CN1771459A - 液晶装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液晶装置，其中表面配向光栅的表面轮廓稳定在至少一种稳定状态。本发明包括在光栅(10)中引入断裂(34，36，38)，将光栅分成多个槽段。断裂是沿凹槽方向光栅中的中断，在断裂的每一侧，光栅具有大致相同的凹槽方向。断裂的引入防止缺陷沿光栅的凹槽自由运动，从而有助于使所需的液晶结构稳定在缺陷状态或连续状态。适当的断裂包括处于槽脊(30)中的间隙(34)，槽脊(30)之间的颈部(36)，以及光栅的滑动或相对位移(38)。

Description

液晶装置

技术领域

本发明涉及一种具有建立特定液晶结构的规则表面配向光栅的液晶装置，特别涉及其中至少一个稳定状态是缺陷状态的多稳态装置，并具体涉及其中规则表面配向光栅中具有断裂或不连续性的液晶装置。

背景技术

双稳态或多稳态液晶装置常常用作显示器，用于显示以电子形式存储的信息。这些装置通常以像素化形式使用，并且或者直接驱动，或者被矩阵或有源寻址。这些装置的其他用途有光调制器，微波或红外光阀。这些装置可以仅偶然或仅部分地使用双稳定性。一种典型装置包括至少两个电极结构，用于施加适当信号的装置，以及区分两种状态的装置，如染料、偏振片、反射器、吸收器和照明源。

美国专利US 5,357,358描述了一种双稳态液晶装置，其中单元的两个内表面都进行了处理，使表面附近的液晶材料产生各种优选配向方向。仔细设置相对平板上的表面配向方向，使处于不同方位角的液晶材料能产生两种稳定状态。US 5,796,459描述了另一种表面处理，可用于产生液晶指向矢具有不同方位配向的两种稳定状态。

还已知顶级(Zenithally)双稳态液晶装置。美国专利No.6,249,332描述了一种液晶显示装置，其中至少一个内表面具有使液晶材料可处于两种稳定状态(连续状态或缺陷状态)其中之一的轮廓，这两种状态具有相同的液晶指向矢方位配向，不过具有不同的顶级配向。

国际专利申请WO02/08825描述了如何仔细设计表面轮廓才能靠近或者在表面的预定特征处形成缺陷状态，使某些结构稳定。由此，可获得不止一个稳定状态。

WO01/40853描述了另一种表面被设计成产生局部顶级双稳态的双稳态装置。不过，在这种装置中，在小于15微米的长度级别上轮廓改变。这些改变用于改变每个像素内的指向矢配向，产生例如可散射入射光的微畴。

还已知将两个适当的单稳态表面组合产生双稳定性的双稳态装置，例如，如US4,239,345，US6,327,017或US4,333,708中所描述的。

在通常的双稳态或多稳态装置工作过程中，保证在每种稳定状态下与液晶结构有关的能量局部最小，并且在多个稳定状态之间存在能垒。在缺陷稳定的多稳态液晶装置中，单元具有至少一个形成缺陷的状态。在存在缺陷时液晶指向矢场发生滑动，从而某些能量包含在变形中，在某些区域中形成的缺陷导致与不存在缺陷的不同稳定结构或者具有不同缺陷设置的结构相比，能量最小。这种最小可以是系统全局最小值，或者是与其他最小值分隔能垒的局部最小值。

在表面轮廓使缺陷稳定的缺陷稳定装置中，表面起伏结构在一个方向具有一种具有至少一个凹边和至少一个凸边的轮廓。这些边用于使缺陷稳定或者使强度滑动为±1/2。在表面上重复该结构，产生两种或多种稳定或亚稳定状态。这就是表面多稳态，即稳定状态的产生与对其他表面的处理无关，不过显然，对其他表面处理将影响整体结构。这种重复可以是周期性或非周期性的，不过起伏结构具有最大和最小间隔。在US6,249,332和WO01/40853中使用了这种表面。所有现有技术表面缺陷稳定装置的共同点是，至少一个凹边和至少一个凸边平行于表面。

各稳定状态之间的能垒应当足够高，以保证正确的状态得以选择并且在一定的操作条件下得以保持。注意，在矩阵寻址显示器中，可以在一个像素实际被寻址之前或之后向其施加一个场，以便产生正确的锁存。必须在一定的操作条件下保持正确锁存。在多个锁存阈值中，温度、机械应力以及场不均匀性均起到一定的作用。显然希望锁存具有一致性。不过，能垒还应当足够低，从而可通过施加适当的场来选择状态。多稳态装置常用在能耗是问题所在并且用于锁存的电压或功率最小时有利的便携式、电池驱动设备中。

另外，可知液晶材料通常是连续的一层，不过可以将其分割成可分别寻址的像素。从而，可将相邻的像素或者像素间隙中的液晶材料锁存到不同的稳定状态。从而，界面处的液晶材料受到来自相邻材料的弹力，可致使局部“回复(grow-back)”或发生错误的漂移，即不需要的状态。有些装置甚至在一个像素内具有不同的畴，即与其他子像素具有不同表面轮廓的子像素，能够锁定在不同的阈值处，产生灰度级。另外，可能会发生回复的问题。

即使在操作时装置想要处于单稳态时，也需要特定液晶稳态结构来正确地起作用。改变操作条件导致状态的相对能量改变，导致产生不希望的状态和不正确的操作。

发明内容

从而，本发明的目的在于提供一种对液晶装置的改进的多稳态表面处理，并提供一种改进的多稳态液晶装置。

因此，根据本发明，提供一种液晶装置，包括：设置在两个单元壁之间的液晶材料层，至少一个单元壁的内表面上的至少一个区域，包括具有单个凹槽方向的表面配向光栅，其特征在于该表面配向光栅沿凹槽方向包括多个断裂。

该表面配向光栅包括一系列凹槽，凹槽的轮廓足以使靠近光栅的液晶材料呈现某一特定的稳定结构。在某些实施例中，表面配向光栅可包括多稳态表面配向光栅，其轮廓足以使靠近光栅的液晶材料呈现两种或多种稳定结构，其中一种稳定结构为缺陷状态。在任何情况下光栅都是周期性的，因为在区域上重复了某些轮廓改变；或者由于表面轮廓具有不规则的改变而是非周期性的。不过，光栅基本上具有单个凹槽方向，因为区域中所有凹槽的方向大致是平行的。凹槽方向是凹槽延伸的方向。在使用不具有断裂的光栅结构的现有技术多稳态装置中，如US6,249,332中所述，可以看出在单元壁上，在垂直于凹槽方向的平面中表面轮廓是改变的，不过在平行于凹槽方向和垂直于单元壁的平面中轮廓不变。

如US6,249,332和WO02/08825中所描述的，表面轮廓的缺陷形成±1/2缺陷的至少一种稳定的液晶缺陷状态，使液晶材料稳定。另一种稳定状态是不存在缺陷的连续状态。通过仔细地设计表面轮廓，可使与每个状态有关的能量为局部最小值，具有与从一种稳定状态运动到另一种稳定状态有关的能垒。从而，液晶材料可呈现任何一种稳定状态，并且在提供适当的动力(通常为适当极性的电场脉冲)时能锁存在多种状态之间。

如WO02/08825中所述，在缺陷状态下缺陷形成的位置由表面轮廓决定。在垂直于凹槽方向的平面中存在凹和凸面曲率，便于在附近形成缺陷。通常，该表面曲率产生凹边和凸边。从而，在缺陷形成且如此设置时系统的能量为局部最小值。这就使缺陷被钉扎在垂直于凹槽方向的平面中。缺陷线沿凹槽方向延伸到边缘附近。

如上所述，可以将装置形成为可分别寻址的多个像素。甚至在一个可寻址区域内可以有具有不同锁定性质的子像素区域，以产生灰度级。从而，将会发生这种情形，即在处于连续状态的区域附近的一个区域中液晶装置处于缺陷状态。因此，存在液晶材料从缺陷状态变成连续状态的一个短过渡区。在该区域中，缺陷即+1/2和-1/2缺陷对相对于凹边和凸边，在过渡区中沿凹槽方向逐渐改变，当缺陷更靠近连续状态区域时缺陷彼此靠近，直至缺陷相遇并湮没在湮没点处。每个+1/2和-1/2缺陷对可以构成一个由至少两个湮没点分隔的缺陷环。

在过渡区中，相邻液晶材料的弹力作用于过渡区中的材料上。处于缺陷状态的大块材料趋于作用于过渡区中的材料上，使其呈现缺陷状态，而处于连续状态的材料趋于使过渡区中的材料呈现连续状态。在不存在寻址场时，两个状态的相对能量将在很大程度上决定过渡区中会发生什么变化。在现有技术中，在凹槽方向湮没点不钉扎。从而，如果一种状态在能量上优于另一种状态，则其对于过渡区具有更大影响，并开始变成另一种状态。从而，这种称作回复的作用，导致像素或者子像素呈现不正确或不希望的状态。即使两个状态在能量上是相等的，机械干扰或温度改变能改变两个状态的相对能量，从而破坏平衡，并开始回复。或者，光栅的形状会发生改变。由于工艺条件的不确定性，这种改变可能是有意的或偶然的。这种改变使一种状态优于另一种状态，从而在不希望的位置处毫无阻碍地回复到该状态。

上面的讨论集中在多稳态表面配向。不过，希望某些液晶装置为单稳态操作，即在没有被寻址时应当总是弛豫到所需的状态，不过要求特定的液晶配向来获得适当光学性质。不过，如上所述，机械干扰或温度改变可能会改变某结构的相对能量，并且另一种不希望的状态在能量上变得更优异。另外如上所述，光栅制造过程中工艺的改变意味着，在装置上光栅性质稍有变化。从而即使在单稳态装置中，在有些情况下也会存在回复的问题。

另外，对于单稳态和多稳态装置这两者而言，液晶材料的性质表明在液晶材料中具有自由离子。在通过特定极性的电场寻址液晶材料时，施加电场导致离子迁移。不过，在去除寻址场时，阳离子朝向一个表面集中，阴离子朝向另一表面集中，将产生相反极性的临时场，直至再次达到平衡为止。这种与寻址场极性相反的离子场，将按照促使锁定于不正确状态的方式作用于液晶材料上。这就是众所周知的液晶装置中的缺陷，并且将装置设计成使锁定性质是这样的，使反向离子场不足以引起锁定。不过，在过渡区处场的存在会破坏状态之间的平衡，从而开始回复过程。

在大多数现有技术装置中由于表面配向光栅的性质，例如表面粗糙度，湮没点将一定程度地自然钉扎，从而由于表面材料的物理性质，阻止回复，不过其趋于较弱且易于克服。因此，现有技术装置在从一个像素或子像素(或像素间隙)到另一像素或子像素时，易于处于不希望的状态。

注意，在某些术语学中，术语“像素”可表示不止一个可分别寻址的区域。例如，64乘64像素彩色显示器实际上可具有三个被称作一个像素的可分别寻址的区域，每个像素为一种不同颜色。同样，还可以将一个像素细分成可单独寻址的区域，以产生灰度级。不过，对于本说明的目的来说，术语“像素”应当表示装置的可单独寻址的区域。

从而，本发明有意地沿凹槽方向在光栅中引入了断裂。术语断裂指处于两个凹槽部分之间的沿凹槽方向的中断，即在凹槽方向光栅平滑性的中断。传统上，在断裂的每一侧凹槽方向将保持大致相同的方向。断裂在平行于凹槽方向的方向可以不具有物理尺寸，或者可具有有限宽度。断裂在凹槽方向的宽度被限制在5μm，优选小于1μm，并且最好小于0.25μm。正如将更详细说明的，断裂可包括槽谷中的突起或者峰中的间隙，或者包括两者。除此之外或者另外，断裂可包括凹槽在垂直于凹槽方向的方向的滑动或位移分量。例如，在垂直于凹槽方向且平行于单元平面的平面中可发生滑动。存在其他滑动面，包括垂直滑动，或者并非垂直于凹槽方向的平面。

从而断裂有效地将光栅分成若干凹槽段，并且断裂处于具有单一共同凹槽方向的两个凹槽段之间。每个凹槽段将具有沿凹槽方向不变，但在垂直于凹槽方向的方向改变的表面轮廓。不过，在断裂处，至少一部分表面轮廓在凹槽方向是改变的，在包含单元法线和凹槽方向的平面中产生凹和/或凸边。断裂有效地产生在从该处移开任何缺陷时需要克服的能垒，一定程度地钉扎缺陷。这种能垒意味着在凹槽方向缺陷不自由移动，可防止回复到不正确的状态。尽管有可能沿凹槽段发生回复，不过断裂的存在趋于钉扎缺陷，从而将湮灭点钉扎在断裂附近。因此，在断裂以外不产生回复。

另外，能量上优于缺陷形成区域的断裂，易于成为缺陷形成的成核位置。正如后面更详细说明的，导致锁定需要更低电压。在操作窗口方面这也是有益的。用断裂作为可靠的成核位置，液晶装置在一定的工作温度范围下具有更可靠和可控的响应。在设计表面轮廓时可能有更多选择，产生多稳态。

通常，断裂分隔光栅段，其中在断裂的每一侧，在凹槽方向光栅段具有基本相同的表面轮廓。换言之，断裂是一种中断，否则应当是沿凹槽方向延伸的连续、不间断凹槽。不过本领域技术人员可知，制造过程的不精确性意味着断裂每一侧的形状存在小的差异。此外由于滑动或者位移，光栅段显然不再对准。不过，意欲指出的是期望断裂每一侧的光栅呈现具有相同锁定性质的相同状态。

还可以通过在位错面处突然改变光栅的形状来形成断裂。例如，这类断裂可包括光栅凹槽与脊的传号空号比(mark-to-spaceratio)的改变，或者形状从锯齿到梯形光栅的改变。

应当注意，如果滑动断裂上光栅的间距改变，则间距差异导致有些区域中在断线一侧的凹槽将与另一侧的波谷相遇，不过凹槽沿断线对准，从而有效地产生非断裂。不过，传号空号比即波峰与波谷宽度比的改变，不会必然改变间距，且可以在光栅上得到断线。此外注意，如果经过断裂时光栅的形状改变，则两个区域可具有不同的锁定性质，这可能意味着这种断裂不会阻止回复的发生。这种断裂的存在还有助于形成其中锁定性质相同，但形成不同缺陷状态的某些状态，不过这不会产生问题。

最好，沿凹槽方向断裂的宽度小于0.5μm或者最好小于0.25μm。正如将要描述的，凹槽段之间的断裂区域不具有适当的配向条件，从而该区域中的液晶材料可能会处于错误的状态。因此，为了使可能的光学影响最小，可以使断裂的宽度最小。

适宜的是，断裂包括在包含光栅法线和凹槽方向的平面内具有这样一种轮廓的表面特征：其具有至少一个凹边和至少一个凸边。

光栅法线是光栅整体的法线，而非局部改变表面的法线。如上所述，在包含光栅法线和凹槽方向的平面内，现有技术表面配向光栅的轮廓是不变的。不过断裂在该平面中引入凹边和凸边。这些凹边和凸边用于将缺陷钉扎在其附近，从而沿凹槽方向钉扎缺陷线。从而这些特征的引入在表面外形中产生角部。

最好，所述至少一个凹边或至少一个凸边的曲率半径小于2μm，最好小于1μm，且常常小于0.4μm。通常，曲率半径越小，则边缘的钉扎作用越大。

适宜的是，使所述至少一个凹边与至少一个凸边通过一表面连接起来，所述表面的至少一部分大致平行于光栅法线。

断裂的一种适宜的形式是包括槽谷的轮廓升高的区域。升高槽谷的轮廓线，可改变波谷中沿凹槽方向的轮廓。可用于将缺陷钉扎在升高区域的边缘处。适宜的是，所述升高区域或突起与波峰处于相同高度。换言之，在断裂处沿凹槽方向的轮廓从槽谷升高到与波峰相同的高度，然后下降回波谷的高度。在垂直方向，轮廓实际上从凹槽的峰值开始停留在断裂上的高度。当然，下一个凹槽在相同位置处可能具有或者不具有断裂，从而对于一个凹槽而言两个凹槽段之间的断裂可以靠近另一凹槽段的连续部分，甚至连续凹槽。应当注意，升高区域表示沿凹槽方向波谷的轮廓是断开的，不过沿凹槽方向波峰的轮廓是连续的。从而，使凹槽包括波峰和波谷，光栅中的断裂可以为波峰或波谷其中之一或者两者的中断。

如上所述，称作颈状的这类断裂，趋于沿着升高边缘将凹槽方向的缺陷钉扎在颈部的每一侧。在颈部的一侧为缺陷状态，在另一侧为连续状态，处于缺陷线上的缺陷将通过升高区域引导到将要被钉扎的湮灭点。从而，断裂用于将由通过液晶材料的缺陷线形成的缺陷环钉扎在表面处或表面附近。即使在颈部两侧液晶材料都处于缺陷状态也会发生这种作用，即每一侧的缺陷将被引导到湮灭点。这意味着升高区域顶部的区域附近的液晶材料将处于连续状态。从而，存在这种性质的断裂意味着在缺陷状态中将固有地存在少量的连续状态，会稍稍减小对比度。因此，使升高区或者颈部顶部的面积最小是有利的。

此外或者可选择地，断裂可包括使槽峰的轮廓降低的区域，最好是降低到槽谷的高度。断裂在波峰中包括间隙是有利的。在一个槽段边缘的峰值位置处形成的边缘，也用于按照与上面关于颈部所描述的相同方式，在缺陷状态下钉扎缺陷环。从而，间隙区总是处于连续状态。应当看到，前面的描述针对的是垂面状态。如果液晶在平面方向配向时具有至少一个垂直于凹槽方向的分量，则缺陷状态和连续状态条件是颠倒的。例如，在这种平面配向装置中，间隙会在已钉扎缺陷状态中产生小岛。

另一种断裂包括断裂每一侧的凹槽和槽段区域沿着具有垂直于凹槽方向的分量的方向彼此相对移动。换言之，断裂处于凹槽发生滑动的区域。可认为这类断裂是通过取得连续光栅，并沿着一条并非平行于凹槽方向的直线将其分成两段而形成的。然后，被分割光栅的一部分相对于另一部分稍稍移动。这就发生一个光栅段的槽峰与另一槽段的槽峰不对准的情形。这样会固有地在界面处沿凹槽方向产生中断。当然，不必按照这种方式制造实际光栅。在本领域中光栅结构的形成方法是众所周知的，例如使用适当掩模的光刻方法。易于将掩模设计成在光栅中具有滑动，并在曝光光致抗蚀剂材料时使用掩模。

适宜的是，两个槽段沿着大致垂直于凹槽方向的方向彼此相对移动，不过也可以为其他方向，只要所述方向具有垂直于凹槽方向的分量即可。

如上所述，这类断裂在槽段之间的界面处在沿凹槽方向的轮廓中产生中断。根据相对位移程度，这种中断可以通过多种方式钉扎缺陷状态下存在的缺陷。考虑光栅是周期性的且重复单元简单地由大致相等宽度的波峰和波谷组成的简单情形。如果相对位置度为重复单元的周期的一半，则在界面处一个槽段的槽峰与另一槽段的槽谷相邻，反之对于波谷也是如此。中断处尖锐的断裂将按照与颈部和间隙相同的方式沿着暴露的边缘钉扎缺陷。如果在界面的两侧液晶材料都处于缺陷状态，则在界面每一侧断裂都将产生缺陷环的湮灭点。不过，两个分离的湮灭点在凹槽方向不会明显地彼此分隔。从而，在两个湮灭点之间任何材料形成连续状态的机会将极小，从而与间隙或颈部相比光学性质得到改善。实际上，滑动本身在凹槽方向具有一定的宽度，从而可能存在非常小的不可避免的连续状态区域，不过可能很微小。

另一种位移可以为重复周期的四分之一。再次考虑一个槽段的峰与另一槽段的峰彼此重叠、大致相等宽度的峰和谷重复出现的简单情形。对于谷同样成立。利用这种结构，在界面两侧为缺陷状态的情形中，缺陷线实际上不会合到一起并湮灭。实际上缺陷线有可能沿着重叠区域的边缘，平滑地进入界面另一侧的区域中。从而这意味着在不需要时不存在连续状态。不过，当界面的另一侧被锁定为连续状态时，重叠边缘依然作为缺陷环的钉扎位置。

由于沿着凹槽方向在像素或者子像素中将发生不需要状态的回复，最好将像素或子像素内的大部分凹槽设计中其中具有至少一个断裂。换言之，最好将该装置设计成使任何像素或子像素内的少数光栅包括在像素或子像素区域内不具有断裂的凹槽。优选小于25％，最好小于10％的像素或子像素区域包括其中不具有断裂的凹槽。实际上这有利于保证在像素或子像素内不存在凹槽从像素的一侧延伸到另一侧时不具有断裂的区域。

适宜的是，保证在像素或子像素内任何给定点处沿凹槽方向遇到不止一个断裂。换言之，在沿凹槽方向穿过一个像素或子像素时，在任何点处将会遇到分隔各个槽段的至少两个断裂。理论上在像素或子像素的两侧将会发生回复，仅具有一个断裂的话，在断裂的两侧将获得错误的状态，从而在像素或子像素的整个锁定区域发生错误。具有不止一个断裂的话能避免发生这种情况。当在部分锁定模式下使用该装置时，具有多个断裂尤为有用。在将某一电压施加给装置时会发生部分锁定，其中该电压不足以导致子像素完全锁定，不过在该子像素内会产生处于一种状态的液晶材料畴，而其余材料处于另一或另外多个状态。正如众所周知的，部分锁定可用于实现灰度级。如上所述，在子像素中沿凹槽方向具有多个断裂，有助于通过作为成核位置而有规律地形成部分锁定畴。不过，畴一旦形成，则多个断裂将防止畴多余生长或收缩。

对于有些实施例，沿凹槽方向的断裂将分隔至少两倍凹槽间距，即每个槽段的长度至少等于凹槽间距的两倍。如上所述，断裂附近的液晶材料与远离断裂的材料相比将受到附加的弹力。如果槽段太短，则这些端面压力可能会影响液晶材料呈现的整体状态，产生不正确的配向。在凹槽方向断裂的间隔超过3μm时是有用的。

适宜的是，多稳态表面配向光栅是一种如US6,249,332或WO02/08825中所述的顶级双稳态表面配向光栅。或者，正如所述的，为了获得除多稳态之外的有益性质使用光栅产生缺陷状态时，表面可以为液晶提供单稳态配向。

对于单稳态状态来说，重要的是使形成光栅凹槽的边缘的曲率半径最小，这是因为可使所需状态更稳定。不过，实际上，曲率半径受制造工艺的限制，并且可以被局限于0.1μm或更大。在此情形中，重要的是在表面中引入断裂，以防止不希望地形成连续状态或者具有不正确指向矢配向的缺陷状态。对于多稳态液晶装置而言，重要的是边缘的曲率半径处于适于形成缺陷或连续状态的范围内。

一般而言，本发明涉及一种改进的表面配向光栅，使相邻液晶材料形成至少一种稳定的状态，在该稳定状态中靠近表面光栅形成缺陷。从而，在本发明另一方面，提供一种用于液晶材料的表面配向光栅，包括具有单个凹槽方向的光栅，其特征在于该光栅沿凹槽方向具有多个断裂。

在优选实施例中，本发明涉及一种多稳态液晶装置，包括处于两个单元壁之间的液晶材料层，至少一个单元壁的内表面上的至少一个区域包括具有单个凹槽方向的多稳态表面配向光栅，其特征在于该表面配向光栅沿凹槽方向包括多个断裂，并且沿凹槽方向断裂每一侧的光栅轮廓大致是相同的。

附图说明

现在将仅参照下面的附图描述本发明，其中：

图1表示在凸面处具有垂直配向的液晶材料的两种稳定结构，

图2表示在凹面处具有垂直配向的液晶材料的两种稳定结构，

图3表示产生两种稳定状态：a)连续状态和b)缺陷状态的表面隆起结构，

图4表示现有技术中使用的三种表面配向光栅的平面图，

图5表示对于图3所示的表面，缺陷状态和连续状态的能量示意图，

图6为现有技术顶级双稳态装置的示意图，表示锁定于两种稳定状态之间，

图7表示现有技术光栅中从缺陷状态(前)过渡到连续状态(后)时存在的缺陷线，

图8表示根据本发明的表面配向光栅的例子，

图9表示图8b中所示光栅的一部分的示意图，断裂包括处于槽峰中的间隙，并说明在从缺陷状态(前)过渡到连续状态(后)时存在的缺陷线，

图10表示图8a中所示光栅的一部分的示意图，断裂包括处于槽谷中的颈部，并说明在从缺陷状态(前)过渡到连续状态(后)时存在的缺陷线，

图11表示具有图8a和10中所示颈部的光栅的SEM显微照片，

图12表示在槽峰中具有锥形间隙的光栅的示意图，并说明在从缺陷状态(前)到连续状态(后)的过渡区域中的缺陷线，

图13表示如图8a，10和11所示具有颈部的光栅的放大照片，图13a表示立即锁定到部分锁定状态的像素，图13b表示60秒之后的同一个像素，

图14表示在寻址后的不同时刻：a)锁定后立即，b)两秒钟之后，c)锁定后10秒钟两个像素间界面的放大照片，顶部像素在光栅中具有间隙，底部像素不具有断裂，

图15表示对于具有增大间隙尺寸的a)锁定阈值和b)部分锁定宽度的影响，

图16表示对于具有增大间隙之间的间距的a)锁定阈值和b)部分锁定宽度的影响，

图17表示如图8d所示滑动断裂的示意图，说明在从缺陷状态(前)过渡到连续状态(后)中的缺陷线，

图18表示滑动一定宽度的滑动缺陷，说明在断裂的两侧具有缺陷状态的缺陷线的两种可能结构，

图19表示与不具有断裂的控制像素(右)相比，具有断裂的测试像素(左)在不同时刻的一系列照片，

图20表示由不同节距的三个区域的重复图案组成的装置的照片，不同节距区域之间的界面充当滑动，

图21表示适用于产生具有三个不同节距子像素的液晶表面配向轮廓的掩模的设计，每个子像素具有滑动形式的多个断裂，

图22表示根据本发明的表面配向光栅的另一个例子，

图23表示负滑动，即结合有间隙的滑动的SEM图像，

图24表示具有正滑动的光栅的SEM图像，

图25表示滑动靠近像素边缘设置的一种结构，

图26表示像素内间隙和由像素内间隙的不均匀导致的可能误差，

图27表示在多种配置中相邻像素和像素内间隙的外观的例子，

图28表示根据本发明a)部分锁定和b)完全锁定的具有滑动的显示器的光学显微照片，

图29表示4μm间隔的滑动作为滑动间隔和掩模中铬的百分比，即掩模的传号空号比的函数时的视觉效果，

图30表示用于制造传号空号比小于50％的滑动的各种掩模设计；a)不具有交错且相移为180°的滑动，b)相移小于180°和c)结合180°相移的负交错，

图31表示根据本发明使用相同掩模形成的两种光栅结构的SEM显微照片，

图32表示用于具有灰度级的双稳态光栅配向装置的不同光栅设计，以及

图33表示使用三个不同阈值区域以及可能产生的像素图案的光栅设计。

具体实施方式

缺陷稳定的多稳态液晶装置是已知的。美国专利No.6,249,332描述了这样一种装置，其中至少一个单元壁的表面轮廓会产生顶级双稳态。使用重复的表面轮廓，其中在定义凹边和凸边的一个方向上具有变化的轮廓。

图1表示在内角为大约120°的凸面处液晶材料的两种可能指向矢结构的侧视图，以及液晶指向矢的局部垂直正常边界条件。短连续线表示指向矢的局部取向。虚线正交于指向矢，表示引向眼睛，也可以表示表面具有平面状况时的指向矢结构。在图1a中，在表面的顶点处发生+1/2强度缺陷(或旋转位移)，而在图1b中指向矢是连续的。图2表示对于外角为120°的凹垂面的类似情形。此外，存在两种可能结构：缺陷(D，图2a)或连续(C，图2b)。在此情形中，如果指向矢垂直于表面取向，即垂直配向，则缺陷具有强度-1/2。如果表面具有平面状态，则缺陷的极性颠倒，对于凹面为+1/2，对于凸面为-1/2。

每种状态的能量与扭曲弹性能量有关，而扭曲弹性能量除了与液晶材料的弹性有关以外，还与表面的曲率和局部结合能有关。存在对与缺陷核心处液晶材料序参数的改变有关的对缺陷状态能量的另外贡献。如果没有表面曲率(具有均匀结合)，则最低能量结构为不具有缺陷的均匀状态。表面上不具有钉扎位置时，带相反电荷的缺陷之间的吸引力将会使它们有效地相向运动并湮灭。实际上，每个表面都有一定程度的粗糙性，其可能提供了一些随机的缺陷钉扎，以防止发生这种湮灭。不过，在装置中用于使液晶配向的典型表面(包括用于光栅配向的旋涂聚合物和光聚合物)相对光滑，且这种钉扎作用可以很弱。当样品包含具有这种涂层的平坦表面时，在从各向同性液态冷却到向列相时发生的旋转位移，通常将从过渡区消失几度。

图3表示US6,249,332中所用表面轮廓的例子。该表面轮廓包括由重复的表面轮廓形成的一系列凹槽。图3表示在垂直于凹槽方向的平面中该轮廓的剖面图。从而，至少一个凹面(槽谷)2与至少一个凸光栅表面(槽脊或峰)4的组合产生其中液晶取向不同和均匀的两种或多种双稳态。在图3所示的例子中，±1/2缺陷使指向矢的一种倾斜稳定，连续状态使第二种倾斜稳定。在这两种情形中，在平行于靠近光栅平面附近(通常在小于或等于光栅节距的距离内)的平面中倾斜是均匀的(在图3中用虚线S-S’表示)。对于垂直边界条件，缺陷状态具有低倾斜度，而连续状态具有通常接近于90°的高倾斜度。如果表面具有平面状况(在垂直于光栅的平面中)，则缺陷状态具有高倾斜度，连续状态具有低倾斜度。

在WO02/08825中描述了其他光栅设计，其中光栅具有三个或更多的缺陷位置，如两个凸边和一个凹边，两个凹边和一个凸边，或者两个凹边和两个凸边。在此情形中，可以存在与具有不同相对位置的缺陷对相应的多个状态，产生不同光学结构和灰度。

在每一种情形中，光栅在垂直于包含指向矢的顶级平面的方向中都是连续的。图4a中示出了现有技术中使用的典型光栅的代表性平面图，其中阴影区域表示槽谷，亮区域表示槽峰。典型的节距p处于0.1μm至5μm范围内，最好处于0.4μm至1.4μm范围内，或者0.6μm至1.1μm范围内。在该装置的每个像素内凹槽方向(用单位矢量g表示)可以是恒定的，或者在像素内可改变。不过，对于大多数像素，在小于15微米的长度量级上凹槽方向g应当是恒定的。可使用传号空号比(c/p)和不对称度来进一步表示光栅的特征，而这会影响表面轮廓的前沿和后沿的曲率。在缺陷状态下，±1/2缺陷形成为平行于凹槽方向g的线(在实际表示时忽略缺陷核心的厚度)。液晶指向矢具有一个垂直于g的分量，但不具有平行于g的分量。在连续状态下，指向矢将具有垂直于g的不同分量，不过也不具有平行于g的分量。

在WO01/40853所述的装置中包括凹槽方向g在小于15微米的长度量级上的改变。这样设计用于改变每个像素内的指向矢取向，产生可以例如散射入射光的微畴或像素区。例如图4b中所示的双向栅格和图4c中的双光栅(bi-grating)。这两个例子都显示出在平行于表面的平面中，在缺陷状态下指向矢的取向发生局部方向改变。其目的在于产生这样一种结构，即在相互垂直的方向上具有低倾斜状态的面内指向矢分量的分量。例如，与连续状态相比，在缺陷状态下可能会产生引起相当大的更多散射的光学结构。

图5中示意地表示出两种状态的能级。状态之间的能垒6与同湮灭和产生缺陷的能量有关。易于将表面设计成产生对称(虚线)或不对称(连续线)锁定特性。这两种情形都是双稳态的，其中即便它们是不对称的，能垒U_D和U_C也足够高。如果能垒很低，则外部扰动会导致从一种状态不希望地转变到另一种状态。例如，采用正性介电各向异性材料，使用的外加电场同时多路传输装置的其他线路将趋于使连续状态稳定。如果U_C很低，则将发生连续状态的回复。或者，在高温下，液晶序参数S很低，从而缺陷状态的能量变得更低。如果将表面设计成在环境温度下使连续状态具有稳定性，则在某些升高的温度下，能量变得对称，且最终产生接近于清除点的单稳定缺陷状态。对于寻址期间自由离子的迁移所建立的反向离子场，也将起到一定作用。

图6中表示实际装置结构的一个例子。与平坦的单稳态垂直表面12相对，使用多稳态表面突起结构10，以产生垂直配向或混合配向的向列。当将样品放置在与光栅成一定角度设置的交叉偏振片之间时，光学延迟的改变导致透射率或反射率差异。可使用适当极性的电脉冲14在状态之间锁定。习惯上使用双极性脉冲来保持DC平衡，其中它是决定状态的托尾脉冲(trailing pulse)的极性。

存在用于在状态之间锁定的不同机制。缺陷和连续状态中弹性形变使具有某种分子形状各向异性的极性液晶产生多样电极化(flexo-electric polarization)。此外，缺陷核代表局部“熔化”向列液晶，其中序参数有效地为零。缺陷核附近序参数的梯度也产生极化(所谓的ordo-电)。±1/2缺陷的对称性意味着缺陷具有净极化，来自于局部flexo电，ordo-电或其组合效应。可提供用于极化响应的其他机制，包括打破表面处n与-n对称性的影响，以及离子杂质的影响。累积效应是在光栅表面处的表面极化P_s，其耦合到外加的DC电场，以诱发锁定。应当注意，该装置在其中一种状态下(混合配向状态)也具有体积flexo电，不过其影响非常弱，实际上可通过液晶体积内的移动离子杂质来屏蔽。

图7为朝向所示附图前部的缺陷状态与朝向后部的连续状态之间边界处光栅表面的3D示意图。点线代表凸面曲率，虚线代表凹面。在缺陷D状态(前部)，靠近凸面处发生+1/2滑动20，靠近凹面处发生-1/2滑动22。滑动沿着表面产生，导致缺陷线。不过，在缺陷状态区靠近连续状态区的情况下，必然存在缺陷被去除的一个点。“A”代表两个滑动的湮灭点，在其后面状态为连续C。不进行任何形式的有意钉扎，湮灭点可以跨越表面26自由移动，以减小系统的总能量。如果不对表面进行任何钉扎，则随着缺陷线(或可称作缺陷环)收缩或生长，则有可能导致不希望地形成一种状态而代替另一种状态(C中的D或者D中的C)。如果两个状态具有相等的能量，则将保持所需状态。不过，如果某些外部影响干扰像素，无论其是机械感应流或者与施加给该装置的多路寻址信号有关的瞬变电场或反向离子感应场，都会导致所不希望的状态。此外，决定配向状态相对能量的系统的性质可能会由于环境温度的改变而变。随着温度升高，液晶的弹性常数、序参数和表面结合能减小，会改变双稳定状态的相对能量。因此，设计成在正常操作温度下对于D和C状态产生适当能量的表面，在升高的温度下可变为单稳态(通常为D态)。实际上，当然用于形成光栅的表面将具有微观粗糙度，其具有足够的钉扎强度，可防止实际装置中回复不希望的状态。注意，本例中所用的光栅形状是梯形的：光栅重复图案的每一部分具有两个凸边和两个凹边。如图中所示，可能在钝角凸边和凹边处、或者在光栅表面更尖锐的边缘上(即垂直边的顶部和底部而非斜边)产生缺陷。

本发明的基本原则是使用于液晶配向的表面处理产生位错或断裂，以便产生沿凹槽方向钉扎缺陷线的位置。在光栅上这些断裂可以有规则地、随机或者伪随机地间隔。图8中表示出这些断裂的例子，不过这组例子是非排他性的。在每种情况下，光栅基本上具有单个凹槽方向，并且可以使任何一种状态下指向矢配向的任意改变保持相对较小。最好，每个断裂应当包括表面轮廓的凹边或凸边，其具有垂直于装置表面的分量。即，断裂引入了至少部分地从构成配向光栅的重复单元的表面轮廓的凹边和凸边开始延伸的一个边缘。断裂有效地将角部引入到表面轮廓中。

图8a表示具有称作负断裂或间隙的光栅。该光栅是一系列凹槽、每个凹槽具有脊、非阴影区30和谷、阴影区32。在某些点处，脊中具有间隙34。从而，间隙构成沿凹槽方向上脊轮廓中的断裂或不连续。因此，正如将要描述的那样，缺陷被钉扎在间隙边缘处。如从图中可以看出，缺陷不必是对齐的，从而一个脊中的间隙与另一间隙相邻。

图8b表示相似类型的断裂，不过用谷中的颈部36连接脊。此外，这种正断裂在颈部与谷的界面处引入缺陷钉扎位置。

图8c表示光栅中滑动的一个例子。可以认为是光栅的顶部相对于底部的移位或者光栅相位的位错。在此情形中具有小位移s，其意味着脊的暴露边缘38用于钉扎缺陷状态下存在的缺陷线。图8d表示更大的滑动，其中光栅的峰或脊与光栅移位部分的谷相遇。注意，术语滑动和位移仅用于表示断裂的种类。没有必要暗示光栅的实际运动，正如本领域技术人员所知，有多种形成配向光栅的方法，如使用光致抗蚀剂材料，并使用适当的掩模形成具有该图案的光栅。注意，可能会突然发生位错，或者在平行于凹槽方向的很小距离上发生位错。在单元平面中位错引起的曲率产生了垂直于凹槽方向的边缘，且具有平行于单元法线的分量。该曲率足以将缺陷状态和湮灭点钉扎在滑动附近。实际上，曲率大于1π/μm，最好大于2π/μm，且常常大于5π/μm，或者换言之，曲率半径小于2μm，最好小于1μm或者甚至于小于0.4μm。

图8e表示重复滑动图案，其中重复设置由彼此相对移位的一个光栅构成的单元。图8f和8g表示混合有颈状和间隙状断裂的光栅。

图8f表示紧相邻的两个滑动位错，其使钉扎位置的数目加倍，从而有助于保证即使一个滑动本身无效时也能钉扎缺陷状态。

图8g表示同时包括滑动和间隙的混合位错。这类断裂可有助于保证在实际中角部保持良好地限定。有些光栅制造技术也许不能复制滑动处光栅形状的快速改变，而趋于产生更平缓的“S”状滑动，其不具有缺陷状态钉扎性质或者缺陷状态钉扎性质较弱。这种结构将有助于保证在滑动处最小的弯曲度就足以钉扎缺陷状态。

图8h表示以光栅传号空号比改变的区域为边界的部分滑动。在由单稳态区域限定边界的多稳态操作区域处这类滑动是有用的。如果例如单稳态区域中需要连续态，则在该区域中最好不具有断裂。

图8j表示在位错线上凹槽的传号空号比发生改变的断裂。其可以在断裂的任一侧产生不同的缺陷状态。

图8j表示不平行于凹槽方向法线的滑动位错。在本例中，示出滑动的角度也发生改变，在该区域上形成Z字形图案。如图8c中所示，在此情形中位错具有无限的宽度。实际上，难以复制出为了保证这一点所需的凹槽中的精细特征。从而，在实际实施例中可能会遇见图8k中所示的情形。表示出成角度的滑动平面，其中保持了对于每个脊(或凹槽)矩形端部。这与将间隙、颈部与滑动效应结合在一起具有相类似的效应。

图9中更详细地表示间隙。这是包括间隙的光栅表面的3D图，并且表示在缺陷状态下靠近光栅表面的缺陷位置。使用与图7相同的附图标记，使用水平阴影表示+1/2缺陷20，用垂直阴影表示-1/2缺陷22。注意，该附图表示具有垂直边界条件的情形，对于局部平面配向来说应当颠倒缺陷的位置。间隙40产生了连接凹槽的水平顶部凸边与凹槽底部的水平凹边的凸面。对于+1/2缺陷20来说，最低能量结构是沿着该边缘，在B处围绕顶角弯曲，然后在它与-1/2缺陷22相遇的湮灭点A处的断裂的底角处湮灭。如前面所述，缺陷状态下靠近光栅的指向矢结构具有低表面预倾角。图9表示在间隙后面不具有缺陷的情形；即，间隙标志着分别为低表面倾斜和高表面倾斜的缺陷状态(前)与连续状态(后)之间的边界。与图7中所示的情形不同，湮灭点不再在表面上自由移动。这样就在缺陷状态下提供了缺陷线的钉扎位置，这是由于存在与移动缺陷离开垂直边缘有关的能量代价。

图9中梯形光栅的不对称性通常足以在B点处产生正确的弯曲符号。即使使用对称光栅(例如具有矩形截面)，由于总的缺陷长度最小，所示结构也仍然具有最低能量。此外，光栅产生的缺陷阵列有助于保证在每个断裂处形成相同图案的缺陷。

图10表示光栅中相反的断裂，即正“颈部”。其作用与间隙的作用类似，除了此时根据本发明由断裂所引入的垂直边缘是凹的，且湮灭点处于断裂的顶角处。

按照下面的方式在涂有ITO的玻璃基板的顶部上制造具有这种结构的光栅。通过交替设置500nm铬条，500nm空隙来制造具有图8b中所示结构的铬掩模，具有分隔开12μm的500nm宽的间隙(在相邻凹槽上偏移4μm)。将正性光致抗蚀剂材料旋涂到第二基板上，烘焙，将掩模与光致抗蚀剂接触，且稍稍偏离垂直于凹槽方向g的法线角(8°)用深UV光曝光。在将基板显影之后，蚀刻掉被曝光的光致抗蚀剂，光栅主片形成所需结构的负片。然后使用该主片，直接或者使用适当数量的主片复制品在涂有ITO的基板上压印所需结构。在图11的SEM中表示压印光栅的一个例子。通过压印，由主片或者从主片产生的复制品中的脊形成光栅的谷；从而包括间隙的主片将产生具有颈部的最终光栅结构。

该附图表示可产生双稳态的典型表面曲率。该样品的间距为1μm。根据本发明加入光栅中的颈状结构的曲率超过|1π/μm|，在所示例子中近似为|2π/μm|。在有些情况下，例如对于非常高的锚定能量、或者低阶参数S而言，使用较低曲率是有益的，但是小于0.2π/μm看起来曲率太差以至于不能产生任何用于缺陷的相当大的钉扎能。实际上，高于|2π/μm|的曲率(或者曲率半径小于1μm)也是适宜的，使用所述光栅制造方法时在实际中没有发现曲率具有上限(用液晶弹性和局部表面锚定能表示)。对于多稳态装置而言，用表面曲率的幅度、光栅的间距和幅度、液晶材料的局部表面锚定能和弹性之间的关系表示不同状态的相对能量。

断裂可具有不同强度，如图12中所示。在本例中，B处的弯曲程度与光栅从B到A的凸边的梯度有关，如图所示。此外，断裂可以是不完整的，其中凹边/凸边并不在一点处相遇。

使用与经过单稳态垂直处理的平坦、涂有ITO的玻璃基板间隔5μm的附图11的光栅基板构成一个单元。在填充商业液晶材料MLC6204_000之后，利用具有相对于光栅方向成大约45°的偏振片，在光学显微镜下，在相交的偏振片之间以透射率观察单元。在具有适当振幅、持续时间和极性的双极性电脉冲施加给ITO电极之后，在缺陷(白)与连续(黑)状态之间发生锁定。注意，与光栅中不具有断裂的控制区相比，所述的锁定非常均匀。然后降低脉冲的振幅，导致从一种状态向另一状态发生局部锁定。图13a表示在将像素区的大约40％锁定为连续(黑)状态的脉冲之后立即呈现的样品。在该附图中光栅断裂清晰可见如同点阵，由于它们在每一点处构成连续状态的小(大约1μm²)畴。在一分钟之后拍摄相同区域的照片，如图13b所示。尽管缺陷畴存在一些收缩，不过处于令人满意的水平之内。不具有断裂的区域几乎立即变成连续状态，如图14所示。

将类似样品，但这一次光栅中设有间隙，加热到50℃，低于清除点T_NI15℃。在该升高的温度下，样品固有地在缺陷D状态下更加稳定。具有断裂50的像素被局部地锁定为缺陷状态，与不具有这种断裂的控制区52形成对照。图14a表示锁定之后的情形。可以看出，施加给具有断裂的光栅区域50和控制区域52的相同电压，在具有断裂的区域中更多地锁定到缺陷状态，起到缺陷环钉扎位置的作用。即，间隙的存在减小了C到D锁定的阈值，这是因为断裂起到跃迁成核位置的作用。与传统装置相比，具有能以更低电压操作或线寻址时间更快的优点。在该脉冲之后两秒钟时，如图14b所示，不具有间隙的区域开始表现出明显地回复到更稳定的缺陷状态，即可以看见白线开始侵入到区域52中，而具有间隙的区域50几乎没有变化。在10秒钟之内，如图14c中所示，不希望的缺陷状态完全扩展到像素的控制区52上，而断光栅区域50的改变非常小。在这些升高的温度下，即便对于完全锁定到连续状态的像素，D状态回复现象也会严重地限制该装置。以前发现令人满意的温度范围最高为45℃。使用断光栅，即凹槽中具有断裂的光栅，可以将装置驱动到清亮点的3℃之内(对于MLC 6204_000超过60℃)。

图15和16表示断裂对于装置锁定阈值的积极影响，这两个曲线都是以间隙尺寸和密度，即断裂之间的距离作为函数的。将不具有间隙的控制样品绘制成间隙0μm。随着间隙尺寸的增大锁定电压有轻微下降的趋势。这可能源于间隙附近的有效电场增大的原因，因为光栅上的介电降落更小，从而作为锁定成核的主要位置。

回到图14的高放大率照片，可以看出间隙或者颈部可产生以断裂为中心的小的连续状态区域。尽管该区域非常小，不够可引起缺陷状态的光学性质显著改变，潜在地导致显示装置的透射率或反射率下降。此外，间隙或颈部作为连续状态的生长成核位置。由于例如多路传输期间施加给其他线的外加电场的RMS效应，可能会不希望地回复到C状态。从而，本发明的另一目的在于沿凹槽方向形成断裂，用于钉扎缺陷线或缺陷环，不过不发生不希望的形成单稳态区域的作用。可使用如图8c和8d中所示的称作滑动的断裂结构类型实现这一目的。

图17中示意出滑动光栅断裂。还表示出缺陷(前)与连续(后)状态之间的边界，仅表示出±1/2缺陷20&22，没有表示出指向矢结构。此处，槽脊突然漂移，在周期性结构中产生相位差，不过诸如间距、传号空号比和光栅形状的性质保持不变。从而这种滑动同时引入凹边和凸边，不过移动了距离s。取决于前部区域是缺陷区，后部区是连续区(如图所示)，或者前部区是连续区，后部区是缺陷区，可用任一边缘钉扎缺陷。

图18表示对于滑动两侧像素区处于缺陷状态的滑动处的结构而言，两种可能的结构。在图18a所示的情形中，缺陷沿着滑动的垂直边缘，并产生两个湮灭点。这种结构可产生不希望的连续状态区域，特别是在本例中在平行于凹槽g的方向滑动具有一定深度时，在实际制造时会发生这种情形。不过，±1/2缺陷20，22可有选择地保持顶部凸面和底部凹面，仅遵从光栅形状所引起的相位改变。如果距离s小于凹槽幅度，则这种结构是最有可能的(只要缺陷弯曲B的能量消耗足够低)。对于整个光栅(而非此处所示的一个脊)，最大相移为c/p或(1-c/p)这样大，通常远低于光栅幅度。光栅滑动的最佳相位取决于表面轮廓重复单元的非对称性和曲率。

从而，滑动具有间隙或颈部的所有优点，通过避免或者使形成不正确状态区域的可能性最小保持装置的良好光学性质。即，滑动对于两种状态下的指向矢结构产生最小干扰，在光栅表面处基本保持均匀配向。图19中表示出这一点，其中左侧表示出具有滑动的光栅的脊(如图所示凹槽方向是垂直的)，靠近不具有滑动的控制区。图19a表示锁定之后立即呈现的情形，图19b，c，d，e和f分别表示在1，2，3，4和5秒之后的图像。从图19a可以看出，具有断裂的区域实现局部锁定，而控制区没有锁定，表明断裂的存在有助于畴的形成和保持。可以清楚地看出，看一下该图像序列，即便在升高温度下，具有断裂的整个像素也能保持局部锁定状态，基本上不会发生回复，而控制区域表现出相当大地回复到更亮的缺陷状态。图20表示的显示板包括三个不同光栅间距区域的重复。凹槽方向g沿着纸面的上下方向。区域a具有包括第一间距(在此情形中为0.6μm)的重复单元，区域b具有不同的间距0.8μm，区域c也具有不同间距1.0μm。每个区域的长度等于12μm。从而区域a，b和c表示具有不同轮廓的子像素，以便具有不同的锁定性质，能同时形成两种状态：连续和缺陷状态区域。图20表示区域被锁定到缺陷状态之后的情形，而区域b和c为连续状态。由于三个间距不同，三个区域之间的界面在每个边缘处有效地产生相移改变的滑动。不过，随着间距的改变，存在相邻区域的凹槽几乎重叠的区域。从图像可以看出，区域b具有五个不同的带。这是由于在这些位置处(在该处为没有有效的移的配向)从区域a回复的原因。这表明，对于典型的光栅制造方法而言，滑动的相移应当处于π/2到π的范围内。

图21表示在光栅掩模设计中如何使用滑动产生三种不同间距。利用这种装置，将得到4个无误差灰色和一个包含高度误差的灰色。从而形成三个子像素区域：A，B和C，每个区域具有不同间距，分别为0.6μm，0.8μm和1.0μm。如图所示每个子像素的凹槽方向从一端到另一端。可以清楚地看出，每个区域具有由滑动分隔的多个槽段。

从而，这种装置使用每个子像素区域的不同锁定阈值，每个像素显示三个无误差灰度级。不过，断裂的存在使得从一个子像素回复到另一子像素或者从像素间间隙的回复最小化。另外，断裂的存在有助于能实现无误差灰度的局部锁定窗口。

图22表示根据本发明设计的光栅的三个另外的例子。图22a表示结合本发明与WO01/40853中所述类型装置的一个例子。在本实施例中，该装置具有多个区域，并且在相邻区域中光栅凹槽方向不同。在每个区域内，存在滑动断裂，其中在位错平面的每一侧光栅凹槽方向g保持相同或基本相同。如果根据WO01/40853设计该装置，使具有单个凹槽方向的每个区域的尺寸为15μm或更小，则增加根据本发明的断裂将改进装置的性能。例如，可能要求装置在缺陷状态下产色散射，在连续状态下散射要少得多。滑动使缺陷状态稳定，防止回复到连续状态(或者相反)，从而改善操作窗口。

图22b为根据本发明设计的光栅，其中按照等于或小于光栅间距的距离重复设置滑动。如果滑动的相位为180°，则所产生的结构为类似于图4c的双光栅。这种结构在任何点处不再具有单个凹槽方向，不过将具有两个垂直光栅凹槽。这与WO01/40853的实施例相当。不过，由于滑动的相位明显小于180°，最好大约为90°，则保持单个凹槽方向g。这意味着该结构具有非常高的缺陷成核密度和钉扎位置，不过在缺陷和连续状态下在该区域内液晶指向矢具有均匀的配向。

图22c表示在断裂的每一侧凹槽方向稍稍改变的滑动平面。这是从一个区域到另一区域凹槽方向逐渐改变处发生的改变类型。或者，由于某些试验误差凹槽可能未对准。

图23表示每隔4μm发生负滑动的两个光栅的SEM图像。图23a表示具有1μm间距的光栅，而图23b表示左侧0.8μm间距与右侧0.6μm的区域之间的边界。图24表示对于具有0.6μm间距的光栅具有正滑动的光栅的SEM图像。

这对于断裂周围指向矢扭曲引起的光学扰动也可能是有益的。例如，最佳间隙尺寸可能为间距一半的量级(即0.25至0.75μm)。不过，如果高密度地使用更大断裂，则可使用每个断裂周围指向矢的变形来产生部分光散射。与连续状态相比缺陷状态中散射更高(从而将呈现白状态)。这种散射将起到内部漫射体的作用。在极端条件下，可将断裂设计成能使用平面反射器，从而减少单元工艺的步骤数量，代价只不过是在掩模设计中出现了漫射器。

如上所述，本发明的可用实施例是引入90°与180°相位差之间的光栅相移或滑动。至少在垂直于凹槽方向g延伸的像素边缘处发生滑动。如果滑动没有靠近像素边缘，则可能回复到错误状态的像素的数量增多，无论断裂的密度对于像素对比度的影响有多大。

假设缺陷状态为扭曲向列(TN)结构且处于黑状态的装置。连续状态是混合配向向列(HAN)状态，并呈现白色。如果像素间距为P，且平均滑动间距为x，则每个像素的滑动数量N为：

N＝INT(P/x)

对于P＞＞x，简化为：

N＝P/x                                {公式1}

在较差情形中，平行于滑动(从而垂直于g)的像素边缘靠近滑动，不过处于错误一侧。在此情形中，宽度总为x的区域可能处于错误状态。如果在像素的两侧发生这种情形，则每个像素的总亮度误差为ε1＝2x/P。通常，像素间间隙被冷却到缺陷状态，且在驱动期间基本上保持不变。在将像素锁定到连续状态(白)之后，由于缺陷状态从像素间间隙开始扩展，连续的畴可能收缩回最接近的滑动，到达像素边缘。

为了使误差ε1最小，理想情况下在每个像素边缘附近包括滑动，如图25所示。越靠近像素的边缘，则该滑动将越有效。实际上，滑动稍稍处于像素区域的外部时是有利的，因为由于像素边缘处产生的面内电场，该区域依然是可寻址的。

将滑动与像素边缘精确对准会增加制造成本，要求昂贵的掩模对准装置。如果光栅被压入电极上面的光聚合层中，则使用这种方法是不实际的。此外，对于每种电极排列需要一种单独的光栅设计。从而，实际上，将光栅设计成具有高滑动密度，有助于保证靠近每个像素间间隙发生滑动。还有助于减小单元中从缺陷开始成核时不希望状态的扩展，减小温度改变或者由机械作用引起的流动。

图26中示意出在像素间间隙处可能产生的误差。在显示器上这些误差将沿着平行于g的方向改变，除非像素间距与滑动间隔之间精确的匹配。在图27的左侧和右侧表示出相同光栅图案的两种可能排列。这种差异发生在显示器上不同的像素处，例如在图27中像素A和像素A+n处，其中n为某个整数。图27还表示对于像素间间隙为白色的每个像素，即白状态是较低能量状态(顶部象素中表示)，和黑状态是较低能量状态(图中下部)时，像素间间隙的外观。显然，取决于滑动相对于电极的排列，像素间间隙的表观宽度可以改变。被锁定成黑色的像素之间的白像素间间隙可具有图27中所示的宽度X或Y。

如果滑动之间的距离保持较小，则X与Y之间的差别也较小。不过，对于规则间隔的滑动，依然会产生显著的赝象。例如随着从一个像素到另一像素像素间宽度一贯地振动，可能产生莫尔条纹。即使间隙差别改变为几个微米左右，如果改变是规则的且长度量级为几个mm左右，则这种条纹也是显著的。有助于解决该问题的两种方法为相对于像素间间隙成一定角度地配向光栅和滑动，并保证滑动是随机分隔的。将顶级双稳态装置显示器制造和设置成在缺陷状态下为TN，在连续状态下为HAN，分别与白和黑状态相应。显示器使用设计有以7μm、8μm和9μm伪随机间隔的滑动的光栅。注意保证至多在与像素大小相应的长度量级上保持相同平均间隔。例如，对于大约100μm的长度量级使用相同数量的具有7μm，8μm和9μm周期的滑动(例如五个周期为7μm，五个周期为8μm和五个周期为9μm的滑动，不过按照随机的顺序，如7:7:9:8:8:9:7:8:9:8:9:7:8:9:7)。从而对于下一序列也可以改变该图案，等。图28中表示出该显示器的光学显微照片，图28a表示局部锁定状态，图28b表示完全被锁定到缺陷状态的显示器。可以看出在局部锁定状态中，滑动钉扎缺陷和连续状态的畴。

在图28b中还可以看出，每个滑动由于其有限的厚度而产生亮度误差ε2。在本例中，缺陷状态呈现白色，滑动表现为暗色带。这可能是由于在滑动处形成细连续状态线，或者由于与滑动周围的折射率改变有关的折射效应。在每种情况下，滑动使白像素上的总亮度降低，或者增大黑像素的透射率。显然这种误差可能引起显示性能下降，包括亮度降低和/或对比度降低。为此，重要的是设计出可用作根据本发明的双稳态液晶配向层的光栅，使ε2最小。

图29表示使用本发明的顶级双稳态光栅单元的几个实际例子。该附图表示以滑动间隔(从顶部到底部不同)和掩模中铬的百分比即传号空号比(从顶部到底部不同)为函数，间隔4μm的滑动的显微照片。所有单元都被锁定为缺陷状态，呈现白色。发现滑动外观取决于多种因素，包括掩模的设计和用于定义光栅的光刻工艺。

图29中所示的例子是改变掩模参数，传号空号比(顶部到底部)和滑动的交错。图8g表示正交错：滑动与间隙行结合。如果交叉是负的，则滑动将与颈部行结合，如图18中所示。在传号空号比小于50％时，可具有图30c中所示的负交错。注意，图8和30表示二值光刻掩模的设计，并非由该掩模通过光刻或其他制造工艺(例如划线，压花等)制造的最终光栅。图29表示如果传号空号比为50％，那么对于+250nm交错而言滑动的表面宽度ε2最小，并且通过降低传号空号比还可以减小表面宽度。

这些结果是光栅制造条件特定的。图31表示使用相同掩模(0.8μm间距，50％铬和50％空隙，在每个滑动处180°相位改变以及0μm交叉)制造，不过由使用不同曝光条件制造的主片压印的本发明两个不同光栅的SEM显微照片。在图31a中，垂直于光栅凹槽的脊形成与凹槽具有相同高度的滑动。实际上发现这样可导致滑动具有明显的宽度W，并且导致显示器的对比度降低。在图31b所示的光栅中，滑动形成低得多的脊特征，且滑动的表面光学宽度W要低得多。从而，对于这种形状而言，发现产生最窄滑动(即ε2最小)的滑动状态如图31b中所示。

不过，还将制造条件设定为由光栅得到许多其他所需性质，并且实际中不可能完全消除ε2。这就使设计中在具有大数量滑动以使像素边缘处ε1最小，与具有少量滑动以减小ε2的总体影响之间具有冲突。假设为了简单起见，在距离W上滑动是全黑的(参见图28)，那么对于白像素ε2误差正比于像素上滑动的总数乘以像素宽度，从而得到：

    ε2＝W/x                          {公式2}

公式1和2给出总误差最小时的滑动密度x：

从而，可根据将要使用的像素间距调节光栅设计以使滑动引起的误差最小。实际上，最好设计是灵活的，与像素尺寸和间距无关。因此，将光栅设计成对于一定范围的不同像素间距都能令人满意地工作，并且对于400dpi到65dpi的显示器而言，该范围通常处于2μm到15μm范围内，常常处于4μm到10μm范围内。

图32表示本发明如何与设计成具有不同性质的光栅结合使用，有可能提供灰度级。在此情形中，给定区域可具有处于相反的相邻区域，是一种更加有利的状态。在两个区域值的界面处，光栅的相位从0°变到180°。在相位改变不足以使缺陷状态钉扎(例如小于90°)时，连续状态可扩展到第一区域中，从而产生不希望的传输状态。从而，可靠近该界面设置滑动，有助于保证在锁定到更高能态之后，较低能态不会扩展到该区域中。

可使滑动靠近每个分离区域的每一侧，如图32a中所示。对于具有设计成产生灰度级的不同区域的光栅而言，在光栅设计之前应当了解不同区域的特定锁定顺序。例如(参见图33)光栅设计1可在比光栅形状2更低的电脉冲能量(τV)下锁定到更高能量、暗态，而光栅形状2在光栅形状3之前锁定到暗态。得知该顺序，可仅使用光栅形状2中的1个滑动来保护所有可能状态，在光栅形状3中不具有滑动。

总之，本发明的优点包括：

更宽的温度范围—根据本发明者的知识首次观察到在清亮点T_NI的5℃范围内为双稳态操作。在升高的温度下随着序参数减小，缺陷状态变得更加稳定，从而可能发生D状态回复。由断裂的“垂直”边缘阻止发生这一问题。

减小对于RMS所致的锁定或回复的灵敏度。在与场的施加无关的复用显示中这有助于保持像素的高孔径比(即亮度和对比度)。实际上，允许使用更高数据电压和/或寻址更多线，且更加有规则。

加宽双稳定窗口—对于更宽范围的光栅形状可保持双稳定性。可使锁定到一种状态的电压更低。尽管消隐其他状态时需要更长的时间进行锁定，不过可实现具有快速总帧时间的低压操作。

还可以控制成核位置的密度，按照一种受控的方式(而非依赖于单元的改变)产生更宽的局部开关区域，或者减小局部锁定电压。这反过来可获得更多模拟电平，或者使用更低数据电压(从而减小功率)。

Claims (25)

1.一种液晶装置，包括设置在两个单元壁之间的一层液晶材料，至少一个单元壁的内表面上的至少一个区域包括具有单个凹槽方向的表面配向光栅，其特征在于该表面配向光栅包括沿凹槽方向的多个断裂。

2.如权利要求1所述的液晶装置，其中在断裂的两侧所述单个凹槽方向基本上是相同的。

3.如权利要求1或权利要求2所述的液晶装置，其中沿凹槽方向，在断裂一侧上的表面配向轮廓与该断裂另一侧上的表面配向轮廓基本上相同。

4.如前面任一权利要求所述的液晶装置，其中断裂在凹槽方向上的宽度小于5μm。

5.如权利要求4所述的液晶装置，其中断裂在凹槽方向上的宽度小于0.25μm。

6.如前面任一权利要求所述的液晶装置，其中所述装置是多稳态装置，并且所述表面配向光栅包括多稳态表面配向光栅。

7.如前面任一权利要求所述的液晶装置，其中断裂包括在包含光栅法线和凹槽方向的平面中具有轮廓的表面特征，其具有至少一个凹边和至少一个凸边。

8.如权利要求7所述的液晶装置，其中所述至少一个凸边或至少一个凹边的曲率半径小于2μm，或者小于1μm，或者小于0.4μm。

9.如权利要求7或8所述的液晶装置，其中所述至少一个凸边与至少一个凹边通过表面连接，其至少一部分基本上平行于光栅法线。

10.如前面任一权利要求所述的液晶装置，其中至少一个断裂包括凹槽谷的轮廓升高的区域。

11.如权利要求10所述的液晶装置，其中将断裂处谷的轮廓升高到与峰相同的水平。

12.如前面任一权利要求所述的液晶装置，其中至少一个断裂包括凹槽峰的轮廓降低的区域。

13.如权利要求12所述的液晶装置，其中断裂处凹槽峰的轮廓与凹槽谷齐平。

14.如前面任一权利要求所述的液晶装置，其中至少一个断裂包括断裂每一侧上的凹槽在具有垂直于凹槽方向的分量的方向上彼此相对移位的区域。

15.如权利要求14所述的液晶装置，其中断裂任一侧上的凹槽在基本上垂直于凹槽方向的方向上彼此相对移位。

16.如权利要求14或权利要求15所述的液晶装置，其中所述相对移位基本上等于凹槽周期的一半。

17.如权利要求14或权利要求15所述的液晶装置，其中所述相对移位基本上等于凹槽周期的四分之一。

18.如前面任一权利要求所述的液晶装置，其中将所述装置设置成使得在该区域内小于光栅25％的任何像素或子像素内，包括在所述像素或子像素区域内不具有断裂的凹槽。

19.如权利要求18所述的液晶装置，其中将所述装置设置成使得在该区域内小于光栅10％的任何像素或子像素内，包括在所述像素或子像素区域内不具有断裂的凹槽。

20.如前面任一权利要求所述的液晶装置，其中将所述装置设置成使在像素或子像素内的任意点处，沿着凹槽方向遇到不止一个断裂。

21.如权利要求20所述的液晶装置，其中断裂沿凹槽方向分开至少为凹槽间距两倍的距离。

22.如权利要求21所述的液晶装置，其中断裂沿凹槽方向分开至少10μm或至少15μm的距离。

23.如前面任一权利要求中所述的液晶装置，其中所述光栅为顶级双稳表面光栅。

24.一种用于液晶材料的表面配向光栅，包括具有单个凹槽方向的光栅，其特征在于所述光栅沿凹槽方向具有多个断裂(34；36；38)。

25.一种多稳态液晶装置，包括设置在两个单元壁之间的一层液晶材料，至少一个单元壁的内表面上的至少一个区域包括具有单个凹槽方向的多稳态表面配向光栅，其特征在于所述表面配向光栅包括沿凹槽方向的多个断裂(34；36；38)，并且在凹槽方向上断裂的任一侧的光栅轮廓基本上是相同的。

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