CN1164041A - 彩色液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

一种彩色液晶显示装置，包括一个具有多个第一电极的第一基片，一个和第一基片相对设置并具有至少一个和第一电极相对的第二电极的第二基片，第二电极设置在和第一基片相对的一个表面上，及一种含有一种二向色染料和一种手性材料并密封在第一和第二基片之间的液晶材料。多个荧光层对应于第一和第二电极相对的部分定义的象素区放置。对应于各荧光层，用以反射透过各个荧光层的光的下涂白色的层形成在与荧光层的光入射侧的表面的相对侧上。

Description

彩色液晶显示装置

本发明关于一种液晶显示装置，特别是关于一种使用含有一种二向色染料的手性向列液晶的彩色液晶显示装置。

在一个TN型有源矩阵液晶显示装置中，外部入射的光由偏振片中的一个线性偏振，并入射到液晶层上。在透过液晶层的光中，只有平行于另一偏振片的透射轴的分量能从其中射出。由于这个原因，在偏振片中的光吸收导致的光损耗较大，结果导致屏幕发暗。这个问题在一个具有一个放置在装置的后表面侧的反射板的反射型液晶显示装置中尤其显著。

更具体地，反射型液晶显示装置通过自然光或室内照明光进行显示操作。即，装置使用的只是弱光。此外，入射到液晶显示装置的前表面侧的光两次通过偏振片对，直至光由反射板反射，并从前表面侧射出。由于这个原因，光损失较大，而屏幕变得相当昏暗。

在一个使用一个安置在后表面侧的背侧光的透射液晶显示装置中，入射到后表面侧的光，一次通过一对偏振片中每一个，直至光从前表面侧出来。由于这个原因，在透过液晶显示装置中的光损失小于在反射液晶显示装置中的光损失。然而，屏幕的亮度只是来自背侧照明光亮度的1/2或更小。

一个传统的彩色液晶显示装置使用滤色器来吸收透射光中具有除了一个特定波长范围外的波长的光成分以使透射光成为彩色光，从而显示一个彩色图象。然而，由滤色器吸收的光量较大。特别是在一个反射液晶显示装置中，由于光两次透过滤色器，显示变得相当昏暗。

即，在使用滤色器的液晶显示装置中，尤其会出现一个暗显示的问题。

作为一个用以显示明亮彩色图象的液晶显示装置，一种使用液晶的双折射特性的双折射控制液晶显示装置为人熟知。在这种双折射控制液晶显示装置中，通过对液晶施加一个电场，液晶分子的取向发生改变。此时，通过利用在液晶单元的双折射中的变化进行彩色显示。然而，在这种双折射控制液晶显示装置中，由于显示颜色和灰度级都随所加电压的变化而变化，难于实现一个全色彩显示。

为了解决这些问题，已经提出一种使用TFT器件的客-主(guest-host)型反射液晶显示装置。在这种类型的液晶显示装置中，在根据所加电压重新定向的液晶分子中加入一种二向色染料，并使用了一个两色彩的补色滤色器，即兰绿色和红色，因此实现了一个四色的多色显示。然而，由于使用了滤色器，显示仍然较暗。此外，为了实现一个全色彩显示，需要三色的滤色器，例如R，G和B或Y，M和C滤色器，结果导致更暗的显示。

另外，作为解决此问题的一种技术，已经提出了一个基于一个使用向列-胆甾相转换的白色调整(white tailor)模式的液晶显示装置。基于这种模式的液晶显示装置使用一种含有一种二向色染料的液晶。通过控制加到液晶上的电压，向列液晶的取向状态发生改变，而且和液晶分子一起取向的二向色染料的光吸收特性发生改变，因此完成一个显示操作。

然而在传统的客-主型液晶显示装置中，对于施加的电压会出现不连续的光学响应，而且电光特性的滞后作用较大。由于这个原因虽然能完成二色显示但不能完成灰度显示。

此外，液晶的取向被打乱，引起一个条带形式的取向失败。

本发明的一个目的是提供一种能够显示一个明亮的彩色图象的液晶显示装置。

本发明的另一个目的是提供一种使用一种二向色染料的液晶显示装置，其中液晶分子稳定地取向且滞后作用小。

本发明的再一个目的是提供一种使用一种二向色染料的液晶显示装置，其能进行灰度显示。

本发明的又一个目的是提供了一种使用一种二向色染料的反射液晶显示装置，其能提供一个明亮的显示和进行灰度显示。

为了实现上面的目的，根据本发明的第一个方面，提供一个彩色液晶显示装置，包括：一个具有多个第一电极的第一基片；一个和第一基片相对放置，并具有至少一个和第一电极相对的第二电极的第二基片，第二电极安置在和第一基片相对的表面上；对应于由该多个电极定义的象素区设置的多个荧光层；反射装置，相应于各荧光层，放置在各荧光层的光入射表面的相反侧，用以反射透过各荧光层的光，及一种液晶材料，含有一种二向色染料和一种手性材料，并以扭转取向状态封装在第一和第二基片之间。

在本发明中，反射装置较好地是一个下涂白色的层，用以使反射光具有表现出大致平坦的谱分布的光特性。另外，第一基片可由白色材料制成，以使第一基片兼作该下涂白色的层，而第一电极可形成在它上面。

可以任意设置第一电极、反射部件和荧光层的叠置结构。这些部件可以以下面次序中的一种叠置：第一电极——反射部件——荧光层；反射部件——第一电极——荧光层；和反射部件——荧光层——第一电极。另外，第一电极和荧光层可以叠置在基片的一个表面上，而反射部件可以形成在基片的另一表面上。此外，每个第一电极可由一种具有光反射特性的导电薄膜做成，以便也作为一个反射装置。

可通过为荧光层使用用于发射三原色即红、兰、绿中的至少一种的荧光的荧光材料来进行一个多色显示操作。

本发明的彩色液晶显示装置对每一象素使用了一个有源元件，并作为一个有源矩阵型显示装置被驱动。对于每一个有源元件，可以使用一个通过重叠薄膜形成的薄膜晶体管、一个具有二极管特性并通过在导电薄膜之间插入一个绝缘薄膜形成的两端元件(MIM)等等。通过使用这样的有源元件，  可以可靠地显示一个具有很多灰度级的图象。当一个液晶显示装置含有有源元件时，反射装置可由和用于一个栅电极且具有光发射特性的金属膜相同的金属膜做成。此外，当反射装置由导电材料做成，并通过一个绝缘薄膜和第一电极相对放置时，由反射装置和第一电极可形成一个补偿电容。

根据本发明的液晶显示装置，在第一和第二电极之间施加一个电压，以对液晶施加一个电场，从第二基片入射到液晶显示装置的光透过液晶并到达荧光层和反射装置或下涂白色的层。这个入射光被荧光层和反射装置或下涂白色的层反射，再次透过液晶，并从第二基片侧射出。即，从第二基片入射到液晶显示装置的光被反射装置或下涂白色的层有效地反射，并从第二基片侧出射。

该液晶显示装置的透射率增加，而因此可以得到一个明亮的显示图象。

此外，由于本发明的彩色液晶显示装置没有使用偏振片，故用于显示操作的光量较大，可以得到一个明亮的图象。另外，可以增加视角。由于每一荧光层将吸收光的能量转换成具有预定波长的光(荧光)，可以显示一个明亮的图象。

根据本发明的第二个方面，提供了一种彩色液晶显示装置，包括一个第一基片；以矩阵的形式形成在第一基片上的多个有源元件；一个形成在第一基片上覆盖上述有源元件的绝缘膜；以矩阵的形式形成在绝缘膜上，并分别与上述有源元件相连的象素电极；一个和第一基片相对设置的第二基片；一个形成在第二基片的一个和第一基片相对的表面上的反电极；一种含有一种二向色染料和一种手性材料，并以扭转取向状态密封在第一和第二基片之间的液晶材料；及叠置在上述象素电极或反电极上的荧光层。

根据本发明的该彩色液晶显示装置，由于没有使用偏振片，用于显示操作的光量较大，因而可以得到一个明亮的图象。另外，可以增加视角。由于每一荧光层将吸收的光的能量转换成具有预定波长的光(荧光)，可以显示一个明亮的图象。

根据本发明的第三个方面，提供了一种彩色液晶显示装置，包括一对具有形成在其相对表面上的电极的基片，它们已经经过预定的取向处理，且具有预定的单元间隔D设置，而一种手性向列液晶材料密封在这对基片之间，具有一个90度至300度的扭转角θ、含有一种二向色染料并有一个单元间隔D和一个螺旋间距(pitch)P的比值D/P满足θ/2π-1/4＜D/P＜θ/2π。

在这种液晶显示装置中，基片的相对面较好地是经过各向同性的取向处理，并使用一种含有相对于基片表面的预倾斜角为3度至10度的液晶分子的液晶材料。即，使液晶分子具有一个3度至10度的预倾斜角的取向膜和液晶材料，对本发明是最优的。密封在这对基片之间的液晶材料利用一种客—主型手性向列液晶起相位变化型装置的作用。

此外，如果一个反射装置用于本发明的液晶显示装置，这个装置可以作为一种反射型显示装置使用。有源元件可以以构成象素的电极为单位排列使得该显示装置可作为一个有源矩阵型装置来被驱动。

另外，反射装置，例如荧光层和/或下涂白色的层，可以以构成各象素的电极为单位来设置。

根据本发明的液晶显示装置，由于光的吸收和透射可以通过使用二向色染料来控制，可以提供一个明亮的显示图象。因此该装置适于作为一种反射液晶显示装置。

该液晶显示装置的电光特性的滞后作用可以通过设定单元间隔D和螺旋间距P的比值D/P小于θ/2π得到抑制。此外，通过设定比值D/P大于θ/2π-1/4，液晶可以稳定地扭转取向。

泄漏光可以通过把扭转角设定为90度或更大(最好是180度)而得到抑制。如果扭转角被设定为300度或更大，则倾斜角随着所加电压的变化而不稳定地变化。由于这个原因，扭转角θ较好地是设定为90度或更大一些和300度或小些。

此外，通过把液晶分子的预倾斜角设定为大约3度至10度，可以使得液晶分子的倾斜角随着所加的电压的变化而连续地变化，允许显示灰度级的稳定控制。

图1是显示根据本发明的第一实施例的一个液晶显示装置的结构的截面图；

图2是显示在图1中的液晶显示装置中的一TFT基片的结构的平面图；

图3是用来解释图1中的液晶显示装置中的荧光层的功能的截面图；

图4是显示图1中的液晶显示装置中的相反基片的结构的平面图；

图5是显示一个液晶显示装置的液晶分子的取向处理和扭转方向的方向的示意图；

图6A和图6B是用以解释液晶分子和二向色染料的分子的取向状态及透过一个液晶层的透射光的表现的示意图；

图7是显示本发明的第一实施例的一个变形的结构的截面图；

图8是显示本发明的第一实施例的另外一个变形的结构的截面图；

图9A和图9B是显示本发明的第一实施例的其它变形的结构的截面图；

图10是本发明的第一实施例的另外一个变形的结构的截面图；

图11是显示据本发明的第二实施例的一个液晶显示装置的结构的截面图；

图12是显示本发明的第二实施例的一个变形的结构的截面图；

图13是显示本发明的第二实施例的另外一个变形的结构的截面图；

图14是显示本发明的第二实施例的另外一个变形的结构的截面图；

图15是显示本发明的第二实施例的另外一个变形的结构的截面图；

图16是显示本发明的第二实施例的另外一个变形的结构的截面图；

图17是显示本发明的第二实施例的另外一个变形的结构的截面图；

图18是显示作为一个二端器件应用到本发明的一个MIM元件的结构的截面图；

图19是显示使用图18中的MIM器件的一个液晶显示装置的一个基片的结构的平面图；

图20是显示根据本发明的第三实施例的一个液晶显示装置的一部分的结构的截面图；

图21是显示对形成在一个基片上的一个取向膜的取向处理的方向和图20的液晶显示装置中的液晶分子的扭转方向的示意图；

图22A至22E分别是说明液晶显示装置的电光特性随比值D/P变化的图形(其中D是液晶显示装置的一个单元间隔，而P是一个液晶分子的自然螺旋间距)；

图23是显示对液晶分子的各扭转角施加电压和液晶分子的倾斜角之间的关系的图形；

图24是解释在一个电压施加到液晶上时液晶分子的表现的示意图；及

图25是显示当一个电压加到液晶上时，在液晶分子中如何出现取向失败的示意图。

将在下面参照附图说明作为本发明的实施例的TFT液晶显示装置。(第一实施例)

图1示出了根据本发明的第一实施例的一个TN液晶显示装置的截面结构图。图2是显示一TFT基片结构的平面图。图3示出了一个荧光层24和一个下涂白色的层23的截面结构。图4是显示一个相反基片的结构的平面图。

如图1中所示，这个液晶显示装置由一对通过一个设置在其间的框形封装部件SC连接在一起的透明基片11和12和封装在透明基片11和12之间的液晶13构成。

作为液晶13，使用了一种含有一种手性物质的TN(扭转向列)液晶。液晶13含有例如大约0.5至10wt％的具有正吸收各向异性的一种二向色黑色染料。上面的液晶显示装置是一个称之为白色调整型的液晶显示装置。

透明基片11和12由玻璃、透明树脂等组成。如图1和2所示，作为开关元件的TFT(薄膜晶体管)21和透明电极(象素电极)22以矩阵的方式设置在下方的透明基片(以后称之为TFT基片)11上。

每一TFT21的源极和一个相应的象素电极22相连。在每行的TFT21的栅极和一个相应的栅极线GL相连，而在每一列的TFT21的漏极和相应的漏极线DL相连。

每个象素电极22由含有ITO(铟/锡氧化物)的一个透明导电膜等制成。一个信号电压(写电压)通过一个相应的TFT21加到每个象素电极22上。

一个由绝缘物，例如一种合成树脂层做成的覆盖着TFT21和象素电极22并构成一个反射装置的下涂白色的层23形成在TFT21和象素电极22上。

用于在光入射时发射荧光的荧光层24(24R、24G、24B)形成在各个象素电极区上。

荧光层24包括多个用以发射不同颜色的荧光的荧光层，例如一个荧光层24R用于发射红色荧光，一个荧光层24G用于发射绿色荧光，一个荧光层24B用于发射兰色荧光。荧光层24R、24G和24B以预定的次序设置在下涂白色的层上，以实现全色彩显示。

如图3所示，每个荧光层24由一个透明树脂基241和杂散在树脂基241中的粒状荧光材料243构成。树脂基241由一种透明树脂组成，例如丙烯酸酯类树脂、氯乙烯树脂、醇酸树脂、芳族磺胺树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、苯胍胺树脂或其共缩聚物。

通过把一种荧光件研磨成精细的颗粒形成荧光材料243s。通过使用一种荧光染料把和用于透明基材料241的相同树脂的或另外类型的透明树脂染色而得到该荧光件。荧光材料243具有一个吸收具有除了一特定波长范围(从荧光材料243发射的荧光的波长范围)外的波长的光并通过利用吸收的光的能量发射在该特定波长范围内的光波长转换功能。

因而从每个荧光层24发出的光具有和从荧光材料243发出的光相同的颜色。

一个由聚酰亚胺等组成的取向膜25形成在荧光层上，以覆盖每一荧光层24的整个表面。

如图1和4所示，一个透明电极(反电极)31形成在上透明基片(以后称之为相反基片)12上，以覆盖对着象素电极22的整个区域。一个预先确定的电位施加到反电极31上。也可以采用沿着栅极线GL延伸的多个分开的电极31(未示出)形成在相反基片12上。不同的扫描信号施加到这些反电极31上。每个反电极31由一个具有大约0.08±0.02um的ITO膜做成。

由聚酰亚胺等组成的一个取向膜36形成在反电极31上。反电极31和一个电极端子37相连(如图4所示)。一个预定的参考电压(公共电压)施加到电极端子37上。

参照图1，上取向膜36受到过一个取向处理，例如在图5中由实线表示的方向36a上(在0度角)的摩擦，而下取向膜25受过在图5中由虚线表示的方向25a(以90度角和方向36a相交)上的取向处理。

根据施加到取向膜36和25上的取向处理，构成液晶13的液晶分子MA，以在图5中逆时针方向的角θ＝90度(0度至90度)从相反基片12扭转到TFT基片11。类似地，二向色染料的分子从相反基片12到TFT基片11以90度的角扭转取向。

下面将参考图6A和6B说明具有上述结构的液晶显示装置的一个图象显示操作。

图6A原理性地示出在没有任何电场(电压)施加到液晶13上时的液晶分子MA和二向色染料分子MB的取向状态。

在没有电场的其情况下，液晶分子MA和二向色染料分子MB以θ＝90度的角度，从相反基片12扭转到TFT基片11。

假设从液晶显示装置的前表面侧(在相反基片12侧)进入的为非偏振光，即，在所有方向上都有偏振分量的光。这种光的各偏振光分量和以90度扭转取向的二色性染料分子之一的长轴方向相一致，并从而被吸收。例如，由长短交替点划线P1所示的从相反基片12一侧入射的偏振光分量，被在相反基片一侧取向在方向M1上的二向色染料分子MB吸收。由交替的一长和两短点划线P2所表示的偏振光分量，其相对于该长短交替点划线P1以90度偏振，被在TFT基片一侧取向在方向M2上的二向色染料分子吸收。在分别由该交替的一长和一短点划线P1和该交替的一长和两短点划线P2表示的方向之间的一个方向上偏振的光，被在液晶层中间取向的二向色染料分子吸收。

大多数从相反基片12一侧入射的光因此被在液晶13中的二向色染料分子吸收。

由于这个原因，在没有电场的情况下，仅有少量的光通过液晶13到达在TFT基片11上的各荧光层24和形成在其下面的下涂白色的层23上。因此，从各个荧光层24发出的荧光的量和由下涂白色的层23反射的光量较少。

由下涂白色的层23反射的光在通过液晶13时再次被二向色染料分子吸收。因此光几乎不从液晶显示装置的前表面发出，而最终的显示差不多为黑暗状态。

当在象素电极22和反电极31之间施加一个具有足够强度的电场(电压)时，液晶分子MA沿几乎和相反基片12和TFT基片11垂直的方向MO上的该电场一致地取向，如图6B所示。因为液晶分子MA被取向，二向色染料分子MB也几乎垂直地取向。

因此穿过液晶13的光几乎不被二向色染料分子MB吸收。

由于这个原因，在具有一个足够强度的电场存在的情况下，大多数从相反基片12侧入射的光，经由液晶13到达各个荧光层24和下涂白色的层23。

如图3中的实箭头所示，从各个荧光层的前表面侧入射的光透过荧光层24并被具有高效地反射光的特性的该下涂白色的层23反射。反射的光再次通过荧光层发射出来。通过荧光层的部分光入射在荧光材料243上。荧光材料243透射或反射入射在荧光材料243上的入射光中具有一特定的波长的光成分，即，具有和从荧光材料发射出来的光同样的波长范围的光成分，并吸收其他波长范围的光成分(包括紫外光等)，从而通过利用所吸收的光成分的能量发射具有该特定波长范围的光(荧光)。

从荧光材料243发射的荧光在荧光材料周围辐射，如图3中的虚线箭头所示。传播到各荧光层24的前表面的荧光成分成为被荧光层24反射的光，而传播到下涂白色的层23的荧光成分被该下涂白色的层23反射，并从荧光层24的前表面射出。从荧光层24直接透射的光分量也被下涂白色的层23反射。

因此从荧光层24射出的光由从荧光层24透射而没有入射到荧光层243上的光成分、从荧光材料243发出的荧光和由荧光材料243透过或反射的光成分(具有和从荧光材料243发射出来的光同样的波长范围的光成分)构成。

从荧光层24透射而没有入射到荧光材料243上的光是白色光。从荧光层24发射出来的光的总的颜色和从荧光材料243发射出来的荧光的相同。发出光的颜色浓度由荧光材料243在荧光层24中的比例决定。发出光的色度随着荧光材料243的总量的增加而增加。

如上所述，当在象素电极22和反电极31之间施加一个具有足够高强度的电场(电压)时，液晶显示装置的显示变亮。当施加一个中等电压时，液晶分子MA在对应于该所施加的电压的一个倾斜角上取向。随着所加电压的升高，该倾斜角增加。

二向色染料分子MB根据液晶分子MA的取向而取向。由于这个原因，通过液晶13的光的总量，在没有施加电场时的光的通过量和在施加一个足够高的电压时的光的通过量之间连续变化。因此通过控制所加的电压，可以显示一个灰度图象。

如一般所知，在一个TFT液晶显示装置中，一个脉冲电压在一个给定行的一个选择周期内施加到相应的栅极线GL上，以接通在该所选择行上的TFT，而对应于一显示灰度级的一个灰度电压同时被施加到相应的漏极线DL上。由于这个操作，一个相应于灰度数据的电压被保持在相应的象素电极22和反电极31之间，直至下一个选择周期。

因此，这个实施例的液晶显示装置，在各选择周期期间控制施加到漏极线DL上的电压，以控制液晶分子MA和二向色染料分子MB的取向状态，从而控制光的透射和吸收并可显示一个任意图象。

此外，由于红、绿和兰色荧光膜24R，24G，24B在下涂白色的层23上顺序排列，各象素可以辐射红、绿和兰色荧光。因此，可以显示一个全色彩图象。

根据本实施例的白色调整型液晶显示装置，通过施加一个电场，使得入射到液晶显示装置上的光透过液晶13，而此光被荧光层24和形成在其下面的下涂白色的层23反射。反射光再次通过液晶13，并从液晶显示装置中射出。

因此，在本实施例的液晶显示装置中，被荧光层24和下涂白色的层23反射的光的量，大于一个光只被荧光层24反射的白色调整型液晶显示装置中反射的光的量。

即，入射到液晶显示装置上的光可以有效地被反射以得到一个明亮的显示图象。

被荧光层24和下涂白色的层23反射的光的量，根据在荧光层24下有/没有下涂白色的层和用于该涂层的材料而变化。

表1示出由绿色荧光层24G和形成在荧光层24的下面的由不同的材料做成的涂层的反射的光的反射亮度。

                              表1

亮度(LX)	①	②	③	④
					50	92.89	90.91	95.04	97.11
30	53.72	52.69	57.85	57.85
					5	4.13	4.1	5.16	5.16

                            (cd/m2)

表1中的①至④分别表示当第一和第二涂层在绿荧光层下面形成时得到的特性。在各个情况中，第二涂层形成为一个黑色板，而下面的不同材料用于该第一下涂层：挥校  挥械谝幌峦坎悖②银从≈④白色塑料片

比较在没有形成下涂层的情况①和使用一个白色塑料片作为该第一下涂层的情况④的光的反射亮度。例如，当亮度为30(LX)，在情况①中为53.72(cd/m²)，在情况④中的反射亮度为57.85(cd/m²)，大约比情况①中的反射亮度的高8％。

比较通过使用情况①至④中的下涂层获得的反射亮度，很明显，在使用一个白色塑料薄片作为下涂层的情况④中的反射亮度几乎是各个亮度中最高的。

如上所述，当一个的下涂白色的层形成在荧光层24的下面时，被荧光层24和该下涂层反射的光量最大。因此最好在荧光层24的下面形成一个的下涂白色的层。

在这个实施例中，下涂白色的层23由绝缘材料形成在象素电极22上，而荧光层24形成在该下涂白色的层23上。在这种结构中，各象素电极22和反电极31之间的距离大于没有下涂白色的层23的结构中的距离。为了防止由于电极之间距离的增加而引起的驱动电压的增加，该下涂白色的层23可以形成在象素电极22和TFT21的下面，如图7中所示。另外，如图8所示，该下涂白色的层23可以形成在TFT基片11的外侧，  或由一白色薄膜或类似物形成的一个白色板或反射板可放置在TFT基片11的外侧。

此外，该下涂白色的层23可以由导电材料做成。当如图1所示，该下涂白色的层23形成在TFT21和象素电极22的基片的整个表面上时，TFT21和设置在每一象素的上的象素电极22短路。因此，在这样一种情况下，该下涂白色的层23被绝缘，并形成在各个象素区中，如图9A所示在象素电极22下面，或如图9B所示在象素电极22上面。

如图10所示，TFT基片11可以由一个由白色塑料材料做成以替代透明塑料材料。在该情况下，由低温等离子体CVD等形成的TFT21和由透明导电薄膜做成并和TFT21相连的象素电极22设置在一个TFT基片11a上。

在具有和图10一样的结构的液晶显示装置中，在有电场存在的情况下通过液晶13的光被白色TFT基片11a充分地反射。反射光再次透过液晶13，从相反基片12+发射出来。即，使得从相反基片12侧入射的光能够有效地从相反基片12侧射出，因而实现了一个能够显示明亮图象的液晶显示装置。

在具有和图10一样的结构的液晶显示装置中，由于可以省略下涂白色的层23，可以简化液晶显示装置的结构和制作过程。此外，由于TFT基片11a由一种白色塑料材料制成，比由一种玻璃材料制成的基片更能抵抗由于碰撞等引起的破裂。

如上所述，根据本实施例，在白色调整型液晶显示装置中，下涂白色的层23在荧光层24的下方形成，或下方的TFT基片11a由一种白色塑料材料或类似的材料制成。由于这个原因，在施加一个电场时从相反基片12侧入射的光能够有效地从相反基片12侧射出。

因此，和使用荧光层24作为一个反射板的一种白色调整型液晶显示装置相比，这里提供了一种能够显示明亮图象的液晶显示装置。

本发明不局限于上面的实施例，而可以做不同的改进和应用。例如，在上面的实施例中，荧光层24设置在TFT基片11侧。然而，荧光层24也可以设置在相反基片12侧，而使光从TFT基片11一侧入射。在这种情况下，例如，一个下涂白色的层可以形成反电极31上，而荧光层24可以形成在该下涂白色的层上的各个象素区域上，而光可从TFT基片11一侧入射。另外，反电极31可以由一种透明电极做成，荧光层24和下涂白色的层可以形成在透明电极的下面，而光可从TFT基片11一侧入射。本实施例案的结构也可以以其它方式任意改变。

上述的实施例已经示例出TFT液晶显示装置。然而，本发明也可以应用到一个使用MIM作为有源元件的液晶显示装置中。本发明也可以应用到一个不使用有源元件的无源矩阵型液晶显示装置中。

除了一个白色调整型TN(扭转向列)液晶显示装置外，本发明可以应用到其它类型的白色调整型液晶显示装置中。

如上所述，根据本发明，通过在一个白色调整型液晶显示装置中形成一个荧光层和作为反射板的下涂白色的层，可以实现一个能够显示明亮图象的液晶显示装置。

另外，通过使用一种白色塑料材料形成一个基片，可以实现一个具有简单结构和能够显示一个明亮图象的液晶显示装置。(第二实施例)

下面将参照图11至17说明根据本发明第二实施例的一个彩色液晶显示装置。注意在第二实施例中相同的参考数字表示与第一实施例中的相同部分，故省略了对它们的说明。

图11示出了该彩色液晶显示装置的截面图。这个彩色液晶显示装置由一对基片11和12及密封在基片11和12之间的液晶13构成。

对于液晶13，使用了一种含有一种手性物质的胆淄醇型液晶或向列型液晶。液晶13含有例如大约0.5～3.0wt％的具有正吸收各向异性的一种二向色黑色染料。

基片11和12中，在入射侧的基片11由一种透明玻璃、一种透明树脂等做成。基片12不必透明。

如图11中所示，作为有源元件的TFT(薄膜晶体管)21以矩阵的形式设置在下面的基片(以后称为TFT基片)上。每一个TFT由一个形成在TFT基片上的栅极211、覆盖栅极211栅极的绝缘膜212、一个由a-Si(非晶硅)等组成和栅极211相对形成在栅极绝缘膜212上的本征半导体层213及和本征半导体层213的两个端部分相连的源极和漏极214和215构成。

一个绝缘层23形成在每个TFT21上的整个表面上。绝缘层23构成一个由白色合成树脂或类似材料制成的下涂白色的层，用于高效地反射光。通过连接孔和源极214相连的透明电极(象素电极)22以矩阵的形式设置在各个象素区域上。

每个象素电极22由一个含有ITO(铟/锡氧化物)或类似材料的透明导电薄膜制成。通过一个相应的TFT，一个信号电压(写电压)施加到各象素电极21上。

一个荧光层24形成在各象素电极22上。荧光层24包括用于发射红色荧光的荧光层24R、用于发射绿色荧光的荧光层24G和用于发射兰色荧光的荧光层24B。这些荧光层以预定的次序设置，以实现全色彩显示。每个荧光层以与在第一实施例中的荧光层同样的方式形成。

一个由聚酰亚胺或类似的材料组成的取向膜25形成在荧光层24的整个表面上。取向膜25已经经过了一个取向处理，例如在一个预定方向上的摩擦。

一个反电极31形成在上面的基片12(以后称之为相反基片)上。反电极31由一个含有ITO(铟/锡氧化物)或类似材料的透明导电薄膜制成。一个预定的参考电压(公共电压)施加到反电极31上。一个由聚酰亚胺或类似的材料组成的取向膜36形成在反电极31上。在相反基片12侧的取向膜36已经经过一个取向处理，例如在一个和在TFT基片上的取向膜25的取向处理方向以一预定角度相交叉的方向上的摩擦。

根据对取向膜25和36施加的取向处理，含有二向色染料的液晶13在90度至360度(最好是180度至360度)扭转取向。

如在第一个实施例中，在该第二个实施例中，在象素电极22和反电极31之间没有施加电压时，即不存在一个电时，液晶分子几乎平行于基片扭转取向。且加入到液晶13中的二向色染料的分子沿液晶分子扭转取向。由于这个原因，从该彩色液晶显示装置的前表面侧(相反基片一侧)入射的光被二向色染料的分子吸收。

与此相反，当在象素电极22和反电极31之间施加一个高电压时，液晶分子沿着几乎垂直于相反基片12和TFT基片11的电场方向一致地取向。在这种状态下，通过液晶13的光几乎不被二向色染料的分子吸收。由于这个原因，入射光透过液晶13并到达各荧光层24并被荧光层24和绝缘膜23反射。这个反射光再次透过液晶13射出。

当在象素电极22和反电极31之间施加一个中等电压时，液晶分子取向在对应于该所施加的电压的一个倾斜角上排列。当施加的电压升高时，倾斜角增加。二色性染料分子也根据液晶分子的取向而取向。由于这个原因，通过液晶13的光量在没有施加电场时的光的通过量和在施加一个高电压时的光的通过量之间连续变化。因而，通过控制所加的电压，可以显示一个灰度图象。

本实施例的液晶显示装置由与第一实施例中的同样的驱动方法驱动，以显示一个任意图象。

此外，由于红、绿和兰色荧光层24R，24G，24B在绝缘膜23上顺序排列，通过控制对应各个颜色的荧光层24的各个区域的光的透射度，可以显示一个全色彩图象，红、绿、兰、荧光层构成一个象素。

在具有这种结构的彩色液晶显示装置中，通过使用二向色染料来控制透射率。和使用偏振片的情况相比，在这种情况下对一个显示操作起作用的光的强度较高，因而可得到更明亮的显示。此外，视角增加。另外，通过利用吸收光的能量，各个荧光层24发射荧光。因此对一个显示操作起作用的光的强度高于在通过使用一个滤色器吸收除了一个特定波长范围外的光成分使光变为彩色的情况。由于这个原因，可以显示一个明亮的图象。

此外，由于有效地反射光的白色绝缘层23形成在荧光层24和象素电极22的下面，反射光的强度较高。因此可以提供一个明亮的显示。

另外，由于象素电极22形成在TFT21上的各个象素区域的整个表面上，透过率高。因此可以提供一个明亮的显示。

参照图11，该透明电极形成为象素电极22，而白色绝缘层23形成在象素电极22的下面。然而，每个象素电极22可以由具有光反射特性的导电膜例如一个金属薄膜形成，以省略绝缘薄膜23。

参照图11，荧光层24形成在象素电极22上。然而，如图12所示，荧光层24可以形成在绝缘膜23上，而象素电极22可以形成在荧光层24上。此外，为了提高反射效率，由具有光反射特性的金属制成的反射膜38可以形成在荧光层24的下面，如图12所示。在这种情况下，例如，通过在各个薄膜38上施加一个与反电极31公共的一个电压，由象素电极22、反射膜38和其间的荧光层24形成了一个补偿电容(和一个由象素电极22、反电极31和其间的液晶13形成的电容并联的一个电容)。

根据这种结构，可以得到一个能够显示一个明亮图象的彩色液晶显示装置。不需要使用新的补偿电容电极，而且因此可以有效地利用对一个显示操作起作用的区域。

参照图11和12，绝缘膜23形成在TFT21上，而象素电极22和荧光层24形成在绝缘膜23上。然而，象素电极22和荧光层24可以任意地放置。例如，如图13所示，反射膜38可以形成在基片11上，而荧光层24可以形成在反射膜38上。

参照图13，栅极211和反射膜38形成在TFT基片11上。栅极211和反射膜38可以通过在一个金属膜如铬或铝薄膜上形成图案而同时形成。与加到反电极31上的电压相同的电压加到各个反射膜38上，因此在反射膜38和象素电极22之间形成一个补偿电容。

具有光透射特性的栅极绝缘膜212形成在各个栅电极211和各个反射膜38上。和栅电极211相对形成的本征半导体层213及与本征半导体层213的两端相连的源和漏极214和215设置在栅极绝缘膜212上。与源极214相连的象素电极22形成在栅绝缘膜212上的各象素区上。

取向膜25形成在象素电极22、源极214、漏极215等的整个表面上。

在相反基片12一侧的元件和液晶13以如在第一实施例中同样的方式形成。

在第二实施例的彩色液晶显示装置中，由于没有使用任何偏振片而由荧光层24给光着色，所以可以显示一个明亮的图象。此外，在形成栅极211的处理中，可以形成起补偿电容电极作用的反射膜38，便利了制作过程。

在第二实施例中，如图14所示，在图13中的荧光层24形成在象素电极22上。在图14中所示的结构中，荧光层24R、24G和24B设置在象素电极22上。然而，象素电极22也可以设置在这些荧光层24R、24G和24B上。

参照图11至14，荧光层24R、24G和24B形成在TFT基片11一侧上。然而，如图15所示，荧光层24R、24G和24B可以形成在反基片12上的反电极31上的各个象素区上，而取向薄膜36形成在这些荧光层上。虽然荧光层24R、24G和24B直接形成在图15中所示的结构中的反电极31上，荧光层24R、24G和24B也可以直接形成在相反基片12上，而反电极31可以形成在荧光层上。

在图11至15所示的各个结构中，从相反基片12一侧入射的光被在TFT基片11一侧的层反射。然而，可以设计装置使得从TFT基片11一侧入射的光被相反基片12一侧的薄层反射。在这种情况下，TFT基片11由一个透明基片构成，而相反基片12不必由一个透明基片构成。

例如，如图16所示，一个由具有光反射特性的金属薄膜制成且起反射膜作用的反电极311形成在相反基片12上，而荧光层24R、24G和24B可以形成在反电极31上的各象素区上。取向膜36形成在这些荧光层上。

TFT21和由透明导电薄膜制成的象素电极22设置在TFT基片11上。

由于这个结构，在TFT基片11上需要一个复杂的制作过程的结构可以得到简化。

此外，和上面的情况相同，可以得到能够显示一个明亮图象的彩色液晶显示装置。

参照图16，荧光层24R、24G和24B设置在反电极311上。然而，荧光层24R、24G和24B也可以设置在相反基片12上，而透明反电极31可以形成在荧光层上。此外，在图16所示的结构中，荧光层24R、24G和24B设置在反电极311上。然而，如图17所示，荧光层24R、24G和24B可以设置在TFT基片11一侧上的象素电极22上。另外，荧光层24R、24G和24B可以设置TFT基片11上，而象素电极22可以设置在荧光层24R、24G和24B上。

本发明不局限于上面的实施例，而且可以做不同的改进和应用。例如，上面的实施例已经示例出用TFT作为有源元件的彩色液晶显示装置。然而，本发明可以应用到具有一个如图18和19所示的各个绝缘膜夹在导电薄膜之间的结构，并使用两端元件，例如具有二极管特性的MIM作为有源元件的彩色液晶显示装置中。

图18是一个MIM元件的部分截面图。图19是一个使用此种MIM元件的彩色液晶显示装置的一个基片的平面图。参照图18和19，每个MIM40由一个形成在下方基片11上的下方电极41、一个覆盖下方电极41的绝缘膜42和一个形成在绝缘膜42上的上方电极43构成。在每行的MIM40的下方电极41和以象素电极的行为单位形成在TFT基片11上的相应的驱动信号供给线44相连。每个MIM40的上方电极43和相应的象素电极22相连。

MIM40的下方电极41和驱动信号供给线44通过使用含有铝或铝合金的相同的金属膜一体形成。上方电极43由上述的金属膜制成，或通过使用和用于象素电极22的相同的透明导电膜与象素电极22一体形成。通过对下方电极41和驱动信号供给线44的表面进行阳极氧化处理，形成MIM40的绝缘膜42。驱动信号供给线44的表面，除了端部外，由绝缘膜(阳极氧化膜)覆盖。

这些MIM40以矩阵的形式，在行和列方向(图19中的水平和垂直方向)上设置。透明取向膜25形成在MIM40上。分离的反电极31以列为单位排列在反基片上。通过在相应的反电极31a和相应的驱动信号供给线44之间施加一个信号电压，来选择和驱动一个给定的象素。

在使用如上面的MIM两端元件时，由于有源元件在结构上比在上面的液晶显示装置中所用的TFT简单，可由一个简单结构和一个简单制作过程得到具有明亮显示的彩色液晶显示装置。

此外，根据本发明，可以改变加入到液晶13的一种二向色染料的比例和颜色、液晶的扭转角等等。(第三实施例)

下面将根据附图说明根据本发明的第三实施例的液晶显示装置。该第三实施例的基本结构和第一及第二实施例的基本结构一样。因此，在第三实施例中相同的参考数字表示和在第一实施例中相同的部分，并且因而省略了对它们说明。

图20示出了根据本实施例的一个液晶显示装置的原理结构。如图20中所示，本实施例的液晶显示装置由下列部分构成：一对互相相对放置的基片11和12，在基片11和12之间密封有一种向列液晶；多个形成在基片11和12的内表面上的相对电极22和31；分别形成在各电极22和电极31上的取向膜25和36，取向膜25和36在以90度至270度角相交的方向25A和36A上已经经过一个取向处理，如图21所示。

一个由一个铝膜等组成的反射板38形成在基片11的后表面上。

液晶材料13是一种具有正介电各向异性并含有一种手材料的向列液晶。液晶材料13密封在基片11和12之间，并根据对取向膜25和36施加的取向处理以270度至90度扭转。一种二向色黑色染料加在液晶材料13中。二向色染料以大约0.5～3wt％的量加到液晶材料13中，并具有正吸收各向异性。

设置该液晶材料的厚度(单元间隔)D(um)和一个螺旋间距(块状状态)P(um)的比值D/P和液晶分子13A的扭转角θ弧度)满足下面的不等式(1)：

θ/2π-1/4＜D/P＜θ/2π(1)

图22A至22E示出当使用一种具有正介电各向异性，Ln＝0.085和向列-各向同性转换温度73℃的向列液晶时的电光特性(电压与透射特性的关系)。在该例中，在D＝11um，一种作为二向色染料的黑色染料以约1wt％的量加入，及θ＝270度(1.5π弧度)不变时，比值D/P和所施加的电压改变。如图22A和22B所示，当比值D/P为0.75(θ/2π)或更大时，电光特性表现出大的滞后作用，因此难于稳定地完成灰度显示操作。

当比值D/P小于0.75时，电光特性表现出小的滞后作用，虽然当施加的电压接近2V时透射特性相对于电压的变化经历一个不连续的变化。

当比值D/P小于0.5(θ/2π-1/4)时，在初始取向状态的扭转角不是270度而是为小于270度的180度或90度。当D/P＝0.5时，扭转角理论上以50％的概率变为270度或90度，因而，根据在液晶单元的单元间隔D的轻微变化，液晶分子在该两个稳定扭转角的之一上取向。即，液晶分子的取向状态非常不稳定。由于这些原因，得出上面的不等式(1)。

当扭转角为90度或更小时，根据偏振方向入射光可能不被吸收，导致大量的泄漏光。为了减少泄漏光的量，扭转角最好是180度或更大一些。当扭转角为300度或更大时，如图23所示，有一个倾斜角随着施加电压的上升而反向变化的区域，导致不稳定的取向。由于这个原因，扭转角θ角设成等于或大于90度而小于300度，更为可取地是等于或大于180度而小于300度。

如上所述，扭转角θ设为90度～300度，而设定单元间隔D和螺旋间距P的比值D/P，使其满足不等式(1)。在这种设定下，可以得到通过改变所加电压而能够逐步改变透射性的液晶显示装置。

在这个实施例中，由于液晶在电场存在时是处于各向同性取向状态，液晶分子13A不能容易地随着施加电压的升高而倾斜。由于这个原因，倾斜角不发生改变，直至所施加的电压超过一个预定的电压(2V)，而在超过预定电压时突然地改变。此外，由于靠近取向膜25和36的液晶分子13A倾斜，当图20中所示的初始状态变化到图24所示的状态时，各扭转区可能会整体地水平下降。结果，可能形成一个条形区域，如图25所示。

在第三实施例中，液晶分子的预倾斜角设为3度或更大一些，以便抑制液晶分子的上述倾斜并使得倾斜角随着电压的变化的变化为连续的，因而防止了在取向处理上的无序，即，各扭转区的下降。当预倾斜角增加时，液晶分子，特别是靠近取向膜的液晶分子，更容易倾斜。因此，透射性可以随着施加电压的增加而连续地增加。

然而，如果液晶分子的预倾斜角过大，由于液晶分子的倾斜角在“关”状态时变大，光泄漏量增加。结果，显示图象的对比度变低。因此，液晶分子的预倾斜角设为3度或大一些及10度或小一些。

根据这种结构，液晶分子的取向可以是稳定的，并随着施加电压的改变而线性变化，相应地，透射性随施加的电压的改变平滑地改变，便利了一个灰度显示操作。此外，可以防止液晶分子的取向失败。

本发明不局限于上面的实施例，而可以做不同的改进和应用。例如，上面的实施例示例了简单矩阵(无源矩阵)型液晶显示装置。然而，通过把本发明应用到使用TFT、MIM等作为开关器件的第一和第二实施例中的有源矩阵型液晶显示装置中，可以实现更加清楚的灰度显示。

反射片38的结构等可以任意地改变。例如，一个反射片可以形成在基片12的内表面，而电极可以通过一个绝缘膜形成在反射板上。

如上面所述，根据本发明，可以得到一个能够提供一个明亮的灰度显示的一个液晶显示装置。

Claims (22)

1.一种液晶显示装置，包括：

一个具有多个第一电极的第一基片；

一个第二基片，和所述的第一基片相对设置并具有至少一个和第一电极相对的第二电极，第二电极安装在和所述的第一基片相对的一个表面上；

对应于由该多个电极定义的象素区域设置的多个荧光层；

反射装置，对应于所述的荧光层，设置在与各荧光层的光入射表面相对的一侧上，用以反射透过所述各荧光层的光；及

一种液晶材料，含由一种二向色染料和一种手性材料，并以扭转取向的状态密封在所述的第一和第二其片之间。

2.根据权利要求1的一种装置，其中所述的反射装置包括一个下涂白色的层，用以使得反射光具有呈现出大致平坦的谱分布的光学特性。

3.根据权利要求2的一种装置，其中所述的第一电极由一种透明的导电材料制成；及

所述的第一基片由一种白色材料制成并作为所述的下涂白色的层。

4.根据权利要求1的一种装置，其中所述的反射装置位于第一电极上，而所述的荧光层位于所述的反射装置上。

5.根据权利要求1的一种装置，其中第一电极由形成在所述的反射装置上的一个透明导电膜构成，而所述的荧光层形成在第一电极上。

6.根据权利要求1的一种装置，其中第一电极由形成在所述第一基片的一个表面上的透明导电膜构成，所述荧光层设置在该第一电极上，而所述的反射装置形成在所述的第一基片的另一表面上。

7.根据权利要求1的一种装置，其中所述的反射装置具有一个有光反射特性的导电膜，并形成在所述的第一基片上，

所述的荧光层位于所述的反射装置上，

第一电极位于所述的荧光层上，以由所述的荧光层和所述反射装置电绝缘。

8.根据权利要求1的一种装置，其中所述的反射装置由具有光反射特性的导电材料构成，并基本上和第一电极一体形成。

9.根据权利要求1的一种装置，其中所述的荧光层由其内加有用以至少发射红、绿和兰色中之一种的荧光的荧光材料的合成树脂构成。

10.根据权利要求1的一种装置，还包括分别和第一电极相连并位于所述的第一基片上的多个有源元件。

11.根据权利要求10的一种装置，其中所述的有源元件包括一个栅极、一个覆盖栅极的栅极绝缘膜、一个半导体膜和源及漏极，

所述的反射装置包括一个具有光反射特性的金属膜并通过将用于栅极的同样的金属膜形成图案而形成。

12.根据权利要求10的一种装置，其中所述的反射装置由一个对其施加一个预定电压的导电材料构成，通过一个绝缘膜和第一电极相对设置，并和第一电极一起构成一个补偿电容。

13.根据权利要求10的一种装置，其中所述的有源元件包括一个具有二极管特性并含有一个绝缘膜和通过该绝缘膜互相叠置的两个导电膜的两端元件，其中一个导电膜和第一电极相连，而另外一个导电膜和一个用以提供一个对应于欲被显示的数据的信号的信号线相连。

14.一种彩色液晶显示装置，包括：

一个第一基片；

以矩阵的形式设置在所述的第一基片上的多个有源元件；

设置在所述的第一基片上以覆盖所述的有源元件的一个绝缘膜；

以矩阵的形式设置在所述的绝缘膜上，并分别和所述的有源元件相连的多个象相素电极；

一个和第一基片相对设置的第二基片；

形成在所述的和第一基片相对的第二基片的一个表面上的至少一个反电极；

一种含有一种二向色染料和一种手性材料并以扭转取向状态密封在所述的第一和第二基片之间的液晶材料；及

叠置在所述的象素电极或反电极上的荧光层。

15.一种彩色液晶显示装置，包括：

一对具有形成在其相对表面上的电极的基片，已经经过预定的取向处理，并以一个预定的单元间隔D设置；和

一种密封在所述的一对基片之间的手性向列液晶材料，其具有一个90度～300度的扭转角θ，含有一种二向色染料，并具有一个单元间隔D和一个螺旋间距P的比值D/P，满足θ/2π-1/4＜D/P＜θ/2π。

16.根据权利要求15的一种装置，其中所述的手性向列液晶材料具有相对于一个基片的表面的预倾斜角为3度～10度的液晶分子。

17.根据权利要求15的一种装置，其中所述基片的相对表面已经经过一个水平取向处理。

18.根据权利要求15的一种装置，其中所述的液晶显示装置是一种具有反射板的反射型液晶显示装置。

19.根据权利要求15的一种装置，还包括分别和多个第一电极相连，并以矩阵的形式设置在所述的第一基片上的多个有源元件。

20.根据权利要求15的一种装置，还包括：

对应于该由多个电极定义的象素区设置的多个荧光层；

反射装置，对应于所述的荧光层设置在与各荧光层的光入射表面的相对的一侧上，用以反射透过各所述的荧光层的光。

21.根据权利要求15的一种装置，其中所述的反射装置包括一个下涂白色的层，用以使得反射光具有呈现出大致平坦的谱分布的光学特性。

22.根据权利要求15的一种装置，其中所述的液晶材料的层，根据相对电极之间所施加的电压，利用一种客-主型手性向列液晶，起相位改变型的作用。

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