CN100440003C - 常白tn模式lcd设备 - Google Patents

Abstract

常白扭曲向列模式LCD设备具有第一和第二光学补偿膜，用于补偿夹在一对基板之间的LC层延迟。该LC层施加有施加电压Vw，其与LC的阈值电压Vth和LC层的预倾角θ具有下面的关系：Vw≤Vth×exp(-0.235×θ+7.36×10^-3)。通过根据预倾角θ使用施加电压Vw，增加了获得理想对比度的视角。

Description

常白TN模式LCD设备

技术领域

本发明涉及一种液晶显示(LCD)设备，特别涉及一种包括具有约90度扭曲角的液晶(LC)分子的常白扭曲向列模式(TN模式)LCD设备。

背景技术

一般地，从光入射侧观看时，TN模式LC设备依次包括按下列顺序布置的第一偏振膜、第一玻璃基板、LC层、第二玻璃基板和第二偏振膜。LC层包括LC分子，其在没有施加电场时具有平行于基板表面取向的长轴。从第一基板到第二基板，LC分子在其长轴上扭曲90度。在常白TN模式LCD设备中，布置第一和第二偏振膜使得其偏振轴彼此垂直设置，因而LCD设备在没有施加电场时表现出白色。

视角特性公知是LCD设备的性能的一个重要指标，其中视角特性显示出获得特定或以上对比度的视角范围。例如，使用的特定对比度为10∶1，作为在印刷纸片(printed sheet)上测量的白色对黑色的亮度比，其中印刷纸片是用黑墨印刷高质量的白纸片。

一般地，LCD设备的水平方向被确定为在显示白色时垂直于基板之间的LC层的中部存在的LC分子的长轴。此外，从LC层的中部处的LC分子的垂直长轴的两个相反方向，选择其中很可能由窄视角发生色调改变的反视角方向(counter-viewing-angle direction)作为向下方向，选择与反视角方向相对的正视角方向为向上方向。在LCD设备的目录中，例如，对每个LCD设备都列出了垂直方向和水平方向的视角特性。

在LCD设备中，LC层的折射率各向异性减小了在倾斜观看方向上的对比度，以致恶化了LCD设备的视角特性，这是公知的。专利公开No.JP-A-9(1997)-15586和-2004-133487描述了一种解决该折射率各向异性问题的方法。这里所示的技术是这样的，即在第一偏振膜和第一玻璃基板之间以及第二偏振膜和第二玻璃基板之间设置光学补偿膜或延迟膜，以补偿LC层的偏振状态的变化，其中该光学补偿膜或延迟膜具有与LC层的光学极性相反的光学极性。

发明内容

(a)本发明要解决的问题

在典型的常白TN模式LCD设备中，在显示白色时，用于驱动LCD设备的LC层的LCD驱动器在电极之间施加小电压。在显示白色时，该小电压可改变LC分子的取向，从而减小穿过LC层的光透射率，因此减小了在每个视角处的白色亮度。因而，TN模式LCD设备受到总对比度恶化的困扰，由此减小了获得了10∶1或更大的对比度的视角范围。

在JP-A-2004-133487中，设定显示白色时施加的电压，以获得90到97％的透射率范围，同时使用没有电场的显示时在第一偏振膜和第二偏振膜之间获得的光透射率作为标准透射率(100％)。然而，显示白色时将施加的电压设定到该范围并没有充分改善视角特性，即在水平方向的左侧和右侧的每一侧中都不能获得80度或更大的视角。

该TN模式LCD设备包括第一玻璃基板和LC层之间以及LC层和第二基板之间的取向膜。由于存在该取向膜，所以LC分子具有相对于基板表面的预倾角。显示白色时施加的电压和光透射率(透射系数)之间的关系依赖于LC的物理特性和预倾角。然而，在本领域中，根据LC的物理特性和预倾角获得显示白色时水平方向上的如80度或更大的足够视角的施加电压的范围并不是公知的。

鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种LCD设备，其能获得极好的视角特性，其中在水平方向上获得了能达到理想对比度的80度或更大的视角。

(b)发明概述

本发明提供了一种常白液晶显示(LCD)设备，其包括：第一偏振膜、第一光学补偿膜、第一基板、第一取向膜、具有大约90度的扭曲角的扭曲向列模式的液晶(LC)层、第二取向膜、第二基板、第二光学补偿膜和第二偏振膜，

该第一和第二光学补偿膜每个都具有与LC层的光学特性相反的负光学特性，对于LC层的给定阈值电压Vth，在显示白色时LC层的扭曲角(θ)和施加于该LC层的施加电压(Vw)满足下列关系：

Vw≤Vth×exp(-0.235×θ+7.36×10^-3)，

该给定阈值电压Vth由下面的公式定义：

$\mathrm{Vth}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{K_{11}+(K_{33}-2K_{22})/4}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\Δ\ϵ}}},$

其中K₁₁，K₂₂和K₂₃分别是扩张形变、扭曲形变和弯曲形变的LC层中的LC分子的弹性系数，Δε和ε₀分别是电介质常数各向异性和电(electric)常数。

根据本发明的LCD设备，根据预倾角将显示白色时施加给LC层的施加电压Vw设置为满足上述关系的值，由此在显示白色时获得99.9％或以上的LC层透射率，因而增加了获得理想对比度的视角的范围。

优选地，在本发明的LCD设备中，在水平方向上获得10∶1的对比度的视角为80度或以上。

在本发明的优选实施例中，第一光学补偿膜补偿第一基板附近的LC层的第一部分的延迟，第二光学补偿膜补偿第二基板附近的LC层的第二部分的延迟。在该情形中，LCD设备具有改善的图像质量，尤其是对于在倾斜观看方向上观看到的图像。

在该LCD设备的优选实施例中，假定LC层的第一和第二部分每个都在其中具有多个(n个)薄虚拟LC膜。第一和第二光学补偿膜每个都包括具有负的单轴光学特性的多个(n个)盘状(discotic)LC层，其设置在所述光透射的方向上，并且每个都补偿第一和第二部分的相应一个中的多个(n个)薄虚拟LC膜的相应一个。

在显示黑色时，具有当从第一基板计数时的顺序号的第一光学补偿膜的第i(1≤i≤n)个盘状层具有如下长轴，该长轴基本上平行于具有当从第一基板计数时的顺序号的第一部分中的第i个薄虚拟LC膜的长轴，由此第一补偿膜的第i个盘状层补偿第一部分中的第i个薄虚拟LC膜的延迟。

在显示黑色时，具有当从第二基板计数时的顺序号的第二光学补偿膜的第i个盘状层具有如下长轴，该长轴基本上平行于具有当从第二基板计数时的顺序号的第二部分中的第i个薄虚拟LC膜的长轴，由此第二光学补偿膜的第i个盘状层补偿第二部分中的第i个薄虚拟LC膜的延迟。

在如上所述的优选实施例的结构中，第一和第二光学补偿膜加强了彼此的补偿功能，由此进一步改善了LCD设备的图像质量。使用该结构可将在水平方向获得10∶1对比度的视角升高到80度或以上。

还优选的是，第一光学补偿膜具有负的单轴光学特性，并具有折射率椭圆，该椭圆在显示黑色时具有基本上平行于第一基板附近的LC分子的长轴的光轴，且第二光学补偿膜具有负的单轴光学特性，并具有折射率椭圆，该椭圆在显示黑色时具有基本上平行于在第二基板附近的LC分子的长轴的光轴。在该结构中，第一和第二光学补偿膜补偿LC层的延迟，由此提高了LCD设备的图像质量。

在本发明的LCD设备中，在显示白色时根据预倾角设置施加电压提高了在每个预倾角时的白色亮度，由此增加了获得理想对比度的视角，因而提高了LCD设备的图像质量。

从参照附图的下面的描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的LCD设备的示意性截面图。

图2是图1的LCD设备的示意性截面图，其示出了LC分子的排列和第一及第二光学补偿膜的光学特性。

图3是示出在预倾角变化时，通过模拟获得的施加电压和LC层透射率之间关系的图表。

图4A和4B示出了在透射率分别为96％和99.9％的情形中，在显示白色时的对比度。

图5是放大图3中所示的透射率为100％的附近的详细图表。

图6是示出从图5获得的在预倾角与获得99.9％透射率的施加电压之间关系的表。

图7是通过模拟获得的表，示出在每个预倾角时LCD设备的视角特性。

图8是示出在根据本发明第二实施例的LCD设备中的第一和第二补偿膜的光学特性的示意性截面图。

图9是通过模拟获得的表，示出在每个预倾角时LCD设备视角特性。

具体实施方式

现在，将参照附图更加具体地描述本发明，其中在整个附图中，相似的组成元件用相似的参考标记表示。

参照图1，一般用标记100表示根据本发明第一实施例的LCD设备，其包括第一偏振膜101、第一补偿膜102、第一玻璃基板103、第一取向膜104、LC层105、第二取向膜106、第二玻璃基板107、第二光学补偿膜108和第二偏振膜109，它们按该顺序设置在光的透射方向上。LCD设备100是常白TN模式的。

第一和第二偏振膜101、109每个都具有使具有特定偏振方向的光穿过其中的功能。第一偏振膜101的偏振轴垂直于第二偏振膜109的偏振轴。例如，第一玻璃基板103构造为TFT(薄膜晶体管)基板，而第二玻璃基板107构造为彩色滤光器基板或相对基板。LC层105在其中包括具有大约90度的扭曲角的TN模式LC。第一和第二玻璃基板103、107的每一个上都装配有透明电极110或111，它们给LC层105施加电场，以控制在其中的LC分子。

第一取向膜104控制LC层105与第一玻璃基板103之间的界面附近的LC分子的取向。第二取向膜106控制LC层105与第二玻璃基板107之间的界面附近的LC分子的取向。由于第一取向膜104的功能，LC层105中的LC分子从第一玻璃基板103的表面升起到特定的预倾角，由于第二取向膜106的功能，LC层105中的LC分子从第二玻璃基板107的表面升起到特定的预倾角。第一和第二光学补偿膜102、108每个都具有负的单轴指数各向异性，并具有相对于基板表面的法线倾斜特定角度的有效光轴。第一和第二光学补偿膜102、108例如可由Fuji film inc.提供的WV(商标)膜制成。

图2示意性地示出了LC层105中的LC分子的取向和第一及第二光学补偿膜102、108的光学特性。在图2中，省略了第一和第二玻璃基板103、107的描述。此外，忽略了LC分子的扭曲角。

在LC层105中，如图中所示，显示黑色时由于由形成在第一玻璃基板(图1中的103)上的透明电极110和形成在第二玻璃基板(图1中的107)上的透明电极111施加的电场，大部分LC分子升起。由于第一和第二取向膜104和106的固定功能，第一玻璃基板103与LC层105之间的界面和LC层105与第二玻璃基板107之间的界面附近的LC分子不会完全升起。

假定LC层105分为包括前部、中部和后部的三个部分，则第一补偿膜102补偿第一补偿膜102附近的LC层105的后部中的LC的残余延迟。第一光学补偿膜102包括盘状LC部分102a和TAC(三乙酰基-纤维素(triacetyl-cellulose))膜102b，在盘状LC部分102a中具有不同光轴方向的多个盘状LC层彼此叠加。

在图2示例的情形中，盘状LC部分102a包括三个盘状LC层，在显示黑色时，最接近LC层105的一个盘状LC层具有基本上平行于最接近第一光学补偿膜102的一个薄虚拟LC膜中的LC分子的长轴的光轴，由此补偿其残余延迟。

设置第一光学补偿膜102的中部盘状LC层，使得在显示黑色时，其光轴基本上平行于LC层105的后部中的中间薄虚拟LC膜中的LC分子的长轴，由此补偿中间薄虚拟LC膜的残余延迟。设置最接近TAC膜102b的盘状LC层，使得其光轴基本上平行于LC层105的后部中的前薄虚拟LC膜中的LC分子的长轴，由此补偿其残余延迟。

TAC膜102b具有负的单轴光学特性，且具有垂直于基板表面的光轴，由此补偿LC层105的中部的LC分子的残余延迟。

在显示黑色时，第二光学补偿膜108补偿第二光学补偿膜108附近的LC层105的前部的残余延迟。第二光学补偿膜108包括盘状LC部分108a和TAC膜108b，在盘状LC部分108a中具有不同光轴方向的盘状LC层彼此叠加。

在图2中示例的情形中，盘状LC部分108a包括三个盘状LC层，在显示黑色时，最接近LC层105的一个盘状LC层具有基本上平行于最接近第二光学补偿膜108的一个薄虚拟LC膜中的LC分子的长轴的光轴，由此补偿了其残余延迟。

设置第二光学补偿膜10g的中部盘状LC层，使得在显示黑色时，其光轴基本上平行于LC层105的前部的中间薄虚拟LC膜中的LC分子的长轴，由此补偿中间薄虚拟LC膜的残余延迟。设置最接近TAC膜108b的盘状LC层，使得其光轴基本上平行于LC层105的前部的前薄虚拟LC膜中的LC分子的长轴，由此补偿其残余延迟。

TAC膜108b具有负的单轴光学特性，且具有垂直于基板表面的光轴，由此补偿LC层105的中部的LC分子的残余延迟。

图3示出了通过模拟获得的施加电压与LC层105的透射率之间的关系。为了找出显示白色时依赖于LC的物理特性和预倾角的施加电压的范围以改善视角特性，进行了该模拟。在该模拟中，对于0.5到5.0度的预倾角改变施加电压，以测量在每个施加电压时的透射率百分比，同时假定施加电压为零伏特时LC层具有100％的透射率。从图3可以看出，较高的预倾角可使测量到的透射率在较低电压时从100％透射率减小。

图4A和图4B示出了在显示白色时LC层透射率分别为96％和99.9％情形中的对比视锥，并且获得了各种对比度。在这些图中，以0到360度的方位角、0到80的极角的轮廓线表示对比度。在外圆附近示出了对比度为10∶1的轮廓线，在中部区域示出了对比度大于10∶1的其他轮廓线。这示出了较低视角涉及较高对比度的一般原理。

在现有LCD设备中，白色显示涉及在显示白色时获得96％LC层透射率的施加电压，如图4A中所示，其中获得10∶1的对比度的视角是在水平方向上的大约75度，即在0度和180度的方位角处。相反，如图4B中所示，如果显示白色时的LC层的透射率设为99.9％，则对于0度和180度的方位角，水平方向上的视角增大到80以上。

图5示出了在图3的图表中的100％透射率附近的细节。在图5中，0度和10度之间的预倾角时的透射率曲线和99.9％的透射率的交点表示获得99.9％的透射率的施加电压。对于在0度和10度之间的每个预倾角，将由图5中的交点表示的施加电压列在图6中。一般地，具有特定扭曲角的LC层具有相应的阈值电压Vth，其表示LC层的Freedericksz转换点。

根据本发明的原理，使用图5中的预倾角与施加电压之间的关系，揭示对于每个预倾角来说显示白色时获得99.9％透射率的施加电压Vw。通过使用具有大约90度的扭曲角和预倾角θ(度)的LC层105的阈值电压Vth，施加电压Vw满足下述关系：

Vw≤Vth×exp(-0.235×θ+7.36×10^-3)(1)

其中0≤θ≤10。

上面使用的阈值电压Vth表示在90度的扭曲角时LC的Freedericksz转换点，并可使用电介质常数各向异性Δε和弹性系数K₁₁，K₂₂和K₂₃表示如下：

$\mathrm{Vth}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{K_{11}+(K_{33}-2K_{22})/4}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\Δ\ϵ}}}---\left(2\right)$

其中K₁₁，K₂₂和K₂₃分别是扩张形变、扭曲形变和弯曲形变的弹性系数。在Okamura和Ichinose发表的标题为“Techniques for measuringproperties of LC material(2)，in the 4^thcourse of LC science experimentalcourses”的文献中描述了该公式。

如同一文献中所述，在通过使用LCR仪表测量了平行于和垂直于垂直取向的LC单元及水平取向的LC单元中的LC分子的长轴的方向上的LC的相对介电常数之后，计算电介质常数各向异性Δε。通过测量由外部磁场或电场的强度变化引起的穿过LC单元的光的强度变化，并通过进行曲线与理论方程拟合，来获得弹性系数K₁₁、K₂₂和K₂₃。通过使用Nabishi Technica的LCA-LAU(商标)能够测量预倾角θ。

图7示出了通过模拟获得的LCD设备的每个预倾角时的视角特性。该模拟假定LC层具有K₁₁＝9.1pN，K₂₂＝8.6pN，K₃₃＝18.8pN，Δε＝6.1伏特，延迟Δnd＝390nm的特性。该模拟还假定第一和第二光学补偿膜102、108每个都包括盘状LC部分和TAC膜，其中盘状LC部分在550nm波长处具有120nm的垂直延迟Rth，TAC膜具有150nm的延迟Rth和从基板的法线倾斜18度的光轴。

在将施加电压Vw设为根据本发明的关系(1)的上限和在对比例中不管预倾角而将施加电压设为1.1伏特的两种情形中，进行模拟。该模拟揭示了在水平和垂直方向上的视角特性，其结果显示在上述图7的表中。在图7中，由列的上部的“左”，“右”，“上”和“下”表示的列中的数字代表在各预倾角时获得10∶1对比度的视角。

从图7可以看出，显示白色时使用1.1伏特施加电压的LCD设备不具有获得10∶1或以上对比度的80度或以上的视角，这揭示了较低的视角特性。相反，使用由关系(1)的上限确定的施加电压的LCD设备在每个预倾角时，除了底部之外，在水平和垂直的两个方向上都具有大于80度的视角，由此揭示了较高的视角特性。在底部，即图4A和4B中270度方位角时的较低的视角(在图7中大约为65度)是较小的缺陷，因为一般很少从底部观看LCD设备。

图8示意性地示出了根据本发明第二实施例的LCD设备中使用的第一和第二光学补偿膜的光学特性。除了第一和第二光学补偿膜的结构之外，根据第二实施例的LCD设备与第一实施例的LCD相似，在下位中将对其详细描述。

代替第一实施例中使用的盘状LC部分102a，第一光学补偿膜102包括具有负的单轴光学特性的补偿膜102c，其具有相对于基板表面的特定倾角。设置补偿膜102c，使得显示黑色时其光轴的特定倾角与LC层105和第一玻璃基板103(图1中)之间的界面附近的LC分子的光轴的平均倾角一致。因而，补偿膜102c补偿了该界面附近的LC分子的残余延迟。

代替第一实施例中使用的盘状LC部分108a，第二光学补偿膜108包括具有负的单轴光学特性的补偿膜108c，其具有相对于基板表面的特定倾角。设置补偿膜108c，使得显示黑色时其光轴的特定倾角与LC层105和第二玻璃基板107之间的界面附近的LC分子的光轴的平均倾角一致。因而，补偿膜108c补偿了该界面附近的LC分子的残余延迟。

LC层105透射率与施加电压之间的关系依赖于LC材料的特性。因而，在本实施例中，显示白色时，在每个预倾角时的LC层105透射率与施加电压之间的关系与第一实施例相似，如图3中所示。因此，显示白色时根据预倾角来设置施加电压，以满足关系(1)，由此在显示白色时获得了99.9％的透射率，并改善了视角特性。

图9示出了通过在每个预倾角时模拟获得的本实施例的LCD设备的视角特性。该模拟假定LC层105具有K₁₁＝9.1pN，K₂₂＝8.6pN，K₃₃＝18.8pN，Δε＝6.1伏特，延迟Δnd＝390nm的特性，这些与第一实施例中相似。该模拟还假定第一和第二光学补偿膜每个都包括补偿膜和TAC膜，其中补偿膜具有Rth＝120nm和β＝35度的特性，TAC膜具有150nm的Rth和相对于基板表面的法线倾斜18度的光轴。在施加电压Vw设为根据本发明的关系(1)的上限和在对比例中不管预倾角而将施加电压设为1.1伏特的两种情形中，进行模拟。模拟的结果在图9中示出。

具有1.1伏特的施加电压的对比例的LCD设备在水平和垂直方向上都不具有80度或以上的视角，如图9中所示。相反，具有设置为关系(1)中上限处的施加电压的本实施例的LCD设备在水平方向上具有80度或以上的视角，该视角能获得大于10∶1的对比度，如图9中所示，尽管在垂直方向上的视角相对较低。

将图9中所示的结果与图7中所示的结果对比，具有设置为关系(1)中的上限处的施加电压的第二实施例的LCD设备在水平方向上展现出高视角，这与第一实施例相似，尽管在垂直方向上的上部展现了稍小的视角。因而，可以证实：只要在显示白色时施加电压满足关系(1)，则具有负的单轴光学特性的第一和第二光学补偿膜102、108就可在水平方向上获得80度或以上的较高视角。因而，第二实施例的LCD设备也获得了较高的图像质量。

第二实施例中的第一和第二光学补偿膜的Rth值和β值并不限于上面示例的值，其可以根据LC的特性如期望的那样来选择。例如，具有Rth＝100nm和β＝35度的特性的LCD设备在其模拟中展现出相似的结果。

由于仅仅为了举例而描述了上面的实施例，所以本发明并不限于上面的实施例，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员很容易做各种修改和替换。

Claims (6)

1.一种常白液晶显示LCD设备，包括：第一偏振膜、第一光学补偿膜、第一基板、第一取向膜、具有大约90度的扭曲角的扭曲向列模式的液晶LC层、第二取向膜、第二基板、第二光学补偿膜和第二偏振膜，它们按照该顺序设置在光透射的方向上，

所述第一和第二光学补偿膜每个都具有与所述LC层的光学特性相反的负的单轴光学特性，对于所述LC层的给定阈值电压Vth，在显示白色时所述LC层的预倾角θ和施加于所述LC层的施加电压Vw满足下面的关系：

Vw≤Vth×exp(-0.235×θ+7.36×10^-3)，

所述给定阈值电压Vth由下面的公式定义：

$\mathrm{Vth}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{K_{11}+(K_{33}-{2K}_{22})/4}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\Δ\ϵ}}},$

其中Vw＞0，0＜θ≤10，K₁₁、K₂₂和K₂₃分别是所述LC层中LC分子的扩张形变、扭曲形变和弯曲形变的弹性系数，Δε和ε₀分别是电介质常数各向异性和介电常数。

2.根据权利要求1所述的LCD设备，其中在水平方向上获得10：1对比度的视角为80度或以上。

3.根据权利要求1所述的LCD设备，其中所述第一光学补偿膜补偿所述第一基板附近的所述LC层的第一部分的延迟，并且所述第二光学补偿膜补偿所述第二基板附近的所述LC层的第二部分的延迟。

4.根据权利要求1所述的LCD设备，其中：

所述第一和第二光学补偿膜每个都包括具有负的单轴光学特性的n个盘状LC层，其设置在所述光透射的方向上，并且每个都补偿n个薄虚拟LC膜的相应一个，其中n是大于等于2的自然数，

在显示黑色时，具有当从所述第一基板计数时的顺序号的所述第一光学补偿膜的第i个盘状层具有如下光轴，该光轴基本上平行于具有当从所述第一基板计数时的顺序号的所述第一部分中的第i个薄虚拟LC膜中的LC分子的长轴，由此所述第一补偿膜的所述第i个盘状层补偿所述第一部分中的所述第i个薄虚拟LC膜的延迟，其中1≤i≤n，以及

在显示黑色时，具有当从所述第二基板计数时的顺序号的所述第二光学补偿膜的第j个盘状层具有如下光轴，该光轴基本上平行于具有当从所述第二基板计数时的顺序号的所述第二部分中的第j个薄虚拟LC膜中的LC分子的长轴，由此所述第二光学补偿膜的所述第j个盘状层补偿所述第二部分中的所述第i个薄虚拟LC膜的延迟，其中1≤j≤n。

5.根据权利要求4所述的LCD设备，其中在水平和垂直方向的每一个方向上获得10∶1对比度的视角为80度或以上。

6.根据权利要求3所述的LCD设备，其中所述第一光学补偿膜具有负的单轴光学特性和折射率椭圆，该椭圆具有基本上平行于所述第一基板附近的一部分所述LC层中的LC分子的长轴的光轴，且其中所述第二光学补偿膜具有负的单轴光学特性和折射率椭圆，该椭圆具有基本上平行于所述第二基板附近的一部分所述LC层中的LC分子的长轴的光轴。

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