TWI732570B - U形單元及具有u形共平面電極單元之液晶元件 - Google Patents

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Abstract

本發明所提供之U形單元及具有U形共平面電極單元之液晶元件，其係可增加在供電狀態下的橫向電場強度，使得其在應用作為液晶驅動元件時，得以較低之驅動電壓達到所需之橫向電場強度，以減少液晶元件作為顯示螢幕時所需之驅動電力，達到省電之效果者。

Description

U形單元及具有U形共平面電極單元之液晶元件
本發明係與電場技術有關，特別是關於一種可達到增加橫向電場強度之U形共平面電極單元。
利用電場控制液晶分子排列方向，改變背光的折射角度進而達到顏色變換的技術手段，係為液晶顯示裝置的公知原理，在此一基礎上所發展的液晶顯示技術在近年來仍迭有不同的技術被公開，而為了在充填有液晶的兩基板之間形成適當的電場，即有藉由在液晶層兩側上分別設置電極，於供電後在兩電極之間形成電場的垂直配向技術(Multi-domain Vertical Alignment, MVA)，亦有在液晶層之單側配置電極，供電後在電極上方形成電場的水平電場驅動技術(In-plane-switching, IPS)，以及基於上述配向技術所發展的其他配向技術內容，例如A-MVA、FSS等。
隨著技術的發展，對於液晶之控制已非僅為單純的進行配向來達到顏色改變的目的，在技術日益精進的發展下，獲得更廣的視角、更短的響應時間或更佳的顏色對比等效果，更為現在顯示技術所戮力發展之方向。
惟在進一步提高液晶顯示技術之同時，習知技術一直未能有效地降低液晶配向的驅動電壓，特別是在採用水平電場驅動技術之技術範躊中，由於其電場係如圖1所示，在像素電極(1)與共用電極(2)上方形成拋物線形之電場，在此等型態之電場下，其在水平方向上所形成的橫向分量有限，並難以在電極(1)(2)垂直方向位置上形成電場，使得其所形成之水平電場之強度有限，而為了提高水平電場的強度，習知技術僅能透過提高驅動電壓的方式來達成，但如此一來，卻衍生了驅動電壓過高的缺失，致使為了驅動液晶進行顯示，必需耗費較多的電力能源，此亦使得螢幕顯示元件成為智慧型手機中最為耗電的構成元件。
因此，本發明之主要目的即係在提供一種U形單元，其係可增加U形兩側具自由端之側部的自身深寬比，俾以藉由高深寬比之側部來提高該U形單元於產業上應用時所得以產生之效果，例如增加橫向電場強度、增加散熱表面積或作為光學元件之單元整，其中，在增加橫向電場強度效果上，係可使該U形單元作為電極元件之構成單元而為一U共平面電極單元，從而增加在供電狀態下的橫向電場強度，使得其在應用作為液晶驅動元件時，得以較低之驅動電壓達到所需之橫向電場強度，以減少液晶元件作為顯示螢幕時所需之驅動電力，達到省電之效果者。
緣是，為達成上述目的，本發明所提供之U形共平面電極單元，其係使該電極單元概呈U形，而具有一對應於U形封閉端位置之基部，以及對應於U形兩側位置之二側部，同時使各該側部個別的厚度與高度間之比值係介於1:20至1:2之間，俾可藉由各該側部在平行於高度方向上之兩側平面作為電極平面。
該U形共平面電極單元中，係可使該電極單元被微小化至可供作為液晶顯示元件之電極，
而當以該U形共平面電極單元作為液晶顯示元件之電極時，除可將多數之電極單元設置於液晶層之同側外，亦可分設於液晶層之不同側。
其中，當多數之電極單元被設置在液晶層之不同側時，位於相異側之電極單元彼此間之U形開口係呈交錯之相向，而使一側之電極單元與另側之電極單元彼此間，係以一方自身之單一側部插入他方之U形開口中，使彼此相互交錯。
本發明之另一目的則係在提供一種具有高寬厚比之單元構造，其係具有一基部以及由該基部兩側同向往外沿預定角度方向延伸之側部，並使各該側部自身之厚度與高度間之比值係介於1:2至1:20之間。藉由各該側部所具有之高窄形狀來提供作為微電子技術領域中的元件構成，例如作為如前述之電極單元或作為散熱元件之散熱單元等。
茲即舉以本發明若干較佳之實施例，並配合圖示作進一步之說明。
首先，請參閱圖2所示，在本發明第一較佳實施例中所提供之U形共平面電極單元(10)，其係包含有一呈條狀之基部(11)以及二分呈條狀且分設於該基部(11)兩側之側部(12)。
從形狀上來看，該電極單元(10)係為以該基部(11)為底，並以各該側部(12)為牆的U形形狀，其中，各該側部(12)與該基部(11)間的夾角(α)(β)雖於圖示中係以90度之夾角表示，惟並不以之為限，其夾角之角度係為介於45度至135度間之任意數值，同時亦不以使各該側部(12)與該基部(11)間之夾角相同為其必要者，在此更應強調者係，以該基部(11)作為基礎，係可增加各該側部(12)所得成型的高度，從而使得各該側部(12)各自之高度與厚度間的比例可以擴大到20:1，進而增加各該側部(12)之作用範圍，使得該電極單元(10)得以產生較習知技術更佳的功效。
從尺寸上來說，該基部(11)介於自身條狀兩端之間的寬度(w)係介於3 nm至20 μm之間，而各該側部(12)在與該基部(11)相接之一端至自由端間之高度(h)上，以及在各該側部(12)平行於該寬度方向之厚度(t)上，其厚度(t)與高度(h)間之比值係以介於1:20至1:2之間為適，具體而言，各該側部(12)之高度(h)係介於3 nm至20 μm之間，而各該側部(12)之厚度(t)則係介於3 nm至2 μm。
從材料上來說，該電極單元(10)之各個構成要件彼此之間，係可採用相同之材料，亦可採用不同之材料，端視實際產品之求而定，而得以透明導電材料、金屬材料、介電材料或半導體材料，製成該電極單元者。而所稱之透明導電材料係如銦錫氧化物、銦鋅氧化物、銦鎵鋅氧化物、銦錫鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、鎘錫氧化物或鎘鋅氧化物等，所稱之金屬材料則得為金、銀、銅、鐵、鋁、鉑金、鈦、铟、鉬、錫、錳或鋅等，所稱之介電材料係可為二氧化鈦、二氧化矽、氮化矽、氧化矽、矽的氮化物、鈦酸鈣、鈦酸鎂、鈦酸鋇或複合氧化物等，而半導體材料則為氮化鋁鎵、氮化鋁(铟)鎵、砷化鎵、磷化鎵或銻化銦等，是等材料之選用乃屬本發明所屬技術領域中之通常知識者可以依據本發明申請時之通常知識，依據該電極單元(10)所應用之產品需求而進行選用，本案於此僅予以舉例說明之，其材料之種類不應被作為限制本發明所應受保護範圍之限制條件。
續請參閱圖3所示，在本發明第二較佳實施例中，係為第一較佳實施例所揭之電極單元(10)之具體應用例，而將多數之電極單元(10)分別作為一液晶顯示元件(20)之共用電極(10a)與像素電極(10b)者。
該液晶元件(20)主要係包含有一第一基板(21)、一與該第一基板(21)相隔有一介於1μm至25μm間距之第二基板(22)以及被封存於該第一基板(21)與該第二基板(22)之間的液晶層(23)，其中，該液晶層(23)於本實施例中係以正型液晶材料為其成分，惟在具體之實施上並不以之為限，其亦得以為負型液晶、鐵電液晶、高分子分散液晶、高分子穩定型液晶或藍相液晶等，除此之外，該液晶元件(20)尚包含有位於該液晶層(23)兩側的配向膜(24)、位於該第一基板(21)與該第二基板(22)外側之偏振片(25)等，均係屬習知技術之內容，於此並無贅陳之必要。
而各該電極單元(10)在本實施例中乃係被設置在該液晶層(23)之同一側，亦即如圖3中所揭之第一基板(21)相向於該第二基板(22)之一側(211)上，並依配向技術所需，使各該電極單元(10)之一部分作為共用電極(10a)，以及使他部分作為像素電極(10b)者，並進一步地使相鄰之該共用電極(10a)與該像素電極(10b)間所相隔之一間距(l)，係介於3 nm ~20 μm之間。
藉此，在供給電壓後，即可於該共用電極(10a)與該像素電極(10b)之間形成橫向電場(E)，同時藉由使各該側部(12a)(12b)之高度(h)大於該第一基板(21)與該第二基板(22)間之距離值的半數以上，使得所形成之該橫向電場(E)之範圍可以及於該液晶層(23)之全部，進而得以較低的電壓獲得足以達成液晶配向目的之橫向電場強度，例如圖4所示者，在本實施例中，在將該高度(h)予以固定為10μm、該厚度(w)予以固定為0.5μm下，透過改變該寬度(w)與該間距(l)之數值後，所獲得之電壓-穿透率曲線圖，其中：
當該寬度(w)與該間距(l)均為10μm時，驅動電壓為3.51V、穿透率為0.21；
當該寬度(w)與該間距(l)均為7μm時，其驅動電壓為2.88V、穿透率為0.21；
當該寬度(w)與該間距(l)均為4μm時，其驅動電壓為2.31V、穿透率為0.20；
由此可知，以該電極單元(10)作為各該共用電極(10a)與像素電極(10b)時，其相較於習知水平電場驅動技術動輒需4V-6V之電壓始足以達到液晶配向目的者而言，本發明確實得以降低驅動電壓，減少電力之消耗。
進一步地，當該液晶層(23)所使用之材料為藍相液晶時，其電壓-穿透率之曲線圖則如圖5所示般，在將該高度(h)與該厚度(w)之變數予以固定如同圖4般條件之情況下：
當該寬度(w)與該間距(l)均為10μm時，驅動電壓為28.5V、穿透率為0.41；
當該寬度(w)與該間距(l)均為7μm時，其驅動電壓為19.5V、穿透率為0.41；
當該寬度(w)與該間距(l)均為4μm時，其驅動電壓為11.5V、穿透率為0.42；
相較於傳統高達35V至40V之藍相液晶驅動電壓而言，該第二較佳實施例所能達到的降低功效已達顯著之程度。
續請參閱圖6所示之本發明第三較佳實施例，於此係與前述第二較佳實施例相仿地將第一較佳實施例所提供之電極單元作為一液晶元件(20a)之共用電極(10c)與像素電極(10d)。
其中，該液晶元件(20a)之構成係與前述第二較佳實施例中所揭者相仿，而包含了有彼此相隔開來之一第一基板(21a)與一第二基板(22a)，以及被封填於該第一基板(21a)與該第二基板(22a)間所相隔約1 μm至25 μm間隙空間中之一液晶層(23a)，其中，當該液晶層(23a)為正型液晶時，其電壓-穿透率曲線圖係如圖7所示，而當該液晶層(23a)為藍相液晶時，其電壓-穿透率曲線圖則如圖8所示。
各該電極單元係分別被設置於該第一基板(21a)相向於該第二基板(22a)之一側平面(211a)，以及該第二基板(22a)相向於該第一基板(21a)之一側平面(221a)上，並使設於該第一基板(21a)上之多數電極單元分別作為該共用電極(10c)，以及使設於該第二基板(22a)上之多數電極單元分別作為該像素電極(10d)，其中，各該像素電極(10d)相鄰彼此間所相隔之間距(l)係相同於各該共用電極(10c)相鄰彼此間所將隔之間距(l)，並使各該像素電極(10d)與各該共用電極(10c)彼此間係以U形開口交錯地、以一方之側部分別插入他方之U形開口中，以及介於相鄰之他方彼此之間，從而使各該像素電極之側部(12d)與各該共用電極之側部(12c)彼此依序地交錯對應。
該第三較佳實施例藉由彼此交錯之各該側部(12c)(12d)之空間型態，得以大幅地提高所形成之橫向電場(E)強度，而可較前述第二較佳實施例所揭之技術內容，更進一步地降低液晶配向之驅動電壓，亦可更進一步地提高穿透率。
請參閱圖7所示，當該第三較佳實施例中之液晶層(23a)所使用之液晶材料為正型液晶時，使該高度(h)定值為10μm、該厚度(t)定值為0.5μm之條件下：
當寬度(w)為10μm、間距(l)為10μm時，其驅動電壓為2.20V、穿透率為0.48；
當寬度(w)為7μm、間距(l)為7μm時，其驅動電壓為2.05V、穿透率為0.41；
當寬度(w)為4μm、間距(l)為4μm時，其驅動電壓為1.95V、穿透率為0.28；
顯見其確實足以較前述第二較佳實施例更進一步地降低驅動電壓。
續請參閱圖8所示，當該第三較佳實施例中之液晶層(23a)所使用之液晶材料為藍相液晶材料時，在將該高度(h)定值為10μm、該厚度(t)定值為0.5μm之條件下：
當寬度(w)為10μm、間距(l)為10μm時，其驅動電壓為15V、穿透率為0.76；
當寬度(w)為7μm、間距(l)為7μm時，其驅動電壓為10V、穿透率為0.78；
當寬度(w)為4μm、間距(l)為4μm時，其驅動電壓為5V、穿透率為0.78；
此等將藍相液晶之驅動電壓顯著降低之功效，已足以完全克服習知藍相液晶驅動電壓過高之缺失，令其得以進一步地被廣泛地應用在不同的產業領域。
綜上所述，本發明所提供之U形共平面電極單元在應用於作為液晶元件之電極元件時，由其所達成降低驅動電壓之顯著程度，已可確認其確可大幅地提高橫向電場之強度，以正型液晶為例，在前揭各實施例之範圍內，其最佳參數下係可達到以1.95V之驅動電壓獲得0.41的穿透率，相較於習知FFS技術以4.1V之驅動電壓亦僅能達到0.24之穿透率而言，本發明已獲得了顯著的功效；而在藍相液晶之配向驅動技術上，在前揭各實施例所揭之範圍內，其最佳參數下係得以僅僅5V之驅動電壓即可獲得0.63之穿透率，相較於習知需以高達35V之驅動電壓始足以驅動藍相液晶進行配向而言，本發明確可顯著地降低藍相液晶之驅動電壓，而可使藍相液晶之應用被進一步地擴大。
於此更需特別加以提出說明者係，雖第二與第三較佳實施例對於第一較佳實施例之應用，均以液晶顯示技術為其例示之內容，但並非限制第一較佳實施例中所揭之電極單元僅能應用於液晶顯示技術中，換言之，本發明所提供之U形共平面電極單元非僅得以被應用作為液晶元件之構成，亦得以作為其他物品之電極，例如發光元件、太陽能電池元件、驅動元件、控制元件、感測元件、偵測元件、電容元件、巨量轉移元件、超穎材料元件、熱電元件、散熱元件、光學元件或其他功能元件等，並無需以用途加以限制之必要。
再者，本發明所提供之U形單元在形狀上更不以上開實施例所揭者為限，舉例而言，其係可使各該側部在自該基部兩側同向往外延伸時，更往橫向延伸而彼此連接呈環狀，據以使各該側部延伸後與該基部共同構成斷面仍呈U形之筒狀形狀。另外，亦可使該基部更包含有二基體，同時使各該側部係從各該基體彼此相背之一端同向地往外延伸，從而使該各該側部與該基部所共同構成之U形中，由該基部所構成之U型封閉端，係由彼此分隔開來之各該基體所共同構成，從而使其U形呈封閉端為斷開之非連續形狀。
(1):像素電極
(2):共用電極
(10):U形共平面電極單元
(10a)(10c):共用電極
(10b)(10d):像素電極
(11):基部
(12)(12a)(12b)(12c)(12d):側部
(20)(20a):液晶元件
(21)(21a):第一基板
(211)(211a):一側平面
(22)(22a):第二基板
(221):一側平面
(23)(23a):液晶層
(24):配向膜
(25):偏振片
(α)(β):夾角
(t):厚度
(h):高度
(w):寬度
(l):間距
(E):橫向電場
圖1係習知水平電場驅動技術之平面示意圖。 圖2係本發明第一較佳實施例之平面示意圖。 圖3係本發明第二較佳實施例之部分平面示意圖。 圖4係本發明第二較佳實施例中以正型液晶為液晶層之電壓-穿透率曲線圖。 圖5係本發明第二較佳實施例中以藍相液晶為液晶層之電壓-穿透率曲線圖。 圖6係本發明第三較佳實施例之部分平面示意圖。 圖7係本發明第三較佳實施例之以正型液晶為液晶層之電壓-穿透率曲線圖。 圖8係本發明第三較佳實施例中以藍相液晶為液晶層之電壓-穿透率曲線圖。
(10):U形共平面電極單元
(11):基部
(12):側部
(α)(β):夾角
(t):厚度
(h):高度
(w):寬度

Claims (9)

  1. 一種U形單元，係作為電極元件之單元、散熱元件之單元或光學元件之單元，其包含有：一基部，係具有一介於3nm至20μm之寬度；二側部，分別自該基部之兩側同向地往外延伸，而共同地與該基部構成斷面呈U形之形狀，且使各該側部個別之厚度與高度間之比值係介於1：20至1：2之間，其中，各該側部個別之厚度係介於3nm至2μm之間，各該側部個別之高度則係介於3nm至20μm之間。
  2. 如請求項1所述之U形單元，其中，各該側部與該基部間之夾角係介於45度至135度。
  3. 如請求項1所述之U形單元，其係以透明導電材料、金屬材料、介電材料或半導體材料所製成者。
  4. 如請求項1所述之U形單元，其中，該基部係更包含有二彼此相隔開來之基體，並使與各該側部自各該基體彼此相背之兩端分別同向地往外延伸，俾以使各該基體令所構成之該U形形狀呈非連續狀。
  5. 如請求項1所述之U形單元，其中，各該側部係彼此連接而呈環狀。
  6. 一種具有U形共平面電極單元之液晶元件，包含有：一第一基板；一第二基板，係與該第一基板相隔開來；一液晶層，封存於該第一基板與該第二基板之間； 多數之U形共平面電極單元，係分別為如請求項6中所述作為電極單元之U形單元者，而位於該第一基板相向於該第二基板之一側，並使各該側部伸入該液晶層中，且使各該側部之高度大於該第一基板與該第二基板間距離的半數。
  7. 如請求項6述具有U形共平面電極單元之液晶元件，其中，各該U形共平面電極單元之相鄰彼此間係相隔有一介於3nm至20μm間之間距距離。
  8. 如請求項6述具有U形共平面電極單元之液晶元件，其中，各該U形共平面電極單元係更有設於該第二基板相向於該第一基板之一側上，並使位於該第一基板上之各該U形共平面電極單元，與位於該第二基板上之各該U形共平面電極單元，彼此以U形開口之部分彼此相向、並使一方以自身之單一該側部插入他方之U形開口中。
  9. 如請求項8所述具有U形共平面電極單元之液晶元件，其中，該些位於該第一基板上之U形共平面電極單元相鄰彼此間之間距，係相等於該些位於該第二基板上之U形共平面電極單元相鄰彼此間之間距。
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