CN1103960A - 液晶显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源矩阵液晶显示器件，该器件 基于液晶单元双折射(负或正)的电压控制(非零驱动 电压)。在此器件中，接地板由一片覆有诸如铟锡氧 化物等透明导电涂层(f)的玻璃(e)构成。在上面制 作了集成电路的硅大圆片(g)上覆有一聚合物涂层 (h)，用以调整液晶分子(i)的排列。已覆有透明导电 层的玻璃(e)也有一涂层(i)，用来调整液晶分子的排 列。

Description

本发明涉及一种反射显示器件，特别涉及基于有源矩阵控制的一类器件或者诸如液晶等电光材料的显示器。显示器可以制作在基于单晶硅大圆片的集成电路上。

市售的有源矩阵显示器通常基于光的透射。它们是由电压来控制其中每个单独象素的透光的矩阵器件。通常这些有源矩阵液晶显示器在透光的控制方面基于液晶的扭曲向列（TN）效应，而在单个象素的透光状态控制方面则基于薄膜晶体管（TFT）。TFT可以用诸如多晶硅、非晶硅或硒化镉一类材料制成。

这些有源矩阵显示器件的原理如下：首先将入射光通过一偏振器而成为偏振光，然后送入由许多个象素构成的液晶单元。当没有电压施加在象素上时，入射光的偏振矢量由于TN效应而被液晶分子所转动。可用放在液晶单元输出端处的偏振器来使光透过（常通）或阻断（常断）。当把一适当的电压施加于象素时，TN效应消失，而光的偏振不变。因此，输出偏振器将根据器件分别是常通还是常断而把光阻断（断）或透过（通）。每个象素可通过对跨接其二端电压的有源控制而得以独立地通或断。借助提供中间大小的电压还能达到改变灰度的目的。所有这样一些有源矩阵显示器都必定基于玻璃衬底以及透射方式的功能。把偏振器放在液晶板的前面和后面。一些显示器依靠放在液晶板后面的镜子来观察从镜子的反射。然而液晶的工作方式仍然是透射而非反射。

通过控制每个象素上晶体管的电信号，可以对显示器矩阵作有源控制。此外，为控制对每个象素上电脉冲的定时和扫描，还需要电子驱动电路。虽然TFT适于控制象素的透光状态，但却不合于有源矩阵显示器的驱动器部分的需要。最重要的原因是，TFT乃基于制作在玻璃衬底上的半导体薄膜，而为了在制作时有较高的成品率，需要特殊的加工工艺。TFT集成电路也不易采用标准的超大规模集成（VLSI）电路设计工具来设计，原因在于TFT的电流-电压特性不同于制作中单晶硅上的那些晶体管的电流-电压特性。

为在单晶硅大圆片上制作高质量的晶体管和电路来取代在玻璃衬底上制作的TFT，已经做了许多尝试。Lipton等人在1978年描述了基于晶状硅的有源矩阵液晶显示器。利用来自液晶中的动态光散射作为它的显示机制。当象素上没有电压时，光能透过。当加上电压时，液晶变混浊而使入射光散射。令人遗憾的是，这种器件的反差和透光效率都很差。Yamasaki等人描述了一种以单晶硅为基片的器件，其中显示乃基于掺染料液晶中的客-主效应（guest-host effect）。在这种显示器中，染料的吸收系数取决于染料分子的取向。这些客分子倾向于使它们的排列调整到与液晶主分子的取向相同。因此，客/主组合物的吸收可由所施加的电压来加以控制。

由于聚合物分散液晶的发明，近来又再度提出了显示器的动态散射概念。分散在聚合物薄膜中的液晶微滴可具有很高的散射效率，而在通（无散射）和断（有散射）两个状态之间有很高的反差比（contrast ratio）。因而这是在晶状硅上提供有源矩阵显示器的一种有潜在重要性的工艺。1990年Drzaic等人描述了一种基于这种聚合物分散液晶的反射式有源矩阵液晶显示器。然而，这种工艺也有一些缺点，诸如液晶聚合物的稳定性问题以及需要用较高的电压来使这种显示器工作等。后一要求的原因仅在于不能把聚合物膜做得如同有源矩阵液晶显示器中的液晶膜一样厚（数个微米）。而对液晶分子排列的调整，重要的正是电场（电压除以厚度）。

按照本发明的第一个方面，提供一图象显示用电-光装置，它由一具有多个象素的可调双折射显示单元组成，而这些象素是以反射方式工作，并可进行有源矩阵控制的显示元件，由此入射电磁能量通过单元多次，而单元中每个象素的通/断状态需一非零的驱动电压。

可以提供使光二次通过单元的手段。这是一种对于入射光的有效利用，当该手段可能包含有例如铝制金属电极的反射器时尤其如此。铝是相对便宜但却有效的材料。

单元可以包含一硅芯片，相适应的是单晶硅单元。

按照本发明的第二个方面，提供一包括上述装置在内的有源液晶显示器件。

该器件可以包含有多个偏振器，每个偏振器适于在多个波长上产生多个线偏振的入射光束。

可以有一种适于产生线偏振入射光束的偏振器;相应地该偏振器可以包含有一个或多个棱镜，特别是构成立方体的二个棱镜。

另一种做法是偏振器可以包含有一片状或薄膜偏振器。

一种更可取的做法是，把电压加至显示单元，而使装置适于在非双折射状态下工作。

可以具有提供彩色显示器的手段，特别是包含有一个或多个滤色器的手段。

为调整液晶分子排列，可以具有一聚合物涂层。

该器件可以包含有一个或多个用晶状硅作基片的液晶单元。这是一种相对较容易制造的器件。

可以有一个接地电极，它可以由带有透明导电涂层的玻璃片组成，与之相适合的是铟锡氧化物涂层。

显示器件可以包括一光源在内。

将会明白，本发明可以扩充为包括上述有源矩阵显示器件在内的仪器。

因此，在本发明中，是利用线性电-光效应来提供显示的。在一较佳实施例中，采用晶状硅作为衬底来在其上制造出所有象素控制晶体管以及驱动电路。这个显示器可与任何具有依赖于电压的双折射特性的电-光材料一起工作。液晶具有对电场依赖很强的双折射特性。在本发明中液晶并不象在通常的TN方式显示器中那样取向排列。而代之以在整个显示范围中，将分子大体上都恰好平行排列。这样，液晶单元的行为如同双折射线性电-光器件。这种显示器的工作基于入射光束沿二正交偏振方向上相位滞后的差值。若将入射光束如此进行线偏振，使电场矢量与液晶单元的快（非常光）轴和慢（寻常光）轴成45度角，则出射光束在这些快轴和慢轴之间将有相位滞后差值。可以证明，对于线性电-光器件，在快轴和慢轴分量之间的相位滞后可下由给出：

Q＝2П（ne（v）-no）d/λ式中ne（v）是液晶的与电压有关的非常光折射指数，而no是液晶的寻常光折射指数，d是液晶单元的厚度，而λ则是波长。因此，通过施加电压来控制液晶的双折射，可以操纵出射光束的偏振，以提供通/断状态以及多个灰度。举例来说，使光一次通过单元时给出90度（或270度等等）相位滞后差的电压（它可以是零）将意味着，当从液晶单元反射时，将使光束的偏振矢量转过90度。这个光束能够透过与前一个偏振器正交的偏振器。这是液晶单元/象素的“通”状态。当一电压给出180度（或360度等等）的相位滞后差值时，反射光束的偏振将保持不变，而与前一个偏振器正交的偏振器将阻止该光束进一步透过。这是象素的“断”状态。借助控制跨接于象素两端的电压来适当地选择双折射，就能获得通过整个系统的任何透过值。

因此，反射液晶显示器基于线性电-光效应。称它为反射是因为当从液晶单元一侧反射时，光通过液晶单元多次，合适的是二次。由于采用晶状硅作为衬底，情形必须如此。不象以玻璃作基片的有源矩阵液晶显示的那样，光不可能透过硅片。然而，在此系统中，有诸如偏振器和透镜一类透光的光学元件。采用晶状硅衬底的道理现在很清楚。控制与保持每一单个象素的电压用晶体管可以是作在硅芯片上高质量的金属一氧化物半导体（MOS）晶体管。此外，驱动电路也可以用微制造工艺制作在同一块硅芯片上。这些电路的设计也与通常VLSI电路的设计规则和工具相容。象素也可作得很小，以致于包括显示器矩阵和驱动电路在内的整个芯片尺寸可以非常小，且具有高的分辨率。该显示器可以或直接观察，或者投影到一屏幕上。根据驱动电路的不同，可用这种显示器显示不同类型的图象信息。举例来说，可以用它来显示电视图像，作计算机的终端，或者任何其他类型的图象显示。

由于显示器基于线性电-光效应，因此除了液晶以外，也可以采用其他类型的电-光材料。这里提到液晶，仅仅是作为本发明的一个方便的实施例而已。其他可以被采用的电-光材料包括（但不限于）钛酸铅镧锆（PLZT）、钛酸钡（BaTiO₃）和许多其他透明的金属氧化物。

参看附图，下面以举例的方式描述实施本发明的一种有源矩阵显示器。

图1是按照本发明显示出MOS晶体管和金属电极的有源矩阵显示器的示意图;

图2是一显示出各个材料层的象素剖面图;

图3是一光学布置的较佳实施例;

图4是图3较佳实施例的变化;而

图5是图3实施例的另一种变化。

参考这些图，可以看出诸如图象显示用液晶单元一类电-光装置，它包含有一工作于反射方式的可调双折射显示器和一控制元件，入射光藉此穿越液晶单元多次，在本实施例中为二次。如示意图1所示，整个显示器由N×M个象素阵列组成，这里N、M是与计算机终端和电视两者的标准显示分辨率都相容的数目。在本实施例中，这些象素用微电子工艺制作在单晶硅大圆片上。每个象素构成图象显示用装置，并且如图所示具有一用以控制液晶单元两端电压的MOS晶体管“a”。MOS晶体管的源极“b”加有电脉冲，其电压决定了跨于该象素液晶单元两端的电压。MOS晶体管的栅极“c”也由使晶体管通或断的电脉冲来驱动。由于栅极和源极脉冲具有时序的，因此显示器可以逐行扫描。一略小于象素尺寸并与MOS晶体管的“漏”极相连的金属压脚“d”用作液晶象素的电极。这种金属可以是铝或与微制造工艺和其他材料相容的任何其他金属。在这一金属压脚“d”和接地板之间的液晶构成了显示单元（象素）。如图2所示，接地板由一具有诸如铟锡氧化物（ITO）等透明导电涂层“f”的玻璃“e”组成。在上面制作有集成电路的硅大圆片“g”上有一层聚合物涂层“h”，用以调整液晶分子“i”的排列。涂有ITO的玻璃也有一层调整液晶分子排列的聚合物涂层“j”。在本实施例中，如此来对调整聚合物摩擦，使得当单元上没有施加电压时，所有的液晶分子都彼此调整到互相平行排列，图2中示意地画出这种线性排列。

图3示出按本发明典型较佳实施例中液晶显示器件的光路。该图示出以单晶硅作为基片的液晶单元“k”。金属压脚“d”的作用对于光而言犹似一面镜子。光源“l”可以是卤素灯（或任何其他的明亮光源）。在本实施例中，采用一立方形棱镜偏振器“m”，使光源的光经过它反射出来而变为线偏振光，并垂直地照射到液晶显示器上。光是这样偏振的，俾使与液晶分子的排列方向成45度角。当从金属压脚“d”上反射时，允许光进入同一个立方形偏振器“m”。如对光的偏振状态未作更改，则光将被偏振器反射，并沿路径（A）返回光源。如将光的偏振旋转90度，则光将通过偏振器并进入路径（B）。路径（B）是显示器的观察方向。于是可直接观察该光，或用一适当的投射机构（图中未示出）把光投影到一屏幕上。

对于宽带光源，可能需要一滤色器“n”。另一种做法是，借助涂覆技术可把滤色器结合进液晶单元。为了输出所要的颜色，可能需要把红色、绿色和兰色象素复合在同一显示器上，或用三个分立的显示器。

可以看到，示于图3的实施例可以有多种变化。这样，图4和图5表示可能的光路设计方案以获得显示功能。

图4基本上类似于图3中的实施例。

图5示出一可以利用周围光的实施例。它需要一个放在液晶单元上的薄膜偏振器“p”。在这一情形中，进出液晶单元的输入和输出光束在“通”状态下应具有相同的偏振。图3和图4的实施例适于投影显示，而图5的实施例更适合于在周围光照明下作直接观察。

将会明白，利用本发明将光的偏振加以巧妙处理以产生出显示效果。为了提供显示效果，要改变光强。光偏振器是装置的一个必要组成部分。因此，为做到这一点，各个象素的“通”状态和“断”状态两者都需要非零的驱动电压。用另外一种方式来说，本发明在所有时刻对“通”状态和“断”状态两者都需要电压控制。这样，本发明对于正双折射和负双折射都能良好的工作。

在所有的实施例中，将液晶分子的排列层作反平行摩擦，因此在零电压时，液晶分子大体上与单元的壁平行。当加上电压时（在所有时刻），液晶分子斜向同一方向。

这样，采用参考附图在这里描述的器件，可以提供：

1.一种基于液晶单元双折射电压控制的有源矩阵液晶显示器件，该单元带有控制各个象素通/断状态的晶体管。透过器件的光的偏振状态可以由施加于各个象素的电压加以改变。可将显示器件制作在单晶硅大圆片上，在该器件中可以有全在单个硅芯片上的用来对各个象作有源控制的所有晶体管连同所有驱动电路以及电压控制、扫描和定时用集成电路。有源矩阵显示器的每个象素含有一做在硅衬底上的反射光用的金属电极。显示器基于光的反射，而由于光要从每个象素的金属电极反射，因此光必须两次透过液晶单元。

2.对于这种显示器可以采用线性电-光材料。特别可以采用液晶。

3.显示的图象可以直接观察，或者投影在屏幕上作大面积显示。

4.当进行投影显示而需要一光源时，可以采用外部的光学装置来形成输入光束。可以采用周围光以供直接观察显示。

5.用一立方形棱镜偏振器来产生进入显示器件的线偏振光束，并同样用它来选择适当的偏振输出光束以供显示。

6.为获得显示也可以采用片状偏振器。

7.将所述显示器制作在晶状硅大圆片上。将大园硅片设计成具有象素矩阵，而每个象素可以通（亮）或断（暗），或者处于二者之间的任何亮度。

8.显示器可以具有任何一种颜色。

9.为提供多色图象，可以把具有红色、绿色和兰色的三个这样的显示器组合起来使用。

10.可以对显示器的象素作彩色排列，以便在一个显示器件中就能够得到多色图象。

Claims (21)

1、一种图象显示用的电-光装置，其特征在于，该装置有一含多个象素的可调双折射显示单元，该单元是以反射方式工作，并可进行有源矩阵控制的显示系统，采用它可使入射电磁能量多次透过单元，其特征还在于，各单个象素的通/断状态需要一非零的驱动电压。

2、按照权利要求1的一种装置，其特征在于，通过对单元施加电压，该装置可以在非双折射状态下工作。

3、按照权利要求1或2的一种装置，其特征在于，包含有液晶显示的显示器。

4、按照任何一款前述权利要求的一种装置，其特征在于，提供使入射光能量透过单元二次的手段。

5、按照权利要求4的一种装置，其特征在于，包含一金属电极反射器手段（d）。

6、按照权利要求5的一种装置，其特征在于，包含有铝的金属电极反射器手段（d）。

7、按照权利要求6的一种装置，其特征在于，由硅芯片承载的液晶板。

8、一种有源矩阵液晶显示器件，其特征在于，它是按照前述任一项权利要求的一种装置。

9、按照权利要求8的一种显示器件，其特征在于，采用适于产生线偏振入射光束的偏振器。

10、按照权利要求9的一种显示器件，其特征在于，采用多个偏振器，而每个偏振器适于产生多个波长上的多个线偏振于射光束。

11、按照权利要求9或10的一种显示器件，其特征在于，偏振器包含有一个或多个棱镜。

12、按照权利要求11的一种显示器件，其特征在于，偏振器包含有二个棱镜以构成一个立方体。

13、按照权利要求9的一种显示器件，其特征在于，偏振器包含有一片状或薄膜偏振器。

14、按照权利要求8至13任一款的一种显示器件，其特征在于，提供彩色显示的手段。

15、按照权利要求14的一种显示器件，其特征在于，彩色显示手段包含有一个或多个滤色器。

16、按照权利要求8至15的任何一款的一种显示器件，其特征在于，它用涂层来调整液晶分子排列。

17、按照权利要求8至16的任何一款的一种显示器件，其特征在于，它用一个或多个以晶状硅作基片的液晶单元。

18、按照权利要求8至17的任何一款的一种显示器件，其特征在于，有一个接地板，它由带有透明导电涂层的玻璃片组成。

19、按照权利要求18的一种显示器件，其特征在于，导电涂层包含有铟锡氧化物涂层。

20、按照权利要求1至7任何一款的一种装置或者按照权利要求8至9任何一款的一种显示器件，其特征在于，它带有光源。

21、一种仪器，其特征在于，它包含按照权利要求7至19任何一款的有源矩阵显示器件。