專利名稱：液晶顯示裝置及其驅動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用AFLC(反鐵電型液晶)的LCD(液晶顯示)裝置，特別涉及一種能夠進行灰度顯示的AFLC顯示裝置及其驅動方法。
利用FLC(亞鐵電型液晶)的亞鐵電型液晶顯示裝置，由于其較之利用向列型液晶的TN(扭轉向列)液晶顯示裝置具有更快的響應以及更寬的視角，而受到關注。
已知的FLC顯示裝置包括利用FLC的FLC顯示裝置和利用AFLC的AFLC顯示裝置。
AFLC顯示裝置，通過采用AFLC所具有的三種穩(wěn)定取向狀態(tài)來顯示圖象。
下面詳細討論這個問題。AFLC就LC(液晶)分子的取向而論，具有第一到第三穩(wěn)定狀態(tài)(1)在第一和第二穩(wěn)定狀態(tài)下，當將一個等于或高于第一閾值的電壓施加到AFLC上時，根據(jù)所施加電壓極性的不同，液晶呈現(xiàn)LC分子取向于第一方向的第一亞鐵電相或LC分子取向于第二方向的第二亞鐵電相；且(2)在第三穩(wěn)定取向狀態(tài)下，當將一個等于或低于第二閾值(小于第一閾值)的電壓施加到AFLC上時，液晶呈現(xiàn)液晶分子取向不同于第一及第二亞鐵電相的反鐵電相。以反鐵電相時液晶層的光軸為基礎，確定好一對偏振板(在LCD裝置每側上分別設置一個)的透射軸方向，以便能夠使顯示裝置在根據(jù)所施加電壓控制光透射率的同時顯示圖象。
只要施加電壓值落在第一和第二閾值之間的范圍內(nèi)，即使施加電壓發(fā)生變化，AFLC也仍保持第一/第二亞鐵電相或反鐵電相。此性能稱為記憶性能，利用這種記憶性能，可用簡單矩陣方法驅動傳統(tǒng)的AFLC顯示裝置。
AFLC的這種記憶性能，是由使液晶相位從第一/第二亞鐵電相變換到反鐵電相的電壓和使液晶相位從反鐵電相變換到第一/第二亞鐵電相的電壓之間的幅值差決定的。此電壓間的差值越大，記憶性能就越好。換句話說，液晶光學特性的滯后越明顯，記憶性能就越好。
由此，以簡單矩陣方法驅動的傳統(tǒng)AFLC顯示裝置，使用的是上述這種電壓幅值之差較大的AFLC液晶。
但使用這種具有極好記憶性能的AFLC的傳統(tǒng)AFLC顯示裝置，其光透射率幾乎無法隨意控制。也就是說，控制顯示灰度幾乎是不可能的，無法實現(xiàn)多-灰度顯示。
因此本發(fā)明的一個目的，是提供一種能獲得高對比度灰度顯示的AFLC顯示裝置。
根據(jù)實現(xiàn)上述目的的本發(fā)明的第一方面，提供一種液晶顯示裝置，該裝置包括在其上形成第一電極的第一襯底；在其上形成第二電極的第二襯底；一個液晶層，是通過在第一和第二襯底之間、密封一種松散狀態(tài)下呈現(xiàn)手性近晶相的反鐵電型液晶而形成的；取向裝置，用于液晶層液晶分子的取向，該取向應使液晶層處于正鐵電相狀態(tài)，其中，處于第一狀態(tài)(取向于第一方向)的液晶分子和處于第二狀態(tài)(取向于第二方向)的液晶分子，在液晶層內(nèi)按預定的順序出現(xiàn)；以及在第一和第二電極之間施加電壓、從而改變處于正鐵電相的液晶層導向子方向的裝置。
根據(jù)上述結構，由于每一取向膜和液晶之間的相互作用，密封在襯底之間的液晶層呈現(xiàn)正鐵電相，其中取向于第一狀態(tài)的液晶分子和取向于第二狀態(tài)的液晶分子按預定的順序出現(xiàn)。在液晶層未施加電壓的情況下，處于正鐵電相的液晶層，其導向子取第一和第二方向之間的中間方向。當有電壓施加到液晶層上時，液晶分子根據(jù)施加電壓而取向于第一或第二狀態(tài)。液晶層導向子的方向根據(jù)施加電壓而持續(xù)變化。借助一對偏振板來檢測導向子方向的改變，便可以根據(jù)所施加電壓來控制液晶顯示裝置的透射率。液晶顯示裝置的這種設計能夠改變處于正鐵電相導向子的方向。在這種情況下，施加電壓決定了顯示灰度。通過給液晶層施加相應于所需灰度的電壓，便可按所需灰度顯示圖象。
使液晶層處于正鐵電相的取向裝置，包括形成于襯底相對內(nèi)表面上、并具有使反鐵電型液晶分子按正鐵電相排列的取向力的取向膜。由反鐵電型液晶構成的液晶層液晶分子，由于與液晶層和液晶分子相接觸的構件之間的互相作用而引起的表面效應，而處于亞鐵電狀態(tài)。
除了取向膜以外，取向裝置還包括設定液晶層厚度的裝置，其所設定的液晶層厚度必須具有使液晶分子能按正鐵電順序排列的取向力。此結構可確保提高正鐵電相的穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)上述液晶顯示裝置，最好使取向力值幾乎等于液晶分子間的分子間作用力值。此外，取向膜的表面能擴散力最好為30到50dyn/cm，而取向膜的范德瓦力最好為3到20dyn/cm。
此外，最好是松散狀態(tài)下呈現(xiàn)手性近晶相的液晶，具有雙螺旋結構；當液晶密封在第一和第二襯底之間時，雙螺旋結構受到破壞；并且當將一個等于或大于一預定值的電壓加于液晶層上時，液晶層呈現(xiàn)亞鐵電相，其中液晶層液晶分子根據(jù)所施加電壓極性的不同，而取向于第一和第二狀態(tài)之一。
根據(jù)施加電壓，可控制液晶層中取向于第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)之比值。
液晶層導向子的方向也隨著施加電壓的不同而持續(xù)變化。這樣能夠獲得灰度顯示。
此液晶顯示裝置最好進一步包括與第一電極或第二電極相連的有源元件，以及以通過有源元件在第一和第二電極之間施加電壓這樣一種方式對液晶層施加電壓、控制取向于第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)之間的比值、并控制液晶層導向子、以便進行灰度顯示的驅動裝置。
根據(jù)上述結構，驅動裝置通過有源元件向液晶層施加電壓。保持所施加的電壓，從而使液晶分子根據(jù)所施加電壓的極性及大小而處于第一或第二狀態(tài)。在此液晶顯示裝置中，液晶層導向子的方向根據(jù)所保持電壓的不同而持續(xù)變化。這確保能獲得更穩(wěn)定的灰度顯示。
驅動裝置最好將液晶層導向子的方向改變一個角度，該角度小于處于手性層列CA相分子所描繪的錐體與錐軸之間所形成的錐角最大值，以便不需將液晶層設定于亞鐵電相，也能在正鐵電相下進行灰度顯示。
根據(jù)上述結構，不必將液晶層設置于亞鐵電相，便可進行灰度顯示。因此，抑制了顯示燃燒現(xiàn)象，并可獲得較高的顯示屏對比度及較高的圖象質量。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了又一種液晶顯示裝置，該液晶顯示裝置包括在其上形成按矩陣形式排列的第一電極的第一襯底；在其上至少形成一個與第一電極相對的第二電極的第二襯底；具有自然極化特性且密封在第一和第二襯底之間的液晶層，該液晶層由松散狀態(tài)下呈現(xiàn)手性層列CA相的液晶構成，當液晶密封在第一和第二襯底之間時，其液晶分子處于第一或第二狀態(tài)之一；且取向膜，該取向膜在第一和第二襯底的相對表面之一上各設置一個、且具有為使液晶層處于正鐵電相狀態(tài)而使液晶分子取向于第一和第二狀態(tài)的取向力。
根據(jù)上述結構，由于每一取向膜和液晶之間的相互作用，在液晶層未施加電壓時，液晶層處于正鐵電相。在正鐵電相時，液晶層的導向子取第一和第二方向之間的中間方向。當有電壓施加到液晶層上時，液晶分子根據(jù)施加電壓而取向于第一或第二方向。液晶層導向子的方向根據(jù)施加電壓大小和極性的不同而持續(xù)變化。在這種情況下，導向子的方向是由施加電壓決定的。通過控制液晶層上的施加電壓，能夠將導向子的方向控制在所需的方向上。
取向膜取向力的大小最好基本上等于液晶分子之間分子間作用力的大小。
上述液晶顯示裝置進一步包括驅動裝置，該驅動裝置按在第一電極和第二電極之間施加電壓這樣一種方式，向液晶層施加電壓，由此控制取向于第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)之間的比值，并控制液晶層導向子，以便進行灰度顯示。
根據(jù)上述結構，取向于第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)之比值，是根據(jù)驅動裝置所施加電壓的極性和大小來控制的。在此條件下，液晶層導向子的方向也隨著施加電壓的不同而持續(xù)變化。這使液晶顯示裝置能夠進行灰度顯示。
驅動裝置最好將液晶層導向子的方向改變一個角度，該角度小于處于手性層列CA相的分子所描繪的錐體與錐軸之間所形成的錐角最大值，以便不必使液晶層進行由正鐵電相到亞鐵電相的相位變換，便能夠進行灰度顯示。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供一種驅動液晶顯示裝置的方法，該方法包括下述步驟在第一和第二襯底之間密封一液晶層，該液晶層由松散狀態(tài)下呈現(xiàn)手性層列CA相的液晶構成，當液晶密封在第一和第二襯底之間時，該液晶層處于正鐵電相，其中液晶層中具有處于取向于第一方向的第一狀態(tài)的液晶分子，和處于取向于第二方向的第二狀態(tài)的液晶分子；且向液晶層施加一電壓，從而控制取向于第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)的比值并控制液晶層的導向子，以便進行灰度顯示。
根據(jù)上述結構，當將一電壓施加于呈現(xiàn)正鐵電相的液晶層時，其中該液晶層中具有取向于第一狀態(tài)的液晶分子和取向于第二狀態(tài)的液晶分子，取向于第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)之間的比值，根據(jù)所施加電壓的不同而變化。在這種情況下，液晶層導向子的方向也根據(jù)所施加電壓的不同而變化，從而能獲得灰度顯示。
驅動裝置最好將液晶層導向子的方向改變一個角度，該角度小于處于手性層列CA相的分子所描繪的錐體與錐軸之間所形成的錐角最大值，以便不必使液晶層進行由正鐵電相到亞鐵電相的相位變換，便能夠進行灰度顯示。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種灰度顯示方法，包括以下步驟在第一和第二襯底之間，密封一種松散狀態(tài)下呈現(xiàn)手性層列CA相的液晶材料，從而形成一個具有一預定厚度的液晶層；通過運用形成于第一和第二襯底內(nèi)表面上的取向膜的取向力，使液晶層的液晶分子取向于第一和第二狀態(tài)，以便使液晶層處于正鐵電相，其中液晶層中具有取向于第一狀態(tài)的液晶分子和取向于第二狀態(tài)的液晶分子；向液晶層施加一電壓，從而控制液晶層的導向子；以及通過用偏振裝置來檢測導向子方向的變化，來顯示一個灰度。


圖1是一剖面圖，所示的是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的液晶顯示裝置的結構；圖2是一平面圖，所示的是圖1中所示液晶顯示裝置之下襯底的結構；圖3所示的是偏振板的透射軸和液晶分子取向方向之間的關系；圖4用來說明松散狀態(tài)下液晶分子的雙螺旋結構；圖5用來說明液晶分子在正鐵電相時的取向狀態(tài)；
圖6用來說明液晶分子在正鐵電相時的取向狀態(tài)；圖7A到7E所示的是施加電壓與液晶分子取向之間的關系；圖8用來說明當液晶施加電壓時液晶分子的動作；圖9A所示的是，當將一個具有矩形波形的低頻電壓施加到采用圖3中所示光學設置的例1液晶顯示裝置(根據(jù)本發(fā)明)上時，施加電壓與透射率之間的關系；圖9B所示的是與例1相比較的裝置(其中間隙長度為5微米)中，施加電壓與透射率之間的關系；圖10所示的是松散狀態(tài)下液晶的錐光投影儀圖象；圖11A和11B所示的是其它例子中，偏振板透射軸與液晶分子取向方向之間的關系；圖12A所示的是，當將一個具有矩形波形的低頻電壓施加到采用圖11B中所示光學設置的例2液晶顯示裝置(根據(jù)本發(fā)明)上時，施加電壓與透射率之間的關系；圖12B所示的是與例2相比較的裝置(其中間隙長度為5微米)中，施加電壓與透射率之間的關系；圖13A到13C是用來說明本發(fā)明AFLC顯示裝置驅動方法的時間圖；圖14所示的是，當用圖13中所示的驅動方法來驅動根據(jù)本發(fā)明的例2液晶顯示裝置時，施加電壓與透射率之間的關系；圖15是一方框圖，該方框圖用來說明實現(xiàn)圖13中所示驅動方法的驅動器電路結構；圖16是一簡單矩陣型液晶顯示裝置的結構圖。
下面將參考有關附圖，來描述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的、能夠顯示中間色調(diào)圖象的AFLC顯示裝置。
此AFLC顯示裝置是有源矩陣型，具有一對透明襯底(例如玻璃襯底)11和12。在圖1中，透明象素電極13和與其相連的有源元件14在下透明襯底(下文稱作下襯底)11上以矩陣形式排列。
有源元件14例如由薄膜晶體管構成(下文稱作TFTs14)。每個TFTs14都有一個形成于下襯底11上的柵極，一個覆蓋柵極的柵極絕緣膜，一個形成于柵極絕緣膜上的半導體層，一個形成于半導體層上的源極，以及一個漏極。
如圖2所示，選通線(掃描線)15排列在象素電極13的行間而數(shù)據(jù)線(灰度信號線)16排列在象素電極13的列間。各TFTs14的柵極與其相應的選通線15相連，而這些TFTs14的漏極與其相應的數(shù)據(jù)線16相連。
選通線15的末端部分15a連接到選通驅動器(行驅動器電路)31上。數(shù)據(jù)線16的末端部分16a連接到數(shù)據(jù)驅動器(列驅動器電路)32上。選通驅動器31向選通線15施加一個選通信號(將在后面進行描述)，以掃描選通線15。數(shù)據(jù)驅動器32接收到顯示數(shù)據(jù)(灰度數(shù)據(jù))并將一個與此顯示數(shù)據(jù)相對應的數(shù)據(jù)信號施加到數(shù)據(jù)線16上。
選通線15，除了其末端部分15a之外，都覆蓋有TFTs14的柵極絕緣膜(透明膜)。數(shù)據(jù)線16形成于柵極絕緣膜上。象素電極13由ITO或類似物制成，并形成于柵極絕緣膜上。每個象素電極13在其一個末端部分與相應TFTs14的源極相連接。
在圖1中，與下襯底11上各個象素電極13相對的透明公共電極17，形成于上透明襯底(下文稱作上襯底)12上。公共電極17由ITO或類似物制成，由一個延伸于整個顯示區(qū)域上的單電極組成。公共電極17上施加有一參考電壓。象素電極13和公共電極17將一電壓施加到夾于其間的LC層21上，以控制LC分子的取向方向，從而使得LC分子導向子的方向(長軸的平均方向)持續(xù)變化。由此，可以持續(xù)地控制LC層的光軸，從而控制顯示灰度。
在其上形成有電極的下襯底11和上襯底12的表面上，分別設置取向膜18和19。
取向膜18和19是均勻取向膜，已經(jīng)過沿相同方向摩光(圖3中所示的第三方向21c，將在后面進行討論)的取向處理，并具有使相鄰LC分子基本取向于取向處理方向21c的取向力。
取向膜18和19由有機高分子化合物如聚酰亞胺構成，厚度約為25nm到35nm。已進行取向處理如摩光取向處理的取向膜18和19，其表面能擴散力(esd)為30到50dyn/cm，而取向膜18和19的范德瓦力(esp)相對較弱，為3到20dyn/cm。
下襯底11和上襯底12，在其周緣部分通過一框架形密封構件20而互相粘結在一起。在襯底11和12之間、由密封構件20所包圍的區(qū)域內(nèi)密封LC層21，可形成LC盒25。LC層21的厚度等于或小于液晶的自然螺距，設置成約為1.5微米。LC層21的厚度，受密封有液晶層21的區(qū)域內(nèi)的透明墊片22的限制。
LC層21由這樣一種LC材料構成(1)在松散狀態(tài)下，LC材料呈現(xiàn)一種手性層列CA(SmCA)相；(2)此LC材料，當其密封在襯底11和12之間時，呈現(xiàn)正鐵電相；而且(3)此LC材料，當其密封在襯底11和12之間并施加有一令人滿意地高電壓時，呈現(xiàn)亞鐵電相，其中LC分子基本取向于圖3中所示的第一方向21A或第二方向21B。
下面進一步討論LC層21的細節(jié)問題。
在LCD裝置的下部和上部設置有一對偏振板23和24。如圖3所示，下偏振板23的光軸(下文稱作透射軸)23A幾乎平行于層列層的垂直線。垂直線的方向與第三方向21C基本一致。上偏振板24的光軸(下文稱作透射軸)24A與下偏振板23的透射軸23A基本垂直。
其偏振板23和24具有如圖3所示設置的透射軸23A和24A的這樣一種AFLC顯示裝置，當其LC層21的導向子基本上取第一取向方向21A或第二取向方向21B時，其透射率幾乎變?yōu)樽畲?顯示變得最亮)。而當LC層21的導向子基本上取第三方向21C時，其透射率幾乎變?yōu)樽钚?顯示變得最暗)。
更確切地說，在LC層導向子取第一方向21A或第二方向21B時，由于LC層21的雙折射效應，與透射軸23A相平行地、通過光線入射側偏振板23的線性偏振光，其偏振狀態(tài)發(fā)生變化。此偏振狀態(tài)發(fā)生變化的光線進入到光線出射側偏振板24。平行于透射軸24A的光線部分穿過光線出射側偏振板24，結果，顯示變亮。
在導向子取第三方向21C的情況下，與透射軸23A相平行地、穿過光線入射側偏振板23的線性偏振光，幾乎不受LC層21雙折射作用的影響。穿過光線入射側偏振板23的線性偏振光同樣地穿過LC層21，幾乎全部由光線出射側偏振板24所吸收，結果，顯示變暗。
當LC層21處于一種中間光學狀態(tài)時，可以獲得隨導向子方向的不同而不同的灰度。
下面更加詳細地說明取向膜18和19以及LC層21。
LC層21由液晶構成，該液晶的主要組成，例如是具有化學結構式1所表示結構的液晶成分。這種液晶具有如表1所示的特性。
上述的錐角是指LC分子錐形軌跡的軸線與錐體之間所形成的角度，且第一方向21A和第二方向21B形成一個為錐角θ兩倍的2θ角。
處于松散狀態(tài)下的LC材料包括取向分子構成的液晶層，并具有如圖4所示的螺旋結構。每層中相鄰的LC分子則具有這樣一種雙螺旋結構，即它們所形成的螺旋線軌跡在假想的錐面上大約變換了180。鄰接層列層中LC分子的自然極化互相抵消。
將上述LC材料密封在上襯底12和下襯底11之間，以便形成LC層21。密封在LC盒25內(nèi)的LC層21，處于不再是雙螺旋結構的狀態(tài)。這是因為LC層21的厚度為1.5微米，幾乎等于該螺旋結構的一個螺距(自然螺距)。
取向膜18和19的取向力幾乎等于分子間相互作用力，從而使形成LC層21的LC材料保持反鐵電相。使形成LC材料的分子反鐵電取向的能量值與使分子亞鐵電取向的能量值之間的差值相對較小，其閾值是一定的。
由此，當雙螺旋結構消失時，LC分子受取向力、即在取向膜18和19之間接口處出現(xiàn)的表面作用影響，結果，呈現(xiàn)正鐵電相，其中一半取向于第一方向，而另一半取向于第二方向。
在正鐵電相時，如透視圖5以及投影到一襯底表面的平面形式圖6所示，LC分子按預定順序排列，每個LC分子的長軸均指向第一方向21A或第二方向21B。
更確切地說，在正鐵電相時，處于取向于第一方向的第一狀態(tài)的LC分子和處于取向于第二方向的第二狀態(tài)的LC分子在LC層21中混合在一起。當LC層21未施加電壓時，取向于第一方向的LC分子和取向于第二方向的LC分子以相同的百分比混合在一起。在此狀態(tài)下，LC層21空間平均導向子(光軸)的方向與層列層垂直線的方向(或者與第三方向21C)基本一致，如圖7(A)所示。
當將一個令人滿意地、具有正極性的高電壓(等于或大于飽和電壓)施加到處于正鐵電相且其分子取向如圖7(A)所示的LC層21上時，形成LC層21的LC分子基本取向于圖7(B)中所示的第一方向21A。在這種情況下，LC分子的自然極化幾乎也指向相同的方向，LC呈現(xiàn)第一亞鐵電相。
另一方面，當將一個令人滿意地、具有負極性的高電壓(等于或小于飽和電壓)施加到LC層21上時，形成LC層21的LC分子基本取向于圖7(C)中所示的第二方向21B。在這種情況下，LC分子的自然極化幾乎也指向相同的方向，LC呈現(xiàn)第二亞鐵電相。
在上述情況下，LC層21的光軸基本上沿與第一方向21A或第二方向21B相同的方向延伸。
當將一個居中的電壓施加到LC層21上、并且當這個居中電壓增大/減少時，一些處于手性層列CA相的LC分子，如圖8中所示，根據(jù)電壓極性的不同而沿分子形成的錐形軌跡移動，且取向方向發(fā)生改變。由此，如圖7(D)或7(E)中所示，取向于第一方向21A或第二方向21B的LC分子數(shù)減少，而取向于第二方向21B或第一方向21A的LC分子數(shù)增加。因此，處于取向于第一方向21A的第一狀態(tài)的LC分子數(shù)與處于取向于第二方向21B的第二狀態(tài)的LC分子數(shù)的比值，隨著所施加電壓極性和大小的不同而持續(xù)變化。
因此，LC層21的導向子方向(LC分子的平均取向方向)也隨著施加電壓，在第一方向21A和第二方向21B之間持續(xù)變化。
由于上述原因，這種LCD裝置的光學特性，由圖形形式表示時，在施加電壓為0V的附近電壓區(qū)間，不是沿著水平線走，而是隨著所施加電壓絕對值的增加而平穩(wěn)地變化。表示LC層上施加正電壓時光學特性的曲線，與表示LC層上施加負電壓時光學特性的曲線是對稱的。而且，在將一個絕對值等于或大于飽和電壓值的電壓施加到LC層上時，透射率變?yōu)樽畲?飽和)。
圖9A所示的是，此實施例(例1)LCD裝置的透射率與LC層上所施加的矩形波形電壓之間的關系。
例1LCD裝置的LC層21由液晶構成，此液晶的主要組成是一種液晶成分，該液晶成分是通過對具有化學結構式1所表示結構且具有表1所示性能的液晶成分進行處理而獲得的。LC層21密封在間隙設置為1.5微米的液晶盒內(nèi)，處于LC分子所形成的螺旋結構受到破壞的狀態(tài)。
上述LCD裝置所采用的取向膜18和19，是由一種有機高分子化合物如聚酰亞胺構成的，并且已經(jīng)過摩光。取向膜18和19的表面能擴散力(esd)大約為38到41dyn/cm，而范德瓦力大約為9到14dyn/cm。
圖9B所示的是，與例1相比較的LCD裝置的透射率與施加到該LCD裝置LC層上的電壓之間的關系。此LCD裝置的LC層密封在間隙設置為5微米的液晶盒內(nèi)，處于仍然保持LC分子所形成的螺旋結構的狀態(tài)。
由圖9A可見，根據(jù)本發(fā)明例1的LCD裝置，其施加電壓與透射率特性沒有一個明確的閾值，且透射率持續(xù)變化。LC層施加正電壓時的特性曲線與LC層施加負電壓時的特性曲線是對稱的，滯后也很微小，對比度(最小透射率和最大透射率之間的差值)很高。施加電壓和透射率之間幾乎是一對一的對應關系。這樣可穩(wěn)定地顯示中間色調(diào)，確保獲得高對比度的顯示圖象。
相反，與例1相比較的LCD裝置的施加電壓與透射率特性，具有一個閾值，滯后很明顯，而且如圖9B所示，施加電壓與透射率特性也不平穩(wěn)，此外，對比度較低。
在例1的LCD裝置中，如前所述，LC分子根據(jù)施加電壓而運轉。這個問題例如從圖10中所示的錐光偏振儀圖象以及從例1LCD裝置的顯示屏放大圖，可以理解。
圖10所示的是松散狀態(tài)下LC材料的錐光偏振儀圖象。在圖10中，沿著與表示電場E的箭頭方向幾乎垂直、且穿過同心消色線(亮圈和暗圈)中心的假想線方向出現(xiàn)兩個軸光影(亮點)，這兩個軸光影相對于平行于電場E箭頭方向且穿過上述中心的假想線是對稱的。這些情形表明，LC分子處于反鐵電相，其中LC分子軌跡為雙螺旋結構。
當密封在襯底之間的、由LC材料構成的LC層21未施加電壓時，整個顯示屏幾乎是黑色的。當LC層21上施加一個高電壓時，整個顯示屏幾乎都變成白色，這表明LC分子取向于第一或第二方向。當LC層21上施加一個居中電壓，并且此電壓增大/減少時，在很小的區(qū)域單元上都會出現(xiàn)明暗度的變化，并且明暗區(qū)域的明暗度隨著所施加電壓的不同而順序地變化。因此，LC分子的取向根據(jù)居中電壓的不同而逐個區(qū)域地不同。
根據(jù)此實施例，如前所述，松散狀態(tài)下的LC呈反鐵電相，其中LC分子具有雙螺旋結構。在將LC密封在襯底11和12之間形成LC層21時，LC呈現(xiàn)正鐵電相。當電場E施加到LC層21上時，LC層21導向子的方向，隨著施加電壓的不同，在第一方向21A和第二方向21B之間持續(xù)變化。這樣可以按所需灰度穩(wěn)定地顯示圖象。
在圖3中，下偏振板23的透射軸23A設置成與LC層21中層列層的垂直線幾乎平行，而上偏振板24的透射軸24A設置成與透射軸23A相垂直。但下及上偏振板23和24的透射軸23A和24A也可根據(jù)所要求LCD裝置的電光特性任意設置。
例如，在采用其錐角θ大約為22.5度的LC材料時，如圖11A所示，下偏振板23的透射軸23A設置成與第二方向21B相平行，上偏振板24的透射軸24A設置成與下偏振板23的透射軸23A相垂直。根據(jù)此結構，當將一個具有負極性的、令人滿意地高電壓(等于或大于閾值)施加到LC層21上時，導向子呈第二方向21B，因此顯示變得最暗。另一方面，當將一個具有正極性的、令人滿意地高電壓(等于或大于閾值)施加到LC層21上時，導向子呈第一方向21A，因此顯示變得最亮。
在采用其錐角θ大于22.5度的LC材料時，如圖11B所示，可將一個偏振板(下偏振板23或上偏振板24)的透射軸設置成與LC層21層列層的垂直線成22.5度的角。當LC層21呈現(xiàn)亞鐵電相時，可確定起導向子作用的第二方向21B，從而在第二方向21B和LC層21層列層的垂直線之間形成一個大于22.5度但小于錐角θ的角度。另一偏振板的透射軸可設置成與上述偏振板的透射軸基本垂直的形式。采用這種光學配置，不必將LC設定在亞鐵電相，便可驅動LC，結果可以避免發(fā)生顯示器燃燒現(xiàn)象等，同時能夠抑制閃爍現(xiàn)象。
例如，在采用化學結構式1所示、錐角為32度的LC材料時，將下偏振板23的透射軸23A設置成與LC層21層列層的垂直線相交成22.5度角，例如(垂直線的方向與方向21C基本一致)如圖11B所示。將上偏振板24的透射軸24A設置成與透射軸23A基本垂直。
在相對電極之間施加一個電壓，該電壓低于使上述液晶構成的LC層呈現(xiàn)亞鐵電相所需的電壓，如此可以控制透射光量，從而使得LC層導向子的方向，在與層列層的垂直線(垂直線的方向基本上與方向21C相一致)成22.5度角的方向(23A)、和與層列層的垂直線成22.5角的方向(21D)之間變化。
根據(jù)上述結構，當導向子取透射軸23A的方向時，顯示變得最暗，當導向子取與透射軸23A成45度角的方向21D時，顯示變得最亮。在此情況下，在導向子的方向變?yōu)榕c第一方向21A和第二方向21B一致以前，不必改變導向子的方向，以便獲得最小到最大灰度。換句話說，不必將LC設定在亞鐵電相，便可驅動LC。
在采用上述光學配置的情況下，施加電壓與LC層21內(nèi)分子的運轉狀態(tài)、相位變換等之間的關系也如前所述，導向子的方向在第一方向21A和第二方向21B之間持續(xù)變化。這樣可按要求灰度顯示圖象。此外，與圖3中所示光學配置相比較，可以減少閃爍現(xiàn)象，并將液晶層21設定在非亞鐵電相。因此，抑制了顯示器燃燒現(xiàn)象，并能獲得高質量高對比度的顯示圖象。
圖12A所示的是LCD裝置(根據(jù)本發(fā)明例2)的施加電壓與透射率特性。此LCD裝置，是將圖11B所示的光學配置用于上述LC盒(其中，具有表1所示性能并以化學結構式1所表示結構的液晶成分作為主要組成的液晶，密封在間隙設定為1.5微米的液晶盒中)。
圖12B所示的是，根據(jù)本發(fā)明的、結構與例2相同只是液晶盒間隙為5微米的LCD裝置(與例2相比較的實例)的施加電壓與透射率特性。
圖12A和12B中所示的特性，是通過將一矩形波形電壓施加于電極13和與電極13相對的電極17之間而獲得的。
由圖12A可以看到，根據(jù)本發(fā)明的例2LCD裝置，它的施加電壓和透射率特性沒有一個確定的閾值透射率持續(xù)變化。LC層施加正向電壓時的特性曲線與LC層施加負向電壓時的特性曲線是對稱的，滯后很小，對比度很高。另一方面，在例2的對比例中，施加電壓及透射率特性具有一個閾值，滯后很大，并且所施加電壓與透射率特性如圖12B所示不平穩(wěn)此外對比度較低。
由圖12A和12B可明確得出，例2LCD裝置也有極好的顯示能力。
下面參考圖13，對具有上述結構的本發(fā)明LCD裝置的驅動方法進行描述。
圖13A所示的是由選通驅動器31施加到任一行選通線15上的選通信號，而圖13B所示的是由數(shù)據(jù)驅動器32與選通脈沖同步地傳送到每條數(shù)據(jù)線16上的數(shù)據(jù)信號。數(shù)據(jù)信號的電壓設定為使LC層21呈現(xiàn)非亞鐵電相所需電壓，即一個位于VTmax和VTmin之間、且與所得到的透射率相對應的電壓。圖13C所示的是，當施加了如圖13B中所示的數(shù)據(jù)脈沖時，透射率所發(fā)生的變化。
每一選通信號，在選通脈沖處于選擇一相應行的選擇周期內(nèi)時變?yōu)镺N。此選通脈沖使所選行上的TFTs導通。在TFTs14為ON的寫周期內(nèi)，與顯示灰度相對應的數(shù)據(jù)信號，施加到象素電極13和與象素電極13相對的公共電極17之間。當選通脈沖變?yōu)镺FF時，TFTs14變?yōu)镺FF，此前施加于電極13和17之間的電壓便保持在由一個電極13、電極17以及夾在其間的LC層21構成的象素電容器中。如圖13C所示，對應于保持電壓的顯示灰度一直維持到選擇下一行的選擇周期時止。因此，根據(jù)此驅動方法，通過控制數(shù)據(jù)脈沖電壓，便能按所需灰度顯示圖象。
圖14所示的是，當用圖13A和13B中所示的驅動方法來驅動例2LCD裝置，并且當數(shù)據(jù)信號電壓由-5V順序地增加到+5V以及由+5V順序地減少到-5V時，透射率的變化。由圖14可以理解，采用圖13A和13B所示的驅動方法，可以按所需灰度穩(wěn)定地顯示圖象。
下面參考圖15，對能夠實現(xiàn)這種驅動作用的數(shù)據(jù)驅動器32的結構進行描述。，如圖15所示，數(shù)據(jù)驅動器32包括第一取樣/保持電路41，第二取樣/保持電路42,A/D(模擬/數(shù)字)轉換器43，定時控制器44和電平轉換器45。
第一取樣/保持電路41，對于外部提供的模擬顯示信號中的相應象素信號成分(一個圖象數(shù)據(jù)項)VD′進行取樣/保持。第二取樣/保持電路42對于第一取樣/保持電路所保持的信號VD′進行取樣/保持。
A/D轉換器43將由第二取樣/保持電路42保持的信號轉換成數(shù)字灰度信號。
在每一選擇周期TS內(nèi)，定時控制器44向第一和第二取樣/保持電路41和42提供用作取樣/保持指令的定時控制信號。
電平轉換器45將由A/D轉換器43輸出的數(shù)字灰度數(shù)據(jù)轉換為具有相應電壓VD(一個用于驅動系統(tǒng)的電壓該電壓是顯示數(shù)字灰度數(shù)據(jù)所指定灰度所必需的)的數(shù)據(jù)脈沖，并將該數(shù)據(jù)脈沖輸出到一相應的數(shù)據(jù)線16上。電平轉換器45將用于信號處理系統(tǒng)的電源單元和用于驅動系統(tǒng)的電源單元分開。自電平轉換器45輸出的電壓VD，在相應行上的TFTs14為ON的寫入周期期間，施加到LC層21上，而在TFTs為OFF時，保持在電極13和17之間。
第一取樣/保持電路41，第二取樣/保持電路42，A/D轉換器43和電平轉換器45，設置于每一象素列上，而定時控制器44可以設置為多個象素列公用。
數(shù)據(jù)驅動器32的結構并不僅限于圖15所示的結構。例如，可以將包括在A/D轉換器43中的取樣/保持電路用作第二取樣/保持電路42。A/D轉換器43輸出的數(shù)據(jù)也可以一特定的方式進行處理，之后將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)提供給電平轉換器45，從而轉換為用于驅動系統(tǒng)的電壓。處理過的數(shù)據(jù)可以轉換為具有信號處理系統(tǒng)電壓的灰度信號，然后提供給電平轉換器45，再轉換為驅動系統(tǒng)用電壓。
可以從數(shù)據(jù)驅動器32的外部提供大量定時信號。此外，圖象數(shù)據(jù)本身可以是數(shù)字數(shù)據(jù)。
本發(fā)明不僅限于上述實施例，顯而易見可以有各種改進和運用。
例如，本發(fā)明的反鐵電型液晶并不僅限于其主要組成為化學結構式1所示結構的液晶成分，其他任何液晶，只要它呈現(xiàn)正鐵電相，都可采用。液晶的特性也不受前述特性限制。取向膜的材料、厚度等在需要時也可以有所變化。
此外，根據(jù)上述實施例，偏振板23和24設置為其透射軸互相垂直。但也可將偏振板23和24設置成其透射軸互相平行。此外，偏振板的光軸可以是吸收軸。
此外，本發(fā)明并不限于采用TFTs作為有源元件的AFLC顯示裝置，對于采用MIMs作為有源元件的AFLC顯示裝置，本發(fā)明也是適用的。
本發(fā)明也適用于簡單矩陣(無源矩陣)型顯示裝置，如圖16所示，其中，掃描電極71及與掃描電極71相垂直的信號電極72設置在相對襯底11和12的相對表面上。
盡管本發(fā)明的LCD裝置應用AFLC，但它們能夠持續(xù)地改變顯示灰度，能夠按所需灰度顯示圖象。
權利要求
1.一種液晶顯示裝置，包括在其上形成第一電極的第一襯底；在其上形成第二電極的第二襯底；一個液晶層，是通過在所述第一和第二襯底之間密封一種松散狀態(tài)下呈現(xiàn)手性近晶相的反鐵電型液晶而形成的；取向裝置，用于使所述液晶層液晶分子取向于使所述液晶層處于正鐵電相狀態(tài)，其中在正鐵電相時，處于第一狀態(tài)(取向于第一方向)的液晶分子和處于第二狀態(tài)(取向于第二方向)的液晶分子在所述液晶層內(nèi)按預定順序出現(xiàn)；以及在所述第一和第二襯底之間施加電壓、從而改變處于所述正鐵電相的液晶層(21)導向子方向的裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的液晶顯示裝置，其中所述的取向裝置包括取向膜，此取向膜具有使反鐵電型液晶分子處于正鐵電狀態(tài)的取向力。
3.根據(jù)權利要求2所述的液晶顯示裝置，其中所述取向力的大小幾乎等于液晶分子之間分子間作用力的大小。
4.根據(jù)權利要求2所述的液晶顯示裝置，其中所述取向膜的表面能擴散力為30到50dyn/cm，而所述取向膜的范德瓦力為3到20dyn/cm。
5.根據(jù)權利要求1所述的液晶顯示裝置，其中所述取向裝置包括取向膜，此取向膜具有使反鐵電性液晶分子按正鐵電狀態(tài)排列的取向力；以及將所述液晶層厚度設定為一定值的裝置，此厚度使液晶層具有使液晶分子按正鐵電狀態(tài)排列的取向力。
6.根據(jù)權利要求5所述的液晶顯示裝置，其中所述液晶松散狀態(tài)下呈現(xiàn)具有雙螺旋結構的手性近晶相；當所述液晶密封在所述的第一和第二襯底之間時，所述雙螺旋結構受到破壞；當將一個等于或大于一預定值的電壓加于所述液晶層上時，所述液晶層呈現(xiàn)亞鐵電相，其中所述液晶層液晶分子根據(jù)所施加電壓極性的不同，而取向于所述第一和第二狀態(tài)中之一。
7.根據(jù)權利要求6所述的液晶顯示裝置，其中根據(jù)施加電壓來控制取向于所述第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于所述第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)之間的比值。
8.根據(jù)權利要求7所述的液晶顯示裝置，其中當所述液晶層的液晶分子根據(jù)施加電壓沿手性近晶相分子形成的錐形軌跡移動時，液晶分子的取向狀態(tài)由所述第一和第二取向狀態(tài)之一種變?yōu)樗龅谝缓偷诙顟B(tài)之另一種。
9.根據(jù)權利要求1所述的液晶顯示裝置，進一步包括與所述第一電極或所述第二電極相連的有源元件；和驅動裝置，以通過所述有源元件在所述第一和第二電極之間施加電壓這樣一種方式對所述液晶層施加電壓，由此控制取向于所述第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于所述第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)之間的比值，并控制所述液晶層導向子以進行灰度顯示。
10.根據(jù)權利要求9所述的液晶顯示裝置，其中手性近晶相分子軌跡具有一個軸并與所述軸形成一個錐角，所述驅動裝置將所述液晶層導向子的方向改變一個角度，該角度小于所述錐角的最大值，從而不需將液晶層設定于亞鐵電相就能進行灰度顯示。
11.一種液晶示裝置，包括其上形成有按矩陣型式排列的第一電極的第一襯底；其上至少形成一個與所述第一電極相對的第二電極的第二襯底；具有自然極化特性且密封在所述第一和第二襯底之間的液晶層，所述液晶層由所述松散狀態(tài)下呈現(xiàn)手性層列CA相的液晶構成，當所述液晶密封在所述第一和第二襯底之間時，其液晶分子處于第一或第二狀態(tài)中之一種；及取向膜，該取向膜在所述第一和第二襯底的相對表面之一上各設置一個且具有為使所述液晶層處于正鐵電相狀態(tài)而使液晶分子取向于所述第一和第二狀態(tài)的取向力。
12.根據(jù)權利要求11所述的液晶顯示裝置，其中所述取向膜取向力的大小基本上等于液晶分子之間分子間作用力的大小。
13.根據(jù)權利要求12所述的液晶顯示裝置，進一步包括驅動裝置，該驅動裝置以在所述第一電極和第二電極之間施加電壓這樣一種方式，向所述液晶層施加一電壓，由此控制取向于所述第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于所述第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)之間的比值并控制所述液晶層導向子的方向以進行灰度顯示。
14.根據(jù)權利要求13所述的液晶顯示裝置，其中手性層列CA相分子形成的錐體具有一個軸并與所述軸形成一個錐角，所述驅動裝置將液晶層導向子的方向改變一個角度，該角度小于所述錐角的最大值，從而在所述液晶層中不需轉換相位就能以正鐵電相進行灰度顯示。
15.一種驅動液晶顯示裝置的方法，該方法包括下述步驟在第一和第二襯底之間密封一液晶層，所述液晶層由松散狀態(tài)下呈現(xiàn)手性層列CA相的液晶構成，當所述液晶密封在所述第一和第二襯底之間時所述液晶層處于正鐵電相，其中在所述液晶層中具有處于取向于第一方向的第一狀態(tài)的液晶分子和處于取向于第二方向的第二狀態(tài)的液晶分子；及向所述液晶層施加一電壓，從而控制取向于所述第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于所述第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)的比值，并控制液晶層導向子以進行灰度顯示。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中手性近晶相分子形成的錐體具有一個軸并與所述軸形成一個錐角，所述驅動裝置將所述液晶層導向子的方向改變一個角度，該角度小于所述錐角的最大值，從而在所述液晶層中不需轉換相位就能以正鐵電相進行灰度顯示。
17.一種灰度顯示方法，包括以下步驟在第一和第二襯底之間密封一種松散狀態(tài)下呈現(xiàn)手性層列CA相的液晶材料從而形成一個具有一預定厚度的液晶層；通過運用形成于所述第一和第二襯底內(nèi)表面上的取向膜的取向力使所述液晶層的液晶分子取向于第一和第二狀態(tài)，以便使所述液晶層處于正鐵電相，其中液晶層中具有取向于所述第一狀態(tài)的液晶分子和取向于所述第二狀態(tài)的液晶分子；向所述液晶層施加一電壓從而控制所述液晶層的導向子；以及通過用偏振裝置來檢測所述導向子方向的變化來顯示一個灰度。
全文摘要
其上形成有相對電極的一對襯底間密封一液晶層。液晶層由松散狀態(tài)下呈反鐵電相的液晶構成。當液晶密封在襯底間成為液晶層時液晶呈正鐵電相,處于取向于第一方向的第一狀態(tài)的液晶分子和處于取向于第二方向的第二狀態(tài)的液晶分子按預定順序出現(xiàn)。根據(jù)電極間施加電壓極性和大小的不同,取向于第一狀態(tài)的液晶分子數(shù)與取向于第二狀態(tài)的液晶分子數(shù)的比值變化而使液晶層導向子的方向持續(xù)變化。用一對偏振板檢測導向子的變化獲得灰度顯示。
文檔編號G02F1/13GK1201161SQ98115408
公開日1998年12月9日 申請日期1998年5月8日 優(yōu)先權日1997年5月8日
發(fā)明者田中富雄, 吉田哲志, 武居學, 小倉潤 申請人:卡西歐計算機株式會社