CN1115863A - 一种驱动液晶器件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用多路寻址来驱动液晶显示器件的方法。该显示器件具有一对基片。在每个基片上依次形成有透明电极层和定向膜。两个基片彼此间具有一定间隙，相对放置。一种铁电体液晶材料***间隙中。设Vthlow是当液晶材料的透射率开始改变时所加的电压，Vthhigh是液晶材料的透射率基本上为其极大值时加的电压。对液晶材料加上极性相反的第一、第二选择脉冲。设VS1是第一选择脉冲的电压，VS2是第二选择脉冲的电压。该方法的特征在于VS1＝±(Vthlow-ΔV)，其中ΔV＞0。VS2＝(Vthhigh+ΔV)其中ΔV＞0。

Description

一种驱动液晶器件的方法
本发明涉及一种驱动液晶器件的方法，该液晶器件包括夹在一对基板之间的液晶材料。更具体地说，本发明涉及一种驱动液晶器件的方法，该液晶器件包括一对基片，在每个基片上依次层迭着一个透明电极层和一个定向膜。这些基片以给定间距彼此相对设置。在间隙中注入一铁电液晶材料。
现在市场上可买到的扭转向列(Twisted—nematic)液晶器件产品使用TFT(薄膜晶体管)形成有源矩阵结构，从而产生给定的灰度。但是，制造这些TFT的现有技术的工艺不能得到足够高的产量。此外，成本还很高。因此，需要大面积的显示器件。
另一方面，利用表面稳定的双稳型铁电液晶的显示器件不需要由TFT之类构成的有源矩阵结构。因此，可以用这种铁电体液晶制造便宜的大面积的显示器件。
近十年来，使用铁电体液晶作为显示器件的研究和开发得到蓬勃发展。总的说来，铁电体液晶具有下列优良的特点：
(1)高速响应。其响应速度为现有技术向列液晶显示器件的1000倍；
(2)对视角的依赖极小；
(3)具有记忆作用。
一种在这种铁电体液晶显示器件上显示图象的已知技术由Clark等人在美国专利No.4,367,924中描述了。特别是提到显示板的单元间隙被控制在2μm以内。液晶分子借助于使板的界面(interface)处的分子定向的约束力定向。这种铁电体液晶的表面只有两个稳定的能量状态。因为响应速度为微秒的量级并且因为具有图象记忆作用，所以一直进行着不懈的开发和研制。
在这种双稳型铁电体液晶显示器件中，由于具有记忆作用，因此可以避免CTR具有的闪烁。即使在简单的XY矩阵结构中，也可以用大于1000扫描行来驱动显示器。这就是说，它不需要驱动TFT。目前居统治地位的向列的液晶具有视角窄的缺点。与此相反，铁电体液晶具有宽的视角，这是由于其分子取向是均匀的并且因为板之间的间隙小于向列液晶板之间间隙的一半。
这种铁电体液晶的结构示意地示于图16。具体地说，一个透明基片1a由玻璃制成。一个透明的电极层2a和一个倾斜(oblique)SiO2淀积层3a依次淀积在基片1a上，这样便形成了一个迭层A。电极层2a由ITO(铟锡氧化物)制成，这是一种通过将铟掺入锌而制备的导电氧化物。淀积层3a起液晶定向膜的作用。类似地，一个透明电极层2b和一个SiO2倾斜淀积层3b依次淀积在一个基片1b上，从而形成一个迭层B。作为定向膜的SiO2倾斜淀积层3a和3b彼此相对设置。***隔离物4从而形成一个给定的单元间隙。用这种方式，便制成了一个液晶单元。铁电体液晶材料5被注入单元间隙中。
虽然这种铁电体液晶具有上述的突出的优点，但是难于实现灰度等级。具体地说，采用双稳型的现有技术铁电体液晶只在两个状态下稳定，因而这种液晶被认为不适用于用来产生磁带录象机中所要求的灰度等级。
更具体地说，当一个外加电场E被加于现有技术的铁电体液晶例如界面稳定型铁电体液晶时，分子M的取向方向就在状态1和状态2之间转换，如图17所示。如果一个液晶显示器安置在两个互相垂直的极化器之间时，分子取向的改变就引起透射率的改变。结果，如图18所示，在施加的电场出现时，在阈值电压Vth下，透射性或透射率快速地从0％变为100％。一般地，上述的透射率跃变的这一电压范围小于1V。而且，阈值电压Vth受单元间隙微小变化的影响。因此，在现有技术的液晶显示器中，对于透射率—施加的电压特性曲线难于给出一个稳定的电压范围。因而，借助于控制电压难于或根本不可能产生所需的灰度等级。
因此，提出过克服这些困难的多种方法。在一种方法中，谈到形成子象素并调整象素区域。另一种方法是把象素电极进行分割，从而实现不同的灰度等级(称为区域灰度等级法)。还有借助于使用铁电体液晶的高速转换，在一个场中利用重复转换或行寻址来实现不同的灰度等级(称作时间积分灰度等级法)。然而，这些方法仍然不能提供满意的灰度等级。
具体地说，在区域灰度等级法中，随着灰度等级数量的增加，所需的子象素也增加。显然就器件的制造和驱动器件的方法而论，其成本性能比太差。而且，当单独使用时间积分灰度等级法时，可实施性低。此外，当时间积分灰度等级法和区域灰度等级法结合使用时，可实施性也是低的。
因而，已经提出了表现每个象素的模拟灰度等级的其它方法。改变一个象素内的对置电极之间的距离，或者改变对置电极之间形成的电介层的厚度，从而形成局部的电场强度梯度。此外，改变对置电极的材料，从而产生电压梯度。
然而，需要复杂的制造步骤来制造具有实用水平的模拟灰度等级显示特性的液晶显示器。此外，控制制造条件也是非常困难的。而且制造成本高。
在日本专利公开No.276126/1991中还提出了另一种铁电体液晶显示器。具体地说，0.3到2μm的铝的细小微粒被喷涂在定向膜上。铁电体液晶在存在细小微粒的部分和不存在细小微粒的部分之间翻转(inverted)。借助于外加电压来控制这种翻转。用这种方式，产生各种灰度等级。
当使用这一已知技术时，实际上难于产生所需的灰度等级，这是因为细小微粒太大，并且还因为喷涂的微粒的数量也没有明确地规定。
例如，如果细小微粒颗粒直径为0.3至2μm并被简单地散布在2μm的单元间隙中，则在实际上要在一个象素内精细地改变液晶的翻转是十分困难的。此外，当液晶处在双折射方式下时，铁电体液晶产生可见的图象。这便更难于控制单元间隙。因而发生彩色的不均匀性。我们认为这种状况类似于现在的超扭转向列显示器，其中需要把间隙改变抑制在500以内。
我们已经发现，在铁电体液晶材料中加入细小颗粒的碳如后所述可以改善液晶的电光特性。在试图在具有这种电光特性的铁电体液晶上产生不同的灰度等级中，提出了一种使用清除、选择、以及数据信号来驱动液晶的方法，如图19所示。但是，已经发现，当液晶用这些波形驱动时，液晶以下述的方式进行响应。
当数据信号为0时，加有选择信号的象素的液晶分子对每一象素取扭转定向1。这就是说，如图20所示，位于靠近顶部基片的液晶分子的定向方向与位于靠近底部基片的液晶分子定向的方向不同。分子定向的方向在单元的方向内连续地改变。用这种方式，根据定向，不论液晶单元布置在两个极化器之间的方向如何，不可能把透射率完全减少到零。如果增加数据电压，将产生其中底部和顶部分子沿相反方向定向的一个第二扭转定向的小区域。随着数据电压的增加，第二扭转定向的分子的区域将增加。用这种方式，分子被转变为两种定向之间的中间状态，从而产生黑白之间的中间状态。因而不能达到足够高的对比度。
本发明的目的在于提供一种适用于驱动液晶显示器，尤其是铁电体液晶显示器的方法，借助于无源矩阵多路驱动方法，使得在保持高对比度的同时，容易而可靠地实现模拟灰度等级。
本发明旨在提供一种驱动液晶显示器的方法，所述液晶显示器包括一对基片，在其间夹着液晶材料，尤其是铁电体液晶材料。设当液晶材料的透射率开始改变时所加的电压为Vthlow，设当液晶材料的透射率实质上呈现其最大值时的施加电压为Vthhigh。相反极性的第一和第二选择脉冲加到液晶材料上。设第一选择脉冲的电压为VS1，设第二选择脉冲的电压为VS2。所述驱动液晶显示器的方法的特征在于，VS1＝±(Vthlow－ΔV)，其中ΔV＞0，且VS2＝(Vthhigh＋ΔV)，其中ΔV＞0。
用这种方法，使其中液晶材料的透射率改变的电压范围得以增加，这通过依据ΔV，将第一选择脉冲电压VS1和第二选择脉冲电压VS2的值分别设定为±(Vthlow－ΔV)和(Vthhigh＋ΔV)而实现。这种驱动方法具有表现灰度等级的优点。因为电压在上述范围内变化，即使数据脉冲或数据信号设定得较高时，也可以获得产生足够不同的透射率值。因而在两个定向状态之间可以获得高的对比度。
在此新的液晶驱动方法中，为了改善模拟灰度等级表现，需要以矩阵形式驱动具有用于转换(switching)所含液晶材料的区域的液晶显示器。这些区域具有分布在一个范围内的微小差别的阈值。
为了保持选择脉冲波形和清除脉冲波形的电中性，从而确保转换，以防止液晶材料变劣，并且确保清除，在第一和第二选择脉冲加上之前，施加其脉宽为第一和第二选择脉冲之脉宽的n倍(n是等于或大于2的实数)的第一和第二清除脉冲，第一、第二清除脉冲的极性相反。第一清除脉冲的极性和第二选择脉冲的极性相同。第一清除脉冲的电压由Vr1＝|Vthhigh＋ΔV＇|给出，其中ΔV′＞0。第二清除脉冲的极性和第一选择脉冲的相同。最好第二选择脉冲的电压Vr2由
      nVr1＋VS2＝nVr2＋VS1    (1)给出，例如
     2Vr1＋VS2＝2Vr2＋VS1
为产生灰度等级而实际加到液晶材料上的这些电压是和第一、第二选择脉冲同步的第一、第二数据脉冲。第一、第二数据脉冲的脉宽和这些选择脉冲的相同，而极性与这些选择脉冲相反。
这种新方法适用于驱动显示器件，使得产生各种灰度等级。这种显示器件具有分别含有诸透明电极2a和2b的玻璃基片1a和1b，如图3所示。一种呈现光学双稳态性能的材料，例如铁电液晶材料5夹在玻璃基片1a和1b之间，从而形成一个液晶单元。在这种情况下，为了实现灰度等级，最好使用含有微小碳颗粒的铁电液晶材料。
透明电极包括在基片1b上的沿Y方向延伸的N个扫描电极2b和在基片1a上的沿X方向延伸的M个数据电极2a。一个用于选择和不选择象素的电信号加到沿V方向延伸的透明电极2b上。一个用于显示信息内容的电信号(即产生黑、白和中间色调)的电信号加到沿X方向延伸的透明电极2a上。该器件由矩阵多路方式驱动。
由新方法驱动的液晶材料最好具有供转换液晶材料的具有微细差别阈值的区域(region)。当白色区域(domain)中存在黑色区域(domain)(反应亦然)时，黑色区域在此被称为翻转区域。如果翻转区域的透射率为25％，则在1mm2的视野内应当存在直径大于2μm的多于300，最好多于600个的微区域。而且，在这些区域内的阈值应该在透射率为10—90％时在大于2V的范围内变化。
由此新方法驱动的液晶显示器最好具有图4所示的电光特性。这就是说，在现有技术中，透射率随所加电压急剧变化，如图18所示。而在图4中，透射率变化相对缓慢，其理由如下。在一个象素中出现具有微细差别阈值Vth的微区域，并且微区域的透射率按照施加电压的幅值而改变。在一个区域中，如果液晶分子呈现双稳态特性，就产生记忆作用。仍然可以实现无闪烁的图象。因为一个象素是由不同阈值的微米级的区域形成的，因而可以连续地改变灰度等级。
图4的曲线表明插在两个互相垂直的极化器(polarizer)之间的铁电液晶单元的透射率相对加于该单元上的电压之关系。单元的定向如此确定，使得超过阈值的负电压加到极化器之间的液晶单元时，单元(cell)的透射率取其最小值。液晶的透射率响应所加电压在一个范围内连续地改变。设Vthlow是液晶材料的透射率开始改变时的电压，设Vthhigh是液晶材料的透射率取其最大值的电压，有下列关系：
                  Vthhigh－Vthlow＞0
在图4中，不同的阈值引起不同的透射率。这些不同的阈值中，设Vth1为当透射率为10％时的阈值，Vth2为透射率为90％时获得的阈值。在这种情况下，阈值电压改变的范围(ΔVth＝Vth2－Vth1)最好超过2V。
关于微区域，如图5(A)所示，当透射率为25％时，具有直径大于2μm的微区域MD的密度最好大于300/mm2。这些微区域以细微差别的透射率透射光。作为一个整体，便可以实现中间色调。因为这一微区域结构表现出类似星光的样子，以后称这种结构为“星光结构”。
因为这种星光结构，微区域MD可以扩大(即透射率增加)，如图5(A)的点画线所示，或可以缩小(即透射率减小)，根据所加电压的幅度而定。因而，根据所加电压，可以任意地改变透射率。在另一方面，在现有技术的结构中，阈值分布在图5(B)所示的十分窄的范围内。因此，响应所施加的电压，透射光的那些部分D突然地扩大或消失。结果，要产生各种灰度等级是十分困难的。
在本发明中，作为形成微区域的装置，超细颗粒例如碳的细颗粒被分散在液晶材料中。图6表示一种其中分散有这种超细颗粒10的铁电体液晶显示器。这一结构基本上和图16所示的结构相同。
现在参照图7说明利用超细颗粒10改变阈值的原理。设d2是超细颗粒10的直径。设∈2是这些颗粒的介电常数。设d1是除超细颗粒外的液晶材料5的厚度。设∈1是液晶材料的介电常数。作用在超细颗粒上的电场Eeff由下式给出：
  Eeff＝(∈2/(∈1d2＋∈2d1))×Vgap    (2)
因此，如果加入介电常数小于液晶材料介电常数的超细颗粒(∈2＜∈1)，则加入小于液晶材料的总厚度dgap＝(d1＋d2)的细小颗粒(d2)。因此，
                   Eeff＜Egap结果，作用在液晶材料上的电场Eeff比当没有加入超细微粒时作用的电场(Egap)较弱。相反地，如果加入其介电常数比液晶材料的介电常数大的细小颗粒(∈2＞∈1)，则得到的关系是：
                   Eeff＞Egap因而，作用在液晶材料上的电场Eeff比没有加入微细颗粒时作用的电场Egap较强。
总之，有下列关系：
(1)当∈1＞∈2时，Eeff＜Vgap/(d1＋d2)＝Vgap/dgap＝Egap
(2)当∈1＝∈2时，Eeff＝Egap
(3)当∈1＜∈2时Eeff＞Egap
在任何情况下，作用于液晶材料本身的有效的电场Eeff都由于加入超细颗粒而改变。可见作用在其中有超细颗粒存在的液晶材料的这些区域的有效电场与作用在其中无超细颗粒存在的液晶材料的这些区域的有效电场是不同的。结果，即使使相同的电场Egap作用在液晶材料上，也会在某些区域出现翻转区域而另一些区域则不出现。用这种方式，便可以产生图5(A)所示的星光组织结构。
上述的星光组织结构适用于产生连续变化的灰度等级。在超细颗粒存在的条件下，借助于控制施加的电压(即其幅值、脉宽之类)，则可以得到不同的透射率(即两个或多个灰度等级)。在另一方面，当如现有技术中那样只是简单地加入细小颗粒时，则只能得到图5(B)所示的结构。
显然，即使0.3到2μm的细小颗粒分散在微小间隙(2μm的数量级)中，也不能得到所需的显示特性。离开微小间隙时，细小颗粒则引起不希望的不均匀的颜色，这将在对照例中详述。在本发明中，没有发生这种不希望有的现象。但却得到了所需的性能。
在此新的液晶显示器中，加入液晶材料的微细颗粒应当使施加在液晶材料5上的有效电场强度分布在一个范围内，液晶材料5存在于如图6所示的对置的透明电极层2a和2b之间。例如，可以混合并使用几种不同介电常数的微细颗粒。具有不同介电常数的微细颗粒的存在在每个象素内产生一个电介常数分布。结果，如果在象素的透明电极层2a和2b之间加上一个均匀的外电场，则加在象素中的液晶材料上的有效电场强度就具有一种分布。这便增加用来转换液晶材料，尤其是铁电液晶材料的阈值电压的范围。因而在一个象素内可以实现模似灰度等级。
当使用相同电介常数的微细颗粒时，颗粒的尺寸应该具有某种分布。这种，借助于使用电介常数相同而尺寸不同的微细颗粒，使得液晶材料层的厚度具有某种分布。结果，即使均匀的外电场加于一个象素内的透明电极层2a和2b之间，加于该象素内的液晶材料的有效电场强度也呈现某种分布。这便可以产生模拟灰度等级。如果微细颗粒的尺寸分布在一个相当宽的范围内，则可以得到极好的模拟灰度等级。
在本发明使用的液晶显示器中，加于液晶材料的微细颗粒最好具有pH值大于2.0的表面，因为如果pH值小于2.0，酸性就太强。在这种情况下，就容易通过质子使液晶材料变质。
最好加入液晶材料的微细颗粒按重量小于50％而大于0.1％。如果加入的量太大，颗粒就会凝聚，这样便难于形成星光组织结构。另外，也难于加入到液晶材料中。
可用的微细颗粒可以是碳黑和/或氧化钛。在一个例子中，使用由Farness工艺制造的碳黑和无定形(amorphous)氧化钛。用Farness工艺生产的碳黑微细颗粒的尺寸具有相当宽的分布。无定形氧化钛具有良好的表面性能和优异的耐用性。
所用的微细颗粒，当不凝结时，即处于原始的微细颗粒状态时最好为液晶单元间隙的一半(小于0.4μm，小于0.1μm更好)大小。借助于颗粒大小的分布性可以控制灰度等级显示特性。当颗粒大小分布的标准偏差大于9.0nm时，可以使得透射率或透射性的变化更为缓慢，带来所希望的结果。结果微细颗粒的比重是液晶材料比重的0.1到10倍，当它们分散在液晶材料中时就不会静止下来。如果微细颗粒的表面用硅烷耦联剂(silance coupling agent)之类处理过，可以获得良好的分散性。
在本例中，要求微细颗粒存在于彼此相对的电极2a和2b之间。没有限制微细颗粒所处的位置。它们可以位于液晶材料5内，可以位于定向膜3a和3b内，或在膜3a、3b上。
本发明中使用的液晶显示器可以用普通方法制造。例如，利用溅射技术在玻璃基片上制造一个透明的ITO膜。这种膜用光刻法作成图形。然后利用真空蒸发把SiO斜着淀积在基片上。在液晶单元组成之后，把其中均匀散布着微细颗粒的液晶材料注入单元间隙中。用这种方式，便制成液晶显示器。一种抛光的聚酰亚胺膜或其上斜着淀积有SiO的膜可用作液晶定向膜。
当定向膜由淀积SiO形成时，在淀积后把淀积层进行退火处理，使表面特性改变，从而产生星光组织结构。
本发明非常适用于上述的加有微细颗粒的星光组织结构。本发明也可应用于没有星光组织结构的普通液晶结构。
这就是说，本发明改进了用于能够产生上述的星光组织结构的液晶显示器(尤其是便宜的，大面积的，不需TFT之类而用无源矩阵寻址驱动的液晶显示器)的驱动波形。该驱动波形用来使液晶材料产生中间色调。液晶材料的透射率响应所施加的电压在某一范围内连续地改变。
用在此新方法中的一种驱动波形是一种施加于在基片1b上形成的扫描电极2b的电选择信号(扫描波形)，如图1(a)所示。扫描电极2b沿Y方向延伸。这种波形具有下列特点。
(1)选择信号包括两类脉冲，即正脉冲VS1和负脉冲VS2。如图4所示，两个互相交叉的极化器(polarizer)之间的液晶单元的透射率改变(Tr)与施加电压(V)的关系曲线的阈值电压是Vthlow。选择脉冲电压由液晶显示阈值确定。其脉宽由液晶材料的响应速度确定。
正选择脉冲VS1的高度是电压Vthlow和ΔV之差，即Vthlow－ΔV，在电压为Vthlow时，在显示黑色的液晶材料的单域(monodomain)结构上出现星光结构。负选择脉冲VS2的高度是电压Vthhigh和ΔV之和，即－(Vthhigh＋δΔV)，在电压为Vthhigh时，液晶状态被完全转变为显示白色的状态。ΔV是一正的电压。为了产生不同的灰度等级，电压ΔV需要具有较大的值，但它受驱动器电路的电压的限制。该电压ΔV使阈值范围增大。这非常有利于获得灰度等级。
(2)在选择脉冲VS1和VS2之前加上两个清除脉冲Vr1和Vr2。这些清除脉冲的宽度为选择脉冲宽度的n倍。例如，清除脉冲的宽度为选择脉冲宽度的两倍。清除脉冲的电压按如下关系确定。第一清除脉冲Vr1和第二选择脉冲Vs2的极性相同。第二清除脉冲Vr2和第一选择脉冲VS1的极性相同。第一清除脉冲Vr1的作用是使液晶材料现在的显示状态完全转变成另一个状态。第一清除脉冲Vr1的电压是Vthhigh和一小电压ΔV′之和。这一小电压ΔV′确保液晶材料的复原。第二清除脉冲Vr2的电压由下式确定：
       nVr1＋VS2＝nVr2＋VS1    (1)其中n为等于大于2的实数。一般n为2到4，最好大约为2。例如，2Vr1＋VS2＝2Vr2＋VS1；Vr2＞Vthhigh。在上述式(1)中，Vr1、Vr2、VS1和VS2分别是第一清除脉冲、第二清除脉冲、第一选择脉冲和第二选择脉冲的电压。
上述式(1)给出的条件用来保持选择波形和清除波形的电中性。当一直流电场加于液晶材料时，在定向膜的表面上则引起电极反应或电极过程。结果，电荷趋于积聚在一个电极上。这会使液晶材料变劣。这些电荷在上述式(1)的条件下通过设定脉冲电压进行中和。因而，可以防止液晶材料变劣。
施加到形成在基片1a上沿X方向的数据电极2a上的电数据信号如图1(b)所示。其波形有以下特点：
(1)该电数据信号包括波形对称的负脉冲VD1和正脉冲VD2。这些脉冲与选择脉冲VS1、VS2具有相同的宽度。数据电压的高度VD根据要在液晶显示器上显示的灰度等级从0变到Vthhigh—Vthlow。
(2)电压脉冲VD1和VD2与选择脉冲VS1、VS2的极性相反。用这种方式，加于显示器地址(n，m)处的象素上的电压是和VS＋VD，如图1(C)所示。
关于脉冲宽度，假定清除脉冲宽度等于选择脉冲宽度，或等于数据脉冲宽度，如图2所示。当一个数据脉冲的相位反向并如虚线所示施加时，清除脉冲Vr1和Vr2分别被减少到Vr1′和Vr2′，即减少一相应于数据脉冲的量。结果，使得不能实现清除。然而，清除脉冲宽度设定为选择脉冲或数据脉冲宽度的n倍。因此，即使数据脉冲反相，也能确保获得足够的清除脉冲电压(≥Vr1、Vr2)。因而保证在所有时间内都能实现清除(resetting)。
使用上述驱动波形的驱动方法总结如下(见图1(C))。
(1)在电压V1时，当前显示的灰度级被完全清除到白色状态。因为电压V1和V4的极性相同，当前显示的级暂时变为白色级。
(2)在电压V2时，被清除为白色级值的液晶材料完全复原回到黑色级值，从而为下一次写入作准备。
(3)不管加上什么样的数据电压，电压V3总是低于电压Vthlow。因此，在此时铁电液晶材料不响应。但是，因为电压V3和V2同极性，这两个电压之和便作用在铁电液晶材料上。在任何情况下，因为显示黑色级值，所以透射不会受影响。
(4)电压V4控制要被显示的下一个灰度级。该被显示的灰度级根据电压V4的大小或区域而改变。
本发明的其它目的和特点在下面的说明中会更明显。
图1是按照本发明在液晶显示器中使用的驱动波形图；
图2是图1所示驱动波形的改型图；
图3是按照本发明的液晶显示器的平面和截面示意图；
图4是透射率和施加电压的特性关系图，说明图3所示的液晶显示器的阈值电压特性；
图5(A)是说明图3所示的液晶显示器的转变期间发生的透射率变化的示意图；
图5(B)是类似于图5(A)的示意图，但其中不产生灰度等级；
图6是液晶显示器的基本结构的截面示意图；
图7是说明图6所示的液晶显示器内的液晶材料中的有效电场的示意图；
图8是表明透射光的量与加到图6所示的一个例子的液晶显示器上的电压的关系图；
图9是表明透射光的量与加到图6所示的另一个例子的液晶显示器上的电压的关系图；
图10(a)和10(b)是在图6所示的液晶显示器内形成的电极形状的特定例子的示意平面图；
图11是本发明的方法使用的扫描波形图；
图12是本发明的方法使用的信号波形图；
图13是用图12和13所示的波形获得的显示器图形；
图14是表明本发明的另一个液晶显示器的透射光的量和所加电压的关系图；
图15(A)是说明本发明的液晶显示处于透射状态的方式的示意图；
图15(B)是类似于图15(A)的示意图，但表明另一个对照的例子；
图16是现有技术中的液晶显示器的截面示意图；
图17是说明铁电体液晶的模型图；
图18是透射率—电压特性曲线，表明先有技术中的液晶显示的阈值电压特性；
图19是表明先有技术中的液晶显示使用的驱动波形的图；以及
图20是说明当液晶分子被激活时的定向图。
例1
为了证实本发明的驱动波形的正确性，把驱动电压加到具有一个象素的液晶单元上。我们已经证实，夹在两个互相交叉的极化器之间的单元的透射率是可以控制的。
所述单元用下述方法制造。制备两片ITO玻璃基片。每片玻璃基片的尺寸为40×20×3mm3，并具有透明的电极。由这些基片制造液晶单元。每个玻璃基片由普通的钠钙(soda lime)玻璃制成。透明电极利用溅射法制成，厚度为500。ITO的电阻为100Ω/cm2。
用来使液晶分子定向的定向膜通过斜着淀积SiO成一个膜而形成在每一个基片上。淀积角为80度。定向膜的厚度为500。制成了两种液晶单元。在这两种液晶单元中，淀积方向分别是平行的和非平行的。每个液晶单元的间隙通过将二氧化硅微细颗粒加入用于将两块玻璃基片粘接一起的密封材料中进行控制。二氧化硅颗粒的尺寸为1.4到2.0μm。
由日本Chisso石油化工公司生产的CS—1014用作铁电液晶材料。当注入液晶材料时，把液晶材料在110℃各向同性状态(isotropic phase)下进行排气类似地，在各向同性状态下，利用毛细作用在玻璃基片之间的1.5μm的间隙中注入液晶材料。在把液晶材料完全注入之后，把单元在2到3小时内逐渐地冷却到室温。
此时，作为超细颗粒的碳的微细颗粒被混合进铁电体液晶材料中。具体地说，液晶材料被加热到各向同性状态，加入碳的微细颗粒，利用超声波搅拌器把微细颗粒和液晶材料均匀混合。
图8表示当按照本发明加上驱动电压时，液晶单元的透射率的变化情况。所用单元具有由平行地淀积SiO形成的定向膜。单元间隙为1.6μm。该间隙是由日本Ohtsuka电子公司制造的MS—2000膜厚测量仪测量的。在这一单元中，由Cabot公司生产的1.3％的Morgal作为碳的微细颗粒加入液晶材料中。把液晶材料放在互相交叉的极化器之间。在没有加上电压的记忆状态下，这样设定单元的定向，使得液晶单元的透射率取其最小值。
信号脉冲的宽度为350μs。清除脉冲的宽度为信号脉冲宽度的2倍，即700μs。因为在这一单元中的阈值电压Vthigh为34V，所以把清除脉冲设定为35V。使信号电压从18V变到30V。测量该单元的透射率的变化。如图8所示，当所加电压从18V变到28V时，该单元的透射率连续地改变。因而，液晶单元的透射率应该是可以通过控制电压的强度进行控制的。
选择脉冲波形的不对称分量ΔV被连续地改变，研究液晶材料的电光特性的阈值特性的变化。在下面的表1中，和不同的ΔV值一起列出了选择脉冲电压和清除脉冲电压的值。
               表1(非对称的扫描信号的配置)
ΔV      清除Vr1    清除Vr2 选择VS1     选择VS2
 0V       -35V    +39.5V   +19V       -28V
 1V       -35V    +40.5V   +18V       -29V
 3V       -35V    +42.5V   +16V       -31V
 5V      -35V  +44.5V  +14V      -33V
图8表示当上述非对称波形加于平行单元上时，铁电体液晶单元的透射率和所加电压的关系的测量结果。可以看出，透射率连续变化的范围随ΔV增加而增大。显然，这有利于表现模拟灰度等级。通常ΔV为1到10V，最好是2到5V。
利用偏光显微镜检查液晶分子的转变过程。在施加不对称波形期间，当数据信号为0时，处于顶层和底层的分子精确地定向在同一方向。在交叉的极化器之间得到了良好的消光状态。另一方面，当数据信号高时，得到了精确的同一消光状态。在这两个定向状态之间获得了高的对比度。
例2
制成了第二个单元，除去单元间隙为1.8μm以及SiO以非平行的方向淀积在定向膜上之外，第二单元和例1的单元相似。测量了该单元的透射率相对于施加电压的关系，如图9所示。单元的定向如此设定，使得当没有施加电场时，单元的透射率取其最大值。
形成驱动波形的信号脉冲的宽度为350μs。清除脉冲的宽度为信号脉冲宽度的2倍，即700μs。清除脉冲和选择脉冲的电压列于表2。
            表2(非平行单元的驱动波形)
  ΔV   清除Vr1  清除Vr2 选择VS1 选择VS2
   0V    -35V  +37.5V   +27V   -34V
   3V    -35V  +41.5V   +24V   -37V
   5V    -35V  +43.5V   +22V   -39V
在使信号电压从25V改变到30V的同时，测量透射率。其结果示于图9。可以看出，透射率可以用和例1相同的方式进行控制。阈值电压的范围可以根据ΔV而扩大；因而可以改善表现不同灰度等级的能力。
例3
微细的碳颗粒根据例1和例2所述的数据掺入铁电液晶材料中。用矩阵寻址方式驱动液晶显示器，以便产生不同的灰度等级。
现在说明制造这种单元的方法。使用Corning7059玻璃作为玻璃基片，每片的尺寸为25×52×0.7mm3。通过溅射用ITO制成电极，其形状如图10A所示。ITO电极的电阻为100Ω/cm2。单元由两片玻璃基片以这种方式制成：使得在这些基片上形成的电极彼此交叉，如图10B所示。
借助于沿非平行的方向斜着淀积SiO形成定向膜。单元间隙为1.5μm。使用Morgal作为碳的微细颗粒。液晶材料中微细颗粒的浓度为2％。使用Chisso石油化工公司制造的CS—1014作为液晶材料。
图11所示为加到基片1b上的沿Y方向设置的电极2b上的扫描波形。图12表示加到基片1a上的沿X方向设置的电极2a上的数据波形。加到扫描电极的信号的构成如下：清除电压为24V，而选择电压为20V。选择脉冲的宽度为400μs。清除脉冲的宽度为选择脉冲宽度的2倍，或800μs。加于数据电极的电压的脉宽为300μs，其方式和选择脉冲相同。电压幅值从10V变化到2.5V。
图13所示为由施加的电压波形提供的显示图形。可以看出，实现了良好的灰度等级。
例4
除去使用不加入碳的微细颗粒的液晶材料之外，用类似于例1的方法制造液晶。脉冲电压的构成如上述表1所示。在改变ΔV的同时测量透射率和施加电压的关系。其结果如图14所示。我们发现，即使不加碳的微细颗粒时，阈值电压的范围也由ΔV扩大了。
对照例
按照下述的在上述日本专利公开No.276126/1991中披露的技术方法制造铁电体液晶显示器。
制备长为40mm，宽25mm，厚为3mm的玻璃板。在玻璃板上形成透明的ITO电极。ITO电极的薄层电阻为100Ω/cm2，ITO膜的厚度为500。由日本合成橡胶有限公司制备的聚酰亚胺JALS—246，借助于旋转(spin)涂敷法，在300rpm下经过3秒钟并且在3000rpm下经过30秒钟，被施加到500的厚度。用聚酰亚胺涂敷过的玻璃基片用抛光机抛光三次，抛光机具有上面牢固地包着人造丝织物的滚子。软毛被压成0.15mm厚。滚子的转速为94rpm。进给每级速度为5cm/min。
颗粒直径为0.5μm的氧化铝，利用Sonocom公司制造的隔离物喷涂器被散布在基片上，使得每mm2散布上300粒。如果密度超过这一数值，氧化铝的微细颗粒就会凝结。借助于相同的隔离物喷涂器以每mm225粒的密度把2μm的隔离物颗粒散布在基片上。
由日本Mitsui Toatsu化学公司制造的Structbond作为密封剂用丝网漏印机加在相对置的玻璃基片的外部周边上。将两个基片彼此对齐。加以均匀的压力，直到粘住的玻璃片之间得到1.7μm的均匀间隙为止。每个方向即平行和非平行定向方向都被使用。压力为1kg/cm2。当两个基片粘结在一起时，把单元放入压力送风加热器(fan forced heater)中。把单元在180℃的温度下保持2小时，以便固化密封剂。然后用日本ohtswka电子公司制造的单元间隙测量仪测量间隙。我们证实在整个单元中间隙被控制在1.7μm±0.1μmm。
由日本Merck公司制造的铁电体液晶材料ZLI—3775在真空中在80℃下被除去气体。然后把材料的温度升高到110℃，此时液晶材料处在各向同性(isotropic)温度区域中。在真空中把该液晶材料注入单元中。为完成这一过程，用了1.5小时。把单元慢慢冷却到室温之后，此单元就被夹在两个交叉的极化器之间。用显微镜观察了液晶分子的定向。此外还测量了电光特性。
1)关于液晶分子的定向：
平行定向单元：如图15(A)和15(B)所示，即使隔离物周围全部是黑色的，也发生漏光。这引起黑色程度减少，这又成为单元对比度减少的主要原因。
因为铁电体液晶以双折射方式产生可见图象，单元间隙必须被十分均匀地控制为最佳值。在散布了0.5μm氧化铝的邻近区域，此氧化铝颗粒便起分离物的作用。结果使单元间隙大大偏离了最佳值。因而观察到了显眼的彩色不均匀性。显然，这使显示质量大大变差了。我们认为这是由于分离物比可见光的波长足够大所引起的。如果分离物分布的密度过分地增加，分离物周围的漏光会使对比度降低到不应有的程度。
然而，应用于本发明的星光组织结构使用了上述的超细颗粒分布。因此减少了漏光，此外，液晶分子的定向也不受干扰。而且介电常数的分布有效地产生了有效电场的分布。
非平行定向单元：观察到了作为液晶分子定向结构的微米级的细条纹。即使分离物周围全部是黑的，也发生漏光，这引起黑色程度减少，这又成为单元对比度降低的主要原因。而且，在分离物周围观察到了许多缺陷。我们认为这是漏光的主要原因。
2)关于电光效果：
平行定向单元：利用双极晶体管加上脉宽为1ms电压为30V的清除脉冲，然后加上脉宽1ms的信号脉冲。信号脉冲的电压从1V变到30V。我们检查了在透射率上产生的变化是否和双稳型铁电液晶中产生的变化不同。
结果是，当加上电压并同时改变其大小时，用显微镜没有观察到有表示液晶分子开始从分离物的顶层移动的迹象。液晶分子在分离物上方随机地定向，并且永远不会均匀。当全部为黑色时，它们作为亮点被观察到。当全部为白色时，它们作为黑色被观察到。在两种情况下，对比度都将降低(图15)。
关于作为本发明重要部分的翻转或转换，所述翻转可以从分离物或从其邻域开始。也观察到翻转从其它部分开始。这就是说，翻转不总是从分离物和其邻域开始的。
更重要的是，如果发生翻转，范围被扩大。如果这种扩大具一个阈值电压值的范围，那么翻转电压也必须有一个范围。然而结果表明，阈值电压值的范围并不比现有技术中获得的范围宽。更具体地说，在这种***中，阈值电压值的范围为1V。改变这电压，观察翻转范围的变化。结果揭示到它们是典型的舟形范围。在单元的边沿不时地观察到了Z字形缺陷。因此，我们证实了这种层结构呈人字纹结构。关于整个单元的转换特性，翻转可以从分离物或从其邻域开始，因而其转换特性类似于普通单元的特性。因此在一个象素内永远不能实现多个灰度等级。
非平行定向单元：在用双极晶体管加上脉宽为1ms电压为30V的清除脉冲之后，加上脉宽的1ms的信号脉冲。这一信号脉冲的电压从1V变到30V。我们检查引起的透射率的变化是否和常规的双稳型铁电体液晶中产生的变化不同。
结果是，当加上电压并同时改变其大小时，用显微镜观察没有揭示液晶分子开始从分离物上方移动。转换沿着在抛光方向呈现的细条纹发生，此条纹为微米量级。
此外，在这种结构中，液晶分子在分离物上方被扰动，因而永远不会均匀(图15)。
改变分离物散布的密度，并检查其结果。实验表明，分离物散布密度为0到500/mm2的整个单元的转换特性类似于具有上述散布密度为300/mm2的单元的特性。
在平行方向的情况下，器件分别具有1.8μm和1.5μm的中心单元间隙值时，呈现完全相同的特性。在两种情况下，单元间隙都控制在±0.1μm之内。在非平行单元情况下，分别具有1.8μm和1.5μm中心单元间隙的器件呈现完全相同的结果。
总之，我们完全真实地进行了上述的日本专利公开No.276126/1991中披露的显示器实施例的实验。我们发现，在此专利中披露的灰度等级表现技术并不呈现象说明书中所述的效果。因而我们发现，这一技术不是实用技术。
虽然已经说明了本发明的最佳实施例，但根据本发明的技术构思这些实施例可以修改。
例如，在上述的驱动方法中，选择脉冲、清除脉冲和数据脉冲的大小、脉宽、极性以及其它因素都可以进行各种改变。
可使用的液晶材料包括由日本Chisso石化公司、Merck有限公司以及BDH公司生产的液晶材料、其它已知的铁电体液晶材料以及非手征的(non—chiral)材料。对被使用的材料没有限制。此外，在相序上也不必限制。唯一的要求是在所用温度范围内呈现手征层列相(chiral smectic phase)。因此，液晶显示元件的材料、结构及其形状、装配液晶显示器的方法、用来形成微区域的超细颗粒的性能、以及超细颗粒的种类都可以有各种改进。此外，添加超细颗粒的方法也可以改变。超细颗粒可以散布在定向膜上或是定向膜内，以及液晶材料中。此外，也可以使用电荷转移合成物(charge—transfer complex)例如四硫代全价—四氰基醌二甲烷(tetrathiafulvalene—tetracyanoquinodimethane)形成微区域。
在上述例子中，液晶适合于显示器件。当本发明用于显示器件时，会带来可以实现中间色调(half—tones)的优点。然而，本发明并不限于显示器件。按照本发明的液晶器件可以用于滤色器、曝光盘、用于办公自动化设备的显示屏以及摆动相控制装置。在任一种这类仪器中，上述阈电压值的范围允许透射性(或透射率)或对比度随驱动电压而改变。利用这一现象，可以得到至今没有的性能。
如上所述，在本发明中，具有夹在一对基片之间的液晶材料的液晶显示器用这种方式进行驱动，对液晶材料施加以极性相反的第一和第二选择脉冲。并且它们分别具有电压VS1和VS2，并分别等于±(Vthlow—ΔV)(ΔV＞0)和(Vthhigh＋ΔV)(ΔV＞0)。在这些公式中，Vthlow是当液晶材料的透射率开始改变时施加的电压，Vthhigh是当液晶材料的透射率基本上为其最大值时施加的电压。因此，使液晶材料的透射率连续改变的电压范围可以随ΔV被扩大。因而，可以当然容易产生不同的灰度等级。此外，因为在上述电压范围内的驱动操作，即使数据脉冲或数据信号变高时，也可以获得形成显著不同的多个透射率。在两个定向状态之间可以得到高的对比度。

Claims (4)

1.一种用来驱动具有夹在一对基片之间的液晶材料的液晶显示器件的方法，包括下列步骤：
施加第一选择脉冲和第二选择脉冲，其极性彼此相反，并且其电压值分别为：
±(Vthlow－ΔV)(其中ΔV＞0)和(Vthhigh＋ΔV)，(其中ΔV＞0)，
其中Vthlow是当所述液晶材料的透射率开始改变时所施加的电压，Vthhigh是当所述液晶材料的透射率基本上为其极大值时所加的电压。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述液晶显示器件包含具有细微不同的阈值电压值的区域，在此电压下所述液晶材料转换为另一状态，并且其中所述液晶显示器件是矩阵驱动的。
3.如权利要求1的方法，其中
(A)在所述第一、第二选择脉冲加上之前，加上第一和第二清除脉冲，其极性彼此相反，并且其脉宽为所述第一和第二选择脉冲脉宽的n倍(n为等于或大于2的实数)，
(B)所述第一清除脉冲和所述第二选择脉冲的极性相同，并且清除脉冲电压值Vr1由|(Vthhigh＋ΔV′)|，此处ΔV′＞0，给出，
(C)所述第二清除脉冲的极性和所述第一选择脉冲的极性相同，并且其清除脉冲电压值Vr2由nVr1＋Vs2＝nVr2＋Vs1给出。
4.如权利要求1的方法，其中和所述第一和第二选择脉冲同步地加上一个第一和第二数据脉冲，它们和所述第一和第二选择脉冲具有相同的脉宽，且具有与所述第一和第二选择脉冲相反的极性。
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