CN1181384C - 反射型铁电液晶显示器及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了反射型铁电液晶显示器及其驱动方法。反射型铁电液晶显示器包括：显示面板，位于偏振分束器与反射镜之间，满足四分之一波片条件，和其中在各电极层之间形成的液晶层充满具有书架结构的半V字型铁电液晶，各电极层彼此垂直和相反地位于各基片之间；和补偿片，位于显示面板与偏振分束器之间，满足半波片条件，和其中在各电极层之间形成的液晶层充满具有书架结构的半V字型铁电液晶，各电极层彼此相反地位于各基片之间。因此，可以减少光损失，和可以改善灰度等级显示。

Description

反射型铁电液晶显示器及其驱动方法
技术领域
本发明涉及反射型铁电液晶显示器及其驱动方法，尤其涉及提高透射比，从而提高亮度的反射型铁电液晶显示器及其驱动方法。本申请是基于2001年10月10日提交的第2001-62461号的韩国专利申请，特此引用，以供参考。
背景技术
液晶显示器是广泛应用于便携式设备的平面型显示器。由于按比例放大(scale-up)技术的快速发展，液晶显示器迅速地取代传统CRT(阴极射线管)显示器。
存在各种类型的液晶材料可应用于液晶显示器。
一般用作液晶材料的TN(扭曲向列型)液晶利用液晶分子的介质各向异性与电场之间的相互作用，造成几方面的缺点，譬如，由于数十毫秒(ms)的慢反应时间使得不能有效显示运动图像、视角窄等。此外，由于在某一距离内像素之间会出现相互干扰，因此难以缩小像素尺寸。
同时，FLCD(铁电液晶显示器)利用铁电液晶的自发极化与电场之间的相互作用，并且提供1ms或更短的快速响应特性，从而毫无困难地显示运动图像。FLCD还提供了宽广的视角。由于FLCD中分子之间的强相互作用，可以缩小其中在像素之间不会出现相互干扰的像素尺寸，从而实现高分辩显示。针对如上所述的优点，已经对作为下一代显示器件的FLCD进行广泛研究。
作为铁电液晶材料被广泛使用的一种，提供了具有双稳特性和V字型结构的、手性向列C相(SmC*)的液晶材料。
在利用如上所述的液晶材料制造孔CD器件的过程中，使液晶材料保持在比它的熔点高的所需温度上的同时，把液晶材料注入基片之间的空腔中。然后，当温度下降时，手性向列C相(SmC*)的液晶材料转变成手性向列相(N*)，然后转变成具有与摩擦(rubbing)方向垂直的层结构的向列A相，最后再转变回到手性向列C相。在这个过程中，液晶层中液晶分子的长轴方向相对于摩擦方向倾斜所需角度，使向列层之间的空间变小。结果是，液晶层中向列层弯曲，以便补偿体积的改变。弯曲层结构被称为V字型结构，并且确定了畴的界线，根据弯曲方向，每个畴具有不同的长轴方向。在畴与畴之间的边界面上，形成了存在锯齿形缺陷、发夹形缺陷和山形缺陷的非均匀定向。
由于如上所述的取向特性，对比度显著降低了。如果为了防止对比度的降低而强制施加DC(直流电)电压，那么，液晶层的离子聚集在或被吸收到对准膜(alignment film)的表面上。因此，当从前一显示状态转变成当前显示状态时，就会出现像残留影像效应那样的问题，也就是说，在当前显示图形上模糊地显示出前一显示图形。
并且，人们正在积极研究其中阈值极限降低了的、提供AFLC(反铁电液晶)模式的铁电液晶材料。但是，由于具有100nC/cm2的自发极化值，离子因去极化场而运动，因此，可以生成残留影像。另外，在应用利用TFT(薄膜晶体管)在每个像素中独立驱动液晶的有源阵列驱动方法的情况中，大的自发极化值可以造成漏电流。为了限制漏电流，必须增加电容量。但是，在这种情况下，由于孔径比缩小了，因此难以把它用作显示器件。
为了克服铁电液晶的缺点，人们不断地研究了可以进行AC(交流电)驱动和控制残留影像的、具有书架结构的铁电液晶材料。
到目前为止，已经可以提供其中在晶化过程中不转变到向列A相地进行相变的、具有书架结构的铁电液晶。也就是说，当从温度高于熔点的各向同性状态开始降低温度时，在晶化过程中，相态(phase)从手性向列相(N*)转变为手性向列C相(SmC*)。作为其中相态从手性向列相转变到手性向列C相的液晶之一，存在具有单稳特性的半V字型液晶。
在半V字型液晶中，如图1所示，当不施加电压时，液晶的光轴与对准膜的摩擦方向平行。当施加正电压时，液晶的长轴倾斜最多达45°角。在图1中，参考符号Vsat表示液晶的长轴达到最大倾斜的饱和电压。
并且，当施加负电压时，液晶的长轴沿着与没有施加电压时液晶的长轴的方向相同的方向排列。如上所述的液晶具有如图2所示的施加电压与透射比之间的关系，即，具有单稳特性。
因此，这种液晶的优点在于，可以进行AC驱动。考虑到施加电压与透射比特性之间的关系，可以称这种液晶为半V字型液晶。
在应用半V字型液晶的反射型液晶显示器中，当不施加电压或施加负电压时，如图3所示，入射到偏振分束器(polarization beam splitter)(PBS)1，然后被反射到板2的S波，即使被反射镜3反射和再次穿过面板2之后，也仍然保持偏振状态。然后，沿着与光入射方向相反的方向S波被PBS 1反射。在这种情况中，由于沿着与光入射方向垂直的显示方向没有光线传播，因此显示状态变成黑色的。但是，如图4所示，当施加高于阈值值电压的正电压时，液晶分子随着施加的电压而逐渐倾斜。入射到面板2的S波经过反射镜3的反射和穿过面板2，部分转变成P波。因此，一部分光线穿过PBS 1。通过PBS 1传播的光量随着施加电压的增加而增加。如图5所示，当液晶分子倾斜到45°角时，光量达到最大。此时，由于液晶的长轴相对于摩擦方向倾斜了45°角，因此通过PBS 1入射到面板2的S波从反射镜3沿着相反方向穿过面板2之后，全部转变成P波。因此，全部光线都穿过PBS 1，显示状态变成白色的。
如上所述，半V字型液晶具有书架结构的优点。图6显示了在与数据显示周期相对应的循环内进行AC驱动时与透射比之间的关系。在图中，实线表示施加电压，和点划线表示透射比。
如图6所示，在AC驱动周期(T)期间，在负电压施加区域中，光线被挡住了。因此，在使液晶的光轴达到最大倾斜的饱和电压是3V的情况下，如果施加的电压低于饱和电压，那么，如AC驱动周期(T)期间的区域A所示，获得50％或更低的平均透射比。并且，如果施加了饱和电压(3V)，那么，如区域B所示，获得50％的平均透射比。在区域C中没有施加电压。在这种情况中，光线被挡住了。在传统半V字型液晶显示器中，如上所述，在进行AC驱动以保持液晶稳定性的情况下，存在着在显示周期期间只能获得50％的最大平均透射比的缺点。
为了限制光损失，如果施加非对称DC电压，那么，液晶中的离子聚集在表面上，从而造成残留影像。并且，存在着液晶容易退化的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种反射型铁电液晶显示器及其驱动方法，其中，可以进行铁电半V字型液晶的AC驱动，限制光损失，和可以精确地显示灰度等级。
根据本发明的一个方面，提供一种反射型铁电液晶显示器，包括：显示面板，位于偏振分束器与反射镜之间，满足四分之一波片条件，和其中在各电极层之间形成的液晶层充满具有书架结构的半V字型铁电液晶，各电极层彼此垂直和相反地位于基片之间；和补偿片(compensation panel)，位于显示面板与偏振分束器之间，满足半波片条件，和其中在各电极层之间形成的液晶层充满具有书架结构的半V字型铁电液晶，电极层彼此相反地位于基片之间；其中，所述补偿片和显示面板的各电极层上分别施加有AC电压；和灰度等级是通过改变施加到该显示面板上的AC电压的电平和相位来显示的。
最好，显示面板的对准膜的摩擦方向与补偿片的对准膜的摩擦方向垂直。
最好，把一AC电压施加到补偿片的电极层上，该AC电压使没有电压施加到显示面板上时的补偿片的液晶的光轴与显示面板的液晶的光轴之间的夹角(θc)可以在67.5°与90°之间变化。
附图说明
通过结合附图，对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述和其它优点和特征将更加清楚，在附图中：
图1是表示在具有传统书架结构的半V字型铁电液晶中液晶的光轴随施加电压的强度而倾斜的状态的示意图；
图2是表示图1的半V字型铁电液晶的透射比与施加电压之间的关系的曲线图；
图3是表示当没有把电压施加到应用半V字型铁电液晶的传统反射型显示器件上时的光路的示意图；
图4是表示当把低于饱和电压的电压施加到其中应用半V字型铁电液晶的传统反射型显示器件上时的光路的示意图；
图5是表示当把饱和电压施加到应用半V字型铁电液晶的传统反射型显示器件上时的光路的示意图；
图6是表示当在应用半V字型铁电液晶的传统反射型显示器件中，进行灰度等级显示驱动时，施加电压与透射比之间的关系的曲线图；
图7是根据本发明的反射型铁电液晶显示器的示意图；
图8是图7的补偿片的剖面图；
图9是图7的显示面板的剖面图；
图10是表示用于显示与根据本发明的反射型铁电液晶显示器的显示数据相对应的灰度等级的驱动过程的流程图；
图11a和11b是表示随根据图10的驱动方法施加到铁电液晶显示器的驱动电压而变化的、基于补偿片的液晶与显示面板的液晶之间的光轴排列关系的透射比的曲线图；
图12是表示透射比与在图10的驱动方法中施加到铁电液晶显示器上的驱动电压之间的关系的曲线图。
具体实施方式
现在参照附图描述本发明的优选实施例。
图7是根据本发明的反射型铁电液晶显示器的示意图。
参照图7，反射型FLCD(铁电液晶显示器)配备了位于偏振分束器(PBS)60与反射镜50之间的补偿片10和显示面板30。
PBS 60反射第一偏振部分的光束，和透射第二偏振部分的光束。在图7中，PBS 60反射S偏振光和透射P偏振光。
如图8所示，补偿片10包括下基片11、下电极层12、下对准膜13、液晶层14、上对准膜15、上电极层16、上基片17、密封件18、和间隔件19。参考符号(-)表示稳定状态，即当施加负电压或没有施加电压时液晶的取向状态。参考符号(+)表示当施加正电压时液晶的取向状态。
液晶层14充满具有书架结构的半V字型铁电液晶材料。
具有书架结构的半V字型铁电液晶显示器具有的结构，是通过晶化处理在垂直排列的向列层中没有弯曲地使各行中的液晶分子并排排列的结构。在半V字型铁电液晶显示器中，如果在熔化状态下注入相应的液晶，然后降低液晶的温度，那么，液晶的相态从手性向列相(N*)转变成手性向列C相(SmC*)，从而获得所需结构。
到目前为止，已提供了各种各样的半V字型铁电液晶材料。在该实施例中，应用日本Clariant公司制造的半V字型液晶。
上和下基片11和17由诸如玻璃或透明合成树脂之类的透明材料构成。
上和下电极层12和16由透明导电材料，例如，ITO材料构成。最好，上和下电极层12和16分别由尺寸与显示屏相对应的单个电极板构成。
上和下对准膜13和15由各种众所周知的对准材料，例如，聚酰亚胺、聚乙烯醇、尼龙、PVA(聚乙烯醇)系列等构成。
利用像布那样的摩擦(rubbing)材料在所需角度上对对准膜13和15进行摩擦处理。
放置间隔件19以便在上下层之间始终保持液晶层14的间隙d。
液晶层的间隙d是这样确定的，使间隙d与半V型液晶的折射率各向异性(Δn)的乘积满足λ/2的条件，其中λ是入射光的波长。也就是说，根据半V字型铁电液晶的折射率各向异性值确定液晶层14的间隙，使补偿片10对入射光的波长(λ)来说，具有半波片的功能。
标号20是AC驱动源，当驱动显示器件时，AC驱动源通过电极层12和16，以所需频率把所需AC电压施加到注入液晶层14的半V字型铁电液晶上。
同时，显示面板30具有众所周知的结构，用于独立驱动与显示数据相对应的像素。
图9是图7的显示面板的剖面图。与图8中那些单元相同的单元用相同的标号表示。
参照9，显示面板30包括下基片11、下电极层32、下对准膜13、液晶层14、上对准膜15、上电极层36、上基片17、密封件18、和间隔件19。
显示面板30的下电极层32和上电极层36具有与补偿片10的下电极层12和上电极层66不同的结构。
下电极层32和上电极层36含有沿着彼此垂直的不同方向排列的多个电极。
显示面板30的液晶层14充满与填充在补偿片10的液晶层14中的液晶材料相同的液晶材料。也就是说，液晶材料也是半V字型液晶材料。
最好，把显示面板30和补偿片10排列成使显示面板30的对准膜13和15的摩擦方向与补偿片10的对准膜13和15的摩擦方向垂直。
放置间隔件19以便在上下层之间始终保持液晶层14的间隙d。
并且，显示面板30的液晶层14的间隙d是这样确定的，使间隙d与半V型液晶的折射率各向异性值(Δn)的乘积满足λ/4的条件，其中λ是入射光的波长。也就是说，根据半V字型铁电液晶的折射率各向异性值确定液晶层14的间隙，使显示面板30对入射光的波长(λ)来说，具有四分之一波片的功能。
标号37是驱动器，用于根据显示数据，通过注入液晶层14的半V字型铁电液晶，以所需频率把到电极层32和36的电压施加到每个像素上。
驱动器37与电极层32和36相连接，以便通过电极层32和36施加与显示数据的灰度等级数据相对应的AC电压。
在反射型铁电液晶显示器中，驱动显示面板30和补偿片10，以便利用AC驱动周期补偿光透射特性，而在预定数据显示周期期间适当地改变施加电压，以便使相对于入射光的透射比可以提高到100％。
图10显示了铁电液晶显示器的优选驱动过程。
把所需的AC电压施加到补偿片10上(步骤100)。把与显示数据的灰度等级相对应的AC电压施加到显示面板30上(步骤110)。
也就是说，在补偿片10中，利用与液晶的预置倾斜角相对应的电压进行AC驱动。在显示面板30中，施加AC电压的电平和相位随着补偿片10的AC驱动周期而改变，以便能够获得与显示数据相对应的透射比。
返回到图7，通过施加适当的AC电压驱动补偿片10，以便获得其中显示面板30的摩擦方向与补偿片10的液晶的长轴之间的夹角(θc)是在90°与67.5°之间的角度的液晶排列状态。为此，必须找到使夹角(θc)为67.5°的、要施加到补偿片10上的正驱动电压(+Vk)。这个驱动电压必须交替地施加到补偿片10上。
下文，描述当低于零电压的电压施加到补偿片10上时，与显示面板30的液晶分子的倾斜角(θp)有关的光透射特性。
首先，当没有电压施加到显示面板30上或负电压施加到显示面板30上时，从PBS 60反射的S波偏振状态在没有任何改变的情况下穿过补偿片10和显示面板30。因此，显示状态变成黑色的。
相反，如果将使液晶倾斜最大倾角，即45°角的饱和电压施加到显示面板30上，那么，从PBS 60反射的S波在偏振状态没有任何改变的情况下穿过补偿片10。然后，在S波穿过显示面板30，被反射镜50反射，再穿过显示面板30时，转变成P波。转换的P波在偏振状态没有任何改变的情况下穿过补偿片10，然后穿过PBS 60。因此，显示状态变成白色的。
图11a表示了如上所述的光透射特性的曲线图。
因此，如果将低于饱和电压的正电压施加到显示面板30上，那么，显示状态变成黑色与白色之间的灰色。
如果使相对于显示面板30的摩擦方向的夹角(θc)变成67.5°的正电压(+Vk)施加到补偿片10上，那么，与显示面板30的液晶分子的倾斜角(θp)有关的光透射特性与在施加负电压(-Vk)的情况下，即，当补偿片10的液晶相对于显示面板10的液晶的摩擦方向成90°角(θc)排列时的状态相反。因此，获得图11b所示的曲线图。
图12显示了利用随施加电压而变的光透射特性驱动液晶显示器的实施例。
如图12所示，在与液晶的最大倾角相对应的饱和电压是3V的情况下，在预置数据显示周期(T)，例如，16.6ms的典型帧周期期间，把与22.5°的倾角相对应的AC电压(Vk)施加到补偿片10上。在数据显示周期(T)期间，把与显示数据的灰度等级信息相对应的AC电压施加到显示面板30上。
在图中，如果把具有与施加到补偿片10的AC电压相反的相位的饱和AC电压施加到显示面板30上，那么，如区域T(a)所示，在像素显示周期期间，平均透射比变成100％。并且，如果把具有与施加到补偿片10的AC电压相同的相位的饱和AC电压施加到显示面板30上，那么，如区域T(b)所示，在像素显示周期期间，平均透射比变成0。因此，根据施加到显示面板30上的AC电压的电平和相位，平均透射比范围在显示周期(T)期间可以从0变到100％。因此，可以精确地划分灰度等级显示范围。
也就是说，如果在与施加到补偿片10上的AC电压反相的情况下，把低于饱和电压的电压施加到显示面板30上，那么，如区域T(c)所示，在像素显示周期期间的平均透射比范围被确定为50-100％。
191同样，如果在与施加到补偿片10上的AC电压同相的情况下，把低于饱和电压的电压施加到显示面板30上，那么，如区域T(d)所示，在像素显示周期期间的平均透射比范围被确定为0-50％。
192如上所述，根据本发明的反射型FLC及其驱动方法，可以减少光损失，因此，可以扩大灰度等级显示范围。
193虽然通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述和图示，但是，本领域的普通技术人员会明白，在不偏离所附权利要求书限定的本发明的构思和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变。

Claims (3)

1.一种反射型铁电液晶显示器，所述反射型铁电液晶显示器包括：
显示面板，位于偏振分束器与反射镜之间，满足四分之一波片条件，和其中在各第一电极层之间形成的第一液晶层充满具有书架结构的半V字型铁电液晶，各第一电极层彼此垂直和相反地位于各第一基片之间；和
补偿片，位于显示面板与偏振分束器之间，满足半波片条件，和其中在各第二电极层之间形成的第二液晶层充满具有书架结构的半V字型铁电液晶，各第二电极层彼此相反地位于各第二基片之间；
其中，所述补偿片和显示面板的各电极层上分别施加有AC电压；和
灰度等级是通过改变施加到该显示面板上的AC电压的电平和相位来显示的。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中，显示面板的对准膜的摩擦方向与补偿片的对准膜的摩擦方向垂直。
3.根据权利要求1所述的显示器，其中，把一AC电压施加到补偿片的电极层上，该AC电压使补偿片的液晶的光轴与在没有电压施加到显示面板上的情况下显示面板的液晶的光轴之间的夹角可以在67.5°与90°之间的范围内变化。
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