CN1324367C - 具有补偿薄膜的平面内转换液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

公开一种显示器，包括一平面内转换(IPS)模式液晶单元、一偏振器、一补偿薄膜，该补偿薄膜包含一种正双折射材料，这种材料的光轴在垂直于液晶单元平面的平面内倾斜。这种显示器表现出改进的视角特性。

Description

具有补偿薄膜的平面内转换液晶显示器
技术领域
本发明涉及一种显示器，该显示器包括一平面内转换(in-planeswitching)向列型液晶单元、一偏振器和一特别的补偿薄膜。
背景技术
液晶(LC)广泛应用于电子显示器。在这些显示系统中，LC层通常位于一对偏振器层之间。由第一偏振器偏振后的入射光通过液晶单元，并受到液晶中的分子取向的影响，该分子取向可通过作用于该单元上的电压来改变。该改变后的光进入第二偏振器。利用该原理，可以控制从外部光源入射的光包括环境光的传输。实现该控制所需的能量通常大大小于用于其它显示器类型，例如阴极射线管中的发光材料所需的能量。因此，LC技术用于大量电子成像装置，包括但不局限于以轻重量、低功耗和长寿命为重要性能特征的数字表、计算器、便携式计算机、电子游戏机等。
对比度、色彩再现、和稳定的灰度级亮度是使用液晶技术的电子显示器的重要质量标志。限制液晶显示器的对比度的主要因素是光总有“泄漏”出液晶元件或单元的倾向，其中这些液晶元件或单元都处于暗或“黑”像素状态。另外，该泄漏和液晶显示器的对比度也基于观看显示屏的角度。通常，只有在以显示器的法线方向为中心的很窄的视角内才能看到最佳对比度。在彩色显示器中，泄漏问题不仅降低了对比度而且还导致与彩色再现降低相关的色彩或色调的偏移。
液晶显示器(LCD)正在快速的取代CRT(阴极射线管)作为用于台式计算机和其它办公或家庭用设备的监视器。而且预期在最近的将来具有更大屏幕尺寸的LCD电视监视器的数目将急剧增加。但是，除非解决掉视角依赖性问题，例如赋色、对比度降低和亮度反转，LCD作为传统CRT的替代品的应用将被限制。
为了纠正这一问题，采用多种方法。其中一种是在LCD的液晶单元和偏振器之间放置相位延迟薄膜。该薄膜可补偿液晶单元中的光线的相位延迟，从而在保持良好图像质量的同时增大了视角范围。第二种方法是利用一种特定结构的液晶单元。例如，在多畴模式中，可通过适当地将每一像素中的液晶队列分为多个子像素来实现补偿。
在这些方法中，在垂直于液晶单元表面的方向上施加电场，从而控制液晶分子的光轴的方向(光不会看到双折射的方向)。这意味着传统的LCD中的亮度变化主要是由在垂直于液晶单元表面的平面内的液晶光轴方向的变化而导致的。这是当在不同方向传播的光线具有不同的相位延迟时具有很强的视角依赖性的主要原因。
在Ohe等的U.S.专利5600464中公开一种模式，其中在液晶单元的平面内施加电场(下称平面内电场)。这种模式通常作为“平面内转换”模式的缩写被称为IPS模式。在IPS模式液晶显示器中，液晶光轴在保持处于液晶单元的平面内的同时，变化它的方向。这又将产生很好的视角特征。该视角特征(VAC)是指在不同观察方向上对比率的变化。这里观察方向是指图1所示的对于液晶显示器101的一组极性视角(polar viewing angle)α和方位视角(azimuthal viewingangle)β。该极性视角α是指与显示器的法线方向103之间的角，该方位角β是指显示器表面107的平面内的适当的参考方向105和矢量109在显示表面107上的投影108之间的跨度。多种显示图像的性质，例如对比率、色彩和亮度都是角度α和β的函数。
这里有在IPS模式液晶显示器中操作的几种可能类型。Lien等(SIDDigest1996，175-178页)公开了不同的类型，其中液晶初始时采取均匀对准或90度扭转排列。参照图2A、2B、2C、3A、3B、3C、4A、4B和4C在说明书中对它们进行说明。
图2A为处于OFF状态的均匀类型IPS模式液晶单元的顶视图，该OFF状态为没有平面内场的状态。该液晶光轴201在平行于偏振器的透射轴203的方向上均匀取向。一对偏振器的透射轴203、204彼此交叉，其中“交叉”的意思是透射轴形成一角度，该角度范围为90±10°。利用开关209将一对电极205A、205B与电压源207连接。所有图中所示的开关209都是简化的结构。图中所示的开关表示通常的开关元件，例如常用于接通或关断有源矩阵显示器中的一单独像素的薄膜晶体管(TFT)。图2B和2C示出ON状态，该状态具有平面内场。根据液晶的介电各向异性的符号，液晶取向平行(正各相异性，见图2B)或垂直于(负各相异性，图2C)由箭头202表示的平面内场方向。
图3A、3B和3C分别为对应于图2A、2B和2C的侧视图。该均匀类型IPS模式液晶显示器301具有两个玻璃板309A和309B。第一偏振器302附着在玻璃板309A上，第二偏振器303附着在玻璃板309B上。图3A为OFF状态，其中液晶光轴304平行于第一偏振器302的透射轴。在图3B中，液晶光轴304取向平行于电极307A和307B之间产生的平面内场305的方向，而在图3C中取向垂直于平面内场305的方向。介电各向异性在图3B中为正，在图3C中为负。由于液晶光轴304平行于OFF状态中的第一偏振器302的透射轴(图2A和3A)，因此光不会看到双折射，且被第二偏振器303阻挡。这样该OFF状态提供了一暗状态。当处于ON状态时(图2B、2C、3B和3C)，光轴304偏离其原始方向一定角度，且入射光线出现相位延迟。因此，输出光线不再线性偏振。这样，光的一些部分通过第二偏振器303。这对应于亮状态。但是，在实际应用中，如图3D所示，对于OFF状态，液晶光轴304相对于液晶单元平面310(平行于玻璃板的表面，例如309A、309B的平面)具有非零倾角。这是例如通过机械摩擦实现的对准过程的结果，且该角通常小于10度。我们可以将液晶光轴304的方位方向311定义为该液晶光轴304在单元平面310上的投影。因此，对于OFF(暗)状态，均匀取向的液晶光轴304的方位方向311平行于偏振器302的透射轴。
图4A示出处于OFF状态的扭转类型IPS模式液晶显示器的侧视图。由底和顶玻璃板和一对偏振器402和403形成扭转类型IPS模式液晶显示器411。该第一偏振器402附着在玻璃板401A上，该第二偏振器403放置在玻璃板401B上。此时，该对偏振器402和403的透射轴平行，其中“平行”的意思是该对偏振器的透射轴形成0±10°的范围内的角度。该液晶光轴405表现出90°的方位扭转。在图4A中，该扭转为右手性的，即液晶光轴405沿箭头407所示的增加厚度的方向以逆时针方向旋转。如果它在厚度方向上顺时针旋转，则称为左手扭转。当在两个电极413A、413B之间施加平面内场时，则发生扭转退绕。图4B和4C分别示出在平面内场中对于正和负的介电各向异性的处于ON状态的液晶状态示意图。在OFF状态下(图4A)，在第一偏振器402的透射轴的方向上偏振的入射光旋转90°，并被第二偏振器403吸收。这样实现暗状态。而在对应于图4B和4C的ON状态为亮状态，因为由于液晶光轴405的扭转结构的退绕，当光线在进入第二偏振器403时不再是线性偏振。通常，光轴405相对于液晶单元平面441(这里平行于玻璃板401A、401B的表面)具有非零倾角。液晶光轴405的方位方向406定义为光轴405在液晶单元平面441上的投影方向。
采取了多种尝试来改进使用相位延迟薄膜的IPS模式液晶显示器的VAC。图5A、5B、5C和5D示出各种由折射率椭球表示的相位延迟薄膜。在图5A中，光轴503的方向位于平面501内。对应的折射率为非寻常波折射率ne。其它折射率为寻常波折射率no。如果ne＞no，则它称为正A波膜，或者，反之为负A波膜。图5A示出为正的情况。当光轴505垂直于如图5B所示的平面501时，则薄膜通常称为C薄膜。如果ne＞no，为正，相反为负。图5B中的实例为正。当具有两种折射率，寻常波折射率no和非寻常波折射率ne时，该A薄膜和C薄膜为单轴膜。在单轴媒介中，可使用它们的光轴来描述薄膜的结晶取向。这里还有双轴情况，如图5C所示，三个主要折射率nx0、ny0、nz0都不同。该慢轴位于最大折射率的方向上。在图5C所示的例子中，最大折射率为nz0，因此慢轴509垂直于薄膜平面501。通常，如图5D所示，慢轴511可指向相对于薄膜平面501的任何点。在双轴媒介中，该光轴不需平行于该慢轴。但是，下面我们要使用慢轴来描述双轴媒介的取向。
U.S.专利6184957公开了对于IPS模式液晶显示器具有负双折射(ne＜no)的薄膜的使用。当与IPS模式液晶单元结合时，本方法防止在特定视角的灰度反转和赋色。图6A示出本方法应用于扭转类型的IPS模式液晶显示器631的情况。该扭转类型IPS模式液晶单元601夹在偏振器603和薄膜605之间。另一偏振器607位于薄膜605的顶部。该薄膜605在这种情况下包括负双折射率材料且它的光轴在平行于薄膜表面(扭转结构的薄膜)的平面中表现出90°的方位扭转。在这个例子中，薄膜605中的扭转的检测选择为与液晶单元的相反。此时这对偏振器的透射轴609、611交叉。图6A中的显示器的VAC如图6B所示。圆圈621、623和625分别表示对比率400、800和1200。线627跟踪当极性视角α＝30°时对于方位视角0°≤β＜360°的对比率的变化。该方法与非补偿情况相比表现出一些进步，但当β约45°、135°、225°或315°变化时对比率下降。
在另一光学补偿IPS模式液晶显示器的尝试中，Saitoh等(SIDdigest 1998 706-709页)希望改进均匀类型IPS模式液晶显示器。这通过在均匀类型IPS模式液晶单元和偏振器之间放置相位延迟薄膜来实现。该均匀类型IPS模式液晶显示器717如图7A所示。一单独的双轴补偿薄膜701与均匀类型IPS模式液晶单元703和一对偏振器705和707组合使用。双轴补偿薄膜701的慢轴709的方向平行于偏振器705的透射轴方向711和处于OFF状态的均匀类型IPS模式液晶单元703的液晶光轴713的方位方向。另一偏振器705的透射轴711垂直于另一偏振器707的透射轴715。该结构降低OFF状态的光泄漏并增加对比率。但是，这种方法在图3D所示的具有非零倾角的情况下具有很严重的局限性。如上所述，由于实际应用中的校准过程引起液晶光轴304相对于液晶单元平面310具有非零倾角。这引起在OFF状态的光泄漏并导致对比率降低。图7B和7C分别为在＝2°和＝4°时在OFF和ON状态之间对比率的极坐标图。这里绘出了当极性视角α＝30°，方位视角范围为0°≤β＜360°时，对比率721、731(这里，对比率300、600和900分别对应于同心圆723、725和727)的变化。它们证明了在非常宽的方位视角β的范围内，由液晶光轴的倾角的增加导致的对比率的衰减。例如，在β＝150°和330°时，对比率从＝2°(图7B)的550降低到＝4°的小于300。
上述的IPS模式和补偿方法已经对液晶显示器的VAC进行了一定程度的改进。但是在仔细检查后，发明人认识到现有技术的IPS模式液晶显示器不能达到满意的视觉质量。这主要是因为在高视角时对比率会降低。这部分是由于不能忽略的倾角导致的OFF状态中光泄漏，该倾角是液晶光轴相对于液晶单元平面对准的角。而且交叉的偏振器的光泄漏也降低了视觉质量。
改善IPS向列型液晶显示器的VAC是一个需要解决的问题。
发明内容
本发明提供了一显示器，它包括一平面内转换(IPS)模式液晶单元、一偏振器、和一补偿薄膜，该补偿薄膜包括一正双折射材料，以其光轴在垂直于液晶单元平面的平面内倾斜取向，还提供了利用该显示器成像的方法。这种显示器表现出改进的视角特征(VAC)。
附图说明
图1示出一显示器的视角的定义。
图2A为在OFF状态的均匀型IPS模式液晶显示器的顶视图。图2B和2C为ON状态的图。在图2B中，液晶的介电各向异性为正，而在图2C中为负。
图3A、3B和3C分别为对应于图2A、2B和2C的均匀型IPS模式液晶显示器的侧视图。图3D示出对应于图3A液晶光轴具有非零倾角的OFF状态。
图4A为OFF状态的扭转型IPS模式液晶显示器的侧视图。图4B和4C为ON状态。图4B中液晶的介电各向异性为正，而在图4C中为负。图4D示出对应于图4A液晶光轴具有非零倾角的OFF状态。
图5A、5B、5C和5D示出相对于薄膜平面的各种相位延迟薄膜的折射率椭球。图5A和5B分别示出A薄膜和C薄膜。图5C和5D示出双轴薄膜。该慢轴与图5C中的平面成法向，且在图5D中指向任何方向。
图6A为使用扭转型IPS模式液晶单元的现有技术显示器。图6B为在极性视角α＝30°时，对应方位视角β的对比率曲线。
图7A为具有均匀类型IPS模式液晶单元的现有技术显示器结构。图7B和7C为在极性视角α＝30°时，对应方位视角β的对比率曲线。液晶光轴的倾角在图7B和7C中分别为2°和4°。
图8A示出正的双折射率折射率椭球，表现置于基膜上的各向异性层的构成材料。图8B示出具有均匀倾斜的光轴的薄膜。图8C是当光轴方向在厚度方向上改变的情况。
图9A示出本发明显示器的示意图。图9B  出当极性视角α＝30°时对比率相对于方位视角β的曲线图。
图10A示出负的双折射率折射率椭球，表现置于基膜上的各向异性层的构成材料。图10B示出具有扭转结构薄膜的结构。
图11A示出根据本发明显示器的示意图。图11B为对应于图11A的显示器的截面图。图11C为另一显示器结构的截面图，其中扭转结构的层置于正的双折射材料上，且它的光轴在垂直于液晶单元平面的平面中倾斜。图11D为对于图11A、11B和11C所示的显示器，当极性视角α＝30°时对比率相对于方位视角β的曲线图。
具体实施方式
现在在图中标注出了附图标记，其中对本发明的不同元件给出了数字标示，这样将说明本发明从而使本领域技术人员可以实现本发明。
图2A、2B和2C示出均匀类型IPS模式液晶显示器的操作模式。在图2A所示的OFF状态中，液晶光轴201平行于第一偏振器203的透射轴。在图2B和2C所示的ON状态中，液晶光轴201偏离偏振器透射轴203的方向。图3A、3B和3C分别为对应于图2A、2B和2C的截面图。在OFF状态中，通过第一偏振器302的光不会出现双折射，因此被第二偏振器303吸收。因此该OFF状态给出暗状态。另一方面，在ON状态中，光表现出液晶的双折射，因为液晶光轴304偏离于第一偏振器302的透射轴方向。当它到达第二偏振器303时，它不再在垂直于第二偏振器的透射轴的方向上线性偏振，这导致亮态。实现高对比率的一个关键是防止在OFF状态下的光泄漏。由于光轴位于OFF状态的偏振器302的透射轴上，因此可以通过补偿交叉的偏振器来减少光泄漏。图7A所示的这一方法说明了对VAC的一些改进。根据本方法，双轴补偿薄膜701位于均匀类型IPS模式液晶单元703和偏振器705之间。这对偏振器705、717的透射轴711、715交叉。双轴补偿薄膜的慢轴709平行于IPS模式液晶单元703的液晶光轴713的方位方向(此时与水平方向成75°角)和偏振器705的透射轴711。但是，如图3D所示，当光轴304与液晶单元平面310存在非零倾角时，不能阻挡OFF状态的光。由于光泄漏，在没有合适的补偿方法时，不能在所有的方位视角β都实现高对比率。作为一个例子，图7B和7C中示出根据对比率的方位视角依赖性，分别对于＝2°和＝4°的视角特征(VAC)进行比较。该对比率是对于极性视角α为30°时的情况。线721为于倾角＝2°时对比率的极坐标图。如图7C所说明的，如线731所示，倾角增加到4°导致对比率的降低。在本发明中，通过将显示器与补偿薄膜结合，可以显著提高均匀类型IPS模式液晶显示器的VAC，其中该薄膜的光轴在垂直于单元表面的平面中倾斜。
如图8B和8C所示，用于根据本发明的均匀型IPS液晶显示器的补偿薄膜805、813具有一个置于基膜811上的光学各向异性层809。该基膜811的光学特性最好近似于图5B所示的单轴正C薄膜的光学特性。其慢轴垂直于该薄膜的双轴薄膜，例如图5C所示也可以用作基膜811。对于单轴情况(对应于图5B)基膜811的平面外相位延迟Rbase可用它的厚度dbase表示为Rbase＝dbase(ne base-n0 base)，对于双轴情况(对应于图5C)表示为 R base = d base ( n z 0 base - n x 0 base + n y 0 base 2 ) . 这里n0 base和ne base分别为对于单轴基膜的寻常光和非寻常光的折射率。nx0 base、ny0 base和nz0 base为在图5C和5D所示的结构中的双轴基膜的三个主要折射率。Rbase的优选值为60nm＜Rbase＜100nm或更优选为70nm＜Rbase＜90nm。
该各向异性层809包括一种具有单轴或双轴性质的光学属性的材料。该材料的光轴的方向固定为薄膜平面上的一个方位角。该方位角可由基膜811和光学各向异性材料809的一个层之间的一排列层来固定。当该材料具有单轴性质时，如图8A中的折射率椭球801所示，它有两个相等的折射率n0 ans.＝n1＝n2，它们都小于ne ans.＝n3，其中n0ans.和ne ans.分别为各向异性层的连续材料的寻常和非寻常折射率。在单轴情况下，光轴803的方向对应于最大折射率n3，该材料为正双折射。在双轴情况中，所有的折射率具有不同的值，且该光轴不需要位于最大折射率的方向上。
本发明的补偿薄膜805、813如图8B和8C所示。一正的双折射材料淀积在基膜811上。在图8B中，材料807的光轴在薄膜厚度上一致的具有θ1的倾角，而在图8C中倾角变为θ2≠θ3。这里有两种可能的情况，增加(θ2＜θ3)或减小(θ2＞θ3)倾斜。薄膜815的方位方向被定义为光轴倾斜方向807在基膜811的平面上的投影，该平面对应于图8B和8C中的x-y平面。对于一致的情况，倾角θ1的角度在0°＜θ1≤10°范围内或更优选在2°≤θ1≤8°。当倾角改变时，有两种情况，1)减小倾角(θ2＞θ3)和2)增加倾角(θ3＞θ2)。在减小的情况下，θ2和θ3的范围为10°≤θ2≤20°、0°≤θ3≤10°，或更优选10°≤θ2≤15°、0°≤θ3≤5°。增加的情况正好相反，即θ2和θ3的范围为0°≤θ2≤10°、10°≤θ3≤20°，或更优选0°≤θ2≤5°、10°≤θ3≤15°。乘积dans(ne ans-n0 ans)的值的范围优选在120nm＜dans(ne ans-n0 ans)＜150nm，或更优选130nm＜dans(ne ans-n0 ans)＜145nm，其中dans为各向异性层809的厚度。
图9A示出根据本发明的均匀类型IPS模式液晶显示器921的例子。一对偏振器907、908的透射轴相交。该IPS模式液晶单元903位于补偿薄膜905和偏振器908之间。另一偏振器907的透射轴909平行于补偿薄膜913的方位方向。它也平行于在OFF状态下的均匀类型IPS模式液晶单元903的液晶光轴911的方位方向。这对偏振器908、907的透射轴901、909相交。该补偿薄膜905具有如图8C所示的薄膜813的结构，其中基膜具有正C薄膜光学特性。产生的VAC如图9B所示。同心圆923、925、927分别指示对比率300、600和900。线929表示当从与显示器法线成30°角来观看显示器，即α＝30°时，对比率对不同方位视角β的变化。与图7C所示的现有技术显示器717的VAC相比，根据本发明的显示器的对比率的改进已经由图9B中的VAC表示出来。显示器717和921具有相同的液晶光轴304的倾角＝4°。例如，对于β＝150°和330°的对比率已经从小于300增加到550或更大。应当理解补偿薄膜905也可以采用图8B所示的薄膜805的结构。
根据本发明，扭转类型IPS模式液晶显示器利用结合补偿薄膜和一扭转结构的薄膜来进行补偿，该补偿薄膜包括一正双折射材料，该材料的光轴在垂直于液晶单元平面的平面内倾斜。该扭转结构的薄膜包括一负双折射材料，它在光轴方向上表现出扭转结构。该补偿薄膜包括一种正双折射材料，该材料的光轴在垂直于液晶单元平面的平面中倾斜。
根据本发明，该扭转类型IPS模式液晶显示器还由一薄膜补偿，该薄膜包括一种正双折射材料和一种负双折射材料，该正双折射材料的光轴在垂直于液晶单元平面的平面中倾斜，该负双折射材料的光轴沿厚度方向扭转。
在U.S.6184400中公开了负双折射扭转结构薄膜用于扭转向列模式液晶显示器。图10A示出用于负双折射材料的折射率椭球1001。该光轴位于箭头1003所示的方向。折射率满足关系式n3＜n1≈n2。这里对于单轴情况，ne neg＝n3且n0 neg＝n1＝n2(即ne neg＜n0 neg)。负双折射材料的寻常和非寻常折射率由n0 neg和ne neg表示。图10B中示出扭转结构的薄膜1013的例子。该扭转结构的层1011淀积在基膜1009上。该基膜1009的光学特性优选为各向同性。如本领于技术人员所公知，一各向同性材料具有三个相等的主要折射率，即n1＝n2＝n3。也可使用具有弱的单轴或双轴特性的薄膜。在层1011内部，负双折射薄膜的光轴1005、1007在薄膜平面中旋转90°。该旋转的手型性最好与扭转类型IPS模式液晶单元的相反。在图10B的例子中，在层1011内部的旋转为右手向。薄膜dneg的厚度满足0.8Rcell＜dneg(n0 neg-ne neg)＜1.2Rcell或更优选为0.9Rcell＜dneg(n0 neg-ne neg)＜1.1Rcell，其中Rcell为扭转类型IPS模式液晶单元的相位延迟。它由Rcell＝dcell(ne k-n0 k)来给出，其中dcell为扭转类型IPS模式液晶单元的厚度。ne k和n0 k分别为液晶对于寻常和非寻常光的折射率。
用于扭转类型IPS模式液晶显示器的补偿薄膜具有如图8B所示的薄膜805或如图8C所示的薄膜813的结构。利用图8B所示的均匀倾角结构，θ1优选在0°＜θ1＜6°或更优选在0°＜θ1＜4°的范围内。当倾斜改变，如图8C所示情况时，可能有两种情况：1)减小倾角θ2＞θ3和2)增加倾角θ2＜θ3。在第一种情况下，θ2和θ3的值的范围优选为0°＜θ2≤8°、0°≤θ3≤4°，或更优选为0°＜θ2≤4°、0°≤θ3≤2°。对于增加的情况，它正好与减小的情况相反，即θ2和θ3的值的范围优选为0°≤θ2≤4°、0°＜θ3≤8°，或更优选为0°≤θ2≤2°、0°＜θ3≤4°。
图11A为本发明显示器1149的实施例之一。在补偿薄膜1111和扭转结构薄膜1105之间夹有一扭转类型IPS模式液晶单元1107。使用一对偏振器1103和1109，它们的透射轴1101和1103交叉。该补偿薄膜1111的方位方向1115平行于相邻偏振器1109的透射轴1113。
图11B为图11A中显示器1149在OFF状态时的截面图。该扭转类型IPS模式液晶单元1107具有一底玻璃板1123A和顶玻璃板1123B和用于提供平面内场的一组电极1125A、1125B。在该单元的底部，液晶光轴1173的方位方向1171平行于偏振器1109的透射轴。在该单元的顶部，液晶光轴(未示出)的方位方向1163平行于顶部偏振器1103的透射轴。在淀积在基层1104上的扭转结构层1167的内部，该负双折射材料具有扭转结构。在图11B所示的例子中，扭转类型IPS模式液晶单元1107内部的液晶光轴扭转的手型性为右。对应的，扭转结构层1167具有左手扭转结构。该扭转结构层1167的光轴1161和在它们边界界面1165处的液晶光轴的方位方向1163彼此平行。
图11C示出具有一薄膜的显示器1159的截面图，该薄膜包括一正双折射材料和一负双折射材料，该正双折射材料的光轴在垂直于液晶单元平面的平面内倾斜，该负双折射材料的光轴沿厚度方向扭转。此时，用于补偿单元1107的薄膜的结构为：其中扭转结构的层1167位于补偿薄膜1111上。该补偿薄膜1111可具有图8B(805)或图8C(813)所示结构中的任一个。当在图11A和11B的显示器的情况下，扭转结构的层1167的光轴1161和液晶光轴1169的方位方向1163在它们的边界接界面1165上彼此平行。
图11D示出图11A和11B所示的扭转类型IPS模式液晶显示器1149的VAC。在该例子中，补偿薄膜1111的结构为图8B所示的805的结构。在极性视角α＝30°时，相对于0≤β＜360°，线1151示出VAC相对于对比率的变化。圆圈1153、1155、1157分别对应于对比率400、800和1200。与图6A所示的现有技术扭转类型IPS模式液晶显示器631的图6B所示的VAC相比，本发明具有进步。例如，在β＝45°、135°、225°和315°时的对比率已经从400或400以下增加为大于800。显示器1159表现出显示器1149的等效VAC。
图8B和8C所示的光学各向异性层809可由多种方法实现。一个例子是Schadt等(Japanese Journal of Applied Physics，部分2(letters)v34 n 6 1995 pp.L764-767)提出来的光校准方法。例如，在基膜上涂上一薄的对准层，然后用偏振光辐射。然后液晶单体涂在该排列层上并利用进一步辐射使之聚合。在各向异性层中的光轴的倾斜是基于辐射角、各向异性层厚度以及材料的属性。而且，可以通过机械摩擦排列层的表面来实现所需的排列。其它已知的方法利用剪切力来取向和电场或磁场的作用。可以使用相同的排列方法来准备包括负双折射薄膜的扭转结构薄膜，从而在层1011的底部获得在光轴1007的均匀的方向。例如，可以通过U.S.专利6245398中所述的方法来实现该具有所需的手型性的在层厚度方向上的扭转结构。
IPS模式液晶显示器中的电极结构还有很多变化，例如U.S.专利6362032中所教导的。如果光轴保持与处于ON或OFF状态中的一种状态的液晶单元平面足够平行(在±10°内)，则本发明同样可用于具有所有这些电极结构变化的IPS模式液晶显示器。
本发明可与电子液晶显示装置一起使用。实现这种控制所需的能量通常大大小于在其它显示类型例如阴极射线管中所用的发光材料所需的能量。因此，液晶技术可用于大量应用，包括但不局限于数字表、计算器、便携式计算机、电子游戏机等以轻重量、低功耗和长寿命作为重要特征的装置。
在下面的例子中，使用Merck Inc.出产的液晶ZLI-4621。
例子1：如图9A所示的均匀类型IPS模式液晶显示器921。
该单元厚度为3.47微米，这使得对于波长为550nm的光来说Rcell＝342nm。补偿薄膜905具有如图8C所示的θ2＝11°且θ3＝2°的薄膜813结构。各向异性层809具有乘积dans(ne ans-n0 ans)＝140nm。基膜811具有正C薄膜光学属性，Rbase＝80nm。该OFF状态对应于施加的电压为0V，而在ON状态时，施加的电压为10V。两个相邻电极之间的距离为15微米，电极宽度为7微米。液晶光轴在单元表面310的倾角为4°。该显示结构如图9A所示，且它的VAC如图9B所示。
本发明的显示器921与图7C所示的现有技术显示器717相比具有更好的VAC(如图9B所示)。显示器921与图7A所示的现有显示器717相比，对很宽范围的方位视角β具有增加的对比率。
例子2：图11A和11B所示的扭转型IPS模式液晶显示器1149。
该单元厚度为4.96微米，两相邻电极之间的距离为15微米，电极宽度为7微米。在该扭转类型IPS模式液晶单元中的液晶光轴扭转90°，且扭转为右手向。补偿薄膜1111具有θ1＝2°时图8B所示的薄膜805的结构。该补偿薄膜的基膜811的相位延迟Rbase为80nm。该各向异性层809具有乘积dans(ne ans.-n0 ans.)＝135nm。扭转结构薄膜1105的基膜1104最好为光学各向同性。该扭转结构层1167内部的负双折射材料的光轴扭转90°，且扭转为左手型。假设等式dneg(n0 neg-ne neg)＝dcell(ne k-n0 k)。该OFF电压为0V且ON电压为13V。液晶光轴的倾角为3°。图11D示出如图11A和11B所示的扭转类型IPS模式液晶显示器1149的VAC。本发明的显示器1149与图6A所示的现有技术显示器631相比具有更好VAC。显示器1149与现有显示器631相比对于很宽的方位视角β具有增加的对比率。特别的，在角度β＝45°、135°、225°和315°时增加更为明显。
本发明的实施例可提供更好的方法来防止IPS模式液晶显示器的OFF状态下的光泄漏；还可通过将IPS模式液晶单元与补偿薄膜结合利用IPS模式提供宽视角LCD；还可提供包括本发明的显示器的电子装置和用于准备实现本发明显示器的方法。包括正双折射材料的补偿膜可用于与均匀和扭转类型IPS模式液晶单元结合，该材料的光轴在垂直于液晶单元平面的平面内倾斜。
本发明的实施例提供了一种显示器，其中在IPS模式液晶单元和偏振器之间放置补偿薄膜；包括一位于正双折射层和基膜之间的对准层；其中，横跨层的厚度方向，正双折射材料层的光轴的倾斜是一致的；其中横跨层的厚度方向，正双折射材料层的光轴的倾斜变化；其中该补偿薄膜位于IPS模式液晶单元和偏振器之一之间；其中当没有施加场时，该方位旋转为右手向或左手向；且其中可通过任何手段，例如光校准、机械摩擦、利用剪切力等，或利用电场或磁场效应，来实现补偿薄膜中的正双折射材料的光轴的取向。
在说明书中涉及的专利和其它公开物的全部内容都通过引用结合在此。
部件列表
101液晶显示器
103显示器法线方向
105液晶显示器的方位参考方向
107液晶显示器表面
108观看方向在显示器表面上的投影
109指示观看方向的矢量
201液晶光轴
202指示平面内电场方向的箭头
203偏振器的透射轴
204偏振器的透射轴
205A、205B用于平面内电场的电极对
207电压源
209开关
301均匀类型IPS模式液晶显示器
302偏振器
303偏振器
304液晶光轴
305指示平面内电场方向的箭头
307A、307B用于平面内电场的电极对
309A、309B底和顶玻璃板
310液晶单元平面
311液晶光轴304的方位方向
401A、401B底和顶玻璃板
402偏振器
403偏振器
405液晶光轴
406液晶光轴405的方位方向
407指示厚度方向的箭头
411扭转类型IPS模式液晶显示器
413A、413B用于平面内电场的电极对
441液晶单元平面
501相位延迟薄膜平面
503光轴
505光轴
509慢轴
511慢轴
601扭转类型IPS模式液晶单元
603偏振器
605扭转结构薄膜
607偏振器
609偏振器603的透射轴
611偏振器607的透射轴
621指示对比率400的圆圈
623指示对比率800的圆圈
625指示对比率1200的圆圈
627表示对比率对不同方位视角β的变化的线
631扭转类型IPS模式液晶显示器
701双轴补偿薄膜
703均匀类型IPS模式液晶显示单元
705偏振器
707偏振器
709双轴补偿薄膜的慢轴
711偏振器705的透射轴
713均匀类型IPS模式液晶单元703在OFF状态下的液晶光轴的方位方向
715偏振器707的透射轴
717均匀类型IPS模式液晶显示器
721表示对比率对于不同方位视角β的变化的线
723指示对比率300的圆圈
725指示对比率600的圆圈
727指示对比率900的圆圈
731表示对比率对于不同方位视角β的变化的线
801表示正双折射材料的折射率椭球
803光轴的方向
805光轴均匀统一倾斜的补偿薄膜
807光轴
809光学各向异性层
811基膜
813具有变化的光轴方向的补偿薄膜
815补偿薄膜的方位方向
901偏振器908的透射轴
903均匀类型IPS模式液晶单元
905补偿薄膜
907偏振器
908偏振器
909偏振器907的透射轴
911均匀类型IPS模式液晶单元的处于OFF状态的液晶光轴的方位方向
913补偿薄膜的方位方向
921根据本发明的均匀类型IPS模式液晶显示器
923指示对比率300的圆圈
925指示对比率600的圆圈
927指示对比率900的圆圈
929表示对比率对于不同方位视角β的变化的线
1001表示负双折射材料的折射率椭球
1003指示光轴方向的箭头
1005层1011顶部的光轴
1007层1011底部的光轴
1009基膜
1011扭转结构的层
1013扭转结构的层
1101偏振器1103的透射轴
1103偏振器
1104基膜
1105扭转结构的薄膜
1107扭转类型IPS模式液晶单元
1109偏振器
1111补偿薄膜
1113偏振器1109的透射轴
1115补偿薄膜1111的方位方向
1123A、1123B一对底和顶玻璃板
1125A、1125B一对用于产生平面内电场的电极
1149根据本发明的扭转类型IPS模式液晶显示器
1151表示对比率对于不同方位视角β的变化的线
1153指示对比率400的圆圈
1155指示对比率800的圆圈
1157指示对比率1200的圆圈
1159根据本发明的扭转类型IPS模式液晶显示器
1161负双折射材料在界面1165处的光轴
1163液晶光轴1169的方位方向
1165扭转结构的薄膜1105和扭转类型IPS模式液晶单元1107之间的界面
1167扭转结构的层
1169液晶光轴
1171液晶光轴1173的方位方向
1173液晶光轴

Claims (10)

1.一种显示器，包括一平面内转换(IPS)模式液晶单元、一偏振器、一补偿薄膜，该补偿薄膜包含一种正双折射材料，其光轴取向为在垂直于液晶单元平面的平面内倾斜，其中光轴
(I)在均匀类型IPS单元的情况下，如下倾斜：
(a)在均匀倾斜的补偿膜的情况下，光轴以一角度倾斜，使得0°＜θ1≤10°；
(b)在渐减倾斜的补偿膜的情况下，光轴以一角度倾斜，使得10°≤θ2≤20°且0°≤θ3≤10°；
(c)在渐增倾斜的补偿膜的情况下，光轴以一角度倾斜，使得0°≤θ2≤10°且10°≤θ3≤20°；以及
(II)在扭转类型IPS单元的情况下，如下倾斜：
(a)在均匀倾斜的补偿膜的情况下，光轴以一角度倾斜，使得0°＜θ1＜6°；
(b)在渐减倾斜的补偿膜的情况下，光轴以一角度倾斜，使得0°＜θ2≤8°且0°≤θ3≤4°；
(c)在渐增倾斜的补偿膜的情况下，光轴以一角度倾斜，使得0°≤θ2≤4°且0°＜θ3≤8°。
2.如权利要求1所述的显示器，包括一对偏振器，分别置于该IPS模式液晶单元的每一侧上，该对偏振器的透射轴交叉。
3.如权利要求1或2所述的显示器，其中正双折射材料置于一基膜上，该基膜具有正的光学各向异性，光轴或慢轴沿基膜的法线方向。
4.如权利要求1或2所述的显示器，其中当没有施加场时，液晶光轴的方位方向均匀取向，取向为与偏振器中的一个的透射轴平行的方向。
5.如权利要求1或2所述的显示器，其中IPS模式液晶单元内部的液晶光轴表现出相对于单元厚度方向的方位旋转。
6.如权利要求5所述的显示器，其中在偏振器和IPS模式液晶单元之间放置一附加光学各向异性薄膜，所述光学各向异性薄膜包含负双折射材料且所述负双折射材料的光轴表现出具有IPS模式液晶单元内部的液晶光轴旋转的相反手型性的方位旋转。
7.如权利要求6所述的显示器，其中乘积dneg(n0 neg-ne neg)满足0.8Rcell＜dneg(n0 neg-ne neg)＜1.2Rcell，其中n0 neg和ne neg分别为负双折射材料的寻常和非寻常折射率，dneg为所述包含负双折射率材料的光学各向异性薄膜的厚度，Rcell为扭转类型IPS模式液晶单元的相位延迟。
8.如权利要求6所述的显示器，其中所述光学各向异性薄膜的光轴和IPS模式液晶单元内部的液晶光轴在它们的边界界面处彼此平行。
9.如权利要求6所述的显示器，其中包含正双折射材料的补偿薄膜置于基膜上，该基膜为正光学各向异性，光轴或慢轴沿基膜的法线方向。
10.形成如权利要求1所述的显示器的方法，其中该补偿薄膜中的正双折射材料的光轴的取向通过光对准来实现。
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