CN105159003A - 具有偶极矩特性的添加剂的液晶显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有偶极矩特性的添加剂的液晶显示设备。一种LCD设备，所述LCD设备包括：第一基板与第二基板，所述第一基板与所述第二基板彼此面对；密封剂，所述密封剂形成在所述第一基板与所述第二基板之间，并且将所述第一基板粘附到所述第二基板；以及液晶层，所述液晶层形成在所述第一基板与所述第二基板之间。所述液晶层包括液晶和添加剂的混合物，当将电场施加到所述添加剂时所述添加剂具有偶极矩特性，从而增强液晶的响应时间。所述液晶是负液晶。

Description

具有偶极矩特性的添加剂的液晶显示设备
本申请是申请日为2013年5月21日、申请号为201310190158.5、发明名称为“具有偶极矩特性的添加剂的液晶显示设备”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种液晶显示(LCD)设备，并且更具体地，涉及一种通过利用低驱动电压进行驱动而具有减少功率消耗的性能和快速的响应时间的LCD设备。
背景技术
通常，由于利用低工作电压来驱动LCD设备，因此LCD设备具有低功率消耗并且用作便携式设备。因此，LCD设备广泛地应用于诸如笔记本电脑、监视器、飞船、飞机等各种领域。
LCD设备包括下基板、上基板以及形成在下基板与上基板之间的液晶层。在LCD设备中，利用电场来调整液晶层中的液晶的配向，并且因而，调整LCD设备的透光率，由此显示图像。
根据调整液晶配向的方案，以扭曲向列(TN)模式、垂直配向(VA)模式、面内切换(IPS：in-planeswitching)模式或者边缘场切换(FFS)模式对LCD设备进行各种开发。
在这些模式当中，IPS模式和FFS模式是在下基板上排列多个像素电极和公共电极的模式，并且因而，利用像素电极与公共电极之间的电场来调整液晶的配向。
IPS模式是其中多个像素电极和公共电极平行地交替排列的模式，并且因而，在像素电极与公共电极之间分别生成横向电场，由此调整液晶的配向。FFS模式是其中像素电极和公共电极形成为彼此分离并且像素电极与公共电极之间具有绝缘层的模式，所述像素电极和公共电极中的一个以板状形成，而另一个以指状形成，由此利用在像素电极与公共电极之间生成的边缘场来调整液晶的配向。
在下文中，将参照图1来描述现有技术的IPS模式LCD设备。
图1是示意性地例示现有技术的IPS模式LCD设备的截面图。
在图1中看到，现有技术的IPS模式LCD设备包括上基板10、下基板20、密封剂30和液晶层40。
在上基板10上依次形成遮光层12、滤色器层14和覆盖层16。
遮光层12防止光泄露到除了像素区域以外的区域，并且以矩阵结构形成。
滤色器层14形成在遮光层12上，并且包括多个红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)滤色器。
覆盖层16形成在滤色器层14上，并且对基板进行平坦化。
在下基板20上形成阵列层22、多个像素电极24和多个公共电极26。
阵列层22包括：彼此交叉以限定多个像素区域的多个选通线(未示出)和多个数据线(未示出)；以及分别形成在通过选通线和数据线的交叉而限定的像素区域中的多个薄膜晶体管(TFT)。
像素电极24形成在阵列层22上，并且电连接到该阵列层22内部的相应(respective)像素。
公共电极26形成在阵列层22上，并且与像素电极24一起生成电场，以驱动液晶层40。
密封剂30形成在上基板10与下基板20之间。通过该密封剂30将上基板10粘附到下基板20。
液晶层40形成在上基板10与下基板20之间。在液晶层40中，根据由像素电极24和公共电极26所生成的电场的方向来调整液晶的配向。
然而，现有技术的IPS模式LCD设备具有如下限制。通常，可能期望使LCD设备的驱动电压下降，以减少该LCD设备的功率消耗。当液晶的介电各向异性(Δε＝ε∥-ε⊥)的绝对值高时，可以使用液晶层40的液晶来使LCD设备的驱动电压下降。作为示例，当使用正液晶作为液晶层40的液晶时，与介电各向异性(Δε)是3的情况相比，在介电各向异性(Δε)是4的情况下，可以使驱动电压进一步下降。作为另一个示例，当使用负液晶作为液晶层40的液晶时，与介电各向异性(Δε)是-3的情况相比，在介电各向异性(Δε)是-4的情况下，可以使驱动电压进一步下降。
然而，当使用具有高介电各向异性(Δε＝ε∥-ε⊥)的绝对值的负液晶来使驱动电压下降时，液晶的旋转粘度可能实质上增加并且由此液晶的响应时间可能变得更慢。
发明内容
因此，本发明可以提供一种LCD设备，该LCD设备基本上消除了由于现有技术的限制和缺点而引起的一个或更多个问题。本发明的一个方面可以提供一种具有快速响应时间的LCD设备。
本发明的额外优点和特征一部分将在以下说明书中进行阐述，并且一部分对于本领域普通技术人员而言在研读以下内容后将变得显而易见，或者可以从本发明的实践中获知。本发明的目的和其它优点可以通过在本书面说明书及其权利要求书及附图中具体指出的结构来实现和获得。
为了实现这些以及其它优点并且根据本发明的目的，如本文具体实施并广泛描述地，提供了一种LCD设备，所述LCD设备包括：第一基板与第二基板，所述第一基板与所述第二基板彼此面对；密封剂，所述密封剂形成在所述第一基板与所述第二基板之间，并且将所述第一基板粘附到所述第二基板；以及液晶层，所述液晶层形成在所述第一基板与所述第二基板之间，其中，所述液晶层包括液晶和添加剂，当电场被施加到所述添加剂时所述添加剂具有偶极矩特性。在该实施方式中，所述添加剂的尺寸大于液晶分子的尺寸，使得所述添加剂的旋转运动导致所述液晶分子旋转。
在另一个实施方式中，一种液晶显示(LCD)设备，所述LCD设备包括：第一基板与第二基板，所述第一基板与所述第二基板彼此面对；密封剂，所述密封剂形成在所述第一基板与所述第二基板之间，并且将所述第一基板粘附到所述第二基板；液晶层，所述液晶层形成在所述第一基板与所述第二基板之间，并且包括多个液晶分子；以及多个粒子，所述多个粒子分散在所述液晶层中，并且被配置为在将电场施加到所述多个粒子时旋转，使得扭矩被传送到与每个粒子相邻的所述液晶分子。在该实施方式中，液晶分子的尺寸小于粒子的尺寸。
要理解的是，本发明的前述概括描述和以下详细描述二者都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。
附图说明
附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被并入本申请且构成本申请的一部分，附图例示了本发明的(多个)实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是示意性地例示现有技术的IPS模式LCD设备的截面图；
图2是示出由于液晶的介电各向异性的改变而引起的旋转粘度的改变的曲线图。
图3A是示意性地例示当没有施加电场时根据本发明的实施方式的LCD设备的截面图，并且针对IPS模式LCD设备；
图3B是示意性地例示当将施加电场时根据本发明的实施方式的LCD设备的截面图，并且针对IPS模式LCD设备；
图4A例示当将电场施加到正液晶时该正液晶的配向状态；
图4B例示当将电场施加到负液晶时该负液晶的配向状态；
图5是示出在使用正液晶的情况下和使用负液晶的情况下亮度改变的曲线图；以及
图6是示意性地例示根据本发明的另一个实施方式的LCD设备的截面图，并且针对FFS模式LCD设备。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的示例性实施方式，在附图中例示了这些示例性实施方式的示例。在可能的情况下，将使用相同的附图标记贯穿附图来指代相同或相似的部件。在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施方式。
图2是示出正液晶和负液晶的介电各向异性和旋转粘度的关系的曲线图。正液晶是具有为正(+)值的介电各向异性(Δε＝ε∥-ε⊥)的液晶(即，其中水平介电常数(ε∥)大于垂直介电常数(ε⊥)的液晶)，并且该正液晶具有液晶的导向(director)与电场的方向平行对准的特性。此外，负液晶是具有为负的介电各向异性(Δε＝ε∥-ε⊥)的液晶(即，其中水平介电常数(ε∥)小于垂直介电常数(ε⊥)的液晶)，并且该负液晶具有液晶的导向与电场的方向垂直对准的特性。
如图2所示，介电各向异性的绝对值越高，正液晶和负液晶的旋转粘度越高。因此，基于施加到液晶的电场的方向，旋转粘度可影响液晶的旋转运动，由此改变液晶的响应时间。例如，如图2所示，由于负液晶在旋转粘度的增长率(increaserate)方面比正液晶更高，因此，负液晶的响应时间可能比正液晶的响应时间更受影响。
图3A是示意性地例示当没有施加电场时根据本发明的实施方式的LCD设备的截面图，并且针对IPS模式LCD设备。图3B是示意性地例示当施加电场时根据本发明的实施方式的LCD设备的截面图，并且针对IPS模式LCD设备。
在图3A和图3B中看到，根据本发明的实施方式的LCD设备包括：第一基板100、第二基板200、密封剂300和液晶层400。在第一基板100上依次形成遮光层120、滤色器层140和覆盖层160。遮光层120防止光泄露到除了像素区域以外的区域，并且以矩阵结构形成。
滤色器层140形成在遮光层120上，并且包括多个红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)滤色器。根据情况，滤色器层140可以额外包括多个黄色(Y)或青色(C)滤色器，在这种情况下，滤色器140包括四种类型的具有不同颜色的滤色器。覆盖层160形成在滤色器层140上，并且对基板进行平坦化。尽管未示出，但是可以在该覆盖层160上额外地形成用于保持单元间隙的柱状间隔件。
在第二基板200上形成阵列层220、多个像素电极240和多个公共电极260。尽管未具体示出，但是阵列层220包括：多个选通线和多个数据线；以及多个薄膜晶体管(TFT)，所述多个TFT分别形成在通过选通线和数据线的交叉而限定的多个像素区域中。
多个选通线和多个数据线彼此交叉以限定多个像素区域。多个TFT中的每一个连接到对应的选通线和数据选，并且形成在对应的像素区域中。每个TFT可以包括：连接到对应的选通线的栅极；用作电子传送通道的半导体层；连接到数据线的源极；与所述源极面对的漏极；以及保护所述源极和所述漏极的钝化层。可以以底栅结构或者顶栅结构来形成每个TFT，在底栅结构中，栅极布置在半导体层下方，在顶栅结构中，栅极布置在半导体层上方。阵列层220的各种其它构造是可用的。
多个像素电极240形成在阵列层220上，并且电连接到位于阵列层220内部的相应TFT。多个公共电极260形成在阵列层220上，并且与像素电极240一起生成电场，以驱动液晶层400中的液晶410。像素电极240和公共电极260交替地排列以生成横向电场。像素电极240和公共电极260(如图所示)可以排列在同一层上或不同层上。
密封剂300形成在第一基板100与第二基板200之间。通过密封剂300将第一基板100粘附到第二基板200。液晶层400形成在第一基板100与第二基板200之间。液晶层400包括液晶410和添加剂420。根据由像素电极240和公共电极260所生成的电场的方向来调整液晶410的配向。
液晶410可以包括具有为正(+)值的介电各向异性(Δε＝ε∥-ε⊥)的正液晶，或者具有为负(-)值的介电各向异性(Δε＝ε∥-ε⊥)的负液晶。考虑到LCD设备的亮度特性，可优选地，液晶410可以包括负液晶。例如，使用负液晶的液晶显示设备可以实现比使用正液晶的液晶显示设备更好的亮度。这将在下面详细描述。
图4A例示当将电场施加到正液晶时该正液晶的配向状态。图4B例示当将电场施加到负液晶时该负液晶的配向状态。
在图4A中看到，正液晶具有如下特性：其中该正液晶的导向与电场的方向平行对准。因而，当在像素电极240与公共电极260之间生成电场时，像素电极240与公共电极260之间的区域中的液晶分子410a的导向与基板的水平面平行对准，该液晶分子410a没有与像素电极240和公共电极260交叠。但是，当在像素电极240与公共电极260之间生成电场时，在像素电极240和公共电极260上方的相应区域中的液晶分子410b的导向，被对准为相对于基板的水平面以一定角度倾斜，液晶分子410b与像素电极240和公共电极260交叠。这样，当液晶的导向被对准为相对于基板的水平面以一定角度倾斜时，对应的区域中的透光率减少了。
此外，在图4B中看到，负液晶具有如下特性：其中该负液晶的导向与电场的方向垂直对准。因而，当在像素电极240与公共电极260之间生成电场时，像素电极240与公共电极260之间的区域中的液晶分子410a的导向以及像素电极240和公共电极260上方的相应区域中的液晶分子410b的导向与基板的水平面平行对准。因此，与正液晶相比，负液晶可以增强透光率，因而显示出相对更好的亮度特性。
图5是示出在使用正液晶的情况下和使用负液晶的情况下亮度改变的曲线图。在图5中，能够看到，使用负液晶的情况比使用正液晶的情况显示出更好的亮度，并且特别地，在直接位于像素电极和公共电极中的每一个上方的区域中显示出更好的亮度。另外，在像素电极与公共电极之间具有狭小间隔的液晶显示设备中，由于负液晶仍然能够恰当地旋转以在像素电极和公共电极中的每一个之上直接上方透射光，因此使用负液晶可能更加有效。
如上所述，当液晶410具有高介电各向异性的绝对值(│Δε│)时，能够使驱动电压下降，因而减少功率消耗。考虑到这样的优点，液晶410的介电各向异性的绝对值(│Δε│)可以是2或更大。例如，当液晶410的介电各向异性的绝对值(│Δε│)小于2时，驱动电压增加，导致功率消耗增加。
这里，介电各向异性(Δε)是在20℃的温度下，通过使用频率为1kHz的电信号测量的值。在稍后要描述的说明书中，介电各向异性、垂直介电常数或水平介电常数也是在相同条件下测量的值。
而且，由于液晶410的介电各向异性的绝对值(│Δε│)增加，因此该液晶410的旋转粘度增加，并且因而，LCD设备的响应时间减少。然而，根据本发明，添加剂420在液晶410的旋转运动方面给予援助，由此增强响应时间。
然而，尽管添加剂420帮助减少了响应时间，但是如果液晶410的介电各向异性的绝对值(│Δε│)过高，则可能变得难以利用添加剂420的援助来增强响应时间。出于该原因，液晶410的介电各向异性的绝对值(│Δε│)可以是20或更小。也就是说，如果液晶410的介电各向异性的绝对值(│Δε│)超过20，则不能预期减少液晶的响应时间。
可以使用由下面的公式1所表示的材料作为负液晶410，但是不限于此。
[公式1]
R1-A-R2
其中，R1和R2中的每一个是氢(H)、烷基基团、烷氧基基团、烯基基团、CN、F、Cl、CF3、OCF3、S或NCS。A是烷基、-COO-、-CF2O-、 上述化合物中的两个或者更多个不同化合物的键合结构、上述化合物中的两个或者更多个相同化合物的键合结构、或者所述键合结构的重复单元。
作为负液晶410的详细示例，可以使用由下面的公式2到公式4所表示的化合物中的每一个，但是不限于此。
[公式2]
[公式3]
[公式4]
其中，R和R'中的每一个是氢、烷基基团、烯基基团或者烷氧基基团。
而且，可以使用由下面的公式5到公式7所表示的材料中的每一种作为正液晶410，但是不限于此。
[公式5]
[公式6]
[公式7]
其中，R是氢、烷基基团、烯基基团或者烷氧基基团。
如上所述，添加剂420可以增强液晶410的响应时间。具体而言，通过使用具有高介电各向异性的绝对值的液晶，使驱动电压下降，因而减少功率消耗。此外，由于使用了具有高介电各向异性的绝对值的液晶，添加剂420能够补偿响应时间的延迟。
该添加剂420包括粒子，当将电场施加到添加剂420时，这些粒子具有偶极矩特性。具体而言，当通过被施加电场而具有偶极矩特性的所述添加剂420被添加到液晶层400时，在施加用于驱动LCD设备的电场时，在添加剂420中出现强扭矩，并且因而，能够通过该强扭矩使添加剂420附近的液晶分子410更加容易地旋转。此外，由于出现在添加剂420中的扭矩，在该添加剂420附近的多个液晶分子410的每一个中出现了相同或相似的扭矩，由此使得液晶分子410能够更容易地旋转。
通过被施加电场而具有偶极矩特性的粒子可以包括ZrO2粒子，并且特别地，包括具有纳米尺寸的ZrO2粒子。
尤其是，包括在添加剂420中的粒子可以具有5nm到100nm的平均直径。这里，平均直径表示多个粒子的最小直径和最大直径的平均值。
当粒子的平均直径小于5nm时，因为粒子尺寸过小，所以液晶的响应时间无法减少。当粒子的平均直径大于100nm时，粒子不能在液晶层400内部均匀地分布，并且此外，能够减少LCD设备透射率。
添加剂420的尺寸可大于液晶分子410的尺寸，使得添加剂420的旋转运动导致液晶分子410旋转。液晶分子410可具有到的尺寸。
而且，可以添加液晶层400的全部重量的0.1wt％到5wt％的添加剂420。
当添加小于液晶层400的全部重量的0.1wt％的添加剂420时，不能通过添加剂420减少液晶410的响应时间。另一方面，当添加多于液晶层400的全部重量的5wt％的添加剂420时，能够减少透光率。
上述LCD设备例示为IPS模式LCD设备的示例，并且根据本发明的IPS模式LCD设备不限于该结构。具有各种结构的IPS模式LCD设备(本领域技术人员已知的使用包含添加剂的液晶层400)，可以在本发明的范围内。
图6是示意性地例示根据本发明的另一个实施方式的LCD设备的截面图，并且针对FFS模式LCD设备。除了在结构方面改变了生成用于驱动液晶410的电场的像素电极240和公共电极260之外，图6的LCD设备与上述图3的LCD设备相同。因此，相同的附图标记指代相同的元件，并且因而，不提供对相同元件的重复描述。在图6中看到，阵列层220形成在第二基板200上，公共电极260形成在阵列层220上，绝缘层250形成在公共电极260上，并且像素电极240形成在绝缘层250上。
详细地说，像素电极240形成在绝缘层250的上表面上，并且公共电极260形成在绝缘层250的下表面下面。像素电极240分别包括多个狭缝241，并且基本上以指状形成。公共电极260基本上以板状形成。因而，边缘场通过像素电极240的狭缝241生成，并且调整液晶410的对准方向。
绝缘层250可以由诸如氮化硅或二氧化硅的无机绝缘体形成，但是不限于此。作为另一个示例，绝缘层250可以由诸如基于丙烯酸的聚合物(acryl-basedpolymer)的有机绝缘体形成。可以以无机绝缘层或有机绝缘层的双层结构来形成绝缘层250。
尽管未示出，但是可以在绝缘层250的上表面上形成包括多个狭缝的公共电极，并且可以在绝缘层250的下表面下面形成多个板状像素电极。
上述LCD设备例示为FFS模式LCD设备的示例，并且根据本发明的FFS模式LCD设备不限于该结构。具有各种结构(本领域技术人员已知的使用包含添加剂的液晶层400)的FFS模式LCD设备，可以在本发明的范围内。
在上述LCD设备中，以上已经描述了在同一基板上形成像素电极和公共电极。然而，作为另一个示例，可以将本发明的技术特征应用于在不同基板上形成像素电极和公共电极的模式(例如，VA模式或TN模式)。该示例也可以在本发明的范围内。
根据本发明的实施方式，通过将包括当被施加电场时具有偶极矩特性的粒子的添加剂添加到液晶层，能够减少液晶的响应时间。
对于本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变型。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的对本发明的修改和变型。
本申请要求在2012年5月21日提交的韩国专利申请No.10-2012-0053582的优先权，通过引用将该韩国专利申请并入本文，如同在本文中全面阐述一样。

Claims (18)

1.一种液晶显示LCD设备，所述LCD设备包括：
第一基板与第二基板，所述第一基板与所述第二基板彼此面对；
密封剂，所述密封剂形成在所述第一基板与所述第二基板之间，并且将所述第一基板粘附到所述第二基板；以及
液晶层，所述液晶层形成在所述第一基板与所述第二基板之间，
其中，所述液晶层包括液晶和添加剂的混合物，当将电场施加到所述添加剂时所述添加剂具有偶极矩特性，
其中，所述液晶是负液晶。
2.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，所述添加剂的平均直径是5nm到100nm。
3.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，添加所述液晶层的全部重量的0.1wt％到5wt％的所述添加剂。
4.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，所述液晶具有在2到20的范围内的介电各向异性的绝对值(│Δε│)。
5.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，所述添加剂包括ZrO2粒子。
6.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，所述添加剂的尺寸大于液晶分子的尺寸，使得所述添加剂的旋转运动导致所述液晶分子旋转。
7.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，在同一所述第一基板上形成用于驱动所述液晶的多个像素电极和公共电极。
8.根据权利要求7所述的LCD设备，其中，交替排列所述多个像素电极和公共电极以生成横向电场。
9.根据权利要求7所述的LCD设备，其中，在同一层中布置所述多个像素电极和公共电极。
10.根据权利要求7所述的LCD设备，其中，在不同层中布置所述多个像素电极和公共电极。
11.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，所述负液晶具有由下面的公式所表示的材料：
R1-A-R2，
其中，R1和R2中的每一个是氢H、烷基基团、烷氧基基团、烯基基团、CN、F、Cl、CF3、OCF3、S或NCS，并且A是烷基、-COO-、-CF2O-、 上述化合物中的两个或者更多个不同化合物的键合结构、上述化合物中的两个或者更多个相同化合物的键合结构、或者所述键合结构的重复单元。
12.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，所述负液晶具有由下面的公式所表示的材料：
其中，R和R'中的每一个是氢、烷基基团、烯基基团或者烷氧基基团。
13.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，所述负液晶具有由下面的公式所表示的材料：
其中，R和R'中的每一个是氢、烷基基团、烯基基团或者烷氧基基团。
14.根据权利要求1所述的LCD设备，其中，所述负液晶具有由下面的公式所表示的材料：
其中，R和R'中的每一个是氢、烷基基团、烯基基团或者烷氧基基团。
15.一种液晶显示LCD设备，所述LCD设备包括：
第一基板与第二基板，所述第一基板与所述第二基板彼此面对；
密封剂，所述密封剂形成在所述第一基板与所述第二基板之间，并且将所述第一基板粘附到所述第二基板；
液晶层，所述液晶层形成在所述第一基板与所述第二基板之间，并且包括多个液晶分子；以及
多个粒子，所述多个粒子分散在所述液晶层中，并且被配置为在将电场施加到所述多个粒子时旋转，使得扭矩被传送到与每个粒子相邻的所述液晶分子，
其中，所述液晶是负液晶。
16.根据权利要求15所述的LCD设备，其中，所述粒子具有偶极矩特性。
17.根据权利要求15所述的LCD设备，其中，液晶分子的尺寸小于粒子的尺寸。
18.根据权利要求15所述的LCD设备，其中，所述粒子包括ZrO2粒子。
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