专利名称：铁电液晶单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液晶单元，下面也称之为显示单元，它具有一个铁电性的手性近晶液晶层，也就是权利要求1前序部分所描述的显示单元。
已知的液晶单元具有向列液晶构型，并由于这种构型而被称为TN或STN单元。这里，TN是扭转向列，STN是超扭转向列。这种单元为许多电-光装置所采用。因而，今天大多数已知的液晶显示单元都具有有源矩阵驱动的TN单元。在这种显示单元中，一个显示元对应于一个象点，这个元可以用一个与之相连的半导体电路来驱动。TN显示器的许多电-光指标，如对比度、灰度级和液晶层的定向能力都达到了最佳，这就是它们得以广泛应用的原因。
可是，TN显示单元并不是在所有的指标上都同样优秀。它的主要缺点是视角范围小和转换时间长。这些缺点来自于TN单元的物理性质，因而很难克服。因此在这种显示单元中，开启是由电驱动的，但关闭却不是。这就导致它的转换时间，也就是图象建立和清除的速度确实受到限制，因为它取决于向列液晶混合体的粘滞性和弹性恢复力。因此TN单元不适用于快速接连图象序列的显示，而这类图象序列会被应用于许多现代多媒体装置或类似的场合中。
已经进行过一些寻找TN显示单元的替代物的初步尝试。铁电性的手性近晶液晶是可能的快速媒体。它们具有的自发极化使得这类液晶与电场之间的耦合比起TN单元来要强得多。特别是，这种耦合对电场是线性的。这就导致下面两点首先，即使在低驱动电压下扭矩也很大；第二，在一个包含铁电性的手性近晶液晶的显示单元里，开启和关闭过程都是电驱动的，因此也就相对迅速。
铁电性的手性近晶液晶单元具有双折射的液晶混合体，它在下面也被称为SC*层(这里*表示液晶层的手性)，它能选择性地形成螺旋构型并能被电场的变化所影响或重构，从而改变它的光学各向异性程度。
术语“近晶的”表示一种层状结构，它基于这样的事实，即这类液晶混合体的分子具有可极化的团核和非极性的侧链。在近晶相中，极化的团核排列在近晶层中，层间被非极化的侧链隔开。在铁电性液晶单元里，近晶层基本上垂直于显示单元的平板。
SC*层还具有下面的特性那些属于一个近晶层并且相互间近乎平行排列的分子的团核并不垂直于这个近晶层平面，而是与这个平面的法线方向成θ角。SC*层更重要的性质来自于它的手性。事实上，这使SC*层沿近晶层平面产生垂直于分子方向的自发极化PS。这意味着施加在显示单元上的电场与这个自发极化强度矢量强烈的相互作用，会使转换时间比现有的TN和STN单元大大缩短。手性还近一步导致在没有外加力的情况下液晶分子的轴在层与层间有相对旋转，因而形成了螺距为p的螺旋结构。
EP-B0309774中公开了一种现有的铁电性的手性近晶液晶单元。在上述专利中公开的这种DHF(变形螺旋铁电)单元具有一对透明平板，夹着SC*层，平板带有使SC*层分子定向的表面结构，并装有在SC*层内产生电场的电极，每块板上都带有一个偏振器。这里，面对着SC*层的表面结构对于与之相邻的液晶分子有定向作用。
在静止状态下，也就是说，没有施加电场时，DHF单元表现出恒定的透光率。一旦电极上加了电压，SC*层里就建立了电场，分子被重新定向，因此也就使分立的近晶层重新定向，最终导致透光率的改变。DHF显示单元所依据的这种电-光效应已为熟悉这一领域的人所了解。关键的一点是液晶的短螺距p构型。螺距p被这样选择，即使得整个螺线圈上的光达到均衡，也就是说，所有的光都经历一个平均折射率。对一个未扭曲的螺线，这导致一个光轴平行于螺线轴的双折射层。如果在两个板的电极上加上电压，扭矩就作用于分立的近晶层上。这个扭矩引起了上述的分立近晶层的重新定向，因而也就导致了光轴在平面内的旋转，这个平面平行于与液晶相邻的平板。实际上可以用测量转换角α的方法来确定光轴的旋转与施加的电压的关系。这里的角α是饱和转换角，即它不再随施加的电压增加而改变，实际上，它是由周期信号或者驱动脉冲给出的。
已知的DHF单元是黑白显示器。它们靠施加的电场来产生连续变化的灰度级。如果对应于每个象点的电极元都被分成三个子电极并装上对应于红、绿、蓝三色的适当的滤色器，就可以用现有的方法制成DHF彩色显示器，其中红、绿、蓝色点可以用电压源驱动的方法调节亮度，使其从最暗至最亮。
迄今为止，不论是黑白还是彩色DHF显示器都还没有商业化的产品。其主要原因是虽然在现有的技术下，DHF单元具有了商业化所要求的短转换时间、灰度级和好的视角范围，但它的运行需要相对高的电压和电流。另外，DHF单元的生产和高对比度的获得，都要求液晶混合体必须额外进行定向，并且要用电场的方法构形。这更增加了其生产过程的难度。
从EP-A0405346出发，本发明的目的就是提供这样一种液晶单元，它具有现有铁电显示单元的基本优点，就是基本不依赖于视角、好的灰度级和短的转换时间，但它没有上面提到过的现有的DHF显示单元的缺点。
本发明中具有权利要求1所描述的特征的液晶单元就达到了上述目的。也就是说，这种液晶单元具有下列特点-液晶层的厚度d小于螺距p，-饱和转换角α大于60°，-单元的电流-电压特性曲线有两个极大值，一个对应于U＞0，一个对应于U＜0，-光程差Δn.deff在U＝0时比在两个饱和状态时大，这两个饱和状态即在U＞0和U＜0的两个光学满驱动状态。Δn是双折射率，deff是光在偏振器和分析器之间的液晶中走过的距离。
本发明的显示单元的的优选实施例具有这样的特点，下面进行具体解释-在没加驱动电压(U＝0)时，显示是暗的。-单元加上驱动电压后，显示变亮。-显示单元的电流-电压电滞特性曲线有两个几乎相等的极大值。-双折射率Δn在无场(＝零场)状态下大于满驱动状态，即饱和状态，也就是透射率不再随着施加电场的增强而明显改变的状态。-与现有的DHF单元不同，即使只有很小的自发极化强度(PS＜5nC/cm2)，所需的饱和电压也较低。
需要指出的是，的确，A.D.L.Chandani等人在Jpn.J.Appl.Phys.，27(1988)，L729中公开了一种具有SC*层并且同样表现出有两个极大值的电流-电压电滞特性曲线的显示单元。与本发明不同之处在于，在这种被称为“反铁电”的显示单元中，分子层与分子层间自发极化强度PS的符号相反。另外，这种反铁电显示单元的不同之处还在于它的液晶层的双折射率Δn在U＝0时比施加电场时要小。因此这种已知的显示单元与本发明有根本的差别，而且也不能对本发明目的的实现有任何启发。
下面将通过附图给出对本发明的更详细的描述。
图1给出了本发明中的一个彩色显示单元的横截面的示意图，图2给出了图1所示的截面的一个简单的透视图，图3给出了一个单独的SC*相近晶层的放大的示意图。
图4，5，6简单图示了多个近晶层及其中分子取向随驱动电压变化的情况。
图7给出了一个反射式显示单元的简单示意图。
图8表示两个小室的极化显微图。
图9表示室温下测得的试验混合体1的电流-电压电滞特性曲线。
图10表示在同样电压曲线下的光-电压关系。
图11表示试验混合体B的测量结果。
在介绍本发明的单元所具有的电光学效应方面的优点之前，先详细描述一种在这里提供的彩色显示单元。
图1和图2表示了这种显示单元，其中1表示其整体，2表示的是位于板3和4之间的厚度为d的SC*层，板3和4相互平行，均由透明材料制成。如玻璃、丙烯酸酯玻璃或高分子膜都是合适的透明材料。理想的层厚d大约在2μm到3μm之间，例如2.1μm左右。由于这是个直视型的显示单元，光在液晶中走过的距离deff就等于层厚d。
偏振器5被放置在上平板3外面，最好是紧挨着平板3，比如说，和它粘在一起。相应地，在光从图示装置上方入射时作为分析器用的偏振器6与下面的板4也以类似的方式装配。除了这种结构外，这些偏振器也可以装在单元内部，甚至于就由板3和4自身来担任，如果这些板本身具有偏振性的话。例如用含有定向的双向色的染料分子的塑料板。
在板3和4面对着液晶层的表面有透明的电极7和8，它们构成了通常成为显示字符或图象点的电极元。这里所示的截面仅仅表现了一个单独的电极元中的要素。这个电极元为显示一个图象点而被分成了红、绿、蓝三个颜色象素。这样，上半部分的电极7被分成了7a、7b和7c三个子电极，下半部分的电极8装有与分立的子电极相配合的滤色器9、10、11。电级8本身也可以被分成子电极。各个子电极7a、7b和7c分别带有电子元件12、13和14，比如说是薄膜晶体管或类似的元件。电子驱动器15可以分别单独驱动子电极7a、7b和7c，这些电子元件和电子驱动器一起构成了开头提到过的有源矩阵。此外，驱动也可以由外部的电子线路来提供。(本发明中的单元不用有源矩阵来编址也是可能的。)对面向着SC*层的玻璃板3和4的表面做进一步处理，使得它们对紧邻的液晶分子-因而也就对整个液晶层-有定向的作用，这样就决定了导向器的方向。这种处理可以是，例如，镀一层高分子膜，并在其表面沿同一个方向摩擦。这可以由沿平行方向摩擦过的聚酰亚胺构成，例如，尼桑化学工业有限公司生产的SE510定向聚酰亚胺膜。其它可能的方法是光学定向的定向层或倾斜入射真空沉积的定向层。这些薄层即图1中所示的16和17。这样处理的结果在下面被称为表面定向。这在图中由3和4两块板上的箭头18表示出来，上平板3的表面定向平行于下平板4的表面定向。
属于上平板3的偏振器5被这样放置，它的偏振方向平行于表面定向。属于下平板4的偏振器6的偏振方向则与表面定向，或者说与偏振器5的偏振方向成β角。这个角β的建议值为90°。但是，偏振器的其它安排方式也是完全可能的，而且也同样能达到好的效果。这可以用简单的最佳化的方式来确定。
可以用于本发明的目的，并在显示单元中形成SC*层的液晶混合体具有这样的特性，即饱和转换角α＞60°，并且螺距p＞d。
最后的附表1和2给出了本发明中的两种液晶混合体的例子。它们分别被称为试验混合体A和B。它们还具有这样的特性，即它们在SC*相的上方还有一个胆甾醇型相N*，也就是说，当把它们从100℃冷却到室温的过程中，它们从各向同性相转变到胆甾醇型相N*，然后直接转变到所需的SC*相。
制造本发明的液晶单元时，要将铁电性的液晶混合体充满由两块具有平行定向层，相距2.1μm的板构成的小室。这可以在90℃温度下，用已知的毛细作用的方法来实现。这个小室在20秒内被冷却到50℃，就会自动形成所需的铁电性的液晶构型。在冷却过程中液晶层从N*相变成SC*相，另外，还会同样自发地形成几微米宽，几百微米长的微观晶畴。
图8分别给出了两个小室的极化显微图。每个小室都有2μm的厚度并有两个相互交叉的偏振器。图片(a)中显示了一种能为本发明的显示单元所用的液晶混合体，它具有N*-SC*相变；图片(b)显示了一个常规铁电行的液晶混合体，它具有N-SA-SC*相变(这里，A表示这样一种构型，即所有的液晶分子都基本上垂直于近晶平面)。这些显微图清楚地表现出本发明中的液晶混合体在其成品状态下具有条带状的晶畴结构，而现有的铁电显示单元是没有这种结构的。
本发明中的液晶单元具有很多优点。液晶构型的自发形成(无须电场构形的自发定向)大大简化了铁电显示单元的生产过程。同样，本发明中的显示单元能被安全地加热到清晰点以上，因为在冷却时又能自发形成最佳构型。最后，本发明中的显示单元甚至在有源矩阵驱动的情况下也只需要很小的驱动电压，并且具有高对比度和大的可视范围。
要解释这些优点，必须区分微观结构和微观的统计平均现象。这将在下面详细解释。
以下解释的出发点是图1和图2所描述的透视型显示单元的结构。其中，液晶层被安排在两个交叉的偏振器之间，其中一个偏振器的偏振方向平行于摩擦的方向，并且单元被划分成象点元，这些象点元可被电驱动，例如，被有源矩阵驱动。
让我们考虑观测到的微观现象正象已经指出过的，本发明的显示单元有如下特征，这里分类列出-在U＝0时，显示为暗，在|U|＞0时，显示为亮；-电流-电压电滞特性曲线有两个幅度相等的极大值；-无场状态下的双折射率Δn大于饱和状态；-即使在自发极化强度PS非常小(Ps5nC/cm2)时，饱和电压也相对较小。
在U＝0时，光轴是平行于摩擦方向的，因此显示为暗，剩余透射非常小。如果此时施加一个电压，显示转而为亮。这里，正电压的作用与负电压的作用相同。这就允许对称驱动，这里图象是随正负电压周期性地建立的。正负电压间的前后转换的可能性禁止了叠影的产生。例如，在SSF(表面稳定的铁电液晶)显示器中，就会出现这种叠影。
图9给出了在室温下测得的试验混合体1的电流-电压电滞特性曲线，施加在单元上的是一个对称的，±5V的，11.3Hz的三角接线电压。这个电流-电压电滞特性曲线具有上面提到过的极大值，就是说，一个在U＞0，一个在U＜0。这意味着从负饱和电压到零和从零到正饱和电压的过程都有一半极化强度矢量要转向。
作为对照，图10给出了在同样电压曲线下的光-电压关系。和电滞曲线所指出的一个一个晶畴的转换不同，光-电压特性曲线与施加的电压基本上是对称的。每幅图象里电压的周期性变化使得电滞现象并未削减图象的质量，因为本发明中电压总是从零开始接近所需的值。在本发明提供的装置中，在正负两种饱和状态下的透射率之差不大于10％(100％的透射率对应于光在U＝0时通过两个平行偏振器的透射)。
令人惊讶的是，在无场状态下的双折射率Δn比在饱和状态下要大。饱和状态是这样一种状态，即施加的驱动电压已经足够大，以至于再增加电压已不会引起透射率的实质性变化。这是一个优点，因为对于光来说，较小的折射率允许使用的小室距离较大，这对于本发明中的显示单元的生产是很重要的。无论如何，双折射率Δn的表现也表明了这里没有反铁电性的单元存在，因为只有饱和态的双折射率差大于零场时才是反铁电性的。
最后，图11给出了试验混合体B的测量结果。在这个测量中，施加在相应的显示单元上的电压是一串16个线性增加的双脉冲，每个双脉冲都包含两个等值但方向相反的，持续20ms的脉冲。
这个测量结果清楚地表明了这个单元在非常低的、仅仅2.8V的电压下，在饱和态和黑暗之间以很快的速度(转换时间t＜500μs)完全转换。图11还表明了本发明中的显示单元能表达出很好的灰度级。
微观的表观如下
图3至6给出了对前面概述过的发现的一个十分简单化了的微观解释。其中，图3给出了一个近晶层31的透视图。图4至6分别给出了一个相互连接的近晶层41和42的组合的截面图。
在本发明中的显示单元中，液晶的近晶层基本上是垂直于单元的平板的。进一步说，每一层中的分子相互平行排列，并与平面的法线32成倾角θ，如图3所示。在X-Z平面内的γ角也这个显示单元的全部结构特性之一。对于没有边界效应的手性近晶相，这个γ角不是常数，而是一层层增加的。因此，如果平面法线是沿Y方向的，分子就沿着一个圆锥排列，这样就形成了开头所说的螺距为p的螺旋。可是，在本发明的情形下，螺旋是在边缘力的作用下被卷起来的，就是说，γ大约是90°。
图4、5和6中用●和×表明了自发极化强度PS的方向(●＝PS是从纸面指向外的方向，×＝PS是指向纸面的方向)，也表示出了在无图象状态(图4，U＝0)，正电场(图5，U＞0)和负电场(图6，U＜0)状态下分子的指征椭圆44在显示平面上的投影。
图4、5和6中的层41和42代表两个前面描述过的条带型晶畴，它们基本上平行于摩擦方向43。
图4中表示的是无场状态，相邻晶畴的自发极化方向相反。光轴在显示平面上的投影与两个晶畴是准平行的，也就是说，它们与摩擦方向43之间只有一个小角δ。因此，在这种状态下液晶层具有最大的双折射率差。进而，以这里提供的偏振定向方式，显示单元在U＝0时是暗的。晶畴在足够高的驱动电压U下发生转换，哪一个晶畴发生转换(图5和6中画阴影的指征椭圆)则取决于U的符号。这就导致了构型的变化，两个晶畴的分子不再平行，而是相对转了一个角度2(θ-δ)，这就解释了在饱和态双折射率差较低的原因。
为了从零位置转换到正饱和构型，必须有电荷流向电极。从负饱和态构型到零也有同样的电流。对从负饱和态到正饱和态的两个电流涌(图9)的观察表明，确实存在着图4所示的U＝0的中间状态。
这当然是这个新的电-光效应的一个极其简化了的模型。这里，位错线会带来相当明显的显示上的折断，再者，这种表述忽略了这样的事实，即分子可能倾斜出平面(γ≠90°)，并且近晶层也不必绝对垂直于显示平面。但无论如何这个模型解释了上面观察到的现象，而且表明了本发明中的显示单元是一种全新的显示类型。
自发极化强度方向的交替改变表明，这也是一种与反铁电显示单元不同的单元类型。在这种情况下，它们方向的改变实际上不是从近晶层到近晶层，而是从晶畴到晶畴，而每一个这样的晶畴包含着上百个近晶平面。
一个由正负电压交替驱动的显示单元有这样一个特性，即电-光响应关于符号改变的对称性。从图4、5、6中很容易看出，只有当条带状晶畴的分布尽可能精细，尺寸尽可能均匀时，才能确保这种对称性。在本发明中的显示单元中，那种精细的线条是自然形成的，因而也就会自动形成上述细致、均匀的分布。可是，如果在SC相上面还有个SA相，而且/或者，如果包含转换角α小于60°，那么如果还存在晶畴的话，面积也会很大，而且也不是长条形的。这样，其电-光响应也就随着晶畴形态的变化而呈非对称的曲线。这会使一帧图象和另一帧图象的显示亮度有所变化，从而导致闪烁现象。
由于其非常低的运行电压、可与现有技术相比的灰度重现能力、高的对比度和相对简单的生产过程，再加上已知的铁电显示单元的优点，使得本发明中的液晶单元特别适合用于必须要快速显示图象序列的装置。这包括，比如说，电视的显示屏、摄像机、头戴显示器、投影电视、多媒体设备等等。
这里还应该指出的是，上面描述的液晶单元仅仅是本发明的多种可能的具体装置中的一种。
这样，本发明中的显示单元就不仅能以透射方式工作，也能以反射方式工作，而且可以以与透射方式相应的方法来构造。反射器可以是漫散射的，在这种情况下，它是与图1中的透射式显示器结合起来用的。但是，反射器也可以是镜面反射的，那么这就将导致小室的厚度d变小。
作为一个镜面反射式装置的例子，图7给出了本发明的一个反射式投影显示器50的示意图。这里，一种合适的半导体结构52被装在硅片51上，以产生所需的驱动电压。此外，与之相连的电极上有一个能反射光的金属表面53，液晶层被限制在两个定向板55之间。此外显示器还有一块第二类板，也就是一个带有对面电极的透明的对板56，对面电极在这里没有画出来。在板56的上方还装了偏振束分离器57。
在这个显示器工作时，光从一个没有画出来的投影灯发出来，或被分成三原色然后被分别折射到三个部件50上；或通过一个滤色器，这个滤色器允许红、绿、蓝三种颜色的光分时通过，每三分之一单幅图象显示时间里允许一种颜色通过。在这两种情况下，光束58都射向偏振分离器57，偏振分离器57则反射一种偏振成分，而让其它成分(58.1)穿透过去。照射到液晶上的反射光是线偏振的。它穿过液晶层54，被反射电极53反射回来，并在回来的途中再一次穿过液晶。偏振束分离器57此时又起到分析器的作用，仅允许成分59通过，这一成分也就是由受到电-光调制的液晶层的双折射所产生的成分。其它成分58.2被反射回投影灯。然后被调制过的光被适当的光学系统投射到投影屏上(向前或向后投影)，对于分离束的情形，三个同步的原色束此时再重新结合在一起。
从光学角度来看，这样的安排相当于一个两偏振器间厚度为实际厚度的二倍的显示器。上述的作用顺序揭示出这样的事实，即实际上光源产生的并射入单元的光束在射入分析器之前两次穿过双折射液晶层54。相应地，光在液晶中走过的距离deff也就等于液晶层厚度d的两倍，也就是2d。要实现本发明中的以反射方式工作的显示单元，可以将其小室的厚度减为相应的透射显示单元的一半，这也就导致其只需一半的工作电压。表1试验混合体A
表2试验混合体B
权利要求
1.一种液晶显示单元，它具有铁电的、手性近晶的、双折射的液晶层和至少一个偏振器；该单元有一对夹住液晶层的平行的平板，每块板上都带有使液晶分子定向的表面结构并至少带有一个用来产生电压为U的电极；液晶层的厚度为d，饱和转换角为α，其中层厚d小于液晶层的螺距p，饱和转换角α大于60°；液晶层在Sc*相上形成胆甾醇型N相；其中单元的光程差Δn deff在U＝0时大于在饱和状态时，Δn是双折射率，deff是光在偏振器和分析器之间的液晶里走过的距离；其中单元的电流-电压特性曲线有两个极大值，一个在U＞0时，一个在U＜0时。
2.一种如权利要求1所述的用于透射型显示器的液晶单元，其特征在于正负饱和态时光的透射率值相差不大于10％。
3.一种如权利要求1所述的用于反射型显示器的液晶单元，其特征在于单元有一个镜面的或漫散射的反射镜。
4.一种如权利要求1至3中任意一条所述的液晶单元，其特征在于表面结构由沿平行方向摩擦过的定向层所形成，并且其中至少一个偏振器的方向是平行于摩擦方向的。
5.一种如权利要求1至3中任意一条所述的液晶单元，其特征在于表面结构由光学定向的定向层形成，并且其中至少一个偏振器的方向是平行于光学定向过程所提供的方向。
6.一种如权利要求1至5中任意一条所述的液晶单元，其特征在于它包括两个方向相互垂直的偏振器。
7.一种包含有如权利要求1至6中任意一条所述的液晶单元的显示装置。
8.如权利要求7所述的显示装置摄像机、电视机的显示器、头戴显示器、频频投影器或多媒体装置。
全文摘要
本发明涉及一种铁电显示单元,它具有下列特点:在U=0时,显示为暗,在|U|> 0时,显示为亮;电流—电压电滞特性曲线有两个幅度相等的极大值;无场状态下的双折射率Δn大于饱和状态时的;即使在自发极化强度P
文档编号G02F1/141GK1186967SQ97125400
公开日1998年7月8日 申请日期1997年12月12日 优先权日1996年12月13日
发明者朱格·冯斯赤林, 马丁·施德特 申请人:罗利克有限公司