CN1795411A - 用于柔性显示器的补偿膜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供改进的可弯曲液晶显示器(400)的图像质量。在这种显示器中，在单元间隙中包含液晶层(401)，所述单元间隙具有在弯曲显示器时减小的厚度。对于以可切换延迟为基础的显示器来说，如TN(扭曲向列)或STN(超扭曲向列)显示器，这具有单元延迟值减小的结果，使得诸如颜色、对比度和视角等光学特性变坏。因此本发明提出利用补偿膜(407)或涂层对这种效果进行补偿，所述补偿膜或涂层在弯曲显示器时具有作为在该层中引起的应力的函数而变化的延迟，由此补偿液晶(401)的延迟变化，从而使总延迟(单元+补偿器)保持不变。

Description

用于柔性显示器的补偿膜
发明领域
本发明涉及改进柔性液晶显示器的图像质量。
技术背景
液晶显示器(LCD)由于它们的基板材料例如玻璃的刚性而通常是刚性平面的。然而，近年来已经提供了一种柔性LCD，其中用薄塑料合成膜代替了玻璃基板。存在很多设置，其中使用柔性显示器对于例如可滚动的膝上型和可佩带的电子装置是有利的。
有些液晶显示器，如TN(扭曲向列)或STN(超扭曲向列)是以可切换的延迟为基础的。延迟基本上是材料使光相位移动的能力，并通过在不同方向具有不同折射率的材料提供。基于可切换延迟的LCD一般在仔细选择的结构中包括夹在不同基板之间的液晶层、延迟器和起偏振器，以便提供所需的画面效果(如对比度、亮度和颜色)。这些显示器的画面效果主要取决于精确的单元延迟，并且该单元延迟的最佳值通常在设计显示器时由计算机模拟来确定。所希望的单元延迟可以通过选择液晶混合物和单元间隙厚度的适当组合来获得。然而，由于这些显示器具有有限的厚度，弯曲或弯折显示器将压缩单元间隙，因此减小了液晶层的厚度。任何这种单元间隙变化都将影响延迟δ，该延迟δ线性地依赖于单元间隙的厚度d：
δ＝d(nx-ny)
其中nx和ny分别是液晶沿着x和y轴的折射率，并且其中x和y轴跨越显示器的横向平面。
这样通过弯曲显示器引起的单元间隙变化改变液晶层的延迟效果，并且作为其结果，影响了画面效果，由此偏离其最佳效果。因此，基于可切换延迟的公知柔性LCD在被弯曲时呈现降低的画面效果。换言之，这种柔性(或可弯曲的)显示器在弯曲时存在图像质量下降的问题。
发明内容
因此本发明的目的是解决关于弯曲显示器时画面效果下降的上述问题。
因此人们已经发现柔性LCD的弯曲改变了显示器的开关特性，并且这个效果是由于显示器的有限厚度引起的，这导致弯曲在基板之间的间隔器上产生压力，并因此减少了单元间隙。计算表明这个压力影响单元间隙是由于间隔器的变形以及基板的变形引起的。此外，人们还接受间隔器上的压力取决于显示器的局部曲率半径R，以至于单元间隙厚度随着1/R2线性地改变。实际上，测量表明单元间隙厚度的变化于是延迟的变化基本上与1/R线性相关。
塑料材料在变形时通常改变了它们的光学延迟特性，这是由于聚合物链的再定向造成的。这个弹光效应(opto-elastic effect)是公知的并在文献中有描述。实际上，存在特殊的膜和涂层，其中这种光弹性效应特别明显。在这些膜中，延迟δ随着应变εx和εy如下变化：
δ＝tK(εx-εy)
其中t是膜厚，K是应变光学系数，膜的材料参数。
作为本发明的基础，本发明人已经认识到可以利用这种光弹性效应，以便减少或者甚至消除液晶显示器的曲率半径相关性。这可以通过在显示器上施加补偿层或膜来实现，假定与液晶层相比，膜的延迟以抵消的方式取决于曲率半径。根据应变-光学系数(K)的符号，可以将补偿膜施加在液晶层的正面或背面。当然，可以施加一个以上的补偿膜或层，例如在液晶层的每侧上各施加一个膜。
一般情况下，如果将补偿膜施加在显示器中的液晶单元的正面，将显示器弯曲成凸起形状将导致膜上的拉伸应变。对于全弹性膜来说，弯曲显示器将产生与弯曲半径R成反比的应变(εx)：
εx＝r/R
其中r是从补偿膜的中心到弯曲单元的中性平面(neutral plane)的距离。中性平面是弯曲该单元时单元中既不伸长也不压缩的平面；在对称单元中，在纯粹的弯曲时中性平面位于单元间隙的中间。因此施加在弯曲显示元件的正面上的这种补偿膜的延迟随着曲率半径线性增加，这样可用于补偿被压缩液晶层的减小了的延迟。通过适当地选择材料常数K、膜厚t、基板厚度以及校正膜和显示单元之间的任何附加膜的厚度，可以提供校正补偿膜/涂层。校正膜的延迟通过组合公式1和2来计算：
δ＝tK(r/R)
根据本发明的一个方案，提供一种可弯曲的从而限定弯曲半径的柔性液晶显示器件。本发明的显示器件包括：
-第一和第二基板层；
-设置在所述基板层之间并具有延迟效果的液晶层，所述延迟效果作为所述曲率半径的函数而变化；以及
-至少一个补偿层，所述补偿层具有作为所述曲率半径的函数而变化的延迟效果，以便在曲率半径的某个范围内抵消液晶层的延迟效果的所述变化。这样，对于画面效果，本发明的显示器提供了改进的弯曲特性。
根据一个实施例，除了现有技术显示器的基板、延迟器、起偏振器等之外，还提供作为分离层的补偿层。这种设计的优点在于很容易地和节省成本地修改现有技术设计，从而提供本发明的优点。
使用不同的基板，即，具有不同延迟特性的基板，导致对弯曲时的延迟的影响。这样，替代施加附加延迟补偿层，还可以设计基板，或者显示器中的任何其他层，以便在弯曲显示器时呈现所希望的抵消延迟变化。然而，如前所述，常规基板的应变光学系数太低了，以至于对延迟的总曲率半径相关性没有任何明显的效果。
这样，根据另一实施例，补偿层由所述基板层之一构成。本实施例提供了更紧凑的设计，并减少了显示器中的层的总数量，由此还简化了制造工艺。
根据又一实施例，该显示器件还包括在所述液晶层的正面上的正面起偏振器和在所述液晶层的背面上的背面起偏振器，并且补偿层设置在所述起偏振器之间。对于很多透射型显示器类型，这是必须的，因为必须对偏振光进行补偿。在显示器是反射型显示器的情况下，补偿层是由于相同的原因而设置在正面起偏振器和背面反射镜之间。
根据另一实施例，补偿膜对于每个可能的弯曲半径具有非零的延迟效果，由此该补偿膜还用作延迟器。对于基于延迟器构成(retardercomposition)的显示器设计，例如用于提供彩色显示器，本实施例有助于更紧凑的显示器设计。选择合适的材料，关于K值，以及基本延迟效果，很容易提供延迟和补偿层的组合。
根据应用，补偿膜可以在给定曲率半径或在给定曲率范围时用于校正单元间隙变化。
在柔性显示器制造中通常用作基板和延迟器等的膜还具有有限的应变光学系数。对于对称单元来说，该膜的影响可以忽略，而对于非对称单元来说，这些影响是必须考虑的。然而，现有技术材料的应变光学系数太低了，以至于在弯曲显示器时对总的延迟变化没有任何显著效果。
优选的K值取决于各个因素，如应变光学层的厚度和离整个显示器叠层的中线的距离。然而，对于大多数应用来说，仅仅补偿大于约1nm的延迟差才有意义。此外，膜厚一般不大于200微米，并且补偿层与中线之间的距离小于200微米。在这些情况下，K值应该高于0.001，这基本上高于常规延迟器。实际上，K没有上限值，因为总是可以使用更薄的层或更靠近中线的层。
为了提供作为曲率半径函数的动态延迟补偿，还可以移动中心平面。可以通过施加在光学上很可能是无源的附加层或膜，来移动中心平面，由此使显示器不对称。这样，根据一个实施例，增加光学无源层，选择其抗挠/弯曲强度从而提供补偿层的准确补偿。由此可以根据附加层的厚度选择显示器的各个层对最终延迟的影响。
当然，可以组合许多上述措施(measurement)，共同点(commondenominator)是根据延迟补偿所得到的曲率半径抵消液晶层延迟对曲率半径的依赖性。
附图简述
现在将参照附图说明本发明的各个实施例，其中：
图1示意性地示出具有补偿涂层的本发明的显示器；
图2示意性地示出具有补偿涂层的弯曲的本发明显示器；
图3示出本发明的FSTN显示器的不同层；
图4-7示意性地示出本发明的显示器件的不同实施例的剖面图；
图8是示出在弯曲显示器时的延迟变化δ，是针对以下参数计算的：
弯曲时的液晶层变化(805)；
弯曲补偿膜(804)；
预加应力的补偿膜(803)；以及
具有(801)和不具有(802)预加应力的最终曲面；
图9是表示针对液晶单元上的补偿涂层的测量延迟的曲线图；
图10是表示通过显示器的开关特性确定的单元间隙变化的曲线图。
发明的详细说明
图1示意性地示出补偿显示单元100，其包括：显示单元102，包括两个基板和中间的液晶层；以及附加涂层101，与弯曲显示器时的液晶层相比，其提供抵消延迟变化。为了清楚起见，省略了用于构成完整的显示器叠层所需的延迟器和起偏振器。线112表示显示单元的中心平面，并且线111表示附加涂层的中心。而且图中还示出了涂层111的厚度t以及中心平面112和涂层11中心之间的距离r。
在图2中，示出了弯曲补偿显示单元200。与图1相似，该显示器包括显示单元201和涂层202。此外，还示出了局部曲率半径203和围绕其局部弯曲显示器的轴心或中心点204。正如图2所示的显示器的情况那样，可以不均匀地弯曲该显示器，然后其具有多个或甚至无限个中心点。
补偿层可以以液相施加，然后固化。用于该目的的一种可能的材料可以是从Vishay Measurements Group获得的商标名为PL-2的液体。或者，补偿层可以以箔的形式层叠到显示器件中。用于该目的的一种可能的材料可以是从Vishay Measurements Group获得的商标名为PS-3的薄片。这种箔的延迟补偿效果可以通过在将其施加到显示器件之前向其预加应力而增加。因此，除了选择材料特性和膜厚之外，选择补偿层中的预加应力的水平是定制延迟补偿的另一种方式。
在图4中，进一步详细地示意性地示出本发明显示器400的剖面图。显示器400包括被基板402、403密封的液晶层401。显示单元层叠在正面起偏振器405和背面起偏振器404之间。延迟器406和补偿层407淀积在正面起偏振器和基板403之间。将补偿层设计成在弯曲显示器时补偿液晶层中的延迟变化。还可以使补偿层在显示器的各个层当中具有不同的位置，但是在透射型显示器中，它必须设置在正面起偏振器和背面起偏振器之间，在反射型显示器中，它必须设置在正面起偏振器和背面反射镜之间。例如，如图5示意性所示，补偿层507可以设置在延迟器506的外侧。除了这个差别之外，图5中所示的显示器与图4所示的显示器相同。在图6中，示意性地示出另一本发明显示器600。与图4中所示的显示器相似，显示器600包括液晶层601、基板602、603、起偏振器604、605以及延迟器。然而，根据本实施例，选择延迟器中的材料从而使其还能用作弯曲补偿层。在图7中，仍然示出了又一种本发明显示器700。这种显示器与显示器400相似，除了背面起偏振器404与反射镜704交换之外。因此显示器700是反射型显示器，与上述透射型显示器相反。
补偿根据本发明的显示器将总是部分地成为在对比度、亮度和颜色之间选择的问题。这些效果可以使用计算机模拟来进行评估。如简单所示，下面是一个例子，其中在弯曲显示器时，处于截止状态的单元延迟尽可能小地变化。在下面给定的例子中，使用了一定范围内(R＞20mm)的校正，而没有处理从凹向凸的弯曲。
例子
提供如图3所示组装的FSTN(箔补偿超扭曲向列)显示器。因此该显示器包括上基板303和下基板304，它们由具有阻挡涂层(例如DT 120，可从Teijin获得)的120微米厚的聚碳酸酯膜，以及设置在两个基板之间的一定结构中的光刻凸纹间隔器(Lithographic ribspacer)形成。液晶层306淀积在基板之间，并且这两个基板被夹在上起偏振器301和下起偏振器305之间。此外，延迟器302和后来的补偿层307设置在上基板和上起偏振器之间。
关于延迟如何随着曲率半径而变化来进行的计算测量显示在图8中，其中沿着x轴给出曲率半径，沿着y轴给出针对该显示器和其各层的对应延迟。例如，曲线805给出对于非补偿显示器的液晶层的延迟变化。为了清楚起见，使该曲线倒置(对应的δ值实际上是负的)。
如上所述，已经确定单元间隙间隔器上的压力取决于显示器的局部曲率半径R，从而单元间隙厚度随着1/R2线性变化。实际上，测量值显示单元间隙厚度的变化，由此延迟的变化基本上与1/R具有线性关系，参见图10。
当该显示器是平面时，单元间隙是4.8微米以及单元延迟是812nm(即δ＝0nm)。当该显示器被弯曲成直径为20mm(即1/R＝0.05mm-1)时，单元间隙减小100nm，以及单元延迟减少大约17nm(即δ＝-17nm)。
为了补偿这种延迟变化，在单元的顶部施加适当厚度(132μm)和应变光学系数(K＝0.02，可从Vishay Measurements Group获得商标名为PL-2的液体)的涂层307。该涂层作为液体施加，然后固化。施加的涂层的延迟在图8中由线804给出。或者，可以施加预加应力的箔(可从Vishay Measurements Group获得的商标名为PS-3的薄片)，提供由线803给出的延迟特性。在预加应力的箔中，实际应力当然是预加应力和由弯曲该箔产生的应力的和。
针对具有普通和预加应力的涂层的显示器中的最终延迟变化进行的计算分别通过线802和801给出。如图所示，在补偿层中施加适当的预加应力导致补偿曲线如此偏移，使得感兴趣的区域(例如R＞20mm)中的最大差值δcorrected最小。在本例(图8中的曲线802)中，δcorrected＝0.125δinitial。
图9示出非预加应力的涂层的补偿效果的实际测量值。
在本例中，假设中线的位置由于涂层的施加没有偏移。在实际情况下，单元间隙变化和中线的位置受到该层的施加的影响。这可能导致实际层的(微小)变化。
实质上，本发明是为了改进可弯曲液晶显示器的图像质量。在这种显示器中，在单元间隙中包含液晶层，所述单元间隙具有在弯曲显示器时减小的厚度。对于以可切换延迟为基础的显示器来说，如TN(扭曲向列)或STN(超扭曲向列)显示器，这具有单元延迟值减小的结果，使得诸如颜色、对比度和视角等光学特性变坏。因此本发明提出利用补偿膜或涂层对这种效果进行补偿，所述补偿膜或涂层在弯曲显示器时具有作为在该层中引起的应力的函数而变化的延迟，由此补偿液晶的延迟变化，从而使总延迟(单元+补偿器)保持不变。

Claims (9)

1、一种柔性液晶显示器件(400)，其是可弯曲的，从而限定弯曲半径(203)，所述显示器件包括：
第一和第二基板层(402、403)；
液晶层(401)，设置在所述基板层之间并具有延迟效果，所述延迟效果作为所述曲率半径的函数而变化；以及
至少一个补偿层(407)，所述补偿层具有作为所述曲率半径的函数而变化的延迟效果，以便在曲率半径的某个范围内抵消所述液晶层的延迟效果的所述变化。
2、根据权利要求1所述的柔性液晶显示器件，其中提供所述补偿层(407)作为分离层。
3、根据权利要求1所述的柔性液晶显示器件，其中所述补偿层(407)由具有绝对值超过0.001的应力-光学系数的材料构成。
4、根据权利要求1所述的柔性液晶显示器件，其中所述补偿层由具有绝对值超过0.01的应力-光学系数的材料构成。
5、根据权利要求1所述的柔性液晶显示器件，其中所述补偿层由所述基板层之一构成。
6、根据权利要求1所述的柔性液晶显示器件，还包括在所述液晶层的正面上的正面起偏振器(405)和在所述液晶层的背面上的背面起偏振器(404)，并且其中所述补偿层(407)设置在所述起偏振器之间。
7、根据权利要求1所述的柔性液晶显示器件，其中该显示器是反射型显示器(700)，并且所述补偿层设置在正面起偏振器(705)和背面反射镜(704)之间。
8、根据权利要求1所述的柔性液晶显示器件，其中补偿膜(606)对于每个可能的弯曲半径具有非零的延迟效果，由此该补偿膜还用作延迟器。
9、根据权利要求1所述的柔性液晶显示器件，还包括光学无源层，
选择抗挠/弯曲强度以便提供所述补偿层的精确补偿。
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