TWI634368B - 奈米膠囊液晶層及包含該奈米膠囊液晶層的液晶顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

一種奈米膠囊液晶層包含：一緩衝層；以及複數個奈米膠囊，設置在該緩衝層中，該等奈米膠囊的每一個的內部包括：液晶分子；以及添加物，各該添加物具有一中心分子和至少二個第一周邊分子，以及該等添加物與該等液晶分子混合，其中該等第一周邊分子連接至該中心分子，並且互相隔開，其中該等第一周邊分子具有與該液晶分子相同的相位。

Description

奈米膠囊液晶層及包含該奈米膠囊液晶層的液晶顯示裝置
本發明係關於一種液晶顯示裝置(liquid crystal display device,LCD)。尤其是，本發明係關於一種包括奈米膠囊液晶層的液晶顯示裝置。
隨著資訊社會的進展，顯示電子資訊信號的顯示領域已迅速發展。因此，由於平面顯示器具有薄型、重量輕、及低功耗的優點，所以液晶顯示裝置(LCD)、電漿顯示面板裝置(PDP)、電致發光顯示裝置(ELD)、場發射顯示裝置(FED)等等已被引進，並且迅速取代傳統陰極射線管(CRT)。
在平面顯示器當中，因為液晶顯示裝置在顯示移動影像和高對比度方面有傑出的表現，因而最被廣泛使用在筆電、監視器、電視(TV)的領域上。
第1圖係說明依據習知技術的液晶顯示裝置的剖面圖。
參考第1圖，習知技術的液晶顯示裝置10包括：液晶面板，具有互相貼附的第一基板2和第二基板4和其間的液晶層50；以及背光60。
詳細地，在第一基板2上的薄膜電晶體Tr包括：閘極電極12、閘極絕緣層13、主動層14、歐姆接觸層15a和15b、以及源極電極16和汲極電極17，並且經由形成在中間層絕緣膜18中的接觸孔連接至像素區域P內的第一電極19。
再者，黑色矩陣32設置在第二基板4下，並且具有格子形狀以圍繞像素區域P，使得黑色矩陣32遮蔽非發光元件如薄膜電晶體Tr以及曝露出第一電極19。
再者，彩色濾光片34佈置在對應像素區域P的格子形狀黑色矩陣32內，並且第二電極36被佈置以覆蓋黑色矩陣32和彩色濾光片34。
各別選擇性地傳遞預定偏極光的偏光板20和30分別貼附在第一基板2下和第二基板4上。
再者，具有在預定方向上被摩擦的表面的第一配向層31a設置在液晶層50與第一電極19之間，並且具有在預定方向上被摩擦的表面的第二配向層31b設置在液晶層50與第二電極36之間，從而液晶分子的初始佈置狀態和配向方向是均勻的。
再者，為預防液晶層50的洩漏，密封圖案70沿著第一基板2和第二基板4的邊緣部分佈置。
由於液晶顯示裝置10並非自發光的，因此作為光源的背光60被佈置在液晶面板下方，以向液晶面板提供光。
作為用於液晶顯示裝置10的液晶層，使用向列型液晶(nematic liquid crystal)、層列型液晶(smetic liquid crystal)、膽固醇型液晶(cholesteric liquid crystal)等，並且主要是使用該向列型液晶。
然而，在習知技術的液晶顯示裝置10中，存在這樣的缺點：即在分別製造基板2和4之後，要結合兩個基板2和4時，另外需要一配向製程。
再者，需要印刷和摩擦配向層31a和31b以配向液晶的製程，由於這些製程，降低了生產率。
再者，在結合基板2和4並且將液晶注入基板2和4之間之後，需要保持兩個基板2和4之間的間隙，如果兩個基板之間的間隙由於外部壓力或衝擊而改變，則顯示品質可能降低。
因此，本發明係涉及一種液晶顯示裝置，實質上是解決由於習知技術的限制和缺點而導致的一個或多個問題。
本發明之目的係提供一種能降低驅動電壓以驅動奈米膠囊液晶層的液晶顯示裝置。
本發明的額外特徵及優點將敘述在以下說明書中，一部分可由本發明的說明書顯而易見，或者可藉由實施本發明而了解。本發明的優點將藉由說明書、申請專利範圍、和附圖中具體指出的結構來實現和獲得。
為達成這些和其他優點，依據本發明之目的，如這裡具體地且廣泛地描述，一種奈米膠囊液晶層包括：一緩衝層；以及複數個奈米膠囊，設置在該緩衝層中，該等奈米膠囊的每一個的內部包括：液晶分子；以及添加物，各該添加物具有一中心分子和至少二個第一周邊分子，並且該等添加物與該等液晶分子混合，其中該等第一周邊分子連接至該中心分子，並且互相隔開，其中該等第一周邊分子具有與該液晶分子相同的相位。
在另一實施態樣中，一種液晶顯示裝置包括：第一電極和第二電極，在一基板上互相隔開；一奈米膠囊液晶層，在該等第一基板和該等第二基板上，該奈米膠囊液晶層具有一緩衝層和複數個奈米膠囊，其中該等奈米膠囊設置在該緩衝層中，該等奈米膠囊的每一個的內部包括：液晶分子；以及添加物，各該添加物具有一中心分子和至少二個第一周邊分子，並且該等添加物與該等液晶分子混合，其中該等第一周邊分子連接至該中心分子，並且互相隔開；以及一第一偏光板和一第二偏光板，其中該第一偏光板具有一第一偏光軸，該第二偏光板具有一第二偏光軸，其中該第二偏光軸垂直於該第一偏光軸，第一偏光板在該基板下，以及該第二偏光板在該奈米膠囊液晶層上，其中該等第一周邊分子具有與該液晶分子相同的相位。
要理解的是，前面的一般描述和下面的詳細描述都是例示性和解釋性的，並且均旨在提供對所要求保護的本發明的進一步解釋。
2‧‧‧第一基板
4‧‧‧第二基板
10‧‧‧液晶顯示裝置
12‧‧‧閘極電極
13‧‧‧閘極絕緣層
14‧‧‧主動層
15a‧‧‧歐姆接觸層
15b‧‧‧歐姆接觸層
16‧‧‧源極電極
17‧‧‧汲極電極
18‧‧‧中間層絕緣膜
19‧‧‧第一電極
20‧‧‧偏光板
30‧‧‧偏光板
31a‧‧‧第一配向層
31b‧‧‧第二配向層
32‧‧‧黑色矩陣
34‧‧‧彩色濾光片
36‧‧‧第二電極
50‧‧‧液晶層
60‧‧‧背光
70‧‧‧密封圖案
100‧‧‧液晶顯示裝置
101‧‧‧基板
120‧‧‧第一電極
130‧‧‧第二電極
140‧‧‧奈米膠囊液晶層
141‧‧‧液晶分子
142‧‧‧奈米膠囊
142a‧‧‧虛擬球體
143‧‧‧緩衝層
150‧‧‧添加物
151‧‧‧中心分子
153‧‧‧連接分子
155‧‧‧第一周邊分子
157‧‧‧第二周邊分子
159‧‧‧第一偏光板
160‧‧‧第二偏光板
170‧‧‧背光
P‧‧‧像素區域
Tr‧‧‧薄膜電晶體
附圖說明本發明的實施例並且與說明書一起用於解釋本發明的原理，其中所述附圖係提供本發明的進一步理解，以及被併入且構成本說明書的一部分。在圖式中：第1圖係說明依據習知技術的液晶顯示裝置的剖面圖；第2圖係說明依據本發明一實施例的液晶顯示裝置的剖面圖；第3圖係說明依據本發明一實施例的奈米膠囊的視圖；第4圖係說明在第3圖的奈米膠囊中的添加物的視圖；第5圖係說明在第3圖的奈米膠囊中的一部分的視圖；第6圖係說明具有樹枝狀聚合物結構的範例的視圖； 第7圖係說明添加物的中心分子的範例的視圖；以及第8圖係說明依據本發明一實施例的功效的圖。
現在將仔細參考實施例，其範例在附圖中加以說明。在整體附圖中，相同或類似參考編號被使用以表示相同或類似的部件。
第2圖係說明依據本發明之一實施例的液晶顯示裝置的剖面圖。
參考第2圖，本實施例的液晶顯示裝置100包括：基板101；第一電極120和第二電極130，在基板101上；奈米膠囊液晶層140，在第一電極120和第二電極130上；以及第一偏光板159和第二偏光板160，分別在基板101下和奈米膠囊液晶層140上。
奈米膠囊液晶層140被形成具有散佈在緩衝層143中的奈米膠囊142，而且奈米膠囊142具有小於可見光的波長的尺寸並且充滿隨機佈置的液晶分子141。
奈米膠囊液晶層140可以薄膜形式形成且覆蓋在第一電極120和第二電極130上。
因此，不像使用兩個基板之習知技術的液晶顯示裝置，本實施例的液晶顯示裝置100能使用一個基板101製造，從而可達成重量輕和薄型的液晶顯示裝置，而且能降低製造成本。
再者，奈米膠囊液晶層140並不會有因外部壓力或衝擊而使得習知技術的兩個基板之間的間隙偏離或改變的習知技術問題。因此，當使用可撓性材料如塑膠形成基板101時，奈米膠囊液晶層140可有效地應用於可撓性液晶顯示裝置。
再者，當未施加電場時，奈米膠囊液晶層140具有光學均向性。然而，奈米膠囊液晶層140具有光學特性而當施加電場時，在奈米膠囊142中的液晶分子141被配向在電場方向上，而且導致入射在奈米膠囊液晶層140上的光的雙折射性(birefringence)。
因此，奈米膠囊液晶層140能依據施加的電場形成光軸，而且藉此控制光學特性而能夠傳導光。
再者，第一偏光板159導致要從背光170入射至奈米膠囊液晶層140上的光的偏光化。第二偏光板160阻擋入射至奈米膠囊液晶層140上接著穿過奈米膠囊液晶層140但卻無藉由奈米膠囊液晶層140的雙折射性功效而偏光化的光。
第一偏光板159的偏光軸和第二偏光板160的偏光軸互相垂直。例如，假如第一偏光板159的偏光軸具有0或90度角，則第二偏光板160的偏光軸具有90或0度角。
下面解釋操作包括奈米膠囊液晶層140的液晶顯示裝置100的原理。
首先，當電場在第一電極120與第二電極130之間未被引起時，奈米膠囊液晶層140傳遞經由第一偏光板159而進入奈米膠囊液晶層140的光，從而液晶顯示裝置100顯示暗狀態(dark state)。
換言之，在未施加電場的關閉狀態(off state)下，從背光170進入第一偏光板159的光在穿過第一偏光板159時於特定角度上被選擇性地傳導，然後進入奈米膠囊液晶層140的光在幾乎沒有散射現象發生的情況下被傳導經過奈米膠囊液晶層140，之後抵達第二偏光板160。
最後，穿過具有例如0度偏光軸的第一偏光板159的光進入具有例如90度偏光軸的第二偏光板160，從而此光被在偏光軸上垂直於第一偏光板159的第二偏光板160阻擋，因此，液晶顯示裝置100顯示暗狀態。
如上所述，不像需要一對配向層的習知技術的液晶顯示裝置被分別佈置在彼此相對的一對基板上，而且液晶被注入基板間並且被排列以具有預定節距和方向，本實施例的液晶顯示裝置100能使用奈米膠囊液晶層140的光學特性來顯示黑狀態，因此，不需要額外的液晶配向。
因此，本實施例的液晶顯示裝置100能排除習知技術的液晶顯示裝置所需之印刷和摩擦配向層的製程。
當在第一電極120與第二電極130之間感應電場時，奈米膠囊液晶層140旋轉經由第一偏光板159進入奈米膠囊液晶層140的光的偏光軸90度角，從而液晶顯示裝置100顯示白狀態(white state)。
詳細地，在有電場被感應的開啟狀態(on state)下，由於在奈米膠囊142中的液晶分子141被佈置成平行於電場的方向，所以藉由液晶分子141的配向而導致雙折射性功效。
在此情況下，進入奈米膠囊液晶層140經過第一偏光板159的光藉由奈米膠囊液晶層140的雙折射性功效在偏光狀態上有所改變。當奈米膠囊液晶層140的延遲△n*d符合入射奈米膠囊液晶層140的光的λ/2條件時，入射光的偏光軸被旋轉90度角，從而此光不會被在偏光軸上垂直於第一偏光板159的第二偏光板160吸收，而穿過第二偏光板160，因此，液晶顯示裝置100顯示白狀態。
隨著奈米膠囊142的尺寸增加，在奈米膠囊142或液晶分子141之間的光散射可發生，因此，在未施加電場的關閉狀態下，沒有顯示完全黑狀態(full black state)。因此，奈米膠囊142較佳具有小於可見光的波長的尺寸。
再者，由於液晶分子141設置在奈米膠囊142中，所以液晶分子141之間的吸引力和液晶分子141與奈米膠囊142之間的吸引力係強大的，因此，驅動奈米膠囊液晶層140的驅動電壓遠大於習知技術的液晶顯示裝置10(第1圖)。
為降低驅動電壓，藉由添加雜質到奈米膠囊142中，液晶分子141之間的吸引力和液晶分子141與奈米膠囊142之間的吸引力能被降低。
然而，因為添加的雜質，包括液晶分子141的液晶的物理特性會改變，並且奈米膠囊液晶層140的驅動有效溫度(driving available temperature,Tni)會降低。
因此，液晶顯示裝置100的可靠性和驅動特性可能降低，尤其是，在高溫度下的顯示品質可能降低。
第3圖係說明依據本發明一實施例的奈米膠囊的視圖；第4圖係說明在第3圖的奈米膠囊中的添加物的視圖；以及第5圖係說明在第3圖的奈米膠囊中的一部分的視圖。
參考第3圖，奈米膠囊142包括：液晶分子141，充滿在奈米膠囊142的內部；以及添加物(additives)150，與液晶分子141混合。
詳細地，奈米膠囊142具有小於可見光的波長的奈米尺寸。奈米膠囊142可由選自包含氮化矽(silicon nitride,SiNx)或氧化矽(silicon oxide,SiO2)的 透明矽材料群組製成，或者可由選自包含聚苯乙烯(polystyrene)、聚苯烯(poly ethylene)、聚氨基甲酸酯(poly urethane)、聚氯乙烯(poly chloride vinyl)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly methyl methane acrylate)、聚碳酸酯(poly carbonate)、環氧樹酯(epoxy resin)、及聚乙烯丙烯酸(poly vinyl acrylate)的透明聚合物群組製成。
液晶分子141隨機佈置在奈米膠囊142中，且可由向列型液晶、層列型液晶、或膽固醇型液晶製成。
參考第4圖，添加物150包括：中心分子(center molecule)151；以及至少兩個第一周邊分子(first peripheral molecules)155，其中各個第一周邊分子155連接至中心分子151，而且互相隔開。
第一周邊分子155具有與液晶分子141相同的相位和特性。
因此，第一周邊分子155輕易地與液晶分子141混合，而且包括第一周邊分子155和其相鄰的液晶分子141的液晶的物理特性並不改變。
中心分子151用作為支承第一周邊分子155。由於中心分子151藉由第一周邊分子155而不接觸液晶分子141，所以其係與液晶分子141均勻混合並且作用如相同材料。
再者，中心分子151可具有線性結構、盤狀結構、或三維結構。連接至中心分子151的第一周邊分子155設置在不同方向上，使得添加物150能具有三維結構。
因此，參考第5圖，添加物150的第一周邊分子155破壞在第一周邊分子155周圍的液晶分子141的隨機分佈狀態，而且使在第一周邊分子155周圍的液晶分子141在第一周邊分子155的配向方向上規律分佈，致使液晶分子141在奈米膠囊142中形成虛擬球體142a的形狀。
在此情況下，相鄰的虛擬球體142a互相重疊，而且省下被包含於其中的液晶分子141。
藉由第一周邊分子155而形成的虛擬球體142a能顯示像是以小尺寸形成奈米膠囊142的功效。
換言之，由於奈米膠囊142被分割為具有小於奈米膠囊142的尺寸的虛擬球體142a，所以能預防奈米膠囊142之間或液晶分子141之間的光散射，而且完全黑色狀態可在未施加電場的關閉狀態下被呈現。
再者，藉由不縮減奈米膠囊142的尺寸，而且將其填滿液晶分子141，但是卻在具有預定尺寸的奈米膠囊142中形成虛擬球體142a，顯示出如尺寸縮減的功效。因此，液晶分子141之間的吸引力和液晶分子141與奈米膠囊142之間的吸引力並不強大，因此，驅動奈米膠囊液晶層140的驅動電壓並不會升高。
再者，由於第一周邊分子155具有與液晶分子141相同的相位和特性，所以液晶分子141的物理特性能避免改變，而且奈米膠囊液晶層140的驅動有效溫度(Tni)低的現象可被避免。
表1顯示依據添加物150相對於液晶分子141的重量百分比(wt%)的驅動有效溫度(Tni)和奈米膠囊液晶層140的折射率變化(△n)。
參考表1，相較於無添加添加物150的情況，在添加有一定量(0.1wt%、1wt%、1.25wt%、和2.5wt%)添加物150的情況下，驅動有效溫度(Tni)和折射率變化(△n)的改變並不多。
然而，當添加物150在奈米膠囊142中被包含大於液晶分子141時，液晶分子141的流動性降低而且驅動效率降低。因此，添加物150相對於對液晶分子141的重量百分比(wt%)較佳為0.01至25wt%。
添加物150的尺寸係2nm至100nm，其大於液晶分子141而且小於奈米膠囊142。
參考第4圖的(a)，添加物150可包括中心分子151和連接至中心分子151的第一周邊分子155。或者，參考第4圖的(b)，添加物150可包括中心分子151和連接至中心分子151的第一周邊分子155和第二周邊分子157。
第二周邊分子157具有與液晶分子141不同的特性，而且第一周邊分子155可由有機材料製成，並且第二周邊分子157可由無機材料製成。
特別地，在添加物150包括中心分子151及第一周邊分子155和第二周邊分子157的情況下，由於第二周邊分子157具有與液晶分子141不同的相位和特性，則液晶分子141的流動性能增加。
換言之，由於第二周邊分子157不易與液晶分子141混合，液晶分子141能藉由第二周邊分子157與液晶分子141之間的排斥力而成為具有流動性。
當液晶分子141的流動性能增加時，液晶分子141在電場被驅動的開啟狀態中能迅速旋轉，而且能改善響應速度。
再者，參考第4圖的(a)和第4圖的(b)，添加物150可進一步包括連接分子(connection molecules)153，其將中心分子151與第一周邊分子155或與該等第一周邊分子和第二周邊分子連接在一起。
換言之，樹枝狀聚合物(dendrimer)結構係藉由中心分子151與連接分子153的組合而形成，而且中心分子151經由連接分子153與該等周邊分子間接連接。
另一種情況是，中心分子151可具有樹枝狀聚合物結構，而且在此情況下，中心分子151的端部與分別的周邊分子組合並且中心分子151與該等周邊分子直接連接。
藉由調節連接分子153或樹枝狀聚合物的長度，或者調節第一周邊分子155的尺寸，第一周邊分子155能使得其相鄰的液晶分子141規則地佈置在第一周邊分子155的方向上。
第6圖係說明具有樹枝狀聚合物結構的範例的視圖。
參考第6圖，樹枝狀聚合物分子具有型態(a)、(b)、及(c)，其樹枝形狀的單位結構從中心延伸。
第7圖的(a)和第7圖的(b)分別為SSQMA和SSQOG，作為中心分子的範例。
詳細地，SSQMA和SSQOG的每一個具有立方體的三維結構，而且包括從立方體延伸的樹枝狀聚合物。
因此，第一周邊分子155或第一周邊分子155和第二周邊分子157分別與SSQMA和SSQOG的每一個的樹枝狀聚合物的端部結合，從而實施例的添加物150終於形成。
第8圖係說明依據本發明一實施例的功效的圖。
參考第8圖，相較於奈米膠囊僅充滿液晶分子的情況(a)，在添加物有被添加的情況(b)下，驅動特性被改善，而且黑程度和對比度被改善，並且效率也被改善。
對於所屬技術領域中具有通常知識者將會是顯而易見的是，在本發明的顯示裝置中能做各種修飾和變化而不脫離本發明的精神或範圍。因此，在前述的修飾和變化納入像附之申請專利範圍或其均等範圍內的條件下，本發明意圖涵蓋前述修飾和變化。
本申請案主張於2015年11月30日所提交的韓國專利申請第10-2015-0169521號優先權權益，其全部內容通過引用併入本文，如同在此完全闡述一樣。

Claims (14)

  1. 一種奈米膠囊液晶層，包括：一緩衝層；以及複數個奈米膠囊，設置在該緩衝層中，該等奈米膠囊的每一個的內部包括：複數個液晶分子；以及複數個添加物，各該等添加物具有一中心分子和至少二個第一周邊分子，並且該等添加物與該等液晶分子混合，其中該等第一周邊分子連接至該中心分子，並且互相隔開，其中該等添加物散佈在該奈米膠囊中，並且互相隔開，其中該等第一周邊分子具有與該等液晶分子相同的相位，以及其中該中心分子藉由該等第一周邊分子而不接觸該等液晶分子。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之奈米膠囊液晶層，其中，該中心分子具有一線性結構、一盤狀結構、或一三維結構。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之奈米膠囊液晶層，其中，該等第一周邊分子設置在不同的方向上，以及該添加物具有一三維結構。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之奈米膠囊液晶層，其中，該添加物進一步包括一第二周邊分子，連接至該中心分子，並且具有與該第一周邊分子不同的相位。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之奈米膠囊液晶層，其中，該中心分子具有一樹枝狀聚合物結構，並且該等第一周邊分子和該等第二周邊分子的每一個與該樹枝狀聚合物結構的端部的每一個連接。
  6. 依據申請專利範圍第4項所述之奈米膠囊液晶層，其中，該添加物進一步包括一連接分子，連接該中心分子與該等第一周邊分子和該等第二周邊分子的每一個。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之奈米膠囊液晶層，其中，該添加物進一步包括一連接分子，連接該中心分子與該等第一周邊分子的每一個。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之奈米膠囊液晶層，其中，該添加物相對於該等液晶分子的重量百分比(wt%)係0.01wt%至25wt%。
  9. 一種液晶顯示裝置，包括：第一電極和第二電極，設置在一基板上互相隔開；一奈米膠囊液晶層，設置在該等第一電極和該等第二電極上，該奈米膠囊液晶層具有一緩衝層和複數個奈米膠囊，其中該等奈米膠囊設置在該緩衝層中，該等奈米膠囊的每一個的內部包括：複數個液晶分子；以及複數個添加物，各該等添加物具有一中心分子和至少二個第一周邊分子，並且該等添加物與該等液晶分子混合，其中該等第一周邊分子連接至該中心分子，並且互相隔開；以及一第一偏光板和一第二偏光板，其中該第一偏光板具有一第一偏光軸，該第二偏光板具有一第二偏光軸，其中該第二偏光軸垂直於該第一偏光軸，該第一偏光板在該基板下，該第二偏光板在該奈米膠囊液晶層上，其中該等添加物散佈在該奈米膠囊中，並且互相隔開，其中該等第一周邊分子具有與該等液晶分子相同的相位，以及其中該中心分子藉由該等第一周邊分子而不接觸該等液晶分子。
  10. 依據申請專利範圍第9項所述之液晶顯示裝置，其中，該添加物進一步包括一第二周邊分子，連接至該中心分子，並且具有與該第一周邊分子不同的相位。
  11. 依據申請專利範圍第10項所述之液晶顯示裝置，其中，該中心分子具有一樹枝狀聚合物結構，並且該等第一周邊分子和該等第二周邊分子的每一個與該樹枝狀聚合物結構的端部的每一個連接。
  12. 依據申請專利範圍第10項所述之液晶顯示裝置，其中，該添加物進一步包括一連接分子，連接該中心分子與該等第一周邊分子和該等第二周邊分子的每一個。
  13. 依據申請專利範圍第9項所述之液晶顯示裝置，其中，該添加物進一步包括一連接分子，連接該中心分子與該等第一周邊分子的每一個。
  14. 依據申請專利範圍第9項所述之液晶顯示裝置，其中，該添加物相對於該等液晶分子的重量百分比(wt%)係0.01wt%至25wt%。
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