CN1305604A - 单稳铁电体有源点阵显示器 - Google Patents

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Abstract

一种单稳铁电体有源点阵显示器,其中含有一种单畴形式的液晶层,所述单畴具有单值定义的方向,该方向为smC*相层的法向z,其特征在于,该方向与所述向列相或者胆甾醇相(N*相)的优势方向n形成大于5°的角。

Description

单稳铁电体有源点阵显示器
用平面屏幕取代阴极射线管(显像管)所需的显示技术需要同时达到高图像分辨率即高于1000线的分辨率，高的图像亮度(＞200Cd/m2)，高的对比度(＞100∶1)，高的帧频(＞60Hz)，充分的色彩显示(＞16000000色)，大的图像格式(屏幕对角线＞40cm)，低耗电量和宽广的视角，并且要能够经济地生产。迄今，还没有任何技术能够同时满足这些要求。
许多制造商已经开发出了基于向列液晶的屏幕，并在近年来用于笔记本电脑、个人数字辅助设备和桌面监视器。他们利用了STN(超级绞合向列)技术、AM-TN(绞合向列有源点阵)技术、AM-IPS(平面开关有源点阵)技术以及AM-MVA(多畴垂直排列有源点阵)技术，这些技术在文献中有大量的描述，例如可见T.Tsukuda,TFT/LCD:Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors(薄膜晶体管寻址液晶显示器)，Gordon and Breach 1996,ISBN 2-919875-01-9以及其中所引的文献；SID Symposium(信息显示学会论文集)1997,ISSN-0097-966X，页7到10,15到18,47到51,213到216,383到386,397到404，以及其中所引的文献。另外，他们还利用了PDP(等离子体显示板)技术、PALC(液晶寻址等离子体)技术、ELD(场致发光显示器)技术和FED(场致发射显示器)技术，这些技术在上面所引的SID报告中也有说明。
Clark和Lagerwall(US 4 367 924)已能证明，在非常薄的象元(cell)中使用铁电液晶(FLC)而形成的光电开关或显示元件的开关时间与传统的TN(绞合向列)象元相比，可快到1000倍，又见EP-A 0 032 362。基于此以及其他的有用特征，例如能够实现双稳开关，并且对比度实际上与视角无关，FLC从根本上适合比如计算机显示器和电视机应用领域，佳能公司自1995年5月以来在日本销售的一种显示器表明了这一点。
FLC在光电元件或者纯光学元件中的使用或者需要形成层列相并且本身旋光的化合物，或者需要向形成所述层列相但本身并不旋光的化合物中搀入旋光的化合物而引入铁电层列相。在这种情况下，所需的相应当在尽可能宽的温度范围稳定。
LC(液晶)显示器的各个像素通常布置为x-y点阵，该点阵由沿着显示器下侧面或者上侧面的行和列布置的各电极(导体线路)序列形成。水平的(行)和垂直的(列)电极的交点即构成可寻址的像素。
像素的这种布置通常称为无源点阵。为了寻址的目的，已经开发出了各种复合机制，例如Displays(显示器)1993,vol.14,No.2,pp 86-93以及Kontakte 1993(2),pp.3-14所描述的。无源点阵寻址的好处是显示器的生产更简单，因而生产成本低。但其缺点是，无源寻址只能一线一线地进行，这就导致具有N线的整个屏幕的寻址时间是每线寻址时间的N倍。例如在HDTV标准(高清晰度电视，1152线)中，对于约为50微秒的一般线寻址时间来说，就意味着屏幕寻址时间约为60毫秒，也就是说，最大帧频约为16Hz。这个频率对于运动图像的显示来说太低了。另外，灰色调的显示比较困难。在于法国布雷斯特召开的FLC大会(1997年7月20-24日，见Abstract Book 6thInternational Conference on Ferroelectric Liquid Crystals(第六届铁电液晶国际大会文摘)，Brest/France)上，Mizutani et al.提出了一种具有数字化灰色调的无源FLC显示器，其中，每一个RGB像素(RGB=红，绿，蓝)被分为子像素，从而能够通过部分开关数字式显示灰色调。利用三原色(红绿蓝)的N个灰色调，能够产生3N种颜色。这种方法的缺点是所需的屏幕驱动线路大量增加，从而加大了成本。在布雷斯特所展示的屏幕中，所需的驱动线路三倍于无数字灰色调的普通FLC显示器的驱动线路。
在所谓的有源点阵技术(AMLCD)中，通常在非结构化基底上结合一个有源点阵基底。在该有源点阵基底的每一个像素中，集成一个电学非线性元件，例如一个薄膜晶体管。该非线性元件也可以是二极管、金属-绝缘体-金属或者类似元件，这些元件最好用薄膜工艺生产，在有关的文献中有描述，例如见T.Tsukuda,TFT/LCD:LiquidCrystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors(薄膜晶体管寻址液晶显示器)，Gordon and Breach 1996,ISBN 2-919875-01-9，以及其中所引的文献。
有源点阵LCD通常由向列液晶在TN(绞合向列)、ECB(电控双折射)、VA(垂直排列)或者IPS(平面开关)模式下操作。在每一种情况下，所述有源点阵在每一个像素处产生独特的电场强度，导致取向的改变，进而改变双折射性，这种改变在偏振光下可以看见。这些方法的一个严重的缺陷是：由于向列液晶过长的开关时间，导致显像能力差。
因为这些以及其他一些原因，提出了基于铁电液晶材料和有源点阵元件的结合的液晶显示器，例如见WO 97/12355或者Ferroelectrics(铁电体学)1996,179,141-152,W.J.A.M.Hartmann,IEEE Trans.Electron.Devices 1989,36,(9；Pt.1),1895-9，以及Dissertation Eindhoven,the Netherlands(荷兰)1990。
Hartmann利用FLC的所谓“准书架结构”(QBG)和一种TFT(薄膜晶体管)有源点阵的一种组合，同时实现了高的开关速度、灰色调和高透明度。但是，所述QBG在宽的温度范围上不稳定，因为向列层厚对温度的依赖性会破坏或者旋转所述场致层结构。另外，Hartmann利用了一种具有超过20nC/cm2的自发极化的FLC材料，这种材料在像素的实际尺寸例如为0.01mm2的情况下，能导致巨大的电荷(饱和时Q=2AP，其中A=像素面积，P=自发极化)，使用生产起来比较经济的无定形硅TFT时，所述电荷在TFT的动作时间(opening time)之内不能到达像素。因为这些原因，这里不继续讨论这种技术。
在Hartmann利用电荷控制双稳性来显示实际连续的灰度级时，Nito et al.提出了一种单稳FLC结构,见Journal of the SID,1/2,1993，页163-169，其中，FLC材料借助于相对较高的电压进行定向，使得只形成一种稳定状态，从该稳定状态，通过薄膜晶体管施加电场，即产生许多中间状态。当象元结构配合在相交的偏振器之间时，这些中间状态就对应于许多不同的亮度级(灰色调)。
但是，这种方法的一个缺点是显示器会产生条纹状纹理，限制了象元的对比度和亮度(见上文所引文献的图8)。尽管这种条纹状纹理的缺陷能够通过向列相或者胆甾醇相中的高电压(20-50V)处理而得以修正，但是，这种场处理不适合屏幕的大规模生产，并且通常不能形成对温度稳定的结构。另外，这种方法的开关角范围最多为倾斜角(tilt angle)的一倍，在Nito et al.所使用的材料的情况下约为22°(见页165图6)，因此，最大透明度仅为两平行偏振器透明度的50％。
本发明的目的是提供一种铁电体有源点阵液晶显示器，其中含有铁电液晶混合物，其中，液晶混合物呈单稳态但并不形成条纹状纹理，对温度稳定，并使得显示器能够达到非常高的透明度和非常高的对比度。
按照本发明，上述目的是通过一种单稳铁电体有源点阵显示器实现的，该显示器含有一种单畴形式的液晶层，所述单畴具有单值定义的方向，该方向为smC*相层的法向z，该方向与所述向列相或者胆甾醇相(N*相)的优势方向n形成大于5°的角。
本发明的所述有源点阵FLCD含有作为旋光层的铁电液晶介质(液晶相)，其具有下述相序(phase sequence)：
各向同性-向列相或者胆甾醇相(N*)-层列相C*或者是如下相序：
各向同性-向列相或者胆甾醇相(N*)-层列相A*-层列相C*
其中，层列A*相的存在范围(相范围)最大为2℃，最好至多为1℃，尤其是0.5℃。前述相符号上的星号(*)表示涉及手征相。
所述显示器的生产方法最好是这样的：在有源点阵显示器的上消光(rubbed)基板和下消光基板之间的空间中引入所述液晶层，所述上下基板的消光方向基本上平行，从各向同性相开始冷却所述液晶相，至少在从N*到smC*或者从N*到smA*到smC*的相转变过程中，向所述显示器施加一个直流电压。
FLC混合物填充到了有源点阵显示器中。这种AM显示器的生产及其部件在上文所引的Tsukuda的文献中有大量的说明。但是，与向列相显示器不同，所述FLC层的厚度仅为0.7到2.5μm，最好为1到2μm。而且，所述上下基板的消光方向基本上是平行的。所谓“基本上平行”包括反平行，或者是10°以下的轻微交叉。
然后，对这种显示器的功能重要的是，在显示器的生产过程中，在受控冷却时，要施加一个最好低于5V的直流电压，并在从N*到smC*或者从N*到smA*到smC*的相转变过程中维持。这样就使得整个显示器呈单稳单畴态，在相交的偏振器之间看起来完全黑暗。
一旦获得所述单畴，就关掉直流电压。这样获得的结构是单稳的，与上文所引的Hartmann方法以及传统的双稳FLCD不同。这意味着所述优势方向n方向子(director)(指示纵向分子轴的优势方向)在所述象元的消光方向上，而z方向子(指示层列层法向的优势方向)相对于所述消光方向大约倾斜所述倾斜角的角度。这种方案与Clark和Lagerwall的普通双稳象元恰恰相反，在普通双稳象元方案中，z方向子在消光方向上。
与Nito的方案相比，在这种定向的情形下，绝对不存在层的两个法向，从而不存在最终导致上述干扰性条纹状纹理的两个定向畴，而仅有所述z方向子的一个单值方向，因而只有一个单畴。而且，可以获得两倍于所述倾斜角的交角，从而获得为平行偏振器100％的透明度，亦即获得双倍的亮度。
这样得到的显示器在相交的偏振器取合适的旋转角时看起来完全黑暗。当施加仅仅几伏的驱动电压时就开始发亮，亮度可借助于电压连续变化，在饱和状态，实际亮度就是两平行偏振片的亮度效果。这种显示器的一个重要特征，是所述向列相(或者胆甾醇相)的优势方向与层法向(z方向子)之间的角度理想地等于所述层列C相的倾斜角，或者至少基本上等于该倾斜角。“基本上”在本发明中的意思是值的范围从该倾斜角的一半到全值，最好是该倾斜角的0.8到1倍，但至少为5°。
本发明的所述铁电体有源点阵液晶显示器具有很高的实用性，尤其是对于TV和HDTV或者多媒体，因为其结合了高透明度、短开关时间、灰度级从而全彩色能力、低成本生产和宽温度范围。另外，该显示器能够在≤10V的电压，最好是≤8V，尤其是≤5V的电压下工作。
本发明的有源点阵FLCD的自发极化最好小于15nC/cm2，在显示器的工作温度下，自发极化最好在0.01到10nc/cm2的范围内。
在液晶层中，在向层列相转变的温度以上至少2℃的温度范围内，所述手征向列或者胆甾醇相的间距大于50μm。
特别地，本发明的有源点阵显示器也可以是一种LCD，其两个基板之一用一集成电路片的背侧取代，例如D.M.Walba,Science270,250-251(1995)所述的。
所述显示器可用在例如TV、HDTV或者多媒体领域，或者用于信息处理领域，例如用在笔记本个人电脑，个人数字化辅助设备或者台式监视器中。
以下的例子用来更加详细地说明本发明。
例子：
例1：
制备具有下列组成的FLC混合物：
4-(5-十二基嘧啶-2-含氧基)苯基-4-(反戊基环己烷)羧酸酯    按重量27％
2-(4-己基羟苯基)-5-辛基嘧啶                             按重量19.7％
2-(4-癸基羟苯基)-5-辛基嘧啶                             按重量25.6％
(S)-2-氧代癸基-[4-(5-癸基嘧啶-2-含氧基)苯基]醚          按重量3％
相序是：
各向同性83.1℃胆甾醇相57.7℃层列A*57.6℃层列C*
倾斜角在30℃时为25°。自发极化为2nC/cm2。
例2：
用光刻工艺在镀有透明导电的氧化锡铟的玻璃基底上刻图，形成电极结构。这种电极结构的透明导体线路用来通过一个功能发生器(function generator)电驱动显示器，从而模拟薄膜晶体管的开关。以这种方式刻两个玻璃板，形成显示器的上下两侧--也就是说显示器的支承板，这两个玻璃板借助于一种粘合结构而结合起来。层厚为1.3μm。小心地加热，使粘合剂硬化。然后在100℃将例1的液晶混合物填入，然后缓慢地将该象元冷却到60℃。在该温度施加4V的直流电压，然后继续冷却过程到22℃。然后关掉直流电压。这样就得到了单稳单畴，在相交的偏振器之间完全呈黑暗状。
然后将该象元接通振幅可变的方波脉冲，用光电二极管和示波器测量透明度。获得的透明度值如下：
    电压(伏特) 透明度=光电二极管的信号(毫瓦)
    0     1
    2     24
    3     79
    4     129
    5     190
在接通方波脉冲后，象元再次回到黑暗状态(0％透明度)。
下表给出了从最大亮度到零亮度状态的开关时间和弛豫时间，它们是所施加的方波电压的函数：
电压(伏特) 开关时间(毫秒) 弛豫时间(毫秒)
    2     2.3     0.34
    3     1.9     0.33
    4     1.7     0.31
    5     1.1     0.29
所有的值都是在22℃测得的。
例3：
2-(4-己基羟苯基)-5-辛基嘧啶                             按重量18.9％
2-(4-癸基羟苯基)-5-辛基嘧啶                             按重量24.5％
2-(4-辛基羟苯基)-5-辛基嘧啶                             按重量23.6％
2-(2,3-二氟癸基-4′-戊基联苯基-4-含氧基)-5-壬基嘧啶     按重量30.0％
(S)-2-氧代癸基-[4-(5-癸基嘧啶-2-含氧基)苯基]醚          按重量3％
相序是：
各向性80℃胆甾醇相60℃层列C*
自发极化为1.7nC/cm2。
例4：
用光刻工艺在镀有透明导电的氧化锡铟的玻璃基底上刻图，形成电极结构。这种电极结构的透明导体线路用来通过一个功能发生器电驱动显示器，从而模拟薄膜晶体管的开关。以这种方式刻两个玻璃板，形成显示器的上下两侧--也就是说显示器的支承板，这两个玻璃板借助于一种粘合结构而结合起来。层厚为1.3μm。小心地加热，使粘合剂硬化。然后在100℃将例3的液晶混合物填入，然后缓慢地将该象元冷却到63℃。在该温度施加4V的直流电压，然后继续冷却过程到22℃。然后关掉直流电压。这样就得到了单稳单畴，在相交的偏振器之间完全呈黑暗状。
然后将该象元接通振幅可变的方波脉冲，用光电二极管和示波器测量透明度。获得的透明度值如下：
    电压(伏特) 透明度=光电二极管的信号(毫瓦)
    0     1
    2     108
    3     217
    4     306
    5     392
在接通方波脉冲后，象元再次回到黑暗状态(0％透明度)。
下表给出了从最大亮度到零亮度状态的开关时间和弛豫时间，它们是所施加的方波电压的函数：
电压(伏特) 开关时间(毫秒) 弛豫时间(毫秒)
    2     1.9     0.33
    3     1.6     0.29
    4     1.4     0.25
    5     0.94     0.24
所有的值都是在22℃测得的。

Claims (9)

1、一种单稳铁电体有源点阵显示器，其中含有一种单畴形式的液晶层，所述单畴具有单值定义的方向，该方向为smC*相层的法向z，其中，该方向与所述向列相或者胆甾醇相(N*相)的优势方向n形成大于5°的角。
2、如权利要求1所述的有源点阵显示器，其中，所述smC*相层的法向z与所述向列相或者胆甾醇相(N*相)的优势方向n之间的夹角为所述smC*倾斜角的0.5到1.0倍。
3、如权利要求1或2所述的有源点阵显示器，其中，所述铁电液晶层具有下述相序：
I*-N*-smC*
其中，在所述N*相和smC*相之间可以有一个层列A*相，其存在范围最大为2℃。
4、如权利要求1到3之任何一项所述的有源点阵显示器，其中，所述铁电液晶相的自发极化小于15nC/cm2。
5、如权利要求1到4之任何一项所述的有源点阵显示器，其中，在所述液晶层中，在向层列相转变的温度以上至少2℃的温度范围内，所述手征向列或者胆甾醇相的间距大于50μm。
6、生产如权利要求1到5之任何一项所述的有源点阵显示器的方法，其中，在有源点阵显示器的上消光基板和下消光基板之间的空间中引入所述液晶层，所述上下基板的消光方向基本上平行，从各向同性相开始冷却所述液晶相，至少在从N*到smC*或者从N*到smA*到smC*的相转变过程中，向所述显示器施加一个直流电压。
7、一种可按照权利要求6所述的方法制造的有源点阵显示器。
8、如权利要求1到5和7所述的有源点阵显示器在TV、HDTV或者多媒体领域或者信息处理领域的用途。
9、如权利要求8所述的在笔记本个人电脑、个人数字化辅助设备和台式监视器中的用途。
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