CN1251006C - 光学补偿式双折射型液晶显示装置及其制造方法 - Google Patents

光学补偿式双折射型液晶显示装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的光学补偿式双折射型液晶显示装置包括彼此面对且相互隔开一定距离的第一和第二基板；设在第一和第二基板之间、且在未施加电压时，呈斜展状态，而当施加转换电压时则呈弯曲状态的液晶材料层；设在第一基板外表面上的第一补偿膜；设在第一补偿膜上的第一偏光片；设在第二基板外表面上的第二补偿膜；和设在第二补偿膜上的第二偏光片，其中处于斜展状态下的液晶材料层具有第一延迟值(R1)，该值满足：1.35＜R1/λ＜1.75对于处于弯曲状态的液晶材料层，在施加适合白色图像的白色电压时，具有第二延迟值(R2)，该值满足：0.5＜R2/λ＜0.7而当施加适合黑色图像的黑色电压时，具有第三延迟值(R3)，该值满足：0.1＜R3/λ＜0.15。

Description

光学补偿式双折射型液晶显示装置及其制造方法
本发明要求2002年12月30日在韩国申请的第P2002-87544号韩国专利申请的权益，该申请在本申请中以引用的形式加以结合。
技术领域
本发明涉及液晶显示装置和制造液晶显示装置的方法，更确切地说，本发明涉及光学补偿式双折射型液晶显示装置和制造光学补偿式双折射型液晶显示装置的方法。
背景技术
在普遍使用的各种液晶显示(LCD)装置中，由于有源矩阵型LCD(AM-LCD)装置中开关元件如薄膜晶体管(TFTs)相对于每个象素区设置成矩阵结构，具有高分辨率和显示运动图像的极佳特性，所以大力开发了这种有源矩阵型LCD装置。
LCD装置利用的是光电效应，即，通过向液晶材料层施加电压使液晶材料层的光学特性发生变化来显示图像。可以把利用光电特性的LCD装置分成三种类型：电流效应型、电场效应型和热效应型。电场效应型LCD装置的构造形式是扭曲向列(TN)型、宾-主(GH)型、电控双折射(ECB)型和相变型之一。
在ECB模式中，将均匀排列的液晶材料层设置在正交的偏振片之间，由此使光的透射率根据所加电压的双折射效应而变化。作为ECB模式之一的光学补偿式双折射(OCB)型LCD装置具有对称的弯曲结构，所以液晶(LC)分子长轴和基板之间相对于上、下基板中点的角度接近90°，其中随着分子靠近基板，所述角度逐渐减小。因此，OCB型LCD装置具有比较低的响应时间。
图1是现有技术中包含补偿膜的光学补偿式双折射型液晶显示装置的示意性透视图。按照图1，弯曲液晶盒(bend cell)50包括彼此相隔一定距离的第一和第二基板10和30以及设在两基板之间的液晶材料层40。第一和第二基板10和30包括各自的定向膜，定向膜具有一致的取向。液晶材料层40在未施加电压时具有斜展(splay)结构，而当施加上述转换电压时具有弯曲结构。因此，重新排列的时间，即，响应时间小于大约5毫秒。
然而，弯曲液晶盒50使用了包含延迟剂(retarder)的宽视野膜来改善与高质量显示相关的视角。因此，在第一基板10的外表面上依次形成第一补偿膜12和第一偏光膜14而在第二基板30的外表面上依次形成第二补偿膜32和第二偏光膜34，其中第一补偿膜12的第一光轴垂直于第二补偿膜32的第二光轴，而第一偏光膜14的第一透光轴垂直于第二偏光膜34的第二透光轴。第一补偿膜12是宽视野膜，该宽视野膜包括依次形成在第一基板10外表面上的具有负折射率各向异性(Δn)的第一盘状(discotic)膜12a和第一双轴膜12b。同样，第二补偿膜32也是宽视野膜，其包括依次形成在第二基板30外表面上的具有负折射率各向异性(Δn)的第二盘状膜32a和第二双轴膜32b。第一和第二双轴膜12b和32b具有ny＞nx＞nz的双折射特性。
当制造OCB型LCD装置时，需考虑多个因素，例如亮度、视角、驱动电压和响应时间等。在制造OCB型LCD装置的过程中，正确设计液晶盒和补偿膜是特别重要的因素。因此，液晶材料层的多个物理参数和补偿膜的设计值决定着OCB型LCD装置的性能。
图2A-2C是表示现有技术中光学补偿双折射型液晶显示装置驱动原理的示意型剖面图。按照图2A，在未向液晶材料层施加电压时，液晶材料层具有斜展结构。按照图2B，当施加了一个转换电压时，液晶材料层具有弯曲结构。按照图2C，当施加多个电压时液晶材料层的液晶分子从弯曲结构变为垂直排列。因此，OCB型LCD装置的响应比TN型LCD装置的响应要快。
发明内容
因此，本发明涉及光学补偿式双折射型液晶显示装置和制造光学补偿式双折射型液晶显示装置的方法，所述装置和方法基本上克服了因现有技术的局限和缺点造成的一个或多个问题。
本发明的目的是提供一种具有快速响应和宽视野的光学补偿式双折射型液晶显示装置。
本发明的另一个目的是提供一种制造具有快速响应和宽视野的光学补偿式双折射型液晶显示装置的方法。
本发明的其它特征和优点将在下面的说明中给出，其中一部分特征和优点可以从说明中明显得出或是通过对本发明的实践而得到。通过在文字说明部分、权利要求书以及附图中特别指出的结构，可以实现和获得本发明的目的和其它优点。
为了得到这些和其它优点并根据本发明的目的，作为具体和广义的描述，本发明的光学补偿双折射型液晶显示装置包括彼此面对且相互隔开一定距离的第一和第二基板；设在第一和第二基板之间、且在未施加电压时，呈斜展状态，而当施加了转换电压时则呈弯曲状态的液晶材料层；设在第一基板外表面上的第一补偿膜；设在第一补偿膜上的第一偏光片；设在第二基板外表面上的第二补偿膜；和设在第二补偿膜上的第二偏光片，其中处于斜展状态下的液晶材料层具有第一延迟值(R1)，该值满足式(1)：
                1.35＜R1/λ＜1.75    (1)
对处于弯曲状态的液晶材料层，在施加适合白色图像的白色电压时，具有式(2)的第二延迟值(R2)：
                0.5＜R2/λ＜0.7      (2)
而当施加适合黑色图像的黑色电压时，具有式(3)中的第三延迟值(R3)：
                0.1＜R3/λ＜0.15     (3)
按照另一方面，本发明所述制造光学补偿式双折射型液晶显示装置的方法包括：形成彼此面对并相隔一定距离的第一和第二基板；在第一和第二基板之间形成当不施加电压时处于斜展状态，而当施加转换电压时成为弯曲状态的液晶材料层；在第一基板的外表面上形成第一补偿膜；在第一补偿膜上形成第一偏光片；在第二基板的外表面上形成第二补偿膜；和在第二补偿膜上形成第二偏光片，其中处于斜展状态下的液晶材料层具有第一延迟值(R1)，该值满足式(1)：            1.35＜R1/λ＜1.75      (1)
对于处于弯曲状态的液晶材料层，在施加适合白色图像的白色电压时，具有式(2)的第二延迟值(R2)：0.5＜R2/λ＜0.7    (2)
而当施加适合黑色图像的黑色电压时，具有式(3)中的第三延迟值(R3)：
            0.1＜R3/λ＜0.15        (3)
其中所述装置进一步包括：设在第一基板和液晶材料层之间的第一定向膜；和设在第二基板和液晶材料层之间的第二定向膜，其中第一定向膜与第二定向膜具有相同的排列方向。
很显然，上面的一般性描述和下面的详细说明都是示例性和解释性的，其意在对本发明的权利要求作进一步解释。
附图说明
本申请所包含的附图用于进一步理解本发明，其与说明书相结合并构成说明书的一部分，所述附图表示本发明的实施例并与说明书一起解释本发明的原理。附图中：
图1是现有技术中包含补偿膜的光学补偿式双折射型液晶显示装置的示意性透视图；
图2A-2C是表示现有技术中光学补偿式双折射型液晶显示装置驱动原理的示意型剖面图；
图3A所示的曲线图表示的是本发明中示例性OCB型LCD装置的CIE1931色度坐标系统中折射率各向异性值的第一比值和色坐标特性之间的关系；
图3B所示的曲线图表示的是本发明中另一个示例性OCB型LCD装置的CIE1931色度坐标系统中折射率各向异性值的第二比值和色坐标特性之间的另一种关系；
图4A所示的曲线图表示的是按照本发明所述OCB型LCD装置的示例性有效延迟值与电压的对应关系；
图4B所示的曲线图表示的是按照本发明所述OCB型LCD装置的示例性透射率变化与电压的对应关系；和
图5是表示本发明中OCB型LCD装置中示例性补偿膜的示意图。
具体实施方式
现在将详细说明本发明的实施例，所述实施例的实例示于附图中。
表1表示在按照本发明所述常时亮态模式(Normally White Model)下，弯曲弹性模量与适合OCB型LCD装置黑色图像的电压之间的关系。表2表示在按照本发明所述常时亮态模式下，介电常数各向异性和适合OCB型LCD装置黑色图像的电压之间的关系。为了便于在说明书中进行讨论，而把在常时亮态模式下适合OCB型LCD装置黑色图像的电压称为黑色电压(Black Voltage)。
                表1
    弯曲弹性模量(K33)     黑色电压
    9.0     5.6V
    9.9     5.9V
    10.8     6.1V
                表2
    介电常数各向异性(Δε)     黑色电压
    11.9     5.3V
    10.6     5.9V
    8.6     6.8V
如表1和表2中所示，当弯曲弹性模量“K33”降低而介电常数各向异性“Δε”提高时，可以用低驱动电压驱动OCB型LCD装置，其中弯曲结构变得更加稳定。例如，当弯曲弹性模量“K33”和介电常数各向异性“Δε”满足式(4)时，可以用低电压稳定地驱动OCB型LCD装置。
            0.85＜K33/Δε＜1.5        (4)
表3表示多个TN型LCD装置的液晶样品中不同的折射率各向异性与温度之间的关系。表4表示多个OCB型LCD装置的液晶样品中不同的折射率各向异性与温度之间的关系。为了在背光单元的环境加热条件下能得到稳定工作的OCB型LCD装置，需要确定OCB型LCD装置从向列相到各向同性相的相位转换温度范围。例如，如果背光单元的温度约为40℃，则OCB型LCD装置的环境工作温度取决于其特定的使用条件和使用年限。
                                        表3
  温度(T)     标准化的折射率各向异性(Δn(T)/Δn(20℃))
样品1(Tni：103℃)     样品2(Tni：96℃)     样品3(Tni：83℃)     样品4(Tni：75℃)
  0℃   1.0486   1.0546
  20℃   1.0000   1.0000   1.0000   1.0000
  40℃   0.9527   0.9516   0.9222   0.9027
  60℃   0.8879   0.8722   0.7901   0.7668
                                            表4
温度(T)     标准化的折射率各向异性(Δn(T)/Δn(20℃))
  样品1(Tni：117℃)   样品2(Tni：87℃)   样品3(Tni：82℃)   样品4(Tni：81℃)   样品5(Tni：79℃)
 0℃     1.0510     1.0703     1.0736     1.0713     1.0700
 20℃     1.0000     1.0000     1.0000     1.0000     1.0000
 40℃     0.9414     0.9103     0.9085     0.9027     0.9101
 60℃     0.8716     0.7951     0.7747     0.7648     0.7753
按照表3，在约20℃的温度下，TN型液晶样品的折射率各向异性“Δn(20℃)”约为0.08，而表4中的OCB型液晶样品，在温度约为20℃时，其折射率各向异性“Δn(20℃)”约为0.16。在表3和表4中，用“Tni”表示从向列相到各向同性相的相位转换温度。而且在不同的温度下测量每个样品的折射率各向异性并在约20℃的温度下对折射率各向异性进行标准化处理。
按照表3和表4，当相位转换温度“Tni”升高时，折射率各向异性的温度依赖性将降低。因此，为了得到相对于环境加热很稳定的OCB型LCD装置，液晶的相位转换温度“Tni”应满足式(5)：
                90℃＜Tni＜130℃    (5)
图3A所示的曲线图表示的是本发明中示例性OCB型LCD装置的CIE1931色度坐标系统中折射率各向异性值的第一比值和色坐标特性之间的关系。图3B所示的曲线图表示的是本发明中另一个示例性OCB型LCD装置的CIE1931色度坐标系统中折射率各向异性值的第二比值和色坐标特性之间的另一种关系。在图3A和图3B中，第一和第二比值“ΔnLC1(400nm/550nm)”和ΔnLC2(400nm/550nm)”分别约为1.551和1.273。
按照图3A和图3B，第一比值“ΔnLC1(400nm/550nm)”的蓝色偏移大于第二比值nLC2(400nm/550nm)”的蓝色偏移。因此，可以将折射率各向异性值的比值“ΔnLC(400nm/550nm)”设计成满足式(6)，以减小蓝色偏移和提高对比度。
        1.2＜ΔnLC(400nm/550nm)＜1.3    (6)
图4A所示的曲线图表示的是按照本发明所述OCB型LCD装置的示例性有效延迟值与电压的对应关系。图4B所示的曲线图表示的是按照本发明所述OCB型LCD装置的示例性透射率变化与电压的对应关系。在图4A和图4B中使用了常时亮态模式的OCB型LCD装置。
在图4A和图4B中，如果在OCB型LCD装置中不使用补偿膜，则在有效的电压区内不能得到完全的黑色状态。例如，在所有波长范围内，当液晶材料的延迟值与补偿膜的延迟值相同时，可以得到黑色状态。当液晶材料的延迟值与补偿膜的延迟值不同时，对比度降低而且出现色移。因此，要将延迟值设计得满足适合斜展状态的式(7)，和适合弯曲状态的式(8-1)和(8-2)。
斜展状态
            1.35＜R(V＝0)/λ＜1.75    (7)
其中R(V＝0)是当施加的电压为0时的延迟值。
弯曲状态
        0.5＜R(V＝V白)/λ＜0.7    (8-1)
其中R(V＝V白)是施加了适合白色图像的电压时的延迟值。
        0.1＜R(V＝V黑)/λ＜0.15   (8-2)
其中R(V＝V黑)是施加了适合黑色图像的电压时的延迟值。
图5是表示本发明中OCB型LCD装置中示例性补偿膜的示意图。在图5中，补偿膜150包括宽视野(WV)膜150a和三乙酸纤维素(TAC)膜150b，其中在WV膜150a和TAC膜150b之间设有偏光片170。WV膜150a包括盘状液晶膜152和双轴膜154，其中TAC150b可以看作是一种双轴膜。可以将盘状液晶膜152和TAC膜150b(包括双轴膜154)设计成使得延迟值的比值分别满足式(9)和(10)。
盘状液晶膜
        2.8≤Rth/Re≤3.2      (9)
其中Rth是通过(nz-(nx+ny)/2)d得出的延迟值，而Re是通过(nx-ny)d得出的延迟值。
TAC(双轴膜)
        4.8≤Rth/Re≤5.2      (10)
其中Rth是通过(nz-(nx+ny)/2)d得出的延迟值，而Re是通过(nx-ny)d得出的延迟值。
此外，为了提高补偿效果，可以将盘状液晶材料膜设计成使其波长扩散与液晶材料层的波长扩散相同。因此，盘状液晶膜的折射率各向异性值的比值可以满足式(11)：
        1.2＜Δn盘状(400nm/550nm)＜1.3    (11)
因此，通过利用设计参数和在制造过程中控制液晶盒以及补偿膜便可得到具有快速响应、宽视角、高亮度和低驱动电压的OCB型LCD装置。
对于熟悉本领域的技术人员来说，很显然，在不脱离本发明构思或范围的情况下，可以对本发明所述OCB型LCD装置和制造OCB型LCD装置的方法做出各种改进和变型。因此，本发明意在覆盖那些落入所附权利要求及其等同物范围内的改进和变型。

Claims (20)

1.一种光学补偿双折射型液晶显示装置，包括：
彼此面对且相互隔开一定距离的第一和第二基板；
设在第一和第二基板之间的液晶材料层，该液晶材料层在未施加电压时呈斜展状态，而当施加了转换电压时则呈弯曲状态；
设在第一基板外表面上的第一补偿膜；
设在第一补偿膜上的第一偏光片；
设在第二基板外表面上的第二补偿膜；和
设在第二补偿膜上的第二偏光片，
其中处于斜展状态下的液晶材料层具有第一延迟值R1，该值满足：
                     1.35＜R1/λ＜1.75
处于弯曲状态的液晶材料层在施加适合白色图像的白色电压时，具有第二延迟值R2，该值满足：
                     0.5＜R2/λ＜0.7
而当施加适合黑色图像的黑色电压时，具有第三延迟值R3，该值满足：
                      0.1＜R3/λ＜0.15。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：
设在第一基板和液晶材料层之间的第一定向膜；和
设在第二基板和液晶材料层之间的第二定向膜，
其中第一定向膜与第二定向膜具有相同的排列方向。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，处于弯曲状态的液晶材料层所具有的弯曲弹性模量K33和介电常数各向异性Δε满足：
                      0.85＜K33/Δε＜1.5。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，液晶材料层从向列相到各向同性相的相位转换温度Tni满足：
                      90℃＜Tni＜130℃。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在波长为400nm和550nm时液晶材料层的折射率各向异性值的比值ΔnLC(400nm/550nm)满足：
                      1.2＜ΔnLC(400nm/550nm)＜1.3。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，第一补偿膜包括设在第一基板外表面上的第一盘状液晶膜和设在第一盘状液晶膜上的第一双轴膜，其中第二补偿膜包括设在第二基板外表面上的第二盘状液晶膜和设在第二盘状液晶膜上的第二双轴膜。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当波长为400nm和550nm时，第一和第二盘状液晶膜中每一个的折射率各向异性值的比值Δn盘状(400nm/550nm)满足：
               1.2＜Δn盘状(400nm/550nm)＜1.3。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，通过Rth＝{nz-(nx+ny)/2}d和Re＝(nx-ny)d得出的第一和第二盘状液晶膜中每一个的延迟值Rth和Re的比值Rth/Re满足：
               2.8≤Rth/Re≤3.2。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，进一步包括设在第一偏光片上的第一三乙酸纤维素膜和设在第二偏光片上的第二三乙酸纤维素膜。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，通过Rth＝{nz-(nx+ny)/2}d和Re＝(nx-ny)d得出的第一和第二双轴膜以及第一和第二三乙酸纤维素膜中每一个的延迟值Rth和Re的比值Rth/Re满足：
              4.8≤Rth/Re≤5.2。
11.一种制造光学补偿双折射型液晶显示装置的方法，包括：
形成彼此面对并相隔一定距离的第一和第二基板；
在第一和第二基板之间形成液晶材料层，该液晶材料层在不施加电压时处于斜展状态，而在施加转换电压时成为弯曲状态；
在第一基板的外表面上形成第一补偿膜；
在第一补偿膜上形成第一偏光片；
在第二基板的外表面上形成第二补偿膜；和
在第二补偿膜上形成第二偏光片，
其中处于斜展状态下的液晶材料层具有第一延迟值R1，该值满足：
              1.35＜R1/λ＜1.75
对于处于弯曲状态的液晶材料层，在施加适合白色图像的白色电压时，具有第二延迟值R2，该值满足：
               0.5＜R2/λ＜0.7
而当施加适合黑色图像的黑色电压时，具有第三延迟值R3，该值满足：
              0.1＜R3/λ＜0.15。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在第一基板和液晶材料层之间形成第一定向膜；以及
在第二基板和液晶材料层之间形成第二定向膜，
其中第一定向膜与第二定向膜具有相同的排列方向。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，处于弯曲状态的液晶材料层所具有的弯曲弹性模量K33和介电常数各向异性Δε满足：
                  0.85＜K33/Δε＜1.5。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，液晶材料层从向列相到各向同性相的相位转换温度Tni满足：
                  90℃＜Tni＜130℃。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在波长为400nm和550nm时，液晶材料层折射率各向异性值的比值ΔnLC(400nm/550nm)满足：
                 1.2＜ΔnLC(400nm/550nm)＜1.3。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，第一补偿膜包括设在第一基板外表面上的第一盘状液晶膜和设在第一盘状液晶膜上的第一双轴膜，其中第二补偿膜包括设在第二基板外表面上的第二盘状液晶膜和设在第二盘状液晶膜上的第二双轴膜。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，当波长为400nm和550nm时，第一和第二盘状液晶膜中每一个的折射率各向异性值的比值Δn盘状(400nm/550nm)满足：
             1.2＜Δn盘状(400nm/550nm)＜1.3。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过Rth＝{nz-(nx+ny)/2}d和Re(nx-ny)d得出的第一和第二盘状液晶膜中每一个的延迟值Rth和Re的比值(Rth/Re)满足：
            2.8≤Rth/Re≤3.2。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括在第一偏光片上形成第一三乙酸纤维素膜和在第二偏光片上形成第二三乙酸纤维素膜。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，通过Rth＝{nz-(nx+ny)/2}d和Re＝(nx-ny)d得出的第一和第二双轴膜以及第一和第二三乙酸纤维素膜中每一个的延迟值Rth和Re的比值(Rth/Re)满足：
              4.8≤Rth/Re≤5.2。
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