TWI522702B - 矽基液晶顯示裝置 - Google Patents

Description

矽基液晶顯示裝置

本發明是有關於一種矽基液晶(liquid crystal on silicon；LCOS)顯示裝置，尤指一種具有摩擦角度、液晶分子的螺距(pitch)和畫素之設計的矽基液晶顯示裝置。

現今有各種投影顯示設備，例如液晶顯示設備、數位光處理(digital light processing；DLP)顯示設備和矽基液晶顯示設備等，為商業上可得。在此些投影顯示設備中，液晶顯示設備係以透射方式操作，而數位光處理顯示設備係以反射方式操作。液晶顯示設備最為古老和普遍，且具有例如高色彩準確度和低生產成本等優點。然而，液晶顯示設備具有壞點(dead pixel)和網格效應(screen door effect)等缺點，其降低顯示的效能。數位光處理顯示設備具有例如高對比值(contrast ratio)和免除顏色衰減(color decay)等優點。然而，數位光處理顯示設備相對為昂貴。矽基液晶顯示設備包含典型的液晶顯示面板和互補式金氧半場效電晶體(complementary metal oxide silicon；CMOS)矽晶圓製程等技術。矽基液晶顯示設備可達到高解析度、高色彩飽和度(color resolution)和準 確度，且可藉由半導體製程來生產。因為此些優點，矽基液晶顯示設備應用在例如微型投影機(micro-projector)、監視器或頭戴式顯示器(head mounted display)電子設備。

本發明提供一種觸控裝置及其方法和電子裝置。本發明實施例至少具有下述優點。因電子裝置不需同步，故可節省處理時間和硬體成本。此外，觸碰位置資訊和壓力資訊可由相同的觸控訊號來決定。因此，物件和觸控裝置之間訊號傳輸可被簡化。

本發明之一樣態是在於提供一種矽基液晶顯示裝置，包含矽基板、彩色濾波層、第一配向層、第二配向層和液晶層。矽基板具有配置於一矩陣中的多個畫素。每一畫素具有介於實質為0度與實質為90度之間的傾斜角，且每一畫素包含畫素電極。彩色濾波層位於此些畫素電極上。彩色濾波層具有多個彩色濾波單元，且此些彩色濾波單元分別對應此些畫素電極。第一配向層位於彩色濾波層上。第二配向層相對於第一配向層。液晶層位於第一配向層與第二配向層之間，其中液晶層具有多個液晶分子，且此些液晶分子為負介電各向異性(negative dielectric anisotropy)。

在一或多個實施例中，每一畫素的傾斜角介於實質為75度與實質為90度之間。

在一或多個實施例中，每一畫素的傾斜角實質為90度。

在一或多個實施例中，每一液晶分子具有實質為45度的貝塔角(beta angle)。

在一或多個實施例中，每一液晶分子具有實質為15度的貝塔角。

在一或多個實施例中，每一液晶分子具有實質為45度的扭轉角(twist angle)。

在一或多個實施例中，每一液晶分子具有實質為0度的扭轉角。

在一或多個實施例中，每一液晶分子具有介於實質為20微米與實質為100微米之間的螺距。

在一或多個實施例中，上述矽基液晶顯示裝置更包含反射層和介電層。反射層位於矽基板上。介電層位於反射層與此些畫素電極之間。

在一或多個實施例中，上述矽基液晶顯示裝置更包含公共電極層和透光性基板。公共電極層位於第二配向層上。透光性基板位於公共電極層上。

本發明之另一樣態是在於提供一種矽基液晶顯示裝置，包含矽基板、第一配向層、第二配向層和液晶層。矽基板具有配置於一矩陣中的多個畫素。每一畫素具有介於實質為0度與實質為90度之間的傾斜角，且每一畫素包含畫素電極。第一配向層位於此些畫素電極上。第二配向層相對於第一配向層。液晶層位於第一配向層與第二配向層之間，其中液晶層具有多個液晶分子，且此些液晶分子為負介電各向異性。

100、400‧‧‧矽基液晶顯示裝置

102、402‧‧‧矽基板

104、404‧‧‧反射層

106、406‧‧‧介電層

108A、108B、408A、408B‧‧‧畫素電極

110‧‧‧彩色濾波層

110A、110B‧‧‧彩色濾波單元

112、412‧‧‧第一配向層

114、414‧‧‧第二配向層

116、416‧‧‧液晶層

118、418‧‧‧公共電極層

120、420‧‧‧透光性基板

α1~α3‧‧‧傾斜角

L1~L3、L2’、L3’‧‧‧虛擬基準線

P1、P2、P1’、P2’‧‧‧畫素

PB1~PB3、PG1~PG3、PR1~PR3‧‧‧畫素

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕係繪示依照本發明之一些實施方式的一種矽基液晶顯示裝置的局部剖面示意圖；〔圖2A〕至〔圖2C〕係繪示〔圖1〕中的矽基液晶顯示裝置之各種畫素排列的上視圖；〔圖3〕係繪示〔圖1〕中的矽基液晶顯示裝置之對比值為1000時液晶分子之螺距與彩色對白色值(color to white ratio；CW ratio)的關係示意圖；以及〔圖4〕係繪示依照本發明之一些實施方式的一種矽基液晶顯示裝置的局部剖面示意圖。

請參照圖1，其係繪示依據本發明之一些實施方式的一種矽基液晶顯示裝置100的局部剖面示意圖。在圖1中，矽基液晶顯示裝置100包含矽基板102、反射層104、介電層106、畫素電極108A、108B、彩色濾波層110、第一配向層112、第二配向層114、液晶層116、公共電極層118和透光性基板120。矽基板102具有配置於一矩陣中的多個畫素。每一畫素可對應至特定的顏色。在一些實施例中，此些畫素包含紅色畫素、藍色畫素和綠色畫素。紅色畫素、藍色畫素和 綠色畫素有時稱為次畫素(sub-pixel)。此三個次畫素(即紅色畫素、藍色畫素和綠色畫素)形成一完整畫素，以用來發射光線，其包含具有個別的灰階(gray scale)之紅色、藍色和綠色部分。舉例而言，矽基板102為的互補式金氧半場效電晶體矽晶圓，其包含例如電晶體和電路等主動元件。需注意的是，為了方便說明，圖1僅繪示兩個畫素P1和P2，但此並非用以限制本發明的範圍。

反射層104設置於矽基板102上。反射層104用以反射入射至矽基液晶顯示裝置100的光線。在一些實施例中，反射層104包含例如銅、鋁、鈦、鉭、金、鋅金屬材料，或是包含上述金屬材料的合金，或是例如氧化鋁、氧化鈦、氮化鈦、氧化鋅等金屬化合物，或是其他合適的材料。在一些實施例中，反射層104為形成於矽基板102上的反射薄膜或反射塗層。

介電層106設置於反射層104上，且畫素電極108A、108B設置於介電層106上。介電層106用以使畫素電極108A、108B與反射層104和矽基板102絕緣，且使未被畫素電極108A、108B反射的部分入射光線穿透，且使被反射層104反射的部分入射光線穿透。介電層106包含例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽等介電材料或其組合，或是其他合適的材料。

畫素電極108A、108B用以提供畫素電壓，使得畫素P1、P2基於個別的畫素電壓來顯示個別的灰階。畫素電極108A、108B可為反射性或透光性。在一些實施例 中，畫素電極108A、108B為反射性電極，其包含例如鋁、鈦、銅、金或類似的材料。在一些實施例中，畫素電極108A、108B為透光性電極，其包含例如氧化銦錫(indium tin oxide；ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide；IZO)或其他合適的導電性材料。

彩色濾光層110設置於畫素電極108A、108B上。彩色濾光層110具有多個彩色濾波單元(例如圖1的彩色濾波單元110A、110B)，且每一彩色濾波單元分別對應此些畫素電極的一畫素電極，用以使特定顏色的光通過。在一些實施例中，彩色濾光層110包含例如高分子聚合物等著色材料或染色材料，或是其他合適的材料。

第一配向層112設置於彩色濾光層110上，第二配向層114設置以相對於第一配向層112，且液晶層116設置於第一配向層112與第二配向層114之間。液晶層116具有液晶分子，其係由第一配向層112與第二配向層114配向，且其依據在畫素電極108A、108B與設置於第二配向層114上的公共電極層118之間所產生的電場而扭轉。第一配向層112和第二配向層114可被形成以具有各自的摩擦方向(rubbing direction)。在液晶層116中的每一液晶分子具有貝塔角和扭轉角。貝塔角係相關於第二配向層114的摩擦方向和矽基液晶顯示裝置100的水平方向，且扭轉角係相關於第一配向層112和第二配向層114的摩擦方向。在本實施例中，液晶層116的液晶分子為負介電各向異性，其係用於垂直配向(vertical alignment；VA)。也就是說，矽 基液晶顯示裝置100為垂直配向型(VA mode)矽基液晶顯示裝置。

公共電極層118包含透光性和導電性材料，例如氧化銦錫、氧化銦鋅或其他合適的材料。透光性基板設置於公共電極層118上，用以接收入射光線和保護矽基液晶顯示裝置100的內部元件，例如公共電極層118和液晶層116。在一些實施例中，透光性基板120包含玻璃、二氧化矽或類似的透光性材料。

圖2A係繪示圖1中的矽基液晶顯示裝置100之一種畫素排列的上視圖。在圖2A中，畫素PR1、PB1、PG1代表矽基液晶顯示裝置100之三個相鄰的畫素，且畫素PR1、PB1、PG1被排列為對準條紋圖案(stripe pattern)。在一些實施例中，畫素PR1、PB1、PG1分別為紅色畫素、藍色畫素和綠色畫素。每一畫素PR1、PB1、PG1具有相關於矽基液晶顯示裝置100的水平方向上之虛擬基準線L1的傾斜角α1，其範圍介於實質為0度與實質為90度之間。在一些實施例中，傾斜角α1的範圍介於實質為75度與實質為90度之間。

圖2B係繪示圖1中的矽基液晶顯示裝置100之另一種畫素排列的上視圖。在圖2B中，畫素PR2、PB2、PG2代表矽基液晶顯示裝置100之三個相鄰的畫素，且畫素PR2、PB2、PG2被排列為交錯圖案(staggered pattern)。在一些實施例中，畫素PR2、PB2、PG2分別為紅色畫素、藍色畫素和綠色畫素。每一畫素PR2、PB2、PG2具有相關 於矽基液晶顯示裝置100的水平方向上之虛擬基準線L2、L2’的傾斜角α2，其範圍介於實質為0度與實質為90度之間，且每一畫素PR2、PB2、PG2的長度方向平行於矽基液晶顯示裝置100的水平方向。在一些實施例中，傾斜角α2的範圍介於實質為75度與實質為90度之間。

圖2C係繪示圖1中的矽基液晶顯示裝置100之另一種畫素排列的上視圖。在圖2C中，畫素PR3、PB3、PG3代表矽基液晶顯示裝置100之三個相鄰的畫素。在一些實施例中，畫素PR3、PB3、PG3分別為紅色畫素、藍色畫素和綠色畫素。每一畫素PR3、PB3、PG3具有相關於矽基液晶顯示裝置100的水平方向上之虛擬基準線L3、L3’的傾斜角α3，其範圍介於實質為0度與實質為90度之間，且每一畫素PR3、PB3、PG3的長度方向垂直於矽基液晶顯示裝置100的水平方向。在一些實施例中，傾斜角α3的範圍介於實質為75度與實質為90度之間。

在以下的說明中，表1列示具有以條紋排列(如圖2A所繪示)的畫素P1和P2、2μm之間隙(cell gap)、各種扭轉角、貝塔角和螺距(pitch)的液晶分子以及各種傾斜角的畫素之矽基液晶顯示裝置100的模擬結果。在表1中，R代表矽基液晶顯示裝置100處於亮態的亮度，D代表矽基液晶顯示裝置100處於暗態的亮度，CR代表最大對比值，CWR代表彩色對白色值，其定義為紅色值、藍色值和綠色值之總和對白色值之比值，CWR(1000)代表矽基液晶顯示裝置100之對比值為1000時的彩色對白色值，且RV代 表矽基液晶顯示裝置100的評比值(rating value)，其可由RV=CR×CWR×CWR(1000)之等式而得。

如表1所列示，當貝塔角為45度、扭轉角為0度、傾斜角為90度且螺距為50μm時，彩色對白色值CWR和評比值RV為最高。貝塔角為15度且扭轉角為45度時的最大對比值CR高於貝塔角為45度且扭轉角為0度時的最大對比值CR。另一方面，貝塔角為45度且扭轉角為0度時的彩色對白色值CWR(CR1000)高於貝塔角為15度且扭轉角為45度時的彩色對白色值CWR(CR1000)。因此，貝塔角為45度且扭轉角為0度或是貝塔角為15度且扭轉角為45度時的矽基液晶顯示裝置100，結合90度或85度的傾斜角，可隨著液晶分子的合適螺距而提升顯示效能。

圖3係繪示圖1中的矽基液晶顯示裝置100之對比值為1000(即CR1000)時液晶分子之螺距與彩色對白色值的關係示意圖。如圖3所示，對於90度和85度的傾斜角而 言，矽基液晶顯示裝置100在螺距介於實質為45μm與實質為55μm之間時具有最高的彩色對白色值CWR(CR1000)。此外，矽基液晶顯示裝置100在傾斜角為90度時的穩定性高較佳於在傾斜角為85度時的穩定性，其係因為在矽基液晶顯示裝置100的液晶分子之螺距介於實質為20μm與實質為100μm之間時，矽基液晶顯示裝置100在傾斜角為90度時的變異低於在傾斜角為85度時的變異度。

表2列示具有各種傾斜角和螺距之矽基液晶顯示裝置100的模擬結果。如表2所示，對於90度和85度的傾斜角以及螺距為45μm、50μm和55μm而言，彩色對白色值CWR(CR1000)高於40%，且在傾斜角為90度和85度的彩色對白色值CWR(CR1000)之變異度均不超過1%。

如圖3所繪示和表2所列示，矽基液晶顯示裝置100在液晶分子的螺距介於實質為45μm與實質為55μm之間時具有最佳的效能。

因此，藉由參照本發明的實施例，矽基液晶顯示裝置的參數，例如扭轉角、貝塔角、液晶螺距、間隙、畫素傾斜角和/或摩擦角度等，可依據不同的需求而決定，以達到高顯示效能(例如，高對比值和高彩色對白色值)。

與上述實施例相似的觀念亦可應用在不同類型的矽基液晶顯示裝置上。舉例而言，圖4係繪示依據本發明之一些實施方式的一種矽基液晶顯示裝置400的局部剖面示意圖。矽基液晶顯示裝置400可以是時間序列式(time-sequential)或捲動色彩型(scrolling-color)矽基液晶顯示裝置等，但不限於此。在圖4中，矽基液晶顯示裝置400包含矽基板402、反射層404、介電層406、畫素電極408A、408B、第一配向層412、第二配向層414、液晶層416、公共電極層418和透光性基板420。每一畫素可對應至特定的顏色。圖4繪示矽基液晶顯示裝置400包含兩個畫素P1’和P2’。矽基液晶顯示裝置400與矽基液晶顯示裝置100的差別在於矽基液晶顯示裝置400不具有彩色濾光層。矽基液晶顯示裝置400的其餘元件與矽基液晶顯示裝置100實質相同，故在此不重複詳述此些元件。

雖然本發明已以實施例揭露如上，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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧矽基液晶顯示裝置

102‧‧‧矽基板

104‧‧‧反射層

106‧‧‧介電層

108A、108B‧‧‧畫素電極

110‧‧‧彩色濾波層

110A、110B‧‧‧彩色濾波單元

112‧‧‧第一配向層

114‧‧‧第二配向層

116‧‧‧液晶層

118‧‧‧公共電極層

120‧‧‧透光性基板

P1、P2‧‧‧畫素

Claims (14)

1. 一種矽基液晶(liquid crystal on silicon；LCOS)顯示裝置，包含：一矽基板，具有配置於一矩陣中的複數個畫素，其中該些畫素中之每一者具有介於實質為0度與實質為90度之間之一傾斜角，且該些畫素中之每一者包含一畫素電極；一彩色濾波層，位於該些畫素電極上，該彩色濾波層具有複數個彩色濾波單元，且該些彩色濾波單元中之每一者係分別對應該些畫素電極中之一者；一第一配向層，位於該彩色濾波層上；一第二配向層，其係相對於該第一配向層；以及一液晶層，位於該第一配向層與該第二配向層之間，其中該液晶層具有複數個液晶分子，且該些液晶分子為負介電各向異性(negative dielectric anisotropy)；其中該些液晶分子中之每一者具有實質為45度之一貝塔角(beta angle)和實質為0度之一扭轉角(twist angle)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之矽基液晶顯示裝置，其中該些畫素中之每一者之該傾斜角係介於實質為75度與實質為90度之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之矽基液晶顯示裝置，其中該些畫素中之每一者之該傾斜角實質為90度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之矽基液晶顯示裝置，其中該些液晶分子中之每一者具有介於實質為20微米與實質為100微米之間之一螺距(pitch)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之矽基液晶顯示裝置，更包含：一反射層，位於該矽基板上；以及一介電層，位於該反射層與該些畫素電極之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之矽基液晶顯示裝置，更包含：一公共電極層，位於該第二配向層上；以及一透光性基板，位於該公共電極層上。
7. 一種矽基液晶顯示裝置，包含：一矽基板，具有配置於一矩陣中的複數個畫素，其中該些畫素中之每一者具有介於實質為0度與實質為90度之間之一傾斜角，且該些畫素中之每一者包含一畫素電極；一第一配向層，位於該些畫素電極上；一第二配向層，其係相對於該第一配向層；以及一液晶層，位於該第一配向層與該第二配向層之間，其中該液晶層具有複數個液晶分子，且該些液晶分子為負介電各向異性； 其中該些液晶分子中之每一者具有實質為45度之一貝塔角和實質為0度之一扭轉角。
8. 如申請專利範圍第7項所述之矽基液晶顯示裝置，其中該些畫素中之每一者之該傾斜角係介於實質為75度與實質為90度之間。
9. 如申請專利範圍第7項所述之矽基液晶顯示裝置，其中該些畫素中之每一者之該傾斜角實質為90度。
10. 如申請專利範圍第7項所述之矽基液晶顯示裝置，其中該些液晶分子中之每一者具有介於實質為20微米與實質為100微米之間之一螺距。
11. 如申請專利範圍第7項所述之矽基液晶顯示裝置，更包含：一反射層，位於該矽基板上；以及一介電層，位於該反射層與該些畫素電極之間。
12. 如申請專利範圍第7項所述之矽基液晶顯示裝置，更包含：一公共電極層，位於該第二配向層上；以及一透光性基板，位於該公共電極層上。
13. 一種矽基液晶顯示裝置，包含：一矽基板，具有配置於一矩陣中的複數個畫素，其中該些畫素中之每一者具有介於實質為0度與實質為90度之間之一傾斜角，且該些畫素中之每一者包含一畫素電極；一彩色濾波層，位於該些畫素電極上，該彩色濾波層具有複數個彩色濾波單元，且該些彩色濾波單元中之每一者係分別對應該些畫素電極中之一者；一第一配向層，位於該彩色濾波層上；一第二配向層，其係相對於該第一配向層；以及一液晶層，位於該第一配向層與該第二配向層之間，其中該液晶層具有複數個液晶分子，且該些液晶分子為負介電各向異性，且該些液晶分子中之每一者具有實質為15度之一貝塔角和實質為45度之一扭轉角。
14. 一種矽基液晶顯示裝置，包含：一矽基板，具有配置於一矩陣中的複數個畫素，其中該些畫素中之每一者具有介於實質為0度與實質為90度之間之一傾斜角，且該些畫素中之每一者包含一畫素電極；一第一配向層，位於該些畫素電極上；一第二配向層，其係相對於該第一配向層；以及一液晶層，位於該第一配向層與該第二配向層之間，其中該液晶層具有複數個液晶分子，且該些液晶分子為負介電各向異性，且該些液晶分子中之每一者具有實質為15度之一貝塔角和實質為45度之一扭轉角。