TWI257495B - Reflective liquid crystal display apparatus - Google Patents

Description

1257495 五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明與反射液晶顯示裝置有關，其中該裝置具有一個 相位差異膜以及—個液晶層和一個反射板，其中上述的反 射板會反射上述的入射光，並且反射的光會通過上述的液 晶層以及上述的相位差異膜。 現有的技術 因爲反射液晶顯示裝置保有高照度，即使在户外也不需 要背光’從低耗電量的觀點來看這是很合用的，並且在近 幾年的研發都有所進展。 這類反射液晶顯示裝置的範例是一種其中之反射功能已 經給予本身像素電極的裝置，此裝置具有1個極性化板和 至少2張相位差異膜，以及具有反射板功能的像素電極。 這至少2張相位差異膜具有下列提及的功能。 圖9顯tf供應至液晶層的電壓修正以及液晶層的反射係 數’其中’反射係數是當線性極性化入射光入射到相位差 異膜以及液晶層上、由反射板反射、再次離開該液晶層與 孩相位差異膜以及之後再次通過極板，所獲得的光線量之 比例’當通過上述極板之後已經線性極性化的上述入射光 量會設定爲100。圖形i是未顯示該至少2張相位差異膜的 情況。當高壓供應到液晶層，幾乎100%的入射光都會反 射’這樣就會顯示出純白色。不過在低壓這一邊上，反射 係數並未降至0%，黑色的亮度會不穩定。依照事實，使 用至少2張相位差異膜可形成理想的1/4λ薄片，如此白色 特性會變黑’在另一方面，黑色特性會變白，也就是低電 壓這一邊會產生白色。圖形2是使用至少2張相位差異膜 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) " --- 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填丨 寫 本 頁

訂 線 1257495 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（2 ) 並且轉成理想丨/从薄片，並且高電壓這一邊上的反射係數 幾乎是〇%，也就是可獲得充足的黑色位準之情況。 不過爲了形成理想的1/4λ薄片，在這類現有的反射液晶 顯π裝置内需要至少2張相位差異膜。再者，因爲無法獲 得充足的白色位準，即使可獲得充足的黑色位準，對比還 疋很低再者’在觀察反射液晶顯示裝置的角度之下，會 有一種不幸的情況發生，就是黑色亮度會浮動，並且白色 冗度會變暗。再者，還有一種不幸的情況就是即使顯示彩 色影像’依照視角的特性，色彩也會改變。 本發明應該解決的問題 本發明的目標在於提供一種具有高對比的反射液晶顯示 裝置’其可避免黑色亮度浮動。再者，本發明的目標在於 提供具有寬廣視角特性的反射液晶顯示裝置。 解決問題的方法 本發明的反射液晶顯示裝置具有申請專利範圍第i項内 說明的反射液晶顯示裝置之特性。 本申請案的發明者發現黑色亮度會浮動的因素是：根據 波長，光線在入射光的反射以及通過液晶層與相位差異膜 之後並未變成線性極性化光線。其原因是，因爲只有從線 性極性化光線溜出來的光量會通過極板，而且即使是將電 壓供應給液晶並且光線的極板改變，還是不會轉變成爲顯 示黑色。本發明的發明者發現相位差異膜的條件與液晶層 的條件是，在通過相位差異膜之後將光線轉變成線性極性 化光線的條件。下面是解釋。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----r---^訂 i--------線 I (請先閱讀背面之注意事項再㈤寫本頁)

1257495 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（3) 因爲在反射液晶顯示裝置的情況下，反射板内入射光的 角度以及反射光的角度相等，如此可獲得關於入射光角度 的自動補償效果。因此，足以觀察到來自反射液晶顯示裝 置内光線入射直到光線到達反射板的過程，或者藉由反射 板反射直到鋼線到達遠反射液晶顯TF裝置的過程。在本應 用中可觀察到後者，如下所示。 在反射液晶顯示裝置内，事實上入射的光線在通過極板 後已經線性極性化。爲了在反射液晶顯示裝置内顯示黑 色，根據此入射光，上述已經數入的線性極性化光線必須 在反射板上變成循環極性化光線，並且在離開相位差異膜 之後再次變成線性極性化光線。原因是反射光的極性方向 必須垂直穿過上述極板的光學軸。在此將考慮來自反射板 的循環極性化光線入射到液晶層，並且離開該液晶層的情 況下極性之狀態。 在觀察極性狀態的情況下，一般都會使用到朋加萊 (Poincare)球以及史托克斯（Stokes)參數。朋加菜（Poincare) 球是顯示極性狀態的球面，其對應到球面上的一點，該點 的半徑與強度成比例。史托克斯（Stokes)參數爲4個參數 SO、SI、S2以及S3，表示極性的狀態並且也包含部份極 性。SO代表部份極性的強度，而SI、S2以及S3是在以朋 加莱（Poincare)球顯示極性的情況下之三維成份，並且與 X、y和z成份一致。以當成此朋加莱（Poincare)球上一點的 極性狀態而言，使用史托克斯（Stokes)參數SI、S2以及S3 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 1_1 ϋ ϋ ϋ l in ϋ In mmmi I ϋ · ϋ ϋ ϋ ϋ ϋ 1^1 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1257495 五、發明說明（4 ) 可代表極性的狀態。下面，這一點稱爲史托克斯（St〇kes) 參數點。 使用朋加菜（Poincare)球可觀察在液晶層内入射的光線之 極性狀態。圖1顯示以某截面平面來觀看朋加莱（p〇incare) 球時出現的S1-S2平面。製造時藉由液晶層扭轉角度以及 液晶層阻力大小的選擇，如圖所示，反射光通過液晶層後 的史托克斯（Stokes)參數點幾乎都固定在S1_S2平面内所有 可見光波長的一條直線上。例如此直線上的點·，▲和代 表屬於紅色、綠色和藍色反射光的史托克斯（St〇kes)參數 點。就這些點都幾乎固定在直線上而言，如此吾人可了解 到液晶層的扭轉角度範圍從30。至70。並且波長550 nm的光 線阻力大小介於1〇〇與350 nm之間。 在與包含S1-S2平面上軸S1與軸S2交叉點的平面平行， 並且包含許多上述反射光的史托克斯（Stokes)參數點之 S3_S4平面内，其中的交叉點也是朋加莱（poincare)球的原 始點，將會投射上述反射光的個別史托克斯（Stokes)參數 點。圖2顯示此S3-S4平面，並且此S3-S4平面是從圖1内箭 頭A原始點的方向觀看史托克斯（stokes)參數點之平面。在 此，S3-S4平面内的軸S4是與軸S1與軸S2垂直交叉的軸， 並且S3-S4平面内的軸S3是與該軸S4垂直交叉的軸。由上 述S3-S4平面上反射光的許多史托克斯（stokes)參數點之個 別投射點以及軸S4所形成之角度爲θ(λ)，在此λ顯示反射 光的波長。 相位差異膜是以滿足下列方程式的方法所製成。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

1257495 Α7 Β7 五、發明說明（ οΚ^ΐ(λ)=·θ(λ) ⑴ 其中的C爲常數，Ret(W是與具有波長λ的光線有關之相 位差異膜的阻力大小。相位差異膜是以滿足上述方程式 (1)的方法所製成時，通過液晶層與相位差異膜的反射光 會變成線性極性化光線。原因是，圖2内所顯示所有通過 液晶層的史托克斯（Stokes)參數點，在通過相位差異膜之 後會固定在圖2的軸S4上。換言之，在通過液晶層之後的 角度θ(λ)可由下式代表 θ(λ): (2)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 而原因是史托克斯（Stokes)參數點在通過相位差異膜之後 只會以這個角度θ(λ)移動，並且固定在圖2的軸S4上。 在反射液晶顯示裝置具有滿足上述條件之液晶層與相位 差異膜的情況下，反射光在通過相位差異膜之後會變成線 性極性光線，而不用管其波長λ。因此，便可獲得具有完 整黑色亮度以及高對比的反射液晶顯示裝置。 本發明的發明者也發現液晶層與相位差異膜的條件，以 便獲得具有寬廣視角的反射液晶顯示裝置。在此，視野的 角度就是垂直通過液晶顯示裝置（通過該液晶顯示裝置的 中心）的平面，以及通過上述該液晶顯示裝置中心以及觀 察者的平面所形成之角度。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） 1257495 A7 B7 五、發明說明（ 首先’下列説明相位差異膜的特性條件。因爲不尋常的 相位差異膜（例如伸長的膜）不具有光學旋轉屬性，當反射 光在相位差異膜上入射並且離開該相位差異膜時，可用視 野角度爲Φ的函數來表示相位差異膜的阻力Ret(;^，如下所

Rei(/l) = 2nd ~~λ~' (3) 其中nx、ny和nz分別代表χ、y和z方向的入射，而視野 的角度Φ就是垂直通過液晶顯示裝置（通過該液晶顯示裝置 的中心）的平面，以及通過上述該液晶顯示裝置中心以及 觀察者的平面所形成之角度。其中，視角寬廣的條件是阻 力Ret〇)爲常數，即使是視野角度φ改變也一樣。藉由選擇 下列方程式約略滿足的相位差異膜之折射索引，如此也可 滿足此條件。 nx +ny ~2~ (4) ------------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因爲阻力大小爲常數，不管其觀看的視野角度爲何，當 使用滿足這些條件折射索引的相位差異膜時，依照視野的 角度，通過相位差異膜的光線之反射係數不會改變。爲了 滿足上述折射索引的條件，藉由調整該相位差異膜的厚度 就可獲得吾人所要的相位差異膜之阻力大小。 接下來將説明液晶層。同樣對於液晶層而言，滿足上述 方程式（4)也是寬廣視野角度的條件。當考慮到光學旋轉 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） A7

1257495 五、發明說明（7 ) 時，滿足這些條件的條件就是扭轉角度很小並且阻力大小 很小。吾人可了解到液晶層的扭轉角度範圍從30。至70。並 且波長550 nm的光線阻力大小介於1〇〇.35()nm之間。也 就是説，吾人可了解到寬廣視野角度的液晶層之特性，以 及在直線上固定上述史托克斯（St〇kes)參數點的液晶層之 特性大約是相同的。 因爲載發明的反射液晶顯示裝置内不僅相位差異膜有寬 廣的視野角度，而且液晶層也是，如此可獲得一整個影像 顯示都具有幾乎一樣的寬廣視野角度反射係數。再者，因 爲使用了不僅滿足上述方程式⑷也滿足上述方程式⑴的 相位差異膜以及液晶層，所以具有寬廣視野角度的反射係 數幾乎是常數，並不取決於波長。 如同上面所探討的，本發明的發明者發現有可能設計出 一種具有寬廣視野角度並且黑色亮度不會浮動的相位差異 密膜以及液晶層。下面詳細説明具體實施例的範例。 具體實施例的範例 圖3爲本發明的反射液晶顯示裝置的截面圖，其具有前 散佈擴散板21、極板11、相位差異膜22以及介於共用電 極基材5與TFT陣列基材1之間的液晶層9。tft陣列基材工 具有對應至個別像素的TFT (薄膜電晶體）3，以及在玻璃 基材2上以矩陣方式排列的像素電極4。絕緣層23涵蓋住 這些TFT 3，並且上述的像素電極4會透過接觸孔分別與個 別TFT的漏極連接。這些像素電極4是上述絕緣層23幾 ββ 一 δ’ a^i ϋ ϋ >ϋ ϋ _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 • 10 - 1257495 A7 -----B7___ 五、發明說明（8 ) 涵蓋的金屬像素電極，因此其也有當成反射板的功能。共 用電極基材5在玻璃基材6上具有透明的共用電極8。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 射入液晶顯示裝置的光線會透過前散佈擴散板21與極板 1.1射入相位差異膜。靠著極板11，入射光（也就是自然光） 會線性極性化。已經線性極性化的入射光會透過共用電極 基材5射入液晶層9，根據個別TFT控制的像素電極電壓， 極板會旋轉並且入射光會由當成反射板的像素電極4反 射。反射光會再度通過液晶層9，並且極板旋轉，然後反 射光會通過相位差異膜22與極板11等等，此順序與入射的 情況相反。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該液晶層9是在下面説明的設計條件下製造。而液晶層 使用由Chisso Co·，Ltd·製造名爲，HS-5043,的材料。其生產方 式爲’此液晶層在共用電極基材5這側上的摩擦方向爲〇。 並且在TFT陣列基材1這側上的摩擦方向爲125。。而波長 550 nm的光線之阻力大小爲230 nm。對於單一波長的光線 而言，傳輸光線對上此液晶層内循環極性化光線的入射， 所反射之光線亮度（強度）可使用極性顯微鏡來決定。對於 有許多波長的光線而言，藉由有關此液晶層反射光亮度的 決定，吾人可觀察到朋加莱（Poincare)球上的許多史托克斯 (Stokes)參數點都固定在幾乎筆直的直線上。 在另一方面，將在下面説明的設計條件下生產相位差異 膜22。在相位差異膜22的材料方面會使用聚竣酸鹽，並且 波長爲550 nm的光線之阻力大小爲137.5 nm，而折射索引 則設定爲ηχ=1·576、ny=1.575以及nz=1.5755。相位差異膜 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1257495 A7 五、發明說明（9 ) 的厚度爲335 nm，而阻力相位軸爲83。相位差異膜的波長 擴散ϋ(λ)是以滿足下列方程式的方式來設計。 Z)(2)= 9.077x10' 2.157χ104 1.927χ109 A2 Λ4 (5) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在此，波長擴散ϋ(λ)就是其中相位差異膜的阻力Ret(x 大小到波長λ的光線是由具有波長550 nm的光線之相位J 異膜的阻力Ret(55〇)大小所區分，也就是由Ret(55〇)所高 整。在相位差異膜主要是以聚碳酸鹽爲材料的情況下，兑 足此方程式（5)就是設計條件以滿足上述方程式（丨）。極未 11的傳輸軸已經設計在-20。。 圖4顯示此相位差異膜的視野特性。水平軸是就是上通 已經定義過的視野角度，垂直軸則顯示反射係數。相位^ 異膜22滿足上述方程式（4)。從圖4可明確看出，反射係奏 幾乎是常數，即使是視野角度在寬廣的範圍内變動也一 樣。 圖5顯示從圖形可清楚看出此液晶的視角特性，反射令 數幾乎是常數，即使是視野角度在寬廣的範圍内變動也一 圖6顯示具有這些相位差異膜2與液晶層9的液晶顯示驾 置之視角特性，當電壓供應至液晶層5時會分成5個, 級。其顯示出在寬廣的視角範園内，反射係數幾乎是臂 數。 圖7顯示供應至液晶層9的電壓修正，以及本發明液⑤ 層的反射係數。從圖形可清楚看出，其顯示出當高電壓存 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

1257495 A7 ~~~ --------— R7___ 五、發明說明（】〇) ^ 應至液晶層，入射光幾乎是1〇〇%反射，如此可獲得足夠 C>的里面並且在供應低電壓時，反射係數幾乎爲 0%，如此便可獲得足夠黑的畫面。 圖8顯示對照光線波長而改變的反射錄，在此將供應 至液晶層9的電壓分成5個等級。從圖形可清楚看出，其 頒π出反射係數幾乎是常數，即使是波長改變也一樣。因 此，其顯示出幾乎滿足上述方程式（1)。 在本發明另一個不錯的具體實施例範例中，使用聚壓克 力當成液晶層的材料。在此情況下，其顯示出若相位差異 膜的波長擴散ϋ(λ)是以滿足下列方程式的方式來設計，則 幾乎滿足上述方程式（1)。 Β(λ) = 8.222x1ο-1 + , λ2 Λ4 (6) 再次在本發明另一個不錯的執行範例中，使用聚磺胺當 成液晶層的材料。在此情況下，其顯示出若相位差異膜的 波長擴散ϋ(λ)是以滿足下列方程式的方式來設計，則幾乎 滿足上述方程式（1)。 則=7.503Χ10-1 + 处 46Χ104 丄 f F (7) 再次在本發明另一個不錯的具體實施例範例中，使用 norbornane當成液晶層的材料。在此情況下，其顯示出若 相位差異膜的波長擴散0(λ)是以滿足下列方程式的方式來 設計’則幾乎滿足上述方程式。 _________- 13- 本紙張尺度綱巾0目家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂----------線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1257495 A7 ~---E_— ___ 五、發明說明（n) D{X) = 9.695x1ο-1 +J_ A2 A4 (8) 發明總結 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以本發明的反射液晶顯示裝置而言，視角屬性有極大的 改善，並且可獲得具有不會浮動的黑色亮度影像顯示。 圖1爲在一平面内觀看液晶層的朋加莱（p〇incare)球時之 S1-S2平面圖。 圖2爲在一平面内從另一方向觀看液晶層的朋加菜 (Poincare)球時之S3_S4平面圖。 圖3爲本發明執行範例的反射液晶顯示裝置之截面圖。 圖4顯示本發明執行範例的相位差異膜之視角特性。 圖5顯示本發明具體實施例範例的液晶層之視角特性。 圖6顯示本發明具體實施例範例的反射液晶顯示裝置之 視角特性。 圖7顯示本發明具體實施例範例的反射液晶顯示裝置液 晶層内電壓以及反射係數之修正。 圖8顯示射入本發明具體實施例範例的反射液晶顯示裝 置之光線波長的修正。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖9顯示反射液晶顯示裝置的液晶層内電壓以及反射係 數之修正。 符號説明 1 : TFT陣列基材 2，6 :玻璃基材 3 :薄膜電晶體 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1257495 A7 _B7 五、發明說明（12) 4 :像素電極 5 :共用電極基材 8 :共用電極 9 :液晶層 11 :極板 21 :前散佈擴散板 22 :相位差異膜 23 :絕緣層 --------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. Λ 8 Β8 C8 D8 I2574§5 弟08()112742號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年\ 申請專利範圍 1 · 一種反射式液晶裝置，包含：一個相位差異膜、一個 液曰曰層以及用於反射入射光的反射裝置， 其中該入射光由該反射裝置反射，並且該反射光會 通過該液晶層以及該相位差異膜， 以及其中該反射光的許多史托克斯（stokes)參數點係 被標示在朋加萊（Poincare)球約略筆直的線上，表示在 平面的截面内之光線，並且該液晶層與該反射光有關 之該相位差異膜間之關係實質地滿足： °^ί(λ)=λθ(λ) 其中Ret(X)代表在該相位差異膜内與具有波長（的光 線有關之阻礙，當该反射光的個別史托克斯（Stokes)參 數點投射在一平面上，而該平面平行於包含該朋加萊 (Poincare)球原點以及該反射光的史托克斯參數點， θ(λ)代表個別投射點與垂直於包含該原點之該朋加萊 (Poincare)球之該平面截面視圖的軸間之角度；並且c代 表一個常數。 2.如申請專利範圍第1項之反射式液晶裝置，其中該相位 差異膜主要由聚碳酸鹽構成， 並且其中該相位差異膜的波長擴散ϋ(λ)由下式定 義： ⑷= 9.077x10— 2.157χ104 1·927χ109 乂2 又4 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格（210 X 297公釐) 1257495 Λ 8 B«S C8 Γ)8 、申請專利範圍 3. 如申請專利範圍第丨項之反射式液晶裝置，其中該相位 差異膜主要由聚壓克力構成， 並且其中該相位差異膜的波長擴散D(W由下式定 義·· ϋ{λ) = 8.222χ10_, + ^1Ζί1〇1 + _1 又- Λ4 4. 如申請專利範圍第1項之反射式液晶裝置，其中該相位 差異膜主要由聚磺胺構成， 並且其中該相位差異膜的波長擴散！)(λ)由下式定 義： 8.046x104 D(A) = 7.503x10" 5·如申請專利範圍第1項之反射式液晶裝置，其中該相位 差異膜主要由norbornane構成， 並且其中該相位差異膜的波長擴散〇(λ)由下式定 義： η/】、—_ …-1 9·500χ103 1 (义）一 9.695x10 η ^ · η—— 又2 Λ4 6·如申請專利範圍第1、2、3、4或5項之反射式液晶裝 置，其中該相位差異膜與該液晶層滿足 本紙張尺度適用中國國家標準(CMS) Α4規格（210X297公釐） 1257495 as B8 C8 D8 六、申請專利範圍 折射索 以及該 液晶裝 線有關 該液晶 其中nx、ny和nz分別代表x、y與z方向内的 引5並且該X、y和z方向分別是該相位差異膜: 液晶層的縱長方向、橫寬方向以及厚度方向。 7 ·如申請專利範圍第1、2、3、4或5項之反射式 置，其中與在該液晶層内具有波長550 nm的光 之阻力，其範圍從100 nm至350 nm，並且其中 層的扭轉角度從30。至70。。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）