CN1082674C - 反射液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

反射液晶显示装置包括：各自具有电极的显示衬底和背衬底，它们以一定距离相对而置；置于显示衬底与背衬底之间的液晶层，它由加有双色颜料的向列液晶组成；位于背衬底之上的反射板；以及置于反射板与液晶层之间的四分之一波晶片。在该液晶显示装置中，液晶扭距P与衬底间距离d满足下列关系式：1/4≤d/p≤3/4。

Description

反射液晶显示装置
本发明涉及用于各种显示设备的液晶显示装置，更具体而言涉及具有增强对比度的反射液晶显示装置。
液晶显示装置的应用广泛，这是因为其本身特点而使得人们可方便地实现尺寸，厚度及功率消耗的减小。
这些液晶显示装置可分成两大类：反射液晶显示装置，其中利用由显示器进入的光且功率消耗仅用于驱动液晶分子；透射液晶显示装置，其中在该装置背后备有光源(背光)并利用来自该光源的透射光进行显示。
常规反射液晶显示装置如图9所示。参考图9，在液晶显示装置10中，两片玻璃衬底(即显示衬底11和背衬底12)以一定距离相对而置，各衬底11和12中分别配有透明电极13，14以及校正膜15，16，在衬底11与12之间还装有由液晶分子组成的液晶层21。封装材料17将液晶分子密封并限定了显示衬底11与背衬底12之间的距离。在该液晶显示装置10中，设置校正膜15和16，使得液晶分子逐渐被扭转且当电极13和14间不加电压时上校正膜15与下校正膜16的取向轴相差90°。
另外，在衬底11和12外侧分别备有极化板18和19，而仅在背侧备有反射板20。显示极化板18和背极化板19设置成使其光轴相差90°。为简化说明和方便起见，假定显示极化板18的光轴在水平方向，而背极化板19的光轴在垂直方向。
在液晶显示装置10中，当透明电极13与14之间未施加电压时(图9中以右侧的(X)表示)，只有来自显示器的入射光束(水平方向极化)穿过极化板18，接着再穿过显示衬底11、透明电极13和校正膜15。经过扭转液晶分子之后，该光束的极化方向被扭转90°而成为垂直极化光束，且随后穿过校正膜16、透明电极14、背衬底12和极化板19。然后，该光束由反射板20反射而再穿过极化板19、背衬底12、透明电极14和校正膜16。通过扭转液晶分子传输之后，该光束的极化方向被扭转90°而成为水平极化光束，且随后穿过校正膜15、透明电极13、显示衬底11和极化板18。这样，入射光经反射板20反射而成为反射光返回，由此而产生液晶显示装置的亮屏显示。
反之，当电极13与14之间施加电压时(图9中以左侧(Y)表示)，只有来自显示器的入射光束(水平方向极化)穿过极化板18，接着再穿过显示衬底11、透明电极13和校正膜15。由于液晶分子未被扭转，该光束穿过校正膜16、透明电极14和背衬底12而不改变其极化方向。由于入射光沿水平方向极化，所以它既不会穿过极化板19也不会到达反射板20。因而，入射光不能以反射光形式返回，从而产生暗屏显示。
通过控制施加在电极之间的电压，可以调节屏幕显示的明暗度而给出各种类型的显示。
然而，在反射液晶显示装置10的情形下，屏幕显示依赖于反射光，从而在显示屏的亮度方面存在局限。另外，由于所采用的极化板只利用极化光束，所以光的利用率低，且反射光量显著低于入射光量，从而产生暗屏显示趋向，且难于增强对比度。因此，透射液晶显示装置的应用变得广泛，其中为了增加显示屏亮度并增强对比度，在该装置背侧装有背光源且无疑增加了光量。
然而，由于透射液晶显示装置含有光源，便自然增加了功率消耗，从而在某种程度上失去了液晶显示装置的低功耗性能。
近年来，已经实现了各种电子设备尺寸的减小，其发展促进了便携式应用。随着这种便携式显示装置应用范围的扩展，对降低功率消耗的要求变得越来越迫切。
在这种情况下，日本未验证专利刊物(Japanese Unexamined PatentPublication) No.6-160913公开了一种反射液晶显示装置，它可使用低电压驱动并具有极优良的对比度。在制做这种液晶显示装置所使用的液晶中，相对于90°或更大扭转状态下所施加的电压而产生滞后现象。
然而，根据这种液晶显示装置，除非设置记录时间为5毫秒(msec)以上，否则不能实现浓淡层次显示。另外，为了实现动画显示，需要如图10所示逐渐增加电压的累积驱动。但是，根据这种利用相对于所施加电压而形成液晶滞后作用的液晶显示装置，不可能实现累积驱动，所以这种液晶装置不适用于动画显示。另外，为了使该液晶中能产生滞后效应，实际上该液晶应被扭转270°以上。
因此，本发明的目的在于提供一种反射液晶显示装置，该装置可显著降低功率消耗，具有较明亮的屏幕显示以增强对比度，并可实现动画显示。
根据本发明的一个方面，提供了一种反射液晶显示装置，它包括：显示衬底和背衬底，它们各自包含一个电极并以一定距离相对而置；液晶层，它位于显示衬底与背衬底之间且由加有双色颜料的向列液晶组成，在背衬底上备有反射板；四分之一波晶片，它位于反射板与液晶层之间，其中液晶扭距P与衬底间距d满足下面的关系式：
1/4≤d/P＜3/4
此时，背衬底中液晶取向轴与四分之一波晶片光轴所形成的夹角最好取为45°。
另外，反射板最好为镜面反射板，且在显示衬底上备有光散射层。
再有，折射率各向异性Δn与扭距P最好应满足如下关系式：
1μm≤Δn·P＜5μm
图1为描述本发明方案的侧面剖视图；
图2为说明光束在极化方向上扭转的示意图；
图3为说明光束在极化方向上扭转的示意图；
图4为描述液晶显示装置方案的侧面剖视图；
图5为描述Δn·P与对比度之间关系的曲线图；
图6为描述比率d/P与驱动线数之间关系的曲线图；
图7为描述光极化取向轴和四分之一波晶片光轴夹角与对比度之间关系的曲线图；
图8为描述双色颜料添加率与对比度之间关系的曲线图；
图9为描述常规反射液晶显示装置的侧面剖视图；
图10为描述累积驱动期间电压随时间变化的曲线图。
图1描述了本发明的方案。
本方案中液晶显示装置22自显示表面(图1中上端)起依次包括光散射层32、由玻璃等制成的透明显示衬底11、由铟锡氧化物(ITO)等构成的透明电极13、由聚酰亚胺树脂等构成的校正膜15，16、透明电极14、背衬底12、四分之一波晶片24及反射板20，还包括由液晶分子组成的液晶层26，该液晶层由置于衬底11与12之间的封装材料17所密封。也就是说，其中不包含极化板。
作为液晶，要求含有双色颜料的向列液晶。
另外，校正膜15与16异向设置且相差90°，以便当其上未施加电压时液晶被扭转90°。为简化说明和方便起见，设显示校正膜15的取向沿垂直方向，而背校正膜16的取向沿水平方向。
还有，要求衬底之间的距离(严格地说是校正膜之间或电极之间(如果提供了的话)的距离d)与液晶扭距P之间满足下面的关系式：1/4≤d/P＜3/4。通过将d/P增加到1/4或更大，液晶可以快速初始化且响应速度增加，从而该液晶可以用于简单矩阵并可获得高清晰度及大屏幕显示。通过将d/P减小到3/4以下，液晶不会被大角度扭转，从而防止滞后现象的发生且可以实现浓淡层次显示或累积驱动及动画显示。
再有，最好将取向轴(如果提供了的话即校正膜的取向)与四分之一波晶片24光轴间的夹角取为45°，因为这样可提高光的利用率并改善对比度。
位于显示衬底11上的光散射层32的作用是通过对透射光的适当折射而进行光散射，但它并非必不可少。然而，设置光散射层32可以扩展液晶显示装置的可视角。
另外，在该反射液晶显示装置中，通常使用可产生一定量光散射的非镜面反射板而不采用镜面反射板以便防止使用及背景反射。但是，通过采用光散射层32，就可以在防止使用及背景反射的同时采用如反射板20的镜面反射板。与非镜面反射板相对照，镜面反射板可维持光极化并改善对比度。
再有，要求折射率各向异性Δn与液晶分子扭距P(μm)的乘积大于或等于1μm且小于或等于5μm。若乘积Δn·P大于1μm，则入射光的振荡矢量(极化方向)可跟随液晶分子的扭转，从而防止对比度降低。但是，如果乘积Δn·P大于或等于5μm，则驱动电压会产生不必要的增加。
在液晶显示装置22中，当电极13与14之间未施加电压时，来自显示器的入射光穿过光散射层32、显示衬底11、电极13及校正膜15，且如图2中a所示，在这一时间点上不发生极化改变。在图2中，各圆环中的箭头表示光的极化方向，而其长度则相对地表示极化分量的强度。
随后，入射光穿过加有双色颜料的液晶层26(其中所加入的双色颜料沿液晶层方向排列)，从而如图2中b所示成为椭圆极化，且只有沿纵向极化的光束可进行传输。接着，入射光穿过校正膜16、电极14和背衬底12。当光穿过四分之一波晶片24之后，其光轴如图2中c所示被扭转45°。在这种状态下，该光束由反射极20反射并再次穿过四分之一波晶片24，从而其光轴如图2中d所示再次被扭转45°。然后，光再次穿过背衬底12、电极14、校正膜16和加有双色颜料的液晶层26，从而如图2中e所示，几乎无入射光穿透，结果由于无反射光从该液晶显示装置中射出而产生暗屏显示。
相反，当电极13与14之间加有电压时，来自显示器的入射光(图3中a)穿过显示衬底11、电极13、校正膜15和加有双色颜料的液晶层26而不发生极化改变，且随后穿过校正膜16、电极14和背衬底12。尽管如图3中b所示，当光穿过四分之一波晶片24之后其光轴被扭转了45°，但该光束仍旧被反射板20所反射。当入射光再次穿过四分之一波晶片24之后，其光轴如图3中c所示又被扭转了45°。该入射光穿过背衬底12、电极14和校正膜16，并再次穿过加有双色颜料的液晶层26以便作为反射光从该液晶显示装置上射出，从而产生亮屏显示。
通过控制施加在电极之间的电压，可以调节屏幕显示的明暗度且可以给出各种类型的显示。
本发明的液晶显示装置为反射型，它不需要背光源，从而可以实现功率节省。
另外，本发明的液晶显示器不使用极化板，从而几乎所有入射光均可被用作反射光且可令显示屏更亮。
最好在液晶中加入以重量计约1～5％的双色颜料，因为当该颜料加入量小于1％时得不到足够的对比度，而既便该颜料的加入量达到或超过5％时对比度的改善亦不明显。
本发明的液晶显示装置可应用于光调制镜以及各种电子设备的显示装置。
我们制做了如图4所示结构的液晶显示装置以便进行各种性能测试。
液晶显示装置30包括显示衬底11和背衬底12，它们由玻璃板制成且以一定距离相对而置，还包括位于两衬底之间由向列液晶(由CHISSOPETROCHEMI CAL CORPORATION生产的"AP4201")组成的液晶层26。在折射率各向异性Δn为0.124的液晶中加入手征介质(由CHISSO PETROCHEMI CALCORPORATION生产的"S-811")。另外，在该液晶中加入以重量计为3％的双色颜料(由Nippon KANKOH SHIKISO KENKYUSHO生产的"NKX-1366")。
在显示衬底11的外侧配有由塑料制成的光散射层(由KEIWA SHOKO Co.，Ltd.生产的"OPAL#100T")32，而在显示衬底11的内侧配有由ITO构成的透明电极13和校正膜15。
厚度为100nm的铝制反射板28配置在背衬底12之内。该反射板28同时用作电极。另外，在反射板28与液晶层26之间置有由高聚物(芳基聚酰胺)液晶膜构成的四分之一波晶片24，而其上配有校正膜16。
液晶显示装置30衬底之间的距离d(即校正膜15与16之间的距离)为10μm。
在液晶显示装置30中，当电极13与电极(即反射板)28之间未施加电压时，来自显示器的入射光穿过光散射层32、显示衬底11、电极13、校正膜15及加有双色颜料的液晶层26，从而被椭圆极化，且只有沿纵向极化的光束可以进行传输。随后，该入射光在经过校正膜16后穿过四分之一波晶片24，从而其光轴被扭转45°。在这种状态下，光束由反射板(即电极)28反射并再次穿过四分之一波晶片24，从而其光轴再次被扭转45°。然后，该光束再次穿过校正膜16和加有双色颜料的液晶层26，从而几乎无入射光穿透，其结果由于无反射光从该液晶显示装置中射出而产生暗屏显示。
反之，当电极13与电极(即反射板)28之间加有电压时，来自显示器的入射光穿过显示衬底11、电极13、校正膜15及加有双色颜料的液晶层26而不发生极化改变，且随后穿过校正膜16和四分之一波晶片24，从而其光轴被扭转45°。但是，该入射光由反射极(即电极)28反射且再次穿过四分之一波晶片24，从而其光轴再次被扭转45°。此后，入射光再次穿过校正膜16和加有双色颜料的液晶层26而不发生变化以便作为反射光从液晶显示装置中射出，其结果产生亮屏显示。
通过控制施加于电极间的电压，可以调节屏幕显示的明暗度并给出各种类型的显示。
尽管在液晶显示装置30中采用了兼作铝制电极且具有镜面表面的反射极28，但并未观察到应用或背景反射。
在液晶显示装置30中，通过改变衬底间距离d而改变扭距p的数值以便测量Δn·P(折射率各向异性Δn与液晶分子扭距P的乘积)与对比度之间的关系。测量结果如图5所示。双比度(CR)为可驱动最大透射的90％T90与可驱动最大透射的10％T10的比率(CR＝T90/T10)。对比度越大，则可见度的改善越大，而至少需要3以上的对比度。
类似地，在液晶显示装置30中，固定扭距P，改变衬底间距离d而改变d/p的比值，从而测量该比值与驱动线数之间的关系。驱动线数为无干扰出现条件下可驱动扫描线的最大数目。例如，在显示包括四线汉字字符的液晶显示装置中，需要64条以上的驱动线。比值d/p越大，则液晶分子的扭转程度越高。
测量结果如图6所示。从图6中可明显看出，驱动线数随比值d/p的增加而逐渐增加，而当比值d/p越过3/4时又突然下降。因此可以理解，通过将比值d/p设置在大于或等于1/4且小于3/4的范围内可有效地实现具有多驱动线大显示容量的显示装置。
因此，为了增强对比度，可增加Δn·P。但是，当Δn·P增加时，应增加d，因为有必要防止d/p的减小。因此，当Δn·P为5μm以上时，d显著地增加从而必要电压不适当地增加。
测量了在改变校正膜16取向轴与四分之一波晶片24光轴之间夹角情况下对比度的变化。比值d/p设置为0.5。测量结果如图7所示。参考图7，纵轴表示相对对比度。
从图7显而易见，当该取向轴与光轴之间的夹角为45°时对比度得到最充分的增大。
类似地，测量了在改变液晶中双色颜料添加量情况下对比度的变化。比值d/p设置为0.5。从图8显而易见，在以重量计5％以下该添加比率越大，对比度的增加越有效，但比率越过5％以后对比度则会下降。
尽管根据本发明的反射液晶显示装置具有极低的功率消耗，但由于不使用极化板，它却具有较亮的屏幕显示和增强的对比度。
另外，由于液晶分子可迅速驱动，响应速度得到增加，且可实现积累施加电压的累积驱动，从而该液晶显示装置可适用于动画显示。

Claims (4)

1.反射液晶显示装置包括：显示衬底和背衬底，其各自具有电极并以一定距离相对而置；置于该显示衬底与背衬底之间的液晶层，它由加有双色颜料的向列液晶组成；置于该背衬底之上的反射板；以及位于该反射板与液晶层之间的四分之一波晶片，其中液晶的扭距P与该衬底间距离d的乘积满足下列关系式：1/4≤d/p＜3/4。
2.根据权利要求1的反射液晶显示装置，其中该背衬底液晶取向轴与该四分之一波晶片光轴之间的夹角为45°。
3.根据权利要求1的反射液晶显示装置，其中该反射板为镜面反射板，且在该显示衬底上置有光散射层。
4.根据权利要求1的反射液晶显示装置，其中折射率各向异性Δn与扭距P满足下列关系式：1/μm≤Δn·P≤5μm。
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