CN101598873A - 液晶显示装置及其操作方式 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种液晶显示装置，其包括多个液晶体、一开关元件、多个配向膜及多个电极。此开关元件具有一方向性顶部且以一栅极以及一漏极、源极形成一电场，此配向膜位于此像素上，与该开关元件的方向性顶部相对应，其中，当此开关元件的多个电极形成一电场时，此多个液晶体借着此电场，而沿着该配向方向顶部排列，且指向该方向性顶部，加强电场能力进而增加液晶反应速度。

Description

液晶显示装置及其操作方式

技术领域

本发明涉及一种液晶显示装置，并且尤其涉及一种具开关元件设计像素的液晶显示装置。

背景技术

近几年来，液晶显示装置(LCD)因具有轻、薄、低辐射、低耗电等等优点，使其被广泛应用在电子产品，并有逐渐取代传统阴极管射线(CRT)的趋势。液晶显示装置是利用液晶转动来控制显示装置的穿透率，需要运用广视角技术以改善狭视角缺点，视角增加会发生对比度下降与灰阶错误，将来在发展大型化液晶显示装置伴随来上述的问题。

液晶不属于一般的三态，固态、液态以及气态的分类，液晶是一种介于固态与液态之间的物质，从分子排列方式而言，液晶具备高度规则性整齐排列，由于光学性质上，液体是等方向性(isotropic)性质，而固态结晶其结构上整齐规则，所以液晶具备液态的一定自由度，与保有相似于结晶固态的异方向性的特殊光学性质，以及具有极性与导电性等特性，依照液晶分子排列分类，分为层列型(Smectic)液晶、向列型(Nematic)液晶以及胆固醇型(Cholesteric)液晶。

配向膜主要由聚亚酰胺(Polyimide，PI)所组成的，其厚度约为500埃

～1000埃

配向膜在受到摩擦(Rubbing)或是离子束照射的定向处理下，产生一长链烷基，与长链氟烷基于聚亚酰胺的侧链或尾端，使液晶分子会依照长链烷基与长链氟烷基产生一定方向的预先倾斜角度，称为预倾角，在未定向处理前，聚亚酰胺的侧链或尾端呈现任意排列，经过定向处理后，聚亚酰胺的表面的侧链或尾端在受到机械力或是光照下，会沿着定向方向作顺向排列，而液晶则受到此一介面作用力，而与玻璃基板沿着预倾角方向排列。

目前，非晶硅液晶显示装置都使用扭转向列型液晶，具有高电阻值以及高可靠度的液晶分子材料所使用的是氟系液晶分子，与附有烯烃系末端基的N_P型的液晶混合物，而此液晶混合物之中添加数个百分比的非对称光学活性剂。请参阅图1，光补偿弯曲形(Optical Compensated Bend，OCB)，为美国专利US6,933,916B2，液晶显示装置的像素1包括一栅极线11、一像素区12以及一凸出物13。目前，为了要解决液晶反应速率问题，是由未施加电压时呈展开(Splay)配向，施加某种电压(转移电压)时会变成弯曲配向。OCB利用弯曲配向进行切换动作时，由于液晶层的流动效应使得配向变化花费的时间比较短，反应速度则呈现压倒性的快速。主要运用由栅极线11将像素区12分为两个电场，增加电场能力以使液晶在形变状态能均匀分布在像素区12，也能增加液晶相转变的反应速度。在栅极线具有的凸出物13能控制两个电场中的液晶形变方向。普通间隙Cell的πCell，和二轴性的薄膜构成，再加上这种Cell具有广视野角的特性，所以可以实现高灰阶显示的能力，并且这种Cell的应答时间比一般扭转向列型液晶(TNCell)高出10倍以上，达到2～8msec的快速应答速度。因此在这些条件都能够满足的情况下，就能够充分地发挥彩色技术的优点，让液晶显示面板得以实现无残影画面及边界模糊。但是，此项技术将会牺牲像素区的开口率大小，在本发明中主要顾及像素区12的开口率与液晶相转变的反应速度。

有鉴于公知技术中的各种问题，为了能够兼顾解决之，本发明人基于多年研究开发与诸多实务经验，提出一种液晶显示装置，以作为改善上述缺点的实现方式与依据。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种液晶显示装置，其运用开关元件像素的改良设计以产生更好的影像品质。

根据本发明的目的，提出一种具有改良像素的液晶显示装置，包括多个液晶体、一开关元件、多个配向膜以及多个电极，其中，此开关元件具有一方向性的顶部，且以一栅极以及以一漏极、源极形成一电场，此配向膜位于此像素上，具有与此方向性顶部相对应一配向排列方向，当此开关元件的多个电极形成一电场时，该多个液晶体借着该电场，而沿着该配向方向性顶部排列。

此外，本发明更提出一种液晶显示装置，包括一第一基板、一第二基板、多个液晶体、一开关元件以及多个电极，其中，此第一基板与此第二基板形成一电场，且此多个液晶体位于此第一基板与此第二基板之间，此开关元件位于该第一基板上，且具有一栅极与一漏极、源极形成一第一电场，且使此多个液晶体沿着此第一电场的水平方向的延伸面作动，此像素提供一第二电场于第一基板与此第二基板之间，且使此多个液晶体沿着第二电场的延伸面方向作动，其中，当第一基板与此第二基板形成该电场时，此多个液晶体会沿着此第一电场的水平方向作动，形成一第一形变，同时使此多个液晶体沿着第二电场方向作动，形成一第二形变。

一种液晶显示装置的操作方法，包括有下列步骤：步骤一、提供一液晶显示装置，该液晶显示装置包括多个液晶体位于一第一基板与一第二基板之间，一像素位于该第一基板，一开关元件位于该像素上，该开关元件具有一栅极与一漏极、源极形成一第一电场；步骤二、利用该第一电场作动于该多个液晶体的一初始时间；步骤三、提供该第一基板与该第二基板形成一第二电场；步骤四、利用该第二电场作动于该多个液晶体的一初始时间。

为了能够对本发明的技术特征及所达到的效果有更进一步的了解与认识，以下详细描述优选实施例。

附图说明

图1为本发明的公知技术的液晶显示装置的像素的示意图；

图2为本发明的液晶显示装置的像素的剖面示意图；

图3为本发明的液晶显示装置的像素的液晶形变示意图；

图4为本发明的液晶显示装置的像素的示意图；

图5为本发明的液晶显示装置的像素的操作方式示意图；

图6为本发明的液晶显示装置的像素操作方式的示意图；

图7为本发明的液晶显示装置的像素操作方式的示意图；

图8为本发明的液晶显示装置的像素操作方式的示意图；

【主要元件符号说明】

11：栅极线

12：像素区

13：凸出物

211：第一玻璃基板

212：第二玻璃基板

221：栅极

222：氮化硅

223：非晶硅

224：源极/漏极

225：保护层

226：氧化铟锡透明导电镀膜

23：彩色滤光片

24：黑色矩阵

25：横向电场

26：纵向电场

27：液晶

31：水平状态

32：展开状态

33：扭转状态

34：弯曲状态

35：两侧扩散

41：源极/漏极

42：栅极

43：非晶硅

44：氧化铟锡透明导电镀膜

45：数据线

46：像素

500：启动期

501：正常操作期

51：电压低点

52：共通电压

53：电压高点

54：数据电压

55：栅极电压

600：启动期

601：正常操作期

61：电压低点

62：共通电压

63：电压高点

64：数据电压

65：栅极电压

700：启动期

701：正常操作期

71：电压低点

72：共通电压

73：电压高点

74：数据电压

75：栅极电压

800：启动期

801：正常操作期

81：电压低点

82：共通电压

83：电压高点

84：数据电压

85：栅极电压

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明根据本发明优选实施例的一种液晶显示装置，为了便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。

请参阅图2，其为本发明的一种液晶显示装置的像素剖面图，像素2包括一第一玻璃基板211、一第二玻璃基板212、彩色滤光片(Color Filter)23、黑色矩阵(Black Matrix)24、一栅极(gate)221、一氮化硅(SiNx)222、一非晶硅(amorphous-Si)223、一源极/漏极(Source/Drain)224、保护层(Passivation)225、一氧化铟锡透明导电镀膜(Indium Tin Oxides(ITO)Transparent Conductive Film)226以及液晶(Liquid crystal)27。其中，栅极(gate)221、氮化硅(SiNx)222、非晶硅(amorphous-Si)223、源极/漏极(Source/Drain)224、保护层(Passivation)225以及氮化硅222，运用薄膜沉积方式将上述元件，沉积在玻璃基板上成为一非晶硅薄膜开关元件22(Amorphous-Si Thin-Film Transistor)的基本组成，使栅极221与非晶硅223隔开，当栅极221没有外加电压时不产生电流，故无电流从源极2241流向漏极2242，当在栅极221施加一电压时，非晶硅223会感应出来电荷，而在源极2241产生的电子将经电导通由源极2241流向漏极2242，使得原本在无通电情况下的开关元件22变成为开启。当栅极221施加一电压为时，在源极2241、漏极2242之间形成一横向电场25，则液晶27被此横向电场25影响而成为扭转状态(Twist State)时，之后，在第二玻璃基板的一共通电压与第一玻璃基板的一数据电压之间，会形成一纵向电场26。在本发明优选实施例中，栅极结构可为底部栅极构造，且该横向电场25与纵向电场26的电压约为15伏特至60伏特，可达到最佳的电场效果。

请参阅图3，液晶形变3排列最初始为一水平状态(HomogeneousState)31，液晶依照纵向电场方向排列一展开状态(Splay State)32，由一扭转状态(Twist State)33迅速转为一直立状态(Bend State)34并往两侧扩散(Propagation)35，使液晶可在弯曲状态(Bend State)36下操作，上述的液晶作动称为一光学补偿弯曲(OCB，Optically Compensated Bend)36，必须改变液晶的相位差从0至π/2，液晶是一种双折射晶体，当一光线通过液晶产生一折射率为n_o的寻常光束(ordinary ray)与一不同的折射率为n_e的非寻常光束(extraordinary ray)，使得一光线在通过液晶行进时，因为这两个不同折射率的方向的光程不同，而产生一相位差。然而，为保持π/2相位差的状态，光学补偿弯曲(OCB，Optically Compensated Bend)液晶34需要纵向电场来维持在上下玻璃基板内液晶状态分布的均匀性。

请参阅图4，其为本发明的一种液晶显示装置的像素4的示意图，像素中包括一源极/漏极41、一栅极线(gate line)42、一非晶硅(amorphous-Si)43、一氧化铟锡透明导电镀膜(Indium Tin Oxides(ITO)Transparent ConductiveFilm)44、一数据线(data line)45、以及一像素(Pixel)46。图中，一源极411(source)连接像素46以及一漏极(drain)412连接数据线45，其中，栅极线(gate line)42控制电位开关，像素电位高低控制颜色亮暗以及数据线45提供像素46的电位，然而，源极/漏极41具有一顶部，该顶部主要可以加强源极/漏极41与栅极线42重叠之间的横向电场，且迅速将扭转状态(TwistState)形变为弯曲状态(Bend State)。运用配向膜的配向排列与顶部方向一致，使液晶能顺应横向电场方向转动，以增加液晶分子的反应速率。在本发明的优选实施例中，该顶部角度的度数约为75度至105度，可达到最佳加强源极/漏极41与栅极线42之间的横向电场的效果。

液晶显示装置的操作方式以振幅选择驱动为主要方式，其主要操作原理乃为利用一水平信号与一垂直信号提供固定周期频率，而由垂直信号提供相关显示数据，结合所有水平信号形成一组图框，且同时兼顾液晶反应速度。请参阅图5，时间与电压的驱动关系，分为两个阶段，即一第一阶段与一第二阶段，分别为一启动期500与一正常操作期501。其中，一电压低点(Vgl)51、一共通电压(Vcom)52、一电压高点(Vgh)53、一数据电压(Vdata)54以及一栅极电压(Vgate)55。一外加电压以交流电方式输入至液晶显示装置，各个像素串连一个非晶硅薄膜开关元件，在停留时间内将像素所需要的电荷输入后，将保持至下一次扫描时电荷重新输入，欲在下一次扫描时(1/60秒)电荷重新输入前保持原先输入的电荷不流失。在启动期状态下约为0秒至3秒内，数据电压54于电压低点与栅极电压55之间电压差产生横向电场，使液晶排列由展开状态(Splay State)形变为扭转状态(TwistState)，再通过数据电压(Vdata)54于电压高点与共通电压(Vcom)52之间电压差产生纵向电场，使液晶形变为弯曲状态(Bend State)并往两侧扩散(Propagation)至液晶形变完成。在正常操作期，保持液晶为弯曲状态(BendState)，栅极电压51上升以避免漏电流过大。

另外，请参阅图6、图7以及图8，通过改变外加电压大小输入振幅变化，改变横向电场的大小进而影响液晶形变速度。其中，在图6中，电压低点(Vgl)61对于数据电压(Vdata)64产生较小的横向电场且输入相同的栅极电压。在图7中，共通电压(Vcom)72于启动期700与正常操作期701不改变，则栅极电压(Vgate)55改变之。在图8中，共通电压(Vcom)82与栅极电压(Vgate)85输入相同电压值，以省略启动期800。上述目的，主要为了简化系统的设计以达较佳效果。

承上所述，根据本发明的运用开关元件像素改良设计的液晶显示装置，具有以下优点：

(1)此开关元件改良设计可通过源极、漏极形成一顶部，并提高该源极、漏极与栅极之间的电压差，以形成一横向电场。

(2)此开关元件改良设计可通过共通电压与像素电压的电压差，从而可以形成一纵向电场，协助液晶形变的均匀性。

(3)此改良的配向膜设计可通过配向方向排列与该顶部方向一致，从而可增加在液晶显示装置中液晶形变的速度。

以上所述仅为示例性而非限制性的。在不脱离本发明的精神与范围的情况下，可以对本发明进行等效的修改或变更，其均应包括在所附权利要求书的范围中。

Claims (17)

1、一种液晶显示装置，包括：

一第一基板与一第二基板，所述第一基板与所述第二基板形成一电场；

至少一个像素，位于所述第一基板与所述第二基板之间；

多个液晶体；以及

一开关元件，为一底栅极结构，以一栅极与一漏极、源极形成一电场，且所述漏极、源极形成一方向性顶部。

2、如权利要求1所述的液晶显示装置，其中，所述多个液晶体包括至少一种以上的形变，所述多个液晶体通过弹性系数(Elastic Constant)的变化产生形变，包括水平(Homogeneous)、展开(Splay)、扭转(Twist)、以及弯曲(Bend)。

3、如权利要求1所述的液晶显示装置，其中，所述漏极、源极与所述栅极部分重叠。

4、如权利要求1所述的液晶显示装置，其中，在所述开关元件中，漏极、源极所形成的方向性顶部，具有75度至105度间的一角度。

5、如权利要求1所述的液晶显示装置，其中，在所述开关元件中，所述栅极与所述漏极、源极形成所述电场，其电压差为15伏特至60伏特。

6、一种液晶显示装置，包括：

一第一基板与一第二基板，所述第一基板与所述第二基板形成一电场；

至少一个像素，位于所述第一基板与所述第二基板之间；

多个液晶体；

一开关元件，位于所述第一基板上，所述开关元件为一底栅极结构，具有一栅极与一漏极、源极形成一第一电场，且使所述多个液晶体沿着所述第一电场方向作动；

一像素数据电极，位于所述第一基板上；以及

一共通电极，位于所述第二基板上，与所述像素数据电极间形成一第二电场，且使所述多个液晶体沿着所述第二电场方向作动；

其中，当所述开关元件的栅极与漏极、源极形成所述第一电场时，所述多个液晶体，会先沿着所述第一电场的水平方向作动，形成一第一形变；当所述共通电极与所述像素数据电极形成所述第二电场时，使所述多个液晶体沿着所述第二电场的方向作动，形成一第二形变。

7、如权利要求6所述的液晶显示装置，其中，所述多个液晶体包括至少一种以上的形变，所述多个液晶体通过弹性系数(Elastic Constant)的变化产生形变，包括水平(Homogeneous)、展开(Splay)、扭转(Twist)、以及弯曲(Bend)。

8、如权利要求6所述的液晶显示装置，其中，所述第一形变为由展开(Splay)形变，变换至扭转(Twist)形变。

9、如权利要求6所述的液晶显示装置，其中，所述第一形变为由展开(Splay)形变或扭转(Twist)形变，变换至弯曲(Bend)形变。

10、如权利要求6所述的液晶显示装置，其中，所述漏极、源极与所述栅极部分重叠。

11、如权利要求6所述的液晶显示装置，其中，在所述开关元件中，所述栅极与所述漏极、源极形成所述电场，其电压差为15伏特至60伏特。

12、一种液晶显示装置的操作方法，包括有下列步骤：提供一液晶显示装置，所述液晶显示装置包括有，多个液晶体位于一第一基板与一第二基板之间，一像素数据电极位于所述第一基板，一共通电极位于所述第二基板，一开关元件位于所述第一基板上，所述开关元件具有一栅极、一漏极与一源极，为一底栅极结构，所述栅极与所述漏极、源极形成一第一电场；

利用所述第一电场作动于所述多个晶体的一初始时间；

利用所述第一基板与第二基板上的像素数据电极与共通电极形成一第二电场；以及

利用所述第二电场作动于所述多个液晶体的一初始时间。

13、如权利要求12所述的像素的液晶显示装置的操作方法，其中，所述栅极与所述漏极、源极产生一电压差。

14、如权利要求12所述的像素的液晶显示装置的操作方法，其中，所述第一电场变化亦随输入一数据电压，以及输入一栅极电压做改变。

15、如权利要求12所述的像素的液晶显示装置的操作方法，其中，所述第一电场变化亦随输入所述数据电压，以及输入所述栅极电压做改变，进而改变所述初始时间。

16、如权利要求12所述的像素的液晶显示装置的操作方法，其中，所述第二电场变化亦随输入一数据电压，以及输入一共通电压做改变。

17、如权利要求12所述的像素的液晶显示装置的操作方法，其中，所述第二电场变化亦随输入所述数据电压，以及输入所述共通电压做改变，进而改变所述初始时间。

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