TWI396010B - 液晶顯示器及電子裝置 - Google Patents

Description

液晶顯示器及電子裝置

本發明係有關於一種液晶顯示器，特別是有關於一種可改善對比度的液晶顯示器。

在平面顯示器中，液晶顯示器(liquid crystal display；LCD)是最受歡迎的一種。液晶顯示器具有兩面板以及一液晶層。兩面板具有電場產生電極(field generating electrode)，如畫素電極以及共通電極。液晶層設置在兩面板之間。藉由提供電壓予電場產生電極，便可在液晶層產生一電場。該電場決定液晶層裡的液晶分子的方向，用以調整光線的偏光性(polarization)。

目前有許多主要的顯示方法，可增加顯示器的色域。近來主要的發展係為RGBY顯示。在RGBY顯示中，彩色濾光片具有紅(R)色濾光部分、綠(G)色濾光部分、藍(B)色濾光部分以及黃(Y)色濾光部分。相較於RGB液晶顯示器或是RGBW液晶顯示器而言，RGBY顯示具有較寬的色域。此外，RGBY顯示的功率損耗低於RGB液晶顯示器。

彩色濾光片的紅色濾光部分、綠色濾光部分以及藍色濾光部分的材料及處理已經是完善的，其可減低光線被擴散。雖然紅色濾光部分、綠色濾光部分以及藍色濾光部分可能會發生退極化(depolarization)，不過，其所造成退極化的影響是在可允許的範圍內。

然而，卻沒有適合的黃色顏料可用來形成彩色濾光片的黃色濾光部分。由於目前的黃色濾光部分會擴散光線，因而造成退極化問題。此退極化問題會降低對比度(contrast ratio；CR)，並且降低色域。

RGBY以及RGyGcB均為主要的顯示方法，其均可呈現自然的顏色。舉例而言，Sanyo-Epson提供一種RGyGcB顯示(色配料及影像處理技術ChromaRich)，用以改善色域。這種的顯示方式應用在Epson的照片瀏覽器(P-3000及P-5000)上。然而，經過測試，黃色濾光部分仍會對光線造成退極化影響，因此，這種技不能應用在液晶顯示器之中。

E.Peeters等人揭露不同的材料，其可應用在內置偏光板，如液向性液晶分子(lyotropic liquid crystalline dyes)或是光聚合的高佈置主客系統(in-situ photo-polymerizertion of highly ordered guest-host system)。主客系統可與反應性液晶二丙烯酸酯(reactive liequid crystal diacrylates)有關。光聚合(photo-polymerizertion)可包含二丙烯酸酯摻雜分散色性染料分子(diacrylates with dichroic dye molecules)，例如二色性偶氮染料(Dichroic Azo Dye)。相關的材料特性請參考E.Peeters、J.Lub、A.A.Stenbakkers及D.J.Broer等人所撰寫的學術文章，標題為Advanced Materials，刊登於2006年第18集第2412-217頁，以及E.Peeters、J.Lub、WPN Nijssen、J.Steenbakkeres及D.J.Broer等人所撰寫的學術文章，標題為EuroDisplay，刊登於2005年第165-167頁。E.Peeters等人利用內置偏光板取代原本液晶胞(LCD cell)外部的偏光板。不過，他們並沒有揭露或建議將內置偏光板增加至原本的液晶胞之中。

本發明提供一種液晶顯示器，包括至少一液晶顯示胞。液晶顯示胞具有，一液晶層、一下面板以及一上面板。液晶層設置在上下面板之間。下面板相鄰液晶層，並具有一第一偏光板。第一偏光板偏振一第一光線，用以產生一第二光線。第二光線的偏光性為一第一方向。上面板相鄰液晶層，並設置在下面板的對面。上面板包括，一彩色濾光片、一第二偏光板以及一第三偏光板。彩色濾光片具有至少一濾光部分，用以產生一預設顏色。第二偏光板設置在彩色濾光片與液晶層之間。第二偏光板偏振第二光線，用以產生一第三光線。第三光線的偏光性為一第二方向。第三偏光板設置在彩色濾光片之上。第三偏光板偏振第三光線，用以產生一第四光線。第四光線的偏光性為第二方向。該第二方向垂直該第一方向。

為讓本發明之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖係為本發明之電子裝置之示意圖。如圖所示，電子裝置1包括，一液晶顯示器10以及一電源供應器20。電源供應器20耦接液晶顯示器10，用以提供電源予液晶顯示器10。在本實施例中，液晶顯示器10係為一彩色影像顯示器，並整合於電子裝置1之中。電子裝置1可為行動電話、個人數位助理(PDA)、筆記型電腦、桌上型電腦、電視、車用顯示器(car media player)、攜帶式影像播放器(portable video player)、數位相機、全球定位系統(GPS)、車用導航系統(car navigation system)、航空用顯示器等等。

第2a及2b圖為本發明之液晶顯示器之示意圖。如圖所示，液晶顯示器10包括，液晶層100、共通電極102、畫素電極104。畫素電極104設置在基底105之上。液晶顯示器10更具有複數畫素胞(pixel cell)。為方便說明，第2圖僅顯示單一畫素胞。在本實施例中。畫素胞對應一次畫素，並且面積為40μm X 40μm，其厚度為4.15μm。在其它實施例中，畫素胞的面積可為20μm X 20μm、30μm X 30μm、39.5μm X 39.5μm或是30μm X 61μm或是其它非正方形的面積。畫素胞的厚度可大於1.5μm。如圖所示，液晶層100設置在共通電極102與畫素電極104之間。液晶模組係以垂直方向排列。第2a圖並未顯示液晶模組，不過有顯示垂直方向。畫素電極104設置在薄膜電晶體(TFT，未顯示)之上，用以切換液晶層100。液晶顯示器10可能更具有其它元件，如基底130、彩色濾光片(未顯示)以及薄膜電晶體150(如第2b圖所示)。

共通電極102、液晶層100以及畫素電極104可構成一液晶電容。在薄膜電晶體不導通後，液晶電容儲存電壓。畫素電極104根據資料電壓，與共通電極102一起產生適合的電場予液晶層100的液晶分子。共通電極102可為習知的共通電極，並且可由氧化銦鋅(Indium Zine Oxide；IZO)或是氧化錫銦(Indium Tin Oxide；ITO)所構成。畫素電極104亦可由氧化銦鋅或是氧化錫銦所構成。

第3a及3b圖分別顯示習知彩色液晶顯示器的畫素示意圖。在第3a圖中，畫素具有一下面板、一玻璃層GL1以及電極EL1，其中下面板具有偏光板(polarizer)POL1。玻璃層GL1設置在偏光板POL1之上。電極EL1設置在玻璃層GL1之上。更進一步而言，第3a圖所顯示的畫素更具有上面板、玻璃層GL2、彩色濾光片CF以及電極EL2，其中上面板具有偏光板POL2。玻璃層GL2設置在偏光板POL2之下。彩色濾光片CF設置在玻璃層GL2之下。電極EL2設置在彩色濾光片CF之下。偏光板POL1的偏光性方向垂直於偏光板POL2的偏光性方向。在第3a圖中，偏光板POL1的偏光性方向為x方向，而偏光板POL2的偏光性方向為y方向。第3a圖所示的彩色濾光片CF具有四個部分，如紅色濾光部分R、綠色濾光部分G、藍色濾光部分B以及黃色濾光部分Y。另外，上述的"之上"以及"之下"係取決於定位方向，並非用以限制本發明。

電源供應器20耦接於電極EL1及EL2之間。如第3a圖所示，液晶顯示器係為垂直配向(vertical alignment；VA)型式，也就是說，當電源供應器20提供低位準(如0V)時，則液晶層100的液晶分子以垂直方向(垂直電極EL1及EL2表面的方向)排列。此時，畫素呈現黑色，也就是說，不會有光線透過。不過，本發明並不只可應用在垂直配向型式。本發明更可應用在其它液晶技術，如廣視角技術(Fringe Field Switching；FFS)、平面轉換(In-Plane Switching；IPS)、電控雙折射模式(Electrically Controlled Birefringence；ECB)、光學補償彎曲(Optically Compensated Bend；OCB)。

在第3a圖中，光線L由下面板的下方開始，藉由偏光板POL1，光線L的偏光性被控制在X方向，如圖示右手邊的X方向所示。接著，光線L穿過玻璃層GL1以及電極EL1後，其偏光性仍維持在X方向。

由於液晶層100的液晶分子以垂直方向排列，故光線L可穿過液晶層100。在穿過液晶層100後，光線L的偏光性仍維持在x方向。

接著，光線L穿過電極EL2，並進入彩色濾光片CF。藉由彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B，便可從光線L中，分別取出紅色成分、綠色成分以及藍色成分。由於彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B並不會影響光線的偏光性，因此，光線L在穿過彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B後，仍維持x方向的偏光性。

然而，由於材料的影響，彩色濾光片CF的黃色濾光部分Y會改變光線的偏光性，因而造成退極性效應(depolarizing effect)。如第3a圖的右手邊所示，在黃色濾光部分Y與玻璃層GL2之間的接界處，光線L具有x方向偏光性以及少量的y方向偏光性。換句話說，光線L被楕圓形地偏光性化。

由於玻璃層GL2不會改變光線的偏光方向，故所有光線L均可通過玻璃層GL2而到達玻璃層GL2與偏光板POL2的交界處。玻璃層GL2會阻擋x方向的光線。因此，通過彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B的光線均會被玻璃層GL2所阻擋，故彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B相對於玻璃層GL2的位置會呈現黑色。由於玻璃層GL2不會阻擋y方向的光線，因此，穿過彩色濾光片CF的黃色濾光部分Y的光線的y成分會通過玻璃層GL2，故彩色濾光片CF的黃色濾光部分Y相對於玻璃層GL2的位置會呈現些微的黃光。因而造成畫素無法呈現真正的黑色。

在第3b的畫素結構與第3a圖相同。不過，在第3b圖中，由於電源供應器20提供足夠的電壓(如5V)，故使得液晶層100的液晶分子以水平方向排列。因此，當偏光性為x方向的光線L進入液晶層100時，光線L的偏光性會被旋轉90°(π/2)。因此，當光線L穿過液晶層100後，其偏光性會被轉換成y方向。

由於彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B並不會改變光線的偏光方向，故穿過紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B的光線的偏光性仍為y方向。偏光板POL2並不會阻擋穿過彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B的光線。不過，穿過彩色濾光片CF的黃色濾光部分Y的光線會受到退極性的影響，而產生少量的x方向偏光性。不過，具有y方向偏光性的光線仍穿過偏光板POL2，只是x方向偏光性的光線會被偏光板POL2所阻擋。由於大部分的光線可穿過偏光板POL2，故畫素可發出白光。

實際上，電極EL2會被切分成許多電極區塊，每一電極區塊對應彩色濾光片的一濾光部分。舉例而言，由於彩色濾光片具有紅色濾光部分R、綠色濾光部分G、藍色濾光部分B以及黃色濾光部分Y，故電極EL2會被切分成第一至第四電極區塊，其中第一電極區塊對應彩色濾光片的紅色濾光部分R，第二電極區塊對應彩色濾光片的綠色濾光部分G，第三電極區塊對應彩色濾光片的藍色濾光部分B，第四電極區塊對應彩色濾光片的黃色濾光部分Y。電極EL2的每一電極區塊會連接至一薄膜電晶體。每一薄膜電晶體係獨立操作，用以控制每一電極區塊所對應之液晶分子為垂直或水平排列。藉由控制電極EL1及EL2的電壓位準，便可控制穿過液晶層100的光線強度。因此，畫素便可呈現所需的顏色。

第4a及4b圖為本發明之液晶顯示器之畫素結構示意圖。

在第4a及4b圖中，與第3a及3b圖相同的元件係以相同的符號表示。第4a及4b圖與第3a及3b圖不同之處在於，第4a及4b圖具有額外的偏光板POL3。偏光板POL3設置在彩色濾光片CF之下。偏光板POL3可稱為內置偏光板(in cell polarizer)。

在理想狀況下，偏光板POL3的偏光性方向與偏光板POL2相同。換言之，偏光板POL3只會讓具有y方向的光線通過，並且阻擋具有x方向的光線。然而，在實際狀況下，內置偏光板無法完全地阻擋x方向的光線。因此，仍然會有少量x方向的光線穿過偏光板POL3。

如第4a圖所示，偏光板POL3設置在電極EL2與彩色濾光片CF之間，並且重疊彩色濾光片CF的所有顏色成分(如紅色濾光部分R、綠色濾光部分G、藍色濾光部分B以及黃色濾光部分Y)。

以下將說明第4a圖的操作原理。若電源供應器20提供的操作電壓為0V時，則液晶層100的所有液晶分子會以垂直方向排列，並且穿過液晶層100的光線的偏光性並不會被改變，其仍維持x方向。在此狀態下，穿過電極EL2的光線會有一部分被偏光板POL3所阻擋。穿過偏光板POL3的光線量以及被偏光板POL3阻擋的光線量係取決於偏光板POL3的偏振能力(polarizing capacity)。偏光板POL3無法完全阻擋x方向的光線，故仍有少量的x方向光線穿過偏光板POL3。由於彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B並不會改變光線的偏光性，故少量的x方向光線仍會穿過彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G以及藍色濾光部分B，因而到達偏光板POL2。偏光板POL2接著完全地阻擋少量的x方向光線。然而，進入彩色濾光片CF的黃色濾光部分Y的光線會被擴散成x方向及y方向黃色光。y方向黃色光可穿過偏光板POL2。因此，畫素會發射出少量的黃光。相較於習知的畫素(如第3b及3a圖所示)，本發明可具有較高的對比度。

若電源供應器20提供高電壓位準(如5V)時，液晶層100的液晶分子將以水平方向排列。當具有x方向偏光性的光線進入液晶層100時，光線的偏光性會被旋轉90°(π/2)。因此，穿過液晶層100的光線具有y方向偏光性。在第3b圖中，穿過液晶層100的光線可穿過彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G、藍色濾光部分B、黃色濾光部分Y以及偏光板POL2。在第4a及4b圖中，偏光板POL3亦不會阻擋y方向的光線，因此，畫素可呈現白光。

在實際的應用上，電極EL2會被切分成許多電極區塊，每一電極區塊對應一彩色濾光部分(如紅色濾光部分R、綠色濾光部分G、藍色濾光部分B、黃色濾光部分Y)。每一電極區塊連接一獨立的薄膜電晶體。薄膜電晶體可提供電壓予相對應之電極區塊，使其所對應的液晶分子以垂直或水平方向排列。藉由控制電極EL1及EL2的電壓，便可控制穿過液晶層100的不同液晶分子的光線量。因此，畫素便可呈現所需的顏色。

因此，本發明所提供的畫素結構可具有較佳的黑色效果，並且在畫素呈現白光時，也可以具有較佳的對比度及色域(color gamut)。

由於偏光板POL3設置在彩色濾光片CF的紅色濾光部分R、綠色濾光部分G、藍色濾光部分B以及黃色濾光部分Y之下，故可利用多頻偏振材料(broadband polarizer material)構成單一偏光板。換言之，該材料係為透明型態，並且適用於具有寬頻譜的光線L。當然，這樣的多頻偏振材料是可以讓紅色、綠色、藍色以及黃色穿透的。這樣的材料可為液向性液晶分子(lyotropic liquid crystalline dyes)或是光聚合的高佈置主客系統(in-situ photo-polymerizertion of highly ordered guest-host system)。主客系統可為層列主客系統(smectic guest-host system)，並且可與反應性液晶二丙烯酸酯(reactive liquid crystal diacrylates)有關。光聚合(photo-polymerizertion)可包含二丙烯酸酯摻雜分散色性染料分子(diacrylates with dichroic dye molecules)，例如二色性偶氮染料(Dichroic Azo Dye)。相關的材料特性請參考E.Peeters、J.Lub、A.A.Stenbakkers及D.J.Broer等人所撰寫的學術文章，標題為Advanced Materials，刊登於2006年第18集第2412-217頁，以及E.Peeters、J.Lub、WPN Nijssen、J.Steenbakkeres及D.J.Broer等人所撰寫的學術文章，標題為EuroDisplay，刊登於2005年第165-167頁。

在其它實施例中，偏光板POL3可被切分成至少兩部分。在第4b圖中，偏光板POL3被切分成四個不同的區域，包括區塊POL3R、POL3G、POL3B及POL3Y。區塊POL3R、POL3G、POL3B及POL3Y均為一限度帶寬偏光板(limited bandwidth polarizer)。換句話說，區塊POL3R只傳送在紅色頻寬內的光線，區塊POL3G只傳送在綠色頻寬內的光線，區塊POL3B只傳送在藍色頻寬內的光線，區塊POL3Y只傳送在黃色頻寬內的光線。

在第4b圖中，每一黃色濾光部分(如紅色濾光部分R、綠色濾光部分G、藍色濾光部分B、黃色濾光部分Y)可傳送最大帶寬(bandwidth)內的光線。因此，可得到較佳的色域。

在其它實施例中，可利用兩個或三個區塊取代區塊POL3R、POL3G、POL3B及POL3Y。舉例而言，可利用單一區塊取代區塊POL3R、POL3G及POL3B，其中該單一區塊具有多頻率光譜，可讓紅光、綠光以及藍光通過。在其它實施例中，亦可使用其它的組合。

在上述的實施例中，偏光板POL3設置在電極EL2與玻璃層GL2之間。在其它的實施例中，偏光板POL3可設置在液晶層100與電極EL2之間。

在本實施例中，係以R、G、B、Y的液晶顯示器為例。在其它實施例中，本發明的畫素結構亦可應用其它彩色液晶顯示器之中，該等彩色液晶顯示器具有其它顏色的濾光片。換句話說，在本實施例中，液晶顯示器具有黃色濾光片，不過，內置偏光板亦可應用在其它顯示器，如RGB(高對比度)顯示器、或是RGBX顯示器，其中X可為黃色Y、白色W或是其它顏色。

本發明的畫素可應用在行動電話、個人數位助理、筆記型電腦、桌上型電腦、電視、車用多媒體播放器(carmediaplayer)、行動影像播放器(portable video player)、數位相機、全球定位系統、車用導航系統、航空用顯示器等。然而，在真實色彩寬色域顯示器(true-color wide gamut display)中，符合照片紙及相機色域的顯示器是重要的。舉例而言，真實色彩寬色域顯示器可為，照片瀏覽器(photo-viewer)或是具有預覽功能的照片印表機(photo-printer)。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．電子裝置

10．．．液晶顯示器

20．．．電源供應器

100．．．液晶層

102．．．共通電極

104．．．畫素電極

105．．．基底

POL1~POL3．．．偏光板

GL1、GL2．．．玻璃層

EL1、EL2．．．電極

CF．．．彩色濾光片

R．．．紅色濾光部分

G．．．綠色濾光部分

B．．．藍色濾光部分

Y．．．黃色濾光部分

第1圖係為本發明之電子裝置之示意圖。

第2a及2b圖為本發明之液晶顯示器之示意圖。

第3a及3b圖分別顯示習知彩色液晶顯示器的畫素示意圖。

第4a及4b圖為本發明之液晶顯示器之畫素結構示意圖。

20．．．電源供應器

100．．．液晶層

POL1~POL3．．．偏光板

GL1、GL2．．．玻璃層

EL1、EL2．．．電極

CF．．．彩色濾光片

R．．．紅色濾光部分

G．．．綠色濾光部分

B．．．藍色濾光部分

Y．．．黃色濾光部分

Claims (11)

1. 一種液晶顯示器，包括：至少一液晶顯示胞，包括：一液晶層；一下面板，相鄰該液晶層，並具有一第一偏光板，該第一偏光板偏振一第一光線，用以產生一第二光線，該第二光線的偏光性為一第一方向；以及一上面板，相鄰該液晶層，並設置在該下面板的對面，該上面板包括：一彩色濾光片，具有至少一彩色濾光部分，用以產生一預設顏色；一第二偏光板，設置在該彩色濾光片與該液晶層之間，該第二偏光板偏振該第二光線，用以產生一第三光線，該第三光線的偏光性為一第二方向；以及一第三偏光板，設置在該彩色濾光片之上，該第三偏光板偏振該第三光線，用以產生一第四光線，該第四光線的偏光性為該第二方向，該第二方向垂直該第一方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示器，其中該彩色濾光片具有四個彩色濾光部分，用以產生一白光。
3. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示器，其中當該彩色濾光片具有複數濾光部分時，該第二偏光板具有至少二個偏光區塊，每一偏光區塊對應一個或一個以上的彩色濾光部分。
4. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示器，其中該彩色濾光片具有四個彩色濾光部分，並且該第二偏光板具 有四個偏光區塊，每一個偏光區塊對應一個彩色濾光部分。
5. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示器，其中該上面板具有一電極，該第二偏光板設置在該電極與該彩色濾光片之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示器，其中該上面板具有一電極，該第二偏光板設置在該電極與該液晶層之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示器，其中該第二偏光板的材料可為一液向性液晶分子(lyotropic liquid crystalline dyes)或是一光聚合的高佈置主客系統(in-situ photo-polymerizertion of highly ordered guest-host system)。
8. 如申請專利範圍第7項所述之液晶顯示器，其中該主客系統為一層列主客系統(smectic guest-host system)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示器，其中該主客系統與一反應性液晶二丙烯酸酯(reactive liquid crystal diacrylates)有關。
10. 一種具有液晶顯示器之電子裝置，包括：一如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示器；以及一電源供應器，供電予該液晶顯示器。
11. 如申請專利範圍第10項所述之具有液晶顯示器之電子裝置，其中該電子裝置係為一行動電話、一個人數位助理、一筆記型電腦、一桌上型電腦、一電視、一車用多媒體播放器(car media player)、一行動影像播放器(portable video player)、一數位相機、一全球定位系統、一車用導航系統、一航空用顯示器、一照片瀏覽器(photo-viewer)或是 一具有預覽功能的照片印表機(photo-printer)。