CN1381757A - 一种光学器件及液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学器件,包括:圆偏振器;视角补偿板;折射率ND 20不小于1.485的粘结层;圆偏振器和视角补偿板通过粘结层相互叠放在一起。一种液晶显示装置,包括:至少一个上述的光学器件;液晶盒;折射率ND 20不小于1.485的粘结层,光学器件通过粘结层粘结到液晶盒的至少一个相对的表面上。

Description

一种光学器件及液晶显示装置
本发明基于日本特许公报No.2001-116431，此公报在本发明中用作参考。
技术领域
本发明涉及一种能用于组成液晶显示装置的光学器件，这种液晶显示装置的可视性，例如在较宽视角下的对比度和亮度均非常好。
背景技术
迄今为止，在采用液晶显示的大屏幕电视或类似装置中需要在垂直和水平方向上的80度视角范围内的对比度为10或更高。考虑到这个要求，在Proceedings of SID2000[31，35.3(2000)902]中提出了一种基于分区(split portions)是将每一像素划分为多个域来得到而不是采用单域型从而在液晶面板中采用圆偏振器的方法来解决由于数值孔径减小而引起的亮度降低的问题。在液晶面板中如同多域的垂直对准(VA)模式一样将液晶取向划分为微域，用于补偿每一域和另一域(像素)中产生的光程差(retardation)，从而在较宽的视角内达到良好的可视性。然而，当显示黑色时，会出现由光的泄漏而引起的对比度降低的问题。
发明内容
本发明的一个目的是发展一种光学器件，其通过采用圆偏振器可以防止基于圆偏振模式的像素划分显示方法中的对比度降低的问题，从而可以组成一种液晶显示装置，其可视性例如在较宽视角下的对比度和亮度均非常好。
根据本发明提供了一种光学器件，其包括：圆偏振器；视角补偿板；折射率ND 20不小于1.485的粘结层，圆偏振器和视角补偿板通过此粘结层相互叠放在一起。根据本发明提供了一种液晶显示装置，包括至少一个上述光学器件，一液晶盒，以及一折射率ND 20不小于1.485的粘结层，光学器件通过此粘结层粘结在液晶盒的至少一个相对的表面上。
根据本发明可以得到一种光学器件，其将圆偏振器应用于像素划分显示方法时，可以防止由于圆偏振模式引起的对比度降低的问题，从而可以形成一种液晶显示装置，其可视性例如在较宽视角下的对比度或亮度均非常好。这是由于光学器件的界面反射受到抑制而实现的。这就是说，发明人通过研究，克服了在像素划分显示方法中由于圆偏振模式引起的对比度降低的问题。结果发现了以下事实。对于对比度的这种降低，是当圆偏振光在界面上反射时，相位发生180度的变化，使得旋转方向侧向地反相。这样，一部分在液晶显示面板界面反射的圆偏振光转化为非预期的圆偏振光。结果，当显示黑色时这种非预期的圆偏振光就成了泄漏光，使得对比度降低。
因此，提出了一种可以抑制由于界面反射引起的圆偏振光反相的光学器件，克服了在像素划分显示方法中由基于多域取向的圆偏振模式而引起的的对比度降低的问题，从而在较宽的视角内达到良好的对比度显示。另外，在较宽视角的液晶显示中，可以从相对具有较大倾斜视角的显示屏来说的较窄的角度来看图像，界面反射也更显著。因此，抑制界面反射对改善可视性具有重大作用。
附图说明
从下文中对优选实施例的介绍并结合附图，可以清楚本发明的特征及优点。
图1是本发明的实施例的剖视图。
具体实施方式
根据本发明提供了一种光学器件包括：圆偏振器；视角补偿板；折射率ND 20不小于1.485的粘结层，圆偏振器和视角补偿板通过此粘结层相互叠在一起。图1显示了此光学器件的一个示例。在图1中，标号1表示圆偏振器；标号2表示折射率ND 20不小于1.485的粘结层；标号3表示视角补偿板。还有，图1所示的圆偏振器1由线偏振器11和四分之一波片13通过折射率ND 20不小于1.485的粘结层12叠放在一起而制成。在图1中，标号4也表示折射率ND 20不小于1.485的粘结层。粘结层4用于将一个器件与另一器件粘结，并通常由如图1所示的隔离片5暂时地覆盖，因此粘结层4被保护，直到其投入实际使用。
可选择适当的材料来用作圆偏振器，对其种类并无特别的限制。圆偏振器的例子包括由如图1所示的线偏振器和四分之一波片的叠层制成的圆偏振器，以及由在Grandjean结构上取向的胆甾醇型液晶层制成的圆偏振器。
作为线偏振器，对其种类没有特别限制，例如，一种允许线偏振光被透射的、例如为线偏振光分离片(例如由3M公司制造的DBEF)的反射型偏振器，此种分离片由一种多层膜构成，该多层膜由将入射光分离成振动面通过在多层膜内的界面反射垂直地相互交叉的线偏振光的一个反射光成分和一个透射光成分的层压薄膜制成；和其它可以透射线偏振光但吸收其它光的合适材料。最好可以采用偏振片，或者是一个或两个表面都被透明保护层所保护的偏振片作为线偏振器。偏振片的一个例子是拉伸的吸水聚合物膜，例如聚乙烯醇薄膜、部分缩甲醛化的聚乙烯醇薄膜，或者部分皂化的乙烯乙酸乙烯酯聚合物薄膜，其中含有吸附的碘和/或二色性染料。
根据需要，偏振片的一个或每一相对表面上的透明保护层可以由适当的聚合物制成。特别是，透明保护层最好由具有优良透明度、机械强度、热稳定性和防潮性的聚合物制成。透明保护层可由适当的方法形成，如涂敷聚合物溶液的方法，粘结或层压薄膜的方法。
聚合物的特定例子包括：纤维素聚合物，例如二醋酸纤维素或三乙酸纤维素；聚酯聚合物，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚邻苯二甲酸乙二醇酯；丙烯酸类聚合物，例如聚碳酸酯聚合物或聚甲基丙烯酸甲酯；苯乙烯聚合物，例如聚苯乙烯或丙烯腈-苯乙烯聚合物；烯烃聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯、具有环状结构或降冰片烯结构的聚烯烃，或乙烯-丙烯共聚物；以及酰胺聚合物，例如尼龙或芳族聚酰胺。
聚合物的例子还包括：二酰亚胺聚合物，砜聚合物；聚醚砜聚合物；聚醚醚酮聚合物；聚苯硫聚合物；乙烯醇聚合物；烯丙基化聚合物；聚甲醛聚合物；环氧聚合物；乙烯缩丁醛聚合物；这些聚合物的混合物；以及聚合物例如聚酯聚合物，丙烯酸类聚合物，氨基甲酸乙酯聚合物，酰胺聚合物，硅氧烷聚合物，或是通过加热或紫外线照射固化的环氧聚合物。特别地，聚合物最好可以采用具有优良的各向同性的材料，如普通等级的平均折射率ND 20为1.48的三乙酸纤维素。
可用适当的材料来制作将线偏振光转换为圆偏振光的四分之一波片。这种材料的例子包括：由任何种类的聚合物的拉伸薄膜组成的双折射薄膜；液晶聚合物的取向薄膜，例如discotic型液晶聚合物或向列型液晶聚合物；和支撑了这种取向液晶层的透明衬底。在上述透明保护层的介绍中所列出的材料可以适合于形成双折射薄膜。拉伸薄膜可以是经过适当方法处理后的薄膜，例如单轴拉伸方法或双轴拉伸方法。四分之一波片可以是双折射薄膜，其具有由适当方法控制的厚度方向上的折射率，例如施加收缩力的方法，或/和对与双折射薄膜粘结的热缩薄膜施加膨胀力的方法。
四分之一波片可以是二层或多层光程差层的叠层，以控制光学性能如光程差。还有，可采用这样的一种方法，将作为单色光如550nm波长的光的四分之一波片的光程差层和具有其它光程差性能的光程差层，例如作为二分之一波片的光程差层相互叠放在一起。在此情况下，所得波片可在较宽的波长范围如可见光范围内作为四分之一波片使用。
一种合适的材料具有当自然光入射在材料上时其可以反射左向和右向圆偏振光束中的一个光束但却传播另一光束的性能。这种材料可以用作由在Grandjean结构上取向的胆甾醇型液晶层组成的圆偏振器，对其种类并无特别的限制。胆甾醇型液晶层可以具有一种结构配置，其中粘结了两层、三层或多层Grandjean结构取向的螺距不同的层，即反射的光波长不同的层结合在一起，并使这些层相互叠放。通过这种叠放可以得到能在较宽波长范围如可见光范围内反射圆偏振光能力的圆偏振器。因此，可以得到在较宽波长范围内传播的圆偏振光。
由胆甾醇型液晶层组成的圆偏振器可以通过液晶聚合物膜得到。通常来说，通过具有液晶聚合物层的透明衬底可以得到圆偏振器，其中液晶聚合物层形成在透明衬底上，可以通过取向的薄膜靠摩擦在Grandjean结构上取向。叠放的胆甾醇型液晶层可以通过再涂敷的方法形成。还有，在透明保护层的介绍中所列出的任何一种适合的聚合物都可以用作透明衬底。
视角补偿板可以用在四分之一波片的介绍中所列出的任何一种且在和液晶盒一起使用时具有合适的光程差的材料制成的合适的板。从补偿效应的观点来看，视角补偿板最好对于波长为550nm的光来说正面光程差不大于100nm、厚度光程差不小于50nm。还有，正面光程差为(nx-ny)·d，厚度光程差为{(nx+ny)/2-nz}·d，其中nx，ny是平面内的折射率，nz是厚度上的折射率，d是视角补偿板的厚度。
圆偏振器和视角补偿板通过折射率ND 20不小于1.485的粘结层相互叠放在一起，因此可以抑制界面反射。特别是，考虑到经常用三乙酸纤维素作为线偏振器的透明保护层，那么所用粘结层的折射率ND 20最好不小于1.485，但却小于视角补偿板和四分之一波片的折射率，尤其是粘结层的折射率处于这两种材料的折射率之间。
在这里，ND 20是指在20℃的温度下，对波长为钠谱线中的D谱线(598.3nm)所测得的折射率。
因此，当线偏振器和四分之一波片相互叠放在一起形成圆偏振器时，或者当两层或多层光程差层相互叠放在一起形成圆偏振器时，叠层最好通过具有上述折射率的粘结层来形成。还有，用于形成视角补偿板或四分之一波片的通常采用的粘结层的平均折射率ND 20，在采用聚碳酸酯时为1.585，在采用聚烯丙基化物时为1.603，在采用聚砜时为1.633，在采用降冰片烯树脂时为1.513，在采用液晶聚合物时为1.650，在采用普通等级的聚合液晶时为1.570。
从质量稳定性的观点来看，由于需防止光学轴的偏移以及提高装配液晶显示装置的效率，因此形成光学器件的材料最好是通过粘结层叠放在一起或是一体地形成。粘结层最好由能满足上述折射率要求的适当的粘合剂制成，对其种类并无特别限制。还有，粘合剂的例子包括热固性粘合剂，能量束固化粘合剂，热融粘合剂，双组分混合反应型粘合剂，以及粘性粘合剂。最好采用在可见光范围(380nm到720nm)内光透射率优良的粘合剂，尤其是光透射率不小于80％的粘合剂，更特别是光透射率不小于90％的粘合剂。从防止变色的观点来看，粘合剂相对于某一特定波长的光最好不具有吸收性。
从粘结简单的观点来看，最好采用即使在室温下也具有粘弹性的粘合剂。作为形成粘结层的增粘剂，可以采用具有合适的聚合物作为基体聚合物的材料，这些合适的聚合物有丙烯酸类聚合物，硅氧烷聚合物，聚酯聚合物，聚氨脂聚合物，聚醚聚合物，或橡胶聚合物。为了防止材料的光学性能下降，最好采用既不需要高温固化处理和高温干燥处理，也不需要长时间固化处理和长时间干燥处理的材料。另外，最好采用在加热和潮湿条件下不会有离析问题如漂浮或脱落的材料。
从粘结层的观点来看，采用的材料最好是其玻璃化转变温度不高于20℃。例如，粘结层可以是如下制备的丙烯酸增粘剂。将包含具有20个或更少碳原子的烷基，如甲基、乙基或丁基，的(甲基)丙烯酸酯，和由改性成分如(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸-羟乙基酸组成的丙烯酸单体共聚结合在一起，得到玻璃化转变温度不高于20℃的粘结层。因此，就形成了均重分子量不小于100000的丙烯酸聚合物。将丙烯酸聚合物用作基体聚合物来制备丙烯酸增粘剂。丙烯酸增粘剂还具有优良的透明度、防潮性和耐热性的优点。
还有，由单体形成的丙烯酸聚合物通常具有约1.47的折射率。因此，可以通过适当的方法来提高折射率，例如通过共聚含苯基的单体如苯乙烯来得到丙烯酸聚合物的方法，或者将含芳族环的增粘剂树脂，或高折射率金属或金属氧化物的超细微粒和粘合剂混合的方法。因此，可以形成满足折射率要求的丙烯酸粘结层。
可以用适当的方法将粘结层与圆偏振器、视角补偿板、四分之一波片或类似物相连接。这些方法包括：将增粘剂组分溶解或分解到适当的单一或混合物溶液如甲苯或乙酸乙酯溶液中，制备出约10到40％重量的增粘剂溶液，将此溶液通过适当的散布法如投射法或涂敷法直接地涂到材料上；将以上述方式在隔离片上形成的粘结层传输到材料上的方法。粘结层可以是成分或种类不同的层的叠层。
粘结层的厚度可以根据粘结力适当地决定。通常来说，粘结层的厚度从1到500μm的范围内选择，尤其是在3到100μm的范围内，最好是在5到50μm的范围内。粘结层可以包括适当的添加剂如填料、色素、着色剂和抗氧化剂，这些添加剂根据应用要求可以由天然或合成树脂、玻璃纤维、玻璃珠、金属粉末或其它无机粉末组成。粘结层还可含有透明微粒，使其可以成为具有光漫散性的粘结层。透明微粒的例子包括无机微粒和有机微粒。无机微粒可以由硅石、矾土、二氧化钛、氧化锆、氧化锡、氧化铟、氧化镉、氧化锑等制成，并具有导电性。有机微粒可由交联聚合物或非交联聚合物或类似物制成。也可以从无机微粒和有机微粒中适当选择一种材料或者两种或多种材料的组合体来用作透明微粒。
如图1所示，为将一个光学器件粘结到另一光学器件如液晶盒上，可以根据需要在光学器件的一个或两个相对的外表面上设置粘结层4。从抑制界面反射的观点来看，粘结层的折射率ND 20最好如上所介绍地那样不小于1.485。对于粘结层的表面暴露在外的情况，粘结层表面可以暂时地被隔离片5覆盖，因此可以防止粘结层不受污染直至其投入实际使用。对于形成光学器件的材料表面暴露在外的情况，暴露表面可以粘结或覆盖一表面防护薄膜，使得材料不受损伤。
根据相关技术，光学器件可以用于许多用途。特别是，光学器件可以用于组成液晶显示装置，在此装置中每一像素可以被划分成多个取向域，并以圆偏振模式显示。例如，液晶显示装置可以通过将光学器件设置在液晶盒的一个或每一个相对的表面上的方式来形成。在此方法中，从抑制界面反射的观点来看，光学器件最好通过上述折射率ND 20不小于1.485的粘结层来粘结到液晶盒上。
在介绍中，当光学器件位于液晶盒的可见侧时，光学器件可以作为位于液晶盒表面的防眩光层或防反射层。防眩光层可散射由其表面反射的外部光。防反射层可抑制外部光的表面反射。这就是说，防眩光层和防反射层用于防止表面反射光眩目，以及防止干扰通过显示装置传播的光的可视性。因此，防眩光层和防反射层都能显著地提高防止表面反射光干扰可视性的性能。
对防眩光层或防反射层并无特别限制，它可以由具有此功能的适当的材料层来形成。例如，防眩光层可以由能散射和反射光的低粗糙度结构来形成。防反射层可以通过蒸发方法或电镀方法如真空蒸发方法、离子镀方法或离子溅射方法，或者通过适当的涂层方法如溶胶-凝胶方法来形成。即是说，防反射层可以由粘附薄膜形成，粘附薄膜是由具有不同折射率的无机氧化物的多层涂层薄膜，或者低折射率材料如氟化物的涂层薄膜组成。
还有，当形成液晶显示装置时，光学器件的设置要使圆偏振光通过视角补偿板进入到液晶盒中。因此，在光学器件中，视角补偿板设置成距液晶盒比距圆偏振器近一些。当圆偏振器是由线偏振器和四分之一波片的组合体组成时，光学器件具有四分之一波片13位于线偏振器11和视角补偿板3之间的结构，如图1所示。示例1
由吸附碘的乙烯醇制成的偏振片的相对表面与折射率(下面用ND 20来表示)为1.485的三乙酸纤维素相粘结并被其保护，从而形成了线偏振器(单一透射率为43％，偏振度为99.5％)。由降冰片烯树脂的单轴拉伸薄膜组成的折射率为1.513的四分之一波片(当光的波长为550nm时正面光程差为140nm，下同)通过折射率为1.506的粘结层被粘结并叠放到线偏振器的表面上，从而形成了一圆偏振器。如同上面介绍的降冰片烯树脂的双轴拉伸薄膜组成的视角补偿板(正面光程差：0nm，厚度光程差：100nm)通过上述的粘结层被粘结并叠放到四分之一波片的表面上，从而形成了光学器件。
还有，粘结层如下所述地形成。通过共聚76份重量的丙烯酸丁酯和4份重量的丙烯酸，制备均重分子量约为700000的丙烯酸聚合物。将100份重量的丙烯酸聚合物，20份重量的二甲苯增粘剂(由Arakawa Chemical Industries Ltd.生产的PINE CRYSTAL KE-100)和0.06份重量的异氰酸盐交联剂(由Nippon Polyurethane Industries Co.，Ltd.生产的coronate L)溶解在甲苯中，制备了13％重量的涂液。涂液通过涂敷器涂到润滑的聚酯薄膜上，并在130℃下干燥3分钟，从而形成了20μm厚的粘结层。粘结层再被贴到预定表面上。示例2
通过下述方法可以分别得到四种胆甾醇型液晶聚合物层，其可以镜面反射右向圆偏振光，其波长范围分别为(A)650到750nm，(B)550到650nm，(C)450到550nm，(D)350到450nm。在不具有双折射性的50μm厚的三乙酸纤维素薄膜(折射率为1.485)上设置0.1μm厚的乙烯醇层，通过人造丝织物的摩擦来形成取向薄膜。在取向薄膜上，用线性杆涂敷丙烯向热胆甾醇型液晶聚合物的20％重量的四氢呋喃溶液，并进行干燥。然后，溶液加热到150±2℃并保持5分钟以进行取向，然后置于室温下进行冷却。因此，可以形成在Grandjean结构上取向的1.5μm厚的胆甾醇型液晶聚合物层。
然后，胆甾醇型液晶聚合物层(A)和(B)在150±2℃下相互热压粘结在一起并保持2分钟，同时此二层的液晶表面紧密地相互接触。然后，剥离液晶层(B)上的三乙酸纤维素薄膜。在液晶聚合物层(B)的暴露表面，胆甾醇型液晶聚合物层(C)和此表面在150±2℃下相互热压粘结在一起并保持2分钟，此二层的液晶表面紧密地相互接触。然后，已粘结的层和胆甾醇型液晶聚合物层(D)以上述方式相互热压粘结在一起。这样就得到了圆偏振器，其胆甾醇型液晶层的螺距在厚度方向上有变化，并在400到700nm的波长范围内具有圆形二向色(circular dichroism)。所采用的液晶聚合物的平均折射率为1.575。然后，圆偏振器和视角补偿板通过粘结层以示例1中所述方式粘结并相互叠放在一起。还有，粘结层可以通过采用40份重量的二甲苯增粘剂得到1.532的折射率。比较示例1
以示例1所述方式得到一种光学器件，不同之处在于线偏振器和四分之一波片通过没有增粘剂的折射率为1.467的粘结层粘结并相互叠放在一起。比较示例2
以示例1所述方式得到一种光学器件，不同之处在于线偏振器和四分之一波片通过没有增粘剂的折射率为1.467的粘结层粘结并相互叠放在一起，而且四分之一波片和视角补偿板是通过没有增粘剂的折射率为1.467的粘结层粘结并相互叠放在一起。比较示例3
以示例2所述方式得到一种光学器件，不同之处在于胆甾醇型液晶圆偏振器和视角补偿板通过没有增粘剂的折射率为1.467的粘结层粘结并相互叠放在一起。评价测试
用示例1和2以及比较示例1到3中得到的光学器件来代替市场上买到的多域型VA液晶显示面板的背光侧和可见侧上的偏振器。光学器件通过示例1中所用的粘结层粘结到显示面板的每一相对侧上，从而形成了液晶显示装置。通过目测评估液晶显示装置液晶的亮度和对比度。
评估结果如下，亮度的大小依次为：
示例2＞比较示例3＞示例1＞比例示例1＞比较示例2，
对比度的大小依次为：
示例1＞比较示例1＞比例示例2＞示例2＞比较示例3。
在对比度评估中，采用胆甾醇型液晶圆偏振器的面板的对比度较低，这是因为在胆甾醇型液晶层中圆偏振光的利用不够充分。然而，当被反射的圆偏振光在背光侧再使用时，显示就非常亮了，从而提高了可视性。
从示例和比较示例的比较中可以明显看到，当每一叠层通过具有适中折射率的粘结层粘结时，可以保持较高的对比度。另外，由于界面反射引起的光损耗减小，亮度可以稍微提高。关于对比度，当在较窄角度内观看时，提高的趋势十分明显。

Claims (7)

1.一种光学器件，包括：
圆偏振器；
视角补偿板；和
折射率ND 20不小于1.485的粘结层，所述圆偏振器和所述视角补偿板通过所述粘结层相互叠放在一起。
2.根据权利要求1所述光学器件，其特征在于，所述圆偏振器是由线偏振器和四分之一波片的叠层构成，或是由在Grandjean结构上取向的胆甾型液晶层构成。
3.根据权利要求2所述光学器件，其特征在于，组成所述圆偏振器的所述线偏振器和所述四分之一波片是通过所述折射率ND 20不小于1.485的粘结层相互叠放在一起。
4.根据权利要求1所述光学器件，其特征在于，所述视角补偿板在波长为550nm的光的基础上其正面光程差不大于100nm，厚度方向上的光程差不小于50nm。
5.根据权利要求1所述光学器件，其特征在于，所述光学器件还包括设置在至少一个相对的外表面上的至少一个粘结层，其折射率ND 20不小于1.485。
6.根据权利要求1所述光学器件，其特征在于，所述粘结层是由玻璃化转变温度不高于20℃的粘结层组成。
7.一种液晶显示装置，包括：
至少一个如权利要求1所述的光学器件；
液晶盒；和
折射率ND 20不小于1.485的粘结层，所述光学器件通过所述粘结层粘结到所述液晶盒的至少一个相对的表面上。
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