TWI493260B

TWI493260B - 電場控制雙折射模式液晶面板及液晶顯示裝置

Info

Publication number: TWI493260B
Application number: TW101101708A
Authority: TW
Inventors: Li Chao Chien; Chao Hui Wu; Hsien Tang Hu
Original assignee: Hannstar Display Corp
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2015-07-21
Also published as: CN103207478B; CN103207478A; TW201331679A

Description

電場控制雙折射模式液晶面板及液晶顯示裝置

本發明係有關於一種液晶顯示裝置，特別是有關於一種電場控制雙折射模式之液晶面板。

液晶顯示器(LCD)已廣泛地使用於資訊顯示領域。由於液晶材料本身的光學異向性(anisotropy)，於不同方向觀看時，造成入射光看到不同的有效雙折射(birefringence)。因此，傳統的液晶顯示器的視角並不如自發光顯示器，例如陰極射線管(CRT)、有機電激發光顯示器(OLED)及電漿顯示器(PDP)的視角廣。

圖1顯示先前技術之電場控制雙折射(ECB)模式之穿透型式液晶顯示裝置的立體分解圖。一液晶顯示裝置100包含一液晶面板110具有一第一基板112、一第二基板116以及一液晶層115配置於第一基板112與第二基板116之間。一第一偏光板160配置於液晶面板110的外側。一第二偏光板170配置於液晶面板110的外側。一負極性雙折射補償膜120配置於第一偏光板160與液晶面板110之間。一正極性雙折射補償膜130配置於第二偏光板170與液晶面板110之間。一四分之一波板(QWP)140以及一二分之一波板(HWP)145配置於第一偏光板160與負極性雙折射補償膜120之間。一二分之一波板150配置於第二偏光板170與正極性雙折射補償膜130之間。

根據本發明實施例，具有兩片不同極性雙折射的光學補償膜。上述兩片不同極性雙折射的光學補償膜彼此之間可相互補償。更明確地說，一入射光L_I ，例如源自背光模組(BLU)，依序穿過第一偏光板160、二分之一波板145、四分之一波板140、負極性雙折射補償膜120、液晶面板110、正極性雙折射補償膜130、二分之一波板150以及第二偏光板170後，而到達觀看者。於液晶面板110中，具有一液晶層115包含電場控制雙折射(electrical control birefringence；ECB)液晶。上述液晶面板110中更包括兩配向層(未圖示)，分別位於液晶層115與第一基板112的介面處，以及液晶層115與第二基板116的介面。液晶分子依配向層而排列，使其具一連續的預傾角(pre-tilt angle)，介於範圍大約在5度至10度之間。液晶層的間隙厚度範圍大約為4.15微米(μm)。

第一光學補償膜，例如具負極性雙折射(△n<0)的補償膜，包含碟狀(disk-like)液晶分子125。較佳的負極性雙折射(△n<0)補償膜的光軸範圍大約介於24度至79度之間。第二光學補償膜，例如具正極性雙折射(△n>0)的補償膜，包含棍狀(rod-like)液晶分子135。較佳的正極性雙折射(△n>0)補償膜的光軸範圍大約介於2度至52度之間。

圖2顯示先前技術之各補償膜與液晶層間的極性關係圖。經補償後的液晶顯示裝置100利用不同極性的雙折射補償膜120與130，補償液晶面板110中液晶層的雙折射變化。由於負極性雙折射補償膜120與正極性雙折射補償膜130具不同的雙折射補償效果，因此雙折射補償膜120與130之間的雙折射變化亦得以補償，進而使得該液晶顯示器於白底模式(normally white)下，得到較寬廣的視角。

然而，上述電場控制雙折射(ECB)模式之穿透型式液晶顯示裝置之補償架構使用上下兩組二分之一波板、一組四分之一波板以及不同極性的雙折射補償膜，其製造成本較高。

圖3A及3B顯示先前技術之電場控制雙折射(ECB)模式之半穿透半反射型式液晶顯示裝置的剖面分解圖。該液晶顯示裝置包含上下偏光板60、80、上下兩組二分之一波板(HWP)50、70、上下兩組四分之一波板(QWP)52、72及一液晶層40。圖3A顯示當未施加一電壓於電場控制雙折射(ECB)模式之液晶層40時，光線無法由內而外通過上偏光板60，以呈現黑暗畫面；圖3B顯示當施加一電壓於電場控制雙折射(ECB)模式之液晶層40時，光線可由內而外通過上偏光板60，以呈現明亮畫面。然而，上述電場控制雙折射(ECB)模式之穿透半反射型式液晶顯示裝置之補償架構使用上下兩組二分之一波板50、70及上下兩組四分之一波板52、72，其製造成本仍高。

因此，便有需要提供一種電場控制雙折射(ECB)模式之液晶面板，能夠解決前述的問題。

本發明提供一種電場控制雙折射模式之液晶面板包含：一彩色濾光基板及一薄膜電晶體基板；一液晶層，配置於該彩色濾光基板與薄膜電晶體基板之間，其中該液晶層包含電場控制雙折射模式之液晶，且該液晶層之上配向方向與該液晶層之下配向方向相反方向且平行；以及一相位差補償膜，配置於該彩色濾光基板之第一表面，其中該相位差補償膜之面內相位延遲值Re須介於190nm與380nm之間，而厚度方向相位延遲值Rth須介於95nm與190nm之間；以及一偏光板，配置於該相位差補償膜之第二表面，其中該偏光板與該彩色濾光基板之間只插置有該相位差補償膜。

由於本發明之液晶面板只需該相位差補償膜之最簡單補償架構，即可達到所需之廣視角的光學表現。相較於先前技術之補償架構，本發明之製造成本較低。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

請參考圖4，其顯示本發明之第一實施例之電場控制雙折射(electrical control birefringence；ECB)模式之半穿透半反射型式液晶顯示裝置200。該半穿透半反射型式液晶顯示裝置200包含一液晶面板210及一背光模組290。該液晶面板210包含一彩色濾光基板220、一薄膜電晶體基板230、一液晶層240、一第一相位差補償膜250及一第二相位差補償膜270。該液晶層240配置於該彩色濾光基板220與薄膜電晶體基板230之間。該液晶層240包含電場控制雙折射模式之液晶。

就半穿透半反射型式而言，該彩色濾光基板220包含一透明基板222及一透明共同電極224，該透明共同電極224配置於該透明基板222與該液晶層240之間。該薄膜電晶體基板230包含一透明基板232及複數個畫素電極234，該些畫素電極234配置於該透明基板232與該液晶層240之間。每一畫素電極234可定義一畫素(pixel；P)，並包含一透明電極234a及一反射電極234b，分別定義穿透區(T)及反射區(R)。換言之，單一畫素可分成兩個次畫素(sub-pixel)，分別為穿透區(T)及反射區(R)。該背光模組290配置於該液晶面板210下方，用以提供光源通過該液晶面板之穿透區(T)。

該第一相位差補償膜250配置於該彩色濾光基板220之表面226，其中該表面226背對於該液晶層240。該彩色濾光基板220係位於該第一相位差補償膜250與該液晶層240之間。該第二相位差補償膜270配置於該薄膜電晶體基板230之表面236，其中該表面236背對於該液晶層240。該薄膜電晶體基板230係位於該第二相位差補償膜270與該液晶層240之間。

一第一偏光板(polarizer)260配置於該相位差補償膜250之表面252，其中該表面252背對於該彩色濾光基板220。該第一相位差補償膜250係位於第一偏光板260與該彩色濾光基板220之間。一第二偏光板(polarizer)280配置於該相位差補償膜270之表面272，其中該表面272背對於該薄膜電晶體基板230。該第二相位差補償膜270係位於第二偏光板280與該薄膜電晶體基板230之間。另外，為了方便該穿透區(T)內之該第二偏光板280及該第二相位差補償膜270的製造，該第二偏光板280及該第二相位差補償膜270亦可延伸至反該反射區(R)內。

應注意的是，該第一偏光板260與該彩色濾光基板220之間只插置有該第一相位差補償膜250；而該第二偏光板280與該薄膜電晶體基板230之間只插置有該第二相位差補償膜270。

請參考圖5，在本實施例中，厚度為d之相位差補償膜的面內相位延遲值Re及厚度方向相位延遲值Rth的公式如下：

Re=(n_x -n_y )×d

Rth=[(n_x +n_y )/2-n_z ]×d

其中：「n_x 」為面內之折射率為最大之方向(即，慢軸(slow axis)方向)之折射率，「n_y 」為於面內與慢軸垂直之方向(即，快軸(fast axis)方向)之折射率，「n_z 」為厚度方向之折射率。

假設可見光之波長介於380nm與760nm之間，則該第一及第二相位差補償膜250、270之面內相位延遲值Re須介於190nm與380nm之間，而厚度方向相位延遲值Rth須介於95nm與190nm之間。較佳地，該第一及第二相位差補償膜250、270可為二分之一波板。

請參考圖6，其顯示本發明之第一實施例之電場控制雙折射模式之半穿透半反射型式液晶顯示裝置200之部分立體示意圖，並定義有一XYZ座標軸。

就該穿透區(T)而言，沿Z軸正方向依序排列有該第二偏光板280、該第二相位差補償膜270、該液晶層240、該第一相位差補償膜250及該第一偏光板260。該第二偏光板280之吸收軸284與X軸之間夾有60度，該第二相位差補償膜270之慢軸(slow axis)286與X軸之間夾有130度，該液晶層240之上配向方向242與X軸之間夾有90度，該液晶層240之下配向方向244與X軸之間夾有270度(亦即，該液晶層240之上配向方向242與下配向方向244相反且平行)，該第一相位差補償膜250之慢軸(slow axis)266與X軸之間夾有130度(亦即，該第一相位差補償膜250與該第二相位差補償膜270以相同方向而平行配置)，且該第一偏光板260之吸收軸264與X軸之間夾有60度。

就該反射區(R)而言，沿Z軸正方向依序排列有該反射電極234b、該液晶層240、該第一相位差補償膜250及該第一偏光板260。同樣地，該液晶層240之上配向方向242與X軸之間夾有90度，該液晶層240之下配向方向244與X軸之間夾有270度(亦即，該液晶層240之上配向方向242與下配向方向244相反且平行)，該第一相位差補償膜250之慢軸(slow axis)266與X軸之間夾有130度，且該第一偏光板260之吸收軸264與X軸之間夾有60度。

請再參考圖4，在該反射區(R)(亦即該反射電極位置)的該彩色濾光基板220與薄膜電晶體基板230之間隙為一第一間隙D1，在該穿透區(T)(亦即該透明電極位置)的該彩色濾光基板220與薄膜電晶體基板230之間隙為一第二間隙D2。較佳地，可藉由模擬計算，先假設該第二間隙D2與該第一間隙D1之比例數據關係，計算出該穿透區(T)之電壓與穿透率的曲線和該反射區(R)之電壓與反射率的曲線須相吻合(match)，再反推知該第二間隙D2與該第一間隙D1之比例關係，例如在本實施例中，該第二間隙D2可為該第一間隙D1之兩倍。

請參考圖7，其顯示穿透區(T)之施加電壓(applied voltage)與穿透率(Transmittance)和反射區(R)之施加電壓(applied voltage)與反射率(Reflectance)的曲線圖。由於該穿透區(T)之施加電壓與穿透率的曲線和該反射區(R)之施加電壓與反射率的曲線相吻合(match)，因此該穿透區(T)和該反射區(R)不需由兩個薄膜電晶體分別驅動，而只需單一薄膜電晶體驅動即可，進而可降低成本。

請參考圖8，其顯示本實施例之具有該第一及第二相位差補償膜之穿透區(T-mode)及反射區(R-mode)之視角圖，其顯示在液晶面板之條件(穿透區之第一間隙D1為3.8 μm，反射區之第二間隙D2為1.9 μm，液晶之預傾角為4度，第一及第二相位差補償膜250、270之面內相位延遲值Re皆為270nm，而厚度方向相位延遲值Rth皆為135nm)下的模擬結果。請參考圖9，其顯示沒有具有相位差補償膜之穿透區(T)及反射區(R)之視角圖。相較於圖9，圖8確實顯示本發明之視角增大。

由於本發明之液晶面板只需該第一及第二相位差補償膜之最簡單補償架構，即可達到所需之廣視角的光學表現。相較於先前技術之補償架構，本發明之製造成本較低。

請參考圖10，其顯示本發明之第二實施例之電場控制雙折射(electrical control birefringence；ECB)模式之反射型式液晶顯示裝置300。該反射型式液晶顯示裝置300包含一液晶面板310，該液晶面板310包含一彩色濾光基板320、一薄膜電晶體基板330、一液晶層340及一相位差補償膜350。

就反射型式而言，單一畫素(pixel；P)只有反射區(R)，亦即每一畫素電極334只包含一反射電極334b，定義一反射區(R)。該反射型式液晶顯示裝置300之反射區(R)內的元件(例如反射電極334b、液晶層340、相位差補償膜350及偏光板360)配置大體上類似於該半穿透半反射型式液晶顯示裝置200之反射區(R)內的元件配置，類似的元件標示類似標號。該反射型式液晶顯示裝置300之反射區(R)內的元件(例如反射電極334b、液晶層340、相位差補償膜350及偏光板360)功能及整體功效大體上類似於該半穿透半反射型式液晶顯示裝置200之反射區(R)內的元件功能及整體功效，相同說明毋庸贅述。

請參考圖11，其顯示本發明之第三實施例之電場控制雙折射(electrical control birefringence；ECB)模式之穿透型式液晶顯示裝置400。該穿透型式液晶顯示裝置400包含一液晶面板410及一背光模組490。該液晶面板410包含一彩色濾光基板420、一薄膜電晶體基板430、一液晶層440、一第一相位差補償膜450及一第二相位差補償膜470。

就穿透型式而言，單一畫素(pixel；P)只有穿透區(T)，亦即每一畫素電極434只包含一透明電極434a，定義一穿透區(T)。該反射型式液晶顯示裝置400之穿透區(T)內的元件(例如第二偏光板480、第二相位差補償膜470、液晶層440、第一相位差補償膜450及第一偏光板460)配置大體上類似於該半穿透半反射型式液晶顯示裝置200之穿透區(T)內的元件配置，類似的元件標示相同標號。再者，該反射型式液晶顯示裝置400之穿透區(T)內的元件(例如第二偏光板480、第二相位差補償膜470、液晶層440、第一相位差補償膜450及第一偏光板460)功能及整體功效大體上類似於該半穿透半反射型式液晶顯示裝置200之穿透區(T)內的元件功能及整體功效，相同說明毋庸贅述。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

40．．．液晶層

50．．．二分之一波板

52．．．四分之一波板

60．．．偏光板

70．．．二分之一波板

72．．．四分之一波板

80．．．偏光板

100．．．液晶顯示裝置

110．．．液晶面板

112．．．第一基板

115．．．液晶層

116．．．第二基板

120．．．負極性雙折射補償膜

125．．．碟狀液晶分子

135．．．棍狀液晶分子

130．．．正極性雙折射補償膜

140．．．四分之一波板

145．．．二分之一波板

150．．．二分之一波板

160．．．第一偏光板

170．．．第二偏光板

200．．．液晶顯示裝置

210．．．液晶面板

220．．．彩色濾光基板

222．．．透明基板

224．．．透明共同電極

226．．．表面

230．．．薄膜電晶體基板

232．．．透明基板

234．．．畫素電極

236．．．表面

234a．．．透明電極

234b．．．反射電極

240．．．液晶層

242．．．上配向方向

244．．．下配向方向

250．．．相位差補償膜

252．．．表面

260．．．偏光板

264．．．吸收軸

266．．．慢軸

270．．．相位差補償膜

272．．．表面

280．．．偏光板

284．．．吸收軸

286．．．慢軸

290．．．背光模組

300．．．液晶顯示裝置

310．．．液晶面板

320．．．彩色濾光基板

330．．．薄膜電晶體基板

334．．．畫素電極

334b．．．反射電極

340．．．液晶層

350．．．相位差補償膜

360．．．偏光板

400．．．液晶顯示裝置

410．．．液晶面板

420．．．彩色濾光基板

430．．．薄膜電晶體基板

434．．．畫素電極

434a．．．透明電極

440．．．液晶層

450．．．相位差補償膜

460．．．偏光板

470．．．相位差補償膜

480．．．偏光板

490．．．背光模組

D1．．．第一間隙

D2．．．第二間隙

d．．．厚度

L_I ．．．入射光

P．．．畫素

R．．．反射區

T．．．穿透區

圖1顯示先前技術之電場控制雙折射(ECB)模式之穿透型式液晶顯示裝置的立體分解圖；

圖2顯示先前技術之各補償膜與液晶層間的極性關係圖；

圖3A及3B顯示先前技術之電場控制雙折射(ECB)模式之半穿透半反射型式液晶顯示裝置的剖面分解圖；

圖4為本發明之第一實施例之電場控制雙折射模式之半穿透半反射型式液晶顯示裝置之剖面示意圖；

圖5顯示本發明之相位差補償膜的n_x 、n_y 及n_z 之關係；

圖6為本發明之第一實施例之電場控制雙折射模式之半穿透半反射型式液晶顯示裝置之部分立體示意圖；

圖7顯示穿透區(T)之施加電壓與穿透率和反射區(R)之施加電壓與反射率的曲線圖；

圖8顯示本實施例之具有該第一及第二相位差補償膜之穿透區(T)及反射區(R)之視角圖；

圖9顯示沒有具有該第一及第二相位差補償膜之穿透區(T)及反射區(R)之視角圖；

圖10為本發明之第二實施例之電場控制雙折射模式之反射型式液晶顯示裝置之剖面示意圖；以及

圖11為本發明之第三實施例之電場控制雙折射模式之穿透型式液晶顯示裝置之剖面示意圖。