非手性近晶相C型 液晶显示器 本发明涉及一种液晶显示器，具体来说，涉及一种采用非手性C型液晶的液晶显示器。
通常，由于晶体分子的位置和取向固定，所以晶体具有位置有序性及方向有序性。但是当晶体溶化变成无向性的液体时，这两种有序性消失。液晶相或状态与晶体及液体的不同之处在于它只有方向有序性或具有方向有序性和部分位置有序性。
由于液晶相的材料具有取向有序性而且其分子具有非对称形状，所以将它称作具有起因于其取向的不同物理特性的各向异性材料。
典型液晶的分子为细长棒状。分子的长轴被称作分子轴而且平均来说分子趋于自行排列成分子轴平行。沿平均分子轴的方向被表示为“指向矢”，取向有序度用分子轴和指向矢间的关系来度量。即，(3cos2θ-1)/2的平均值作为有序参数被用来度量取向有序度，其中θ为各分子轴与指向矢间的夹角。有序参数典型值大约在0.3和0.9之间，而且随着液晶材料温度的增加而有序参数减小。
按有序的类型将液晶分成三类，即，向列相液晶，胆甾相或手性(cHIRal)向列相液晶以及近晶相液晶。
向列相液晶具有取向有序性但没有位置有序性。向列相液晶分子的位置混乱，但是在向列相中存在对分子平均来说是平行的分子间作用力。由于分子具有上下对称性，所以在传统的向列相液晶中没有表现出铁电性以致不可能发生来自分子偶极矩的净偏振。向列相液晶通常被用在显示器中。
手性向列相液晶常常被认为不同于胆甾相液晶，但是由于这两种液晶的物理特性具有某些共同点，因此没有必要对这两种液晶加以区分。这两种液晶具有类似的引起平均分子轴在空间沿垂直于指向矢的方向旋转的分子间的力。手性向列相液晶中出现的这种特性被称为“手征性(chirality)”，平均分子轴旋转一圈的距离为“间距”。显然通过定向处理非手性向列相液晶也能具有被扭转的结构，手性向列相材料用在显示器中以及微波或电磁场地检测中。
近晶相液晶比起上面两种液晶具有更有序的结构，形成近晶相层。近晶相液晶不但具有取向有序性而且也具有部分位置有序性。因此，在与层垂直的方向或层法线方向上分子位置具有循环性，但是在层平面中它们没有大范围的位置有序性。
在近晶相的液晶当中，斜手性近晶相的液晶显示出铁电性，如，近晶相C*型液晶。最近，铁电型液晶已得到了广泛的研究。近晶相C*型液晶是具有相对于层法线倾斜的分子轴的液晶。近晶相C*型液晶的分子具有旋光性以致它们沿层法线形成螺旋结构。近晶相C*型液晶在与指向矢和层法线垂直的方向上显示出自发偏振。近晶相C*型液晶相对于垂直指向矢的轴具有旋转对称性而且相对于近晶相层的表面具有反向对称性。然而，如果分子具有手性部分，在近晶相C*型相中反向对称性受到破坏，而且横向偶极矩产生自发偏振。由于近晶相C*型相的分子沿层法线螺旋排列，所以一个循环或一个间距中的宏现平均自发偏振为零。这样，这种铁电型液晶被称为不规则铁电型材料。在外部电场作用下螺旋结构能被扭转，而且超过临界场强度时完全松散，因此导致宏观自发偏振。铁电型液晶显示器(以后称为铁电型LCD)具有诸如定向困难、易毁坏近晶相层等这类问题。
液晶具有诸如电极化率和磁化率这样的各向异性物理特性。如上所述，这是因为分子具有非对称棒状因而在空间存在各向异性分子力。
例如，沿指向矢方向的电极化率不同于垂直指向矢方向的电极化率。由于电极化率不同，介电常数也不同。
设沿指向矢的介电常数为∈1，与指向矢垂直方向的介电常数为∈2。那么，用Δ∈＝∈1-∈2来定义介电各向异性数。正介电各向异性数是Δ∈＞0的情况，而负介电各向异性数是Δ∈＜0的情况。当电场作用到液晶时，电位移D＝∈2E+Δ∈(n·E)n。静电能为-∫D·dE＝-(1/2)∈2E2－(1/2)Δ∈(n·E)2该静电能与弹性能对抗以达到稳定状态。结果，具有正介电各向异性的液晶指向矢趋于同作用的电场平行，而具有负介电各向异性的液晶指向矢趋于同作用的电场垂直。
LCD采用液晶的各向异性特性。下面对具有扭转向列(TN)模式的传统LCD详细地加以描述。
图1A和1B表示采用正介电各向异性的传统TNLCD。图1A表示没有电场作用到液晶的一种状态，图1B表示有电场作用到液晶一状态。
具有正介电各向异性的液晶位于两个透明衬底11和12内表面之间。在衬底11和12的外表面分别附有偏振滤片13和检偏镜14。在每个衬底11或12的内表面形成透明电极15或16以及定向层17或18。定向层经过处理以便一个表面的指向矢与另一表面的指向矢相垂直，这样贯穿液晶板使得指向矢连续旋转90°。
如果两个衬底11和12间的间隔选择得适当，穿过液晶板的入射光的偏振能够根据分子排列而得到改变。
当外部电压作用到透明电极之间时，除了衬底11和12表面附近区域外的体内分子趋于沿电场方向取向，即与衬底11和12相垂直。图1A和1B中的箭头表示指向矢。
现在，将描述这种TNLCD的操作。
在没有电压作用到衬底11和12的“OFF”状态中，液晶板对入射光的作用就象波导板一样。入射到衬底11上的光在穿过偏振滤片13时线性偏振，而且穿过液晶板其偏振旋转。当偏振光到达另一衬底12时，其出射偏振旋转90°。在偏振滤片13和检偏镜14的偏振轴彼此垂直的情况下，由于光的偏振与检偏镜14的偏振轴平行，光穿过检偏镜14。然而，如果偏振滤片13和检偏镜14的偏振轴彼此平行，则由于光的偏振与检偏镜14的偏振轴垂直，所以没有光穿过检偏镜14。
在有电压作用到衬底11和12之间的“ON”状态中，分子指向矢扭转。由于液晶具有正介电各向异性，附衬底11和12表面附近区域外的指向矢趋于沿电场方向取向。通过控制电场强度，指向矢的倾角值能得以控制，致使液晶层的波导效应得以改变。在足够强的电场作用下，穿过偏振滤片13的线性偏振光的初始偏振不旋转而到达检偏镜14。如果偏振滤片13和检偏镜14的偏振轴彼此垂直，光几乎不能穿过检偏镜14。当偏振滤片13和检偏镜14的偏振轴彼此平行时，光穿过检偏镜14。
在OFF状态和ON状态之间通过控制作用的电场强度来获得模拟灰度(gray scale)。
在TN模式中分子指向矢的扭转角为90°，而在过-扭转向例(STN)模式中的扭转角比TN模式中的扭转角大，例如，是220°或270°。
传统的TN或STN LCD由于在驱动中只采用介电各向异性，所以存在着诸如视角窄、响应速度慢这样几个问题。
近来，由于具有铁电特性的近晶相C*型液晶响应速度快，于是开发了采用这种液晶的LCD。
近晶相C型液晶具有一种液晶相，在该液晶相中液晶分子的指向矢相对于近晶相层或对于层法线倾斜，法线即与近晶相层垂直的单位矢量。指向矢和层法线间的夹角对一定的温度来说为常数而且被称作“分子倾角”。近晶相C*型液晶由旋光性分子组成，因此指向矢沿垂直于近晶相层的轴螺旋旋转。由于这种液晶具有垂直于分子指向矢的自发偏振，因此它被称作铁电型液晶。近晶相C型相对于指向矢正交的轴具有旋转对称性、对于同近晶相层平行并同垂直于指向矢的轴相垂直的表面具有反向对称性。由于近晶相C*型液晶由具有手性部分的分子构成，反向对称性受到破坏而且偶极矩在垂直于指向矢的方向上被定向。结果，近晶相C*型液晶显示出具有宏观自发偏振或永久偏振的铁电特性。事实上，由于指向矢沿着垂直于近晶相层的轴螺旋旋转，因此宏观自发偏振变为零。因此，铁电型液晶常常被称为不规则铁电型材料。通过施加外部电场能够使这种螺旋结构松散，而且超过临界场强度时出现净自发偏振。
现在，参考图2详细描述采用手性近晶相C*型的传统铁电液晶显示器。
近晶相C*型液晶10位于两个透明电极11和12之间。
液晶的近晶相层20垂直于电极11和12。由于对于一定的温度指向矢和垂直于近晶相层20的轴间的夹角为常数，而且指向矢沿垂直于近晶相层20的轴螺旋旋转，所以指向矢在相对于垂直近晶相层20的轴对称的圆锥体表面上旋转。
在此状态中，当电极11和12间的电压大于临界电压时，螺旋结构散开，分子指向矢沿电场重新排列。
如果两电极11和22间的间隔足够小而可以忽略螺旋结构的间距，液晶就成为表面稳定的铁电型液晶结构，具有ON和OFF状态的双稳定性。
采用铁电型液晶的传统LCD响应速度快而且具有准稳定性，但是其灰度差。
如上所述，手性近晶相C型液晶被用于LCD，但是至今为止还没有将非手性近晶相C型液晶用于LCD。
本发明的目的是提供一种采用非手性近晶相C型液晶的LCD。
本发明的另一个目的是提供一种采用非手性近晶相C型液晶并具有模拟灰度的LCD。
为了实现这些目的，本发明在两个透明电极之间采用非手性近晶相C型液晶。液晶具有近晶相层，这些层垂直于电极表面，而且分子指向矢由一个电极到另一个电极扭转。在两个电极上定义的指向矢间的扭转角位于0°和180°之间。
近晶相C相的分子对于一定的温度下相对于层法线形成恒定的分子倾斜角。扭转角可以等于或小于两倍的分子倾斜角，最好是等于两倍的分子倾斜角。在此情况中，所希望的材料为这样一种近晶相C型液晶以便让分子倾斜角为15°至60°，特别是40°至50°。然而，由一个电极到另一个电极常常可能是0°至180°的扭转角。
通过适当的表面定向可以在零度和分子倾斜角之间调节两个电极上的预倾角，而且两个电极上指向矢间的夹角等于两倍的分子倾斜角。例如，一个电极上的预倾角正好等于分子倾斜角，另一个电极上的预倾角小于分子倾斜角。最好对此情况还能用0°至180°的扭转角。180°的扭转表示两个电极上的预倾方向是彼此相反。所希望的分子倾斜角在40°至50°范围内。
按本发明的液晶显示器进一步包括分别附在电极上的偏振滤片。两个偏振滤片的偏振动轴间的夹角最好是等于分子指向矢的扭转角或是±90°加上分子指向矢的扭转角。另外的情况是两个偏振滤片的偏振轴彼此平行或者彼此垂直。
如不采用一对偏振滤片，则可以采用附在一个电极上的一个偏振滤片和附在另一个电极上的一个反射镜。
按本发明的LCD的操作与传统的TN或STN LCD的操作相似。然而，由于维持分子倾斜角的力和定向力的相互作用，分子指向矢在“感应圆锥体”的表面上连续移动。分子指向矢的取向根据电场强度而改变，因而灰度表示是可能的。
现在具体参考附图来描述本发明的优选实施例，其中：
图1A的1B表示由具有正介电各向异性的液晶形成的TNLCD；
图2表示采用手性近晶相C*型液晶的传统铁电型LCD；
图3表示按本发明的实施例的非手性近晶相C型LCD；
图4表示按本发明实施例的非手性近晶相C型LCD的近晶相层中的分子；
图5是表示旋转角φ(z/d)与z/d的关系图；
图6表示作为z/d的函数的指向矢在x-y平面的投影和x-轴间的夹角θ(z/d)的图形；以及
图7表示作为所加电压的函数的通过LCD的光的透射率图。
参看附图，从下面的详细描述中对本发明的优选实施例将会更加清楚明了。
图3表示按本发明的优选实施例的一个LCD，图4表示没有作用电场的“OFF”状态。
如图3所示，可以使具有正介电各向异性或负介电各向异性的非手性近晶相C型液晶10位于两个透明电极11和12之间。在两个透明电极11和12的外表面分别附有偏振滤片13和检偏镜14。
液晶10的近晶相层20与电极11和12的表面垂直，液晶10的分子指向矢相对于层法线形成一个被称为“分子倾斜角”的固定角。
每个电极11或12的内表面涂有定向层(没有图示)以便液晶10的分子指向矢均匀取向。例如，定向层可以通过Langmuir-Blodgett膜沉积法涂覆的诸如烷基苯酚和十六烷基三甲基溴铵、聚酰亚胺或定向吸收剂这样的表面活性剂形成。对定向层进行磨擦以便液晶10的分子指向矢沿某一方向取向。
两个电极上磨擦方向(rubbing direction)间的夹角是分子倾斜角的两倍。
然后，排列分子指向矢以便维持分子倾斜角的力与定向力平衡。
图4表示两个电极11和12之间非手性近晶相C型液晶的近晶相层中的分子。
设x-轴与近晶相层垂直，y-轴与电极11和12平行，该y-轴与正向x-轴逆时针方向形成90°，设z-轴与x-y平面垂直，该z-轴与y-轴逆时针方向形成90°。将“分子倾斜角”θ0定义成正向x-轴和分子指向矢间的夹角，“水平角”θ定义成x-轴和指向矢在x-y平面上投影间的夹角，“旋转角”φ定义成y-轴和指向矢在y-z平面上投影间的夹角。那么指向矢被表示为n~=(cosθ,sinθcosφ,sinθsinφ)]]>。另外，假定当指向矢在x-y平面上投影位于y＞0区域内水平角θ为正，而当位于y＜0区域内时水平角θ为负。
由于近晶相C型液晶的特性，对于一定的温度，分子倾斜角θ0(＞0)为常数。
由于均匀取向，指向矢17和18跨过的平面与电极11和12的表面平行。在下面电极11上的指向矢17的旋转角φ为零，上面电极上的指向矢18的旋转角为180°。指向矢17和18的水平角θ幅值相同，而它们的符号不同。即，指向矢17的水平角θ等于+θ0，而指向矢18的水平角等于-θ0。
贯穿整个液晶板体内的水平角θ从+θ0到-θ0连续变化。
结果，在“感应圆锥体”40表面上的指向矢旋转2θ0。
因此，从下电极11的表面到中点的区域内的旋转角φ由0°变化到90°，从中点到上电极12表面区域内的旋转角由90°变化到180°。由下电极11的表面到中点区域内的水平角θ由+θ0变化到零，由中点到上电极12表面区域内的水平角θ由零变化到-θ0。
因此，电极17和18上指向矢间旋转角θ的差为180°，而且水平角θ的差为2θ0，即，等于两个电极11和12上指向矢间的夹角。
在有作用电压时，指向矢的定向扭转。首先，让我们假定液晶具有负介电各向异性。那么，指向矢趋于排列成与电场垂直，而分子倾斜角不变。因此，指向矢在感应圆锥体40的表面上朝垂直于电场的方向旋转。它采用由最初状态到稳定状态的最短的路径。
这样，从下电极11到中点的区域内，即，在0＜θ＜+θ0的区域的指向矢在感应圆锥体上趋于旋转θ＝+θ0。另一方面，从中点到上电极12的区域内，即在-θ0＜θ＜0的区域内，指向矢在感应圆锥体上旋转θ＝-θ0。因此，在液晶10的中间产生一个将两个区域分开的逆向间隔层。
接着，让我们假定液晶具有正介电各向异性。那么，指向矢趋于排列成与电场平行，而分子倾斜角不变。由于起因于电场的力小于维持分子倾斜角的力，所以指向矢一定保持分子倾斜角不变。因此，除电极11和12附近之外的指向矢在感应圆锥体40的表面上朝θ＝0的位置旋转。该位置的旋转角φ为90°。
由于指向矢的旋转度取决于作用的电场强度，所以可以得到作为场强度函数的连续电-光效应。
现在将描述按照该实施例的由具有负介电各向异性的非手性近晶相C型液晶形成的LCD的操作。
在没有电场时，指向矢维持沿感应圆锥体的扭转状态。假定穿过偏振滤片13和电极11的线性偏振光沿表面法线垂直入射到电极11上。那么，当Δnd＞＞λ(Δn为重折率而λ为入射光的波长)时由于实例的光学固有模式为线性偏振，所以从光学上讲这种扭转非手性近晶相C型结构与TNLCD类似。因此，入射到这样结构上的线性偏振光旋转一个扭转角。
如果检偏镜14和偏振滤片13的偏振轴间的夹角与贯穿整个液晶板的分子指向矢扭转角相同，则到达检偏镜14的光的偏振与检偏镜14的偏振轴平行，因而光穿过检偏镜14。
如果检偏镜14和偏振滤片13的偏振轴间的夹角与分子指向矢的扭转角相差±90°，则到达检偏镜14的光的偏振与检偏镜14的偏振轴垂直，因而光不能穿过检偏镜14。
当电场作用到液晶时，只要液晶具有负介电各向异性，分子指向矢在感应圆锥体表面上趋于与电场方向垂直取向。如果电场强度足够高，分子指向矢与场方向垂直。如果作用的电场强度不够，分子受到一定程度的取向扭转。由于在定向层17和18中存在的取向力大于电场力，电极附近的分子保持它们的均匀定向。
在足够高的电场强度下，大多数分子与电极11和12平行。线性偏振光穿过偏振滤片13到达检偏镜14而不会有任何干涉。如果偏振滤片13和检偏镜14的偏振轴彼此垂直，由于光的偏振与检偏镜14的偏振轴垂直，
光几乎不能穿过检偏镜14。但是如果偏振滤片13和检偏镜14的偏振轴彼此平行，则光穿过检偏镜14。
如上所述，按该实施例的非手性近晶相C型LCD均匀取向，而且扭转角是分子倾斜角的两倍。然而，本发明的范围并不局限于该实施例。
例如，一种情况是扭转角和分子倾斜角是45°，旋转角由0°变化到90°。在此情况下，一个电极表面上指向矢的预倾角等于分子倾斜角，第二个电极表面上指向矢的预倾角可能为零。
另一种情况是扭转角和分子倾斜角为45°，旋转角由-90°变化到90°。在此情况下，第一和第二电极表面上的预倾角各自可以等于分子倾斜角，而且两个电极表面上的指向矢间的夹角等于两倍的分子倾斜角。
图5至7是有关具有负介电各向异性的LCD图，其中分子倾斜角为45°，扭转角为90°，是分子倾斜角的两倍。
图5是一个曲线图，表示所加电压为0V、2V、5V、10V时作为z/d的函数的旋转角φ，其中z是沿z-轴距下电极的距离，d是两个电极间的距离。液晶的介电各向异性数Δ∈为-10，d为10微米。如图5所示，在没有电场情况下，旋转角φ几乎与z成正比。然而，在电场强度增加时，在z/d＜0.5的下面区域内φ接近零，在z/d＞0.5的上面区域内为180°。
图6是一个曲线图，表示在0V、2V、5V、10V的作用电压下，水平角θ的幅值为z/d函数，其中z是沿z-轴距下电极的距离，d是两电极间的距离。如图6所示，随着电场强度增大，上、下区域内的水平角的幅值接近零，在中间区域内出现尖峰值。峰值表示分离上、下区域的逆向间隔层。
图7表示对于不同介电各向异性数，透射率为作用场强度函数。图7表明随着介电各向异性数的增加，曲线变得更陡。
如上所述，本发明采用具有扭转结构非手性近晶相C型液晶，并且实现了连续电-光效应。
很明显，在不超出本发明的范围和精神的情况下，各种不同的修改对本领域的技术人员来讲是显而易见的并且本领域的技术人员能够很容易地做出各种不同的改进。因此，所附的权利要求并不局限在该说明书给出的描述，相反使权利要求被认为是包括了存在于本发明专利产品中的所有特征以及包括本发明涉及到的领域的技术人员看成是等同的所有特征。