CN111240076B - 透明显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了透明显示装置，该透明显示装置包括：对盒设置的第一基板与第二基板；设置在第一基板与第二基板之间的液晶层；第一电极，设置在第一基板靠近第二基板的一侧；第二电极，设置在第二基板靠近第一基板的一侧；全反射层，设置在第一基板与第一电极之间；并且，透明显示装置由多个子像素单元排布而成，在每个子像素单元中，第二基板与第二电极之间设置有同层设置的平板反射层、黑矩阵层和楔形反射层，且全反射层具有开口。本发明所提出的透明显示装置，利用盒内反射的方式不仅能实现无偏振片的显示功能，还可进一步降低液晶盒厚，从而节省器件的制作成本，并提升响应时间并降低驱动电压。

Description

透明显示装置
技术领域
本发明涉及透明显示技术领域，具体的，本发明涉及透明显示装置。
背景技术
液晶显示器(LCD)作为目前大规模使用的显示器件类型，具有色域高、轻薄化、响应时间快等一系列的优点，且在理论研究以及实际工艺方面都有着成熟的技术。随着LCD技术的成熟也带来应用场景的扩展，例如透明显示、反射显示、头戴显示、指向显示等多种不同的显示模式和显示场景相继被实现。
其中，透明显示器件在车挡风玻璃、透明冰箱门等家用电器以及镜子等传统玻璃应用的场景中都可以得到使用，因此，透明显示具有广泛的应用潜力。只不过，现有的透明显示器件的透明度以及光学效率并不满足市场的需求，并且液晶层的盒厚也较厚，从而造成响应时间的延长。
发明内容
本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
本发明人在研究过程中，设计一种透明显示装置的结构，从全反射层的开口进入液晶层的光线，在平板反射层的表面、全反射层与液晶层的表面上都会发生反射，照射到黑矩阵层上被吸收而使透明显示装置呈暗态，或者照射到楔形反射层上被垂直出射而使透明显示装置呈亮态，从而利用盒内反射原理实现光路的调控，从而在无偏振片的设计下也能实现显示功能，进而使透明显示装置的透明度和光学效率都更高。同时，利用盒内反射的方式可以进一步降低液晶盒厚，从而节省器件的制作成本，并提升响应时间并降低驱动电压。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种透明显示装置。
根据本发明的实施例，所述透明显示装置包括：第一基板；第二基板，所述第一基板与所述第二基板对盒设置；液晶层，所述液晶层设置在所述第一基板与所述第二基板之间；第一电极，所述第一电极设置在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧；第二电极，所述第二电极设置在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧；全反射层，所述全反射层设置在所述第一基板与所述第一电极之间；并且，所述透明显示装置由多个子像素单元排布而成，在每个所述子像素单元中，所述第二基板与所述第二电极之间设置有同层设置的平板反射层、黑矩阵层和楔形反射层，且所述全反射层具有开口。
本发明实施例的透明显示装置，从全反射层的开口进入的光线，在平板反射层的表面、全反射层与液晶层的表面上都会发生反射，可能被黑矩阵层被吸收或者被楔形反射层反射而垂直出射，如此，利用盒内反射的方式不仅能实现无偏振片的显示功能，还可进一步降低液晶盒厚，从而节省器件的制作成本，并提升响应时间并降低驱动电压。
另外，根据本发明上述实施例的透明显示装置，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述开口在所述第二基板上的正投影与所述平板反射层、所述黑矩阵层和所述楔形反射层在所述第二基板上的正投影都不重合。
根据本发明的实施例，所述黑矩阵层设置在所述平板反射层与所述楔形反射层之间。
根据本发明的实施例，所述全反射层的材料折射率小于所述第一基板的材料折射率、所述液晶层的材料折射率。
根据本发明的实施例，所述开口的截面形状包括倒梯形，且所述开口中填充有机树脂层，形成所述有机树脂层的材料为透明的。
根据本发明的实施例，所述有机树脂层的宽度小于所述黑矩阵层的宽度。
根据本发明的实施例，所述透明显示装置进一步包括：光源，所述光源设置在所述第一基板的侧面，且所述光源发出光线的入射角为54°～75°。
根据本发明的实施例，相邻的两个所述子像素单元之间可以设置有挡墙，且所述挡墙设置在所述第一电极与所述第二电极之间，且形成所述挡墙的材料与形成所述黑矩阵层的材料相同。
根据本发明的实施例，每个所述子像素单元中包括多个同层且间隔设置的所述平板反射层。
根据本发明的实施例，所述液晶层的厚度小于5微米。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：
图1是本发明一个实施例的透明显示装置的截面结构示意图；
图2是本发明另一个实施例的透明显示装置的截面结构示意图；
图3是本发明另一个实施例的透明显示装置的亮态下光线b1的光路示意图；
图4是本发明另一个实施例的透明显示装置的暗态下光线b2的光路示意图；
图5是本发明另一个实施例的透明显示装置的截面结构示意图；
图6是本发明另一个实施例的透明显示装置的截面结构示意图；
图7是本发明一个实施例的开口201位置示意图；
图8是从有机树脂层到黑矩阵层的三种光路示意图。
附图标记
100 第一基板
200 全反射层
201 开口
220 有机树脂层
300 第一电极
400 液晶层
500 第二电极
600 第二基板
710 平板反射层
720 黑矩阵层
730 楔形反射层
740 平坦化层
800 挡墙
900 光源
901 LED
902 灯罩
903 偏振层
11 数据线
12 栅线
13 TFT
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种透明显示装置。
根据本发明的实施例，参考图1，透明显示装置包括第一基板100、全反射层200、第一电极300、液晶层400、第二电极500和第二基板600；其中，第一基板100与第二基板600对盒设置；液晶层400设置在第一基板100与第二基板600之间；第一电极300设置在第一基板100靠近第二基板600的一侧；第二电极500设置在第二基板600靠近第一基板100的一侧；全反射层200设置在第一基板100与第一电极300之间；并且，透明显示装置是由多个子像素单元A排布而成的，在每个子像素单元A中，第二基板600与第二电极500之间设置有同层设置的平板反射层710、黑矩阵层720和楔形反射层730，且全反射层200具有开口201。
本发明的发明人发现，对于竖直电场驱动液晶形成的液晶盒，扭曲向列型(TN)模式的响应时间受电场强度E影响，而电场强度E＝U/d，其中，U为驱动电压，d为液晶盒厚度，所以，液晶盒厚度d越低则响应时间就越快。因此，发明人在透明显示装置中增设全反射层200和平板反射层710，利用光线在液晶盒内多次反射的方式，有效地使液晶盒厚缩小到三分之一倍以下，从而显著节省器件的成本，并且，同时还可降低驱动电压等。
在本发明的一些实施例中，开口201在第二基板600上的正投影与平板反射层710、黑矩阵层720和楔形反射层730在第二基板600上的正投影可以都不重合，如此，参考图2，第一基板100中的光线从开口201进入到液晶层400中，在平板反射层710靠近液晶层400的表面发生反射、再在全反射层200靠近液晶层400的表面发生全反射，从而利用盒内反射的方式有效地降低液晶盒厚，从而节省透明显示装置成本的同时，还不影响器件的显示性能。
在本发明的一些实施例中，参考图2，黑矩阵层720可以设置在平板反射层710与楔形反射层730之间，如此，原本照射到楔形反射层730上而被垂直出射的光线(图2中的实线箭头所示)，通过液晶层400的偏转会照射到黑矩阵层720上而被吸收，从而在第一电极300与第二电极500对液晶层400的电控制下，实线现透明显示装置的无偏振片显示功能，从而使大量的环境光透过透明显示装置，进而使透明显示装置的透光率更高。
具体的，竖直电场驱动液晶的初始取向为平行于纸面且预倾角为0～2°，且在不加载电压信号的条件下，参考图3，液晶分子401不受电场力作用而保持初始取向，如此，光线b1入射到液晶层后，由于光线的传播方向与液晶长轴方向的夹角较小，因此，液晶折射率近似为no，在液晶层与第一电极300的界面处不发生角度偏折，所以光线b1照射到平板反射层710上后再次反射至全反射层200，在液晶层与全反射层200的界面处发生全反射后，最后照射到楔形反射层730上，楔形金属层730反射光线并使光线垂直地从面板出射，从而实现亮态显示状态。
此外，竖直电场驱动液晶在第一电极300施加像素电压Vpixel且第二电极500施加公共电压Vcom的条件下，参考图4，液晶分子401在电场作用下而竖起，且液晶分子长轴与光线的夹角较大，折射率近可以似为ne，所以，光线在液晶层与第一电极300的界面处发生偏折，折射后的光线b2经过平板反射层710的反射以及全反射层200的全反射后，照射到黑矩阵层720上而被吸收，从而实现暗态显示状态。
根据本发明的实施例，全反射层200的材料折射率可以小于第一基板100的材料折射率，且全反射层200的材料可以小于折射率液晶层400的材料折射率，具体例如形成全反射层200的材料可以选择折射率为1.25的低折射材料，形成第一基板100的材料可以选择折射率为1.5的玻璃，且形成液晶层400的材料可以选择常光折射率(no)为1.5且非常光折射率(ne)为1.8的垂直电场驱动液晶。如此，光线以大角度入射到全反射层200靠近液晶层400的表面会发生全反射，且根据全反射公式n1*sinθ≥n2*sin90°，可以计算出玻璃与空气的全反射角为42°，而玻璃与低折的全反射角为54°，因此，玻璃中光线入射角需要满足大于54度才可发生全反射。
并且，从理论上验证光线全反射的可实现性：光线可以从第一基板100中以θ的入射角入射到液晶层400中，玻璃基板的折射率为1.5，形成全反射层的低折射材料的折射率为1.25，而暗态和亮态分别对应的折射角分别为θ1和θ2，且平板反射层710不会改变光线的角度。因此，向下传播的光线在全反射层的表面发生全反射的折射条件需满足：1.5*sinθ＝no*sinθ1＝ne*sinθ2>1.25*sin90°。
在一些具体示例中，黑矩阵层720可以与楔形反射层730接触，且楔形反射层730靠近黑矩阵层720的厚度小于楔形反射层730远离黑矩阵层720的厚度，如此，可减少透明显示装置的背面漏光问题，且使透明显示装置的光效更高。
在一些具体示例中，形成平板反射层710和楔形反射层730的材料可以包括金属，且形成黑矩阵层720的材料为黑色树脂，如此，金属材料形成的平板反射层710和楔形反射层730的反射率更高，且黑色树脂形成的黑矩阵层720吸收率更高。
根据本发明的实施例，参考图2，透明显示装置可以进一步包括光源900，光源900设置在第一基板100的侧面，且光源900发出光线的入射角可以为54°～75°，如此，光源900发出的光线可以在玻璃材料的第一基板100中全反射传播，并从开口201进入液晶层300中实现显示控制功能。在本发明的一些实施例中，参考图2，光源900可以包括LED 901、灯罩902和偏振层903，如此，LED 901发出的光经过灯罩902的反射，以一定的入射角通过偏振片903的起偏后进入第一基板100中。在一些具体示例中，对于入射角为75°的光线，楔形反射层730的底角可以设置成37.5°，如此，可使照射到楔形反射层730上的光线更垂直地从面板出射。
根据本发明的实施例，参考图2，相邻的两个子像素单元之间还可以设置有挡墙800，且挡墙800设置在第一电极300与第二电极500之间，且形成挡墙800的材料可以与形成黑矩阵层720的材料是相同的，即黑色树脂。如此，对于存在液晶散射或膜层散射的实际情况容易造成像素之间串扰的问题，可以在子像素单元之间增设黑色的挡墙(BPS)800，用来吸收这部分散射光线，从而可以起到支撑液晶盒厚的作用，又可以吸收串扰光线，并降低像素间的串扰值。
根据本发明的实施例，参考图2，开口201的纵截面形状可以为倒梯形，且开口201中还可以填充有机树脂层220，并且，形成有机树脂层220的材料可以为透明的。如此，采用折射率为1.5的透明有机树脂填充在取光口中，可以使光线只能从全反射层200的开口201位置进入液晶层400，且透明有机树脂的折射率与液晶材料的常光折射率相近，从而使光线在液晶层400与第一电极300的界面处发生角度偏折的概率更小。根据本发明的实施例，参考图7，开口201的位置可以紧邻数据线11或者紧邻薄膜晶体管(TFT)的边缘设置。
根据本发明的实施例，有机树脂层220的宽度可以小于黑矩阵层720的宽度，且楔形反射层730的宽度可以等于有机树脂层220的宽度，而平板反射层710的宽度可以大于有机树脂层220的宽度，如此，可保证穿过有机树脂层220进入液晶层400的光线都照射到平板反射层710上，并保证照射到黑矩阵层720上的光线被完全吸收，而照射到楔形反射层730上的光线被反射。
根据本发明的实施例，参考图5，每个子像素单元A中也可以包括多个同层且间隔设置的平板反射层710，如此，从开口201进入液晶层的光线依次在多个平板反射层710上发生多次反射。根据本发明的实施例，参考图6，每个子像素单元A中只包括一个平板反射层710，但是，平板反射层710的宽度可以是黑矩阵层720或楔形反射层730的宽度的N倍，如此，从开口201进入液晶层的光线在宽度较长的平板反射层710上发生多次反射。
具体的，参考图8，从有机树脂层220入射的光线如果不经过反射直接照射到黑矩阵层720时所需的盒厚为H，如果在平板反射层经上过一次反射时所需的盒厚为1/3H，如果在平板反射层经上过四次反射时所需的盒厚仅为1/9H。所以，说明反射次数越多则液晶盒厚越低，且当经过n次反射时，液晶盒厚降为1/(2n+1)H，并且，增加反射次数并不会使光走过的路线变长，也就不影响最后光线的发散角和光斑宽度等特性，所以黑矩阵层720的长度也无需发生变化。如此，经过一次以上的反射可使液晶层400的厚度降至5微米以下。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种透明显示装置，从全反射层的开口进入的光线，在平板反射层的表面、全反射层与液晶层的表面上都会发生反射，可能被黑矩阵层被吸收或者被楔形反射层反射而垂直出射，如此，利用盒内反射的方式不仅能实现无偏振片的显示功能，还可进一步降低液晶盒厚，从而节省器件的制作成本，并提升响应时间并降低驱动电压。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种透明显示装置，其特征在于，包括：
第一基板；
第二基板，所述第一基板与所述第二基板对盒设置；
液晶层，所述液晶层设置在所述第一基板与所述第二基板之间；
第一电极，所述第一电极设置在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧；
第二电极，所述第二电极设置在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧；
全反射层，所述全反射层设置在所述第一基板与所述第一电极之间；
并且，所述透明显示装置由多个子像素单元排布而成，在每个所述子像素单元中，所述第二基板与所述第二电极之间设置有同层设置的平板反射层、黑矩阵层和楔形反射层，且所述全反射层具有开口，
自所述全反射层的开口在所述第二基板上的正投影指向所述楔形反射层的方向上，所述平板反射层、黑矩阵层和楔形反射层依次排布，
所述第一基板中的光自所述开口处入射至所述液晶层，所述光在所述液晶层与所述第一电极的界面处发生偏折时，折射后的所述光经所述平板反射层的反射以及所述全反射层的全反射后照射至所述黑矩阵层上，
所述光在所述液晶层与所述第一电极的界面处不发生角度偏折时，所述光照射至所述平板反射层后反射至所述全反射层后照射至所述楔形反射层上，所述楔形反射层反射所述光并使所述光垂直地从面板出射。
2.根据权利要求1所述的透明显示装置，其特征在于，所述开口在所述第二基板上的正投影与所述平板反射层、所述黑矩阵层和所述楔形反射层在所述第二基板上的正投影都不重合。
3.根据权利要求1所述的透明显示装置，其特征在于，所述全反射层的材料折射率小于所述第一基板的材料折射率、所述液晶层的材料折射率。
4.根据权利要求1所述的透明显示装置，其特征在于，所述开口的纵截面形状包括倒梯形，且所述开口中填充有机树脂层，形成所述有机树脂层的材料为透明的。
5.根据权利要求4所述的透明显示装置，其特征在于，所述有机树脂层的宽度小于所述黑矩阵层的宽度。
6.根据权利要求1所述的透明显示装置，其特征在于，进一步包括：
光源，所述光源设置在所述第一基板的侧面，且所述光源发出光线的入射角为54°~75°。
7.根据权利要求1所述的透明显示装置，其特征在于，相邻的两个所述子像素单元之间可以设置有挡墙，且所述挡墙设置在所述第一电极与所述第二电极之间，且形成所述挡墙的材料与形成所述黑矩阵层的材料相同。
8.根据权利要求1所述的透明显示装置，其特征在于，每个所述子像素单元中包括多个同层且间隔设置的所述平板反射层。
9.根据权利要求1所述的透明显示装置，其特征在于，所述液晶层的厚度小于5微米。
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