CN1575329A - 具有反射偏振片的液晶显示器 - Google Patents

Abstract

液晶显示器包括前后基板、电极、偏振片和设置在前后基板之间的液晶层。后基板上的偏振片最好至少在一个谱段内是反射型并且包含至少一种多层结构形式的元件。该多层结构至少包含两个由至少一个中间层分开的各向异性层，其中的中间层在所需的谱段中为光学透明。多层结构中层的折射率与的厚度之比选择成在该谱段内透射和反射的偏振光之比为极值。

Description

具有反射偏振片的液晶显示器

发明领域

本发明总的涉及一种显示信息的装置，尤其涉及一种液晶显示器(LCD)。

发明背景

已知有一些显示器以平板透明小单元实施显示。透明小单元通常由两块平行玻璃板形成，在玻璃板的内表面上是由光学透明的导体材料制成的电极以及校准层。组装了透明小单元之后，用液晶材料填充这些透明小单元，液晶材料形成厚度为5～20μm的液晶层。这种液晶材料是一种在电场影响下改变其光学特性、如偏振面转动角的活性介质。通常胶黏在透明小单元外表面上的正交偏振片来观察光学特性的变化。显示器上电极没被充电的区域透过光并显亮，而加了电压的区域显暗(L.K.Vistin.JVHO，1983，vol.XXVII，ed.2，pp.141-148)。

反射型显示器中，在LC单元的后面设置一个反射镜或反射体，使得入射光通过透明小单元两次。图像的形成类似于透射型显示器(Pochi Yeh，Claire Gu，Optics of liquid Crystal Displays，N.-Y.，1999，p.p.233-237)。

传统显示器的主要缺点在于，因为光只在有限的锥角范围内向多层LC显示器的正面传播，所以只有很小的视角。这种显示器通常使用基于聚合物、如具有光学各向异性的聚乙烯醇的吸收偏振片，该偏振片可以通过单轴拉伸聚合物膜、并接着在碘蒸汽或有机染料中对该膜染色而获得，如美国专利US5,007,942所述。因而依赖于偏振片的折射率实虚部分的角度椭球是伸展(针状)的形状。

传统的显示器还具有较低的亮度、较低的对比度和较高的功耗，这是因为吸收层的数量较多。

彩色显示器通常具有同样的设计，其中采用了彩色滤光片。彩色图像的每个像素通过适当比例的三色(红、蓝、绿)混合而成(NikkeiElectronics，1983，5-23，p.p.102-103)。使用吸收滤光片会导致装置中额外的光损失并因而增加能量消耗。

还知道一种LC显示器，由排列的二色染料的超分子复合物得到偏振层。这种偏振器具有良好的光学特性和较小的厚度，允许放置在显示器内部。这样简化了设计并提高了显示器的耐用性。另外，这种层的制造技术能够在一层中合并几项功能(例如，偏振和LC排列)(RU2120651，15.04.96)。

WO99/31535中描述了一种LC指示元件，其组合了一种包含双折射各向异性的吸收层，该吸收层具有随入射光波长的增大而增大的折射率。特别是，这种偏振片可以由LLC二色染料获得，并可以有一定的厚度以至少在偏振片的一侧上建立干涉极限。上面提到的专利申请还描述了一种反射偏振器。

彩色显示器利用这种偏振器的其中一个缺点在于反射偏振器在一个很宽的谱段内反射光，这导致模糊的颜色。另外，显示技术的进一步发展要求偏振元件有更好的光学特性，尤其是具有有效光转变的增大的视角。

发明概述

因此，本发明的一个目的在于提供一种具有提高的显示亮度、频谱清晰的彩色图像的显示器，该显示器能够在一幅图像中建立白、黑和彩色成分以提高图像的对比度和丰度，并具有增大的显示器视角。

以上的目的通过本发明的液晶显示器得以实现，该液晶显示器包括前后基板、电极、偏振片和设置在前后基板之间的液晶层。后基板上的偏振片最好在至少一个谱段内为反射型并且包含至少一种多层结构形式的元件。该多层结构至少包含两个由至少一个中间层分开的各向异性层，其中的中间层在所述的谱段中为光学透明。多层结构中层的折射率与的厚度之比选择成在该谱段内透射和反射的偏振光之比为极值。

附图简述

通过下面结合的描述，对本发明将有更好第理解，其中：

图1是根据本发明实施例具有内偏振片的液晶显示器的截面图；

图2是图1所示液晶显示器的局部截面图，表示多层反射偏振片的一些细节；

图3是根据本发明实施例的液晶显示器的光谱特性曲线。

优选实施例的描述

图1所示本发明的LC显示器包括前后基板1、2，基板上带有功能层，如电极层、偏振层、粘结层和设置在前后基板之间的液晶层。在前基板1的内侧是一个起二向色偏振器作用的薄晶体膜4。该晶体膜4可以按照下述方法由LLC形成，LLC包含12.5％的混合染料(瓮蓝4；二苯并咪唑-[2，1-a：1’2’b’]蒽[2，1，9-def：6，5，10-d’e’f’]二异喹啉-6，9-二酮；按5.2∶2∶1比例的瓮红15)。LLC通过钡例子处理后转变成不可溶的形式。晶体膜4的厚度约为100nm。因为晶体膜4是一种高阶各向异性膜，所以可以同时起着LC显示器的校准层的作用。

在后基板2的内表面上设置一个具有多层结构的反射偏振片5。后基板2在其外表面上还设置一个吸收层6。

反射偏振片5由三层构成，如图2所示，从显示器的后板2起始依次为：由染料瓮红15的LLC获得的晶体层7，厚度约为60nm；由聚乙酸乙烯酯制成的各向同性透明层8，厚度约为100nm；和由染料瓮红15的LLC获得的晶体层9，其厚度约为60nm：晶体层7和9以它们高度的各向异性而不同：在570-600nm的波长间隔中各向异性达到0.8。层7、8和9通过下述方法依次形成在后板2上。反射偏振片5对于非常偏振光具有大约44％的总反射率，对于正常光具有大约1％的总反射率。图3表示不同方向偏振的反射光的对应光谱特性。

显示器的特点在于有明亮的图像、丰满的颜色(绿色)、较高的对比度和很宽的视角。

最好多层结构5的至少一个各向异性层在所述的谱段中对于偏振的两种分量光学透明。

最好至少一个各向异性层的各向异性度在所需的谱段不小于0.4。

最好多层结构5的至少一个各向异性层是至少处于一个谱段的E型偏振片。

各向异性层通常由至少一种有机染料和/或其衍生物得到，它们能够形成溶致液晶(LLC)。

最好在显示器的前后基板之间设置至少一个偏振片。

最好在后基板2的外表面上沿入射光的方向设置一个吸收层6，该吸收层至少在所需谱段或整个可见光谱段吸收光谱。

最好显示器中的至少一个各向异性层是部分晶状的。

在彩色显示器中，后基板2上的偏振片5最好由彩色反射元组成，每个反射元至少在一个谱段反射。矩阵元的选择由该条件掌握以提供一组基色。通常基色是波长在400-500nm的蓝色，波长在500-600nm的绿色和波长在600-700nm的红色。

最好设置在后基板2上并由着色的反射元素矩阵组成的吸收层6吸收整个可见光波段。

显示器在彩色图像中包括白色、黑色和彩色成分。

根据本发明的LC显示器包含前后基板、电极、偏振片和其它功能层以及夹在前后基板之间的液晶层。前基板上的偏振片最好是中性的，透射光的一种偏振分量并有效吸收另一种分量。

单色显示器中后基板上的偏振片呈现一种多层结构，至少包含两个由光学透明的中间层分开的光学各向异性层。所有层的厚度和折射率选择成使偏振片有效吸收特定谱段中的一种偏振辐射而透射正交的偏振辐射，正交的偏振辐射稍后被滤光片吸收。

在彩色显示器中，后基板上的偏振片表现为彩色反射元矩阵，其每一个类似于单色显示器的反射偏振片的情形。矩阵元的选择由该条件掌握以在图像中提供一组基色。为了获得光谱清晰、对比度高的彩色图像，最好每个矩阵元在一个很窄的谱段内反射。

在多层结构5的制造中，最好获得一种具有高各向异性度、其中一个的折射率较高并且较薄(相对于波长)的匀质层。按照OptivaTechnoloy法(Lazarev P.，Paukshto M.，Proceeding of the 7^thInternational Display Workshop，Material and Components，Kobe，Japan，November29-December1(2000)，p.p.1159-1160)获得的晶膜或层可以用于制造这种多层结构5。

根据适当的光谱特性以及芳香共轭环和置于分子平面中并做为芳香键系统的一部分的基团、如胺、酚、酮及其它等中π共轭键的显影过的系统的存在来进行制造此多层结构的材料的初始选择。分子本身或其片断具有平面结构。合适的有机材料包括阴丹酮(瓮蓝4)、二苯并咪唑-1，4，5，8-萘四羧酸(瓮红14)、二苯并咪唑-3，4，9，10-苝四羧酸、喹吖啶酮(紫色素19)、它们的衍生物以及它们的任何组合。

在适当的溶剂中溶解这种有机化合物建立一个胶质体系(液晶溶液)，分子合并到超分子复合物中，起系统的动力单元的作用。LC是系统的预定状态，在超分子复合物的排列以及溶剂的随后去除阶段，LC没入各向异性晶体膜(或没入其它的特有晶膜中)。

由具有超分子复合物的胶质系统制备薄各向异性晶膜的方法包括下列步骤：

-把胶质体系沉积到一个胶质体系(或器皿、或多层结构中的一层)上。胶质系统拥有触变特性，胶质体系必需处于特定的温度并具有特定的扩散相浓度；

-通过任何合适的外部碰撞把沉积的胶质体系转变成增强的流动态，以提供粘滞性减弱的体系(可以是剪力所致的加热、变形等)。外部碰撞可以在排列的后续过程中一直持续或具有必要的持续时间，使得该体系在排列阶段不会返回到粘滞性增强的状态；

-对该体系施加外部取向力，可以机械地或是任何其它方法进行。取向力必须足够大，使得胶质体系的动力单元接收到必须的取向并形成该结构，这将是所得层中未来晶格的基础；

将所得膜的取向区由低粘滞性的状态转变成原始的或较高粘滞性的体系状态。这通过以在所得膜中没有结构解取向的方式进行，从而避免层表面的外观缺陷；

-去除所得膜中的溶剂，在该期间形成晶体结构。

在所得的层中，分子平面彼此平行并至少在一部分层中形成三维晶体。通过优化此种方法的膜制造，可以获得单晶层。此晶体的光轴将垂直于分子平面。该层将拥有较高的各向异性度和至少对一个方向的较高折射率。层的厚度通常不超过1μm。

所得膜的厚度可以通过原始LC中固相的含量以及LLC的沉积层厚度来控制。另外，要获得具有中间光学特性的层，可以采用胶质体系的混合物(在此情况下将有形成在溶液中的合并的超分子复合物)。吸收和折射可以是由胶质溶液的混合物获得的层中原始成分决定的限度之内的各种值。由于分子(或其片断)的平坦度以及上述有机化合物中分子尺度的一致(3.4)，可以混合各种胶质体系并获得合并的超分子复合物。

在湿的层中，由于超分子复合物在衬底上的取向，分子沿一个方向具有良好的次序。在溶剂蒸发时，其显示出更利于分子的能量，从而形成三维晶体结构。

多层结构包括至少两层通过上述方法获得的层。此处，单独的各项异性层的光轴通常是共向的。由于薄层中的干涉效应，会发生光在偏振片的特定谱段中反射。层的厚度以及对每个偏振方向的折射率选择成使光的一个偏振分量将被该结构有效地反射，而其它的偏振分量将无反射地通过。要吸收透过多层结构的光，在后基板的外表面上沿辐射的传播方向设置一个全吸收材料层。这样消除了来自于显示器后基板的眩光并提高了图象的对比度。另外，这种设计能够在图象中获得黑色。

因为由于高度的各项异性而使获得的层很薄(小于100nm)，并且层数可以最少(如3)，所以可以将此多层结构放置在LC显示器的内部。

根据上述带有对原始材料的相应选择(形成LLC或是具有合适的吸收光谱的材料混合物)的技术还可以获得前基板的偏振片。而且这种偏振片还可以放置在显示器的内部。

显示器所有功能层的内部放置减小了显示器的大小并提高了耐用性，还简化了显示器的制造过程。

另外，制造各项异性层的本发明的方法是基于依赖于折射率的实部和虚部的角度椭球为盘状这一事实。改变折射率虚部椭球的形状显著地改善了偏振片的参数及其角度特性。在显示器中使用此偏振片可以将视角增大到180°。

根据上述技术、例如利用掩膜形成局部涂层还可以获得彩色显示器后基板上的偏振片，该偏振片表现为彩色反射元矩阵。此处，根据上述技术，依次沉积各向异性材料层。在希望保留涂层以形成局部反射偏振元的区域中，把涂层材料转变成不可溶的形式。其余的区域通过冲洗来清洁。在所得层的上部沉积另一各向异性层，并且重复该程序。如果需要，可以使用另外的偏振层。由此形成做为单个矩阵元的偏振片的多层结构。每个矩阵元反射特定谱段以及一个偏振方向的光。

至此提供了一种液晶显示器。出于举例说明的目的，还对本发明的具体实施例进行了描述，但这并不限定本发明的具体形式，在前述内容的指导下可以对本发明做各种改型。实施例的选择及描述是便于更好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使得本领域的技术人员能够利用本发明。本发明的范围由所附的权利要求限定。

参考附录：

L.K.Vistin.JVHO，1983，vol.XXVII.ed.2，pp.141-148

Pochi Yeh，Claire Gu，Optics of liquid Crystal Displays，N.-Y.，1999，p.p.233-237

US5007942，1991

Nikkei Electronics，1983，5-23，p.p.102-103

RU2120651，15.04.96

WO99/31535

Claims (14)

1.一种液晶显示器，包括前后基板、电极、偏振片和设置在前后基板之间的液晶层，

其特征在于后基板上的偏振片是在至少一个谱段内反射并且包含至少一个多层结构的元件的偏振片，所述的多层结构至少包含两个由至少一个中间层分开的各向异性层，其中的中间层在所述的谱段中为光学透明，多层结构中层的折射率厚度之比选择成在该谱段中透射和反射的偏振光之比为极值。

2.如权利要求1所述的显示器，其特征在于多层结构的至少一个各向异性层在所述的谱段中对于偏振的两个分量光学透明。

3.如权利要求1和2所述的显示器，其特征在于至少一个各向异性层的各向异性度在所述谱段不小于0.4。

4.如前述任一权利要求所述的显示器，其特征在于至少一个各向异性层是至少处于一个谱段的E型偏振片。

5.如前述任一权利要求所述的显示器，其特征在于各向异性层由至少一种有机染料和/或其衍生物得到，它们能够形成溶致液晶。

6.如前述任一权利要求所述的显示器，其特征在于在显示器的前后基板之间设置至少一个偏振片。

7.如前述任一权利要求所述的显示器，还包括沿该至少一个谱段的入射辐射的传播方向设置在后基板外表面上的一个吸收层。

8.如前述任一权利要求所述的显示器，其特征在于所述的吸收层在整个可见波长范围吸收。

9.如前述任一权利要求所述的显示器，其特征在于至少一个各向异性层是部分晶状的。

10.如前述任一权利要求所述的显示器，其特征在于后基板上的偏振片由彩色反射元矩阵组成，每个反射元至少在一个谱段内反射。

11.如权利要求10所述的显示器，其特征在于矩阵中的所述元选择成提供一组基色。

12.如前述任一权利要求所述的显示器，其特征在于基色包括波长在400-500nm的蓝色，波长在500-600nm的绿色和波长在600-700nm的红色。

13.如权利要求10～12任一所述的显示器，还包括后基板外表面上沿入射辐射方向的吸收层，其特征在于后基板上的所述偏振片由彩色反射元矩阵组成，并且每个吸收层在整个可见波长范围内吸收。

14.如前述任一权利要求所述的显示器，其特征在于显示器的特点在于在彩色图像中呈现白色、黑色和彩色成分。

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