本发明涉及液晶显示器件领域。

本发明是法国国家科学研究中心，南巴黎大学(the French National Scientific Research Center,Paris-Sud University)及居里研究所(the Curie Institude)的合作结果。

本领域人士皆知，一般液晶和向列相分子在与边界面接触时，会由于 它们与基板的相互作用而可使之在一个或多个方向上取向。

比如，在一个方向上受到摩擦的固体表面上，介晶基元(mesogene)分子 一般沿接近摩擦方向取向。这种取向称为“单稳态的”取向，其特征是向 列相液晶具有一个单一的“优先(facile)”方向，通常由角度θ0和φ0决定(见 图1)：在优先轴和基板的法线z之间的天顶角(zenith angle)θ0；及优先 轴f和基板平面上选定的固定方向之间的方位角(azimuth angle)φ0。

优先轴f对应于向列相和毗邻相之间的相互作用能量最小。

通过施加一个外场可以使向列相液晶在表面上重新取向。表面能增 加，并且由于表面指向矢(director)ns相对优先轴f的偏转的这一附加能量 称为锚定能(anchoring energy)W，并且是确定ns的角度θ和φ的函数：

      W=W(θ,φ)

在单稳锚定的场合，锚定能W具有单一极小值，此值与单一优先轴对 应(通常不区分方向ns和其反向-ns，因为向列相是非极性的)。大量的处 理方法(见[1])可产生这种单一的锚定，这在液晶显示器件中应用甚广。

然而，有的锚定具有多个能量极小值w，因而具有多个优先轴。比如， 在通过在一定条件下在真空中蒸发生成的SiO层上，向列相的取向是双稳 的，具有由θ02=θ01和φ02=φ01定义两个优先方向的f1和f2(见图2)。曾 提出并制出数种利用向列相的双稳锚定现象的器件。见文献[2-5]。

另一类熟知的锚定是退化锚定(degenerate anchoring)。在这种情况 下，存在一个对应于同一天顶角θ0和任意方位角的整个的连续优先方向 区。此时的锚定能是θ的函数，但与φ无关：

           W=W(θ)。

在这种情况下可以说不存在方位锚定(azimuth anchoring)，或称之为 无限软。

根据θ0的值，可以区分ns平行于表面的平面退化锚定(planar degenerate anchoring)(θ0=90°)和ns可以在一个孔径角为2θ0的圆锥上 自由转动的圆锥退化锚定(conical degenerate anchoring)(0＜θ0＜90°)(见 图3)。另外一种特别情况对应于θ0=0(其分子与平面成直角排列的垂 面锚定)，其显示出单稳锚定效应，分子垂直于表面(当θ=0时φ无定义)。

退化锚定在向列相和各向同性相之间的平面表面上是典型的。在这种 情况下，对方位角方向没什么可强加的，并且由于对称可以对所有的可能 角度φ(0≤φ＜360°)得到锚定能极小值。

实验中，在向列相液晶滴的自由表面上或向列相液晶-液体的界面上 经常可观察到退化锚定。对这类锚定曾经从学术观点进行过研究，但由于 其不稳定特性现在尚未找到应用：液-液或液-气界面很容易变形，它很 容易产生缺陷，并且难于通过界面施加电场。

在文献[6]中可以找到涉及退化锚定当前技术状况的描述。

根据本发明者所完成的研究，原则上得出可以在任何各向同性固体表 面，比如无机或有机玻璃，得到退化锚定，但实际上此种锚定很少能观察 到，因为有两种现象介入的缘故。

由本发明者确认的这两种现象的第一种对应于表面上介晶基元分子的 吸附。

在向列相液晶与基板刚一接触时，比如充填液晶盒时，不会强迫形成 方位角方向，并且分子的取向由偶然因素或液流确定。所以初始取向通常 是很不均匀的，此时θ=θ0而φ为任意的，但φ取决于在基板上的位置。很 快与基板直接接触的向列相液晶分子被基板吸附。结果，它们的次序和取 向被记忆在表面上并且强加给留存在靠近基板的容积内的向列相液晶分 子。尽管在理论上吸附是可逆过程，实际上在常温下解吸的特征时间很长 (以天甚至年计)。所以试样的取向保持为确定性很差，非均质，且牢固 地锚定在基板上。

由本发明者确认的这两种现象的第二种对应于向列相液晶适应基板而 取向。

在采用相对软的基板时，比如聚合物基板，会出现第二种现象。即使 吸附很轻微，基板与向列相液晶的交互作用也可以使其成为各向异性，比 如通过聚合物链的局部取向作用。在这种情况下，也是确定性差而且不均 匀的初始状态被记忆在基板上，而这将伴随有可以摧毁退化锚定的方位角 锚定能。

由于这两种取向记忆现象，就很难在固体表面上产生和利用退化锚 定。这就是为何迄今为止退化锚定还未有任何应用。

本发明的一个目的是改进液晶器件以使退化锚定或近似退化锚定得到 应用。

更准确地讲，本发明的一个目的是提出一种新颖的方法使得可以在固 体表面上得到退化锚定或近似退化锚定，而无液晶记忆，从而使得锚定可 以在显示器件中采用。

在本发明的环境下达到这些目的所使用的液晶显示器件的构成包括一 种夹在两块限制板(confinement plate)之间的液晶材料，并且其特征在于其 中至少一块限制板经过处理，得以确定退化方位角锚定而不会出现方位角 取向记忆。

根据本发明的另一个特点，这种处理是通过禁止在上述表面上出现吸 附位置钝化至少一块基板的表面的处理。

这种处理可以是通过吸附位置饱和的操作而进行的处理。

根据本发明的另一个优点，这种处理包括一种聚合物涂层，其中包含 流体的或非常活动的，或真正是自润滑的链，即没有任何可以吸附液晶的 位置。

本发明的其余特征、目的和优点通过下面参考附图及非限制性示例所 进行的详细描述将得到阐述，其中：

图1示出向列相液晶指向矢的“优先”方向相对一个限制板的方位角 取向，以及优先方向相对上述限制板的法线的天顶角取向；

图2示出双稳锚定情况下的两个优先方向的取向；

图3示出圆锥锚定的情况；

图4示出单稳平面排列的天顶角锚定能；

图5示出对称双稳锚定或退化圆锥锚定的天顶角锚定能；

图6示出在切换(switching)过程的接连6个步骤期间液晶的织构；

图7示出在按照本发明的另一种方案的开关过程的接连4个步骤期间 液晶的织构；

图8示出在按照本发明的另一种过程的接连4个步骤，锚定没有断 裂；

图9示出根据本发明的液晶盒的交叉偏振片之间的光学响应；

图10示出在采用背板平面锚定可以得到的两个平板织构；

图11示出根据控制脉冲持续时间的写入阈值(write threshold)，其结果 是利用经过聚异戊二烯处理的液晶盒得到的；

图12示出根据控制脉冲持续时间的写入阈值，其结果是利用经过聚苯 乙烯处理的液晶盒得到的；

图13示出根据液晶盒的厚度的平方的液晶盒的瞬时擦除时间；

图14示出表示本发明的液晶盒对固定周期和不同幅度的电控制脉冲的 光学响应的各种曲线；

图15示出根据固定重复频率和不同脉冲幅度的刷新脉冲时间的光学信 号；

图16示出了根据电压rms的平均光强；

图17示出了一种两个电极都设置在同一基板上的方案；

图18示出两种显示的角度φ(z)，一种是根据本发明，另外一种是 普通的；

图19示出手征性液晶盒的扭曲；

图20示出水平场液晶盒的光学响应；

图21示出手征性向列相或胆甾型液晶器件；

图22示出器件的光学响应；

图23示出具有不同厚度和不同螺距的类似器件的光学响应；

图24示出长螺距液晶盒的光学响应。

I-本发明的特征涉及采用表面活化剂使吸附位置饱和而令基板钝化

如上所述，在本发明的第一种方法中，不需要的限制板表面的记忆借 助在基板上采用合适的表面活化剂薄层被消除。这种表面活化剂的功能是 占据表面上可以获得的吸附位置，从而“钝化”基板，防止其吸附液晶本 身。

钝化材料可以由任何能够与限制板表面强作用并容易吸附其上的表面 活化剂组成，最好是以确定的方式。此表面活化剂还最好是选择能避免与 液晶材料发生强烈相互作用的材料，比如不应通过与介晶基元分子的各向 异性相互作用很容易被取向。

一旦限制板的表面为表面活化剂的分子所覆盖，该表面即成为惰性表 面：它不再吸附液晶分子，而且当其暴露于液晶分子时它不会成为各向异 性。

对于一个刚性的扁平基板而言，比如无机玻璃，一个表面活化剂的单 分子层足以使所有可用的吸附位置饱和并使基板钝化。对于一个粗糙多孔 的基板，比如一层蒸发的SiO，表面活化剂薄膜最好厚一些以保证钝化。 对于软基板，比如聚合物，钝化材料最好是一厚层以便在基板和液晶之间 提供牢靠的相互作用屏障，从而防止聚合物取向和由此产生的滞后现象。

为通过使吸附位置饱和而钝化不同的基板，本发明者曾经特别试验了 属于有机功能硅烷族的各种表面活化剂，包含氯硅烷类(Si-Cl)、硅烷 醇(Si-OH)或烷氧基硅烷(Si-CnH2nOH)。为粘附在表面，这些 物质表现出容易吸附在玻璃或其他物质上的性质，并且在经过热处理之后 它们表现出与表面发生化学反应的性质。用这种方式得到的表面活化剂层 很牢固，介晶基元分子不能穿透。

选择有机功能硅烷类是为了将表面活化剂和介晶基元分子之间的相互 作用减小到最小，以便避免记忆和滞后现象。

然而，本发明并不限于有机功能硅烷类。

它可被扩展为任何等效的化合物，即任何能够完成上述两种功能的化 合物：a)粘附于基板，b)与液晶材料无相互作用，例如铬基络合物。文献 [7]给出了适于用来确定垂面锚定的铬络合物。

实验结果表明，所试验的大部分硅烷可减小其所淀积的基板的记忆能 力。

利用GLYMO3-甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(3-glyceryloxypropyl trimethoxysilane)获得了特别有利和可重复结果。利用异丙醇溶液(0.01 ％-0.5％)将这种物质淀积到基板上形成薄层(厚度为20埃到100埃)。 这一薄层在120°-200°温度下烘干1小时以使其不溶解于液晶。为试验锚 定作用，本发明者使用了常温下的戊基氰基联苯基 (pentylcyanobiphenyl)(5CB)向列相液晶。试验用的液晶盒采用了 两种不同的基板片：经过表面活化剂处理的基板片和“标准”的具有很强 的和单稳锚定作用的基板片(蒸发SiO)。

在所使用的所有的各向同性基板上(玻璃，浮法玻璃，铟和锡双氧化 物)，本发明者观察到淀积一层厚度大于100埃的GLYMO层可以引起退 化平面锚定(θ0≈90°)而没有方向记忆：试验液晶盒中的向列相液晶的取 向一致，由标准基板片确定，并在外加电场或磁场的作用下，上述取向改 变一致，没有记忆现象。具有厚度大于100埃钝化层的基板的方位角锚定 能严格等于零。薄于100埃的钝化层只有很低的方位角锚定能，锚定一致 性较弱而且结果的重复性较差。

本发明者还试验了GLYMO钝化层对各向异性基板的作用。试验基板 是具有透明ITO电极和SiO薄层(5埃到1000埃)的玻璃平板，SiO是 以75°掠射角真空蒸发到基板上的。不使用钝化层时，5CB的向列相液晶 在这种基板上的取向根据蒸发条件为单稳平面型，倾斜双稳型或倾斜单稳 型，。在所有的场合，由于SiO多孔极性层对介晶基元分子的强吸附作用， 基板表现出对向列相液晶初始取向的强记忆作用。

在施加一层薄的(≥20埃)钝化层之后，取向记忆几乎完全消失。在所 有的基板上，5CB在钝化层上垂直蒸发平面的方向上的排列为单稳平面型 (没有预倾斜)。对于最薄层的方位角锚定能很强，外推长度为L≤40埃。 这一锚定能随GLYMO薄膜的厚度d的增加而越来越减小，并且在d＞200 埃时，L发散并且锚定变成退化和平面型。

根据本发明的有利特点，钝化层的厚度最好是在20埃到500埃范围 内。

采用GLYMO层使经过摩擦作成各向异性的ITO基板或玻璃基板钝化 也可以得到类似的结果。不经过钝化，这些基板使5CB以单稳平面方式排 列，具有很强的方位角锚定和很强的表面记忆。通过在基板上淀积一 GLYMO层，本发明者观察到记忆彻底消失，并且锚定力减小。另外，随 着d的增加，锚定能越来越减小，并且在d＞200埃时变为零：锚定变为退 化和平面型，记忆作用可忽略不计。

在采用对预先淀积在各向异性基板上的GLYMO层进行单向摩擦时也 可以得到类似的结果。

这些结果肯定了限制板的取向记忆可以通过适当的使基板上可用的吸 附位置饱和的表面活化剂处理而消除。这种处理可以达到两个目的：

a)各向异性基板上的表面记忆可大大减小或彻底消除。结果得到的退 化圆锥或平面锚定很均匀，容易利用，并且没有滞后现象；以及

b)在各向异性的基板上，这种处理还可以使改变方位角锚定强度成为 可能。这就可以减小单稳或双稳锚定强度，使之几乎退化，使方位角锚定 的断裂阈值变得很低。

在本发明的另外一种变化方案中，钝化处理可通过淀积一层足够厚的 涂层而实现，只要其厚度足以防止液晶分子接触基板上所形成的吸附位置 即可，无需涂层使上述每一个吸附位置都饱和。

Ⅱ-本发明的特征：采用具有流体的或非常活动的链的聚合物层使表 面的方位角锚定“润滑”

本发明还提出了通过在基板上使用各向同性的玻璃质或液体层避免表 面滞后发生，这些层的分子不仅可，如上所述，抑止在基板上的吸附位置， 而且可以很容易改变取向或变形，结果就可以使经过这种方式处理的限制 板失掉所有的先前的取向记忆。这个层的作用是用作取向润滑剂：它使基 板表面上的向列相液晶指向矢ns的取向毫无摩擦或滞后地在基板上滑动。 在这种条件下应该可以观察到介晶基元分子是否吸附在润滑剂层上都毫无 关系：当有扭矩施加到ns上时，被吸附的分子很容易取得一个新的取向而 无须解吸，因为润滑剂层的“软”分子会变形并取得新的取向。

这种“锚定润滑剂”可以在常温下(更准确地说，在所采用的介晶基 元相的整个热稳定区域)是液相的聚合物。在这种条件下，必须将润滑剂 层接合(graft)到基板上以使其分子粘附牢固，以便防止其在液晶中溶解或扩 散。采用此种方式制备的层既是微观极其稳定的又是在分子级(level)上 极其活动的。换一种方式，可以采用玻璃态的固态聚合物作为锚定润滑剂， 只要其链活动性足够并且其黏滞性适中。这一条件很容易满足，只要在常 温下聚合物接近其熔点即可。

特别是，本发明者曾经试验了硅氧烷和玻璃质聚合物族的多种熔点接 近室温的液态聚合物(即聚异戊二烯和聚丁二烯)。这些物质具有高度活 动的链。在本研究中使用了两种常温向列相液晶：5CB和向列相液晶混合 物MLC6012(Merck)。当淀积在基板上形成薄层时，所有这些物质都 对本研究中的两种向列相液晶产生退化锚定而没有出现取向记忆现象。

下面将描述一个典型结果，这一结果是利用在常温下是玻璃质的聚异 戊二烯得到的。一均匀薄层(＜300埃)利用旋涂器淀积，利用的是环己烷 溶液(0.3％-3％)。这个层不经热处理就使用以避免使此聚合物转变为 其液相，因为这样会破坏薄膜的均匀性。经过很长的时期(以日计)本发 明者观察到聚异戊二烯从所研究的基板片传输到试验液晶盒中所使用的标 准基板片上去的现象。这就是本发明者为何采用具有锚定作用的标准基板 片的原因，它们对于聚异戊二烯分子的缓慢迁移不敏感：经过摩擦的聚酰 亚胺层可产生很强的平面或倾斜的单稳锚定。

淀积在各向同性基板(一般的玻璃，浮法玻璃，玻璃上的透明ITO电 极)上的聚异戊二烯层产生所研究的向列相液晶的极佳的退化取向。在试 验液晶盒中未发现锚定记忆：聚异戊二烯上的优先轴的取向一直在标准基 板片上的同一平面上。在外部场的作用下，试验的基板片上的优先轴一致 采取新取向，没有滞后和任何方位角锚定能。

当聚异戊二烯层淀积在正常情况下产生强单稳锚定的各向异性基板 (经过摩擦的玻璃或ITO，蒸发SiO)上时，方位角锚定能减小。通过改 变淀积层的厚度，本发明者观察到典型地对于聚异戊二烯层在基板的强单 稳锚定和退化锚定之间的越来越强的过渡。这同时还伴随有取向记忆的彻 底消失。

最后，聚异戊二烯上的退化锚定天顶角θ0取决于基板的性质和向列相 液晶的性质。对向列相液晶混合物LC6012(Merck)而言，锚定永远是 退化和平面型(θ0=90°)。对5CB，锚定对于淀积在蒸发SiO上的聚异 戊二烯是退化和平面型，而如果聚异戊二烯薄膜是直接淀积在玻璃上，则 锚定是退化和圆锥型(θ0接近55°，即“魔”角)。

通过将利用氯硅烷类端接的聚苯乙烯(专门为本研究工作而合成的) 接枝(graft)到基板上也可得到很类似的结果。用来改造表面的聚苯乙烯 (下面称之为功能PS)是采用常规方法利用阴离子合成的以得到只一端由 SiCl3端接的聚合物链。功能PS的分子质量一般是40,000g/mol(克/摩尔)， 不过可以在1000g/mol到106g/mol范围内变化。

为了接枝聚合物，开始时先利用无水甲苯制备功能PS溶液，体积份额 为5％。待接枝的表面在UV(紫外光)下利用氧气流被清洁。利用旋涂 器将功能PS溶液淀积在上述的清洁的表面上。在甲苯蒸发掉以后，将覆盖 有功能PS的表面在真空中烘干，一般是温度160℃下24小时。然后将多 余的功能聚合物在甲苯中冷溶解去掉，可能要借助超声波。接枝的PS量用 椭圆对称测量。

将聚苯乙烯接枝到各向同性基板(玻璃或ITO)上可得到5CB向列相 液晶的无记忆效应的退化圆锥锚定，很均匀并可重复。此外，采用接枝聚 合物的处理在时间上是很稳定的：接枝的分子不会溶入液晶而是继续粘附 在表面上，即使经过对其进行机械处理，例如在布上单向摩擦。

接枝聚苯乙烯到各向异性的基板上(摩擦玻璃或ITO，蒸发SiO)可 减小方位角锚定能和消除锚定记忆。通过改变基板的初始各向异性或接枝 密度，本发明者观察到方位角锚定能在通常的未经处理的基板的强值和接 枝层的典型退化锚定之间连续变化。这样，本发明者就可以以高度可重复 的方式得到近退化锚定。通过机械摩擦已经接枝过的聚苯乙烯层也可得到 类似的结果。

在另一有变化的实施方案中，可以应用自润滑材料，即没有能够吸附 液晶的位置的材料，而在涂敷限制板或不加任何涂敷直接制作上述限制板 时无需包含流体或活动链。这种配置特别适合基板之一不具有电极的情 况。下面描述这种配置的示例。

大多数显示器件只利用体效应。在这种器件中，织构的改变只作为体 积的连续变形发生，而没有任何表面上的重新取向。按其本性而言，此类 器件需要强单稳锚定来进行工作。

近来，提出并制成利用断裂表面锚定的向列相显示。见文献[2-5], [8]和[9]。在那些器件中，在显示工作中表面上的液晶取向突然改变，从而 使其可以变换其体积织构并在两个双稳织构(即在没有外加场的情况下长 时间保持稳定的织构)之间切换。这种器件的主要优点在于双稳性质及其 切换速度。但是，具有双稳表面的向列相液晶显示器也有一些缺点：其中 的锚定难以取得和控制。

在文献[2-5]中建议的显示器要求相等复杂的锚定：所采用的两个状 态方位角和天顶角(预倾角)都不同。现在仍很难做到这种锚定。

在文献[8]和[9]中所建议的器件采用较简单的锚定(单稳)。但是，为 缩短控制脉冲持续时间和减小控制脉冲电压，它要求天顶角锚定能水平中 等或小，而用于此目的的制造技术尚未完全掌握。

本发明者现在建议的新方法可以实现退化锚定(即无需任何方位角锚 定能和无任何表面记忆)或近退化锚定(即小方位角锚定能和无任何表面 记忆)。这种锚定易于利用外电场产生和控制。天顶角锚定力中等或者很 小，并且这也正是其适于应用在显示器件中的原因。

退化锚定显示可以通过断裂退化锚定和在其后控制断裂的锚定来切 换。另一解决方案是施加方位角扭矩，它使退化锚定转换。

Ⅰ-采用通过断裂退化锚定或近退化锚定进行切换的器件

Ⅰ-1)退化锚定的断裂

为理解退化锚定场合的表面断裂，我们从回忆断裂单稳锚定的最简单 的情况开始。图4示出与单稳平面排列对应的天顶角锚定能。在不存在外 场时，表面上的指向矢ns取向为沿w(θ)的极小值，对应于θ=±90°，(这 两个指向矢物理上相等，这也是为何认为这种锚定是单稳的原因)。

在电场E的作用下，体积中的分子沿电场取向(假设液晶的介电各向 异性Δε为正)。在ns上施加一扭矩作用：向列相液晶在电场的作用下在表 面上重新取向。一般讲，扭矩越强，新的取向ns越接近电场的方向，但永 远不会到达该方向(因为由于表面锚定产生的反扭矩对抗之故)。这一点 的一个重要例外是当电场E的方向是与表面能最大值相应的方向的场合 (图4中方向θ=0)。在此方向，由于锚定产生的反扭矩变为零而不再对 抗电场E：于是在电场足够强并大于阈值Ec时ns变成与E平行。

如果现在将电场关掉，表面将处于θ=0的不稳定平衡状态并且可以返 回或此或彼的稳定平衡位置之一(θ=±90°)。具体是哪一个位置是随机的， 是由起伏现象决定的，或者可以对液晶盒施加一个小的控制效应来诱导。

实际中，易于施加强电场E的唯一方向是基板片的法线方向。这样， 由于对称，上述的锚定断裂就可以做到，但是只是对于平面锚定，或其他 相对θ=0对称的锚定的情况。

这种锚定，对称双稳锚定，的天顶角能示于图5。这种锚定可以利用 一个在两个不同方向上垂直液晶盒的电场断裂：θ=0，如Δε＞0；θ=±90°， 如Δε＜0。图5还可以解释为退化锚定的天顶角部分，根据定义其方位角能 量为零(于是两分支θ＞0和θ＜0相应于同一天顶角θ，并且相应于相差是180° 的两个方位角)。对双稳圆锥锚定得到的同样结论对这种退化圆锥锚定也 仍然有效：它在θ=0或θ=90°时断裂(φ任意)。

在本发明的情况下，双稳对称锚定可认为是一种非常接近退化锚定的 锚定：退化锚定能w(θ)为圆柱对称并且仅为θ的函数；如果一个关于φ=0 对称的小的方位角能量Wφ(φ)叠加到上述能量上，则可以得到双稳对称锚 定。采用这种叠加方式获得的锚定在本发明的申请书内容中称为“近退化 锚定”。

近退化锚定的一个特例是从退化平面锚定(θ0=90°)出发得到的：这 是方位角能量很小的平面锚定。

在退化锚定(或近退化锚定)时方位角锚定能为零(或很小)，但天 顶角能任意并且可以很大。实际上，这种锚定与单稳锚定比较各向异性较 小，并且一般天顶角锚定中等或很弱。

Ⅰ-2)断裂锚定的控制

可采用各种办法控制断裂锚定。

在本发明的一个优选实施例中，这种控制是利用流体表面流提供的。 这种采用流体动力表面效应的控制可与在文献[8]和[9]中所描述的配置一 致，一般为了更好的理解本发明可参考上述文献。

我们从考虑图6a中示出的液晶盒开始。基板片1具有通常类型的强单 稳锚定，最好是具有预倾角(θ01＜90°)。基板片2具有根据本发明的退化 平面或圆锥型锚定(θ02≠0,φ02任意)。如图6所示，体积的弹性能对具 有φ2=180°的平面织构为最小。

如果将电场Ec1＞E＞Ec2垂直施加到基板片1和2上，则在退化锚定基 板片2上的锚定断裂，并且可得到如图6b所示的一个实际上是垂面排列的 织构。Ec1和Ec2分别对应于两基板片上的断裂阈值。

如果电场E突然关掉，则基板片2将处于不稳定平衡状态，但无扭矩 作用于其上。与此相反，基板片1处于失衡并由于锚定具有很强的作用在 靠近的分子上的反扭矩，从而强制它们返回其初始取向。这种返回产生一 个迅速通过液晶盒扩散到基板片2的质量流(图6c)。通过与此质量流的 相互作用，基板片2上的分子转向与其初始取向相反的方向(φ2=0，图 6c)。

一旦θ≠0，由于基板片2的天顶角锚定所产生的扭矩再出现并且加速 基板片2向状态θ2=θ20,φ2=0弛豫(relaxation)(图6d)。在控制脉冲 结束之后迅速(十分之几微秒)形成的这一织构(图6d)与初始织构不同 -显示已经写入。

当θ1和θ2足够大时，示于图6d的写入织构仍然是不稳定的，因为它呈 现弯曲中的高弹性能级。经过几毫秒之后，它自发地弛豫进入体圆锥螺旋 (bulk conical helical)织构而不改变其表面锚定(图6e)。这一体扭曲施加 一个方位扭矩到基板片2的退化锚定上，从而使指向矢绕锚定圆锥转动(图 6f)，最后，通过解退圆锥螺旋使其返回平衡位置φ(=180°(图6a)。通 过圆锥的运动由于表面黏滞性而减速并持续十分之几毫秒。

与此相反，如果θ1和θ2很小，图6d的织构可以稳定。于是所得到的器 件表现出双稳特性。

如此就可以得到可利用很短促(τ1≤10μs)的脉冲写入的单稳显示， 经过一长得多的时间(τe≥10ms)它自发地擦除。此外，依使用情况而定， τe可以通过改变锚定和液晶盒的厚度在很宽的范围内调节。

自然，可以利用其他的过程来控制锚定的断裂。

在需要时，图6的显示可以转换为双稳显示。首先，如果分子平均倾 斜角(θ1+θ2)/2小于临界值θc，则弯曲状态(图6d)稳定。为了从这一 弯曲状态转到最小能量倾斜均匀状态(图6a)，织构必须通过180°扭曲状 态(图6e)。这一中间状态形成一个壁垒，该壁垒可稳定弯曲状态达(θ1+θ2)/2 ＜θc长的时间。这一临界值θc从对于具有很低扭曲能的化合物的大约45° 变化到对于弯曲和扭曲中的弹性能相等的化合物的90°(一直稳定的弯曲状 态)。

此外，由近乎退化锚定代替基板片2上的锚定就足够了。在这种情况 下，只有圆锥θ2=θ20上的位置φ2=0和φ2=180°是稳定的，并且由方位 角锚定所产生的一个小壁垒Wφ将其分开。然后织构6d转变为扭曲圆锥织 构，该织构在锚定壁垒Wφ大于扭曲体能(twisting bulk energy)时保持稳 定。这样就可得到双稳显示。为了擦除这一扭曲织构，使用一个新脉冲就 足够了，并且这一次是逐渐断裂电场。此时流体动力相互作用不存在了， 而一个小的体弹性相互作用有利于返回图6a的“均匀”状态：显示被擦除。

自然，本发明并不限于上述的具体实施例，而是扩展到本发明精神范 围内的任何变形。

特别是，在本发明的范围中，可以设想：

·利用体流体动力效应控制锚定的断裂；

·利用将两个流体动力效应，体效应和表面效应，叠加来控制锚定的 断裂；

·通过使指向矢在退化锚定圆锥上转动进行切换而无需彻底断裂表 面。

在又一个方案中，可以设想将两个基板片上的锚定都断裂(对具有正 介电各向异性的液晶，在场的作用下可以得到均匀的垂面排列状态，而在 负的各向异性时可得到平面状态)。在场去掉后，采用任何附加的控制最 后的状态都可能是随机的。但是，如果愿意，结构的最后状态可以利用一 个附加的命令，比如电场或适当取向(如水平方向)的流动被控制。

Ⅰ-2a)利用体流体动力效应控制锚定的断裂

上述的流体动力效应(图6c)是由基板片1上的分子在作用在上述表 面的扭矩的作用下迅速返回其初始取向而生成的。如果基板片1上的锚定 很强，则在控制脉冲期间靠近表面的分子不改变其取向，结果就可以得到 图7b上所示的织构：整个是垂面织构，除了在基板片1附近的薄体积层以 外。在电场去掉后，表面1上的分子不采取新的取向，结果不出现表面流 体动力效应。然而，使高度变形的体积层弛豫成为更均质的织构会生成一 个被称为“回流”效应的体流体动力流(图7c)(见文献[10])。该流动 向基板片2扩散并控制上述基板片上的锚定断裂，其方式与在表面流体动 力效应的情况下完全一样。

这样就可得到与图6d和7d所示等同的状态，即如果θ1和θ2很小时可 得到两个稳定状态中的任何一个，或得到一种转变成图6e和6f中所示的状 态的状态。

在图7中示出基板片1上的平面锚定。但是，在本实施方案中上述基 板片1上的锚定可以是倾斜的。

Ⅰ-2b)通过叠加两种流体动力效应控制锚定的断裂：一种体效应和 一种表面效应

最后，由两种流体动力效应，体效应和表面效应，生成的流动发生在 同一方向上，并且因此是累积的：实际上，表面断裂由叠加两种效应控制。

Ⅰ-2c)通过使指向矢在退化锚定圆锥上转动进行切换而无需彻底断 裂表面

图6中所描述的切换要求天顶角锚定彻底断裂：在电场E＞Ec2的作用 下，在基板片2附近的分子与其处的法线完全平行。然而，退化锚定是高 度各向异性的：天顶角锚定的断裂阈值Ec2是有限的，但是方位角锚定是无 限软的并且其对应的断裂阈值严格为零(或对于近退化锚定为很低)。此 种各向异性使图6a所示的织构易于切换为图6d所示的织构，不通过基板 片的法线，但要通过使退化锚定圆锥绕其自身的轴线转动或通过在一个靠 近法线的圆锥上转动(图8)。利用一个低于断裂阈值的电场(E＜Ec2)， 基板片2上的分子保持在相对法线的一个有限的角度内(图8b)。当电场 去掉时，由另一基板片和变形的体积层生成的流体动力流将使指向矢指向 φ=0。此时分子将绕法线转动(图8c)(左向还是右向是随机的)，但基 本上保持同一天顶角θ2。在流动和天顶角锚定的叠加作用下(趋向θ2= θ20)，此系统弛豫成为与图6d和7d等同的织构(8d)。在退化锚定时， 只有很小的弹性扭曲扭矩对抗切换。在近退化锚定时，其上附加一个小方 位角锚定扭矩。然而，在两种场合，切换都比天顶角锚定完全断裂时有效 得多。

Ⅰ-3)实验结果

为研究提出的器件的工作情况，本发明者制作了数个采用退化或近退 化锚定的液晶盒。

第一类液晶盒所用的基板片是在透明的ITO电极上覆盖一个GLYMO 薄层(厚度大约为100埃)，提供5CB向列相液晶的退化平面锚定。 GLYMO用化学方法接枝到表面交联形成一个在液晶中稳定和不溶解的 层。液晶盒的另外一个基板片总是采用SiO蒸发处理(82°,105nm，强 锚定，单稳，θ10倾斜大约55°)。液晶盒的厚度在1μm到4μm范围内。

在填充后，液晶盒总是表现平面织构，无任何扭曲。在施加短促的电 脉冲后，本发明者观察到切换到180°扭曲织构的现象。该织构是过渡性的， 并且经过一个擦除时间τe自发地转变返回初始织构。该时间大约为10ms 到100ms级，并且与液晶盒的厚度的平方成正比。

这些液晶盒的天顶角锚定能量与采用单稳蒸发SiO所得到的比较相对 很强。对于τ=1ms,Ec大约是10V/μm。图9是在施加控制脉冲30之后 在正交偏振片之间的液晶盒的光透射情况的记录。在图9中，还画出了与 参考图6进行解释的状态对应的标记点。可以观察到最大透射是在状态6e 时得到。在其光学响应未经优化的液晶盒上本发明者测得的对比度好于 100∶1。

另一系列的典型液晶盒所采用的基板片2覆盖有聚异戊二烯，可对5CB 生成圆锥锚定。作为背板1，本发明者使用带有透明电极的玻璃平板，其 上覆盖或是经过摩擦的聚酰亚胺(平面、单稳、强锚定)，或是蒸发SiO(82°,105nm，单稳、强锚定，倾斜大约55°)。

在填充后，所有试样都显示平面织构，指向矢位于由背板1上的单稳 锚定确定的平面中。对于采用SiO(倾斜锚定)处理过的背板1观察到了 单个倾斜和接近均匀的织构，与图6a的织构类似。对于平面背板1(摩擦 的聚酰亚胺)，有两个在图10中示意画出的平面织构共存，由断层分隔。

通过施加短电脉冲，本发明者观察到液晶盒转入“写入”状态，扭曲 180°。测得的液晶盒的写入阈值Ec(τ)示于图11。聚异戊二烯的表面断裂的 静态阈值很低(Ec约为1.5V/μm，比聚酰亚胺的数量级小)。从实际观 点看，这一性质很重要：此器件可以用低电压控制，即使是采用短脉冲(U =26V,τ大约为10μ，为2μm的液晶盒)。尽管其数值低，但整个液 晶盒的表面上的锚定能高度均匀，这实际上就可产生在大面积上的明确而 固定的写入阈值。

图12示出根据在ITO上接枝聚苯乙烯的处理的脉冲持续时间的5CB 锚定的断裂阈值。采用这种涂层时，阈值也相当低(对于τ=1ms,E≈ 3V/μm)，并且是高度可重复的。同一阈值也可对通过对接枝聚苯乙烯层 进行摩擦而获得的近退化锚定得到。

时间τe是单稳显示器(可自发擦除)的重要特征，并且必须根据刷新 频率能调整。这一时间取决于几个参数：液晶盒厚度，锚定的几何条件， 以及控制脉冲的持续时间和电压。

在图13中，τe根据包含5CB向列相液晶的各种试样的液晶盒厚度 “d”的函数。退化锚定基板片2一直是采用聚异戊二烯覆盖(无记忆退 化圆锥锚定)。所采用的背板1有两类：摩擦的聚酰亚胺的单稳平面锚定 (曲线a)和蒸发SiO的单稳倾斜锚定(曲线b)。专业人士都十分清楚 τe取决于d2：这可由迫使指向矢绕锚定圆锥转动的扭曲体弹性扭矩和对抗 的粘性扭矩之间的平衡条件导出。还可以观察到对于背板上的倾斜锚定，τe 较长：这样的液晶盒具有较小的平均角θ，并且因而其弯曲织构(图6d) 及其扭曲织构(图6e)的能量非常相似。扭曲的弹性扭矩变小，并且弛豫 时间τe延长。

图14示出一种液晶盒(5CB，聚异戊二烯基板片2，倾斜SiO背板1， 厚度2.3μm)对于固定持续时间(τ=50μs)和不同电压的控制脉冲的光 学响应曲线。更准确地说，图14示出4条曲线a、b、c和d，分别对应 于4种控制电压13.4V、13.5V、14V和15V。在图14中可以看到， 在十分明显的大约为13.4V的阈值Uc下没有观察到透射。对于U＞Uc，透 射随着在控制脉冲期间施加的电压而加大。对于大于或等于US=15V的 U，透光强度在其最大值处饱和且不再有任何变化。本发明者所发现的这 一关系可解释如下：在高电压(U＞US)下，在聚异戊二烯基板片上的锚 定被彻底断裂，并且在脉冲的结束时，流体动力控制高度有效，使指向矢 在天顶角锚定的协助下快速回到位置θ=θ0，φ=0°(图6d)。如此得到的 弯曲织构是平面的，且光学透射率低。此时，无天顶角扭矩施加，且锚定 不滑动。正如上文中已经解释过的，此织构(图6d)不稳定，并且会转变 为图6e的扭曲织构，它会牵引表面2并使锚定滑动，结果导致通过图6f 的织构到达最后的图6a的织构。在图6d织构之后并通向图6a的织构的转 换之际，织构被扭曲，并且透光强度大。

当控制电压小(U大约为Uc)时，基板片2的天顶角锚定未彻底断 裂，并且在脉冲的尾部指向矢绕着小孔径圆锥θ2＜θ20的法线转动。此时流体 动力效应和天顶角锚定在两个不同方向上牵引分子：分别向着半平面φ2= 0°和向着锚定圆锥θ2=θ20。在流动的末端，得不到图6d的平面织构，但可 以得到如图6f所示的扭曲织构。这一织构迅速解扭并产生图6a的初始织 构。此外，所有这些中间织构接近垂面，结果通过正交偏振片的相应透光 率很小。

这一模型可解释图14中的曲线I(t)的变化情况，特别是弛豫时间 和最大强度随着电压增加的增加。本发明者利用固定控制电压(U=25V) 和可变持续时间τ得到并解释了类似的曲线：对于τ=14μs无光学响应；对 于14μs＜τ＜16μs透射强度逐渐增加；并且对于τ大于或等于16μs，光信 号饱和并且不再与τ有关。从实际观点来看，脉冲后的透射强度与τ和U的 依从关系很重要：这使得采用所提出“灰度级”工作模式的显示成为可能， 而这一点对于彩色显示非常重要。这是一种通过改变短控制脉冲的电压或 持续时间而改变像素亮度的能力。

这样，为了定义灰度梯级，可以使用接近断裂阈值的脉冲，比如持续 时间固定而幅度在Uc到Uc-20％范围内的脉冲，或是幅度固定而持续时间 在τc到τc-20％的范围内(τc代表对于给定幅度断裂锚定所要求的脉冲持续 时间，示例见图11和12)。

阈值Uc和τc的高度一致及这些参数(U或τ)的微小改变引起的光度 的快速增加使得可以在保持灰度梯级的同时得到高倍增率的显示。比如， 可以在主动(有源)行采用电压Urow=(Uc-Us)/2及在列上采用电压(Uc -Us)/2＜Ucol＜(Us-Uc)/2一行一行写入进行显示。采用这种方式时主动 行像素上产生的电压在Uc到Us范围之间变化。从而，透射光的亮度可在零 和最大值之间变化。未受到寻址的行上的电压保持低于弗雷德利克斯 (Fredericks)不稳定电压[10]。

为避免图像闪烁，可以采用比擦除时间τe短的图像刷新周期。

图15示出根据固定重复频率和不同脉冲幅度变化的刷新脉冲时间的光 学信号。在这种情况下，本发明者指出器件工作在rms(均方根)模式：平均 光学信号是施加电压的均方的函数。

图16示出根据rms(均方根=电压平方的平均值的平方根)电压的平 均光强。可以看到电压阈值很陡。产生光强90％的电压与产生光强10％ 的电压之间的比率M接近1.025。这使制作行数由Alt和Pieshko公式[11] 给出的屏幕成为可能：

         N=[(M2+1)/(M2-1)]2=1600

即制作的屏幕具有1600行。

最后，本发明者还研究了利用圆锥或平面退化锚定(聚异戊二烯、聚 苯乙烯或GLYMO层)与小单稳排列(在淀积退化锚定层、将上述层淀积 在蒸发SiO上或淀积在某一等效各向异性表面上之前或之后进行摩擦的基 板片)叠加而得到的近退化锚定。正如已经解释过的，此种锚定构成对称 双稳且具有很低的方位锚定能的锚定。

在又一个方案中，可采用紫外或可见偏振光束处置诱导各向异性。

在施加了控制信号之后，近退化锚定断裂且液晶盒被写入，产生如图 6e中所示的织构。断裂阈值与相应的退化锚定的相同。然而，写入的织构 不会由锚定滑动而自发擦除并将在以秒计的时间范围内保持稳定。在更长 的一段时间，此液晶盒将由断层的运动擦除。

在合适处，这种自发擦除可通过在液晶材料中添加手性掺杂剂而消 除，如文献[9]中在对单稳锚定的另一种的情况下所建议的。

简言之，在本发明的情况下所建议的显示表现出如下的特征：

·锚定的实现简单；

·写入时间很迅速(对于U大约为26V时τ1＜10μs)；

·在一个大约为20μs到100μs，即与视频图像刷新速率可相比的一个 可调时间τe之后自发擦除；

·灰度梯级(对非优化液晶盒大约7到8个2进位灰度)；以及

·可得到双稳液晶盒。

还可以设想如下情况：退化锚定的天顶角断裂阈值Ec2大于通常的天顶 角锚定的天顶角断裂阈Ec1值。对于Ec2＞E＞Ec1的电场E，退化锚定基板片 成为主基板片，即它在写入之际产生弯曲状态或在擦除时产生生成图6a的 均匀状态的弹性相互作用的流体动力体积流和表面流。

还可以设想一种可消除两块基板片上所有方位角取向记忆的处理。

此外，在本发明的情况下，还可以设想利用具有正介电各向异性的液 晶或具有负介电各向异性的液晶。

Ⅱ-利用方位扭矩转动退化锚定的器件

在上述器件中，外加的场垂直于基板片并且强电场扭矩断裂退化方位 角锚定基板片的天顶角锚定。在控制脉冲之后，得到一个新的体积织构， 该织构在单稳状态下会由于退化锚定基板片上的分子的方位角旋转作用而 回复到初始织构。下面我们描述其它的器件，在这些器件中，在液晶盒中 施加的方位角扭矩产生方位角转动。在这种情况下不出现锚定断裂：退化 方位锚定在这样扭矩作用下可自由重新取向并且液晶盒的织构的改变越来 越强和可逆转，因为根据定义断裂退化方位角锚定阈值为零。然而，这些 新器件与通常的显示的不同在于在切换时指向矢的取向在退化锚定基板片 上转动：它们不利用传统的强锚定，而是利用“无限软”的方位角锚定。

Ⅱ-1)采用水平场退化锚定的显示

a)器件的几何尺寸

在这种场合，两个电极都布置在同一基板上，例如图17中的基板片1 上；它们与y轴平行并且其间的间隔为L。电场在液晶盒的平面上且平行x 轴。在基板片2上没有电极，并且其锚定为圆锥或退化平面型，无取向记 忆。在基板片1上，锚定为传统的单稳平面或倾斜的，相对x轴的方位角 为θ1(图17)。基板片间的距离为d。无任何场作用时，可得到图17a的 平面织构：整个液晶盒中的分子平行于由φ(z)=φ1定义的一个垂直面。这一 织构只由基板片1上的锚定和向列相液晶的变形弹力决定，因为在基板片2 上没有表面方位扭矩。

当电压U作用于两个电极之间时，电场(E=U/L)使指向矢n(z)平 行(若Δθ＞0)或垂直(若Δθ＜0)于x轴。在基板片1上，方位锚定很强， 并且指向矢不转动(φ(0)=φ1)。在基板片2上，方位锚定是自由的，并且 边缘条件由dφ/dz/z=d=0给定。一般讲，在场中可得到扭曲织构，如图17b 所示，退化基板片上的分子具有取决于场的取向φ2。带有电场的基板片2 上的向列相液晶的取向中的这一变化将建议的这种器件与已知的其他器件 区别开，这些其他器件也是利用水平控制场，但在这些器件中基板片2上 的锚定很强并且是单稳型(垂面[文献12和13]，平面或倾斜型[见文献中的 参考文献14])。专业人士知道水平场显示与垂直场(场与基板片垂直)显 示比较，制作难得多，并且因而价格更贵；它们要求的控制电压大L/d＞＞1 倍，在一个像素中电极的布置很复杂，而对于多路复用来讲有源矩阵是主 要的。但是，水平场显示也有重大优点：它们的视角很宽，因为在所有状 态中指向矢都保持与基板片平行。

b)所建议的器件与传统锚定和水平场显示之间的比较

为了理解所建议的器件的优点，必须比较两种很类似的显示中通过液 晶盒的角度φ(z)的变化(图18)：图17a中建议的器件和同样类型的显示 但其中基板片2上的锚定很强并且是单稳型，从而强迫φ(d)=φ2=φ1。在 不存在电场(U=0)时，两种显示具有均匀织构，其φ(z)=φ1(图18，曲 线a)。为了简化起见，此处假设φ1=90°并且Δε＞0，虽然本发明自然不 受这一场合的限制。直到电压Us的某一阈值为止，由于锚定产生的表面扭 矩支配体积电扭矩，而此织构保持均匀。对传统的单稳锚定，这一阈值由 U′s=LU2/d决定，其中U2是扭曲几何形状中的弗雷德利克斯阈值[文献 10]，对于5CB其值大约为0.5V。在带有基板片2上的圆锥锚定的器件， 由于基板片2上的自由锚定的条件，此阈值是U″s=LU2/2d的一半。高于 此阈值时，电扭矩变得足够强以使织构变形。在两基板片上的传统锚定的 情况下，φ(z)在体积内变化(图18，曲线b)，但在两个表面上保持不变。 当采用基板片2上的退化方位锚定时，分子也在此表面上转动(图18，曲 线c)。在此场合，织构的扭曲更强烈。

为了观察到织构中的转变，液晶盒置于两个正交偏振片之间，其中一 个偏振片平行基板片1上的指向矢。对于两种显示，如果U＜Us，则液晶 盒为双折射片，其慢轴平行入射光的偏振，而穿过显示的透射光(液晶盒 加偏振片)为零：显示处于黑态(blackstate)。

采用这种在两个基板片上具有强锚定的已知显示，如果U＞Us但接近于 Us，则液晶盒中的扭曲对应于图18，曲线b，可满足毛勾(Mauguin) 条件(dφ/dz＜＜Δn/λ)。在这种条件下，光偏振跟随分子的方向，高扭曲 和低扭曲的效应抵消，并且显示保持为黑色。在较高电压下，液晶盒扭曲 变得很强，靠近表面处毛勾条件不再满足，所以液晶盒的光输出变为强椭 圆型。透射光随电压迅速增加，不过对不同颜色的光方式不同。

在退化锚定时，如果U＞Us但接近Us，则液晶盒保持在波导条件中， 并且其作用为一偏振旋转器：在穿过液晶盒之后，光的偏振转过一个角度 φ2-φ1，此角度对所有波长都相同(或近似相同)。于是一旦通过了阈值透 射光随电压很正常地增加，并且透射光保持为白色。

即使在退化锚定的普遍情况φ1＜90°时仍是这样，不过在这种情况下不 存在明显的阈值Us，并且织构的扭曲随U的增加越来越快。于是，灰度延 伸到更大的电压范围，所以更容易控制，不过对比度由于液晶盒的总扭曲 φ1-φ2小于90°而稍微有所下降。为避免这一缺点，只要通过将向列相液晶 转变为具有长螺距2μm＜P＜10μm的胆甾相液晶对向列相液晶进行手征性 材料处理即可。在手征性液晶盒中的扭曲示于图19，曲线a，无场，和曲 线b,c,d,场逐渐增强。

c)所建议的显示的优点

从上面的描述可以清楚看到图17的器件优于其他水平场显示的某些优 点。基板片2上的退化锚定使得可以降低控制电压达1/2，或采用比固定的 U大一倍的比率L/d，从而使像素尺寸加倍。透射的光为白光，无任何颜 色散射。自然，视角与其他水平场显示一样，很宽。退化锚定还使为优化 液晶盒的工作情况而选择液晶盒的几何参数的自由度增加。比如，液晶盒 的光学可以通过使向列相液晶手性化和独立地选择两个基板片上相对场E 的取向φ1和φ2而得到优化。还可以利用场的极性控制器件：因为两个表面 不同，可以在液晶盒内生成体积或表面偶极子密度(比如柔电型 〔(flexoelectric)[文献13]或序电型(ordoelectric)[文献15]〕。这一偏 振与场的极性耦合，并且依据其指示的不同织构向左或向右扭曲，由于这 一耦合与场E是线性的使能量极小化。当E⊥n或场很弱时这一效应可以 很大，因为在两种场合线性效应比介电效应强得多(E的二次方)。

d)实验结果

本发明者制作了数个在具有强平面锚定(倾斜蒸发SiO)的基板片1 和具有退化圆锥锚定(接枝的聚苯乙烯)的基板片2之间的水平场液晶盒。 将两个透明ITO电极都淀积在基板片2上，并且其间隔为100μm。控制 脉冲的持续时间选择为40ms，这与一个视频图像的持续时间相容。

在图20a中示出这样一个液晶盒(d=2.0μm,φ1=70°，向列相液晶 为纯5CB)对可变控制场E=U/L光学响应。作为比较，图20b中示出利 用一个类似的液晶盒所取得的结果，不过在基板片2上采用的是单稳平面 锚定。在两种场合下，对比度都很好(～200)，并且视角很大。对单稳锚 定(图20b)透射光带有更多的彩色，并且与预期一样，控制场大约大一 倍。

Ⅱ-2)采用“垂直”场中的退化方位角锚定显示

如已经解释过的，采用水平场的器件的优点是其视角宽。与此相反， 具有“垂直”场(与基板片垂直，是在两个基板片上淀积的两个透明电极 之间得到的)的显示的优点是简单和其控制电压低。下面示出了，通过采 用圆锥锚定可以将两种类型的显示的优点结合起来。

a)器件的几何尺寸

在此场合(图21)两个电极是分别淀积在两个基板片1和2上。电场 E=U/d平行基板片的法线。基板片1上的锚定是单稳型(平面型或倾斜型)。 在基板片2上，锚定是退化型，为平面型或圆锥型，并且无记忆。基板片 之间的液晶为手性的向列相或胆甾相，与可见光的波长相比其螺距相对 大。基板片2上的圆锥或平面退化锚定将建议的器件与在文献[16]和[17]中 已经建议的垂面排列单稳锚定器件区别开来。

专业人士已知，不加外部约束，受到场或边缘的作用，胆甾相会卷成 螺旋。如果螺旋的轴线平行于z，则分子垂直上述轴线(θ=90°)，且φ= φ(z)=q0z，其中q0z=2π/P为自发胆甾相扭曲的波矢量。图21的液晶盒中的 锚定条件要求螺旋的轴线垂直基板片的螺旋织构。然而，基板片上的排列 及施加的电场产生的天顶角θ=θ(z)一般不等于90°。之后在θ(z)和dφ(z)/dz 之间由于向列相液晶的弹性常数(K1≈K3＞K2)的各向异性而出现耦合。 假设K1=K3=K＞K2，并且当方位角锚定在基板片之一上是自由的时，下 面的关系式成立： $\frac{\mathrm{d\phi }}{\mathrm{dz}}=\frac{q_0}{1+(\frac{K}{K_2}-1){\cos }^2\theta }$

式中：

K1=液晶的扇状变形的弹性常数；

K2=扭曲的弹性常数；

K3=弯曲的弹性常数。

于是在天顶角变形和方位角变形之间存在耦合。如果结构接近平面型 (θ≈90°，图21a)，则系统返回dφ/dz=q0。如果织构接近垂面排列，(θ＜＜ 90°)，则可以得到扭曲减小dφ/dz=q0K2/K。

在本发明者建议的器件中，φ与θ之间的耦合充当一个扭矩“转换器”。 它可以将垂直场直接生成的天顶角扭矩转换为方位角扭矩。这样，因为基 板片2上的自由方位锚定，角度φ2在场的作用下(图21b，假设在此图中 Δε＞0)发生改变。在正交偏振片之间，可得到透射光的强度的改变。如果 P和Δn大，则织构接近平面型，并且系统工作在波导条件下，于是在液晶 盒的出口，偏振根据外加的电场的大小或大或小的程度旋转。利用在两个 基板片上的倾斜锚定和Δε＜0(无电场，θ＜0；有电场，θ≈90°)这些条件很 容易做到。如果P很小并且/或者织构接近垂面排列(θ＜＜90°)，波导条件 被干扰，则在液晶盒出口的光根据电场的作用而或多或少程度地为椭性 的。这些条件采用在两个基板片上的平面锚定(或接近平面锚定)和Δε＞0 (在电场下织构近乎垂面排列)很容易做到。

b)所建议的器件的优点

与基于传统的锚定的器件相比所建议的器件具有大量的优最。与水平 场显示比较，这些优点如下：

·实现简单；

·可制作任意大小和形状的像素；

·控制电压小，可任选在无源条件下工作(无有源矩阵)；以及

·工作在波导模式时具有良好的色度特性(colometry)。

与采用传统的锚定的垂直场显示相比，这些优点如下：

·视角宽；

·工作在波导模式时具有良好的色度特性；以及

·可大大改变织构并从而改变φ而不会出现断层(因此这些变化可非 常迅速和可逆)。

c)实验结果

为显示建议用于垂直场的器件的性能，本发明者制作了各种两片玻璃 平片之间的液晶盒，在基板片的内表面上采用了ITO透明电极。在所有场 合基板片1上的锚定为传统的和单稳型，而在基板片2上为退化平面或圆 锥型。向列相液晶为5CB并且经过手性材料处理以取得在螺距P远大于波 长时可得到自发扭曲。

图22示出这种液晶盒对电脉冲持续时间τ=40ms(与视频兼容)和在 1.0V到3.0V范围内的电压U的光学响应。基板片1上锚定是单稳和倾斜 (SiO)型，而在基板片2上为退化和圆锥(接枝聚苯乙烯)型。液晶盒 的厚度为d=4.0μm，胆甾相螺距为P≈5.0μm。液晶盒中的扭曲在范围～270° (无电场)和～160°(强电场)内变化。这种强扭曲保证了宽视角，与超扭 曲显示的视角相似。响应时间可与视频兼容，并且对比度(未经优化)为 大约20。

图23示出具有同样锚定但d=2.9μm和P≌2.6μm的另一液晶盒的光学 响应。由于厚度薄，在该液晶盒中的弛豫时间更快，使图像的刷新频率更 高(例如16.6ms,NTSC标准)。液晶盒的对比度很好，大约为140。

在两个液晶盒中，螺旋的螺距都未大到可以满足毛勾条件ΔnP＞＞λ。因 此破坏了波导条件而未能彻底避免色散。另外，发明人在织构调制的液晶 盒中观察到的强烈的总扭曲，正如在混合液晶盒中已经观察到的[文献17] 一样。这种连续调制，无断层线，是由于在基板片2上的圆锥锚定造成的， 并且，对于小厚度(d≈P)，它可代替在带有单稳锚定的胆甾相液晶中所 观察到的真性断层(“指纹”)。在现在的场合的响应时间不受织构调制 的影响：因为断层既不生成也不传送所以无滞后。

在无电场的状态下观察到调制，对所建议的显示这是明亮(clear)状态， 并没有降低对比度。

图24示出工作在波导状态下并且提供更好的色度的长螺距 (P≈13μm)液晶盒的光学响应。该液晶盒的厚度为d≈3.7μm，基板片1 上为单稳平面锚定(SiO)，基板片2上为退化平面锚定(通常采用 GLYMO)。液晶盒的总变形很小，并且没有织构调制。 参考文献： 1．J.Cognard,″Alignment of nematic liquid crystals and their mixtures″,Mol.Cryst.Liq.Cryst.Suppl.1,pp.1- 77(1982). 2．Durand et al.,US patent 5357358. 3．R.Barberi,G.Durand,Appl.Phys.Lett.58,2907 (1991). 4．R.Barberi,M.Giocondo,Ph.Martinot-Lagarde,G. Durand,J.Appl.Phys.62,3270(1993). 5．R.Barberi,M.Giocondo,G.Durand,Appl.Phys.Lett. 60,1085(1992). 6．B.Jerome,″Surface effects and anchoring in liquid crystals″,Rep.Prog.Phys.54,391(1991). 7．S.Matsumoto,M.Kawamoto,N.Kaneko,″Surface-induced molecular orientation of liquid crystals by carboxylato- chromium complexes″,Appl.Phys.Lett.27,268(1975). 8．Patent application PCT/FR 96/01771 dated November 8, 1996. 9．I.Dozov,M.Nobili,G.Durand,″Fast bistable nematic display using monostable surface switching″,Applied Physics Letters 70,p.1179(1997). 10．P.G.de Gennes,J.Prost,″The physics of liquid crystals″,Clarendon Press,Oxford,1993. 11．Alt.P.M.and Pleshko P.；1974 IEEE Trans.Elec.Dev. ED-21:146. 12．French patent FR82/07309 to G.Durand,Ph.Martinot- Lagarde,I.Dozov,entitled ″Perfectionnement aux cellules optiques utilisant les cristaux liquides″ [Improved optical cells using liquid crystals]. 13．I.Dozov,Ph.Martinot-Lagarde,G.Durand,″Flexo- electrically controlled twist of texture in a nematic liquid crystal″,J.Phys.Lett.43,366-369(1982). 14．MASAHITO OH-E et al.″Dependence of viewing angle characteristics on pretilt angle in the in-plane switching mode liquid crystals″,1997,Vol.22,No.4. 15．G.Durand,″Order electricity in liquid crystals″, Physica A.,163,94-100(1990). 16．US-A-4114990. 17．I.Dozov,I.Penchev,″Structure of a hybrid aligned cholesteric liquid crystal cell″,J.Physique 47(1986).