液晶装置的制作方法

液晶装置


背景技术：

1.传统的液晶装置(lcd)中的电极配置产生电场，该电场的方向与lcd的基板正交或平行，或者电场相对于装置的基板具有多个不同的倾斜方向，多个不同的倾斜方向在基板上的投影不具有连续的方位角分布。由于液晶具有双折射性(各向异性的光学性质)，液晶在外加电场作用下的切换导致所产生的图像与方位角相关。
2.此外，使用用于显示由lcd产生的信息的偏振片和不同的补偿膜产生恶化了所显示信息的光学特性，并且使装置的结构和生产工艺复杂化。
3.用于改善lcd的方位角视角的许多解决方案已经被提出并且进行了实验，但是仍然没有令人满意的解决方案使得能够在使用或不使用正交线性偏振片或圆偏振片的情况下获得恒定的视角。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有技术的上述问题并且提供一种改进的液晶装置，该液晶装置能够控制入射光以及显示与视角无关的信息内容。该液晶装置还应该能够实现快速切换以及长时间持续的记忆状态(双稳态状态)。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种液晶装置。所述液晶装置包括第一基板、第二基板和液晶层，所述液晶层被夹在所述第一基板和所述第二基板之间；其中，在所述第一基板和所述第二基板中的至少一个上沉积有电极结构，所述电极结构包括：第一电极层、绝缘层和第二电极层；其中，所述电极结构包括延伸穿过所述第二电极层和所述绝缘层的孔，使得所述绝缘层是不连续的，并且其中，每个孔适于产生具有方位角退化方向(azimuthal degenerate direction)的局部边缘场(local fringe field)。由于孔贯穿第二(像素)电极层和绝缘层，从而使得绝缘层是不连续的，这使得在孔周围提供了退化方位角边缘场的更强的平面分量，从而使得由于增强了液晶分子的面内切换而导致图像的对比度增加。孔可以是空的或者填充有另一种绝缘材料，另一种绝缘材料不同于绝缘层的材料并且另一种绝缘材料的介电常数高于绝缘层的材料的介电常数。在一些实施例中，孔用介电常数比不连续的绝缘层的介电常数高的材料进行填充。例如，孔用介电常数是绝缘层的介电常数的至少2倍高、或至少5倍高、或至少高倍10的材料进行填充。
6.具有层状结构的电极在层状电极结构中的孔周围产生多个方位角退化边缘场(azimuthally degenerated fringe fields，ad-ffs)，孔穿过位于第二电极和公共电极之间的第二(像素)电极层和绝缘层。这些ad-ffs具有方位角退化方向，并且在很大程度上定位成非常靠近第二电极表面。层状电极结构中的这些孔可以是空的或填充有绝缘材料。液晶层可以包括但不限于向列相、胆甾相、近晶相或蓝相液晶以及聚合物网络。
7.向列相液晶的分子具有各向异性的分子形状和长程的分子序。因此，向列相液晶的分子具有各向异性的物理性质，例如双折射性。当液晶的分子在唯一的取向方向上取向时，向列相液晶在光学上表现为单轴(双折射)光学板，其中光轴沿着优选的取向方向。由于液晶的双折射性，液晶从一种配置到另一种配置的重新排列导致电光效应的产生。胆甾相
液晶与向列相液晶类似，但是胆甾相液晶还具有螺旋状分子序，从而产生了胆甾相液晶特有的光学性质，诸如选择性的光反射和光偏振面的旋转。近晶相液晶(诸如sma)除了具有向列相液晶的长程的序之外还具有层状结构。液晶体中或液晶与基板表面之间的界面附近的聚合物网络的存在导致该界面的区域的扩大，从而改善了液晶的切换行为，诸如降低了上升时间τ
rise
或下降时间τ
fall
或降低了两者。液晶中的这种聚合物网络提高了液晶取向配置的稳定性。
8.向列相、胆甾相和近晶相液晶可以在外场作用下定向和再定向，从而产生电光效应。为了使电光效应可视化，这些效应中的一些在线性或圆偏振片之间是可观察到的。通过液晶的场致光散射状态以及在液晶中溶解二向色性染料或二向色性染料的混合物，可以不需要任何偏振片。
9.根据本发明的至少一个示例性实施例，位于第二电极和公共电极之间的所述第二电极层和绝缘层包括多个第二电极层和绝缘层单元，多个第二电极层和绝缘层单元包括用于产生具有方位角退化方向的局部边缘场的孔，其中，所述多个第二电极和绝缘层单元彼此电绝缘。
10.通过在这些单元中提供多个第二电极和绝缘层单元，每个第二电极和绝缘层单元具有孔，实现了单元以及孔可以被独立驱动的像素化结构。
11.根据本发明的至少一个示例性实施例，所述第一基板和所述第二基板均包括所述层状电极结构。
12.通过使得两个基板包括层状电极结构，ad-ffs的效果将增加，从而使得显示信息(图像)具有更好的对比度以及更好的极性视角。
13.根据至少一个示例性实施例，所述第一基板上的层状电极结构的所述孔具有第一分布，并且所述第二基板上的第二电极层的所述孔具有第二分布。
14.例如，第一分布与第二分布不同。因此，孔可以例如不重合。如果一个基板上的电极中的孔与另一个基板上的电极中的孔不重合，可以实现对装置的工作区域更好的覆盖。
15.作为另一个示例，孔可以被布置为使得孔重合。孔重合应被理解为当从垂直于任一基板的表面的方向观察液晶装置时，孔会重合，即，第一基板上的电极结构的孔和第二基板上的电极结构的孔位于与垂直于任一基板的表面的所述方向重合的公共轴线上。
16.通过使孔重合，实现了散射或暗态的较高光密度。
17.根据本发明的至少一个示例性实施例，所述孔是圆形的。
18.当第二电极中的孔为圆形时，所产生的局部ad-ffs的线围绕每个孔的中心具有均匀的方位角分布，即具有方位角对称性。ad-ffs导致由根据本发明的装置显示的与视角无关的图像。
19.孔也可以是六边形、菱形、二次型或任何其他几何形状。
20.根据本发明的至少一个示例性实施例，所述孔具有均匀的分布。
21.位于层状电极结构上的孔的均匀分布导致通过本发明的装置显示的图像具有均匀性。
22.根据至少一个示例性实施例，所述第一基板和所述第二基板中的至少一个是柔性的。
23.通过该装置具有柔性基板，装置被制成是柔性的，并且例如可以被用于非平坦的
表面。
24.根据本发明的至少一个示例性实施例，所述第一基板和所述第二基板中的一个是透明的，并且所述第一基板和所述第二基板中的一个是反射镜。
25.在这种情况下，根据本发明的装置将在光反射区中工作。不透明基板可以是强光散射基板，例如漫射器，而不是反射镜。
26.根据本发明的至少一个示例性实施例，所述装置还包括至少一个光伏半导体转换层。
27.根据本发明的至少一个示例性实施例，绝缘层是光伏半导体转换层。装置包括至少一个光伏半导体转换层，在光的照射下，ad-ffs在孔周围产生并且相应地切换液晶分子。
28.根据本发明的至少一个示例性实施例，所述装置还包括两个偏振片，其中，所述第一基板、所述第二基板和所述液晶层被夹在所述偏振片之间。
29.液晶分子通过诸如电、磁、光学等外场的重新定向通常通过线性、圆形和透反射的偏振片结合或不结合光学板(诸如i/2、i/4、a-、a 、c-、c 等)来实现可视化。偏振片可以例如是圆形偏振片、线性偏振片或其组合。
30.根据本发明的至少一个示例性实施例，所述偏振片是圆形或线性的。
31.由于液晶的双折射光学性质，可以通过线性或圆形偏振片将液晶从一种配置切换到另一种配置的切换进行可视化。根据装置中利用的电光效应，可以使用一个偏振片或一对这种偏振片。
32.根据本发明的至少一个示例性实施例，液晶层包括聚合物网络，聚合物网络在第一部分和第二部分的所述层状结构的所述孔周围可以具有明显的展开-弯曲结构(splay-bend structure)。
33.具有正介电各向异性(δε》0)的向列相液晶的分子沿着在层状电极中的每个孔周围产生的ad-ffs线定向，从而在孔周围形成向列相液晶的展开/弯曲变形。在向列相液晶中溶解光反应单体和适当的光引发剂，当施加电场时，这种单体的分子会遵循孔周围的液晶分子的取向。如果包含层状电极(在层状电极结构中具有孔)的样品填充有δε》0的向列相液晶(在该向列相液晶中溶解有光反应单体和光引发剂)，并且用uv光对该样品进行照射，当该样品处于场开启状态(field-on state)，光反应单体将形成在孔周围具有展开/弯曲结构的聚合物网络，在外加电场关闭后，该聚合物网络仍然存在。在场关闭状态(field-off state)下，具有这种展开/弯曲结构的聚合物网络将使得与该网络直接接触的液晶产生展开/弯曲变形，并且由此导致挠曲电极化(lexoelectric polarisation)p
flexo
。在外加电场关闭时，液晶样品中存在的这种挠曲电极化将促进液晶的弛豫。
34.本发明的另一个目的是暂时或永久地记忆所显示的信息。
35.根据至少一个示例性实施例，封装在装置中的液晶为但不限于可聚合向列相，对于某些应用，液晶可以是可光聚合的，即，在外加电场作用下，在第二电极中的孔周围产生的ad-ffs产生图像，由于向列相的光聚合，该图像在用适当波长的光照射该装置后变得永久。也可以使用能够在温度、辐射(x射线、电子束等)作用下永久聚合的另一种液晶材料。
36.在另一个示例性实施例中，封装在装置中的液晶能够暂时记忆所显示的图像，该图像是由装置中的层状电极结构中的孔周围的ad-ffs经由但不限于通过温度或辐射(诸如x射线、电子束等)使液晶凝胶化或氢键结合来产生的。
37.随后，液晶还可以包括至少一种二向色性染料。
38.液晶层还可以包括蓝相(blue phase，bp)液晶。
39.根据本发明的至少一个示例性实施例，该装置由有源tft矩阵电子地驱动。
40.tft矩阵电子驱动被广泛用于传统的lcd中。然而，每个tft像素内的液晶的取向具有一个或多个优选的方向，但该取向并不是用于提供与视角无关的图像的方位角退化取向。通过在每个tft元件的层状电极结构中引入用于产生ad-ffs的孔，所产生的图像将具有与视角无关的恒定对比度。
41.根据本发明的至少一个示例性实施例，装置还包括永久或暂时地可聚合的液晶层。
42.根据本发明的至少一个示例性实施例，液晶层的介电常数是绝缘层的介电常数的至少2倍高、或至少5倍高、或至少10倍高。
43.根据本发明的液晶装置可以包括多个像素。每个像素包含沉积在基板中的一个基板(例如基板9)上的层状电极，该层状电极的结构包括公共电极10，该公共电极通常由透明导电材料制成，诸如由ito(氧化铟)或金属(诸如al、cr、等)制成，在该公共电极的顶部沉积有薄的绝缘膜11，诸如siox或si3n4，随后沉积第二电极12，该第二电极可以是透明的或不透明的、反射的或非反射的。第二电极和绝缘层具有开口，在开口内不存在制成第二电极的任何导电材料。这些开口可以或可以不填充介电材料。该开口进一步被称为孔。具有孔的层状电极的作用是能够产生ad-ffs并且在装置的第二(像素)电极上使边缘场成形。孔可以具有相同或不同的形式，诸如三角形、六边形、圆形(图4)、正方形等。孔的尺寸及其在第二电极区域上的分布取决于液晶装置的要求，其中，使用根据本发明的包含孔的层状电极。对于某些应用，诸如液晶显示器，优选地使用具有圆形形式、尺寸在微米范围内并且在第二电极区域上均匀分布的孔。为了对本发明进行说明，图43至图5描绘了这种液晶显示器，该液晶显示器仅包含具有层状结构的一个像素，该层状电极结构的孔具有圆形形式并且在层状电极上均匀分布。
44.本发明的重要目的是通过在层状电极结构的第二(像素)电极和绝缘层中引入孔来增强ad-ffs的平面分量，该孔可以是空的或填充有绝缘材料。优选地，液晶层的对这些孔进行填充的液晶的介电常数是绝缘层的介电常数的至少2倍高、或至少5倍高、或至少10倍高。
45.本发明的另一个目的是减少场关闭弛豫时间(下降时间)，根据至少一个示例性实施例，这通过在液晶层上施加电场来实现。由于这些原因(图6)，单个电极18沉积在装置的第二基板14的表面上，面对沉积在装置的第一基板9上的层状电极。在单个电极18和层状电极之间产生的电场大大提高了装置的切换性能，并且能够有效地清除所记忆的状态。
46.在层状电极结构中的孔周围产生的ad-ffs将提供使得液晶分子切换到以下状态，在该状态中，使得在场开启状态下的光学性质与场关闭状态的光学性质大大不同。根据本发明，产生显著光学响应的这种切换例如是通过利用ad-ffs对具有正介电各向异性(δε》0)的向列相液晶(图7a)的分子的竖直取向进行切换来实现的，其中，由于液晶光轴的退化平面取向，该装置对于场开启状态具有零双折射(各向同性)的光学性质(图7b)，该退化平面取向是由层状电极中的每个孔处产生的ad-ffs引起(图5和图7c)。
47.在场关闭状态下实现液晶的竖直取向的可能方式(图7a)是对基板内表面进行适
当处理，其中，该基板内表面与液晶接触和/或使用特定的lc和基板。根据本发明，为了将液晶装置的光学各向同性的场关闭状态与该液晶装置的退化平面取向的场开启状态之间的切换进行可视化，液晶装置被插入在两个正交的线性或圆形偏振片之间(图7d和图7e)。因此，由于液晶的va，装置的场关闭状态呈现暗态(图7b)，而由于场开启状态的光学性质，装置的场开启状态将是亮态，这是由于当该装置分别被插入在正交的线性和圆形偏振片之间时(图7d和图7e)，具有典型的光学配置的液晶分子的局部退化平面定向造成的。计算机模拟显示，当液晶装置被插入在正交的圆形偏振片之间时，所显示图像的对比度更高。在层状电极结构中的圆形孔均匀分布在像素区域上的情况下，由根据本发明的装置显示的这些图像具有恒定的对比度和与角度无关的360
°
视角。在这种情况下，通过装置的光透射率增加了大约40％，因此也增加了装置的对比度。
48.本发明的目的还在于通过提供沉积在基板表面9和14上的层状电极来提高和改善根据本发明的液晶装置的性能。图8中示意性地示出了这种液晶装置，该液晶装置的层状电极具有圆形孔，这些圆形孔相对于彼此重合(图8a)或者偏移(图8b)。然而，沉积在液晶装置的两个基板9和14上的层状电极的孔通常可以具有不同的形式、尺寸和在相应的基板上分布。具有孔的这种双层电极装置结构也极大地改善了装置的方位角视角。
49.根据本发明的装置中的液晶的切换很大程度上取决于与液晶接触的基板表面的锚定条件以及基板表面处的液晶分子的初始(场关闭)预倾。锚定条件和/或预倾角度可以通过例如光取向进行图案化，因此可以在装置中对隐藏的图像进行压印，在施加电场后这些图像变得可见。
50.通过用近晶相液晶代替上述装置配置中的向列相液晶，该装置将能够在施加电压被关闭后来记忆场开启状态，并且由此降低根据本发明的装置的功耗。此外，这种装置也可能不需要偏振片。
51.本发明的又一个目的是提供一种在不使用线性或圆形偏振片的情况下，在亮态和暗态之间切换的液晶装置，而这些偏振片对于管理光或通过光百叶窗、护目镜、头盔、显示器、光电装置等显示信息是必需的，从而提高该装置的光学性能并且降低在密集传输模式中运行的装置的照明单元的功耗。为了实现这种装置，封装在根据本发明的液晶装置的两个基板9和14之间的液晶材料16中溶解有具有各向异性分子结构的单一掺杂剂或这种掺杂剂的混合物，因此各向异性光吸收沿着与掺杂剂的分子长轴线平行、正交或倾斜的方向。这种掺杂剂可以使用二向色性染料、纳米道(nano-road)等。例如，在向列相液晶和二向色性染料的混合物中(图9a)，所谓的客体-主体(guest-host，gh)混合物[液晶(主体)包含染料(客体)]，染料分子沿液晶分子的长轴线取向。gh混合物可以包含多于一种的单一二向色性掺杂剂作为客体。根据应用领域，可以对二向色性掺杂剂或掺杂剂的混合物进行选择以在光波长光谱的不同区域(分别为uv、可见光和红外光)具有显著的光吸收。如果对装置基板的内表面进行处理以促进包含二向色性染料(或染料混合物)的液晶的竖直取向(vertical alignment，va)，其中，该二向色性染料的吸收轴线沿基板的法线，则二向色性分子的光吸收在竖直取向的液晶16中最小，并且因此，场关闭状态为亮态(图9a)。然而，在场开启状态下，如果液晶具有正介电各向异性δε》0或负介电各向异性δε《0，则由根据本发明的装置的层状电极结构产生的ad-ffs在向列相液晶16的分子上施加在第二电极12的每个孔周围的局部方位角退化取向。因此，在场开启状态下，染料分子的定向变为局部面内退化，并且
由此染料分子的光吸收在这种液晶取向织构中最大，并且场开启状态呈现暗态(参见图9b，图9b示出了负图像，即对应于实际中的亮态的暗态图像)。通过用近晶相液晶主体代替gh混合物中的向列相材料，由此可以记忆场开启状态，从而降低这种装置的功耗。
[0052]
当根据本发明的液晶装置中的液晶材料是胆甾相液晶(具有螺旋分子序的液晶)时，不需要任何偏振片。在这种情况下，优选地提供平面锚定条件以使胆甾相液晶取向，该胆甾相液晶具有沿装置基板法线形成的螺旋轴线，从而形成直立(grandjan)织构，即所谓的均匀直立螺旋部(uniform standing helix，ush)的织构(图10a)，该织构是选择性反射光的胆甾相织构。当向层状电极结构施加电场时，在层状电极中的孔周围产生的ad-ffs使得胆甾相取向的织构具有围绕孔的螺旋轴线的退化方位角分布(图10b、图10c)，即，胆甾相将采用的织构是强烈散射光的织构，该织构在所产生的ad-ffs关闭后仍然存在。在装置的另一个基板上也沉积层状电极(双层电极结构装置)(图10d)是有利的。在根据本发明的液晶装置中记忆场开启状态大大降低了装置的能耗。如果胆甾相液晶具有负介电各向异性δ《ε0，胆甾相的散射状态可以通过在液晶层上施加电场，即沿着在沉积在两个装置基板9和14上的电极之间产生的装置基板的法线产生电场来消除。如果胆甾型液晶的介电各向异性为正δε》0，则基板表面应提供用于促进胆甾相取向为均匀平卧螺旋部(uniform lying helix，ulh)的织构的锚定条件。
[0053]
提供具有光学各向同性的场关闭状态的快速切换液晶装置也是本发明的一个目的，即当该装置被插入在两个正交的线性或圆形偏振片之间时呈现暗态，并且在场关闭状态下变为亮态(透明)，该亮态通过使用蓝相(bp)液晶材料(这些材料沿三个正交方向具有非常短间距的螺旋分子序)来实现。根据本发明的液晶装置无论是当仅包含bp液晶而被布置在正交的偏振片之间时(图11a和图11b)或当δε》0的bp液晶中溶解有染料而没有偏振片时都会工作，该装置在液晶层上施加电场时呈现亮态，而在施加ad-ffs时呈现暗态(图11c和图11d)。
[0054]
另一个目的是为具有tft电子驱动的边缘场切换lcd(fringe field switching lcd，ffs lcd)的每个像素提供具有用于产生ad-ffs的孔的层状电极。在圆形孔均匀分布在像素区域上的情况下，当在正交的圆形偏振片之间观察根据本发明的装置时，该装置中的液晶切换将提供具有恒定对比度的360
°
视角。
[0055]
另一个目的是提供根据本发明的层状电极的x-y电极矩阵驱动，其中，x-y电极矩阵的y列电极作为具有孔的第二电极，而x行电极作为公共电极，并且y列电极和x行电极通过绝缘层彼此分开，该绝缘层被布置在y列电极和x行电极之间并且具有与第二电极相同的孔结构，如其他实施例所述的。
[0056]
本发明的又一个目的是提高液晶装置的切换性能，这是通过在液晶层16中结合聚合物网络来实现的，该聚合物网络可以在液晶体中均匀分布或大致定位在与液晶接触的基板表面处。该聚合物网络可以是松散的或致密的、暂时的或永久的。
[0057]
本发明的另一个目的是制造液晶装置的基板的性质、形式和材料。装置基板中的至少一个优选地是透明的。两个装置基板都可以由玻璃或塑料(刚性或柔性)或其组合制成。根据本发明的液晶装置可以是平坦的或弯曲的。
[0058]
为了增强孔周围的ad-ffs场的平面分量，并且由此改善ad-ffs场对液晶的切换以及装置的对比度，液晶材料被选择为使得在空的孔的情况下具有比绝缘层的介电常数更大
的介电常数，或者在填充有绝缘材料的孔的情况下应该具有比绝缘层本身的介电常数大得多的介电常数。与根据现有技术(us7,876,385,b2和us2007/0165175a1)的连续的绝缘层相比，在图12中示出了根据本发明的层状电极结构中的不连续的绝缘层对在第二电极中的孔的边缘处的液晶分子的切换的影响。如图12所示，分子的切换在绝缘层不连续的情况下比在绝缘层连续的情况下有效得多，并且孔中的材料(在这种情况下是液晶材料)的介电常数ε大体上大于绝缘层的介电常数ε(该介电常数为3)。
[0059]
装置中的液晶的适当取向是本发明的另一个目的。对于特定的应用目的，分别由取向层13和15促进的液晶层16中的分子定向在整个装置区域上应该是均匀的、平面的、倾斜的、竖直的或混合的(沉积在装置基板上的取向层13和15可能会促进不同的取向方式—分别为平面的、竖直的和倾斜的)。对于其它应用目的，取向层13和15可以分别促进装置基板处的液晶的取向，从而在根据本发明的装置中产生展开、弯曲或扭曲的液晶配置。此外，对于一些其他应用目的，诸如具有弯曲基板的液晶装置(例如护目镜)，取向层13和15可以分别促进液晶的取向，该取向在装置区域上具有不均匀的特征，即不同装置像素中的液晶取向是不同的。此外，用于制备本发明中的取向层的取向材料可以由光取向材料制成。
[0060]
使得根据本发明的装置能够自我维持是本发明的另一个重要目的。这是通过在第二电极和公共电极之间插入至少一个光伏半导体转换层来实现的，该光伏半导体转换层以与其他实施例中的绝缘层相同的方式穿孔，该光伏半导体转换层在用一定波长的光照射时在第二电极和公共电极之间激活，即产生偏压，并且由此通过层状电极结构产生液晶的切换。至少一个光伏半导体转换层优选地代替绝缘层。
附图说明
[0061]
图1是现有技术的液晶装置的横截面，该液晶装置具有用于产生边缘场(fringe field，ff)的电极图案，从而导致液晶的边缘场切换(fringe field switching，ffs)。
[0062]
图2是现有技术的液晶夹层单元的透视图，该液晶夹层单元包含用于产生ff的电极图案。沉积在基板内表面上的取向层未示出。
[0063]
图3是根据本发明的单像素电极液晶装置的横截面，该单像素电极液晶装置包含用于产生ad-ffs的层状电极，该层状电极沉积在基板表面中的一个上，该层状电极在第二电极和绝缘层中具有圆形孔，如图4所示。
[0064]
图4示出了第二电极的较小区域的从上方看的放大视图，该第二电极包含的孔17为圆形并且在该电极区域上均匀分布。
[0065]
图5示出了层状电极结构中的圆形孔17周围所产生的ad-ffs的透视图(仅示出层状电极，未示出不连续的绝缘层或取向层)。
[0066]
图6是根据本发明的单像素电极液晶装置的横截面，该单像素电极液晶装置包含在图4中示出的结构中具有孔的层状电极，该孔用于产生ad-ffs，从而导致液晶的ad-ff切换(ad-ff switching，ad-ffs)。
[0067]
图7示意性示出了：a)根据本发明的液晶装置中的液晶分子的场关闭竖直定向(仅示出了与基板中的一个(承载层状电极结构)邻近的区域中的液晶竖直取向)。b)处于场关闭状态下的布置在正交的线性偏振片之间的装置的示意图，c)具有正介电各向异性(δε》0)的向列相液晶分子在承载具有孔的层状电极结构的基板上的场开启定向，其中，所述孔
用于产生ad-ffs。处于场开启状态下的布置在d)正交的线性偏振片和e)正交的圆形偏振片之间的装置的示意图。
[0068]
图8是根据本发明的液晶装置的横截面，该液晶装置具有用于产生ad-ffs的层状电极，该层状电极沉积在两个基板内表面上，其中，第二电极中的孔相对于彼此a)重合以及b)偏移。
[0069]
图9示意性地示出了a)根据本发明的液晶装置的横截面，该液晶装置包含向列相液晶，该向列相液晶具有正介电各向异性(δε》0)并且与二向色性染料混合并且在场关闭状态下相对于装置的基板(即沿着基板的法线)竖直定向。由于二向色性染料的竖直定向，装置的场关闭状态呈现具有轻微染色的亮态，这取决于所溶解的染料，b)装置的场开启状态。液晶装置的区域的从上方看的放大视图的负(倒置)图像，其中液晶分子以及二向色性染料分子沿着由图4所示的层状电极结构产生的ad-ffs的线进行定向。(负图像中的白色区域对应于实际的暗区域)。由于染料的退化的局部方位角分布，层状电极结构中的圆形呈现暗态(这些暗色取决于染料)，而孔之间的区域呈现具有轻微染色的更亮的状态。
[0070]
图10示出了a)胆甾相液晶装置的场关闭状态的横截面，该胆甾相液晶装置包含具有用于产生ad-ffs的圆形孔的层状电极结构和单个电极，该层状电极结构沉积在装置的基板中的一个上，该单个电极沉积在另一个装置的基板上。胆甾相液晶以均匀直立螺旋部(uniform standing helix，ush)的织构取向，该织构表现出光的选择性反射。b)胆甾相装置的场开启状态。胆甾相液晶层的ad-ffs诱导的光散射织构(焦锥结构(focal conic，“fc”)织构)为光散射。c)在场开启状态下，在层状电极中的一个圆形孔周围分布的胆甾相螺旋部的从上方看的示意图。d)包含沉积在两个装置基板上的层状电极结构的胆甾相装置的场开启状态。
[0071]
图11示出了根据本发明的液晶装置的场关闭状态的横截面，该液晶装置包含具有正介电各向异性(δε》0)的蓝相(blue phase，bp)液晶，并且被插入在两个正交的偏振片之间。a)在场关闭状态下，bp具有光学的各向同性性质(用球体表示)，因此装置是暗态的。b)在场开启状态下，在阈值电压以上，bp变为双折射的(双折射光学性质用椭圆体表示)并且表现为具有围绕电极孔的方位角退化取向的向列相，即装置的场开启状态是亮态的。c)如a)所示但不具有偏振片并且包含bp的液晶装置的场开启状态下的横截面，在该液晶装置中，二向色性染料溶解。在场开启状态(电场施加在bp液晶层16上)，该装置具有双折射性质(此处用光学椭圆体表示)，并且由此该装置是透明的并且具有轻微染色。d)装置的场开启状态的示意图，该装置具有包含孔的沉积在两个基板上的层状电极，该装置用包含二向色性染料的bp进行填充。由层状电极产生ad-ffs的装置的场开启状态是具有一定染色的暗态。
[0072]
图12示出了在装置中的液晶切换的计算机模拟，其中，a)根据现有技术的该装置在层状电极结构的第二电极中具有孔而且具有连续的绝缘层，以及b)该装置在层状电极结构的第二电极和绝缘层(不连续的绝缘层)中具有孔，绝缘层和液晶材料的介电常数ε分别为3和15。
[0073]
图13示出了根据本发明的4个像素lcd的从上方看的放大视图，其中，层状电极结构的公共电极为所有4个像素共用的公共电极，并且第二电极和绝缘层中的孔为圆形且均匀分布在第二电极区域上。每个像素也可以具有自己的公共电极。
[0074]
图14示出了根据本发明的x-y矩阵驱动的层状电极，其中，x列表示公共电极，x列表示具有孔的第二电极和的绝缘层。
[0075]
图15示出了具有x-y矩阵结构的层状电极的放大区域，该层状电极沉积在(刚性或柔性、透明、散射或反射的)基板上，其中像素仅包含一个孔，通常也可以包括多个孔(参见图14)。在电极的顶部沉积有由光反应液晶层19的层覆盖的取向层(未示出)。通过对x-y电极矩阵的适当驱动向所选择的像素施加电压，这些像素的场开启状态将通过例如使用uv光对基板进行照射来进行记忆。
[0076]
图16示出了根据本发明的装置的示意图，其中，光伏半导体转换层(20)插入在像素电极(12)和公共电极(10)之间。
[0077]
图17示出了一个像素样品的偏振显微镜(polarising microscope，pm)照片，该像素样品包含沉积在基板中的一个上、具有层状电极中的圆形孔的层状电极。这些孔的直径为10μm，并且以彼此相距10μm的距离均匀分布在层状电极结构上。如图所示，当样品在正交的偏振片之间旋转时，没有观察到场开启状态的亮度变化。
具体实施方式
[0078]
图1和图2描述了根据现有技术的传统的lcd，该lcd包括组装在夹层单元中的在其之间具有预定距离的两个平行的玻璃基板1和2。在彼此面对的基板内表面中的一个上设置有层状电极结构，该层状电极结构产生用于液晶切换的边缘场(fringe fields，ffs)，即所谓的边缘场切换(fringe field switching，ffs)。层状电极结构包括公共电极3，该公共电极被绝缘层4覆盖，随后沉积透明的第二梳状电极5(例如平行条纹的形式)(图2)。在基板内表面的顶部沉积有取向层6和7。ffs在公共电极3和第二电极5之间产生。所产生的ffs对封装在两个装置的基板1和2之间的液晶分子8进行切换，该切换发生在第二电极的条纹之间和电极条纹的上方。然而，液晶分子的切换方向的各向异性使得所产生的图像的视角与角度相关。用人字形(chevron-like)电极结构代替这种电极结构中的线性条纹电极大大降低了方位角的视角相关性，但是并没有完全消除该相关性！因此，为了消除视角相关性，液晶分子的切换应该在所有方位角方向上同等地发生。
[0079]
此外，大多数传统的透射式lcd还需要两个偏振片。然而，这种偏振片将透射光的强度降低到大约50％。因此，也需要不需要任何偏振片的lcd模式，从而导致背光照明源的功耗的降低，这对于具有集成lcd的便携式电子装置来说是非常重要的问题。溶解在液晶中的例如具有各向异性吸收或反射性质的二向色性染料的使用能够移除lcd的一个或两个偏振片，从而改善lcd的光透射特性。[heilmeier，g.h.；zanoni，l.a.向列相液晶中的客体-主体相互作用.一种新的电光效应.appl.phys.lett.，1968，13，91-92]。然而，也可以使用在不同光谱区域(uv、可见光、红外光)中具有各向异性光吸收性质的其他吸收对象，例如纳米棒。
[0080]
根据本发明的第一实施例是一种液晶装置，在图3中示意性地示出了单像素电极装置，该单像素电极装置包括：两个限制基板9和14，诸如玻璃或塑料(刚性或柔性)的基板，这两个基板可以是平坦的或弯曲的基板，这两个基板中的至少一个基板是透明的，液晶体层16设置在所述基板9和14之间。如图3所示，用于产生方位角退化的边缘场(azimuthally degenerated fringe fields，ad-ffs)的电极沉积在装置的基板9中的一个基板的内表面
上。如图4所示，该电极具有层状结构，层状结构包括公共电极10和绝缘膜11以及第二电极12，具有穿过该公共电极和绝缘膜以及第二电极的圆形孔17，该圆形孔均匀分布在像素电极区域上。在第二电极和绝缘层中包含圆形孔17的层状电极产生方位角退化的边缘场(ad-ffs)，该方位角退化边缘场均匀分布在具有围绕孔17的方位角退化的方向的像素区域上(参见图5)。孔的形式也可以是六边形、正方形、三角形等。沉积在基板9上的层状电极的顶部以及另一个基板14的内表面上分别沉积有取向层13和15，以用于促进在根据本发明的装置中使用的液晶切换模式所要求的液晶16的特定类型的取向。
[0081]
技术人员可以选择第二电极中的另一种形式的孔，并且在装置工作区域上提供所产生的ad-ffs的不同分布，以实现特定的装置性能。
[0082]
本发明的另一个实施例是一种液晶装置，该液晶装置包括两个限制基板9和14，两个基板中的一个基板承载用于产生ad-ffs的层状电极结构，而在面对层状电极的另一个基板表面上覆盖有单个电极18(图6)。在两个电极上分别沉积有取向层13和15，以用于促进封装在装置的限制基板9和14之间的液晶16的特定取向(图7a)(在本实施例中为竖直取向)。因此，插入在两个正交的线性或圆形偏振片之间的装置呈现暗态(图7b)。在这种特定情况下，液晶是具有正介电各向异性(δε》0)的向列相液晶，并且因此液晶分子将沿ad-ffs线取向(图7c)。由于液晶的场关闭竖直取向，根据本发明的插入在两个正交的线性或圆形偏振片之间的液晶装置将从暗态场关闭状态(图7a、图7b)切换到亮态(图7c至图7e)，其中，液晶分子将沿ff线定向(图7c)，并且因此将采用液晶光轴的局部位置的方位角退化的取向。在正交的圆形偏振片的情况下，由围绕孔的液晶光轴产生的方位角定向导致的液晶装置的亮态提供了具有恒定对比度的360
°
方位角视角。当使用正交的圆形偏振片时，可以比使用正交的线性偏振片获得更好的对比度(图7e、图7d)。有利地，在本实施例中，存在于两个基板上的电极使得能够在基板9上的层状电极和基板14上的单个电极之间施加电场，从而能够在关闭ad-ffs之后大大减少了液晶的弛豫时间。
[0083]
本发明的另一个实施例是根据本发明的一种液晶装置，其中，在两个基板的彼此面对的表面上沉积有层状电极(图8a和图8b)。这种液晶装置的基板被组装，使得对于特定的应用，沉积在两个基板上的层状电极结构的第二电极中的孔或者重合(图8a)或者不重合(图8b)。应该注意的是，双面层状电极装置除了具有广泛的方位角视角外，还呈现出改善的极视角相关性。
[0084]
在本发明的另一个实施例中，可以使用近晶相液晶代替向列相液晶。在这种情况下，可以有利地对开启状态进行记忆，并且不需要使用偏振片对所显示的信息进行可视化。
[0085]
本发明的另一个实施例是一种也不需要任何偏振片的液晶装置。该装置包括向列相液晶，并且对于该特定的应用，二向色性染料溶解在向列相中以形成客体-主体(guest-host，gh)向列相液晶混合物。所使用的二向色性染料的特具体特征是二向色性染料吸收强烈的光，这种二向色性染料的偏振沿着它们的长轴线(正二向色性)或垂直于该长轴线(负二向色性)。通过选择合适的染料或将溶解在液晶中的染料适当地组合，可以得到客体-主体混合物的不同的吸收染色。根据本发明的该实施例的液晶装置与图3至图8中所示的先前实施例中的液晶装置具有相同的装置架构。在装置的场关闭状态下，gh液晶混合物的分子的定向以及染料分子的定向沿着装置基板的法线，即垂直于装置基板(竖直取向)(参见图9a)。gh混合物中的所溶解的染料具有正二向色性，该染料在场关闭状态下(即染料的分子
相对于装置基板竖直定向时)的吸收最小，并且根据所溶解的染料，gh液晶混合物呈现轻微的染色(亮态)。在外加电场的作用下，所产生的ad-ffs将gh液晶混合物的分子从垂直取向转变为围绕层状电极中的孔的退化方位角取向。gh分子的这种取向导致光吸收的增强，并且根据本发明的液晶装置呈现暗态(图9b)。和亮态的染色一样，该暗态的染色取决于所溶解的染料的类型。在层状电极中具有孔并且填充有gh向列相液晶混合物的液晶装置的最大的优点是装置不需要任何偏振片，从而大大增强了装置的亮度！有利地，对于特定的应用，根据本发明的在层状电极中具有圆形孔并且填充有gh液晶混合物的液晶装置具有改进的光学特性，诸如具有恒定对比度的360
°
方位角视角和增强的亮度。为了不同的应用目的，二向色性掺杂剂可以被选择为在光的uv光谱中或在可见光或ir光谱中具有吸收峰。
[0086]
根据另一个实施例，gh液晶混合物中的向列相液晶主体被近晶相液晶所取代。因此，在施加到层状电极的电压被切断之后，装置的接通状态仍然保持，即装置的场关闭散射状态被记忆。
[0087]
根据本发明的另一个实施例，在上述实施例中描述的液晶装置中，通过热聚合或光聚合或通过例如辐射聚合等其他聚合技术形成聚合物网络。对于特定的应用，有利地是使用光聚合，根据特定的应用，在填充装置的基板9和14之间的空间的液晶材料16中溶解有一定少量的光反应性单体和光引发剂。在液晶装置上施加弱电场，使得在靠近电极的地方产生ad-ffs，并且能够仅在邻近基板的液晶层的微小的子区域内将液晶混合物的分子从竖直取向切换到局部退化方位角取向。所施加的电场的强度应该使该子区域的厚度等于或小于入射光的波长。随后将液晶装置暴露于uv光照射，并且将来自光反应性单体的聚合物网络形成到液晶层16中。在弱电场的作用下形成的聚合物网络稳定了液晶分子在这种场开启状态下的取向。而在这种弱电场的作用下，液晶体中的液晶分子的取向将在液晶层的子区域(该子区域邻近承载层状电极的基板)内在很大程度上保持竖直，分子采取遵循ad-ffs线的取向，即包括展开和弯曲变形的取向，所述展开和弯曲变形具有层状电极中的孔的周期性和包含ad-ff线的变形平面，即在电极孔周围具有局部方位角退化的定向。根据本发明，在外加电场被关闭之后，由于在液晶装置的场开启状态下的uv光照射作用下而在液晶中形成的聚合物网络，液晶16的这些展开-弯曲变形仍然存在。然而，已知液晶的展开和弯曲弹性变形会引起挠曲电极化p
flexo
，该挠曲电极化强烈依赖于展开-弯曲弹性变形的曲率强度和液晶材料的性质(即液晶的展开和弯曲变形的挠曲电系数)。从图5和图7c中可以看出，展开-弯曲变形相当强烈，这意味着产生的p
flexo
也很大。本实施例中的p
flexo
垂直于装置基板定向。当展开和弯曲弹性变形的挠曲电常数具有相同的符号时，那么p
flexo
可能是实质性的，并且将强烈影响(促进)在场关闭状态下发生的弛豫过程！在包含聚合物网络的上述实施例中，这种展开-弯曲变形永久地存在于层状电极中的每个孔周围，从而导致p
flexo
沿基板的法线定向。有利地，在本发明上述实施例中，层状电极中的孔周围的展开-弯曲变形的聚合物网络的稳定化将加快弛豫过程。
[0088]
本发明的又一个实施例是一种使用胆甾相液晶代替向列相液晶的液晶装置(图10)。已知胆甾相液晶的分子具有螺旋序，该螺旋序的螺旋轴线垂直于分子的长轴线。由于分子的螺旋次序，胆甾相液晶表现出不同于向列相液晶的光学性质，诸如选择性光反射和光偏振的旋转。在夹层单元中，根据表面的锚定条件，胆甾相液晶在场关状态下可能会采用不同种类的织构。这些织构通常是双稳态的，并且这些织构的螺旋轴线相对于限制基底的
定向是不同的：
[0089]-螺旋部与基板正交定向的织构被称为均匀直立螺旋部(uniform standing helix，ush)的织构。
[0090]-螺旋部在基板的平面中均匀取向的织构被称为均匀平卧螺旋部(uniform lying helix，ulh)的织构，其中，螺旋部平行于装置限制基板定向并且以唯一的方向取向。
[0091]-螺旋部随机倾斜(圆锥形)定向的织构被成为焦锥(focal conic，fc)织构。
[0092]
当胆甾相具有短于入射光的波长的短间距时，ush和ulh织构不散射光。ush织构选择性地反射光(被染色)并且ulh织构是透明的。然而，fc织构强烈地散射入射光。这些胆甾相织构是双稳态的，并且通过施加适当的强度、形式和频率的电场可以实现两种状态之间的切换。根据本发明，图6和图8所示的液晶装置的单元间隙填充有短间距的胆甾相液晶16。沉积在基板内表面上的促进平面取向的取向层导致胆甾相的ush织构(图10)，即螺旋部沿基板的法线，并且液晶装置呈现选择性的光反射但对其余的光谱是光学透明的，因此ush呈现出是光学透明的。对于特定的应用目的，根据本发明的液晶装置可以具有沉积在装置基板中的一个或两个装置基板上的层状电极，层状电极具有均匀分布在层状电极区域上的圆形孔(图6和图10)。由层状电极产生的ad-ffs围绕孔具有局部的方位角退化方向。因此，在场开启状态下，胆甾相的定向从场关闭的螺旋部竖直于基板的ush织构(图10a)改变为螺旋部随机(圆锥形)倾斜定向的织构(图10b至图10d)。然而，圆锥形倾斜定向的螺旋部的织构(fc)中的胆甾相强烈的散射入射光，并且光散射状态具有恒定对比度的360
°
方位角视角。场开启状态也是双稳态的，即在外加电场切断后仍然保持。因此，根据本发明的装置从部分透明(ush织构)或完全透明(ulh织构)状态切换到散射状态(fc织构)，该散射状态是双稳态的并且具有恒定对比度的360
°
方位角视角。通过在沉积到两个装置基板上的电极之间施加适当的电场(例如图6、图8和图10)来实现回到ush或ulh状态(分别为染色或透明状态的场关闭状态)的切换。
[0093]
本发明的另一个实施例是一种包含蓝相(blue phase，bp)液晶材料的快速切换液晶装置，已知蓝相液晶材料具有沿三个正交方向的短间距螺旋分子序，因此蓝相液晶材料呈现光学各向同性，即由球体表示的光学性质(图11a)。与在胆甾相中一样，外加电场在一定阈值电压以上使螺旋分子序展开，并且bp材料在光学上与向列相液晶等效，即表现出双折射性，该双折射性由单轴椭圆体表示(图11b)。因此，插入在两个正交的线性或圆形偏振片之间的包含bp液晶的液晶装置在场关闭状态中呈现暗态。然而，由于场致双折射性，这种装置的场开启状态是亮态。此外，由于装置的层状电极中的孔周围产生的ad-ffs的方位角退化，装置的场开启亮态呈现出具有恒定对比度的视角无关性。这种装置的特别重要的特征是在外加电场关闭后，由于短间距的螺旋分子序，弛豫过程非常快。由于接通时间取决于外加电场的大小，根据本发明的装置的接通和断开时间非常快。
[0094]
将二向色性染料溶解在bp液晶中，在液晶层上施加电场的情况下，该装置呈现出是透明的(图11c)，并且当沉积在装置基板上的层状电极中的孔周围产生ad-ffs时，该装置呈现暗态(图11d)。
[0095]
在本发明的另一个实施例中，包含用于产生ad-ffs(该ad-ffs围绕孔具有退化的方位角方向)的孔的层状电极不仅可以应用在单像素液晶装置中，而且可以应用在包含多个像素的具有包括孔的层状电极的这种装置中(图13)，该装置由无源和有源tft矩阵驱动，
以用于通过ad-ffs切换液晶。
[0096]
在根据本发明的另一个实施例中，沉积在装置基板9上的层状电极形成x-y电极矩阵(图14)，其中，y列电极12作为第二电极，x行电极10作为层状电极的公共电极，y列电极和x行电极通过绝缘层11彼此分开。第二电极和绝缘层具有贯穿它们的孔。这种x-y电极矩阵可以沉积在一个或两个装置基板上。
[0097]
本发明的另一个实施例，根据本发明的使用具有孔的层状电极的装置包括单个基板(图15)，该装置基板9可以是刚性的或柔性的、平坦的或弯曲的、透明的、散射的或反射的，该装置基板由取向层(图15中未示出)覆盖，取向层的顶部沉积有液晶材料19，该液晶材料为但不限于可聚合的向列相，对于某些应用，该液晶材料可以是光聚合的，即，在外加电场下，在第二电极中的孔周围产生的ad-ffs产生图像，由于向列相的光聚合，该图像在用适当波长的光照射该装置后变得永久。在层状电极的顶部沉积的液晶材料19的种类可以使得该液晶材料在温度或不同种类的辐射(x射线、电子束等)下永久地聚合。
[0098]
根据本发明的另一个实施例，沉积在一个基板装置的层状电极上的液晶材料19的种类使得通过温度或辐射(诸如x射线、电子束等)使液晶凝胶化或氢键结合而使得由ad-ffs产生的图像暂时被记忆。
[0099]
根据另一个实施例，为了保护或其它目的，可以通过涂层、层压或其它方式对单基板装置(如图15所示)进行覆盖。
[0100]
本发明的另一个实施例是在第二电极(12)和公共电极(10)之间沉积光伏半导体反转层(20)(图16)。光转换半导体材料被称为体异质结(bulk hetero junction，bhj)。在暗态下，光伏膜是绝缘体。然而，当光伏膜被照射时，在光伏膜的体中产生电子和空穴，这导致在像素电极和公共电极之间产生偏置，从而在像素电极的每个空穴周围产生具有方位角退化方向的局部边缘场。光伏膜可以是常规或倒置类型的单层。光伏膜也可以是适当地串联布置的光伏膜的串联(多层)，以增强像素电极(12)和公共电极(10)之间的光致偏压。
[0101]
本领域技术人员可以在通过ad-ffs切换液晶的不同液晶模式和装置中应用根据本发明的包括孔的层状电极的概念。
[0102]
提供以下示例以更好地理解本发明。然而，宽泛的概念不限于以下给出的特定应用。
[0103]
示例1：
[0104]
制备由两个平行的玻璃板组成的夹层单元，在两个玻璃板之间的空间填充具有正介电各向异性(δε＝10)的向列相液晶材料mlc6686(默克)。在玻璃基板中的一个玻璃基板上沉积有层状电极结构，该层状电极结构包括厚度约为20nm的ito公共电极(单像素装置)，并且该ito公共电极被厚度为200nm的绝缘siox膜覆盖(这种厚度对于避免氧化物中的针孔是必要的)。在siox膜的顶部上沉积有第二电极，该第二电极由厚度为20nm的ito膜表示，该ito膜具有直径为10μm的圆形孔，并且圆形孔之间具有10μm的距离。孔穿过第二电极层和绝缘siox层，优选地但不一定穿过整个绝缘层。这些孔均匀地分布在层状电极的整个区域上。在两个基板的内表面上最后沉积有由聚酰胺材料se1211(尼桑)制成的取向层，以用于促进液晶的场关闭竖直取向。向层状电极施加电压，在每个孔周围产生ad-ffs。ad-ffs使液晶分子沿着场线取向，并且因此，液晶的方位角退化取向发生在每个孔周围。将本示例中描述的样品插入在两个正交的偏振片之间，由于液晶的竖直取向，场关闭状态在光学上呈现暗态，
而由于层状电极中的孔周围的液晶的方位角退化取向，场开状态呈现亮态。图16示出了样品插入在两个正交的线性偏振片之间并在这两个正交的线性偏振片之间旋转的偏振显微镜(polarising microscope，pm)照片。如图所示，当样品在偏振片之间旋转67
°
时，显示的图像呈现出与视角无关的恒定对比度。当实验单元被插入在正交的线性偏振片之间时，即使样品旋转角度为360
°
，显示图像仍保持恒定的对比度和视角无关性。当样品插入在两个正交的圆形偏振片之间时，发现具有恒定对比度的单元的方位角视角为360
°
。
[0105]
示例2：
[0106]
根据本发明的装置由具有多个像素的一个玻璃基板制成，这些像素中的每一个像素包含在示例1中进行描述的层状电极(例如，图12)。在层状电极的顶部沉积有由聚酰胺材料se1211(尼桑)制成的第一取向层，以用于促进液晶的场关闭竖直取向。随后在取向层的顶部沉积有光反应液晶单体，诸如rm257(默克)，光反应液晶单体中溶解有光引发剂(irgacure)651。由于取向层和空气/液晶界面，光反应单体的分子沿基板的法线取向。将电压施加到选定的一个(多个)像素，由于所产生的ad-ffs，光反应液晶单体的分子的取向从竖直取向重新定向为围绕选定像素的孔的方位角(面内)退化取向。通过uv光对场开启状态下的装置进行照射，光反应单体永久地聚合，并且由此使得光反应单体的分子的定向被永久地冻结。由于聚合的光反应液晶单体的分子的方位角(面内)退化取向，当样品插入在两个正交的线性偏振片之间时，仅处于场关闭状态的装置的激活像素是亮态。由于光反应液晶单体分子的永久聚合的竖直定向，装置的其余区域是暗态的。