CN1678949A - 应用线栅偏振器的反射型与贯通型液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

一种用于单晶胞隙反射型与贯通型液晶显示器(TF－LCD)的器件结构。对整个反射型LCD而言，埋式线栅偏振器(WGP)(22)的作用对环境光为偏振相关；对贯通型TF－LCD，WGP只覆盖反射像素(24)。揭示内容还包括应用无相位迟后膜的单晶胞隙LCD的方法，其做法是设置具有反射像素(24)与透射像素的单晶胞隙LCD，用线栅偏振器(22)和宽带胆甾型反射器(BCR)中的至少一种只覆盖反射像素，使环境光反射离开反射像素，使背光通过透射像素，从而晶胞隙LCD能得到高反差比而不用相位迟后膜。

Description

应用线栅偏振器的反射型与贯通型液晶显示器
本发明涉及发射型液晶显示器，尤其涉及使用埋式线栅偏振器(WGP)作为环境光偏振相关反射器的方法与设备，并要求2002年5月6日提交的美国临时申请号为60/378,862的优先权利益。
                     背景与原有技术
发射型液晶显示器(LCD)呈现出高反差比与良好的色饱和度，但因要求背光而功耗高。在明亮的环境下，显示被阳光冲掉。另一方面，反射型LCD显示信息内容要依靠环境光，因其不要光背光，故明显减小了功耗，但其反差比一般较低，而且色饱和度比发射型差得多，在黑暗环境中，反射型LCD几乎没有能见度。
夏普(Sharp)提出了贯通型(transflective)LCD(美国专利6,281,952B1；6,295,109B1；6,330,047B1)，各像素分成R(反射型)与T(透射型)子像素，R与T的面积比通常为4∶1，有利于反射显示。透射显示只用于暗环境，旨在节能。
已知的两种基本贯通型LCD是单晶胞隙(single cell gap)(见图1a)和双晶胞隙(double cell gap)(见图1b)。
后面揭示的美国专利局针对本发明内容所作的最新研究，发布了下述8件美国专利：
授与西米祖(Shimizu)等人的美国专利6,341,002，描述了在贯通型LCD中获取同等发光效率与反差比的双晶胞隙方法。T像素的晶胞隙为R像素的两倍大，要求两块相位补偿膜；
授与汉森(Hansen)等人的美国专利6,108,131，揭示了把非偏振光转换成线性偏振光的技术，涉及到投影显示光源，但不涉及显示器本身；
授与汉森等人的美国专利5,986,730，描述了用于其中使用线栅偏振器的反射与透射两种器件的显示器结构，其中的反射与透射显示器共享同样的像素，覆盖着整个像素；
授与格林贝格(Grinberg)等人的美国专利4,688,897，同样描述了把线栅偏振器用作反射型显示器的反射器的显示设备；
授与鲁(Lu)等人的美国专利5,764,324，描述了用功能与反射电极(第二基片)一样的导电透明电极(第一基片)减少图像保留的反射型显示器；
授与奥基莫土(Okimoto)等人的美国专利6,281,952B1，描述了对发射与反射像素应用两个晶胞隙的贯通型LCD；
授与库伯(Kubo)等人的美国专利6,295,109B1，描述了有两块相位迟后膜的LCD；和
授与库伯等人的美国专利6,330,047B1，揭示了在两基片间设置了LC层的LCD设备，一块基片有透射电极，另一块基片有反射电极区，透射电极与各像素区对应。
为了更好地理解原有技术，可参照图1a与1b，图1a示出原有技术应用单晶胞隙的贯通型LCD视图，图1b示出原有技术应用双晶胞隙的贯通型LCD图。单晶胞隙法对R与T两种模式都应用相同的晶胞隙(d)，该晶胞隙对R模式操作优化，因光只通过LC层一次，故T模式的透光率低于50％。在双晶胞隙法中，R与T子像素的晶胞隙分别为d与2d。在此方法中，R与T都能得到高发光效率，但T模式的响应时间比R模式的响应时间长四倍。上述诸法的共同问题是R与T像素的色饱和度不同，对R像素，环境光通过滤色器两次，但对T像素，背光只通过滤色器一次，故它们的色饱和度不同。
利用上述文献未揭示过的贯通型LCD来改善设备的色饱和度变得极为重要。
发明内容
本发明第一目的是提供对R与透射(T)两种模式都使用单晶胞隙结构的线栅反射器的反射型(R)与贯通型LCD。
本发明第二目的是提供应用反射率与透射率都高的单晶胞隙的反射型与贯通型LCD。
本发明第三目的是提供应用单晶胞隙的反射型与贯通型LCD，该单晶胞隙不需要任何相位迟后膜如1/4波膜或半波膜。
本发明第四目的是提供应用单晶胞隙的反射型与贯通型LCD，该单晶胞隙允许对反射型显示器使用透射型薄膜晶体管液晶基片。
本发明提供一种用于单晶胞隙反射与贯通型LCD的设备，包括：具有反射与透射像素的单晶胞隙LCD；只覆盖反射像素的线栅偏振器；反射离开反射像素的环境光；和通过透射像素使晶胞隙LCD不用相位迟后膜而实现高反差比的背光。本发明还提供一种应用无相位迟后膜的单晶胞隙LCD的方法，该方法包括步骤：设置具有反射与透射像素的单晶胞隙LCD；用线栅偏振器和宽带胆甾型反射器(BCR)中的至少一个只覆盖反射像素；使环境光反射离开反射像素；和使背光通过透射像素，让晶胞隙LCD不用相位迟后膜而获得高反差比。
通过以下对附图示出的目前诸较佳实施例的详述，将明白本发明的其它目的和优点。
                       附图简介
图1a示出原有技术应用单晶胞隙结构的贯通型LCD视图。
图1b示出原有技术应用双晶胞隙结构的贯通型LCD视图。
图2示出本发明在反射像素上埋式线栅偏振器的贯通型LCD。
图3a与3b示出应用垂直对准(VA)LC晶胞的常黑模式。
图4示出图3中常黑模式的计算机模拟的电压相关透射率(VT)与电压相关反射率(VR)曲线。
图5a与5b表示本发明应用90°TN晶胞的另一实施例，图5a示出电压切断态，图5b示出电压接通态。
图6示出应用90°TN晶胞的NW模式的计算机模拟的VT与VR曲线。
图7示出本发明的一器件实施例。
图8a示出应用宽带胆甾型反射器(BCR)、两个环形偏振器和电压为切断态的同质LC晶胞的常白模式。
图8b示出电压为接通态的图8a。
图9a示出应用BCR、两个环形偏振器和电压为切断态的VA LC晶胞的常黑贯通型LCD。
图9b示出电压为接通态的图9a。
                       较佳实施例的描述
在详述本发明揭示的诸实施例之前，应理解本发明并不限于这里示出的特定结构的细节，因为本发明还拥有其它实施例。而且，本文使用的术语只为了说明，不作为限制。
根据本发明内容，本发明为单晶胞隙的反射型与贯通型液晶显示器TF-LCD提供一种新的器件结构。对全反射型LCD，埋式线栅偏振器(WGP)用作环境光的偏振相关反射器。对贯通型LCD，WGP22只覆盖反射像素24，如图2所示。透射像素用铟锡氧化物与聚酰亚胺LC对准层26覆盖。各种LC对准诸如90°扭绞向列或垂面排列(homeotropic alignment)都可实现常白与常黑模式。本发明方法有价值的独特性在于，该晶胞结构无需任何相位迟后膜而能得到高反差比。
如图1a所示，夏普已揭示了原有技术的单晶胞隙法，晶胞隙必须对反射像素优化，使透射效率大打折扣。图1b所示的原有技术的双晶胞隙结构虽然提高了透射效率，但在显现反射与透射两种图像时，透射像素的响应时间比反射像素的响应时间慢4倍。图1a与1b所示方法的另一缺点是要用两块1/4波膜。一边一块。本文揭示的发明应用单晶胞隙，不需要任何相位迟后膜。再者，本文描述的本发明能获得高的反射率与透射率。
选择LC模式的灵活性
根据使用的LC对准，能实现常白(NW)和常黑(NB)两种模式。对NB模式，要求应用负性介电各向异性LC的垂直对准(VA)，而对NW模式则应用90°扭绞向列型(TN)晶胞。
常黑模式
图3a与3b示出应用VA LC晶胞的NB模式。在电压断开态，除了小预倾角(～2°)外，LC定向器几乎都对准得垂直于基片。顶与底线性偏振器交叉。假设顶线性偏振器发射进入环境光的P偏振，当P波通过LC层时，没有相位迟后。线栅偏振器定位成发射P波而反射S波，发射的P波再被底线性偏振器吸收，不回射光。在透射通道中，背光的S波透过底线性偏振器并被项偏振器吸收。因而，反射与透射像素都呈黑色。
当施加电压超阈压时，LC定向器被电场定向(图3b)。因使用的LC具有负性介电各向异性(Δε＜0)，故定向器被定向成平行于基片表面，如图1的右图所示。LC晶胞的作用相当于λ/2板。进入环境光的P波转换成S波而被WGP发射。S波再次穿过LC半波板而变成P波，最后透过项偏振器。同样地，顶偏振器发射背光的S波，形成亮态。
光效率与灰度是贯通型LCD的两个重要参数。图4对图3a与3b所示的常黑模式示出了计算机模拟的电压相关透射率(VT)与电压相关反射率(VR)曲线，R与T像素在5伏都达到100％光调制效率，电压摆动小于3Vrms。
常白模式
图5示出本发明应用90°-TN晶胞的另一实施例。如左图所示，环境光中通过顶偏振器的P波跟随90°TN晶胞的扭绞而变为S波。S波被埋式线栅偏振器反射。S波第二次通过TN晶胞后变为P波而被顶偏振器发射，在零电压时形成亮态。同样在透射像素中，从背光进入的S波被TN晶胞旋转90°而变为P波，该P波透过顶偏振器后形成明亮图像。
在高压区，LC定向器沿电场方向定向，如图5a与5b右图所示，环境光或背光都见不到任何相位迟后，故观察到黑态。
参照图5a与5b，常白贯通型显示器应用90°扭绞向列型(TN)晶胞，图5a示出电压断开态，图5b示出电压接通态。
图6绘出NW模式的计算机模拟结果，VT与VR曲线具有十分相似的灰度，暗态电压约3Vrms。低工作电压导致低功耗，对移动显示器尤其重要。
简单设备的制造
在单偏振器反射型LCD中(见吴(Wu)与杨(Yang)的题为“反射式液晶显示器(Reflective Liquid Crystal Displays)论文，Wiley-SID，2001)，薄膜晶体管(TFT)可埋在铝反射器下面，主要优点是TFT孔径比增至约90％，但制造工艺要复杂得多。本发明可使用透射型TFT基片，如图7所示。图7中，TFT与WGP反射器位于不同基片，可分开制作，产量高。
不需要相位迟后膜
通常，无1/4波膜的单偏振器反射型LCD的反差比很差(＜10∶1)，因为该偏振器被用作两个平行的偏振器。本发明中，线栅偏振器与顶片状偏振器一起用作反射像素的交叉偏振器，两偏振器在透射像素上交叉，故本发明提供了高反差比，不需要任何相位迟后膜。
本发明的扩展
线栅偏振器通常用电子束蚀刻或全息照相法制作。为置换WGP，可像图8a志8b那样淀积宽带的胆甾型反射器(BCR)。BCR可用梯度节距胆甾型液晶实现(如勃鲁厄(D.Broe)r等人发表的论文，发表在”Asia Display”1995年第735-8页)，此时用两个环形偏振器代替线性偏振器，可实现常白(图8a与8b)与常黑(图9a与9b)两种模式。
常白模式
图8a与8b分别表示电压的断与通状态。在电压断态，右侧顶环形偏振器(RCP)发射环境光的左侧偏振。同质晶胞的相位迟后相当于半波板，即dΔn＝λ/2，其中d是晶胞隙，Δn是LC双折射率，λ为波长。左侧环形波通过半波LC层后变为右侧环形波，从BCR反射后，右侧波保持不变。这是胆甾型反射器的主要特征。右侧波穿过LC层不止一次，其偏振向左侧旋转并透过右侧的顶环形偏振器。背光也同样透过，形成零电压亮态。
在高压态，LC定向器被电场定向，使其相位迟后变零。入射的环境光透过BCR被底环形偏振器吸收，透过底偏振器的背光被顶偏振器阻断，呈现暗态。
常黑模式
另一实施例使用的垂直LC对准和负性介电各向异性(Δε＜0)LC材料。图9a与9b示出了工作机理，分别代表电压断与通状态。在电压断态，LC定向器垂直于基片表面，故其相位迟后为零，即δ＝0。环境光被底偏振器阻断，背光被顶偏振器阻断，形成良好的暗态。当电压接通使LC层变为半波板时，环境光被反射，背光可透过，看到亮态。
本发明可应用于各种商品，诸如Gameboy、电子记事簿(PDA)设备和其它有显示器的手持式设备。
虽然对本发明的某些实施例或实践中设想的修正作了描述与图示，但本发明范围不打算也不看作受此限制，本文提出的其它修正或实施例都被特地保留，因为它们都落在所附如权利要求的范围内。

Claims (15)

1、一种用于单晶胞隙反射型与贯通型液晶显示器的设备，其特征在于，所述设备包括：
(a)具有反射像素与透射像素的单晶胞隙液品显示器(LCD)；
(b)只覆盖反射像素的线栅偏振器(WGP)；
(c)反射离开反射像素的环境光装置；和
(d)让背光通过透射像素的装置，从而使晶胞隙LCD实现高反差比而不用相位迟后膜。
2、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
覆盖透射像素的对准层。
3、如权利要求2所述的设备，其特征在于，对准层包括：铟锡氧化物(ITO)与聚酰亚胺(PI)。
4、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：位于晶胞隙上方的ITO/PI层与位于晶胞隙下方的另一ITO/PI层。
5、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
(a)晶胞隙上方的上偏振器层；和
(b)晶胞隙下方的下偏振器层。
6、如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
(a)晶胞隙LCD上方的上偏振器层；和
(b)晶胞隙LCD下方的下偏振器层。
7、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述线栅偏振器用离子束蚀刻工艺形成。
8、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述线栅偏振器用全息照相法形成。
9、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：晶胞隙LCD上方的薄膜晶体管(TFT)。
10、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：用于替代线栅偏振器的宽带胆甾型发射器(BCR)。
11、一种用于单晶胞隙反射型与贯通型液晶显示器的设备，其特征在于，所述设备包括：
(a)具有发射像素与透射像素的单晶胞隙液晶显示器(LCD)；
(b)只覆盖反射像素的宽带胆甾型反射器(BCR)；
(c)使环境光反射离开反射像素的装置；和
(d)使背光通过透射像素的装置，从而使单晶胞隙LCD实现高反差比而不用相位迟后膜。
12、一种应用无相位迟后膜的单晶胞隙液晶显示器(LCD)的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
(a)设置具有反射像素与透射像素的单晶胞隙LCD；
(b)用线栅偏振器(WGP)和宽带胆甾型反射器(BCR)中至少一个只覆盖反射像素；
(c)使环境光反射离开反射像素；和
(d)使背光通过透射像素，从而使晶胞隙LCD获得高反差比而不用相位迟后膜。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述覆盖采用WGP。
14、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述覆盖采用宽带胆甾型反射器(BCR)。
15、如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述覆盖还采用WGP。
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