CN100363801C - 具有补偿膜的反射式扭转列向型液晶显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用补偿膜以得到高对比、高反射率、低色彩色散的反射式液晶显示器。以总边界残留延迟为基础，可计算得相对的补偿模及偏光板的条件。并藉由此补偿模及偏光板的条件，以获得具有高对比、高反射率、低色彩色散的反射式扭转列向型液晶显示器。

Description

具有补偿膜的反射式扭转列向型液晶显示器

技术领域

本发明有关于反射式液晶显示器，特别是有关于使用相位补偿膜，于电压开-状态时，补偿残留相位延迟以达一高对比、低操作功率、低色彩色散的反射式及半反穿式液晶显示器。

背景技术

相较于一般传统的穿透式液晶显示器(LCD)，反射式液晶显示器具有低操作功率、重量轻及户外鉴视率高等优点。早期将传统的穿透式扭转列向式液晶显示器(TN LCD)或超扭转列向式液晶显示器(STN LCD)的偏光板的一取代为反射式偏光板。利用这种方式，入射光会通过偏光板四次，导致低的光效率(light efficiency)。更甚者，由于反射式偏光板置于玻璃基板之外，非直视角所造成的视差会非常严重。上述视差会影响显示器品质，尤其是高解析反射式液晶显示器。

为解决前述视差及光效率低的问题，单一偏光板的反射式液晶显示器(single-polarizer reflective LCD)已被提出使用。此具有单一偏光板的反射式液晶显示器的基本构成包括一偏光板、一液晶层及一反射板。由于光自反射板返向，入射光仅通过偏光板两次。具有单一偏光板的反射式液晶显示器及相当于具有两平行偏光板的穿透式液晶显示器，除了重复通过液晶层两次。然而，传统的穿透式90°扭转列向式液晶显示器改成单一偏光板的反射式液晶显示器并无法正常运作，此乃由于在电压开与关时具相同的状态。

就其原理而论，单一偏光板的反射式液晶显示器的相位延迟(dΔn)应大抵为穿透式液晶显示器相位延迟的一半，此乃由于光线通过液晶层两次的缘故。美国专利第5,933,207号揭示一混合式扭转列向(mixed twisted-nematic，MTN)型液晶显示器，藉由使用一偏光板、一四分之一波长膜(quarter-wave film)、一扭转列向液晶层及一反射板构成的直视显示器(direct-view display)，解决前述问题。虽然这种形式的显示器最大的光效率仅可达88％，但由于完全边界补偿(complete boundary compensation)作用，使得在视角90°的效果很好。然而，当在视角低于90°时，由于不完全边界补偿作用，致使对比率下降。美国专利第6,295,109B1号揭示一λ/4-α膜以补偿在电压开状态时的残留相位(Residual Phase)，其中α是电压开状态时TN-LC液晶盒(Cell)的残留相位。然而，由于在电压开状态时的残留相并纯粹的双曲折效应(birefringence effect)，因此λ/4-α膜并无法完全补偿在电压开状态时的残留相位。除了上述两件专利揭示之外，其它单一偏光板的反射式液晶显示器模式亦见于其它文献中，例如在题为「ReflactiveLiquid Crystal Displays」(S.T.Wu and D.K.Yang，Wiley，New York，2001)。然而，不完全补偿残留相位效应所导致低对比等关键的问题仍存在于前述专利及文献中。

图1A-图1B显示现有的3.5μm厚75° MTN-LCD的电光效能(Electro-Opticperformance)图。于电压-关状态时，反射率可达到1。然而，于于不完全补偿残留相位效应致使在暗态(drak state)时的漏光程度非常大。即使驱动电压为4V，经计算其反射式对比只有约86∶1。当驱动电压为3V时，经计算其反射式对比只有约30∶1，并不足以供显示器使用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于使用一种补偿膜方式，以达到具高对比、低操作功率、高亮度及低色彩色散度(color disperse)低反射式液晶显示器。

根据上述目的，本发明提供一种具有补偿膜的反射式扭转列向型液晶显示器，包括：一液晶盒，包括一第一基板及第二基板，第一及第二基板是对向设置且其间夹置一液晶层，该液晶层的扭转角为φ，半残留延迟相位角为α；一反射板，形成于邻接该液晶层的该第一基板上；一补偿膜，形成于该第二基板上，该补偿膜的相位角为δ，慢轴角度为θ；以及一偏光板，形成于该补偿膜之上，该偏光板角度为β；其中，该补偿膜的相位角δ是符合下述关系式：

$\mathrm{\δ}=\mathrm{arcctg}\left(\frac{\sin \mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\φ}+\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\φ}}{{\sin }^2\mathrm{\φ}+\cos 2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\φ}}\right)$

该相对偏光板的角度β-θ是符合下述关系式：

$\mathrm{\β}-\mathrm{\θ}=\mathrm{arcctg}(-\frac{{\sin }^2\mathrm{\φ}+\cos 2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\φ}}{\sin \mathrm{\δ}(\sin \mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\φ}-\sin 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\φ})}).$

其中反射式扭转列向型液晶显示器包括半反穿式液晶显示器，其反射板是一半穿透的反射板(transflector)，其中更包括一宽频的圆偏光板(broadband circular polarizer)设置于该半穿透的反射板(transflector)下。

该液晶层包括一中间层及一边界层。该边界层总边界残留延迟2ψ是符合关系式：α＝2πψ/λ。

附图说明

图1A-图1B是显示现有3.5μm厚75°MTN-LCD的电光效能图，其中图1A为电压与反射率的关系，图1B为电压与穿透率的关系；

图2是显示本发明的结构布置剖面图；

图3显示本发明的构成坐标关系图；

图4显示本发明在高电压状态下的双层模型(two-layer model)；

图5A至图5C显示在不同扭转角φ的情形下，补偿膜的相位角δ与其慢轴角度θ的关系图，图5A至图5C依序表示2ψ＝20、40、及60nm条件的结果；

图6A至图6C显示在不同扭转角φ的情形下，相对偏光板的角度β-θ与其慢轴角度θ的关系图，图6A至图6C依序表示2ψ＝20、40、及60nm条件的结果；

图7所示的70°GF-RTN-LCD，针对不同慢轴的等反射面图；

图8A-图8C显示TN-LC层在V＝0状态的dΔn与反射率的关系，图8A至图8C相对表示2ψ＝20、40、及60nm条件的结果；

图9A提供最大正规化(normalized)反射率与扭转角φ在不同边界残留延迟2ψ＝20、40、60nm条件下的关系；

图9B显示在电压V＝0状态下相对于最大反射率的TN-LC层的dΔn值与与扭转角φ在不同边界残留延迟2ψ＝20、40、60nm条件下的关系；

图10A显示70°GF-RTN-LCD，针对计算所得的补偿膜及偏光板结果，获得的电光效能图；

图10B图是显示液晶盒间隙的误差容忍程度；

图11A-图11B显示60°GF-RTN-LCD，针对计算所得的补偿膜及偏光板结果，获得的电光效能(EO performance)图，其中图11A为电压与反射率的关系，图11B为液晶盒间隙的误差容忍程度；

图12显示3.6μm厚70°GF-RTN-LCD的电压与穿透率的关系；

图13A-图13C显示本发明的第二实施方式的3.8μm厚60°GF-RTN-LCD的电光效能(EO performance)图，其中图13A为电压与反射率的关系，图13B为电压与穿透率的关系，图13C为液晶胞间隙的误差容忍程度；以及

图14A-图14C显示本发明的第三实施方式的3.4μm厚80°GF-RTN-LCD的电光效能(EO performance)图，其中图14A为电压与反射率的关系，图14B为电压与穿透率的关系，图14C为液晶胞间隙的误差容忍程度。

符号说明：

100～反射式扭转列向型液晶显示器(GF-RTN-LCD)；

120～液晶盒；

130～液晶层；

130a～液晶层边界层；

130b～液晶层中间层；

140～反射式基板；

160～第二基板；

170～补偿膜；

180～偏光板；

dΔn～液晶显示器的相位延迟；

β～偏光板角度；

θ～补偿膜的慢轴角度；

δ～补偿膜的相位角；

φ～TN-LC的扭转角；

α～半残留延迟相位角；

ψ～边界次层的残留延迟；

λ～光波长。

具体实施方式

以下配合图式以及较佳实施例，以更详细地说明本发明。

本发明提供一显示器组件结构设计以其达到高对比、低色彩色散(colordisperse)及高亮度。图2显示本发明的利用补偿膜于反射式扭转列向型液晶显示器(GF-RTN-LCD)100的布置剖面图。该GF-RTN-LCD 100包括一偏光板180、一补偿膜170、一液晶胞120包括一第一基板140及第二基板160，第一及第二基板是对向设置且其间夹置一液晶层130，其中第一基板是一反射式基板140。图3显示本发明的GF-RTN-LCD的构成坐标关系图。以第二基板160(相对靠近观看者的基板)的研磨方向为基准方向，偏光板180穿透轴(transmission axis)的方向与基准方向夹β角，补偿膜170慢轴的方向与基准方向夹θ角，TN-LC层130的旋转角为φ，上述所有的角度皆以逆时针方向为正，而以顺时针方向为负。

在详细揭露本发明实施方式之前，首先介绍双层模型(two-layermodel)。在具旋转角φ及正介电异向性的液晶材料的TN-LC液晶盒中，施以足够高的电压，位于中间层(middle layer)的液晶分子会沿着电场的方向排列。然而，位于边界层(boundary layer)的液晶分子，由于有强的表面钉子(Surface Anchoring)效应因而较难扭转。因此，在高电压状态，形成两层薄的边界层，如图4所示。其中的一次层(sub-layer)130a靠近第二基板160，另一次层130a位于第一基板140(反射板)。为了简化起见，此两边界层可视为两单轴层(uniaxial layer)具有旋转角φ。因此可称此简化的模型为双层模型(two-layer model)。对一特定的液晶层材料而言，各个次层的残留延迟决定于驱动电压，即驱动电压愈高，残留相位延迟欲小。

因此，可利用上述双层模型检视具旋转角φ及正介电异向性的液晶材料的TN-LC液晶胞的电光效能(electro-optic performance)。当基底的预倾角(pre-tilt angle)相同时，则上基板的残留相位延迟α应等于下基板的残留相位延迟，以及整个TN-LC液晶胞的残留相位延迟为2α。其次，为了达到高对比所需的完全暗状态(dark state)，必须进行计算膜厚及偏光板角度。根据图3所示的坐标轴系统，首先必须找出下列5项参数的相对关系：(1)偏光板角度β；(2)补偿膜的慢轴角度θ；(3)补偿膜的相位角δ；(4)TN-LC的扭转角φ；(5)半残留延迟相位角α。

在经过精确的数学运算之后，本发明提供一反射式TN-LC液晶胞，在高电压状态下具有旋转角φ及总残留延迟相位角2α，补偿膜的相位角δ与补偿膜的慢轴角度θ的关系式为：

$\mathrm{\δ}=\mathrm{arcctg}\left(\frac{\sin \mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\φ}+\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\φ}}{{\sin }^2\mathrm{\φ}+\cos 2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\φ}}\right)$ 式1

由此方程式关系可得，对应补偿膜的相位角δ的补偿膜的慢轴角度θ。于此，在决定补偿膜的相位角时，θ值相当于θ+n·180°(其中n为整数)。此外，在决定补偿膜的相位角时，θ值亦相当于θ-n·180°。应了解的是，2α是反射式TN-LC液晶盒总残留延迟相位角以及α＝2πψ/λ是各个边界次层于操作电压下的相位角，其中ψ为各边界次层的残留延迟以及λ为光波长，ψ的范围为5～50nm。

根据上述双层模型(two-layer model)，在决定补膜的相位角δ之后，偏光板相对补偿膜慢轴的角度β-θ，可表示为：

$\mathrm{\β}-\mathrm{\θ}=\mathrm{arcctg}(-\frac{{\sin }^2\mathrm{\φ}+\cos 2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\φ}}{\sin \mathrm{\δ}(\sin \mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\φ}-\sin 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\φ})})$ 式2

同样地，对补偿膜的慢轴角度θ而言，藉由上述数学方法处理，由既知的φ及α可得相对偏光板的角度β-θ。其中，δ是由式1所决定。应了解的是，在决定相对偏光板的角度β-θ时，φ值相当于φ±n·180°(其中n为整数)。此外，β-θ值亦相当于β-θ+n·90°(其中n为整数)。

图5A至图5C显示在不同扭转角φ的情形下，补偿膜的相位角δ与其慢轴角度θ的关系图。图5A至图5C依序表示2ψ＝20、40、及60nm条件的结果。对于φ＝±90°而言(曲线A及C)，补偿膜的相位角恰好等于四分之一波长膜(quarter-wave film)。另一方面，对同构型(homogeneous)液晶胞φ＝0°而言(曲线B)，其振幅可达最大。对其他扭转角而言，补偿膜的相位角偏离四分之一波长膜。比较图5A至图5C可发现，当总边界残留延迟2ψ自20nm增加至60nm时，补偿膜的相位角偏离量的范围亦随之增加。

图6A至图6C显示在不同扭转角φ的情形下，相对偏光板角度β-θ与其慢轴角度θ的关系图。图6A至图6C依序表示2ψ＝20、40、及60nm条件的结果。相对偏光板角度β-θ的变化量大抵为45°。当φ＝±90°时(曲线A′及C′)，相对偏光板角度β-θ恰好等于45°。同时如图5所示，补偿膜的相位角恰好等于四分之一波长膜(quarter-wave film)，入射光被转换成圆形偏光。另一方面，当φ＝0°时(曲线B′)，其振幅可达最大值。比较图6A至图6C可发现，当总边界残留延迟2ψ自20nm增加至60nm时，补偿膜的相位角偏离量的范围亦随之增加。对一特定的液晶材料而言，总边界残留延迟2ψ会随外加电压的增加而减少。一般而言，总边界残留延迟2ψ愈大，δ与β-θ的变化量也愈大。

基于上述补偿膜及偏光板的关系，本发明提出电光效能(Electro-Opticperformance)与补偿膜慢轴角度θ无依附(Dependent)关系。亦即，对一特定的液晶胞(即扭转角φ与总边界残留延迟2ψ的值固定)而言，可根据式1决定补偿膜的相位角δ，以及可根据式2决定相对偏光板的角度β-θ。无论补偿膜慢轴角度θ为何，此电光效能曲线皆相同。例如，图7所示的70°GF-RTN-LCD，针对不同慢轴的等反射图，其中设定2ψ＝40nm及λ＝550nm。由此得知，等反射线与补偿膜慢轴角度θ无依附关系。易言之，电光效能曲线与补偿膜慢轴角度θ亦无依附关系。

在获得补偿膜及偏光板的参数之后，仍应求取各个扭转角φ的TN-LC层的厚度以获致在电压-关状态下的高反射率。图8A-图8C显示TN-LC层在V＝0状态的dΔn与反射率的关系。图8A至图8C相对表示2ψ＝20、40、及60nm条件的结果。由图8中得知，在φ～60°～70°时，其正规化(normalized)的反射率接近1的dΔn范围最大(曲线M)。此意味着在此范围内，色彩色散(colordispersion)的程度很小，在之后的电光效能曲线亦可获得证明。为获致最大正规化(normalized)反射率及其相对TN-LC层的dΔn值，图9A提供最大正规化(normalized)反射率与扭转角φ在不同边界残留延迟2ψ＝20、40、60nm条件下的关系。由图9A得知，当扭转角φ大抵大于70°时，最大正规化(normalized)反射率由1开始下降。若总边界残留延迟2ψ增加，相对于最大反射率的扭转角φ随之减少。图9B显示在电压V＝0状态下相对于最大反射率的TN-LC层的dΔn值与与扭转角φ在不同边界残留延迟2ψ＝20、40、60nm条件下的关系。

基于补偿膜、偏光板及TN-LC层的dΔn值的条件，本发明提供下述实施方式用以补充本发明，其中数学模拟参数详列于表1。

表1

模拟参数	数值
		n<sub>e</sub>(λ＝450，550，650nm)	(1.559，1.548，1.542)
n<sub>o</sub>(λ＝450，550，650nm)	(1.4 85，1.476，1.471)
		Δn	(0.074，0.072，0.071)
K<sub>11</sub>	9.6×10<sup>-12</sup>N
		K<sub>22</sub>	6.1×10<sup>-12</sup>N
K<sub>33</sub>	14.2×10<sup>-12</sup>N
		ε<sub>//</sub>	14.3
ε<sub>⊥</sub>	4.0
		预倾角	3°

实施例一

本发明的第一实施例提供一70°GF-RTN-LCD。由图8得知，在TN-LC层的 $\mathrm{d\Δn}\≅0.26\mathrm{\μm}$ 时具有最大反射率，是故液晶盒间隙的厚度应为3.6μm。假定想要的暗态(drak state)为4V_rms。首先计算在此驱动电压下，总边界残留延迟2ψ的结果为37nm。接着，以此总残留延迟为基础，并由式1与式2分别可获得补偿膜的相位角δ及相对偏光板的角度β-θ值。由于电光效能与补偿膜慢轴角度θ无依附关系。因此，由式1与式2分别计算补偿膜的相位角δ及相对偏光板的角度β-θ值时，可选定任意θ值。基于上述计算所得的补偿膜及偏光板结果，最后可获得上述液晶显示器的电光效能图，如图10A图所示。如同前述，色彩色散(color dispersion)在V＝0时很小。图10B图是显示液晶盒间隙的误差容忍程度。即使液晶胞间隙具有±0.2μm的误差，对比仍可高达2500∶1。为了降低功率，进一步将驱动电压降为3V，所需的步骤指示重新计算将总残留延迟并计算补偿膜的相位角δ及相对偏光板的角度β-θ值。经计算得2ψ＝58nm及电光效能(EO performance)，如图11A所示。由于驱动电压下降，总边界残留延迟2ψ随之上升，导致电光效能(EOperformance)曲线在达到暗态(drak state)厚稍微反弹。然而，对比仍可高达1300∶1。图11B是显示于驱动电压为3V条件下，液晶胞间隙的误差容忍程度。再次强调，即使液晶胞间隙具有±0.2μm的误差，对比仍高于1000∶1。

请参阅图4，为延伸此法于半反穿式液晶显示器(transflectiveLCD)100a，所需的步骤仅需将一宽频的圆偏光板(broadband circularpolarizer)145设置于第一基板140下。在电压-开的状态下，补偿膜与TN-LC的总边界残留延迟的作用相当于一圆偏光板。因此，在经过该宽频的圆偏光板(broadband circular polarizer)及第一基板，背光(backlight)被此等效的圆偏光板隔绝，而得到一良好的暗态(drak state)。图12显示3.6μm厚70°GF-RTN-LCD的电压与穿透率的关系。对比可高达2200∶1。

实施例二

图13A-图13C显示本发明的另一实施方式的3.8μm厚60°GF-RTN-LCD。当驱动电压为3V时，总边界残留延迟2ψ为59nm。在此实施例中，反射式LCD的对比可高达600∶1，相对地，半穿透式LCD的对比可高达1200∶1。液晶胞间隙的误差容忍程度亦佳。即使液晶胞间隙具有±0.2μm的误差，反射式LCD的对比仍高于500∶1。

实施例三

图14A-图14C显示本发明的又一实施方式的3.4μm厚80°GF-RTN-LCD。当驱动电压为3V时，总边界残留延迟2ψ为60.6nm。在此实施例中，反射式LCD的对比可高达4000∶1，相对地，半穿透式LCD的对比可高达6500∶1。液晶胞间隙的误差容忍程度亦佳。即使液晶胞间隙具有±0.2μm的误差，反射式LCD的对比仍高于3000∶1。

一般而言，只要根据式1及式2适当选定补偿模与偏光板的条件，扭转角φ的范围介于0°～100°。由于式1及式2是导自简化的双层模型(two-layermodel)最佳的补偿模与偏光板的条件仍与式1及式2的结果有些许偏差。本发明的精神在于提供一单一宽频补偿模以补偿边界残留延迟及以获致高对比的反射式或半穿透式的液晶显示器。

本案特征及效果

本发明的特征与效果在于利用补偿膜方式以得到高对比、高反射率、低色彩色散的反射式液晶显示器。以总边界残留延迟为基础，可计算得相对的补偿模及偏光板的条件。并藉由此补偿模及偏光板的条件，以获得具有高对比、高反射率、低色彩色散的通用膜补偿反射式扭转列向型液晶显示器。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (2)

1.一种具有补偿膜的反射式扭转列向型液晶显示器，包括：

一液晶盒，包括一第二基板及一反射式基板，该第二基板及反射式基板是对向设置且其间夹置一液晶层，该液晶层的扭转角为φ，半残留延迟相位角为α；该液晶层包括一中间层及一边界层，该边界层总边界残留延迟2ψ是符合关系式：α＝2πψ/λ，其中的λ是光波长；

一补偿膜，形成于该第二基板上，该补偿膜的相位角为δ，慢轴角度为θ；以及

一偏光板，形成于该补偿膜之上，该偏光板角度为β；

其中，该补偿膜的相位角δ是符合下述关系式：

$\mathrm{\δ}=\mathrm{arcctg}\left(\frac{\sin \mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\φ}+\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\φ}}{{\sin }^2\mathrm{\φ}+\cos 2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\φ}}\right)$

相对偏光板的角度β-θ是符合下述关系式：

$\mathrm{\β}-\mathrm{\θ}=\mathrm{arcctg}(-\frac{{\sin }^2\mathrm{\φ}+\cos 2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\φ}}{\sin \mathrm{\δ}(\sin \mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\φ}-\sin 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\φ})}).$

2.根据权利要求1所述的具有补偿膜的反射式扭转列向型液晶显示器，其中该反射式基板是一半穿透的反射式基板，其中更包括一宽频的圆偏光板设置于该半穿透的反射式基板下。

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