CN101030007A - 垂直排列型液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种装置，其包括用于垂直排列液晶显示器中的多个像素单元，其中第一像素单元包含第一基板、第二基板和液晶材料。第一基板上包含像素层，其中像素层包含薄膜晶体管和像素电极，且第一像素单元中的像素电极中具有第一开口。第二基板上包含共同电极，其中共同电极中具有第二开口，且第二开口和第一开口以相互迭加并交叉的关系排列。液晶层位于第一基板和第二基板之间。

Description

垂直排列型液晶显示装置

技术领域

本发明是有关于一种液晶显示装置。

背景技术

近年来，液晶显示(LCD)装置广泛应用于大尺寸的监视器和电视(TV)市场中。为了实现高品质LCD装置，高透射率、高对比率和广视角是主要技术参数。在常态黑色(normally black)模式中的垂直取向(VA)模式LCD装置可提供足够的黑暗关闭状态，因此制造具有高对比率的LCD装置是相对容易的。为了在VA模式中获得广视角，通常需要区域(domain)划分结构。因此，控制LC域，即多区域垂直取向(MVA)的形成是重要的，尤其是在施加电压时。

富士通有限公司(Fujitsu Ltd.)发明了使用物理突出物的MVA模式LCD装置。其发表于1998年的SID Technical Digest，第29卷，第1077页、1999年的Fujitsu Science Technical Journal，第35卷，第221页中，(也可参看美国专利第6,424,398号)。在顶部和底部基板上创建图案化成人字形的突出物来在多个独立方向上形成四区域LCD单元。MVA模式LCD装置利用双轴补偿膜(compensation films)提供高对比率和大于160度的视角。因为上方突出物与下方突出物之间的水平间隙小于30μm以便获得良好性能，所以像素取向需要高精确度。因此，设计规格和准备过程并不容易，且孔径比是受到限制的。

国际商用机器(IBM)公司提出脊状(ridge)和边缘场多区域垂直(RFF-MH)模式，其中基板并入突出物且另一基板并入狭缝以形成多区域。其发表于1999年的Material Research Society Symposium Proceedings中，第559卷，第275页、和发表于美国专利6,493,050中。MVA模式LCD装置具有大于250∶1的对比率，但是当回应时间较长时其需要更高的驱动电压。

作为以上MVA和RFF-MH技术的简化技术，三星电子有限公司(Samsung Electronics Co)提出图案化的垂直取向(PVA)模式，其中只利用狭缝来在电场下产生多区域。如同其美国专利6,285,431和美国专利6,570,638中所描述的，制造呈水准、垂直或倾斜形状的狭缝以形成呈锯齿或W形的ITO图案化结构。在美国专利6,512,568号和第6,577,366中还讨论了四角形环。

在上述模式中，通常利用两个线性偏光镜。Iwamoto等人已报导利用如发表于第九届国际显示器研讨会(the 9th International Display Workshops)的第85页(2002年12月4日到6日，Japan，Hiroshima)和2002年的JapaneseJournal of Applied Physics，第41卷，第L1383页中的圆形偏光镜的MVA模式。根据所述揭露案，可改进光效率。

发明内容

本发明提供一种垂直排列液晶显示器(LCD)装置。此装置的实施例包括多个用于垂直排列液晶显示器中的像素单元，其中每一像素单元包括第一基板、第二基板和液晶层。第一基板上包含像素层，其中像素层包含薄膜晶体管和像素电极，且第一像素单元中的像素电极中具有第一开口。第二基板上包含共同电极，其中共同电极中具有第二开口，且第二开口和第一开口以相互迭加和交叉关系排列，而液晶层在第一基板和第二基板之间。

此装置的另一实施例包含运作以回应控制信号而透射光或抑制光透射的像素单元。像素单元包含位于第一基板和第二基板之间的液晶材料。第一基板中形成有第一狭缝和第二狭缝，第一狭缝相对于第二狭缝偏移一定角度。第二基板中形成有第三狭缝和第四狭缝。第一狭缝和第三狭缝以相互迭加和交叉关系排列，且第二狭缝和第四狭缝以相互迭加和交叉关系排列。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1A为展示根据本发明一实施例的VA模式LCD装置的示意图。

图1B为展示根据本发明一实施例的另一VA模式LCD装置的示意图。

图2A为展示根据本发明一实施例的第一基板上的一个像素电极单元的示意性俯视图。

图2B为展示根据本发明一实施例的第二基板上的一个共同电极单元的示意性俯视图。

图2C为展示根据本发明一实施例的VA模式LCD装置的一个像素单元的示意性俯视图。

图3A为展示根据本发明另一实施例的第一基板上的一个像素电极单元的示意性俯视图。

图3B为展示根据本发明另一实施例的第二基板上的一个共同电极单元的示意性俯视图。

图3C为展示根据本发明另一实施例的VA模式LCD装置的一个像素单元的示意性俯视图。

图4展示具有条纹形开口的图1A的VA模式LCD装置实施例的一个像素单元的模拟LC指向分布。

图5展示在线形偏光器下图1A的VA模式LCD装置的一个像素单元的时间依赖性透射率。

图6展示在线形偏光器下图1A的VA模式LCD装置与常规PVA模式的时间依赖性透射率的比较。

图7展示在圆形偏光器下图1A的VA模式LCD装置的一个像素单元的时间依赖性透射率。

图8展示使用条纹形开口的图1A的VA模式LCD装置在0Vrms与5Vrms之间的等对比度等高线，其中加入了一组a-板和c-板补偿膜。

图9展示图1A的VA模式LCD装置的一个像素单元的模拟LC指向分布，其中弯曲形开口具有10°的倾斜角θ。

图10展示图1A的VA模式LCD装置的一个像素单元的时间依赖性透射率，其中弯曲形开口在线形和圆形偏光器下具有10°的倾斜角θ。

图11展示使用弯曲形开口的VA模式LCD装置的一个实施例在0Vrms与5Vrms之间的等对比度等高线，其中加入一a-板补偿膜和一对A-板和C-板补偿膜。

图12展示图11的VA模式LCD装置的一个像素单元的模拟LC指向分布，其中弯曲形开口具有25°的倾斜角θ。

图13展示图11的VA模式LCD装置的一个像素单元的时间依赖性透射率，其中弯曲形开口在线形偏光器(LP)和圆形偏光器(CP)下具有25°的倾斜角θ。

图14展示使用弯曲形开口的VA模式LCD装置的实施例在0Vrms与5Vrms之间的等对比度等高线，其中加入一a-板补偿膜和一对A-板和C-板补偿膜。

图15为展示根据本发明一实施例的电子装置的示意性俯视图。

【主要元件符号说明】

100：背光模块

101、111：光学膜

102：第一偏光器

103、113：宽频四分之一波长膜

104：第一基板

106：像素层

108：液晶层

110：共同电极

112：第二基板

114：第二偏光器

150：LCD面板

202：像素电极单元

204：薄膜晶体管

206：接点

208：像素电极

210a、210b、220a、220b：条纹形开口

212：共同电极单元

250、260：子像素区域：

310a、310b、320a、320b：弯曲狭缝形开口

500：显示装置

502：控制器

504：输入装置

具体实施方式

图1A为展示根据本发明实施例的垂直排列模式液晶显示器(LCD)装置的示意图。如图1A所示，垂直排列LCD装置包含LCD面板150、第一偏光器102、第二偏光器114和背光模块100。两个偏光器102和114的主轴之间的夹角设定为90°。液晶显示面板150包括其上具有像素层106的第一基板104、其上具有共同电极110的第二基板112和液晶层108。在本实施例中，LCD面板150是无摩擦的且用是相对简单的工艺形成的。液晶层108例如包含负介电(Δε＜0)液晶材料。此外，液晶层108例如包含带有或不带对手性掺杂物(chiral dopants)的向列型液晶材料(nematic liquid crystalmaterials)。

图1B展示根据本发明另一实施例的另一垂直排列模式LCD装置。图1B的显示装置使用圆形偏光器。换言之，在交叉的线形偏光器102和114之前和之后放置两个宽频四分之一波长膜103和113。例如，第一线形偏光器102与第一宽频四分之一波长膜103的主轴之间的夹角配置为45°以形成具有左手圆形性的前圆形偏光器。相似地，例如，第二线形偏光器114和第二宽频四分之一波长膜113的主轴之间的夹角配置成45°以形成具有右手圆形性(right-hand circularity)的后圆形偏光器。

此外，在图1A和图1B中，液晶层108的液晶分子为垂直排列而未经摩擦处理(rubbing process)，且LC单元处于零电压状态的VA模式。在图1A和图1B的实施例中，提供了位于偏光器102、114与LCD面板150之间的其他光学膜101和111。例如，所述光学膜101和111为补偿膜。补偿膜可为负双折射(negative birefringence)和单轴双折射(uni-axial birefringence)补偿膜的组合。补偿膜还可为双轴(biaxial)补偿膜或A-板(A-plate)或C-板(C-plate)补偿膜。在其他实施例中，可忽略光学膜101和111。

图1A和图1B的实施例还包括两个对准层(未绘示)，例如聚合物层(polymer layers)或无机物层(inorganic layers)，其中这些对准层其中之一是安置在液晶层108与第一基板104上的像素层106之间，而另一对准层是安置在液晶层108与第二基板112上的共同电极110之间。

在图1A和图1B的LCD装置中，多个像素单元重复排列于LCD面板150中。图2A展示第一基板104上的一个像素电极单元202，图2B展示与第二基板112上的像素电极单元202相对的一个共同电极单元212，且图2C展示液晶显示面板150中的一个像素单元。

参考图2A，像素层106(图1A和图1B)中的一个像素电极单元202包含扫描线SL、数据线DL、薄膜晶体管204和像素电极208。例如，扫描线SL电连接到所述薄膜晶体管204的第一端子，所述数据线DL电连接到所述薄膜晶体管204的第二端子，且所述像素电极208通过接点206电性连接到薄膜晶体管204的第三端子。特别是，像素电极208中具有两个单独的条纹形开口210a和210b。此外，如图2B中所示，第二基板112(图1A或图1B)上的共同电极单元212中的一个包含共同电极110，其中所述共同电极110中也具有两个单独的条纹形开口220a和220b。在一些实施例中，第二基板112与共同电极110之间可形成彩色滤光片层(未绘示)。

如图2A、2B和2C中所示，条纹形开口210a、210b与条纹形开口220a、220b以相互迭加并交叉的关系排列。即，对应于第二基板112上的垂直开口220b在第一基板104上存在水平开口210b，且对应于第二基板112上的水平开口220a在第一基板104上存在垂直开口210a。例如，开口210a、210b、220a和220b可经由光刻和蚀刻方法形成。

作为使用线形偏光器的显示装置(图1A)的实例，当未施加电压时，入射光完全被交叉偏光器102和114阻挡并获得极好的暗状态。当施加电压时，便产生环绕像素电极、共同电极表面和第一基板104与第二基板112上的开口210a、210b、220a和220b的边缘电场。第一基板104和第二基板112之间的负介电液晶分子被重新定向成垂直于电场方向。因此，光透射穿过交叉线形偏光器102和114。由于来自基板104、112和条纹形开口210a、210b、220a和220b的边缘场效应，液晶分子以不同方向倾斜且在像素单元中形成多象限。在图2C的拓扑结构(topological configuration)中，开口210a、210b、220a和220b有助于在像素单元中的两个单独的子像素区域250和260上形成两个四象限(four-domain)结构。此外，可相对容易地达到大于1000∶1的对比度。相似的工作机制可适用于使用圆形偏光器的显示装置(图1B)。

根据另一实施例，形成于像素电极和共同电极中的开口也可为弯曲狭缝形开口。如图3A、3B和3C所示，弯曲狭缝形开口310a、310b、320a和320b具有介于0到90度之间的倾斜角θ。上文提到的相似工作机制可适用于使用弯曲狭缝形开口的显示装置。

为解释和示范起见，我们描述下列如图2C和图3C中指示的使用负介电液晶材料的分别带有线形偏光器和圆形偏光器的实例。

实例1

现在将描述图1A的显示装置，其具有线形偏光器和条纹形开口(如图2C所示)。像素电极单元和共同电极单元中的像素电极和共同电极中都具有两个单独的条纹形开口。重复的像素单元大小为43μm×86μm。在TFT制造过程中，可通过蚀刻或光刻来形成条纹形开口。在这种情况下，所述条纹形开口的宽度和长度分别为3μm和43μm。两个基板之间的单元间隙为4μm。使用在初始状态中与基板垂直排列的负液晶混合物MLC-6608(Merck公司：双折射(birefringence)Δn＝0.083，介电非等向性(dielectric anisotropy)Δε＝-4.2且旋转粘性(rotational viscosity)γ1＝0.186Pa.s)。方位角(azimuthal angle)为0°且预倾角(pretilt angle)为90°。

图4为当共同电极与像素电极之间施加的电压为5Vrms时实例1的模拟液晶指向分布。所述分布为沿Y轴方向从液晶单元间隙的中间层并靠近像素单元的中央截下。从侧视图看，可看到液晶指向由于边缘场效应而沿电场方向重新定向。在俯视图上，可看到液晶指向已在每一子像素区域中分为四个明显的象限。因此，在施加电场的情况下，在子像素区域中从条纹形开口形成了多象限LCD装置。

图5为实例1的VA模式LCD装置的时间依赖性透射率，其在使用MerckLC材料MLC-6608的线形偏光器下，且当施加的电压为5Vrms时波长λ＝550nm。通常，当考虑偏光器的光学损失之后，所述透射率为17.5％。为比较起见，将相同单元状况下的常规PVA模式的LCD装置用作基准。就此而言，图6展示VA模式LCD装置的时间依赖性透射率与常规PVA模式LCD装置的时间依赖性透射率的比较，其中PVA模式LCD装置在各个顶部和底部电极上仅具有一个水平或垂直开口。负LC混合物MLC-6608用在线形偏光器下λ＝550nm时。所施加的电压为V＝5Vrms且开口宽度为3μm。可见常规PVA模式在60ms的上升时间段具有15％的较低透射率。因此，VA模式LCD装置与常规PVA模式LCD装置相比具有16.7％的光强度的改进。

为了进一步改进VA模式LCD的光透射率，在图7的实施例中使用了圆形偏光器。如图7所示，透射率相对于使用线形偏光器的实施例有了很大的改进。使用线形偏光器透射率为17.5％，而使用圆形偏光器透射率增加到31.25％。因此，在光透射率上有78.6％的改进。仅对于两个偏光器，最大透射率为35％。因此，多象限VA LCD与90°TN LCD相比表现出89.3％(在5Vrms时)标准透射率。

在一些实施例中还可以实施一对负C-板(C-plate)和正A-板(A-plate)补偿膜以展示所述具有条纹形开口和线形偏光器的VA模式LCD装置的视角能力。在dΔn值为98nm和12.3nm及112.4nm和134.7nm时、在线形偏光器之前和之后加入一组A-板(A-plate)和C-板(C-plate)。对比度在0Vrms和5Vrms之间计算。如图8所示，本VA模式LCD装置实施例在靠近中央区域处具有比1000∶1好的高对比度。所述1000∶1的等对比度等高线约在±40°且关于x和y轴对称。在左右区域和上下区域上的100∶1的等对比度等高线都大约为±85°，这说明即使在具有100∶1的对比度的情况下此装置仍具有大于160°的宽视角。因此，本发明的VA模式LCD装置的实施例可发射1000∶1的高对比度且展示非常宽的视角能力。

实例2

现在将讨论一使用线形偏光器或圆形偏光器(图1A或图1B)且具有倾斜角θ为10°(图3C)的弯曲狭缝形开口的显示装置的实施例。弯曲狭缝形开口配置成如图3C所示，每一像素单元包括两个对应的开口对。重复像素单元的大小为43μm×86μm。弯曲狭缝形开口可在TFT制备过程中通过蚀刻或光刻形成。弯曲狭缝形开口的宽度和长度分别为3μm和43μm。两个基板之间的单元间隙为4μm。使用在初始状态下相对于基板垂直排列的负LC混合物MLC-6608(Merck公司：双折射Δn＝0.083，介电非等向性Δε＝-4.2且旋转粘性γ1＝0.186Pa.s)。方位角为0°且预倾角为90°。

图9为当在共同电极与像素电极之间施加的电压为5Vrms时实例2的模拟LC指向分布。所述分布为沿Y轴方向从LC单元间隙的中间层且靠近像素单元中央。从侧视图看，可看到液晶指向由于边缘场效应而沿电场方向重新定向。在俯视图上，可看到LC指向已在每一子像素区域中分为若干明显的象限。因此，在电场施加的情况下，在子像素区域中从弯曲狭缝形开口形成了多象限LCD装置。

图10为分别使用线形偏光器(LP)和圆形偏光器(CP)的实例2的VA模式LCD装置的时间依赖性透射率。所使用的液晶材料为波长λ＝550nm的Merck MLC-6608且所施加的电压为5Vrms的脉冲电压。使用线形偏光器的VA模式LCD装置的透射率为15.1％，其与实例1中讨论的常规PVA模式的透射率几乎相同。相反，使用圆形偏光器的VA模式LCD装置比图10指示的线形偏光器的透射率有了很大改进。使用圆形偏光器透射率增加到31％，其与线形偏光器的透射率相比有105.3％的改进。因此，当施加电压为5Vrms时，其与90°TN LCD相比展示出88.6％的标准透射率。

在一些实施例中，在线形偏光器前加入dΔn值为64.6nm的A-板(A-plate)补偿膜，在线形偏光器后加入一对dΔn值为119nm和168.3nm的A-板(A-plate)和C-板(C-plate)补偿膜。对比度在0Vrms与5Vrms之间计算。如图11所示，所述装置具有在±70°的范围中1000∶1的高对比度。在左右区域和上下区域上的300∶1的等对比度等高线都大约为±80°，这说明此装置即使在具有300∶1的极好对比度情况下仍具有大于160°的宽视角。因此，所述VA模式LCD装置可展示1000∶1的高对比度和很宽的视角能力——在整个视角范围中比300∶1好。

实例3

现在将描述使用线形偏光器或圆形偏光器(图1A或图1B)且具有倾斜角θ为25°的弯曲狭缝形开口(图3C)的显示装置的实施例。弯曲狭缝形开口以先前描述的方式排列。重复像素单元的大小为43μm×86μm。弯曲狭缝形开口可在TFT制备过程中通过蚀刻或光刻形成。弯曲狭缝形开口的宽度和长度分别为3μm和43μm。两个基板之间的单元间隙为4μm。使用在初始状态下相对于基板垂直排列的负LC混合物MLC-6608(Merck公司：双折射Δn＝0.083，介电非等向性Δε＝-4.2且旋转粘性γ1＝0.186Pa.s)。方位角为0°，且预倾角为90°。

图12为当在共同电极与像素电极之间施加的电压为5Vrms时实例3的模拟LC指向分布。所述分布为沿Y轴方向从液晶单元间隙的中间层且靠近像素单元中央。从侧视图看，可看到液晶指向由于边缘场效应而沿电场方向重新定向。在俯视图上，可看到液晶指向已在每一子像素区域中分为若干明显的象限。因此，在电场施加的情况下，在子像素区域中从弯曲狭缝形开口形成了多象限LCD装置。

图13为分别使用线形偏光器(LP)和圆形偏光器(CP)的实例3的VA模式LCD装置的时间依赖性透射率。所使用的LC材料为波长λ＝550nm的Merck MLC-6608且所施加的电压为5Vrms的脉冲电压。使用线形偏光器的VA模式LCD装置的透射率为17％，其高于实例1中讨论的常规PVA模式的透射率。当使用圆形偏光器时，透射率增加到32.2％，其与使用线形偏光器的透射率相比有89.4％的改进。因此，当使用圆形偏光器时VA模式LCD装置的光透射率有很大改进。

在一些实施例中，在线形偏光器前加入dΔn值为64.3nm的A-板(A-plate)补偿膜，且在线形偏光器后加入一对dΔn值为119.3nm和168.1nm的A-板(A-plate)和C-板(C-plate)补偿膜。对比度在0Vrms与5Vrms之间计算。如图14所示，此装置具有在±70°范围中1000∶1的高对比度。在左右区域和上下区域上的300∶1的等对比度等高线都大约为±80°，这说明此装置即使在具有300∶1的极好对比度的情况下仍具有大于160°的宽视角。因此，除了高透射率的外，超宽视角和高对比度的优势潜在地使得这种VA模式LCD装置尤其有利于用于LC电视和监视器应用。

图15中描述使用VA模式LCD装置的实施例的电子装置的实施例。如图15所示，此电子装置可包含显示装置500、控制器502和输入装置504。显示装置500可与图1A或图1B的具有条纹形开口或弯曲狭缝形开口的垂直排列液晶显示器相似。控制器502可电耦合到显示装置500。控制器502可包含源极和栅极驱动电路(未绘示)以控制显示装置500以便根据输入来呈现影像。输入装置504可电耦合到控制器502并包括处理器或其类似物以向控制器502输入数据，从而在显示装置500上呈现影像。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

多个像素单元，经过配置以用于垂直排列液晶显示器中，其中各该像素单元包括：

第一基板，其上包含像素层，其中该像素层具有薄膜晶体管和像素电极，且各像素单元的该像素电极中具有第一开口；

第二基板，其上包含共同电极，其中该共同电极中具有第二开口，且该第二开口与该第一开口以相互迭加并交叉的关系排列；以及

液晶层，位于该第一基板和该二基板之间。

2.如权利要求1的装置，其中该第一开口为两个条纹形开口，且该第二开口为两个条纹形开口。

3.如权利要求1的装置，其中该第一开口为两个弯曲狭缝形开口，且该第二开口为两个弯曲狭缝形开口。

4.如权利要求3的装置，其中该些弯曲狭缝形开口具有介于0到90度之间的倾斜角θ。

5.如权利要求1的装置，其中该第一像素单元由该第一开口和该第二开口分为两个子像素区域。

6.如权利要求1的装置，其中该液晶层具有负介电非等向性的液晶材料。

7.如权利要求6的装置，其中该液晶层具有对手性掺杂物的向列型液晶材料。

8.如权利要求1的装置，还包括两个偏光器，分别安置在该第一基板和该第二基板的外表面上。

9.如权利要求8的装置，其中该些偏光器为线形偏光器。

10.如权利要求8的装置，其中该些偏光器为圆形偏光器，且该些圆形偏光器具有线形偏光器和宽频四分之一波长膜。

11.如权利要求8项所述的装置，还包括至少一补偿膜，安置在该些偏光器其中之一与该第一基板和该第二基板其中之一间。

12.如权利要求11的装置，其中该补偿膜具有负双折射和单轴双折射的组合。

13.如权利要求11的装置，其中该补偿膜为双轴补偿膜。

14.如权利要求11的装置，其中该补偿膜为A-板或C-板补偿膜。

15.如权利要求1的装置，还包括彩色滤光片层，位于该第二基板与该共同电极之间。

16.如权利要求1的装置，还包括两个对准层，位于该液晶层与该第一基板和该第二基板之间。

17.如权利要求1的装置，其中该像素单元形成显示装置的一部分，且该装置还包括电耦合到该显示装置的控制器。

18.如权利要求17的装置，还包括输入装置，其电耦合到该控制器以在该显示装置上呈现影像。

19.如权利要求17的装置，还包括用于在该显示装置上呈现影像的构件。

20.一种装置，包括：

像素单元，其运作以回应控制信号来透射光或抑制光的透射，其中各该像素单元包括第一基板与第二基板，

该像素单元包括位于该第一基板与该第二基板之间的液晶材料；

该第一基板具有形成于其中之一的第一狭缝和第二狭缝，该第一狭缝相对于该第二狭缝有角度地偏移；

该第二基板具有形成于其中之一的第三狭缝和第四狭缝；

其中该第一狭缝和该第三狭缝以相互迭加并交叉的关系排列；且该第二狭缝和该第四狭缝以相互迭加并交叉的关系排列。

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