TWI746185B

TWI746185B - 液晶顯示裝置

Info

Publication number: TWI746185B
Application number: TW109133405A
Authority: TW
Inventors: 方翼銘
Original assignee: 凌巨科技股份有限公司
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-11-11
Also published as: TW202212930A

Abstract

本發明提供一種液晶顯示裝置，包括一第一配向膜、一第二配向膜、一液晶層，以及二電極。上述第一配向膜及上述第二配向膜具有一配向方向。上述液晶層夾設於上述第一配向膜及上述第二配向膜之間。該二電極之間產生一電場來驅動該液晶顯示裝置，且其中一個電極具有數條縫隙，各該縫隙之一延伸方向偏移該配向方向一既定角度。該既定角度不小於1度。

Description

液晶顯示裝置

本發明係有關於一種液晶顯示裝置，特別是有關於一種能於低溫環境下提升反應速度的液晶顯示裝置。

隨著科技的發展，液晶顯示器的演進亦愈發成熟。液晶顯示器的演進主要是依據消費者的需求設計，同時亦受環境的變化（如暖化、聖嬰現象）或使用場合（高低溫環境）影響。其中，液晶顯示器的反應速度係為衡量顯示器效能的關鍵指標，一般而言，在低溫環境下，顯示器的反應時間會呈指數增加，因此，如何於低溫環境下加快顯示器的反應速度，係為重要的課題。

改善邊緣電場開關型(FFS)液晶顯示器反應速度的方法，通常不外乎兩種：（1）降低液晶的旋轉黏度，以及（2）降低液晶層的間隙（Cell Gap）。第一種方法必須協同液晶廠商一同研究開發才能實現，且降低液晶的旋轉黏度，不但受制於液晶產品的溫寬需求，亦與顯示器產品的耗電量及驅動需求相互牽涉及影響，因此，降低液晶之旋轉黏度為限制性之選項。在第二種方法中，液晶層間隙的減小通常受限於液晶顯示器的製程能力，因此在優化上亦遭受一定的限制。

基於上述問題，需要一種能夠因應使用環境及需求提升反應速度的液晶顯示裝置。

為解決上述問題，本發明的目的是提供一種液晶顯示裝置，係藉由調整該液晶顯示裝置之電極的縫隙（slit）與配向方向之間的角度，來增加其驅動電壓與閾值電壓之間的差值，進而降低液晶顯示裝置的反應時間。

據此，本發明提供一種液晶顯示裝置，包括第一配向膜、一第二配向膜、一液晶層，以及二電極。上述第一配向膜及上述第二配向膜具有一配向方向。上述液晶層夾設於上述第一配向膜及上述第二配向膜之間。該二電極之間產生一電場來驅動該液晶顯示裝置，且其中一電極具有數條縫隙，各該縫隙之一延伸方向偏移該配向方向一既定角度。該既定角度不小於1度。

根據本發明上述液晶顯示裝置的一實施方式，該既定角度為15~20度。

根據本發明上述液晶顯示裝置的一實施方式，該既定角度小於15度。

根據本發明上述液晶顯示裝置的一實施方式，該既定角度為3~8度。

根據本發明上述液晶顯示裝置的一實施方式，該既定角度大於20度。

根據本發明上述液晶顯示裝置的一實施方式，該既定角度為20~27度。

根據本發明上述液晶顯示裝置的一實施方式，該液晶層之一間隙為2.0~4.5μm，或是2.0~3.5μm。

根據本發明上述液晶顯示裝置的一實施方式，該配向方向為摩擦方向。

據此，本發明之液晶顯示裝置確實能夠藉由使縫隙偏斜於配向方向一既定角度，增加驅動電壓和閾值電壓之間的差值，進而降低該液晶顯示裝置之反應時間，使之符合使用者之需求及低溫之使用場合。再者，若上述設計結合降低液晶顯示裝置之間隙時，則能更進一步降低該液晶顯示裝置之反應時間，更進一步提升該液晶顯示裝置之性能，俾能應用於更多的場合，增加產品的實用性。

以下將以圖式揭露本發明的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實施上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應了解到，這些實施上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明的部分實施方式中，這些實施上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單的示意的方式繪示。在以下各實施例中，將以相同的標號表示相同或相似的組件。

第1圖顯示根據本發明之一實施例所述之一液晶顯示裝置的結構圖，其包含一第一配向膜1、一第二配向膜2以及一液晶層3。該液晶層3夾設於上述第一配向膜1及上述第二配向膜2之間。該液晶層3具有一間隙（Cell Gap）d，且為一電場所驅動。該液晶顯示裝置更具有其他的層體，例如三原色色阻層(RGB層)4、二電極5、氮化矽層6等等。其中，三原色色阻層4為彩色濾光片的一側L1，氮化矽層6為薄膜電晶體的一側L2，二電極5之間產生一電場來驅動該液晶顯示裝置。各電極5可以是銦錫氧化物。第2圖為第1圖之液晶顯示裝置的結構示圖。在第2圖中，上述第一配向膜1及上述第二配向膜2具有一配向方向D，該配向方向D可以是摩擦方向（rubbing direction），但並不以此為限。據此，上述液晶顯示裝置的其中一個電極5具有數條縫隙S，各該縫隙S之一延伸方向EXT偏移該配向方向D一既定角度θ，其中，該既定角度θ不小於1度，且可以介於1~32度之間。根據該既定角度θ的設計，該液晶顯示裝置之驅動電壓和閾值電壓之間的差異可增大，進而縮短該液晶顯示裝置的反應時間。

詳言之，公式(1)顯示液晶顯示裝置之反應時間的計算式：

….(1)

其中，

為反應時間（ON），

為反應時間（OFF），

為液晶的旋轉黏度，

為所述間隙的值，

分別為介電異向性（Dielectric anisotropic），V為驅動電壓，而

為閾值電壓。由上述公式可知，反應時間

（ON）的值與液晶旋轉黏度

及間隙值d ²成正比，但與驅動電壓

的平方和閾值電壓

的平方之差值成反比。同樣地，反應時間

（OFF）的值與液晶旋轉黏度

及間隙的值d ²成正比，並與閾值電壓

的平方成反比。據此，當縫隙S之延伸方向EXT偏移該配向方向D一既定角度θ時，增加該既定角度θ會使驅動電壓

和閾值電壓

之差值變大，亦即使該液晶顯示裝置之反應時間降低（速度變快）但穿透度下降。

請參照第3a圖，其係顯示該既定角度θ 為1、17、27及32度時，白光之穿透率的變化圖，第3b圖為所述角度時綠光之穿透率的變化圖，而第3c圖為藍光之穿透率的變化圖。由以上三個圖可知，不論對什麼顏色而言，既定角度θ愈小穿透率就愈高。另，若將各種既定角度θ下的Gamma 2.2的數值圖表化，則可得第4圖所示之Gamma階數對電壓V的結果。由第4圖中，可知為該既定角度θ為1度時，驅動電壓

和閾值電壓

之差值大約為2~3伏特，而該既定角度θ為32度時，驅動電壓

和閾值電壓

之差值增加至5~6伏特，因此，既定角度θ的增加確實能增加驅動電壓

和閾值電壓

之差值，進而降低液晶顯示裝置的反應時間。再者，由第4圖可知，在第32階時，既定角度θ小於17度時驅動電壓

和閾值電壓

之差值的變化較大，而既定角度θ大於17度以上時驅動電壓

和閾值電壓

之差值的變化趨緩；在第255階時，唯有既定角度θ大於27度以上的電壓變化不大，其餘各角度值的電壓皆穩定增加。

於第4圖中，可進一步針對本發明之液晶顯示裝置之各既定角度θ，於第32階及第255階的電壓做圖，而得到第5圖。在第5圖中，曲線C51代表第32階的作圖，曲線C52代表第255階的作圖。由第5圖可知，既定角度θ在最小的1度時(如區塊1所示)，驅動電壓

和閾值電壓

之差值(如箭頭所示)是最小的，而隨著既定角度θ的增加，驅動電壓

和閾值電壓

的差值愈來愈大(如區塊2第32階時的電壓值至第255階時的電壓值)，且由於反應時間

的值與驅動電壓

和閾值電壓

的平方的差值成反比，故驅動電壓

和閾值電壓

的差值愈大，液晶顯示裝置的反應速度愈快。

第6圖顯示根據本發明之該實施例所述之液晶顯示裝置其既定角度θ與穿透率T之間的關係。由第6圖可知，既定角度θ愈小則穿透率T愈大，影響穿透率T的主要因素是液晶分子無法提供其最大的光程差，導致面板穿透度有程度上的減損。第7圖為第5及6圖的整合，第7圖的曲線C71顯示了既定角度θ與穿透率T的關係圖，曲線C72顯示在第32階時該既定角度θ與電壓V的關係圖，而曲線C73顯示在第255階時該既定角度θ與電壓V的關係圖。由第7圖可知，若要得到驅動電壓

和閾值電壓

之間的最大差值，則該既定角度θ應設計為32度，若要得到最好的穿透率T，則該既定角度θ應設計為1度。因此，在驅動電壓

和閾值電壓

之差值和穿透差值兩者之間，就有必要因應需求作出取捨，故對於該既定角度θ和穿透率T之間的關係，可進一步如第8圖所示。第8圖的橫軸代表該既定角度θ，左邊的縱軸代表驅動電壓

和閾值電壓

之差值的變化率，亦即第32階至第255階之驅動電壓

和閾值電壓

之差值的變化率(dV _θ/dV1，亦即任意角度下之電壓差/1度下之電壓差)，而右邊的縱軸代表穿透的變化率。由第8圖可知，穿透變化率(曲線C81)及驅動電壓

和閾值電壓

之差值於第255至32階的變化率(曲線C82)的交叉點在大約為15-20度的既定角度θ。在既定角度θ小於15度的區段中，驅動電壓

和閾值電壓

之差值的變化率為穿透變化率的十倍以上，而在既定角度θ大於20度的區段中，驅動電壓

和閾值電壓

之差值的變化率為穿透變化率的十倍以下，甚至既定角度θ在27度至32度的區間驅動電壓

和閾值電壓

之差值的變化率大致相當於穿透變化率。因此，第8圖中既定角度θ小於15度的區域，就是以穿透率為優先之設計考量，其中，在既定角度θ為3~8度之間時，更是能獲得更佳的穿透效果。另，在既定角度θ大於15度的區域，在大約15~20度的區間，穿透率的下降幅度不致於太大，而驅動電壓

和閾值電壓

之差值卻能顯著提升，因此在既定角度θ為15~20度的區間可以得到較佳的反應速度和穿透率。再者，在既定角度θ大於20度的區間，反應速度與穿透變化率的比值則明顯降低許多。在既定角度θ大於20度的區間，係著重在反應速度的設計，其中，在既定角度θ為20~27度的區間，能明顯提升液晶顯示裝置的反應速度。

以上討論的皆是關於反應時間

（ON）在Gamma第32階至第255階的變化，其亦可適用於灰階的反應速度；亦即，灰階的反應速度快慢，也是由驅動電壓和閾值電壓之差值所決定。因此，改變縫隙S之既定角度θ的設計也能夠增進灰階的反應速度。至於反應時間

（OFF），如上述公式(1)所示，其並不受驅動電壓和閾值電壓之差值影響，而與閾值電壓

的平方成反比，同時亦與液晶旋轉黏度

及間隙的值d的平方成正比。詳言之，請參照第9圖，其顯示液晶分子M由完整驅動後回彈的簡單示意圖。第9圖顯示當既定角度θ愈大且以電壓完整驅動液晶分子M時，液晶分子M的轉動角度A1、A2愈小，因此，復歸的旋轉角度也愈小，且液晶分子M扭轉所造成的運動軌跡為弧形運動軌跡。假設

為弧長(液晶分子回復距離)，ω為角速度，

，此時，當縫隙S的既定角度θ的角度值愈大時，液晶分子M的轉動弧長亦較短。假設這兩種轉動角度A1、A2態樣的角速度相同時，則旋轉一第一角度A1(83度)和一第二角度A2(73度)的時間差為（2πr*10/360）/ω，其中，r為旋轉半徑。

以上乃假設角速度為相同的情況下，但實際上，轉動的角速度有可能彼此不同，其原因在於液晶分子M的角速度，若角速度非定速，則假定為彈性現象。因此，若以虎克定律（Hooke's law）計算，則F=-kx，其中，F為彈力，k為彈力係數，x為長度變化量(亦即為液晶分子M轉動之弧長)。彈性動能為

(I為液晶的轉動慣量，ω為角速度)，彈性位能為

，其中液晶分子M係做扭轉圓弧運動。基於能量不滅，E（動能）+內摩擦力*距離（

為弧長）=U（位能），因此

+內摩擦力*

=

（此處忽略對內摩擦力的詳細計算）。上述公式可簡化為

，其中，

，

。由於弧長

，故

。故

，其中，

，

。若不考慮內摩擦力，則當液晶分子M回復距離愈長時，角速度愈快，但實際上必須考慮內摩擦力的影響，此因子與液晶分子M的回復距離正相關，故液晶分子M的回復距離愈長，則角速度增加的幅度愈小。簡而言之，在旋轉第一角度A1(83度)和第二角度A2(73度)的兩種情況中，由於旋轉的弧長不同，因此仍有角速度的分別，故本發明之液晶分子的旋轉角度增加時，仍可改善反應速度。

在實際應用中，以現有的7吋產品之實際數值計算（如表一所示），即可簡易地以定速計算反應時間

（OFF）的差異值。表一：習知設計與本發明設計之對照數據（單位ms）

	反應時間（ON）	反應時間（OFF）	總反應時間
習知設計（無縫隙偏移角度）	205.0	136	341.0
本發明（有縫隙偏移角度）	158.8	119.6	278.4
本發明（有縫隙偏移角度）+縮減液晶層間隙	110.3	83.1	193.4

在習知設計中，7吋車載顯示器產品的反應時間（ON）為205ms，反應時間（OFF）為136ms，總反應時間為341.0ms。若應用本發明之縫隙偏移角度設計，則反應時間（ON）降為158.8ms，反應時間（OFF）降為119.6ms，總反應時間降為278.4ms。因此，本發明之設計確實可以改善約50ms的反應時間（ON），以及改善約60ms的反應時間（OFF）。若在本發明之縫隙偏移角度設計之上，輔以降低液晶層間隙（d=2.0μm~4.5μm，或是d=2.0μm~3.5μm）的設計，則反應時間（ON）及（OFF）能更進一步改善，使得總反應時間進一步改善了約80ms。因此，可以證明本發明之縫隙偏移角度設計輔以降低液晶層間隙設計時，能發揮雙乘的效果，而符合產品在低溫下的表現的需求。特別是，本案能夠用以改善邊緣電場開關型(FFS)顯示裝置的反應速度。

綜上所述，本發明之液晶顯示裝置，確實能夠藉由使縫隙偏斜於配向方向一既定角度，增加驅動電壓和閾值電壓之間的差值，進而降低該液晶顯示裝置之反應時間，使之符合使用者之需求及低溫之使用場合。再者，若上述設計結合降低液晶顯示裝置之間隙時，則能更進一步降低該液晶顯示裝置之反應時間，更進一步提升該液晶顯示裝置之性能，俾能應用於更多的場合，增加產品的實用性。

上述說明示出並描述了本發明的若干優選實施方式，但如前物件，應當理解本發明並非局限於本文所揭露的形式，不應看作是對其他實施方式的排除，而可用於各種其他組合、修改和環境，並能夠在本文物件發明構想範圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和範圍，則都應在本發明所附權利要求的保護範圍內。

1:第一配向膜 2:第二配向膜 3:液晶層 4:三原色色阻層 5:電極 6:氮化矽層 S:縫隙 A1, A2:角度 C51, C52, C71, C72, C73, C81, C82:曲線 D:配向方向 d:液晶層間隙 EXT:縫隙之延伸方向 L1:彩色濾光片側 L2:薄膜電晶體側 M:液晶分子 θ:既定角度

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施方式及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中：第1圖顯示根據本發明之一實施例所述之一液晶顯示裝置的結構圖。第2圖顯示本發明該實施例所述之液晶顯示裝置中，縫隙與配向方向之間存在一既定角度之偏差的示意圖。第3a圖顯示該既定角度在不同的角度值下，對於白光之電壓及穿透率之間的關係示意圖。第3b圖顯示該既定角度在不同的角度值下，對於綠光之電壓及穿透率之間的關係示意圖。第3c圖顯示該既定角度在不同的角度值下，對於藍光之電壓及穿透率之間的關係示意圖。第4圖顯示該既定角度在不同的角度值下，Gamma階數與電壓的關係示意圖。第5圖顯示各種角度值於第32階至第255階的差異與電壓的關係示意圖。第6圖顯示本發明該實施例所述之液晶顯示裝置其既定角度之角度值與穿透率之間的關係示意圖。第7圖為第5圖與第6圖之整合示意圖。第8圖顯示該既定角度在不同的角度值下，電壓壓差變化率與穿透變化率之比較圖。第9圖顯示該既定角度在7及17度下，液晶分子的旋轉示意圖。

S:縫隙

D:配向方向

EXT:縫隙之延伸方向

θ:既定角度

Claims

一種液晶顯示裝置，包括：一第一配向膜；一第二配向膜，上述第一配向膜及上述第二配向膜具有一配向方向；一液晶層，夾設於上述第一配向膜及上述第二配向膜之間，其中，該液晶層之一間隙為2.0~4.5μm；以及二電極，該二電極之間產生一電場來驅動該液晶顯示裝置，其中，該二電極之其中一個電極具有數條縫隙，各該縫隙之一延伸方向偏移該配向方向一既定角度，其中，該既定角度不小於1度。
如請求項1所述之液晶顯示裝置，其中，該既定角度為15~20度。
如請求項1所述之液晶顯示裝置，其中，該既定角度小於15度。
如請求項3所述之液晶顯示裝置，其中，該既定角度為3~8度。
如請求項1所述之液晶顯示裝置，其中，該既定角度大於20度。
如請求項5所述之液晶顯示裝置，其中，該既定角度為20~27度。
如請求項1所述之液晶顯示裝置，其中，該液晶層之一間隙為2.0~3.5μm。
如請求項1至7中任一項所述之液晶顯示裝置，其中，該配向方向為摩擦方向。