CN1033667C - 一种液晶装置及使用该装置的图象形成设备和图象显示设备 - Google Patents

Abstract

一种由一对相对设置的基片构成的液晶装置，所述基片对具有相对的内表面和在内表面上相对的电极，相对的电极之间设置有手征蝶状结构的液晶。该液晶装置具有有效光调制区和在有效光调制区外部的周边区。在该装置中，周边区中液晶分子的预倾角大于有效光调制区中液晶分子的预倾角。其结果是有效地抑制了因为液晶分子沿装置的外延运动而导致的局部压力不均匀或盒厚度变化。

Description

本发明涉及一种液晶装置，该装置可以用作为电视接收器的显示装置、视频摄象机的寻景器、计算机的终端监视器、或液晶打印机的光阀(光闸)、投影器等。

众所周知，采用TN(扭曲向列型)液晶的无源阵列驱动型液晶显示装置是一种可用较低成本生产的装置。但由于随着驱动线数量的增加会发生交调失真或使对比度降低，所以采用TN液晶的无源阵列驱动型液晶装置具有一定的局限性，因此它不适合于在要求高分辨率和大量驱动线的例如液晶电视面板中作为显示装置。

已经知道可以用一种具有双稳性的铁电液晶装置作为解决这种传统TN-液晶装置的基本问题的液晶装置。在铁电液晶装置中，使用的是工作时呈手征层列相，例如手征层列C(SmC*)相或手征层列H(SmH*)相的液晶。液晶趋向于呈两个双稳态中的一种稳态而不容易出现中间分子位置。此外，在施加电场时这种液晶迅速呈现两种稳态中的一种，而在无电场作用的情况下则保持原来的状态。通过采用具有这种特性的手征蝶状结构液晶来构成液晶装置，可以明显改善传统TN液晶装置所存在的问题，包括视角特性不好的问题。

然而，在这种手征蝶状结构液晶装置中，已经发现，在某些有电场作用的场合下，存在液晶分子在平行于基片延长部分的方向上运动的问题。运动的结果是，出现因盒厚度(夹有液晶材料的一对基片之间的间隔)变化而在显示的画面上形成浅黄色调的现象(将这种现象称为“变黄”)。这种想象不仅对显示装置是不希望的而且对任何其他光学调制装置也都是不希望，因为它会使光学特性变坏。

为了抑制这种液晶分子的运动，在EP-A0550846(相应的美国专利申请号为07/988，830，1992，12，10)中提出将基片的内表面磨毛的技术。

上述的内表面磨毛技术仍然不能满足需要。这是因为，由于例如某些液晶在内表面不粗糙的情况下能够形成比较好的排列质量，所以将内表面粗糙作为自然或动态地抑制液晶分子运动的技术并不总是优选的。

此外，虽然表面粗糙对于抑制在字符编辑时使用的普通显示器的显示变黄是有效的，但是在显示某个特殊图形的显示画面时仍然有发生变黄的倾向。

考虑到已有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单的液晶装置，在该装置中几乎不发生盒厚度的变化，此外还提供一种采用该液晶装置的设备。

本发明的另一个目的是提供一种即使出现液晶分子运动也几乎不发生盒的实际厚度变化的液晶装置，同时还提供一种采用这种液晶装置的设备。

本发明的再一个目的是提供一种用途广泛的液晶装置，其中无论使用何种液晶材料和对其施用任何驱动方法，盒的厚度均几乎不发生变化；还提供一种采用该液晶显示装置的设备。

本发明进一步的目的是提供一种具有极好可靠性和光学特性不会变坏的液晶装置。

按照本发明的一个方面，提供了一种由一对相对设置的基片构成的液晶装置，两基片具有相对的内表面和设在内表面上的相对电极，在相对电极之间设置有手征蝶状结构液晶，所说的液晶装置具有一个有效光调制区和位于有效光调制区外部的周边区；其中液晶分子在周边区中的预倾角大于其在有效光调制区中的预倾角。

为了改善本发明的效果，可以选择性地优先添加以下特征。即，最好将两基片中至少一个的内表面磨毛。

还可以优选使液晶分子在有效光调制区中具有至少为10°区大预倾角或至少为5°的小预倾角。

优选将周边区分成与有效光调制区相邻接的第一区和处于第一区外部的第二区，以便使第一区中的液晶分子具有与在有效光调制区中的液晶分子基本相等的预倾角，并使第二区中的液晶分子具有比有效光调制区中的液晶分子大的预倾角。

最好是在基片之间散布一些粘结颗粒和隔离颗粒。

优选向相对电极施加相对于参考电势来说为双极性的驱动脉冲。

还可以优选用掩蔽件对周边区进行光学遮盖。

我们的研究结果表明，通过在有效光调制区外部的周边区中使液晶分子以大预倾角的状态排列，可以减小引起有效光调制区中盒厚度变化的液晶分子密度的不均匀性，使得液晶分子在周边区中的迁移性提高。还发现会出现一些液晶分子从周边区向低密度部分运动的现象。

由此可见，与仅仅打算抑制液晶分子运动的传统技术相比，本发明旨在积极利用液晶分子的运动来防止盒厚度的变化，进而防止出现变黄。

结果是，按照本发明，即使是使用了会引起盒厚度发生变化的液晶材料或驱动系统，或者即使显示有引起盒厚度变化倾向的显示画面也几乎不会出现因盒厚度变化而引起的变黄。

本发明的这些和其他目的、特征和优点将在下面结合附图对本发明的最佳实施例进行说明的过程中显得更加明显。

图1A是按照本发明的液晶装置最佳实施例的平面示意图，图1B是沿图1A中A-A′线的剖面示意图。

图2A和2B是用于说明液晶分子在液晶装置中运动的解释性示图。

图3A和3B是用于说明液晶分子在本发明一个实施例所述的液晶装置中运动的解释性示图。

图4是用于说明在本发明所用的手征蝶状结构液晶中出现的排列状态的解释性示图。

图5A和5B分别是说明在人字形蝶状结构的液晶结构中进行C1排列时导向偶极子的方向随基片之间的位置变化而改变的解释性示图。

图6A和6B是表示书架式蝶状液晶结构的示图。

图7A和7B是表示摩擦方法的示意图。

图8是包含本发明所述液晶装置的图象显示设备的框图。

图9是包含本发明所述液晶装置的图象形成设备的示意图。

图10A是一组用于驱动本发明的液晶装置之驱动信号的波形图，图10B表示最终的显示状态。

图11和12是分别表示本发明所述液晶装置第一实施例的平面示意图和剖面示意图。

图13-15是分别表示本发明所述液晶装置第二至第四实施例的平面示意图。

图16是用于说明判断液晶分子运动方式的平面示意图。

本发明的液晶装置基本上适用于各种类型的光调制，但可能尤其适用于一种在能够用双电平或多电平控制透过每个象素的透光度的光闸或光阀中使用的光调制。象素寻址电路可以是采用电极阵列的多路传输电路之一或一个使用光电导体薄膜的光敏寻址电路。

图1A是本发明的液晶装置最佳实施例的示意性平面图，图1B是沿图1A中的A-A′线、从箭头所示的方向观察所看到的剖面示意图。

参照图1A，液晶装置(盒或面板)1如图所示为平面形状，其包括有效光调制区2、与区域2的外周相邻的周边区3、以及围绕除注入口5之外的周边区3的密封部分4，在液晶注入之后用密封件将注入口5密封。

参照图1B，液晶装置包括由上基片11a和下基片11b构成的基片对，每个基片上都带有电极(未示出)。基片11a和11b上分别设有用于使液晶在周边区3中具有较大的预倾角a₂的周边取向控制区13a和13b，以及用于使液晶在有效光调制区中具有较小预倾斜角a₁的取向控制区14a和14b，其关系满足a₁＜a₂。在基片11a和11b之间设置有液晶材料15，在常规的液晶盒结构中，液晶材料15在电场的作用下能够显示手征层列相、并造成液晶分子运动。

在此，有效光调制区指的是包含大量象素的显示区(其通过控制透过显示装置中各象素的透光度进行显示)，以及根据非显示装置，如光阀中的驱动信号进行光调制的区域。

根据我们的研究表明，在压力增加的情况下能够使液晶盒的厚度增加，而特别是在液晶盒侧边进行驱动所导致的液晶分子在特定方向上的运动会引起压力的增加。据推测，这种引起液晶分子运动的力是在由连续的驱动脉冲形成的AC型电场中因液晶分子偶极矩所导致的电动力学作用而产生的。此外，根据我们的实验，如图2A所示，液晶运动的方向22a和22b是由相对于摩擦方向20和平均的液晶分子轴向位置21a或21b确定的。由于液晶分子的运动方向与摩擦方向有关，所以假定上述现象取决于基片表面上的预倾斜状态。参见图2A和2B，标号21a(或反方向的21b)表示平均的分子轴(导向偶极子)方向。当液晶分子(此处描述的是具有负自发极化作用的分子)排列的方向提供平均分子轴21a，且被施加了不会引起分子轴转为取向状态21b的一定强度的AC电场时，在基片上的摩擦轴以同样的方向20平行延伸的情况下，液晶分子有沿箭头22a的方向运动的倾向。这种液晶运动的现象取决于液晶盒中的排列状态。

在一个实际的液晶盒中，出现如图2A所示的液晶运动。例如，当液晶分子在整个盒中排列成具有平均分子轴方向21a的状态时，盒中的液晶分子有在AC的作用下沿箭头22a的方向运动的倾向，即在图中从右向左运动。其结果是，液晶盒在区域23中的厚度逐渐增加并显出带有淡黄色的色调。如果液晶分子排列成具有平均分子轴21b的状态，在AC作用下会引起液晶在相反的方向22b上的运动。在任一种情况下，所引起的液晶运动都是在垂直于摩擦方向的方向上，即在蝶状结构层延伸的方向上。已经观察到，除了上述蝶状结构层的方向之外，盒厚度的增加也会出现在垂直于蝶状结构层的方向上。

根据另一个实验，当在通过沿图3A所示的方向及摩擦而形成的显示面板上连续显示黑(BL)和白(W)条纹图案时，在显示“黑色”(BL或暗)的区域中沿平均分子轴方向21a排列的液晶分子在箭头a的方向上运动，形成了比周围区域具有更大盒厚度的面板端区A。另一方面，在显示“白色”(W或亮)的区域中按平均分子轴方向21b排列的液晶分子沿箭头b的方向运动，在另一端上形成具有较大盒厚度的面板端区B。

与之相反，还发现，在将周边区3设置在显示区2(作为有效光调制区)周围且在周边区中形成较大预倾斜取向状态的情况下，在黑色显示状态下沿方向a运动的液晶分子能够进一步运动到周边区3，而且聚集在周边区中的液晶分子能够进一步沿方向c和d运动。此外，液晶分子还能够沿方向e运动。

另一方面，在白色显示区中，伴随着液晶沿方向b的运动，聚集在周边区中的液晶分子能够在方向cc和dd以及方向ee上运动。

可以推测到上述现象的出现是因为：当液晶分子以较大的预倾斜角排列时(也就是说接近垂直(homeotropic)排列时)，沿面板表面形成的蝶状结构层趋于各向同性状态，所以液晶分子以各向同性的方式响应外部电场对它的作用而产生运动。

结果是，在本发明的液晶面板中，即使是如图3A所示因液晶分子运动而导致出现压力的分布，该压力分布也会如图3B所示因液晶分子在周边区域中产生各向同性的运动而减弱，从而可以抑制盒厚度沿面板边部的增加。

图3B表示一个最佳实施例，其中周边区设置在面板的整个周边上，但这不是必需的，可以将周边区仅设置在例如图3B所示面板的顶端和底端。

在其它优选实施例中，可以优先选择性地采纳以下特征。

最好是将构成本发明的液晶装置的至少一个基片的内表面磨毛。这是因为，如果通过磨毛的内表面将液晶分子在有效光调制区中的运动抑制到一定程度，就能够以良好的平衡由有效光调制区中的运动形成从周边区注入液晶和将液晶释放到周边区的最佳条件。用于该目的的磨毛表面可以是规则的或不规则的。

关于有效光调制区中的预倾斜角有两种有效的设计思想，其中之一是，进行取向处理以便提供10-25°范围内的预倾斜角。根据另一种设计思想，将预倾斜角抑制在最大为5°。前一种设计对快速形成人字纹的结构是很有效的，其中，例如通过随摩擦或间接蒸发而形成相互平行和实际上与构成液晶装置的一对基片方向一致的单向排列晶轴而使得蝶状结构层在基片之间呈弯曲状。如此得到的大预倾斜角的人字纹结构的优点是：即使与粗糙的内表面接触，也不会很快地引起排列紊乱。后一种设计对快速形成书架式结构是很有效的，这种书架式结构通过形成相互平行并与对一对基片方向相对的单向排列晶轴或是通过仅相对于一个基片形成一个单向排列轴而使得蝶状结构层在基片之间没有弯曲。在如此得到的小倾斜角书架结构中，即使没有粗糙的内表面，液晶分子运动的速度也是比较小的，所以能够很容易地实现向周边区移动速度和离开周边区速度之间的平衡。就光学特性而言，小倾斜角的书架式结构能够提供更好的排列状态。

按照本发明，不必将周边区设置成围绕整个有效光调制区的形式。在两个横向端或两个纵向端，最好是在蝶状结构层延伸的方向上设置这种周边区就足够了。周边区的宽度最好大于一个象素宽度。最好用掩蔽件或阻光件对周边区进行光学掩蔽以便基本上不产生光学调制。从理论上说只要周边区具有比有效光调制区大的预倾斜角就足够了，即使差别很小也行，这是由于在周边区比在有效光调制区能够获得更大的移动性。然而，最好是使该预倾斜角的差值至少为10°。为了便于液晶盒的生产，希望基本上为垂直排列。

周边区可以包含一个其预倾斜角与有效光调制区的近似相等的分区。该分区最好布置在靠近有效光调制区的地方。

在周边区可以象有效光调制区中那样布置电极以便通过选择性地施加电场来促进液晶分子的运动。最好是借助与那些用于驱动有效光调制区内象素上的液晶的扫描信号和/或数据信号相同的驱动信号来形成电场。

在制备液晶盒时，最好在基片之间散布隔离颗粒和粘结颗粒，以便抑制液晶分子在有效光调制区中的运动。

下面，将说明本发明中使用蝶状结构液晶的显微结构。

如图4所示，可以将包含人字纹结构的层列相中的排列状态描述成包括C₁和C₂的两种排列状态。参照图4，标号31表示蝶状结构层，32表示C₁排列区，33表示C₂排列区。蝶状结构的液晶通常具有层状结构，而且当其从SmA(蝶状结构A)相变为SmC(蝶状结构C)相或SmC*(手征蝶状结构C)相时会引起层间隔的缩小，从而导致如图4所示在上下基片11a和11b之间带有弯曲的结构(人字纹结构)。如图所示，在与C₁和C₂排列相应的两种情况下会出现层31的弯曲。众所周知，由于液晶分子在摩擦方向上以前端(导向端)从基片表面11a和11b朝上(或离开)的方式在方向A上产生摩擦而导致液晶分子在基片表面上排列成一定角度a(预倾角)。由于这种预倾斜，使C₁和C₂彼此之间的排列状态因其弹性能不同而不相等，而且在一定的温度下或当施加机械应力时在这些状态之间会产生跃迁。从图4所示的平面图中观察图4所示的层状结构时，在摩擦方向A中看起来，从C₁排列(32)变成C₂排列(33)的边界34象是锯齿形闪电状，将其称为闪电形缺陷，而从C₂排列(33)变成C₁排列(32)的边界35则构成宽的较缓的曲线，将其称为发夹形缺陷。

当在一对带有单向排列轴的基片11a和11b之间设置手征蝶状结构液晶时，其中的单向排列轴是经过单向取向处理(如摩擦)等而形成的、基本相互平行且方向一致的轴，和当液晶排列成满足关系式

的排列状态时，其中

表示倾斜角(锥角的一半)，δ表示SmC*层的倾角，则有四种状态，每种状态都具有C₁排列状态的人字纹结构。这四种C₁排列状态与已知的C₁排列状态不同。此外，四种C₁排列状态中有两个构成双稳态(均匀排列)。在此，在无电场存在时，四种C₁排列状态中其间构成满足关系式

的明显倾斜角的两种排列状态都被看作均匀状态。

在此均匀状态下，由于导向偶极子(director)的光学特性可以被认为在基片之间不会扭曲。图5A是说明在C₁排列的各状态下导向偶极子在基片之间的位置的示意图。51-54分别表示从每个圆锥底部观察一导向偶极子投影到圆锥底部的形式表示的偶极子在基片之间的位置变化。51和52处表示的是倾斜状态，而53和54处表示的是认为代表均匀排列状态的导向偶极子的分布。如从图5A所能看到的那样，在代表均匀状态的53和54处，上基片或下基片上分子的位置(导向偶极子)与倾斜状态下的不同。图5B表示C₂排列的两种状态，在边界处没有观察到两者之间的转换但能观察到内在的转换。C₁排列中的均匀态53和54比传统的用于C₂排列中的双稳态具有更大的倾角θ_a和更高的亮度以及更大的对比度。

与之相反，图6A和6B示意性地表示书架式结构的蝶状层结构，图6A表示包含小预倾角(a₁)的倾斜式书架结构而图6B表示大预倾角(a₂＞a₁)的倾斜式书架结构。

在本发明中，优选使用在C₁排列中预倾角至少为10°，最好为10°-25°，的大预倾角人字纹结构，或使用预倾角最多为10°，最好至多为5°的小预倾角书架结构。

〔盒结构〕

根据本发明的液晶盒(装置)由一对基片构成，该基片可以是任何材料，只要至少其中之一是透明材料即可。这种透明基片材料例如可以包括玻璃、石英和塑料板。另一方面，不需要光透过的基片可以是包括金属、半导体和绝缘材料在内的任何材料，只要它具有合适的基片表面即可。

可以分别用于形成在基片对的相对电极中的至少一个是由透光导体构成，合适的透光导体的例子包括：氧化锡、氧化铟和氧化锡铟(ITO)。根据需要，可以用沿透光电极侧面布置的具有低电阻率的金属来补充透光电极。电极的厚度最好是40-200nm。

可以用取向膜(alignment film)涂覆基片，这种膜可以是：有机材料膜，如聚酰亚胺、聚吡咯、聚乙烯醇、聚酰胺酰亚胺、聚脂酰亚胺、聚对二甲苯、聚脂、聚碳酸脂、聚乙烯醇缩乙醛、聚氯乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚苯胺、纤维素树脂、丙烯酸树脂和密胺树脂；和无机膜，如间接蒸发的SiO膜。取向膜的厚度最好为约5-100nm。通过使液晶材料与取向膜适当的结合可以形成所需的预倾角，但最好是通过适当地选择摩擦强度(如，摩擦强度，摩擦次数等)来获得预期的预倾角。

在本发明中，还可以在取向膜下面设置绝缘膜。绝缘膜最好是由例如TixSiyOz(x+y+z＝1)、SiO₂、TiO或Ta₂O₅等无机材料构成。在基片的内表面为磨毛表面的情况下，最好是在绝缘膜中散布一些氧化物的小微粒，如SiO₂、Al₂O₃等。

用于形成粗糙内表面的绝缘膜可以通过例如将其中包含分散细微粒的无机膜母体(例如包含比例为1∶10-10∶1，最好为约1∶1的钛和硅)的溶液或悬浮液加到基片上，然后对其进行烘焙来制备。可以通过改变细微粒的散布密度和平均粒度以及覆盖在细微粒上的绝缘膜的厚度来控制不平整度。用于形成粗糙内表面的细微粒大小最好为约1-100nm。其中保留有细微粒的绝缘膜厚度最好是大20-30nm。

通过在基片上的周边区域中设置绝缘膜和取向膜之一或两者均设置，可以在该区中形成大预倾角的排列，最好是垂直排列，但是这些膜不经过例如摩擦等单向排列的处理。

通过摩擦确定单向排列轴的方向以便在与排列轴方向交叉的两侧上设置周边区，由此，在蝶状结构层中运动的液晶分子可到达布置在蝶状结构层两端上的一个的预倾角周边区。

(液晶盒的制造)

例如可以用下列方式制造液晶盒。

可以提供一对例如玻璃制的透明基片。每个基片上都设有通过蒸镀，例如CVD(化学汽相淀积)、喷镀或离子镀等形成的透光导体膜，然后通过蒸镀用绝缘膜涂覆条形电极。为了提供粗糙的内表面，可以在膜上加入含有分散细微粒的无机薄膜母体溶液，并进行焙烧和烘焙以形成具有粗糙表面的绝缘膜。然后，用旋涂器涂覆聚酰胺酸溶液，再进行烘焙来形成取向膜。再对取向膜进行摩擦处理。在经过处理的那个基片上散步隔离微粒，并在除了形成注入口的部分上加周边密封件，把另一个进行类似处理的基片加在其上，如果需要的话还附加有散布粘结微粒的工序以便形成空盒。然后，通过注入口逐渐注入加热到较高温度相的液晶材料，填满该空盒，并使其逐渐冷却以产生到手征层列相的转变。

可以通过在基片的整个内表面上形成垂直排列的膜，然后在遮住构成基片周边区的保留部分的同时，选择性地摩擦构成基片显示区的部分，或者是通过分别在基片的显示区和周边区上布置产生小预倾角的小预倾角取向膜和产生大预倾角的大预倾角取向膜来构成具有不同预倾角的显示区和周边区。

除了上述使用含有分散细微粒的绝缘膜母体溶液的方法之外，还可以使用EP-A0550846(U.S.S.N07/988，830)中公开的方法完成将基片内表面磨毛的过程。

下面，将描述优选的摩擦方式。

图7A和7B分别是示意性说明摩擦处理方式的透视图和侧面图。参照这些图，摩擦设备(未完全示出)包括摩擦滚120，该摩擦滚由柱状滚筒121和缠在滚子121周围的摩擦织物(例如用尼龙绳编织的织物122)构成。当沿方向B移动玻璃基片11a(或11b)或在相反的方向上移动滚子120时，摩擦滚120沿方向c滚动并同时以规定的压力与基片11a(或11b)上取向膜14a(或14b)相接触。结果是，取向膜14a(或14b)与被赋予取向控制能的摩擦滚120产生摩擦。该取向控制能最初可以通过作用在摩擦滚120和基片11a(或11b)之间的接触力来控制，而一般情况下可以通过向上或向下移动摩擦滚120来改变摩擦织物122相对于取向膜14a(14b)压下的深度ε(图7B)来控制。除了压入深度ε之外，还可以通过改变滚筒的转动速度，滚筒的进给速度(相对于基片)和摩擦操作的次数来控制包含设定预倾角的取向条件。

其次，与本文有关的表示液晶盒排列特征的参数是根据由下述方法测得的值而得到的。

实际倾斜角θ的测量

将一个样品液晶盒夹在正交尼科尔偏光镜之间并向其施加明显大于脉冲阈值电压的双极性脉冲(例如，在单脉冲阈值电压为10伏和50毫微秒的情况下，用10伏和10赫兹的AC脉冲)。在供电的情况下，使样品盒相对于偏光镜水平转动同时测量透过盒的透光率以便找出第一消光位置(具有最低透光率的位置)和第二消光位置。

视倾角θ_a的测量

向夹在正交尼科尔偏光镜之间的样品液晶盒施加过阈值电压的单极性单脉冲。然后，在没有电场的情况下使其相对于偏光镜水平转动以找出第一消光位置。然后，向液晶盒施加超出其阈值的、相反极性的单脉冲，并使其在没有电场的情况下相对于偏光镜转动以找出第二消光位置。测得的视倾角θ_a是第一个和第二个消光位置构成的角度的一半。

预倾角a的测量

根据Jpn.J.Appl.Phys.Vol19(1980)，No.10，short Notes2013中所述的晶体转动方法进行测量。

更具体地说，将一对在相互平行和相反方向上摩擦过的基片彼此放置成命使其构成一个间隙为20μm的盒，然后用在10-55℃的温度范围内通过将80％(重量)的铁电液晶(由Chisso K.K制造的“CS-1014)”与20％用下列公式表示的化合物。

相混合得到的呈SmA相的液晶混合物填满液晶盒。

为了进行测量，使液晶面板在垂直于基片对和包含取向处理轴(摩擦轴)的平面内转动，在转动期间，用氦—氖激光束照射面板，该氦氖激光束具有一个偏光面，该偏光面在与转动平面垂直的方向上与转动平面构成45℃角，由此，用光电二极管对从反面穿出偏光镜的透射光的强度进行测量，所述偏光镜的透射轴平行于入射偏光面。

通过模拟使由干涉形成的透射光的光强光谱适合下列公式(3)和(4)，从而得到预倾角a。 $T\left(\mathrm{\φ}\right)={\cos }^2\left[\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}}\right(\frac{\mathrm{NoNe}\sqrt{N^2\left(\mathrm{\α}\right)-\sin \mathrm{\φ}}}{N^2\left(\mathrm{\α}\right)}-\sqrt{N\stackrel{2}{e}-{\sin }^2\mathrm{\φ}}$ $-\frac{N\stackrel{2}{e}-N\stackrel{2}{o}}{N^2\left(\mathrm{\α}\right)}\sin \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\φ}\left)\right]---\left(1\right)$ $N\left(\mathrm{\α}\right)\≡\sqrt{N\stackrel{2}{o}\mathrm{co}{s}^2\mathrm{\α}+N\stackrel{2}{e}{\sin }^2\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

在上述公式中，各符号具有以下含义：

NO：正常射线的折射率，

Ne：异常射线的折射率，

φ：液晶面板的转角，

T(φ)：透射光强度，

d：盒厚度，和

λ：入射光的波长。

下面将描述包含本发明的液晶装置的图象显示设备。

图8是这种图象显示设备，特别是它的控制系统的框图。参见图8，显示设备包括显示装置200，该装置200由包含上述有效显示区2和周边区3以及可任意选用的正交尼科尔偏光镜(或在使用反射型显示装置时的一个偏光镜)和背面照明的液晶装置(面板)1构成。该显示设备还包括含有译码器和多个开关的扫描线驱动电路201；含有闩锁电路、移位寄存器和开关的数据线驱动电路202；用于向电路201和202提供多电平参考电压的参考电压发生电路203；包含用于保存图象数据的CPU和RAM的控制电路204；和用于提供输入图象数据的图象信号源210，例如图象传感器或执行应用程序的计算机。

下面将描述包含本发明的液晶装置的图象形成设备。图9是这样一个图象形成设备的示意图。参见图9，该图象形成设备包括一个用于在光敏部件213上形成静电图象的照射装置(exposuremeans)210，光敏部件213由光电导体(例如含碳的加氢非晶硅或有机光电导体)构成。照射装置210包括与光阀阵列或矩阵相结合的上述液晶装置，其背后放置有光源215。该图象形成设备进一步包括用显象器在光敏部件213上显出静电图象以便在光敏部件213上形成调色剂图象的显象装置211。将光敏部件上形成的调色剂图象转移到记录介质(如普通纸)214上。用清除装置212除去在光敏部件213上剩余的调色剂。

可以用图10A中示意性地表示的一组驱动信号来驱动本发明上述液晶装置。图10A中所示的驱动信号包括从扫描线驱动电路(图8中的201)分别供给扫描线S₁、S₂和S₃的扫描信号S₁、S₂和S₃；从数据线驱动电路(图8中的202)供给数据线I的数据信号；和组合电压波形I-S₁、I-S₂、I-S₃，它们分别供给处于数据与扫描线S₁、S₂和S₃交叉点上的象素，以便形成如图10B所示由白(W)、黑(B)和白(W)象素构成的显示状态。

下面将参照附图说明本发明所述液晶装置(面板)的几个具体实施例。

(实施例1)

图11是根据本发明的一个实施例所述液晶面板的平面图，图12是沿图11中线B-B′的剖面图。参照这两个附图，液晶面板包括由上基片11a和下基片11b形成的基片对，两个基片彼此平行设置而且其上分别带有厚度为大约400-2500A°的透明电极12a和12b。在该实施例中，在与周边区3相对应的基片11a和11b的部分上涂覆含100-1000A°-dia的、厚度约为100-1000A°的绝缘膜13a和13b。为了在周边区3上形成比设有条形电极12a和12b且被周边区3包围的显示区2中大的预倾角，可为了在周边区3中形成与基片垂直的排列，使用溶液形成了二氧化硅颗粒。此外，在与显示区2和周边区3相应的基片11a和11b上涂覆取向膜14a和14b，并在其之间设置铁电液晶15。为了使铁电液晶15在显示区2中取向而对显示区2中的取向膜14a和14b进行了选择性地取向处理。铁电液晶的排列状态不仅受取向处理条件的影响而且还受取向膜下面的表面状态的影响。在该实施例中，当铁电液晶在显示区中形成上述均匀排列时，如果对取向膜进行取向处理，那么周边区中的铁电液晶将以较大的预倾角排列，或者与基片垂直排列。这已经被我们的实验所证实。还可能用另一种方法在周边区中实现这种排列状态。

可以在透明电极12a(和/或12b)和取向膜14a(和/或14b)之间设置厚度为例如200-3000A°的绝缘膜(例如SiO₂、TiO₂或Ta₂O₅膜)。基片11a和11b之间的间隔可以用分散在液晶层15中、平均直径为约1.5μm的二氧化硅颗粒进行控制，并用密封粘结剂17将基片11a和11b彼此粘接起来。

(实施例2)

图13表示对上述实施例1进行改进后的实施例2。在该实施例中，提供有扫描信号的电极12a和提供有数据信号的电极12b分别延伸到左右周边区和上下周边区。而且，周边区的所有四个侧面都能受双极脉冲的作用而驱动。

结果，根据该实施例，在周边区中的液晶不会出现象一个稳态那样的偏斜，而且可以使液晶分子在周边区中平稳运动从而增强了防止变黄的能力。

(实施例3)

图14表示对实施例2进行进一步改进后的实施例3。在该实施例中，将周边区3分成邻近显示区2的内框区32a和包围内框区32a的外框区32b。在此，对内框区中的基片11a和11b进行与在显示区2中同样的取向处理，以便使其最终的预倾角与显示区中的相等。另一方面，对外框区32b中的基片11a和11b进行大预倾角处理，以便使外框区32b中的液晶形成至少为20°的大预倾角。

在该实施例中，对内、外框区32a和32b进行光学掩蔽以便使得由该区域中的液晶引起的光学变化不明显。

可以通过在相应部分的至少一个基片11a或11b上设置遮光(即光学掩蔽)膜或通过在由固定有显示面板的外壳遮住的部分上设置周边区来实现这种掩蔽。

(实施例4)

图15表示对实施例2进行改进后的实施例4。在该实施例中，在靠近显示区四边的周边区中处于扫描电极12a和数据电极12b的交叉处形成有掩蔽的象素。此外，在四个角32C上填充密封粘接剂以便将周边区分成四个(上、下、左和右)包含被掩蔽的象素的分离周边区。

在该实施例中，向所有电极(也包括那些构成被掩蔽象素的电极)施加双极脉冲，这些脉冲相对于特定的参考电势(例如分配到未被选择扫描电极上的电势)有正和负电压。

如上所述，不必将周边区设置成包围显示区的所有四个边，而且如果所形成的周边区的宽度为显示区中至少一个象素的宽度就能够避免变黄。然而，考虑到通过重新驱动而长时间地形成一个特定的显示图案(如条形图案或全黑或全白显示状态)的情况，需要形成一个如图11-14所示的用于包住显示区整个周边的周边区。为了防止在与显示区的边缘相一致的小预倾角取向区和大预倾角取向区之间的边界处出现突变时可能出现的问题，和防止出现影响显示区中显示质量的不良后果，最好如图14所示的实施例那样设置一个小预倾角的内框区。在这种情况下，比较合适的是使内框区和外框区相似，具有至少一个象素的宽度。在图15的实施例中形成的被掩蔽象素可以构成与显示区中相类似的小预倾角区。

下面将根据实验例对本发明所涉及的液晶装置的一些性能进行说明。

实例1

通过测射，在两个平面尺寸为300mm×300mm和厚度为1.1mm的玻璃基片上分别涂覆厚约1500A°的ITO(氧化锡锢)膜，然后通过平版印刷步骤将其制成条形电极。

进一步在条形电极上涂覆约900A°厚的Ta₂O₅膜以便通过溅射形成短路保护。然后，如图13所示，在每个基片的显示区2和围绕显示区2的周边区3上通过曲面印刷涂覆包含直径约450A°二氧化硅粒子(由Shokubai kasei K.K生产的“PAM606EP”)的绝缘膜母体溶液，并且在300℃焙烘约1小时从而形成约200A°厚的不平整绝缘膜。然后，在包含每个基片显示区和周边区的整个表面上通过曲面印刷涂覆聚酰亚胺母体溶液(由日立化成K.K.生产的LQ1800”)，并在约270℃下烘焙约1小时以便模仿形成约200A°厚的聚酰亚胺取向腊，然后用尼龙绳编织的摩擦织物对膜上除了周边区的其它部分进行摩擦处理。接着，在经过上述处理的两个基片之一上散布约为1.5μm直径的二氧化硅颗粒，而对所用的另一个基片则是在其除了留下注入口5之外的周边上用曲面印刷的方法涂覆密封粘接剂，由此使得基片上的摩擦方向实际上彼此平行且方向一致。(一般情况下，可以将摩擦方向设计成彼此相交)。这样就制成了一个其显示区对角尺寸约为15英寸的空白面板。在这个阶段，面板仍然保留着注入口5，通过该部分可以将液晶注入。

就液晶的注入而言，将空面板放入一个注入器中，注入器的内部可以被加热或压缩。然后将注入器排空使空面板内部形成真空，并将液晶送至面板的注入口。

然后，将注入器内的温度升高以降低液晶的粘滞度并使注入器中的压力增加，由此通过注入口将所采用的液晶注入到面板中。液晶注入完成之后，将面板冷却到SmC*相温度，然后用环氧树脂粘结剂塞住注入口从而制好该实例的液晶面板。所用的液晶是表现出下列相转换序列的嘧啶基混合铁电液晶。

此外，为了计算在上面制造的液晶面板的显示区和周边区中的预倾角值，准备了由两对基片构成的两种实验液晶面板。每对基片都具有与设置有上面所制面板的基片对一样的表面薄层。此外，以与上面相同的方式(但其间隔为20μm)沿一个方向分别对一对基片进行摩擦，使它们的摩擦方向相互平行但方向相反，接着用如下所示方法注入液晶从而形成用于测量预倾角的实验面板，该预倾角是与该实例的面板显示区相应的预倾角。对另一对基片不沿一个方向进行摩擦但也使它们相隔20μm，然后用如下所述方法填入液晶从而形成测量预倾角用的实验面板，该预倾角是与实例中的面板周边区相应的预倾角。

所用的液晶是在10-55℃温度范围内通过将80％(重量)的铁电液晶(由Chisso K.制造的“CS-1014”)与20％(重量)用下式：

表示的化合物相混合得到的呈SmA相的液晶混合物。

用上述方式测得的与显示区相应的预倾角是17.5°而与周边区相应的预倾角为58.5°。在该实例的实际液晶面板中，显示区中形成均匀的排列状态，而在周边区中则构成因正交尼科尔偏光镜作用基本上不产生亮态的排列状态。

其次，为了判断液晶分子在液晶面板中的运动程度，如图16所示在沿与面板的摩擦方向R相垂直的方向上形成两个条状区S₁和S₂。在条状区S₁中，液晶分子均匀地排列成出现平均分子轴a位置状态的一种稳定状态，在条状区S₁中，液晶分子均匀地排列成出现平均分子轴b位置状态的另一种稳态。在这种状态下，向面板连续施加脉冲宽度为25μsec和电压幅度为40伏、的且脉冲保持和间歇时间比为1/2的矩形AC脉冲约20小时。此后，在A和B两点上，即显示区两端侧的两点上测量盒的厚度。结果，与施加上述电场之前的盒厚度相比，在所有点上都没发现盒的厚度发生变化。

比较例

用与实例1相同的方式制备液晶面板，但是不在周边区布置含有二氧化硅颗粒的非平整绝缘膜，而是对其进行与显示区中类似的摩擦。用与实例1同样的方法进行测量的结果表明，显示区上的预倾角是17.6°而周边区上的预倾角是17.3°。两个区中的排列状态都是均匀状态。

然后，用与实例1相同的方法判断液晶分子的运动情况，与施加电场前的值相比较，部分A和B处显示的盒厚度分别增加35％和39％。

实例2

在该实例中，通过使用用于在周边区中形成与基片垂直排列状态的、垂直排列的媒体来制备液晶面板。更具体地说，用与实例1相同的方式对两个基片进行处理直至提供Ta₂O₅膜的步骤。然后，在每个基片上涂覆与实例1中形成的膜相同的聚酰亚胺取向膜。然后对两个基片进行彼此都适用的摩擦处理并用与实例1相同的方法注入液晶从而制得液晶面板。

在该面板中，显示区中形成均匀排列而周边区中形成基本上相垂直的排列。

然后，用与实例1相同的方法判断液晶分子的运动情况，其中与施加电场之前的状态相比，在A和B两点处没有发现盒厚度的变化。

实例3

除了在不包含直径为450A°的二氧化硅颗粒的情况下构成溶液涂覆型绝缘膜、使用含氟铁电液晶、和使基片相互作用以便使摩擦方向相互平行且相反之外，用与实例1相类似的方法制备具有图13所示的平面图案和包含有图6A所示排列成书架结构的蝶状结构液晶的液晶面板。

显示区中的预倾角是2°-3°，而周边区的预倾角是58.5°。

在基片周边区的内表面没磨毛的情况下，完全看不到与实例1相似或甚至比其更轻程度的变黄或盒厚度的变化。

在改变摩擦应力的同时所进行的几个实验的结果表明，预倾角不超过5°的面板能够得到很好的特性。

实例5

在改变取向膜材料和摩擦应力后重复实例1来制备几个具有C₁均匀排列的人字结构和在显示区有不同预倾角的液晶面板。

在这种情况下，与在显示区含有二氧化硅颗粒而构成的粗糙内表面相配合且在显示区中具有10°或更大(特别是15°-25°)预倾角的液晶面板表现出了很好的抗变黄能力。

实例6

用与实例1相似的方法，制备带有如图14所示含经摩擦处理的内框区32a和不给摩擦处理的外框区32b的周边区的液晶面板。

在内框区中预倾角为17°。

用与实例1相同的方法根据液晶分子的运动来评价面板，但前提是向构成内框区的电极施加与显示区相同的信号。

结果是，甚至在连续施加电场超过6小时之后也没观察到盒厚度的变化成变黄。

实例7

通过适当地改变实例1来分别制备具有下列特性的样品液晶面板。

〔参考样品〕

具有图11所示平面图案、在显示区和周边区的预倾角都是18°并具有粗糙内表面的面板。

〔样品A〕

具有如图11所示的平面图案而未进行表面磨毛的绝缘膜的面板。

〔样品B₁和B₂〕

具有如图11所示的平面图案、包含人字纹结构的液晶、显示区中的预倾角分别为18°(B₁)和8°(B₂)的面板。

〔样品C₁1和C₂〕

具有如图11所示的平面图案，包含书架式结构的液晶，显示区中的预倾角分别为2°(C₁)和6°(C₂)的面板。

〔样品D〕

具有如图11所示的平面图案和粗糙内表面的面板。

〔样品E〕

具有如图11所示的平面图案并且在显示区和周边区中除了隔离颗粒外还包含分散的粘结颗粒的面板。

〔样品F〕

具有如图14所示的平面图案在无内表面粗糙处理的情况下制得的面板。

〔样品G₁和G₂〕

具有如图14所示的平面图案，包含人字纹结构的液晶，在显示区中的预倾角分别为18°(G₁)和8°(G₂)的面板。

〔样品H₁和H₂〕

具有如图14所示的平面图案，包含书架结构的液晶，在显示区中的预倾角分别为2°(H₁)和6°(H₂)的面板。

〔样品I〕

具有如图14所示的平面图案和粗糙内表面的面板。

〔样品J〕

具有图14所示的平面图案并且在显示区和周边区中除了包含隔离颗粒外还包含分散的粘结颗粒的面板。

〔样品K〕

具有图14所示的平面图案，具有粗糙的内表面，包含预倾角为18°的人字纹结构液晶和包含粘结颗粒的面板。

〔样品L〕

在内表面不进行粗糙处理的情况下制得的具有图15所示平面结构的面板。

用各个样品制得10个面板并根据下列项目对其进行评价：(1)向这些面板分别连续施加电场20小时、40小时和60小时后在所有10个参考样品的面板出现变黄后的变黄程度；(2)用显示区侧端边处出现的取向缺陷来评价取向状态；(3)用在两个稳态之间转换的两个方向之间的阈值差来评价单稳状态。

经与参考样品面板分别对比后，将结果概括列在下列表中，其中◎表示6个或更多个面板表现出较好的特性，○表示2-5个面板表现出较好的特性，△表示0-1个面板表现出较好的特性。

样品  在以下时间之后变黄取向单稳态

      20小时40小时60小时

A       ◎    ○    △     ○     △

B1      ◎    ◎    ○     △     ○

B2      ◎    ○    ○     △     △

C1      ◎    ◎    ◎     ○     △

C2      ◎    ○    ○     △     △

D       ◎    ○    ○     △     △

E       ◎    ◎    ○     △     △

F       ◎    ○    △     ◎     △

G1      ◎    ◎    ○     ◎     ○

G2      ◎    ○    ○     ◎     △

H1      ◎    ◎    ◎     ◎     △

H2      ◎    ○    ○     ◎     △

I       ◎    ○    ○     ◎     △

J       ◎    ◎    ○     ◎     △

K       ◎    ◎    ◎     ◎     ○

L       ○    △    △     △     △

如上所述，根据本发明，应使显示区周围的周边区中的预倾角大于显示区中的预倾角或将周边区中的液晶设置成与基片相垂直的排列状态以便防止或抑制由于连续施加电场而引起的沿液晶装置(面板)出现的局部压差，由此可避免产生盒厚度变化或伴随盒厚度变化而出现的变黄。

Claims (15)

1.一种液晶装置，包括：

一对相对设置的基片，所述基片具有相对的内表面和设在内表面上的相对的电极，且至少一个所述基片和至少一个所述电极是透明材料制成的；以及

设置于相对的电极之间的手征蝶状结构的液晶，所述液晶装置具有有效光调制区和在有效光调制区外面的周边区；

其中，液晶分子在周边区中的预倾角大于液晶分子有效光调制区中的预倾角。

2.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：所述手征蝶状结构的液晶由在电场的作用下能沿基片的表面运动的液晶分子构成。

3.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：至少一个基片的内表面是磨毛了的。

4.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：所述有效光调制区中液晶分子的预倾角至少为10°。

5.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：所述有效光调制区中液晶分子的预倾角最多为5°。

6.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：周边区包含与有效光调制区邻接的第一区和在第一区外部的第二区，第一区中的液晶分子的预倾角基本上等于有效光调制区中的预倾角，而第二区中液晶分子的预倾角大于有效光调制区中的预倾角。

7.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：在基片之间散布许多粘接颗粒和隔离颗粒。

8.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：根据参考电势向相对的电极施加由双极驱动脉冲构成的驱动信号。

9.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于：用掩蔽件对周边区进行光学遮盖。

10.如权利要求1-9中任一项所述的液晶装置，其特征在于：至少一个基片具有分散在其上的细颗粒和盖在细颗粒上以提供粗糙表面的取向膜，细颗粒的平均粒径为1-100nm。

11.如权利要求1-9中任一项所述的液晶装置，其特征在于：所述手征蝶状结构液晶是铁电液晶。

12.一种图象形成设备，包括含有权利要求1-9中任一项所述液晶装置的照射装置、受照射装置照射的光敏装置和显象装置。

13.一种图象显示设备，包括含有权利要求1-9中任一项所述液晶装置的显示装置；包括一扫描线驱动电路和数据线驱动电路、向显示装置提供包含扫描信号和数据信号的驱动信号的驱动装置；向所述驱动装置提供多电平参考电压的参考电压发生装置；至少一个偏光镜；和用于提供显示图象信号的图象源。

14.如权利要求13所述的图象显示设备，其特征在于：所述图象源包括一个图象传感器。

15.如权利要求14所述的图象显示设备，其特征在于：所述图象源包括一个计算机。

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