出一无源寻址状态；
图7示出ZBD测试单元在施加RMS电压和锁定电压时透射变化的比较；
图8示出对于参照附图7所说明的测试单元的透射和RMS电压的关系；
图9示出根据本发明的矩阵复用液晶显示器的平面图；
图10示出图9的显示器的截面部分。
参照图1，示出在WO99/34251中描述的类型的天顶双稳态装置。具有负介电各向异性的向列液晶材料层2被夹在第一玻璃壁4和第二玻璃壁6之间。该第一玻璃壁4上涂有双稳态表面排列光栅8，该光栅8上涂有同回归表面活性剂，如WO97/14990和WO99/34251中所述，光栅表面附近的液晶可选择采用无缺陷或缺陷排列结构。通过例如利用聚合物涂覆来处理第二玻璃壁6，该聚合物随后被摩擦从而使向列液晶材料2在第二玻璃壁6上诱发平面表面排列。
图1a和1b中分别示出由表面排列光栅导致的无缺陷和缺陷结构。
在图1a所示的无缺陷结构中，向列液晶在表面排列光栅8和液晶2之间的界面处取向以便基本垂直于光栅的局部表面。在与液晶单元的整体厚度相比的距光栅液晶界面近距离之内，液晶采用基本同回归的排列结构。在第二玻璃壁6处诱发液晶的均匀排列，从而得到倾斜的液晶结构。
在图1b的缺陷结构中，在凹和凸缺陷位置的附近形成所谓的缺陷或不足。形成缺陷对的结果是在与液晶单元整体厚度相比，距光栅液晶界面的近距离内，向列液晶将采用具有基本较少的预倾同回归结构的结构。在该结构中形成60°的扭转结构，它小于平面倾角(通常20°左右)
WO99/34251描述了当利用具有负介电各向异性的向列材料形成的这种结构如何降低不希望的RMS电压效应和提高双稳态性能。
参照图2，以描述将装置在缺陷和无缺陷状态之间进行切换所需的电压和切换脉冲宽度之间关系的图形的方式来说明图1所示的装置的切换特性。这些在其它地方有进一步的详细描述(例如WO97/14990，WO99/34251)。
将图1所示类型的装置置于一对交叉偏振器之间，例如在图1a的倾斜的无缺陷状态和图1b的扭转缺陷状态之间实现光学对比。本领域技术人员将马上明白对于具有给定双折射的液晶材料如何最优化单元的厚度，从而最大化所得到的对比。本领域技术人员还应当知道可以使用多个可替换的光学系统来观察缺陷和无缺陷状态的光学特性的差别。
如上所述，利用双稳态装置很难实现全色图像所需的256灰度级，实现这个目的的一个方法是使用空间抖动。例如，行为1∶2比例和列为1∶4比例的数字加权可以实现8个灰度级，即使每个像素只有2个固有级别。如果还需要中间(或模拟)级别，则分别以1∶3和1∶9的比例加权行和列可以实现最大为81的灰度级。这对于全色应用仍然是不够的。如果通过行为1∶4的比例和列为1∶16的比例加权实现4次级，则可以显示256静态灰度级。
但是，以这种方式使用空间抖动存在很多问题。它将使行驱动器的数目和列驱动器的数目加倍，从而增加整个模块的成本。沿着细轨迹的损耗也变得重要。例如利用250μm的像素间距和10μm的最小腐蚀，4级ZBD需要的最小子像素宽度为13.5μm。虽然可能制造，但是大面积平板的轨迹阻抗将非常大，沿线的信号损耗也非常大。而且蚀刻误差(特别对于最小有效位)将导致灰度级的非线性或损耗。
对于显示装置的另一个重要要求是需要视频操作，它通常是以大约50Hz的帧频进行的。假设液晶材料和单元间隙可被选择为给出合适的快速光学响应，由于晶体管开关的快速，视频操作很容易利用TFT驱动的LCD实现。对于双稳态显示装置，例如ZBD，帧频主要由两个因素来决定：线寻址时间乘以线的数目以及光学响应时间的减慢。对于具有大量数目的线的非常复杂的显示器，很难实现视频速率(即50Hz)操作。这种情况在使用空间抖动后变得更坏，因为这将导致显示器中可寻址的行将至少变为两倍。
本发明提供一种装置，它与现有技术的ZBD装置相似可以锁定为两个稳态ZBD状态中的任何一个；它可以在双稳态模式或图像存储模式下操作。另外，本发明的装置还可被设计为在子锁定电压表现出RMS电压响应；即还可以在子锁定或连续模式下操作。换句话说，该装置可以作为双稳态装置并在RMS模式下操作。装置操作的这种双重模式与目前技术中的操作模式不同，因此单稳态和双稳态装置的电寻址也非常不同。
参照图3a，示出本发明装置的电压-透射响应特性。曲线14表示单元本体中液晶的RMS响应，与标准TN响应类似。曲线16表示当装置从缺陷状态锁定为无缺陷状态时的透射的变化，曲线18表示当装置从无缺陷状态锁定为缺陷状态时透射的变化。如下面将要详细说明的，本发明的装置可被设计为使双稳态切换(即锁定)和RMS切换(即，子锁定电压诱发的液晶的扭曲)彼此分离，从而使他们可以在单个的装置中有差别的使用。
可以利用参照图1所述类型的扭转向列ZBD几何形状来实现图3a所示特性的类型。但是，与图1所述的ZBD装置不同，本装置中的液晶材料的介电各向异性优选(虽然不必需)是正的。该单稳态表面在天顶双稳态表面的缺陷状态下，具有低预倾角、垂直于导向器布置的平面均匀排列。当该装置位于交叉的偏振器之间时，在该例子中装置在正常白色模式下操作。一旦断开变为缺陷(低倾角)状态时，由于在液晶本体中的扭转向列结构，整体像素表现透射的。
施加大于TN转变电压V1的电压(由于它是RMS响应，因此正或负)将使导向器在任何一个表面处不发生可察觉的变化的情况下在单元本体中重新取向。典型的TN透射特性在±V2左右饱和进入黑暗状态。V1和V2的典型值分别是1.5和4.5V。
虽然在RMS模式下施加到液晶的单极性脉冲是导致锁定为无缺陷状态的正确标志，但是该装置被设计为V2不足以导致任何表面锁定；即从缺陷到无缺陷结构产生锁定需要施加大于τV3的电压脉冲。应当注意当将具有足够电压和持续时间的脉冲施加到装置时(即在该情况下当脉冲大于τV3时)出现锁定，RMS响应只依赖于RMS电压电平，与极性无关。
为了确保(近似)d.c.均衡，该装置可以例如在每一帧开始时使用适当的负脉冲实现锁定。这也可确保在每一帧开始时重写校正稳定状态以帮助减小误差。
参照图3b，示出一个装置的电压-透射响应关系，其中双稳态光栅被设计为提供不对称的锁定响应；在现有技术例如WO97/14990中可以找到关于如何得到这种光栅设计的教导。曲线14代表单元本体中液晶的RMS响应，并与标准TN响应相似。曲线17代表当装置从缺陷状态锁定为无缺陷状态时的透射变化，曲线19表示当装置从无缺陷状态锁定为缺陷状态时透射的变化。
在该装置中，可以利用具有与利用RMS响应所需的电压脉冲相似幅度的电压脉冲(即施加小于-τV3的电压脉冲)来获得从无缺陷状态锁定为缺陷状态。这样，可以在保持基本d.c.平衡的同时，对该装置进行寻址。
因此本发明的装置可以在两个模式中的任何一个下操作，这两个模式为：连续更新模式或图像存储模式。本发明因此可提供实现全彩色、视频操作和具有真正的图像存储器的装置的超低能耗的显示器。本领域技术人员还可以立刻认识到使用本发明装置可以证明任何需要辐射调制的应用中的优点；例如空间光调制器、光学快门。
该显示器被设计为使这些模式具有独立的电压/电荷操作范围。这是通过对LC材料的选择(例如弹性特性、介电各向异性)、光栅设计(例如光栅间距、深度、形状)、表面固定属性和单元间隙等来实现的，从而使对于大于对应透射变化的饱和电压的电压可出现锁定为双稳态二者。由于ZBD显示器的锁定是场效应(与弯电极化有关)而透射的动态RMS响应是电压效应并且与单元间隙无关，因此可以对连续更新或存储模式所需的相对电压进行控制。
一旦该显示器被切换到存储模式时，从帧存储中读出信息的最后一帧，并将其编码为适当的复杂级别(例如B/W或有限的灰度级数目)，该显示器再次空白并利用超过+τV4的电压选择性地对将要锁定为其它稳定状态的像素进行写入。即使将该装置断开电源，该图像也将保持直到帧的下一次更新。这可以在显示器断电时自动执行。
为了实现本发明，可以使用一TFT有源矩阵，图4示出典型的现有技术TFT TN装置20。其中示出四个TFT驱动的像素22、24、26、28以及行电极30、32和列电极34、36。所示装置在正常的白色模式(即像素保持为白色，列电压为零)下操作。可以通过对施加在列电极上的信号进行幅度调制来实现灰度级。
与有源矩阵显示器中每一像素相关的晶体管通常具有两个电输入连接端：栅极连接端38和驱动连接端40。对栅极连接端38施加适当的电压将使驱动连接端40上存在的电压施加到透明像素电极22上。在用于形成TFT的一个或多个层中还可能形成一光栅排列结构(即，可以给予液晶材料一定程度排列的结构)。
有源矩阵显示器通常的布置是这样的，一行中的每一像素晶体管的栅极连接与一公共行电极连接，一列中的每一晶体管的驱动连接与一公共列电极连接。对单行施加栅电压同时对单列施加驱动电压，从而使驱动电压施加到各像素的液晶层上。还示出寻址图4的四像素装置的适当的驱动和栅电压。
参照图5，示出用于驱动根据本发明的装置的TFT寻址方案。
图5a)示出根据本发明的双模式装置50在连续更新模式下操作所需的有源矩阵寻址方案。在其中向栅极连接端38施加电压脉冲的任何周期，施加到驱动连接端40的电压都施加到了像素22的电极上。
利用图5a中示出的驱动方案，可以看出在施加将液晶切换到所需结构的电压之前，像素22被初始锁定为一个双稳态状态(即，空白的)。理想情况下，像素处于稳定状态，这样当随后施加RMS电压时可以表现出最佳的光学对比变化。在该模式下，该装置的操作方式与TN装置相似；任何电压(小于锁定电压τV3)都将导致液晶结构的变形。随着该电压降低，液晶将向初始的稳定(即，空白)结构驰豫。
可以像现有技术一样，对根据本发明的装置的像素顺序地每行地进行写入，确保列电压不超过τV3，从而不会锁定为其它域。注意与传统的TFT驱动方式不同，列电压的极性在所有的帧中都将保持相同(而不是从帧到帧极性交替以实现整体DC平衡)。本领域技术人员应当知道多种可实现时间上d.c.平衡的方法；例如可变的电压消隐脉冲或利用d.c.平衡预脉冲。
图5b)示出根据本发明的双模式装置50在图像存储模式中操作所需的有源矩阵寻址方案。利用图5b所示的驱动方案，可以看出在施加将液晶锁定为另一状态的电压之前，像素22被初始写入为一种双稳定状态(即，空白的)。在存储模式下，可以如连续模式一样实现消隐，但是像素被锁定为另一状态所需的随后的驱动电压必须超过τV3，这样才能实现锁定。在图5b所示的例子中，这些像素的列电压都大于τV4，从而可以实现完全的像素锁定。
对于在存储模式下操作的装置，还可以给出存储的模拟灰度级。例如，可以像Bryan-Brown等在(1998)亚洲显示器会议，第1051-1052中描述的一样，使用线性调频的光栅结构。还可以提供子像素效应(sub-pixellation)从而提供空间抖动。实际上，本领域技术人员应当知道用于在双稳态装置获得模拟灰度级(例如部分切换区域的研究)的技术也可用于在根据本发明在存储模式下操作的装置中获得灰度级。相似的，本领域技术人员应当知道可以利用时间抖动在连续模式操作中提供灰度级。
当在连续更新模式下操作时，很可能本发明的显示器在正面发光反射模式下使用。对于存储模式，很可能需要显示器在没有任何照明的反射模式下操作以节约功率。因此，液晶层最好被特制为在反射模式下操作。但是，根据该装置的实际操作环境，该装置还可被最佳化从而在透射模式下工作。为了这些目的而最佳化装置的技术对本领域技术人员来说是公知的。
在本发明的一个实施例中，提供单个内部反射偏振器，具有一内部光控制反射器，该内部光控制反射器具有位于ZBD表面下部的TFT和位于前表面的彩色滤光板。或者，可以将后表面的镜面反射板与面板前表面的散射板结合使用。虽然ZBD光栅可位于有源或公共板中的任何一个上，但是为了便于制造，优选将光栅制造在公共板上。或者，可以利用在TFT处理中所使用的掩模步骤之一同时制造所需的光栅外观特征。
参照图6，示出无源寻址根据本发明的ZBD测试单元的技术。该测试单元具有1.5μm的单元间隙，其中填充有市场上可得的向列液晶材料MLC6204。曲线60示出对于给定的双极性脉冲持续时间将该装置从缺陷(即TN)状态完全锁定为无缺陷状态所需的电压，同时曲线62表示锁定的开始。从而定义出部分锁定区域64。
如上所述，无源矩阵显示器通常是利用分别位于上和下单元表面上的行和列电极条构成的。这提供了可寻址的像素元件矩阵。施加到单个像素液晶上的合成电压只是施加到相关列和行电极上的电压的差。通常顺序向行施加选通波形，同时顺序向列施加数据波形(例如选择或非选择波形)。这样，显示器中的每个像素都可依次被寻址(或多路复用)。这种类型的多路复用技术对本领域技术人员来说是公知的。
为了限定特定像素的响应，选通波形可与多种数据波形组合。采用具有11V幅度的400μs的双极性选通脉冲，并将其与具有相似持续时间的-1V和+1V的数据脉冲组合将在相关像素分别产生12V(图6的pt B)和10V(图6的pt A)的合成电压脉冲。对于同样的选通脉冲，施加-2.7V和+2.7V的数据脉冲将在相关像素上产生13.7V(图6的ptC)和8.3V(图6的pt D)的合成电压脉冲。这样可以看出±1V的数据电压可以用于提供连续模式操作(即ptA和B)而同时±2.7V的数据电压可以提供实现选择和非选择锁定的合成脉冲。
参照图7，示出利用具有0.9μm的间距的双稳态光栅形成的ZBD测试单元的透射变化。线80示出施加具有500μs持续时间的不同幅度的锁定电压脉冲时，单元的透射变化(任意单位)。线82示出施加RMS切换电压时透射的变化。在两种情况下，在进行测量前都选择TN状态。
参照图8，放大示出了参照图7描述的测试单元的透射(任意单位)-RMS电压数据的关系。可以看出在分别施加0.7(Voff)和1.6V(Von)的RMS电压时对于该测试单元表现90％和10％的透射。
对于图7和8所示的连续RMS切换的电-光响应，可利用下面表达式来估算可被多路复用(nmax)的线的最大数目：
n max = ( V ON 2 + V OFF 2 ) 2 ( V ON 2 - V OFF 2 ) 2 - - - ( 1 )
其中数据Vd和选通Vs号近似关系为：
V d V S = 1 n max - - - ( 2 )
对于图8所示的结果，等式(1)和(2)估算nmax＝2和Vd＝0.71Vs。对于没有不希望的锁定情况下操作的连续模式，下面的条件应当满足：
τC(VS+Vd)＜τSVth                    (3)
其中Vth为对于持续时间τs的脉冲的锁定幅度的阈值，τc为连续模式脉冲的持续时间。
假设Vs＜0.586Vth，取图7的结果并选择τc＝τs＝500μs，然后可以不导致不希望的锁定的情况下连续寻址(例如显示出动画)。在该情况下(Vth＝22V)，Vs＝12.5V，Vd＝8.8V，锁定为存储模式需要的数据VD必须大于9.5V。应当知道通过适当的调节τs、Vth和Vs可以选择不同的电压。
参照图9和10，示出根据本发明无源寻址的显示器。
该液晶单元101是通过容纳在壁103、104之间的液晶材料层102形成的，该壁可以是任何适合的材料例如玻璃和/或塑料。如果装置需要在反射模式下操作，则也可使用硅或金属。在整个单元上适当分布的衬垫105可以保持壁之间具有所需的距离间隔。在壁103上形成条状的行电极106，他们可以是例如SnO2、氧化铟锡(ITO)或铝制成，在另一壁104上形成相似的列电极107。利用m行和n列电极形成一mxn的可寻址元件或像素的矩阵，这些像素是由行和列电极交叉形成的。
行驱动器108向各行电极106施加电压。相似地，列驱动器109向各列电极107施加电压。通过与电压源111和时钟112连接的控制逻辑110执行对所施加电压的控制。
单元的任意侧是偏振器113、113’，如果有的话，它们根据特定的液晶排列被布置在相邻壁103、104上，其偏振轴基本上彼此交叉并与排列方向R呈基本上45°。还可以在壁和偏振器之间的液晶层102附近加入附加的一个或多个光学补偿层117，例如拉伸的聚合物。当然，本领域技术人员知道还可以利用一个偏振器或根本不用偏振器来实现其它实施例。
可以在单元101后与光源115一起布置一局部反射镜116。这样可以使显示器反射可见，并从背后用暗淡的环境光来照明。对于透射装置可以省略镜子116。或者，可以使用内部反射表面例如内部铝电极。
在组装之前，要给单元壁103、104中的至少一个提供表面排列光栅从而提供双稳态预倾角。另一表面可以提供有平面、倾斜或同回归单稳态表面或另一双稳态表面。可以利用上述的多种技术来制造提供双稳态预倾角的表面排列光栅结构。
虽然上述实施例公开利用正性材料操作的90°扭转的ZBD单元操作的使用，但是本领域技术人员可以很快认识到还可以使用多种替换的ZBD结构。例如，可以向向列液晶材料中加入胆甾掺杂物，从而诱发大于90°的扭转。这样实现了“类似STN”的陡的电-光切换阈值，从而可以在连续模式下对大量的线进行无源寻址。对于典型液晶混合物，在向列基质中需要小于0.02％的胆甾添加物(通常d/P＜1.25，其中d＝单元间隔，P为向列/胆甾混合物的自然间距)。
负性材料可与同回归单稳态表面结合使用；应选择消隐脉冲以锁定为无缺陷状态并且连续模式将像垂直排列的向列(VAN)单元一样操作。
还可以使用平面(或倾斜平面)单稳态表面(例如摩擦后的聚合物)与双稳态表面排列光栅相对，从而提供具有混合(无缺陷)状态和非扭转平面(缺陷)状态的双稳态装置。具有正或负介电各向异性的液晶材料可用于这种结构。可以设计单元间隔和液晶双折射从而使混合状态起到四分之一波片(即提供λ/4的光学延迟)的作用，同时平面状态起到半波片(即提供λ/4的光学延迟)的作用。然后，可以通过将显示器置于交叉偏振器之间，在透射模式下操作该显示器，偏振器与排列方向呈45°角。或者，可以提供镜子和单个偏振器用于反射模式操作。
本领域技术人员应当明白可以提供替换的ZBD装置，本发明不仅仅可用于这种ZBD装置。可以根据本发明操作具有多个稳态结构的装置，该装置被配置为可以进行切换。

Claims (38)

1.一种液晶装置，包括
以一种布置置于两个单元壁之间的液晶材料层，该布置使得该液晶材料可以采用在没有外加电场的情况下仍持续的两种或更多种稳态液晶结构中的任何一种，
该液晶装置可在两种模式下操作：
第一模式，其中合适的锁定电压脉冲的施加可以选择两种或更多种稳态液晶结构中的任何一种，
第二模式，其中电场的施加可以将液晶材料层从锁定的结构切换为被切换的结构，并且其中当所施加的电场去除时该液晶材料层将返回所述锁定的结构。
2.如权利要求1所述的液晶装置，其中在以第二模式操作前，该装置被锁定为特定的稳态结构。
3.如前述权利要求中任何一个所述的液晶装置，其中该布置使得液晶材料可以采用三种或更多种稳态液晶结构中的任何一种。
4.如权利要求1-2中任何一个所述的液晶装置，其中该布置使得液晶材料可以采用两种稳态液晶结构中的任何一种。
5.如权利要求4所述的液晶装置，其中在至少一个适于提供两种稳态液晶结构的单元壁的内表面上提供表面排列光栅。
6.如权利要求5所述的液晶装置，其中液晶材料包括向列液晶材料。
7.如权利要求5-6中任何一个所述的液晶装置，包括位于第一单元壁内表面上的表面排列光栅和位于第二单元壁内表面上的平面表面处理，该布置使稳态液晶结构中的一种是扭转向列结构。
8.如权利要求7所述的液晶装置，其中在扭转向列结构中液晶材料的扭转大于45°。
9.如权利要求7-8中任何一个所述的液晶装置，其中在扭转向列结构中液晶材料的扭转大于90°。
10.如权利要求7-9中任何一个所述的液晶装置，其中在以第二模式操作之前，该装置被锁定为扭转向列结构。
11.如权利要求5-6中任何一个所述的液晶装置，包括位于第一单元壁内表面上的表面排列光栅和位于第二单元壁内表面上的同回归表面处理，该布置使稳态液晶结构中的一种是垂直排列的向列结构。
12.如权利要求11所述的液晶装置，其中在以第二模式操作之前，该装置被锁定为垂直排列的向列结构。
13.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，其中液晶材料包括一种向列(或长间距胆甾)材料。
14.如权利要求13所述的液晶装置，其中液晶材料还包括胆甾液晶材料。
15.如权利要求14所述的液晶装置，其中液晶材料包括小于0.02重量百分比的胆甾液晶材料。
16.如权利要求14-15中任何一个所述的液晶装置，其中液晶层厚度与液晶材料间距的比处于包括0.25-1.25的范围内。
17.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，其中液晶材料具有正介电各向异性。
18.如权利要求1-16中任何一个所述的液晶装置，其中液晶材料具有负介电各向异性。
19.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，其中单元壁包括用于向液晶施加电场的电极，该电极排列为形成可寻址像素的矩阵。
20.如权利要求19所述的液晶装置，包括在第一单元壁上形成的行电极和在第二单元壁上形成的列电极，第一和第二单元壁被布置为限定可无源寻址像素的阵列。
21.如权利要求19所述的液晶装置，包括独立地向每一单独像素施加电场的装置。
22.如权利要求21所述的液晶装置，其中向每一单独像素独立地施加电场的装置包括薄膜晶体管元件。
23.如权利要求22所述的液晶装置，其中存储电容器与每一薄膜晶体管元件相关。
24.如权利要求19所述的液晶装置，该装置包括至少一个分立的半导体电路，该电路能够寻址两个或更多像素。
25.如权利要求19-24中任何一个所述的液晶装置，其中该装置被采用使得能够在不同的像素或像素组上同时使用第一模式操作和第二模式操作。
26.如权利要求19-25中任何一个所述的液晶装置，其中将在第二模式下操作的像素可以在第二模式操作之前，被消隐为预定的稳态液晶结构。
27.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，其中施加到装置上的驱动电压基本上在时间上是直流平衡的。
28.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，其中采用第二模式来以视频速率来显示图像。
29.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，其中采用第二模式来以256灰度级显示图像。
30.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，包括至少一个偏振器来在不同的液晶结构之间进行区分。
31.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，其中该装置还包括反射装置，并且该装置可以在反射模式下操作。
32.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，附加地包括彩色滤光元件。
33.如前述任何权利要求之一所述的液晶装置，还包括用于选择第一模式或第二模式操作的电子装置。
34.一种信息显示装置，包括一微处理器单元，该单元用于对根据前述任何权利要求之一的液晶装置进行电子寻址。
35.一种操作液晶装置的方法，包括以下步骤：
获得一液晶装置，该装置被布置使液晶材料可以采用两种或更多种稳态液晶结构中的任何一种，这些稳态液晶结构在没有外加电场的情况下仍然持续；
确定在第一模式还是第二模式操作该装置，
由此在第一操作模式下，可以通过施加适当的锁定电压来选择两种或更多种稳态液晶结构中的任何一种，
在第二操作模式下，电场的施加可以将液晶材料层从锁定的结构切换到切换后的结构，并且其中当所施加的电场去除时，液晶材料层将返回所述锁定的结构。
36.如权利要求35中所述的方法，该液晶装置包括多个像素，其中只有一些像素在第二模式下操作。
37.如权利要求35-36中任何一个所述的操作装置的方法，其中液晶材料以第二模式操作之前被锁定为特定的稳态结构。
38.如权利要求35-37中任何一个所述的操作天顶双稳态装置的方法。
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