液晶装置和显示设备的制作方法

专利名称：液晶装置和显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及液晶装置以及包括该液晶装置的显示设备。
背景技术：
电子显示装置，例如与计算机一同使用的监视器和安装在电话和 便携式信息装置中的屏幕，通常设计成视角尽可能地宽，使得它们可 以从任何观看位置读取。然而，存在一些情况，即仅仅从窄范围的角 度可见的显示是可用的。例如，人们可能希望在拥挤的火车上使用便 携式计算机读取私人文件。
存在有多篇公开了 "混合取向向列型"(hybrid aligned nematic， HAN)和"手性混合取向向列型"(chiral hybrid aligned nematic, CHAN) 液晶(LC)单元的文章。混合取向液晶单元在一个基板上具有垂直(垂 直排列(homeotropic))取向(预倾角=90°)，在其他基板上具有平面 取向。
Mash等人在US4114990 (1978)中描述了用作不具有移动部分的 指针式刻度盘的CHAN LC单元。Lewis等人描述了极化光在CHAN 液晶单元中的导向(Applied Physics Letters, Vol. 51 ， pp. 1197)。 Jewell 等人描述了填有双频LC材料的CHAN液晶单元中的指示轮廓结构 (PhysRevE, Vol. 73,011706)。
存在有多篇公开了 LC "pi-单元"或光学补偿双折射(OCB)模式 工作的文章。Pi-单元由具有基本相同的预倾角取向的两个基板构建(两 个基板通常诱导平面取向)。Pi-单元构建成摩擦方向平行。
Bos等人描述了 pi-单元中的快速交换(Mol. Cryst. Liq. Cryst., Vol. 113， pp.329，专利US4 635 051和GB2 276 730。)
US6552850 (E.Dudasik; Citicorp Inc. 2003)描述了一种用于在现 金分配机上显示私人信息的方法。该机器的显示器发出的光具有固定 的偏振态，机器及其用户被吸收该偏振态的光、但发射正交状态的偏振层板的大屏幕围绕。路人可以看到用户和机器，但看不到屏幕上显 示的信息。
用于控制光的方向的通用方法是'百叶窗式(louwe)'薄膜。该 薄膜由以类似于软百叶帘的取向交替的透明层和不透明层组成。与软 百叶帘类似，当光沿着平行于或近乎平行于上述层的方向传播时，其 允许光通过，但吸收与层的平面呈大角度传播的光。这些层可以与薄 膜的表面垂直或者是呈其他角度。这种薄膜的制造方法描述于 USRE27617 (F.O. Olsen; 3M 1973)、 US4766023 (S.-L.Lu， 3M 1988) 和US4764410 (R.F. Grzywinski; 3M 1988)。
存在有制造性质与百叶窗式薄膜类似的薄膜的其他方法。这些方 法描述于，例如，US5147716 (P.A. Bellus; 3M 1992)和US5528319 (R.R. Austin; Photran Corp. 1996 )。
百叶窗式薄膜可以置于显示面板前面，或置于透射型显示器与其 背光源之间，以限制可以观看显示器的角度范围。换言之，它们可使 显示器"保密"。
US 2002/0158967 (J,M. Janick; IBM, 2002年公开)显示了光控 制薄膜如何装配在显示器上使得光控制薄膜可以移动到显示器的前 面，以给出保密模式，或者机械地撤回到显示器后面或旁边的夹具中， 以给出公开模式。该方法具有如下缺点，即其含有可能失效或损坏的 移动部分，并且增加了显示器的体积。
用于不通过移动部分从公开模式切换到保密模式的方法是在显示 面板后安装光控制薄膜，并在光控制薄膜和面板之间放置可以电开启 和关闭的扩散板(diffUser)。当扩散板不活动时，光控制薄膜限制视角 的范围，显示器处于保密模式。当扩散板被开启时，其使光以宽范围 的角度传播以通过面板，显示器处于公开模式。也可以在面板前面安 装光控制薄膜，并在光控制薄膜前面放置可切换扩散板，以实现相同 效果。
这些类型的可切换保密装置描述于US5831698 (S.W.Depp; IBM 1998)、 US6211930 (W.Sautter; NCR Corp. 2001)和US5877829 (M. Okamoto; Sharp K.K. 2001)。它们同样具有如下缺点，即无论显示器 处于公开还是保密模式，光控制薄膜总会吸收大部分在其上入射的光。因此，显示器在其使用光方面效率低下。由于扩散板在宽范围角度上 散布光线，这些显示器在公开模式下比在保密模式下更暗，除非使背 光源更亮以进行补偿。
其他缺点与这些装置的能量消耗有关。在公开操作模式下，扩散 板被切换到散射状态。这意味着电压被施加于可切换聚合物分散的液 晶扩散板。因此，公开模式比保密模式消耗更多电能。这也是大多数 时间以公开模式使用的显示器的缺点。
其它已知的用于制造可切换公开/保密显示器的方法公开于
US5825436 (K.R. Knight; NCR Corp. 1998)。光控制装置在结构上与 之前描述的百叶窗式薄膜类似。然而，百叶窗式薄膜中的每一个不透 明元件由可从不透明状态向透明状态电切换的液晶单元代替。光控制 装置置于显示面板的前面或后面，当液晶单元不透明时，显示器处于 保密模式；当液晶单元透明时，显示器处于公开模式。
该方法的首要缺点在于制造形状合适的液晶单元的难度以及费 用。第二个缺点在于，在保密模式下，光线以一定角度进入，使得其 首先通过透明材料，然后通过液晶单元的一部分。这样的光线将不能 被液晶单元完全吸收，这可能降低装置的保密性。
用于制造可切换公开/保密显示装置的其他方法公开于JP3607272 (Toshiba 2005)。该装置使用了额外的液晶面板，该面板对液晶取向 进行了图案化。面板的不同取向的部分以不同方式更改显示器不同区 域的观看特性，结果，全部显示面板仅仅从中心位置是完全可读的。
GB2405544描述了基于百叶窗的可切换保密装置，其仅仅对于光 的一种偏振工作。百叶窗通过使百叶窗本身中的染色液晶分子转动或 者通过使用单独的元件使入射光的偏振面转动而开启和关闭。
在GB2413394中，可切换保密装置通过在显示面板上添加一个或 更多个附加液晶层和偏振器来构建。这些附加元件自身的视角依赖性 可以通过以已知方式使液晶电切换来改变。
在GB2410116中，显示器通过使用以不同角度范围产生光的两种 不同的背光源从公开模式切换为保密模式。
在GB2421346中，偏振改性层(PML)置于液晶显示面板的出口 偏振器后方。PML的一些部分仅是透明的。其它部分使通过它们的光的偏振改变，使得通过这些部分观看的像素在颜色上转化(亮像素变暗且暗像素变亮)。发送到正好在这些部分后的像素的数据被转化成，当从中心位置观看显示器时，图像显示正常。然而，当从不同角度观看显示器时，通过延迟元件观看到不同的像素，并且图像恶化。偏轴
观众看到的是随机点图案的混淆图像。PML可以由液晶制成，并且可被关闭，以给出公开模式。
GB2418518在标准薄膜晶体管(TFT) LC显示器上添加具有图案化电极的主客体式(染色)LC层。染色LC层可以在吸收状态(保密)和非吸收状态(公开)之间切换。染料分子的吸收取决于光的入射角度和偏振。对于给定的偏振和方向，染料的吸收随着视角变大而增加，导致在高角度下亮度低(窄模式)。
GB2426352公开了由单个额外的切换元件提供的保密功能和三维(3D)功能的组合。显示器具有三种操作状态宽模式、保密模式和3D模式。图案化和非图案化LC取向的实施方式均有描述。
GB2404991中公开了使用全息图以提供保密功能的概念，但这种显示器有两种缺点。首先，由于通过全息图从显示器产生不希望的光的衍射，观看者看到的图像颜色不正确。其次，对于使用安装在显示器前面的触摸屏的应用，用户的手会阻碍全息图的照明，从而降低保密效果。GB2428128公开了解决这些问题的方案。
GB2427033公开了位于液晶显示(LCD)面板现有偏振器之间的附加液晶层的使用。在该位置处，附加的切换元件可以改变离轴光线的灰度曲线。这提供了比GB2413394公开的技术更高的图像保密等级。
GB专利申请第0613462.1号公开了通过在显示面板上添加附加的胆甾层和圆形偏振器而构建的可切换保密装置的使用。胆甾层可以在公开(宽视角)模式和可提供360。方位角保密性的保密(窄视角)模式之间切换。
Adachi等人(SID06， pp.228)和Okumura (US20050190329)公开了使用HAN单元来提供可切换保密功能。Adachi和Okumura使用的HAN单元与下层的图像面板结合使用。Adachi等人(SID06， pp.228)和Okumura (US20050190329)描述的公开(宽视角)模式是未扭曲(untwisted)的。Kubono等人研究了包括低预倾角基板和相对于低预倾角(平面)基板以60°、 90°和120。摩擦的垂直(垂直排列)取向基板的CHAN单元的切换速度(Journal of Applied Physics, Vol. 90， pp.5859)。 Kubono等人使用的液晶材料已被手性掺杂。
JP09230377和US5844640描述了一种改变单层LCD面板的视角特性的方法。这是对于垂直取向向列型(Vertically Aligned Nematic,VAN) LC模式而实现的。显示面板平面中的电场用于控制LC材料在像素区域中如何倾斜。像素内不同倾角畴的数目和方向可以受面内电场的控制。具有多个倾角畴的像素将具有宽视角；具有一个倾角畴的像素视角较窄。描述了使用该方法来改变显示器的视角。然而，所描述的VAN模式的单倾角畴的视角没有窄到足以提供良好的保密性。
US5686979 (3M)描述了反射型偏振膜或"双亮度增强膜"(DBEF )和与现有图像LCD结合使用的额外的切换LCD的使用。光学系统可以在透射LCD模式和反射LCD模式之间切换。在反射LCD模式下，使用环境光来代替背光源，以在现有图像面板上显示图像。
可切换镜面显示专利EP 0 933 663 Bl (Citizen)和JP34197661(Hitachi)描述了反射型偏振膜(DBEF)和与现有图像LCD结合使用的额外的LCD的使用。该光学系统可以在如下两种操作模式间电切换1)公开(宽视角)模式，其中额外的LCD和DBEF膜不改变来自现有图像LCD的图像；2)镜面模式，其中环境光从DBEF反射，以产生镜面模式。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种液晶装置，其包括布置成诱
导第一预倾角的第一取向表面，该第一预倾角小于90。并且大于45°，并具有指向预定方向的平行于第一表面的成分(component);布置成诱导第二预倾角的第二取向表面，该第二预倾角大于0。并且小于45°，并具有指向预定方向的平行于第二表面的成分；置于第一表面和第二表面之间的液晶材料层。
第一预倾角可以大于65。。第一预倾角可以大于75。。第一预倾角可以大于或基本上等于85°。第一预倾角可以基本上等于85°。第二预倾角可以小于20°。第二预倾角可以小于15°。第二预倾角可以小于或基本上等于5°。第二预倾角可以基本上等于5°。第二预倾角可以基本上等于5°。第一表面和第二表面可以在预定方向上被摩擦(rub)。
材料可以是向列型液晶材料。材料可以含有手性掺杂剂。层的厚度与螺旋节距(chimlpitch)的比率可以小于0.75。该比率可以基本上等于0.3。
材料可以为负介电各向异性。
材料可以为正介电各向异性。
材料可以是双频液晶材料。
该装置可以包括用于对层施加场的布置(arrangement)。该场可以是电场。场施加布置可以包括置于层的相对侧上的第一和第二电极布置。第一和第二电极布置中的至少一个可以包括图案化(patterned)电极。
场施加布置可以选择性地布置成施加至少一个用于建立展曲-弯曲矛旨向矢结构(splay-bend director configuration)的第一场。
场施加布置可以选择性地布置成施加至少一个用于建立展曲-扭曲t旨向矢结构(splay-twist director configuration)的第二场。
装置可以包括置于层的相对侧上的第一和第二线性偏振器。第一和第二偏振器中的至少一个可以是反射式偏振器。第一和第二偏振器中的每一个可以具有与预定方向平行或垂直的透射轴。
根据本发明的第二方面，提供包括与图像显示器协作的根据本发明第一方面的装置的显示设备。
图像显示器可以是液晶显示器。
该装置可以是可控的，以选择多种显示操作模式中的任何一个。上述模式可以包括保密观看模式。上述模式可以包括公开观看模式。上述模式可以包括镜面模式。上述模式可以包括自动立体(autostereoscopic)模式。
据信己经发现了新的、以前未知的液晶操作模式。包括下文中称为"展曲-扭曲模式"的模式的装置应用于可切换保密装置(switehableprivacy device)中。例如，这种装置可以与显示器例如LCD—起使用，以允许在公开或宽视角模式和保密或窄视角操作模式之间切换。 一些实施方式可以用于提供可选择的镜面操作模式。 一些实施方式可以用
于提供自动立体三维(3D)操作模式。


图1是组成本发明一实施方式的液晶装置的横截面示意图；图2是包括图1所示类型的装置的显示设备的侧视图；图3是包括图1所示类型的装置的另一显示设备的侧视图；图4是显示图3所示设备中的偏振器透射轴的方向和取向方向的视图5是显示图2所示类型的显示器和已知类型的显示器的任意单
元的保密性能相对于视角(以度为单位)的图6是图1的装置和已知类型的装置的横截面图7a至图7d是用于比较图1所示类型的装置的操作与两类已知
类型的装置的倾斜和扭曲(以度为单位)相对于通过装置液晶层的归
一化距离的图8是其性能在图7a至7d中显示的装置的中平面(mid-plane)扭曲(以度为单位)相对于所施加电压的图9a至9i是显示图1所示类型的装置的三种光学系统(opticalregime)的性能和操作的图10是显示用于使图1所示类型的装置用作自动立体3D显示器的电极布置的横截面视图。
在附图中，类似的附图标记指示类似的部件。
具体实施例方式
图1所示的液晶装置包括例如由玻璃制成的透明基板10和14，该透明基板设置有例如由氧化铟锡(ITO)制成的透明电极布置11。上基板10设置有用于促进高预倾角取向、但不是垂直(垂直排列)取向的取向层12。由此，预倾角e小于90。并且大于45。，但通常在75。以上且90。以下的范围内。典型的预倾角大约为85°。取向层12由如下材料制成该材料在其未摩擦状态下通常用于促进垂直取向，但在取向过程中被摩擦以便提供非垂直预倾角。这种材料的一个实例已知有可获
自JSR的JALS 2017。
下基板设置有取向层13，该取向层用于促进大于0°但小于40°的较低的预倾角。预倾角通常在0。以上且15。以下的范围内，适当的预倾角的一个实例为5。。取向层13可以，例如，包括可获自Nissan Chemicals的称作SE610的材料，并沿着箭头指示的方向被摩擦。
通过装配上述基板形成装置，以提供填有适当的液晶材料的单元(cdl)。对基板进行取向，使得取向层12和13的摩擦方向平行，并指向相同方向。换言之，取向表面处的预倾角具有指向相同方向的平行于取向表面的成分。 一旦装置己装配，取向层12和13之间的产生的单元用向列液晶材料填充。例如，液晶材料从而在取向层12和13
之间形成层，该层具有由取向层和在电极布置11之间的任何施加的电场所决定的指向矢结构(director configuration)。
在填充这种展曲-扭曲单元时，观察到两种变形状态的混合。据信，这些是展曲-弯曲变形和展曲变形。展曲变形和展曲-弯曲变形在拓扑上是不同的，如Wang和Bos， J.Appl.Phys.， Vo1.90， pp552 (2001)中所公开。20处所示的展曲-弯曲变形具有穿过"高预倾角"基板10附近的垂直位置的指向矢，然而，据我们所知，展曲变形具有穿过"低预倾角"基板14附近的水平位置的指向矢分布(director profile)。展曲模式在此处所述的应用中没有实际用途。通过施加适当的面外电场，展曲-弯曲变形状态20在整个显示区域上是有核的(nucleated),并且在不施加场的条件下保持稳定，即，展曲变形被完全去除。(本文讨论的所有电场均为面外电场，g卩，沿基本上垂至于基板的方向)。
展曲-扭曲单元可以填有具有负介电各向异性或正介电各向异性的LC。负介电各向异性材料能够在公开(宽视角)模式下进行良好的控制，但在保密(窄视角)模式下提供较差的控制。正介电各向异性材料在保密(窄视角)模式下能够进行良好的控制，但在公开(宽视角)模式下提供较差的控制。当展曲-扭曲单元填有双频LC材料，例如可获自Merck的MDA-00-3969 (MLC-2048)时，可以实现最优性能。双频LC对于给定的驱动频率范围(通常低频〈lkHz)具有正介电各向异性，对于不同的给定驱动频率范围(通常高频:H0kHz)具有负介电各向异性。因此，填有双频LC的展曲-扭曲晶格在保密(窄视角)模式和公开(宽视角)模式下均能够进行良好的控制。
施加电场可以用于在展曲-弯曲变形20和展曲-扭曲变形21之间切换。当展曲-扭曲单元布置在平行的线性偏振器之间，且基板摩擦方向平行或垂至于偏振器透射轴时，可以实现三种不同的可用光学系统。
光学系统l:通过施加适当大的面外电场，大批LC指向矢垂至于电场且平行于基板平面而取向。摩擦取向条件和适当电场的组合迫使指向矢采用展曲-扭曲变形21。指向矢形成从低预倾角基板14到高预倾角基板10的扭曲结构。如果LC层足够厚(>~10 pm)以满足Mauguin弓I导条件，则进入展曲-扭曲模式的光的偏振状态具有与从展曲-扭曲模式发出的光相同的偏振状态。由于显示在图像LCD上的下层图像不发生变化，该光学效果可以用作公开(宽视角)模式。如果LC层过薄而不满足Mauguin引导条件，则可以应用Gooch-Tany引导标准(Gooch和Tarry， J. Phys. D.， Vo1.8， ppl575-1584 (1975))来确保进入展曲國扭曲模式7的光具有与从展曲-扭曲模式发出的光相同的偏振状态。
光学系统2:通过施加适当的面外电场，该电场比在光学系统1中施加的电场小，指向矢结构的较小部分垂至于电场(平行于基板平面)而取向。摩擦取向条件与电场的组合仍迫使指向矢采用展曲-扭曲变形21。尽管指向矢仍从低预倾角基板14到高预倾角基板10扭曲，因为施加的电压小于光学系统l，大部分的LC层具有高的倾角。光学效果在于主要在轴上传播的光被切换到正交偏振状态。因此，单元在平行的偏振器之间呈现黑色。通过展曲-扭曲单元中的电极的适当图案化，可以实现光学系统1和光学系统2的交替行(或交替列)。由于光学系统1在轴上呈现黑色而光学系统2呈现透明，可以实现能够从下层图像LCD观看自动立体3D图像的视差栅栏。
如果展曲-扭曲单元下的偏振器是反射偏振器片，例如DBEF (双亮度增强膜)，则可以通过将整个展曲-扭曲模式切换成光学系统2而实现镜面模式。DBEF的透射轴取向成与额外的偏振器的透射轴平行(即DBEF偏振敏感反射轴垂至于额外的偏振器的透射轴)。因此，与展曲-扭曲模式无关，来自背光源5的轴上光传播总是穿过DBEF膜透射。以在光学系统2中操作的展曲-扭曲模式，入射到展曲-扭曲单元上的环境光的偏振状态在从展曲-扭曲单元中出射时将被切换到正交偏振状
态，并且随后将从DBEF膜反射回来。在从DBEF反射时，光穿过展 曲-扭曲单元传播回来，被切换为正交偏振状态，并穿过额外的偏振器 传输。因此，从DBEF反射的光成功地基本上未衰减地退出光学系统， 提供具有镜面功能的显示。
在适当手性掺杂的LC单元中，光学系统2可以配置成在不施加场 时出现。这将以~0.3的d/p (单元厚度除以螺旋节距)比率而出现。
光学系统3:在未掺杂的单元中，施加适当的面外电场使得指向矢 采用展曲-弯曲变形20 (LC指向矢未被扭曲)，并且该指向矢穿过高预 倾角表面附近的垂直位置(0=90°)。手性掺杂的展曲-扭曲单元中的指 向矢变形的准确细节更加复杂，但假定掺杂水平d/p小于0.75，光学响 应基本上与未掺杂的单元相同。在该模式下，对于基本上在轴上传播 的光不发生偏振转换(conversation),因此该模式在轴上基本上呈现透 明。然而，偏轴(0>±30°)且沿着大约垂至于摩擦方向的方向传播的 光被切换为正交偏振状态，并被额外的偏振器阻碍。这是提供图像保 密性的保密(窄视角)模式。通过适当的施加场的大小(1-10伏特) 和单元的厚度，保密强度变大的极角可以控制在一定程度。单元越厚， 发生保密性的偏轴角度的范围便越大。
图2显示了图1所示的液晶装置与显示器6 —起用于提供常规图 像显示的用途。图像显示器6可以是为装置7提供适当偏振的线性偏 振光的任何类型。例如，显示器6可以是任何适当类型的LCD，例如， 包括扭曲向列型(TN)、高级超视角型(ASV)、垂直取向向列型(VAN) 和超级扭曲向列型(STN)。装置7允许显示设备在上文所述的公开和 保密观看模式之间切换。在图2所示的实例中，显示设备进一步包括 额外的偏振器3和背光源5用于例如LCD类型的透射显示设备6。另 外，如下文所述，通过对装置7的电极布置11中的一个或多个进行图 案化，展曲-扭曲单元7可以控制成像视差栅栏那样操作，以便提供自 动立体3D显示。
在图2中所示的布置中，组件的顺序可以变化，例如，使得偏振 器3和显示器6的位置互换。
在图3的显示设备中，DBEF4置于装置7和显示器6之间。这种布置能够进行上文所述的镜面模式操作。
如图4所示，LCD 6的出射偏振器和偏振器3具有平行的透射轴， 上述透射轴在本实施方式中平行于取向层12和13的摩擦或取向方向。 DBEF 4具有平行于偏振器透射轴的透射轴，并反射具有正交线性偏振 的光。
镜面功能依靠例如可获自3M的DBEF的反射偏振器的实现。普 通偏振器吸收一个方向上的线性偏振光，同时透射正交线性偏振状态。 DBEF反射一个方向上的线性偏振光，同时透射正交线性偏振状态。使 用DBEF允许获得可切换的镜面功能。还可以使用另外可选的反射偏 振器，以基于胆甾反射偏振器(Chelix)实现镜面功能。胆甾反射偏振 器反射一种手性的圆偏振光，同时透射正交圆偏振。为了实现显示系 统中的胆甾反射偏振器以替换诸如图4所示的DBEF，必须将1/4波片 (1/4波长延迟器)粘附于胆甾反射偏振膜的前面和后面。显示器6的 检偏器和一个1/4波片组合以产生被胆甾反射偏振器透射的圆偏振光 的手性。另一 1/4波片保证在光学系统2中的单元7发出的环境光被转 换成从胆甾反射偏振器反射的圆手性(即实现镜面功能)。第一l/4波 片的作用是将入射的线性偏振光转换到圆偏振状态，使得圆反射偏振 器可以正确操作。第二 1/4波片的作用是将穿过单元7透射的环境光转 换到由胆甾反射偏振器反射的圆偏振状态。如果从图像LCD 6发出的 光已经被圆偏振化(例如ShaipASV模式)，则仅需要在胆甾反射偏振 器上添加单个1/4波片。该单个1/4波片位于圆反射偏振器和单元7之 间。
不可能同时使所有三个光学系统最优化。然而，用以下参数可以 获得使用合理低的驱动电压(<20V)的所有方面均良好的光学性能 单元的厚度为-40 Mm; 诱导 85。预倾角的高预倾角取向层； 诱导 5。预倾角的低预倾角取向层； 双频LC;
单元厚度順距(d/p)比率为-0.1的手性掺杂剂。 图5提供了图3或4所示设备的实例提供的实测保密性与在称作 NTTDocomSH902i的已知产品中使用的ECB模式的比较。该图显示出保密强度随最大保密性平面(即垂直于摩擦方向、且垂直于基板的平 面)中的极角变化的情况。展曲-扭曲模式在较大范围的离轴角度上具 有较高的保密性度量。保密性度量由公开(宽视角)亮度除以保密(窄
视角)亮度的相对比率定义。NTTDocom SH902i产品中使用的ECB
单元由以反平行方式各自摩擦的方向取向的两个低预倾角基板(e<
15°)构成，即取向条件与展曲-扭曲模式基本不同。当用面外电场切换 时，ECB单元中的指向矢从不形成扭曲结构。因此，ECB在不添加昂 贵的面内电极时不能用于产生镜面模式或自动立体3D模式。
图6显示了已知的HAN模式和展曲-扭曲模式的指向矢结构之间 的比较。HAN的高预倾角基板25没有摩擦，或者相对于低预倾角基 板而反平行摩擦。图6显示的是HAN的高预倾角基板没有摩擦的情况。 如果HAN具有反平行摩擦条件，则无论有无施加的面外场，都不形成 扭曲的指向矢结构。展曲-扭曲模式的摩擦方向是平行的。作为该摩擦 条件的直接结果，施加适当大的面外电场能够使展曲-扭曲模式在阈值 电压下形成扭曲的指向矢结构。然而，无论是否有施加的电场，HAN 模式都不能形成扭曲结构。
图7显示了己知的HAN模式、已知的CHAN模式和展曲-扭曲模 式的指向矢结构(指向矢倾角和扭曲分布)随通过单元的归一化距离 变化的情况之间的比较。CHAN模式中单元厚度(d)与螺旋节距(p) 的比率为0.1 (即d/p-0.1)。所有模型的单元厚度均为40微米。通过液 晶数字模拟软件(DiMOS， AutronicMelchers)来产生指向矢结构。高 预倾角基板上的预倾角大小对于所有三个模式都是相同的。低预倾角 基板上的预倾角大小对于所有三个模式都是相同的。然而，HAN和 CHAN模式的摩擦方向是反平行的，而展曲-扭曲模式的摩擦方向是平 行的。对于HAN、 CHAN和展曲-扭曲模式，以低预倾角表面上相同的 指向矢方向进行模拟。所有模拟均以负介电各向异性液晶(As=-3)进 行。
如图7a所示，在零伏下，展曲-扭曲模式的倾角(e)分布(profile) 从85°增加到90。(即增加到垂直)，随后下降到5°，然而HAN和CHAN 模式的倾角分布从85。线性下降到5。。如图7b所示，在从高预倾角基 板开始通过单元大约0.09归一化单位的距离处，在零伏特下，展曲-扭曲模式的扭曲角(cp)分布保持恒定在270。，直至倾角达到90。(即 垂直)。当倾角达到90。时，扭曲角无法定义。在通过展曲-扭曲单元大 约0.09归一化单位之后，倾角从90°下降，并且扭曲角采用新的数值 90° (与HAN模式相同)。尽管展曲-扭曲单元中的扭曲角已采用不同 的数值(270°至90°)，所有指向矢变形被限制在单一平面。因此，在0 伏下展曲-扭曲模式未被扭曲(即展曲-扭曲模式已采用图1所示的展曲 -弯曲变形)。
在零伏下，CHAN单元表现出扭曲角通过单元而平滑、连续的变 化(即CHAN单元的指向矢并未限制在单一平面；指向矢结构是扭曲 的)。在零伏下，HAN单元表现出扭曲角通过单元是恒定的值(即HAN 的指向矢被限制在单一平面；指向矢结构是非扭曲的)。
如图7c所示，在16伏下，展曲-扭曲模式、CHAN模式和HAN 模式的倾角分布基本上相同，其中大多数LC指向矢平行于基板平面且 垂至于施加的电场而就位(即e=o°)。然而，如图7d所示，在16伏下， HAN、 CHAN和展曲-扭曲模式的扭曲角分布完全不同。HAN模式在 16伏下具有均匀的、单一的扭曲角值，即指向矢剖面未扭曲。CHAN 模式在16伏下具有几乎均匀的、单一的扭曲角值，即指向矢分布基本 上未扭曲。在16伏(在展曲-弯曲到展曲-扭曲转变的阈值以上)下， 展曲-扭曲模式采用穿过单元的扭曲结构。在展曲-扭曲模式下，指向矢 从高预倾角基板到低预倾角基板扭曲总共180。的角度。
x。和x。+360。的扭曲角是简并的指向矢结构——因此在图7d中通 过单元在0.4归一化单位处扭曲角的急剧下降并不是指向矢取向上的 不连续变化，而仅仅是扭曲角的重新定义。
模拟结果显示，在阈值电压下，展曲-扭曲模式将从展曲-弯曲变形 (未扭曲)转变成展曲-扭曲变形(扭曲)。通过手性掺杂的展曲-扭曲 模式，展曲-弯曲到展曲-扭曲变形的阈值电压可以降低。手性掺杂还能 打破展曲-扭曲变形中左手性和右手性扭曲状态之间的能量简并，因此 可以用于防止反向扭曲畴(reverse twist domain)的形成。在未掺杂的 展曲-扭曲模式中，扭曲来源是由于取向条件。展曲-扭曲模式的取向条 件与HAN和CHAN模式巧妙地不同。具体地，在展曲-扭曲模式中施 加适当的电场时，扭曲结构的来源是由于低预倾角和高预倾角取向层的平行的摩擦条件。在HAN模式中不存在扭曲结构是由于以下事实， 即高预倾角取向层不进行摩擦(预倾角0=90°)，或者是进行摩擦，使 得摩擦方向相对于低预倾角取向层是反平行的。
图8显示了展曲-扭曲模式(STM)、HAN模式和手性HAN(CHAN) 模式的中平面(mid-plane)扭曲角。通过液晶数字模拟软件(DiMOS， AutronicMelchers)产生指向矢的详细情况。所有模型的单元厚度均为 40微米。CHAN模式中单元厚度(d)与螺旋节距(p)的比率为0.1 (即d/p=0.1 )。展曲-扭曲模式具有平行摩擦条件，然而HAN和CHAN 模式具有反平行摩擦条件。高预倾角基板上的预倾角大小对于所有三 个模式都是相同的。低预倾角基板上的预倾角大小对于所有三个模式 都是相同的。图8显示出在施加适当大的电压(>9伏)时展曲-扭曲模 式在中平面扭曲角的大小上具有不连续的突变。不连续变化的出现是 因为指向矢结构从展曲-弯曲变形变化成展曲-扭曲变形。然而，在施加 电压时，对于HAN观察不到中平面扭曲角的变化。与展曲-扭曲模式 不同，施加电压时CHAN的中平面扭曲角确实有变化，但该变化是平 滑且连续的。因此，反平行摩擦条件产生了与平行摩擦条件完全不同 的电光响应。因此，展曲-扭曲模式与HAN和CHAN模式不同。
图9a-9i提供了使用展曲-扭曲模式可实现的三个光学系统的示例。 结果使用液晶模拟软件(AutronicMdehers)获得。归一化亮度曲线均 取自具有0。的最大保密性平面中，其表示对系统的轴上观看(垂直于 基板的方向)。图9a显示了公开(宽视角)模式(光学系统l)的归一 化亮度，相应的指向矢倾角和扭曲角分布显示在图9b和图9c中。图 9d显示了镜面和/或自动立体3D模式(光学系统2)的归一化亮度， 相应的指向矢倾角和扭曲角分布显示在图9e和9f中。图9g显示了保 密(窄视角)模式(光学系统3)的归一化亮度，相应的指向矢倾角和 扭曲角分布显示在图9h和图9i中。光学系统1的结果在40伏下获得, 其中A e 二3。光学系统2的结果在6.75伏下获得，其中A e =-3。光 学系统3的结果在4V下获得，其中^^=+3。为了实际实现该模拟工 作，需要双频LC。
图10显示了要求由展曲-扭曲模式实现公开(宽视角)、保密(窄 视角)、自动立体3D和镜面模式的电极布置。电极lla是共用电极(通常接地)，然而电极llb和llc是交叉(interdigitated)电极，并可以分 别单独加以电压VI和V2。为了实现公开(宽视角)模式，电极lib 和llc设定成相同的电压(光学系统1)。为了实现保密(窄视角)模 式，电极1 lb和11 c设定成相同的电压，但该电压不用于公开(宽视角) 模式(光学系统3)所需的电压。为了实现镜面模式，电极llb和llc 设定成相同的电压，但该电压不同于公开(宽视角)模式所需的电压， 并且不同于保密(窄视角)模式(光学系统2)所需的电压。为了实现 自动立体3D模式，交叉电极中的一个例如llb提供电压Vl，以将交 替的列(或行)切换成公开(宽视角)模式，而另一交叉电极llc提 供将剩余列(或行)切换到光学系统2的电压V2。当展曲-扭曲模式置 于平行的偏振器之间时，光学系统1对于基本上所有的入射角都呈现 透射性，而光学系统2对于基本上在轴上的角度呈现黑色(非透射性)。 由此实现条状的视差栅栏。该视差栅栏置于现有图像LCD面板6的顶 部，如图2所示。当适当的图像显示在现有图像LCD面板6上、并且 视差栅栏被激活时，实现自动立体3D图像。
这种类型的装置可以应用于，例如，用户可能希望观看保密信息、 但不能控制其它人也可以观看的设备。实例有个人数字助理(PDA)、 膝上型个人计算机(PC)、桌上监控器、自动取款机(ATM)和电子销 售点(EPOS)设备。
权利要求
1. 一种液晶装置，其包括布置成诱导第一预倾角的第一取向表面，所述第一预倾角小于90°并且大于45°，并具有指向预定方向的平行于第一表面的成分；布置成诱导第二预倾角的第二取向表面，所述第二预倾角大于0°并且小于45°，并具有指向所述预定方向的平行于第二表面的成分；和置于所述第一表面和所述第二表面之间的液晶材料层。
2. 如权利要求l所述的装置，其中所述第一预倾角大于65。。
3. 如权利要求2所述的装置，其中所述第一预倾角大于75。。
4. 如权利要求3所述的装置，其中所述第一预倾角大于或基本上 等于85°。
5. 如权利要求4所述的装置，其中所述第一预倾角基本上等于85。。
6. 如权利要求l所述的装置，其中所述第二预倾角小于20。。
7. 如权利要求6所述的装置，其中所述第二预倾角小于15°。
8. 如权利要求7所述的装置，其中所述第二预倾角小于或基本上 等于5°。
9. 如权利要求8所述的装置，其中所述第二预倾角基本上等于5°。
10. 如权利要求1所述的装置，其中所述第一表面和第二表面在所 述预定方向上被摩擦。
11. 如权利要求l所述的装置，其中所述材料是向列液晶材料。
12. 如权利要求ll所述的装置，其中所述材料含有手性掺杂剂。
13. 如权利要求12所述的装置，其中所述层的厚度与螺旋节距的 比率小于0.75。
14. 如权利要求13所述的装置，其中所述比率基本上等于0.3。
15. 如权利要求1所述的装置，其中所述材料是双频液晶材料。
16. 如权利要求1所述的装置，其包括用于对所述层施加场的布置。
17. 如权利要求16所述的装置，其中所述场是电场。
18. 如权利要求17所述的装置，其中场施加布置包括置于所述层 的相对侧上的第一和第二电极布置。
19. 如权利要求18所述的装置，其中所述第一和第二电极布置中 的至少一个包括图案化电极。
20. 如权利要求16的任何一个所述的装置，其中场施加布置选择 性地布置成施加至少一个用于建立展曲-弯曲指向矢结构的第一场，以 及至少一个用于建立展曲-扭曲指向矢结构的第二场。
21. 如权利要求1所述的装置，其包括置于所述层的相对侧上的第 一和第二线性偏振器。
22. 如权利要求21所述的装置，其中所述第一和第二偏振器中的 至少一个是反射偏振器。
23. 如权利要求21所述的装置，其中所述第一和第二偏振器中的每一个具有平行或垂至于所述预定方向的透射轴。
24. —种显示设备，其包括与图像显示器协作的如前述权利要求中 任意一项所述的装置。
25. 如权利要求24所述的设备，其中所述装置是可控的，以从保 密观看模式、公开观看模式、镜面模式和自动立体模式中的至少一些 中，选择多种显示操作模式中的任何一个。
全文摘要
一种液晶装置，其包括诱导高预倾角的第一取向表面，该高预倾角大于45°但小于90°；其典型值为85°。预倾角具有指向预定方向的平行于表面(12)的成分。第二取向表面(13)诱导低预倾角，该低预倾角小于45°但大于0°；典型预倾角为5°。低预倾角具有也指向预定方向的平行于第二表面(13)的成分。液晶材料层置于第一表面(12)和第二表面(13)之间。由此提供了新的液晶模式，该液晶模式被称作“展曲-扭曲模式”。这种装置可以用于公开/保密可切换的显示器。
文档编号G02F1/1347GK101535884SQ20078004079
公开日2009年9月16日 申请日期2007年10月25日 优先权日2006年11月7日
发明者B·J·布劳顿, N·史密斯 申请人:夏普株式会社