CN101710214B

CN101710214B - 多稳态液晶显示器与其驱动方式

Info

Publication number: CN101710214B
Application number: CN2009103120875A
Authority: CN
Inventors: 吴志贤; 陈惠玉; 陈司芬
Original assignee: CPTF Optronics Co Ltd; Chunghwa Picture Tubes Ltd
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2029-12-23
Also published as: CN101710214A

Abstract

本发明涉及一种多稳态显示器及方法，其中显示器包含一第一基板、一第二基板、一第一电极、一第二电极与一液晶层。第一基板与第二基板平行设置。第一电极设置于第一基板上，第二电极则设置于第二基板面对第一基板的一侧，其中第一电极与第二电极至少的一者包含一栅状电极。液晶层则包含有层列型液晶分子。本发明采用具有特殊的电极设计，能有效提升显示对比度，也能具有多稳态的显示效果。

Description

多稳态液晶显示器与其驱动方式

技术领域

本发明是关于一种多稳态液晶显示器，特别是一种具有特殊电极设计的多稳态液晶显示器。

背景技术

液晶显示器由于具有轻、薄、短、小的优点，因此在过去二十年中，液晶显示器例如扭转向列型(twisted nematic，TN)液晶显示器、超扭转向列型(super twisted nematics，STN)液晶显示器，已逐渐成为显示装置的主流产品。

然而，上述液晶显示器都是单稳态的显示模式，意即液晶分子只有单一个稳态表现，显示器必须施以电压才能驱动液晶分子扭转，若移除电压液晶分子即回到其单一稳态。因此单稳态显示器必须不断施以电压，才能维持欲显示的画面，故有耗电量较大的问题。近年来发展出一种双稳态液晶显示器，在不施加电压的状况下，液晶分子仍可维持扭转或非扭转的状态，而可以有两个稳定态。也就是说，在不供给电压的情况下，液晶显示器可以维持显示的画面，因此具有较省电的优点。这样的技术可用于例如手机、电子书等不需频繁更新的显示器。

目前的双稳态显示技术，使用的液晶材料大致上有向列型(nematic)液晶、胆固醇型(cholesteric)液晶以及层列型(smectic)液晶。胆固醇型液晶分子具有螺旋排列结构，可利用电场改变液晶分子的轴向，使其在亮态与暗态间切换。但向列型液晶本身是单稳态材料，必须额外添加其它化合物，才能形成特殊结构并达成双稳态的目的，目前也无法拓展至多稳态的显示。近几年来，有若干以层列型液晶达成双稳态的显示研究，但其驱动方式仍沿袭旧有的想法，所作的改变仅在于改善分子化学的结构，或添加离子杂质以改善其电旋光性特性，但这些都无法改善对比度不佳的问题，也无法具有多稳态的显示模式。因此目前还需要一种适合层列型液晶分子的液晶显示器，并具有多稳态的显示方式。

发明内容

本发明于是提出一种适用于层列型液晶分子的多稳态液晶显示器，具有特殊的电极设计，能有效提升显示对比度，也能具有多稳态的显示效果。

本发明提供一种多稳态显示器。此多稳态显示器包含一第一基板、一第二基板、一第一电极、一第二电极与一液晶层。第一基板与第二基板平行设置。第一电极设置于第一基板上，第二电极则设置于第二基板面对第一基板的一侧，其中第一电极与第二电极至少的一者包含一栅状电极。液晶层则包含有层列型液晶分子。

本发明另外提供一种驱动此多稳态液晶显示器的方法。此方法首先提供一多稳态液晶显示器。此多稳态显示器包含一第一基板、一第二基板、一第一电极、一第二电极与一液晶层。其中第一基板与第二基板平行设置，第一电极设置于第一基板上，第二电极则设置于第二基板面对第一基板的一侧，第一电极与第二电极至少的一者包含一栅状电极，液晶层则包含有层列型液晶分子。然后，提供一水平电场使得该多稳态液晶显示器呈现亮态，以及，提供一垂直电场，使得该多稳态液晶显示器呈现暗态。

本发明的多稳态液晶显示器是使用层列型液晶分子，并利用特殊的栅状电极结构来驱动，搭配双层电极或是三层电极的实施方式，不仅具有多稳态灰阶的显示方式，还有高对比、低驱动电压的优点，并可应用于反射式组件或穿透式的组件。

附图说明

图1至3图所绘示为本发明第一实施例的多稳态液晶显示器的示意图。

图4与图5所绘示为栅状电极的平面布局示意图。

图6所绘示为本发明的多稳态液晶显示器的亮态/暗态切换示意图。

图7所绘示为本发明的多稳态显示器的多稳态切换示意图。

图8与图9所绘示为本发明第二实施例的多稳态显示器的示意图。

图10所绘示为本发明第二实施例的多稳态液晶显示器的对比度的示意图。

图11所绘示为本发明第三实施例的多稳态液晶显示器的示意图。

图12所绘示为本发明混层配向与垂直配向的驱动电压比较示意图。

【主要组件符号说明】

10，20，30，40，50，60多稳态液晶显示器

100第一基板 112第二栅状电极

102第二基板 114第二栅状主电极

104，104a，104b第一电极 116第一栅状主电极

106，106a，106b第二电极 118，118a，118b辅助电极

108液晶层 120绝缘层

110第一栅状电极

具体实施方式

在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区别组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」是为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」，在此容先叙明。

请参考图1至图3，图1至图3为本发明的第一实施例的多稳态液晶显示器的示意图。如图1所示，本实施例的多稳态液晶显示器10包含一第一基板100、一第二基板102、一第一电极104、一第二电极106以及一液晶层108。第一基板100与第二基板102是平行相对设置。第一电极104与第二电极106设置在两基板的内侧，意即第一电极104会设置在第一基板100面对第二基板102的一侧，且第二电极106会设置在第二基板102面对第一基板100的一侧。液晶层108则设置于第一电极104与第二电极106之间。

本发明的其中一个特点在于，第一电极104与第二电极106至少其中的一者包含一栅状电极的结构。如图1所示，在本实施例中，第一电极104b为一栅状电极，而第二电极106a则是整面覆盖于第二基板102上的平面电极(为能清楚区分，以标号a代表平面电极，标号b代表栅状电极，后续的实施例也采用此方式编号)。而于另一实施例中，如图2所示，也可以是第一电极104a为平面电极，而第二电极106b为栅状电极。或者，如图3所示，第一电极104b和第二电极106b都是栅状电极。

关于栅状电极的细部结构，请参考图4与图5，所绘示为栅状电极的平面布局示意图。如图4所示，栅状电极包含有复数个第一栅状电极110与复数个第二栅状电极112。每个第一栅状电极110与第二栅状电极112彼此平行且交替设置，且每个第一栅状电极110的一端是连结至一第一栅状主电极116而使得所有第一栅状电极110彼此电性连接，而每个第二栅状电极112的一端是连结至一第二栅状主电极114而使得所有第二栅状电极112彼此电性连接。本发明的另一实施例中，第一栅状电极110与第二栅状电极112可以具有锯齿状的结构，如图5所示，第一栅状电极110与第二栅状电极112并非直条型的电极，而可以具有如Z字型或闪电型弯曲的锯齿状结构。当然，第一栅状电极110与第二栅状电极112也可以是其它形状，以能均匀配置于基板上且彼此电性绝缘为原则。

本发明的多稳态液晶显示器10，20，30，其第一基板102与第二基板104可以是有机或无机的透明材料，例如玻璃、石英、塑料、树脂、压克力等。第一电极104与第二电极106可以是为单层或多层结构，其材料可包含氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、氧化铟锌(indiumzinc oxide，IZO)、氧化铝锌(aluminum zinc oxide，AZO)等透明导电材料，但不以上述为限。值得注意的是，本发明的多稳态液晶显示器10，20，30的液晶层108中是层列型的液晶分子，于本发明较佳实施例中，此层列型的液晶分子为非旋光性层列A型液晶分子或非旋光性层列C型液晶分子。

本发明的多稳态液晶显示器10，20，30是藉由施加水平电场或垂直电场的来作暗态与亮态的切换。垂直电场是指在第一电极104与第二电极106之间施以一电位差，如图1中的电位差A，使液晶层108笼罩在一垂直电场下；而水平电场则是使液晶层108笼罩在一水平的电场下，如图1中的电位差B，更详细来看，是施以一电位差B在图4中的第一主栅状电极116与第二栅状主电极114上。施加的电位差A、B可以包含直流电或交流电，交流电输入的频率范围为1赫兹~10,000赫兹，可输入的波形包含三角波、方波、正弦波等，但不以上述为限。

关于亮态与暗态的切换，请参考图6，所绘示为本发明多稳态液晶显示器的亮态/暗态切换示意图，其中横轴为时间(秒)，纵轴为透光率(transmittance)以及施加的电压(伏特)。如图6左半部所示，当开启一水平电场时，液晶分子的透光率会增加，使得画面由暗态转变成为亮态，且即便在水平电场关掉后，透光率并不会下降，画面还是会持续亮态；而当施以一垂直电场时，液晶分子的透光率才会下降，画面转变成为暗态，且在移除了垂直电场后还可以继续维持暗态。由图6可知，本发明的多稳态液晶显示器至少具有亮态与暗态的双稳态显示效果。接着请参考图7，所绘示为本发明的多稳态显示器的多稳态切换示意图，其中横轴为施加电压(伏特)，纵轴为透光率，图中每一个统计点的取得，是在关闭垂直电场后稳态液晶分子的透光率。请先参考图7中方框所代表的「双层电极」的线段。如图7所示，当施以不同强度的电压，液晶分子也会相对应具有不同程度的透光率，意即可以藉由控制电压的大小，使画面可以呈现不同透光度，即具有灰阶的显示模式。相较于一般的双稳态显示(亮态、暗态)外，本发明的液晶显示器更可以具有多稳态的灰阶效果，更大大的提升了可以应用的范围。而值得注意的是，上述灰阶的呈现不仅可透过不同电压的大小来驱动，也可以透过相同电压值但不同频率大小的交流电来驱动，同样可以达到灰阶的效果。

为了解决提升显示器的对比度，除了上述「双层电极」的第一实施例外，本发明还进一步提供了「三层电极」的第二实施例，请参考图8与图9，所绘示为本发明第二实施例的多稳态显示器的示意图。如图8所示，除了第一电极104与第二电极106之外，本实施例的多稳态液晶显示器40还可以包含一辅助电极118a以及一绝缘层120，设置于第一基板100与第一电极104b之间，其中绝缘层120位于辅助电极118a上方，以作为第一电极104b与辅助电极118a绝缘之用。辅助电极118a的材质可以和第一电极104b或第二电极106a为相同的透明导电材质，也可以不相同。绝缘层120则包含了透明的介电材质。辅助电极118a的实施方式除了可以为平面电极外，还可以具有栅状电极的结构，如第9图所示，但须注意的是其此栅状结构的辅助电极118b必须和位于其上的第一电极104于垂直平面上交替排列，以达到较佳的电场效应。当然，辅助电极118b的栅状电极可以如图4所示呈现直条状的排列，也可以是如图5所示呈现锯齿状的排列。辅助电极118的各种实施方式可以和第一实施例的各种实施方式任意搭配，例如辅助电极118为具有锯齿的栅状电极，第一电极104为长条状的栅状电极，而第二电极106则为平面电极。上述的实施方式皆可任意组合，在此将不一一赘述。

本实施例「三层电极」的结构可以有效改善显示的对比度，请参考图10，所绘示为本发明的多稳态液晶显示器第二实施例对比度的示意图，其中实线代表第一实施例中的双层电极，而虚线代表第二实施例的三层电极。如图10所示，一开始双层电极与三层电极在相同透光率(1.0)，而在施予一垂直电场后，可以发现三层电极结构可以得到较低的透光率，意即其亮态与暗态的透光率差别较大，故具有较佳的对比度。此外，本实施例具有三层电极的结构，同样也可以具有多稳态的显示效果，请再参考图7。如图7的圆框所代表的三层电极所示，同样在施加不同的电压下，也可以使液晶分子具有不同的透光度，而得到灰阶的多稳态显示效果。

第二实施例中的三层电极结构，同样也是藉由水平电场和垂直电场来切换亮态与暗态。请参考图8，垂直电场的实施方式可以在第一电极106b与第二电极104a之间施以一电位差C，或者，在第二电极106a与辅助电极118a之间施以电位差D，或者，同时施以一电位差E在第二电极106a、第一电极104b以及辅助电极118a上，其中第一电极104b与辅助电极118a为等电位，例如第二电极106a为正电压，而第一电极104b和辅助电极118a为负电压，都可使液晶层108内的液晶分子笼罩在垂直电场下。另外，关于水平电场的实施方式，除了如图4中分别对栅状电极的第一栅状主电极116与第二栅状主电极114施以电位差B外，还可以如图9所示，对第一电极104b与辅助电极118b施以电位差F，也可以达到水平电场的效果。

请参考图11，所绘示为本发明第三实施例的多稳态液晶显示器的示意图。在本发明的第三实施例中，辅助电极118a和绝缘层120也可以设置于第一电极104b与液晶层108之间，而绝缘层120则位于辅助电极118a下方。同样的，辅助电极118也可以是栅状电极，其配置方式、材料与电压驱动的方式与前述相同，在此不再赘述。

除了上述三个实施例所提供特殊的电极排列方式与驱动方式外，本发明液晶层108内的液晶分子排列除了水平配向(horizontal alignment)、垂直配向(vertical alignment)外，还可以是混层配向(hybrid alignment)。如图1所示，液晶层108中的液晶分子其长轴会水平于第一基板100，是为水平配向；如图2所示，液晶层108中的液晶分子长轴会垂直于第一基板100，是为垂直配向；而如图3所示，液晶层108中的液晶分子在接近第一基板100时为水平配向，而越接近第二基板102则逐渐转为垂直配向，此即为混层配向。于本发明较佳实施例中，利用混层配向的配置，可有效降低驱动电压。请参考图12，所绘示为本发明混层配向与垂直配向的驱动电压比较示意图，其中横轴代表交流电压的频率，纵轴代表驱动电场大小。请先参考图12的左半部，图中每一个电场的统计点代表液晶分子由亮态变成暗态所必须施加的电场大小，也就是垂直电场所需的驱动值，由图中可以很清楚了解，不论交流电频率的大小，实心方框代表的「混层配向」所需的驱动电场，会远小于空心三角框所代表的「垂直配向」；同样的，如图12的右半部，所代表的是水平电场所需的驱动值，其混层配向所需的驱动电场也会小于垂直配向的驱动电场。因此，不论是水平电场或是垂直电场，相较于垂直配向而言，混层配向所需的驱动电压都较小，这点在水平配向也是如此。因此，本发明所提出的混层配向结构，应用于多稳态显示器中，可以得到一较低的驱动电压，而有省电节能的效果。

另一方面，本发明的多稳态液晶显示器，依据背光模块的设计，可应用于穿透式的设计，也可以应用于反射式的设计。穿透式的显示模式和一般液晶显示模块相同，仅需在前后设置一片偏光板，然后在显示器的一侧提供一光源，观察者即可在另一侧接受影像。而反射式的显示模式，则透过环境光源的照射，观察者可在同一侧接受光源经液晶分子反射而得到影像。值得注意的是，若是设计为反射式的显示模式，则位于观察者另外一侧的电极和基板，可以不是透明材质，例如电极可以是导电的金属，而基板可以是例如硅基底。

综上而言，本发明提供了一种多稳态液晶显示器的结构以及其驱动方式，主要应用于层列型液晶分子，并利用特殊的栅状电极结构来驱动，搭配双层电极或是三层电极的实施方式，除了具有多重稳态的灰阶显示方式，还具有高对比、低驱动电压的优点，并可应用于反射式组件或穿透式的组件，大大拓展了此液晶显示器的应用领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种多稳态液晶显示器，其特征在于，包含：一第一基板；一第二基板，与该第一基板平行设置；一第一电极，设置于该第一基板上；一第二电极，设置于该第二基板面对该第一电极的一侧，其中该第一电极与该第二电极至少的一者包含一栅状电极；一液晶层，设置于该第一电极与该第二电极之间，其中该液晶层包含层列型液晶分子；设置在该第一基板与该第一电极之间的一辅助电极，以及设置在该辅助电极与该第一电极之间的一绝缘层；籍由水平电场或垂直电场来切换显示器的亮态和暗态。

2.根据权利要求1所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该层列型液晶分子包含非旋光性层列A型液晶分子或非旋光性层列C型液晶分子。

3.根据权利要求1所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该层列型液晶分子排列为水平配向、垂直配向、混层配向三种中的一种。

4.根据权利要求1所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该栅状电极包含复数个第一栅状电极以及复数个第二栅状电极，彼此平行交替设置；其中该些第一栅状电极与该些第二栅状电极包含锯齿状结构。

5.根据权利要求4所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该些第一栅状电极与该些第二栅状电极之间具有一水平电场。

6.根据权利要求1所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该第一电极与该第二电极之间具有一垂直电场。

7.根据权利要求1所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该辅助电极包含一辅助栅状电极；所述的辅助栅状电极包含锯齿状结构。

8.根据权利要求7所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该辅助栅状电极与所述第一电极的栅状电极交替配置。

9.根据权利要求1所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该辅助电极与该第二电极之间具有一垂直电场。

10.根据权利要求1所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该第一电极与该第二电极之间具有一垂直电场，该第二电极与该辅助电极之间具有一垂直电场，且该第一电极与该辅助电极为等电位。

11.根据权利要求1所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该辅助电极与该第一电极之间具有一水平电场。

12.一种多稳态液晶显示器，其特征在于：包含：一第一基板；一第二基板，与该第一基板平行设置；一第一电极，设置于该第一基板上；一第二电极，设置于该第二基板面对该第一电极的一侧，其中该第一电极与该第二电极至少的一者包含一栅状电极；一液晶层，设置于该第一电极与该第二电极之间，其中该液晶层包含层列型液晶分子；设置在该第一电极与该液晶层之间的一辅助电极，以及设置在该辅助电极与该第一电极之间的一绝缘层；籍由水平电场或垂直电场来切换显示器的亮态和暗态。

13.根据权利要求12所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该辅助电极与该第二电极之间具有一垂直电场。

14.根据权利要求12所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该第一电极与该第二电极之间具有一垂直电场，该第二电极与该辅助电极之间具有一垂直电场，且该第一电极与该辅助电极为等电位。

15.根据权利要求12所述的多稳态液晶显示器，其特征在于：其中该辅助电极与该第一电极之间具有一水平电场。

16.一种驱动多稳态液晶显示器的方法，其特征在于包含：提供一多稳态液晶显示器，该多稳态液晶显示器包含：一第一基板；一第二基板，与该第一基板平行设置；一第一电极，设置于该第一基板上；一第二电极，设置于该第二基板面对该第一电极的一侧，其中该第一电极与该第二电极至少的一者包含一栅状电极；以及一液晶层，设置于该第一电极与该第二电极之间，其中该液晶层包含层列型液晶分子；提供一水平电场，使得该液晶层透光率增加；以及提供一垂直电场，使得该液晶层透光率降低；其中该多稳态液晶显示器还包含设置在该第一基板与该第一电极之间的一辅助电极，以及设置在该辅助电极与该第一电极之间的一绝缘层。

17.根据权利要求16所述的驱动多稳态液晶显示器的方法，其特征在于：其中提供该垂直电场的步骤包含在该第一电极与该第二电极之间施加电压。

18.根据权利要求16所述的驱动多稳态液晶显示器的方法，其特征在于：其中该栅状电极包含复数个第一栅状电极以及复数个第二栅状电极，彼此平行交替设置，其中提供该水平电场的步骤包含在该第一栅状电极与该第二栅状电极之间施加电压。

19.根据权利要求16所述的驱动多稳态液晶显示器的方法，其特征在于：其中提供该垂直电场的步骤包含在该第一电极与该第二电极之间施加电压，在该第二电极与该辅助电极之间施加电压，其中该第一电极与该辅助电极为等电位。

20.根据权利要求16所述的驱动多稳态液晶显示器的方法，其特征在于：其中提供该水平电场的步骤包含在该第一电极与该辅助电极之间施加电压。

21.一种驱动多稳态液晶显示器的方法，其特征在于：提供一多稳态液晶显示器，该多稳态液晶显示器包含：一第一基板；一第二基板，与该第一基板平行设置；一第一电极，设置于该第一基板上；一第二电极，设置于该第二基板面对该第一电极的一侧，其中该第一电极与该第二电极至少的一者包含一栅状电极；以及一液晶层，设置于该第一电极与该第二电极之间，其中该液晶层包含层列型液晶分子；提供一水平电场，使得该液晶层透光率增加；以及提供一垂直电场，使得该液晶层透光率降低；其中该多稳态液晶显示器还包含设置在该第一电极与该液晶层之间的一辅助电极，以及设置在该辅助电极与该第一电极之间的一绝缘层。

22.根据权利要求21所述的驱动多稳态液晶显示器的方法，其特征在于：其中提供该垂直电场的步骤包含在该第二电极与该辅助电极之间施加电压。

23.根据权利要求21所述的驱动多稳态液晶显示器的的方法，其特征在于：其中提供该垂直电场的步骤包含在该第一电极与该第二电极之间施加电压，在该第二电极与该辅助电极之间施加电压，其中该第一电极与该辅助电极为等电位。