CN1648733A - 液晶显示器的高光增益穿透反射板及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种液晶显示器的高光增益穿透反射板，该液晶显示器是由一下板及一上板夹一液晶组成，该下板含有开关元件，该高光增益穿透反射板位于该下板侧，其含有一透光区、一反射区及至少一微透镜，藉该至少一微透镜聚集光线至该透光区，以提高光增益。

Description

液晶显示器的高光增益穿透 反射板及其制造工艺

技术领域

本发明涉及液晶显示器(LCD)，特别是涉及LCD的穿透反射板。

背景技术

反射式(reflective)LCD是藉反射板(reflector)反射环境中的光线而显示影像，因此，当环境中的光线微弱时，无法获得清楚的显示效果。而穿透式(transmissive)LCD是提供背光(backlight)克服光线不足，不过，背光源消耗电能，也不利于缩减LCD的尺寸及重量。新的显示器，穿透反射式(transflective)LCD，提供反射及穿透二种显示模式，当环境的亮度不足时，由背光源提供足够的光线，反之，则关闭背光源以节省电源。为提供反射及穿透二种显示模式，穿透反射式LCD含有穿透反射板(transflector)，例如图1是典型的穿透反射板12在透明的基底10上，其包含反射区12a及透光区12b，反射区12a反射前侧的光线，而透光区12b则允许后侧的光线通过，然而，此装置12导致无法克服的难题，在反射区12a后侧的背光14被反射区12a阻隔，仅有透光区12b的背光16提供显示光线，也就是背光不能被完全利用，因此效率差。为兼顾反射模式的光学表现，穿透反射式LCD的穿透反射板的透光区不能太大，典型的开口率(opening ratio)约为15-40％，因而大部分的背光被浪费。

发明内容

只是，本发明的目的在于提供一种LCD的高光增益(gain of lightefficiency)穿透反射板，该LCD是由一下板(bottom plate)及一上板(upperplate)夹一液晶组成，该下板含有开关元件(switching element)，该穿透反射板位于该下板侧，其含有一透光区、一反射区及至少一微透镜(micro lens)，藉该至少一微透镜聚集光线至该透光区，可提高光增益达120-400％以上，大幅节省背光源的耗电量。

附图说明

对于本领域技术人员而言，从以下所作的详细叙述配合伴随的图式，本发明将能够更清楚地被了解，其上述及其他目的及优点将会变得更明显，其中：

图1是典型的穿透反射板示意图；

图2是本发明的第一实施例示意图；

图3是本发明的第三实施例示意图；

图4是本发明的第三实施例示意图；

图5是本发明的第四实施例示意图；

图6是本发明的第五实施例示意图；

图7是本发明的第六实施例示意图；

图8是本发明的微透镜结构示例，图8(A)及8(B)为二正交方向的剖视图，图8(C)为等高线图；

图9是本发明的微透镜结构另一示例，图9(A)及9(B)为二正交方向的剖视图，图9(C)为等高线图；

图10是本发明的透光区示例，图10(A)是微透镜的等高线图；

图11是本发明的透光区另一示例，图11(A)是微透镜的等高线图；

图12(A)-(I)是本发明的制造工艺实施例，图12(A)是在基底10上涂布正光致抗蚀剂18后的剖示图，图12(B)是利用光掩膜46转移微透镜18图案的剖示图，图12(C)是微透镜18经中烤后的剖示图，图12(D)是微透镜18经硬烤后的剖示图，图12(E)是形成平坦层20后的剖示图，图12(F)是沉积ITO 22后的剖示图，图12(G)是利用光掩膜48转移散乱层24图案后的剖示图，图12(H)是散乱层24成形后的剖示图，图12(I)是在散乱层24上沉积反射层26后的剖示图；

图13(A)-(C)是图12(A)-(I)制造工艺中微透镜18在X方向的轮廓扫描图形，图13(A)是微透镜18在中烤前的轮廓，图13(B)是微透镜18在中烤后的轮廓，图13(C)是微透镜18在硬烤后的轮廓；及

图14(A)-(C)是图12(A)-(I)制造工艺中微透镜18在Y方向的轮廓扫描图形，图14(A)是微透镜18在中烤前的轮廓，图14(B)是微透镜18在中烤后的轮廓，图14(C)是微透镜18在硬烤后的轮廓。

附图标号说明

10基底

12穿透反射板

12a透光区

12b反射区

14背光

16背光

18微透镜

18r微透镜

18g微透镜

18b微透镜

20平坦层

22透光区

22r透光区

22g透光区

22b透光区

24绝缘层

26反射区

26r反射区

26g反射区

26g反射区

26b反射区

28绝缘区

30透光区

32反射区

34r液晶单元

34g液晶单元

34b液晶单元

36r彩色滤光片

36g彩色滤光片

36b彩色滤光片

38r透明电极

38g透明电极

38b透明电极

40透光区

40a透光区

40b透光区

40c透光区

42反射区

44微透镜

44a微透镜

44b微透镜

44c微透镜

46光掩膜

48光掩膜

具体实施方式

图2是本发明第一实施例的示意图。在基底10与穿透反射板12之间安排微透镜18，其上覆盖平坦层(over coating)20。微透镜18的折射率n_L为1.4-2.5，平坦层20的折射率n_C小于n_L。微透镜18收集背光14及16投射至透光区12b，原本不能直接投射至透光区12b的背光14因而被利用，使得光增益提高。LCD是由一上板及一下板夹一液晶组成，下板上形成有开关元件，例如薄膜晶体管(TFT)或二极体，此处的基底10是指下板，在穿透反射板12上方尚有液晶及上板，这些是现有技术，未在图中详细说明。穿透反射板12可利用金属的沉积及蚀刻形成。在图2所示的装置中，微透镜18具有一宽度1，微透镜18的中心高度h为2-10μm，且h/l为0.02-0.3，从微透镜18的边缘至其中心顶点的平均仰角α为1-2.5度，微透镜8具有一平均焦距f，平坦层20的厚度t为2-16μm，且f/t为0.8-1.3。如众所周知的，单元间距(cell pitch)是指上板及下板之间液晶层的厚度，在此实施例中，透光区12b的单元间距d_T与反射层12a的单元间距d_R相同。

图3是本发明第二实施例的示意图，其采用内层扩散反射板(InnerDiffusive Reflector；IDR)结构。同样地，基底10上有微透镜18及平坦层20，透光区22以铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)或具有透光率在20％以上的较薄的铝(Al)、银(Ag)或其合金沉积在平坦层20上而成，平坦层20上尚沉积有绝缘层24，其上沉积例如铝、银或其合金的反射层26，为使反射层26具有崎岖不平的表面，绝缘层24形成凹凸不平的地形。由于绝缘层24的厚度，透光区22的单元间距d_T大于反射层26的单元间距d_R，令Δd＝d_T-d_R，在此实施例中，Δd为0.15-3μm。IDR结构中的反射层26起伏的平均角度β为2-20度。从背光源到面板的光线14及16具有发散角θmax，选择θmax在0-35度有较佳的效果。

第三实施例如图4，仍采用IDR结构，但是透光区30及反射层32都形成在绝缘层28上，使得透光区30及反射层32的单元间距d_T及d_R相同。

图5是应用在彩色LCD的实施例，在一彩色像素单元中包含红、绿、蓝三液晶单元34r、34g及34b，每一液晶单元有各自的透光区22r、22g及22b形成在平坦层20上，且对应各自的微透镜18r、18g及18b在基底10上，微透镜18r、18g及18b是以彩色滤光片(color filter)材料制成，以兼作为像素中的彩色滤光片。

另一应用在彩色LCD的实施例如图6，同样地，一像素单元含有三液晶单元34r、34g及34b，每一液晶单元的结构使用图3所示的结构，而在透光区22r、22g及22b上形成各自的彩色滤光片36r、36g及36b，其上再沉积透明电极38r、38g及38b，例如ITO。

图7是另一种不同的微透镜安排的实施例，彩色LCD的透光区22r、22g及22b是形成在基底10上，基底10的背侧制作微透镜18r、18g及18b，其上再覆盖平坦层20。基底10的厚度t₀，微透镜18的中心高度h为0.3-5μm，从微透镜18的边缘至其中心顶点的平均仰角α为0.5-8度，微透镜18的平均焦距f为250-700μm。

图8是一液晶单元中穿透反射板的上视图，透光区40在反射区42的中心附近，从正交的二直线AA′及BB′剖视如图8(A)及(B)所示的轮廓，微透镜44是一狭长的丘陵，其等高线如图8(C)所示。

图9是一液晶单元中另一种不同的穿透反射板的上视图，透光区40偏离反射区42的中心，从正交的二直线AA′及BB′剖视如图9(A)及(B)所示的轮廓，微透镜44是一偏心的丘陵，其等高线如图9(C)所示。

图10是另一种液晶单元中穿透反射板的上视图，透光区40包含三矩形的分区40a、40b及40c，图10(A)显示微透镜44的等高线，微透镜44包含三微透镜次结构44a、44b及44c分别对应三分区40a、40b及40c。

图11是又一种液晶单元中穿透反射板的上视图，其微透镜44的等高线如图11(A)所示，此实施例的构造大致和图10的装置相同，但是透光区40的三个分区40a、40b及40c是圆形的。

在前述几个实施例中，微透镜也可用多层相同或不同折射率的材料堆叠而成，且透光区的形状可以变化，而透光区及反射区的面积比在5-400％之间。以相同的构造而言，本发明可以达到的光增益为现有技术的120-400％以上，并且，由于背光的使用效率被提高，因此，反射区所占的面积比例可以比现有技术提高，因而同时改善反射模式的显示效果。微透镜的材料选择在光波长为400nm时其穿透率在70％以上者，则LCD有较佳的色彩表现。

优选地，在这些实施例的LCD中，如果使用正型液晶(介电异向性Δε＞0)，则Δn(平常光及异常光的折射率n_o及n_e的差)为0.05-0.095，Δn×d_T为280-460nm，Δn×d_R为200-320nm；如果使用负型液晶(Δε＜0)，则Δn为0.06-0.12，Δn×d_T为320-480nm，Δn×d_R为150-360nm。

图12(A)-(I)是一制作图3微透镜的制造工艺实施例，如图12(A)所示，在基底10上涂布正光致抗蚀剂18，此实施例的正光致抗蚀剂18是JSR公司型号为MFR系列、PC系列或NN系列的产品，涂布该光致抗蚀剂18的步骤是先以300rpm旋转3秒后，再以800rpm旋转30秒，并经过约60-120℃预烤2-10分钟，在图12(B)中利用光掩膜46转移微透镜图案至光致抗蚀剂18，以200-600mJ/cm²曝光，以及利用界面活性剂显影液(TMAH)显影及用水冲洗60秒，再以200-600mJ/cm²进行后置曝光，形成的微透镜18如图12(C)所示，经过80-180℃中烤2-15分钟使其略为软化，如图12(D)所示，再经过约200℃硬烤30-60分钟，在微透镜18上方形成平坦层20，如图12(E)所示，在图12(F)中沉积ITO 22，其上再涂布正光致抗蚀剂24，如图12(G)所示，利用光掩膜48转移散乱层图案，经显影成形后如图12(H)所示，在散乱层24上沉积反射层26如图(I)所示。

图13(A)-(C)及图14(A)-(C)是图12(A)-(I)制造工艺中微透镜18在不同阶段的轮廓扫描图形，此实施例的微透镜18在X及Y方向的宽度分别为21及63μm，在X及Y方向的间距分别为4及12μm。图13(A)及图14(A)分别为微透镜18在中烤前X及Y方向的轮廓，图13(B)及图14(B)分别为微透镜18在中烤后X及Y方向的轮廓，图13(C)及图14(C)分别为微透镜18在硬烤后X及Y方向的轮廓。

以上对于本发明的优选实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让本领域技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由以下的权利要求书及其等同物来决定。

Claims (37)

1.一种穿透反射式液晶显示器，包括：

一下板，其含有开关元件；

一上板，面对该下板；

一层液晶，在该上板与下板之间；

一高光增益穿透反射板，位于该下板侧，该高光增益穿透反射板含有一反射区以反射前方的光线及一透光区以允许来自一背光源的光线通过；及

至少一微透镜，以聚集该背光至该透光区。

2.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该液晶为一正型液晶，Δn为0.05-0.095，Δn×d_T为280-460nm，Δn×d_R为200-320nm。

3.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该液晶为一负型液晶，Δn为0.06-0.12，Δn×d_T为320-480nm，Δn×d_R为150-360nm。

4.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，还包括一平坦层覆盖该至少一微透镜。

5.如权利要求4的穿透反射式液晶显示器，其中该微透镜具有第一折射率为1.4-2.5，该平坦层具有第二折射率小于该第一折射率。

6.如权利要求4的穿透反射式液晶显示器，其中该至少一微透镜介于该下板与穿透反射板之间。

7.如权利要求6的穿透反射式液晶显示器，其中该微透镜具有一宽度l，中心高度h为2-10μm，且h/l为0.02-0.3。

8.如权利要求6的穿透反射式液晶显示器，其中该微透镜从边缘至中心顶点的平均仰角α为1-2.5度。

9.如权利要求6的穿透反射式液晶显示器，其中该微透镜具有一平均焦距f，该平坦层20具有一厚度t为2-16μm，且f/t为0.8-1.3。

10.如权利要求4的穿透反射式液晶显示器，其中该下板介于该至少一微透镜与穿透反射板之间。

11.如权利要求10的穿透反射式液晶显示器，其中该微透镜的中心高度为0.3-5μm。

12.如权利要求10的穿透反射式液晶显示器，其中该微透镜从边缘至中心顶点的平均仰角为0.5-8度。

13.如权利要求10的穿透反射式液晶显示器，其中该微透镜具有一平均焦距为250-700μm。

14.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该反射区是内层扩散反射板结构。

15.如权利要求14的穿透反射式液晶显示器，其中该透光区具有第一单元间距，该反射区具有第二单元间距不大于该第一单元间距。

16.如权利要求15的穿透反射式液晶显示器，其中该第一与第二单元间距的差值为0.15-3μm。

17.如权利要求16的穿透反射式液晶显示器，其中该反射区具有崎岖不平的表面，其起伏的平均角度为2-20度。

18.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该背光源具有一发散角为0-35度。

19.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该微透镜具有一穿透率在400nm光波长时不小于70％。

20.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该至少一微透镜是彩色滤光片。

21.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，还包括：

一彩色滤光片在该透光区上；及

一透明电极在该彩色滤光片上。

22.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该透光区包括多个次区域。

23.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该透光区在该反射区的中央处附近。

24.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该透光区偏离该反射区的中央。

25.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该透光区具有第一面积，该反射区具有第二面积，该第一面积对该第二面积比为5-400％之间。

26.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该透光区近似矩形。

27.如权利要求1的穿透反射式液晶显示器，其中该透光区近似圆形或椭圆形。

28.一种为液晶显示器提高光增益的方法，包括下列步骤：

藉一穿透反射板以其上的一反射区反射前方的光线及一透光区允许背光通过该穿透反射板；及

藉至少一微透镜以聚集该背光至该透光区。

29.如权利要求28的方法，还包括藉该至少一微透镜对该背光滤光。

30.如权利要求28的方法，还包括藉一滤光片对通过该透光区的该背光滤光。

31.一种为液晶显示器制作高光增益穿透反射板的方法，包括下列步骤：

在一基底上涂布一光致抗蚀剂；

对该光致抗蚀剂曝光及显影以形成至少一微透镜；

沉积一平坦层在该至少一微透镜上；及

在该平坦层上形成透光区及反射区。

32.如权利要求31的方法，还包括在60-120℃预烤该光致抗蚀剂2-10分钟。

33.如权利要求31的方法，还包括在80-180℃中烤该至少一微透镜2-15分钟。

34.如权利要求31的方法，还包括在200℃硬烤该至少一微透镜30-60分钟。

35.如权利要求31的方法，其中该透光区及反射区的形成包括下列步骤：

在该平坦层上形成一穿透率在20％以上的透明材料；

在该透明材料上沉积第二光致抗蚀剂；

对该第二光致抗蚀剂曝光及显影以形成一散射层；及

在该散射层上沉积反射材料。

36.如权利要求35的方法，其中该透明材料是选自ITO、IZO及较薄的铝、银或其合金所组成的群组。

37.如权利要求35的方法，其中该反射材料是选自铝、银或其合金所组成的群组。

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