專(zhuān)利名稱(chēng)：多穩(wěn)態(tài)反射液晶裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多穩(wěn)態(tài)反射液晶裝置和包括這種裝置的液晶顯示器。
背景技術(shù)：
液晶材料(LCs)由優(yōu)先相互平行排列并且能夠通過(guò)施加的電場(chǎng)而被定 向的棒狀分子組成。由分子的局部定向所引起的長(zhǎng)程有序能夠限定"指向 矢"，S卩，平均分子方向。這些分子的長(zhǎng)軸和短軸表現(xiàn)出不同的光學(xué)性能， 因此一定的分子取向可以改變?nèi)肷涔獾钠窈蛷?qiáng)度?？梢詫⑦@些再取向和 偏振的效應(yīng)與光學(xué)元件，如偏振和反射層一起使用，以制備光學(xué)裝置，如 光學(xué)開(kāi)關(guān)、可變相光柵或顯示器。
現(xiàn)有的LC裝置通常具有兩個(gè)帶有半透明電極的透明基板，所述半透 明電極可以在每一基板的內(nèi)側(cè)上被圖案化為像素，將液晶(LC)材料夾在它 們之間。如果一旦入射光穿過(guò)液晶層，該裝置就用來(lái)反射入射光，而不是 處于透射模式，則可以將反射涂層安置在一個(gè)基板上。通常將光學(xué)偏振器 安置在一個(gè)或兩個(gè)基板的外表面上。在液晶層和每一個(gè)電極/基板之間，采 用定向?qū)觼?lái)規(guī)定靠近基板的LC分子的取向。每一個(gè)像素可以利用施加在 像素排和列電極之間的電壓進(jìn)行"無(wú)源式"尋址，或者利用薄膜晶體管進(jìn)行" 有源式"尋址，以選擇性將電場(chǎng)橫跨施加在單一像素上。這種電場(chǎng)可以用 于使液晶分子在兩種取向狀態(tài)之間切換，每一種取向狀態(tài)對(duì)穿過(guò)LC層的 光都具有不同的影響，使得根據(jù)該狀態(tài)，光可以透過(guò)一個(gè)或多個(gè)偏振器或 被一個(gè)或多個(gè)偏振器阻擋。
實(shí)現(xiàn)這樣的一種方法是采用扭轉(zhuǎn)向列構(gòu)型。在這些裝置中，采用定向 層使靠近相對(duì)基板的LC分子在相互垂直的方向上取向。在其中不跨過(guò)像 素施加電場(chǎng)的情況下，在其從表面向表面移動(dòng)時(shí)，靠近基板的垂直LC定 向?qū)е翷C取向扭轉(zhuǎn)90。。這具有使光的偏振旋轉(zhuǎn)90。的作用。當(dāng)將偏振器 平行于在每一基板上的定向方向時(shí)，入射光變?yōu)樽畛醣坏谝黄衿髌裨?一個(gè)方向上，然后光的偏振方向被LC旋轉(zhuǎn)90°，以與在另一基板上的第二偏振器一致，以使光從像素輸出?？梢詫V色器安置在像素上以制備著 色的像素。當(dāng)在像素的電極之間施加電場(chǎng)時(shí)，利用電場(chǎng)的方向使LC定向， 即正交于兩個(gè)基板的平面。在這種情況下，由于LC分子被定向?yàn)槠叫杏?br> 光的傳播方向，因此不發(fā)生由LC構(gòu)型引起的光偏振的變化。因此，來(lái)自
第一偏振器的偏振光被在垂直方向上的第二偏振器阻擋。這種類(lèi)型的裝置 是"透射型"的，因?yàn)槿肷涔鈴囊粋?cè)的光源(g卩，在顯示器模塊中的背光)穿 過(guò)該裝置到達(dá)另一側(cè)的觀察者。
利用液晶裝置顯示信息的一種備選方法是使用"反射"LC裝置。典型 的反射裝置是以與透射型裝置類(lèi)似的方式構(gòu)建的，不同之處在于離觀察者 最遠(yuǎn)的偏振器被反射元件代替。光從與觀察者相同側(cè)的裝置入射，并且首 先在一個(gè)方向上被偏振器偏振?？赡艿腖C構(gòu)型之一使得光的偏振方向被 LC旋轉(zhuǎn)45。，然后光被反射元件反射，并且再次被LC旋轉(zhuǎn)45。。光偏振 總共旋轉(zhuǎn)90。意味著光被偏振器阻擋。當(dāng)在像素電極之間施加電壓時(shí)，發(fā) 生LC的重新取向，使得LC構(gòu)型不影響光的偏振，并且入射光偏振，透 過(guò)LC，反射并且再次透過(guò)LC，而沒(méi)有偏振方向的變化，使得偏振器允許 光被發(fā)射和觀察到?？梢詫V色器安置在像素上以制備著色的像素。
當(dāng)與其它顯示器類(lèi)型如陰極射線(xiàn)管相比時(shí)，LC顯示器具有許多優(yōu)點(diǎn)， 如非常平坦、輕而穩(wěn)固。由此，它們對(duì)于小型便攜式裝置如移動(dòng)電話(huà)和PDA
是理想的。然而，由于需要施加恒定功率以將像素保持在一種狀態(tài)下，它 們具有高能量的要求。而且，透射型顯示器典型地需要來(lái)自光源的背光以 實(shí)現(xiàn)具有高對(duì)比度的明亮圖像，轉(zhuǎn)而進(jìn)一步增加功耗，從而導(dǎo)致電池壽命 縮短。另外，由于這些系統(tǒng)利用面外切換(out of plane switching),其中在 電場(chǎng)的存在下LC分子自身與基板的平面垂直定向，因此當(dāng)從側(cè)面觀察時(shí)， 雙折射效應(yīng)可能導(dǎo)致對(duì)比度的損失。得到的幾何形狀還可能導(dǎo)致由視差效 應(yīng)引起的色彩失真。
與上述裝置相關(guān)的一些問(wèn)題是通過(guò)多穩(wěn)態(tài)或具體地通過(guò)反射雙穩(wěn)態(tài) 液晶技術(shù)解決的。在多穩(wěn)態(tài)液晶裝置中，LC具有多于一個(gè)穩(wěn)態(tài)的指向矢 分布(director configuration)。由此， 一旦切換至穩(wěn)態(tài)，LC保持在該狀態(tài)直 至施加電場(chǎng)而改變構(gòu)型。這種類(lèi)型的操作需要更小的功率，原因是僅僅供 給功率以變化狀態(tài)，而不連續(xù)供給以保持狀態(tài)。這種技術(shù)的反射方面消除了對(duì)背光的需要，從而進(jìn)一步降低了功耗。
在Thurston等的IEEE Transactions on Electronic Devices Ed-27，第11 期，2069- 2080頁(yè)1980中，描述了具有多個(gè)可能的多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的LC裝 置。特別是，描述了產(chǎn)生基板平面外扭曲的頂點(diǎn)(zenithal)多穩(wěn)態(tài)裝置。還 描述了依賴(lài)于在基板上的圖案化的定向區(qū)域的面內(nèi)多穩(wěn)態(tài)裝置。
US 4，333，708描述了具有多種多穩(wěn)態(tài)模式的雙穩(wěn)態(tài)LC裝置的一個(gè)實(shí)
例，所述多種多穩(wěn)態(tài)模式涉及平行位于裝置基板的奇數(shù)點(diǎn)或"向錯(cuò)"的移動(dòng)。 EP 0,517,715和WO92/00546描述了雙穩(wěn)態(tài)LC裝置的其它實(shí)例，其中使 用表面處理(SiO的蒸發(fā))產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)表面定向?qū)?。這種表面具有兩種可能 的指向矢分布。通過(guò)在施加合適電壓波形的情況下切換在表面上的指向 矢，在兩種狀態(tài)之間的切換是可能的。
在US 5,796,459中描述了另一種可能的雙穩(wěn)態(tài)裝置。這種裝置具有已 經(jīng)被處理的基板表面，使得一個(gè)或兩個(gè)基板上存在雙光柵(bigrating)。這種 雙光柵配置形成了LC分子可以位于其上的兩種可能的不同角度方向。WO 97/14990描述了雙穩(wěn)態(tài)裝置的另一個(gè)實(shí)例。這具有在至少一個(gè)基板上的表 面定向單光柵。該表面單光柵具有導(dǎo)致對(duì)兩種指向矢定向排列大致相等的 能量的凹槽高度與寬度之比。指向矢排列配置彼此不同主要在于指向矢與 基板的平面的角度。使用適合的電壓脈沖來(lái)開(kāi)關(guān)該裝置。
制造雙穩(wěn)態(tài)液晶裝置的又一種方法包括將柱或孔的陣列安置在一個(gè) 基板上。在EP 1,271,225和EP 1,139,151中描述了這種類(lèi)型的裝置。柱或 孔的存在使得多種指向矢取向是穩(wěn)定的。在指向矢取向之間的差別主要在 于距離基板主平面的指向矢角度的差別。在這些狀態(tài)之間的切換是使用與 分子偶極子耦合的適合電壓脈沖實(shí)現(xiàn)的。
在所有上述裝置中，每一種穩(wěn)定的狀態(tài)對(duì)光的偏振都具有不同的影 響，并且這可以與適當(dāng)取向的偏振器一起使用以允許或阻擋光的透射。這 些系統(tǒng)可以在光透過(guò)裝置或者從在裝置背面的表面反射的情況下使用?？?以利用在亞像素水平的表面處理變化來(lái)實(shí)現(xiàn)灰度。盡管這些提供一些優(yōu)于 常規(guī)的配置的優(yōu)點(diǎn)，但是它們?cè)庥龅较铝星闆r:在面外進(jìn)行切換，這可能 導(dǎo)致在傾斜觀察角度下的對(duì)比度的損失以及由視差引起的色彩失真。
上述裝置中的一些可能包含LC缺陷區(qū)域。當(dāng)將LC封閉在容器內(nèi)時(shí)，分子取向受到容器表面的影響。這樣可能導(dǎo)致在某些區(qū)域的沖突，從而導(dǎo) 致缺陷。在這些缺陷區(qū)域中，以使得形成與分子有序性降低相關(guān)的高畸變
能結(jié)構(gòu)的這種方式使分子自身定向，這被Repnik等在European Journal of Physics,第24巻，481-492頁(yè)(2003)中論述過(guò)。根據(jù)諸如容器的尺寸和形 狀、表面的表面狀況(topography)、溫度、外加電場(chǎng)和壁的表面能的因素， 液晶分子的幾種構(gòu)型可以是允許的。每一種構(gòu)型可以具有變化的缺陷位置 和主體液晶分子的定向。然而，缺陷通常被認(rèn)為是不宜的，因?yàn)樗鼈兘档?裝置效率。因此，在大多數(shù)己知的裝置中，采取除去這些缺陷或避免它們 一起形成的步驟。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種反射多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，所述反射多 穩(wěn)態(tài)液晶裝置具有容納于外殼結(jié)構(gòu)(containment structure)中的分立空腔內(nèi) 部的液晶材料，所述空腔是使得在液晶分子的排序中形成至少一個(gè)高畸變 或者缺陷的區(qū)域的空腔，所述一個(gè)或多個(gè)畸變區(qū)域在施加電場(chǎng)時(shí)可在至少 兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換，所述裝置使得它在所述狀態(tài)中的至少一種是反射 的。
與一些現(xiàn)有技術(shù)的配置相反，不是試圖除去缺陷，本發(fā)明而是利用這 些缺陷，并且利用它們提供多穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)。實(shí)際上，外殼結(jié)構(gòu)的壁被用于 誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)的形成。通過(guò)施加適合的電場(chǎng)，可以使一個(gè)或多個(gè)畸變區(qū)域 在這些狀態(tài)之間切換。這可以基本上在面內(nèi)進(jìn)行，從而避免或者至少降低 在傾斜觀察時(shí)的對(duì)比度的損失。
本發(fā)明的限制性外殼結(jié)構(gòu)提供優(yōu)于非限制性系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，如在 Thurston等，IEEE Transactions on Electronic Devices Ed-27， 第11期， 2069-2080頁(yè)1980中描述的那些，原因是在非限制性裝置中，Thurston裝 置的可切換區(qū)域之間的開(kāi)口區(qū)域?qū)⒂泻Φ赜绊憣?duì)比度和反射率特性，而在 本發(fā)明中，外殼結(jié)構(gòu)是均勻的，并且具有可以最小化的可計(jì)算的固定光學(xué) 效應(yīng)。
可以提供用于以脈沖形式施加電場(chǎng)的裝置?？梢蕴峁┯糜诟淖兠}沖的 大小和持續(xù)時(shí)間的裝置。
8液晶分子和外殼結(jié)構(gòu)優(yōu)選介于可以是柔性或剛性的玻璃或塑料的兩 個(gè)透明基板之間。對(duì)于柔性基板，將在一個(gè)空腔中的液晶與在周?chē)目涨?隔離是特別有利的，原因是這樣使干擾切換和光學(xué)質(zhì)量的流動(dòng)效應(yīng)和液晶 層厚度變化最小化。透明基板可以在任一個(gè)表面上具有半透明或透明電 極。
電極可以與一個(gè)或多個(gè)空腔關(guān)聯(lián)。電極可以另外或者備選地位于空腔 壁上。這些電極可以使得每一個(gè)電極可以連接到開(kāi)關(guān)裝置上。這些開(kāi)關(guān)裝 置可以包含一個(gè)或多個(gè)薄膜晶體管。
所述裝置可以具有反射背面板。透明基板可以層壓有偏振器層。偏振 器層使入射光偏振。偏振光穿過(guò)液晶，所述液晶可以改變或者不改變光的 偏振，這取決于液晶分子的定向。光從反射背面板上反射，并且選擇性透 射或者被偏振器阻擋，這取決于由液晶引起的光的偏振的變化。
可以安置每一個(gè)空腔，使得至少一種穩(wěn)定狀態(tài)中的大部分液晶分子的 方向相對(duì)于至少另一種其它穩(wěn)定狀態(tài)中的大部分液晶分子的方向基本上
成45°。在至少一種狀態(tài)下，液晶取向可以在很大程度上平行于最靠近觀
察者的偏振器的方向，而另一種狀態(tài)下的取向相對(duì)于偏振器方向基本上成
45度的角度。在液晶的厚度適合，典型在l和50pm之間的情況下，這兩 種液晶構(gòu)型狀態(tài)將分別使入射光從裝置上被反射或者不使光被反射。相 反，在穩(wěn)定狀態(tài)之間90。切換的液晶裝置不適于與反射背面板一起使用， 原因是與反射結(jié)合的90。切換利用偏振器使光的方向重新定向，并且防礙 反射光的阻擋。
外殼結(jié)構(gòu)可以具有橫截面為六邊形或者其它多邊形的空腔，其中每一 種穩(wěn)定狀態(tài)中的主體液晶分子以相對(duì)于另一種穩(wěn)定狀態(tài)中的液晶分子的 定向成傾斜的角度位于與透明基板平行的面內(nèi)。無(wú)需苛刻地限定橫截面的 角度。
空腔壁優(yōu)選變得近似(substantially)垂直于外殼結(jié)構(gòu)的基底或基板。外 殼結(jié)構(gòu)可以使用光刻術(shù)由聚合物或者光致抗蝕劑形成。
在外殼結(jié)構(gòu)中的空腔可以有開(kāi)口端的，并且與透明基板或者任一個(gè)上 述層壓層齊平或者形成整體，使得在各個(gè)空腔中的液晶與在相鄰的空腔中 的液晶隔離。
9大部分液晶分子可以位于與透明基板的平面基本上平行的面內(nèi)。在一 個(gè)實(shí)施方案中，形成相等能量的穩(wěn)定狀態(tài)，以使得任何穩(wěn)定的狀態(tài)都可以 由任何其它狀態(tài)通過(guò)繞著垂直于基板的軸旋轉(zhuǎn)而得到。
可以通過(guò)至少一個(gè)連通通道連接至少兩個(gè)空腔。連通通道的寬度可以
小于20pm，并且優(yōu)選寬度小于5pm。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種在液晶裝置中切換狀態(tài)的方法， 所述液晶裝置在外殼結(jié)構(gòu)中的空腔內(nèi)部容納有液晶分子，所述空腔是形成 至少一個(gè)高畸變區(qū)域的空腔，所述方法包括施加電場(chǎng)，以通過(guò)缺陷的移動(dòng) 從第一穩(wěn)定狀態(tài)至少切換到第二穩(wěn)定狀態(tài)，其中所述裝置使得所述穩(wěn)定狀 態(tài)中的至少兩種允許不同量的光從所述裝置反射。
可以安置空腔使得至少處于第一穩(wěn)定狀態(tài)的大部分液晶分子的方向 相對(duì)于處于至少一種其它穩(wěn)定狀態(tài)的大部分液晶分子的方向基本上成 45°。電場(chǎng)可以平行于液晶分子或者包含平行于這些分子的分量，以實(shí)現(xiàn) 面內(nèi)切換。優(yōu)選地，在具有類(lèi)似或相同的能量的狀態(tài)之間進(jìn)行切換。
本發(fā)明的裝置和方法可以用于各種用途，包括顯示器基板、通信用相 位裝置、光學(xué)開(kāi)關(guān)或可變相位光柵。
附圖簡(jiǎn)述
現(xiàn)在將僅僅通過(guò)實(shí)施例并且參考其下列附圖描述本發(fā)明的各個(gè)方面-
圖l(a)是液晶裝置的放大圖l(b)是貫穿圖l(a)的放大圖的橫截面；
圖2是在

圖1裝置的空腔中處于穩(wěn)定狀態(tài)的液晶分子的定向的圖示; 圖3是在圖1裝置的空腔中處于不同穩(wěn)定狀態(tài)的液晶分子的定向的 圖示；
圖4是備選的液晶裝置的平面圖； 圖5(a)顯示了圖4裝置的空腔中的穩(wěn)定狀態(tài)； 圖5(b)顯示了圖4裝置的空腔中的不同穩(wěn)定狀態(tài)；和 圖6顯示了切換電壓的大小和時(shí)間之間的關(guān)系，該切換電壓是為使圖 4的裝置在穩(wěn)定狀態(tài)之間切換而施加的。
10具體描述
將液晶容納于具有一定形狀和尺寸的外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可以導(dǎo)致液晶分 子將它們自身排列成多種穩(wěn)定狀態(tài)中的一種的趨向，每一種穩(wěn)定狀態(tài)都具 有不同的指向矢結(jié)構(gòu)和可能不同的高畸變區(qū)域的位置。高畸變位置是其中 液晶分子有序性與主體相比顯著降低并且出現(xiàn)大的彈性畸變的區(qū)域，這被
Repnik等在European Journal of Physics,第24巻，481-492頁(yè)(2003)中論述過(guò)。
圖l(a)和(b)顯示了在限定多個(gè)開(kāi)口 21的外殼結(jié)構(gòu)20內(nèi)部容納有液晶 材料10的反射液晶裝置。外殼結(jié)構(gòu)20被夾在兩個(gè)透明基板30、 35之間， 所述透明基板30、 35可以具有附著到與液晶材料10接觸的面上的定向?qū)?制品40、 45。外殼結(jié)構(gòu)20和基板30、 35—起限定了多個(gè)用于容納液晶材 料10的空腔。在每一個(gè)空腔內(nèi)部的液晶材料10將其完全填滿(mǎn)，使得液晶
材料與所有空腔壁/表面直接接觸，并且相鄰的空腔完全相互隔開(kāi)。
將偏振器50層壓到透明基板30的外側(cè)，并且濾色器70可以位于它 上面。濾色器70可以以一系列透明的著色部分的帶或方格的形式提供。 每一個(gè)空腔可以具有與其相關(guān)的濾色器70的區(qū)域。每一個(gè)濾色器可以覆 蓋幾個(gè)空腔。濾色器70可以具有紅色、綠色和藍(lán)色的透明著色部分。層 壓到裝置背部的基板35上的是作為反射背板的反射層85。
如圖2和3中所示，外殼結(jié)構(gòu)20的空腔具有近似六邊形的橫截面， 所述近似六邊形的橫截面在平行于透明基板30、 35的平面內(nèi)具有尖銳或 變圓的拐角120、 130、 140、 150、 160、 170。在其它實(shí)施方案中，空腔的 橫截面可以是具有拐角的任何多邊形，使得主體液晶的定向相對(duì)于處于另 一種穩(wěn)定狀態(tài)的液晶的定向成傾斜的角度?？涨坏牧呅螜M截面的邊的長(zhǎng) 度可以是不同的，并且長(zhǎng)度可以在10和100pm之間，并且空腔的深度應(yīng) 當(dāng)在l和50^im之間。六邊形橫截面允許兩種以上穩(wěn)定狀態(tài)的可能性。
在它們的表面上并且面向液晶10，透明基板30、 35具有例如由導(dǎo)電 材料如氧化錫銦的薄層形成的圖案化的透明電極75, 80。為了實(shí)現(xiàn)面內(nèi)切 換，這些電極75， 80可以用于產(chǎn)生在與透明基板30、 35的平面平行的平 面內(nèi)具有分量的電場(chǎng)。這可以是例如通過(guò)具有交錯(cuò)的電極使得對(duì)電極不直 接在工作電極下面的電極而實(shí)現(xiàn)的。備選地或者另外地，可以將電極結(jié)合到空腔壁中以產(chǎn)生與基板平行的電場(chǎng)。每一個(gè)電極都可以與一個(gè)或多個(gè)空 腔關(guān)聯(lián)，并且可以有多于一組的電極以實(shí)現(xiàn)在兩種以上穩(wěn)定狀態(tài)的之間的 切換。
在外殼結(jié)構(gòu)20中的空腔和有關(guān)聯(lián)的電極75, 80可以對(duì)應(yīng)顯示圖像的 像素，或者幾個(gè)空腔和電極75， 80可以對(duì)應(yīng)一個(gè)像素以實(shí)現(xiàn)灰度或者全色 輸出。
在外殼結(jié)構(gòu)20的壁上的液晶分子10的定向由多種因素規(guī)定。例如， 當(dāng)外殼結(jié)構(gòu)20由聚合物材料制成時(shí)，聚合物方向規(guī)定分子方向。備選地， 當(dāng)使用光致抗蝕劑材料如SU8形成外殼結(jié)構(gòu)20時(shí)，分子優(yōu)先位于平行于 表面的任何方向。作為又一種備選方案，當(dāng)使用垂直排列表面處理時(shí)，分 子優(yōu)先位于垂直于空腔表面，而分子優(yōu)先在透明基板30、 35平行排列。
如圖2中所示，對(duì)于六邊形空腔和對(duì)于液晶分子10在外殼結(jié)構(gòu)20 的壁上的平面排列以及在透明基板30、 35上的平面排列，在區(qū)域的主體 中的液晶分子10趨向于將它們本身相對(duì)于空腔的側(cè)壁成45。排列并且排列 在平行于透明基板30、 35的平面內(nèi)。為了適應(yīng)液晶分子10的這種優(yōu)先排 列，在空腔120、 150的兩個(gè)相對(duì)拐角處形成高畸變區(qū)域100, 110。在空腔 的鄰接壁之間相對(duì)急劇的轉(zhuǎn)折(transition)在促進(jìn)局部高畸變區(qū)域的形成并 且將這些區(qū)域固定到空腔的拐角120、 150方面是有利的。在這些高畸變 部位100、 110的區(qū)域中的液晶分子IO相對(duì)于在主體中的大部分液晶分子 IO是不同取向的。另外的LC分子來(lái)自高畸變部位，其取向更多地類(lèi)似于 主體的取向，即相對(duì)于空腔的壁為45。。
如圖3中所示，在液晶分子10的方向的平面內(nèi)具有分量的適合電場(chǎng) 的施加導(dǎo)致高畸變區(qū)域100、 110移動(dòng)，在這種情況下，在位于空腔的拐 角120和150與位于空腔的拐角140和170之間切換。主體LC分子10 將它們本身重新定向以匹配高畸變區(qū)域的位置變化，使得它們處于相對(duì)于 它們以前的方向成45°,但是仍然在與透明基板30、 35的平面平行的平 面內(nèi)。因此，切換仍然在面內(nèi)，即主體液晶分子10始終位于與基板30、 35的平面平行的平面內(nèi)。這具有的優(yōu)點(diǎn)在于它由于沒(méi)有雙折射效應(yīng)而允 許寬范圍的視角，并且由于在狀態(tài)之間的45。切換而提供高的對(duì)比度和反 射率。因?yàn)楸景l(fā)明的裝置是反射型的，因此在使用中，光源90位于與觀察
者95相同一側(cè)。入射在裝置上的光首先被偏振器50偏振在第一方向上。 可能的穩(wěn)定液晶10構(gòu)型之一是使得光的偏振方向在它被反射元件85反 射之前被液晶旋轉(zhuǎn)45°，然后被液晶10再次旋轉(zhuǎn)45°。光偏振的總旋轉(zhuǎn)90° 的意味著光被偏振器50阻擋。當(dāng)在像素的電極之間施加電壓時(shí)，主體液 晶分子可以切換45。進(jìn)入到第二穩(wěn)定狀態(tài)，在所述第二穩(wěn)定狀態(tài)中液晶分 子10主要與偏振器50的方向定向。在這種第二穩(wěn)定狀態(tài)入射的光90被 偏振、透過(guò)液晶，被反射元件85反射，并且再次透過(guò)液晶，而沒(méi)有偏振 方向的變化。在這種情況下，偏振器50允許光被發(fā)射并觀察到。以這種 方式，光被檢測(cè)95或者在與光源90相同側(cè)的裝置觀察到圖像。
空腔的拐角的銳度決定其中高畸變區(qū)域位于不同拐角時(shí)的不同狀態(tài) 的穩(wěn)定性以及在狀態(tài)之間開(kāi)關(guān)裝置所需的電壓。對(duì)于越尖銳的拐角，在兩 種不同分子構(gòu)型之間的彈性能壘比越平滑的拐角更高。能壘的增加同時(shí)提 高兩種狀態(tài)的穩(wěn)定性，并且提高在兩種狀態(tài)之間切換所需的電壓。
其中本發(fā)明具體化的裝置提供了許多優(yōu)點(diǎn)。將液晶限制到空腔中意味 著該裝置對(duì)由撞擊和振動(dòng)引起的損害比常規(guī)配置更不敏感。另外，改變空 腔的精確的多邊形形狀可以使用兩種具有相同能量的穩(wěn)定均勻狀態(tài)。這允 許在兩種狀態(tài)之間更容易地切換。
使用本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)具有良好的對(duì)比度和反射率、寬范圍的視角以 及良好的光學(xué)特性、灰度或全色的范圍、光在狀態(tài)之間旋轉(zhuǎn)45°，以及低 功耗的穩(wěn)定(rugged)裝置。這些性能使得本發(fā)明特別是可用于光學(xué)開(kāi)關(guān)、 液晶顯示器和可變相光柵。根據(jù)本發(fā)明的液晶顯示器由于良好的對(duì)比度、 寬的視角、低功耗和它們使用無(wú)源尋址的能力，特別適合作為便攜式裝置 中的電子紙或顯示器，因此允許比當(dāng)前裝置使用明顯更多的像素。
盡管上述裝置有利地隔開(kāi)每一個(gè)空腔的內(nèi)含物，但是在一些情形下， 例如，為了有助于空腔被液晶材料填滿(mǎn)，可以?xún)?yōu)選在空腔之間進(jìn)行流體連 通。因此，在如圖4所示的備選實(shí)施方案中，由至少一條通道180連接兩 個(gè)以上的空腔。隨著通道180的尺寸增加，液晶10在通道180的方向上 取向和定向的靈活優(yōu)先性增加。如果通道180太寬，則其中液晶10垂直 通道180定向的穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定性可能降低至這種狀態(tài)不再穩(wěn)定的程度。另外，通道180可能影響裝置的光學(xué)。因此，為了將這些影響最小化，每
一條通道180的寬度有利地小于20pm，并且優(yōu)選寬度小于5pm。
作為一個(gè)備選實(shí)施方案，通過(guò)確定通道180的大小并且將其定位，可以有利地利用上述通道定向效應(yīng)，以提供至少一種另外的穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)偏振器50的取向和通道180的位置，另外的狀態(tài)可以是"灰色"，而不只是淺色或黑色的。
圖5(a)和5(b)分別顯示了在圖4的裝置的空腔中的兩種不同穩(wěn)定狀態(tài)。在圖5(a)所示的空腔中的液晶分子是隨偏振器50的偏振方向取向的，而在圖5(b)中所示的液晶分子是以相對(duì)于圖5(a)中的液晶成45。取向的。在該實(shí)例中，空腔具有80pm的水平寬度，并且被置于正交偏振器下方?？梢钥闯觯瑘D5(a)的穩(wěn)定狀態(tài)比圖5(b)的穩(wěn)定狀態(tài)更黑(blacker)。
上述裝置的切換取決于施加切換場(chǎng)的時(shí)間以及最大施加電壓。這種情況的一個(gè)實(shí)例示于圖6中，該圖顯示了通過(guò)在不同時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)施加10kHz電場(chǎng)并且使用最大施加電壓時(shí)進(jìn)行的切換。在線(xiàn)190之上的區(qū)域中操作裝置導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)之間的切換，在線(xiàn)190之下，沒(méi)有切換。如可以看到，施加切換場(chǎng)的時(shí)間越短，實(shí)現(xiàn)切換所需的最大施加電壓越高，反之亦然。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不偏離本發(fā)明的情況下，所公開(kāi)的配置可以進(jìn)行變化。例如，為了將衍射效應(yīng)最小化，可以無(wú)規(guī)安置在外殼結(jié)構(gòu)20內(nèi)部的空腔。備選地，如果需要衍射效應(yīng)，則如本領(lǐng)域中所知，可以以有序的方式如MxN柵格的形式安置空腔以實(shí)現(xiàn)所需的衍射效應(yīng)。而且，盡管在參考圖2至4描述的裝置中，在空腔的壁上存在平面排列，并且選擇透明基板30、 35的材料使得與它們接觸的液晶分子趨向于在與其平行的方向上排列，但是應(yīng)理解可以在空腔上使用垂直排列技術(shù)。
因此，上述具體實(shí)施方案的描述僅僅是作為實(shí)例進(jìn)行的，其目的并不是限制性的。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚的是在沒(méi)有對(duì)所述的操作的明顯改變的情況下，可以進(jìn)行少量的修改。
權(quán)利要求
1. 一種多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，所述多穩(wěn)態(tài)液晶裝置具有在一個(gè)或多個(gè)空腔中的液晶分子，其中在每一個(gè)空腔內(nèi)形成至少一個(gè)高畸變的液晶區(qū)域，所述一個(gè)或多個(gè)畸變區(qū)域在施加電場(chǎng)時(shí)可在至少兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換，所述裝置使得所述穩(wěn)定狀態(tài)中的至少一種提供反射模式。
2. 如權(quán)利要求1所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述液晶分子和所述空腔在透明基板和反射基板之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中處于至 少一種穩(wěn)定狀態(tài)的大部分液晶分子以相對(duì)于處于至少一種其它穩(wěn)定狀態(tài) 的大部分液晶分子的方向的傾斜角度被定向。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述處于至少一種穩(wěn) 定狀態(tài)的大部分液晶分子以相對(duì)于所述處于至少一種其它穩(wěn)定狀態(tài)的大 部分液晶分子的方向的近似45°被定向。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述一個(gè) 或多個(gè)空腔具有六邊形橫截面。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中在某些鄰 接空腔壁之間存在急劇的轉(zhuǎn)折。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中限定所述 空腔的壁近似垂直于基底或基板。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述高畸 變區(qū)域位于所述空腔的拐角上。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述穩(wěn)定 狀態(tài)中的所述液晶分子位于與所述空腔的基底近似平行的平面內(nèi)。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中在每一 個(gè)空腔中的液晶與鄰接空腔中的液晶隔離。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中至少 兩個(gè)空腔通過(guò)至少一條通道連接。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述一個(gè)或多條通 道180的寬度小于20nm，并且優(yōu)選該寬度小于5pm。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述液 晶裝置是向列型液晶裝置。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，所述多穩(wěn)態(tài) 液晶裝置包括用于至少將電場(chǎng)的分量施加在與至少一些所述液晶分子平 行的平面內(nèi)的裝置。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中電極位 于所述空腔壁上。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述外殼結(jié)構(gòu)由光致抗蝕劑或聚合物材料形成。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中至少一個(gè)電極與一個(gè)或多個(gè)空腔有關(guān)聯(lián)，并且被連接到開(kāi)關(guān)裝置上。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述開(kāi)關(guān)裝置包含 一個(gè)或多個(gè)薄膜晶體管。
19. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，其中所述裝 置具有至少一個(gè)偏振器層。
20. 如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述偏振器層是可操作的，以阻 擋處于至少一種所述穩(wěn)定狀態(tài)的光，并且使處于至少一種其它的狀態(tài)的光 通過(guò)。
21. —種顯示裝置，所述顯示裝置包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所 述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置。
22. —種通信用相位裝置，所述通信用相位裝置包括根據(jù)權(quán)利要求1 至20中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置。
23. —種光學(xué)開(kāi)關(guān)，所述光學(xué)開(kāi)關(guān)包括根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng) 所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置。
24. —種可變相位光柵，所述可變相位光柵包括根據(jù)權(quán)利要求1至20 中任一項(xiàng)所述的多穩(wěn)態(tài)液晶裝置。
25. —種在液晶裝置中切換狀態(tài)的方法，所述液晶裝置包括在外殼結(jié) 構(gòu)中的空腔內(nèi)部的液晶分子，所述空腔使得形成至少一個(gè)高畸變的局部區(qū) 域，所述方法包括將電場(chǎng)施加到所述分子上，以將所述高畸變區(qū)域從第一 狀態(tài)至少切換到第二狀態(tài)，其中所述液晶裝置使得所述第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中的至少一種允許光從所述裝置反射。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中處于至少一種穩(wěn)定狀態(tài)的大部分液晶分子的方向相對(duì)于處于至少一種其它穩(wěn)定狀態(tài)的大部分液晶分子的 方向成傾斜的角度。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述處于至少一種穩(wěn)定狀態(tài)的大 部分液晶分子的方向相對(duì)于所述處于至少一種其它穩(wěn)定狀態(tài)的大部分液 晶分子的方向近似為45°。
28. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中所施加的電場(chǎng)具有與所述液晶分 子所在的平面近似平行的分量。
全文摘要
一種多穩(wěn)態(tài)液晶裝置，所述多穩(wěn)態(tài)液晶裝置具有在一個(gè)或多個(gè)空腔內(nèi)的液晶分子，其中在每一個(gè)空腔中形成至少一個(gè)高畸變的液晶區(qū)域(100、110)，所述畸變區(qū)域(100、110)通過(guò)施加電場(chǎng)可在至少兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換，所述裝置使得至少一種所述的穩(wěn)定狀態(tài)可以被用作反射模式。
文檔編號(hào)G02F1/1333GK101467096SQ200780021289
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者安德魯·戴維森, 尼格爾·摩川 申請(qǐng)人:斯特拉斯克萊德大學(xué)