垂直排列螺旋变形液晶显示器 本发明涉及一种采用铁电体液晶的新型液晶显示器，且更具体地说，涉及垂直排列螺旋变形(vertically aligned helix-deformed)液晶显示器，其中具有比入射于其上的光线的波长短的螺距(helix pitch)的铁电体液晶被垂直排列，且分子导向器的旋转通过根据平行于其的基片施加其上的电场的强度的螺旋变形控制，从而，由于在大范围内的均匀排列(alignment)而获得高对比度，实现模拟灰度等级，并且利用面内电极实现了较宽可视特性。
利用液晶光电效应的传统的液晶显示器被构造成：透明电极分别形成在两基片上，用于排列液晶的排列层涂附在其上，液晶填充在基片之间，并且两个偏振器分别固定在两个基片的外表面上。传统地液晶显示器通过自身透过或阻止入射其上的光线，从而在其图象中显示信息。为了透过或阻止光线，将电压施加到液晶显示器上，以便导致液晶分子转动，从而改变分子导向器。
同时，用于液晶显示器的液晶根据其分子排列几何形状被分类为其内只存在方向次序的向列形液晶和其内方向次序和位置次序一同存在的碟状(smectic)结构液晶。碟状结构液晶根据自发极化的存在还可分类为铁电体的和顺电的液晶。向列形(nematic)液晶由于其内不存在自发极化而对施加于其上的电场极性不敏感。向列形液晶具有介电各向异性。在使用向列形液晶的扭曲向列形液晶显示器中，根据介电各向异性，液晶分子的响应速度从几十毫秒到几百毫秒。从而，向列形液晶不适于高速应用中。此外，向列形液晶在不采用多畴结构或附加光学薄膜情况下，呈现较窄的视角和较低的对比度。
与向列形液晶相反，铁电体液晶由于自发极化和施加于其上的电场的直接耦合而导致的分子转动是在几十微秒的数量级上而具有非常快的响应速度，于是，铁电体液晶适于高速动态画面的实现。然而，传统的表面稳定的铁电体液晶显示器在双稳态模式下工作，因此其不能具有模拟灰度等级，并难于在较宽区域上实现均匀排列。尽管最近利用时间或空间剖分驱动模式实现了灰度等级性能，表面稳定的铁电体液晶显示器在复杂的驱动模式下只呈现有限的灰度等级。
在最近引入的反铁电体液晶显示器情况下，其具有比向列形液晶显示器高的响应速度，并在应用V形转换时具有连续的灰度等级。然而，其具有难于在较宽区域内均匀排列以及图像闪烁的问题。同时，提出了一种平行排列螺旋变形的铁电体液晶显示器，其采用具有比入射光的波长显著短的螺距的铁电体液晶。在这种液晶显示器中，电场横跨在两基片上制备的电极，以便在基片的平面内使螺旋结构变形，从而实现连续灰度等级。这种显示器具有较高的响应速度，但它需要用于在较宽区域上均匀排列的附加的排列过程，如剪切(shear)或电场处理。此外，会产生诸如条形区域的缺陷结构。
如上所述，传统的铁电体和反铁电体液晶显示器具有获得大范围均匀排列和模拟灰度等级的难处，并图像质量恶化。具体地说，对于具有短螺距的铁电体和反铁电体液晶难于获得均匀同性的排列，尤其是由于液晶分子和排列表面之间强极性相互作用所造成的条形区域。因此，对于短螺距的铁电体液晶这种同性的轮廓恶化了对比度和光线透射率。
高质量的大型液晶显示器需要极好的可视角特征，大范围均匀排列、高响应速度以及高的对比度。液晶为具有非常大的光各向异性材料，因此其的有效折射率随入射其上的光线的角度而变化很大。对于目前广泛使用的扭曲向列形模式，根据视角变化的对比度的变化对于绕与垂直于基片的轴倾斜方向的转动角而呈现反对称。为了解决这个问题，广泛使用一种光学补偿方法，其另外采用一单轴或双轴的相位延迟薄膜，在特定条件下补偿液晶的有效折射率。其他方法包括具有在单个象素的多个子象素中的液晶分子的不同方向的多畴排列方法，以及采用在相同基片上分子的面内转换的方法。
在上述的方法中，多畴结构需要具有至少两次光掩膜的多重摩擦或光学图形，具有复杂的过程，这导致了排列可靠性的恶化以及高的制造成本。用于向列形液晶显示器的面内转换模式呈现较低的响应速度、由于低的缝隙比(aperture ratio)的较低的透射率，以及由于图像保留使画面恶化。其他的诸如光学补偿弯曲模式和反向扭曲向列模式呈现较高的对比度和较好的可视特征，但他们仍不具有对称的可视特征。
本发明涉及垂直排列螺旋变形铁电体液晶显示器，其基本上消除了一个或多个由于相关技术的局限和缺点导致的问题。
本发明的目的为提供一种垂直排列螺旋变形铁电体液晶显示器，其中具有比光线的波长短的螺距的铁电体液晶在两个基片间被垂直排列，并且其分子转动方向基于利用平行于基片施加的电场的面内电极控制，以获得大范围的均匀排列，以维持高的对比度，并提供了模拟灰度等级及极好的可视特征。
为了实现本发明的目的，提供了一种垂直排列螺旋变形铁电体液晶显示器，其包括都具有两个表面的第一和第二玻璃基片，第一和第二玻璃基片彼此面对；形成于第一玻璃基片的第一表面上的具有第一电势的第一透明电极；形成于第一玻璃基片的第一表面上的具有不同于第一电势的第二电势的第二透明电极；形成在第一玻璃基片的第一表面上的第一垂直排列层，其上形成第一和第二透明电极；形成在第二玻璃基片第一表面上的第二垂直排列层；以及填充在第一和第二玻璃基片之间的铁电体液晶，第一和第二垂直排列层分别形成于第一和第二基片上，彼此面对，铁电体液晶具有比光的波长短的螺距，铁电体液晶响应横跨第一和第二透明电极施加的电场而被螺旋变形，以便其分子在特定方向上转动。
对于透过式液晶显示器，其还包括附于第一玻璃基片的第二表面上的第一偏振器，以及附于第二玻璃基片第二表面上具有与第一偏振器的光轴垂直的光轴的第二偏振器。
对于反射型液晶显示器，其还包括形成在第二玻璃基片的第一或第二表面上的反射镜，具有光的波长的四分之一的光延迟特性的补偿薄膜，形成在第一玻璃基片的第二表面；以及具有与补偿薄膜的光轴成45°角的光轴、形成在补偿薄膜上的单一的偏振器。
应理解以上的概述和以下的详细描述都是示例性和解释性的，以用于对所要求保护的本发明作进一步解释。
被包含以提供本发明的进一步解释并于此构成说明书的一部分的附图与作用为解释本发明的描述一起说明了本发明的实施例。
图中：
图1示出根据本发明的垂直排列螺旋变形透过式液晶显示器的结构；
图2示出图1的液晶显示器的驱动原理；
图3示出在光学透射率和施加于本发明的垂直排列螺旋变形液晶显示器的电场的强度之间的关系；
图4示出了光学透射率响应特性与施加于本发明的垂直排列螺旋变形液晶显示器的方波电压波形之间的关系；
图5示出了根据本发明的垂直排列螺旋变形液晶显示器的驱动电极的排列的示例；
图6示出了根据本发明的垂直排列螺旋变形液晶显示器的驱动电极的排列的另一示例；
图7示出了根据本发明的垂直排列螺旋变形反射型液晶显示器的结构；
现在将详细参考在附图中示出的本发明的优选实施例。
本发明基本上利用根据施加到铁电体液晶的电场的螺旋解旋(helix-unwinding)现象作为其驱动原理。在根据本发明的螺旋变形的铁电体液晶显示器中，与传统的螺旋变形的铁电体液晶显示器相比，液晶显示器的螺旋轴的方向被排列成垂直于基片，而透明电极只存在于一个基片上。因此，模拟灰度等级性能可以轻易地通过横跨存在于相同基片内的电极的电场实现，而由于较宽区域的均匀的垂直排列，且不需采用诸如摩擦(rubbing)过程或电场处理的附加排列过程，因此可以实现高对比度。此外，根据在每个象素中两个或四个子象素(subpixel)的内在多畴结构，由分子旋转方向实现了较宽的可视角度特征，而分子旋转方向取决于由面内各电极所提供的电场的极性。
图1示出了根据本发明的垂直排列螺旋变形透过式液晶显示器。如图1所示，本发明的透过式液晶显示器具有形成在第一玻璃基片10的第一表面12上的第一和第二铟-锡-氧化物(ITO)透明电极20和30。两个透明电极交替地形成在基片上，如图5或6所示，并在他们之间保持几十到几百微米的距离，在本实施例中优选地为20微米。诸如JALS-204(日本合成橡胶公司)的垂直排列材料涂附在其上形成有第一和第二电极20和30的第一玻璃基片10的第一表面12上，以形成第一垂直排列层40。JALS-204的垂直排列材料也涂附在第二玻璃基片50的第一表面52上以形成第二垂直排列层60。
两个玻璃基片10和50彼此相对，其间具有几微米的距离，优选地为5微米，以使第一和第二垂直排列层40和60彼此相对。优选由两个基片之间的距离产生的液晶的光学各向异性小于720nm。表面预倾斜角落于75°≤θs≤90°范围内，其中θs是垂直排列层相对于基片的表面预倾斜角度，在本实施例中优选为90°。诸如FLC-10817(Rolic有限公司)的铁电体液晶70插入到两个基片10和50之间并然后密封。施加于液晶的工作电压随着自发极化强度的增大而变小。具有115nC/cm2自发极化强度的液晶用于本实施例中。分子倾斜角为34°，其落于22.5°≤θ≤45°的范围内。螺距为0.2微米，其对于在短波长区域的可见光的0.35微米来说较小。
为了均匀排列，优选存在层列相A，而具有较大分子倾斜角度的大部分材料在相序列中没有层列相A。从而，在本发明的实施例中采用各向同性相(64.5°-62.4°)-手征向列相(62.4°-61.5°)-手征层列相(铁电体相)的相变顺序。
对于透过式，第一偏振器80附于第一玻璃基片10的第二表面14上，而第二偏振器90附于第二玻璃基片50的第二表面54上。第一偏振器80的光轴与平行于基片施加的电场方向成45°±3°的角度。第二偏振器90的光轴与第一偏振器80的光轴成90°角。
将在下面解释垂直排列螺旋变形铁电体液晶显示器的驱动原理。在图1和图2的中央象素情况下，当电场未施加到本发明的垂直排列结构时，维持液晶的碟状层螺旋结构，因此平均的光轴方向71垂直于基片。在图2中，在两个基片之一上的中央象素的分子排列的凸出结构示出了在碟状结构锥上的分子指向每个方向。于是，光线被相互垂直的两个偏振器80和90完全阻挡。
另一方面，当大于阈值的电场施加到液晶显示器，根据直接与铁电体液晶的自发极化强度相耦合的所施加的电场的极化，平均光轴方向倾斜而偏离基片的法向平面。结果，入射光通过与电场方向成45°的偏振器传播。具体地说，左侧象素内的液晶分子被排列成-90°的角度，以便平均光轴方向72从垂直方向向下倾斜。在图2的左侧象素的液晶分子的凸出结构中，分子被向下排列。右侧象素的液晶分子排列成90°角度，以便平均光轴73从垂直方向向上倾斜。在图2中，右侧象素的分子向上排列。
图3示出了在光学透射率和施加于本发明的垂直排列螺旋变形液晶显示器的电场的强度之间的关系。其示出了液晶分子在碟状结构锥的表面上持续转动以根据所施加的电场的强度使螺旋结构变形，并且液晶的有效重折率的大小连续变化，以使横跨与电场方向成45°的偏振器的光强连续变化。结果实现了模拟灰度等级。平行于基片施加的电场强度在具有电极的第一玻璃基片10上具有最大值，并且在第一到没有电极的第二玻璃基片传播时变小。分子转动的快慢与电场的强度成正比。
图4示出了光学透射率响应特性与施加于本发明的垂直排列螺旋变形液晶显示器的方波电压波形之间的关系。参照图4，通过施加方波，液晶在为电压升高时间的约140微秒内从OFF状态(光阻挡状态)变化到ON状态(光透过状态)，通过移去方波，液晶在为电压降低时间的约40微秒内从ON状态变到OFF状态。如图3所示，在ON状态下的透射率与所施加的电场强度成正比。
图5示出了根据本发明的垂直排列螺旋变形液晶显示器的驱动电极的排列的示例。第一透明电极20具有字母“n”的形状，而第二透明电极30具有字母“m”的形状，两个电极20和30交替地排列。从而，在其间具有电极分支的1×4的矩阵内具有4个子象素。于是，奇数标号的子象素101和103和偶数标号的子象素102和104的平均光轴相对电极分支具有反对称化特征，这是由于在ON状态下施加于四个子象素101、102、103、104上的电场在象素100内是交替的。在一个象素内的子象素的反对称光轴带来较宽的可视角度。因此，根据透明电极的结构，与传统的液晶显示器相比，本发明的液晶显示器可以轻易地保证较宽的可视特征，而不需附加的光学薄膜。
图6示出了根据本发明的垂直排列螺旋变形液晶显示器的驱动电极的排列的另一示例。在这个电板结构中，第二透明电极30布置在两个第一透明电极20之间，并且从第一电极30垂直伸出的多个分支和从第二电极30伸出的各分支交替地排列。从而，象素由电极分支分成多个子象素，并且相邻的两个子象素具有在水平方向彼此相对的光轴。在这个电板结构中四个子象素排列在2×2的矩阵中。
图7示出了根据本发明的垂直排列螺旋变形液晶显示器。与图1中的透过式相比，在这个结构中一反射镜120固定在第二玻璃基片50的第一表面52或第二表面54上，而在第二玻璃基片50的第二表面54上未附有偏振器，而补偿薄膜84设置在第一玻璃基片10和偏振器80之间。在图1和图7中相同的元件由相同的附图标记标识。
补偿薄膜84的光轴的方向与偏振器80成45°角。补偿薄膜84具有入射光波长的四分之一的相位延迟。优选补偿薄膜84的相位延迟覆盖从160×Nnm到200×Nnm(N＝1，2，3...)。对于反射型，光学特征由补偿薄膜的相位延迟决定，是由于当没有电场施加到基片时，液晶的平均光轴与基片垂直，光线的有效相位延迟为补偿薄膜84的相位延迟的二倍，实现黑暗状态。当电场施加到反射型液晶显示器时，液晶的平均光轴倾斜而远离基片的法向，从而具有有效的重折率。因而，根据按有效重折率和两个基片间距离乘积大小的相位延迟实现了明亮状态。如上所述，根据本发明，很容易实现均匀排列以及模拟灰度等级性能，且由于垂直排列而获得了高的对比度。此外，根据基于电极排列结构的内在的多畴结构实现了较宽的可视特征。此外，由于不再需要诸如摩擦过程的排列层处理，而使制造过程简化，并降低了制造成本。
应理解，对于本领域技术人员，在不背离本发明范围和精髓前提下，可以在本发明的垂直排列螺旋变形铁电体液晶显示器内作出各种修改和改进。从而，如果他们落入由权利要求及其等价物限定的本发明的范围内，那么本发明就涵盖这些修改和改进。