專利名稱：一種透射-反射液晶顯示器中的配置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括多個象素的透射-反射液晶顯示器件，每個象素包括一種夾在前、后電極以及前、后偏振片之間的液晶層。
本發(fā)明還涉及一種用在上述顯示器中，產(chǎn)生一種圖案λ/4(四分之一波長)波片的方法。
液晶顯示器，或簡稱作LCD，由于其功率消耗小，可靠性高并且價格低廉，所以在移動應(yīng)用，如PDA，筆記本電腦和蜂窩電話的顯示器中已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)的顯示選擇。但是，當(dāng)今普通應(yīng)用的LCD有些缺點(diǎn)，它們一般表現(xiàn)出亮度低，色彩不豐滿，視角有限而且/或者對比度低。因此人們希望一些已改進(jìn)的器件，例如現(xiàn)有的矩陣式反射和透射的LCD能迅速占領(lǐng)移動應(yīng)用的市場。反射LCD特別適合于室外直接在陽光下應(yīng)用。與透射顯示器相比，其對比度相對較低，在照明條件弱時，這種顯示器的亮度低。另一方面，透射LCD的對比度好，但是直接在陽光照明的條件下，它們實(shí)際上是不能讀的。還有，透射顯示器利用的是背后照明，使得功率消耗增加。
所以，需要一種在所有光線環(huán)境下都具有良好顯示性能的顯示器。一個解決方法是利用所謂的透射-反射LCD，它可以同時在透射和反射兩種模式下應(yīng)用。為適合光的條件，既可以用手動，也可以采用光二極管或類似的元件自動對背后照明的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明涉及在一種透射-反射液晶顯示器中的配置以及生產(chǎn)這種顯示器的方法。
本發(fā)明的目的是提供一種高效率的，而且視角關(guān)系改進(jìn)了的透射-反射顯示器。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種對顯示器在亮態(tài)下有高透射率的透射-反射顯示器。
這些和其它一些目的是利用按照本發(fā)明的液晶顯示器件來達(dá)到的，其特征在于，光學(xué)λ/4層至少部分地配置在所說的前偏振片和液晶層之間。該液晶層是一種具有扭轉(zhuǎn)角基本上在±80-100°范圍內(nèi)，例如90°扭轉(zhuǎn)角的液晶層。利用這種配置，可以得到一種具有高對比度反射模式的透射-反射顯示器。與具有較低扭轉(zhuǎn)角的現(xiàn)有技術(shù)的反射LCD器件相比，這樣結(jié)構(gòu)器件的反射/透射-電壓曲線比較陡峭，從而可以降低列驅(qū)動器上的掃描電壓，因此也就降低了該發(fā)明顯示器的功率消耗。另外，在透射模式下它對象素單元間隙的變異較不敏感。光學(xué)λ/4層優(yōu)選地是一種寬帶λ/4層，提供的顯示器具有的更好的全暗態(tài)，有改進(jìn)的對比度以及增加了的亮度。
按照本發(fā)明的第一個實(shí)施方案，上述每個象素又再分別劃分為反射的和透射的子象素，這樣，所說的光學(xué)λ/4層基本上僅僅只覆蓋反射子-象素，從而形成一種圖案λ/4波片。這種顯示器的透射率相對要高。優(yōu)選透射子-象素的象素單元間隙基本上大于對應(yīng)的反射子-象素的象素單元間隙。透射-反射子-象素的象素單元間隙可以比反射子-象素的象素單元間隙大，比如大1.5-2.5倍，優(yōu)選大2倍左右。由此，顯示器背后照明的效率可以得到進(jìn)一步改善，因?yàn)橥干渥?象素的象素單元間隙越大，會使得輸出的偏振光偏振態(tài)的橢圓率越小，從而使透射率得到提高。
按照本發(fā)明的第二個實(shí)施方案，后電極是一種半透明的反射電極，基本上覆蓋了整個象素區(qū)，借助添加一些標(biāo)準(zhǔn)元件這一點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)的。
在上述顯示器中，采用三種不同方法來產(chǎn)生圖案λ/4波片，可以部分達(dá)到以上所述的目的。
按照第一個實(shí)施方案，方法包括以下步驟在底襯上沉積反應(yīng)液晶層，敷涂掩膜，將相應(yīng)顯示器透射部分的顯示器部分覆蓋，同時把相應(yīng)反射部分的顯示器部分暴露出來，并對上述反應(yīng)液晶層進(jìn)行光聚合，再通過掩膜，清除未經(jīng)反應(yīng)的液晶材料。這個方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在單一溫度下進(jìn)行處理，既減少處理時間，又降低對設(shè)備的投資。
按照第二個實(shí)施方案，方法包括以下步驟在底襯上沉積反應(yīng)液晶層，敷涂掩膜，將相應(yīng)顯示器透射部分的顯示器部分覆蓋，同時把對應(yīng)反射部分的顯示器部分暴露出來，將反應(yīng)液晶層保持在第一溫度下，對反應(yīng)液晶層實(shí)施第一次光聚合曝光，再將反應(yīng)液晶層保持在第二溫度下，對反應(yīng)液晶層實(shí)施第二次光聚合曝光，這樣，其中的一次光聚合曝光是通過敷涂在反應(yīng)液晶層上的掩膜完成的。這個方法的優(yōu)點(diǎn)在于，不需要把第一實(shí)施方案所描述的光聚合處理中沒有參加反應(yīng)的透射子-象素上面的LC材料清除。第一和第二溫度是這樣優(yōu)選的要使反應(yīng)液晶層在第一溫度下處于向列液晶相，而第二溫度要高于液晶材料清亮點(diǎn)的溫度。
按照第三個實(shí)施方案，方法包括以下步驟在底襯上沉積反應(yīng)液晶層，并按照所要求的圖案λ/4波片，配備形成圖案的取向?qū)?。透射?象素上的λ/4波片的取向或者與偏振片的透射軸適當(dāng)平行，或者與其吸收軸適當(dāng)平行。優(yōu)選地，借助光排列來生成這種形成圖案的取向?qū)?。這個方法的優(yōu)點(diǎn)在于這樣的光排列相當(dāng)簡單，而且是已成功校驗(yàn)的方法。另外，在反應(yīng)LC材料的聚合處理中不需要掩膜。
現(xiàn)在參考附隨的草圖，對本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施方案進(jìn)行更加詳細(xì)地描述。


圖1是具有子-象素的透射-反射顯示器的單個象素的橫截面示意圖。
圖2是具有半-透射鏡的透射-反射顯示器的單個象素的橫截面示意圖。
圖3表示顯示器觀察面上方向矢，液晶單元后面的方向矢，四分之一波長片的光軸以及顯示器上入射光的偏振的相對取向。
圖4表示按照本發(fā)明，透射-反射顯示器的反射和透射隨電壓變化的理論計算曲線。
圖5表示按照本發(fā)明在m＝0時，透射-反射顯示器的反射部分對比度的角度關(guān)系。
圖6表示按照本發(fā)明在m＝1時，透射-反射顯示器的反射部分對比度的角度關(guān)系。
圖7表示按照本發(fā)明，在采用非四分之一波長片的解決方法時，透射-反射顯示器的透射部分對比度的角度關(guān)系。
圖8表示按照本發(fā)明，在采用雙四分之一波長片的解決方法時，透射-反射顯示器的透射部分對比度的角度關(guān)系。
圖1和圖2表示了按照本發(fā)明的第一和第二實(shí)施方案，透射-反射液晶顯示器的配置。透射-反射顯示器件是一種可以用反射模式和/或透射模式驅(qū)動的顯示器。按照圖1或圖2，顯示器11，21包括液晶層12，22，在本實(shí)施方案中，是一種扭轉(zhuǎn)向列液晶層，被夾在透明的前電極13，23和后電極14，24之間。另外，就所知的方法本身，取向?qū)?圖中未示)配置在電極13，23；14，24上面，以便使液晶材料層12，22的取向，扭轉(zhuǎn)角和預(yù)-傾斜角均衡。顯示器11，21被細(xì)分為多個象素，圖1和圖2就是這樣一種象素的示意圖。
在如圖1所示的第一實(shí)施方案中，每個象素被細(xì)分為面積不一定相同的第一子-象素和第二子-象素，分別為11a，11b，第一子-象素11a可被指定為透射子-象素，而第二子-象素11b可被指定為反射子-象素。每個第一子-象素11a包括第一個透明的，例如由ITO制造的后電極14a，而每個第二子-象素包括與，例如鋁箔或類似的反射器結(jié)合的第二個后電極14b。因此第一電極11a確定了透射的象素部分，而第二電極11b確定了反射的象素部分。這樣，液晶層12和電極13，14共同構(gòu)成了液晶單元15。
此外，液晶單元夾在前光學(xué)波片16a和選擇使用的后光學(xué)波片16b之間。前光學(xué)波片16a是一種四分之一波長片，基本上用于反射子-象素，而后光學(xué)波片是為了顯示器在暗態(tài)時用于透射子-象素，為消除前光學(xué)波片16b的功能而配置的。按照優(yōu)選的實(shí)施方案(未表示)前光學(xué)波片16a是一種寬帶四分之一波長片，基本上包括四分之一波長和半波長延遲片，因而提供的顯示器具有的更好的全暗狀態(tài)，改進(jìn)的對比度以及增加的亮度。再有，在器件的觀察面上配置了前偏振片17a，在背面配置了后偏振片17b和背后照明板18，如圖1所示。
按照本發(fā)明顯示器件的第二實(shí)施方案如圖2所示。這個案例中，每個象素包括夾在透明前電極23和半透明反射后電極24之間的液晶層22。例如，上述半透明反射后電極24可以包括一種金屬反射器，它要足夠薄，以便能夠透過一定部分的入射光。這樣，該液晶層和電極共同構(gòu)成了液晶單元25。按照本發(fā)明，該單元夾在前光學(xué)波片26a和后光學(xué)波片26b之間。然后把這個結(jié)構(gòu)放置在兩個偏振片，即前偏振片27a和后偏振片27b之間，并將背后照明板28配置在顯示器件的背面。
如上所述，前、后光學(xué)波片16a，26a；16b，26b配置在液晶單元15，25相對的兩個面上。為使顯示器件獲得高對比度的反射模式，顯示器暗態(tài)的透射和反射必須與光的波長無關(guān)，或近似無關(guān)。顯示器的反射由參數(shù)P來決定P＝dΔn/λ (1)這里，d是液晶層，以及任何薄膜的總厚度，Δn是液晶材料的折射率各向異性，λ是入射光波長。已經(jīng)知道，假如在電極上加上電壓，如果發(fā)生結(jié)構(gòu)的暗態(tài)時，單元上的施加電場與液晶層12，22的方向矢平行，則單元與波長的關(guān)系將會減弱。所以，在高電場下具有暗態(tài)的光學(xué)模式給出的對比度要好于在某個電壓下反射/電壓曲線通過最小值的光學(xué)模式。在前偏振片和液晶層之間，根據(jù)情況，配置四分之一波長片或?qū)拵姆种徊ㄩL片，就有可能獲得這樣的光學(xué)模式。
再有，為降低列驅(qū)動器上的掃描電壓，使得顯示器的功率消耗也降低，就需要陡峭的反射/電壓曲線。增大液晶材料的扭轉(zhuǎn)角可以達(dá)到這個結(jié)果。但是，在高對比度的情況下，扭轉(zhuǎn)角越大，視角區(qū)域就越小。另外，當(dāng)偏振片垂直放置時，透射顯示器的對比度將處于最大值。因此，優(yōu)選具有±90°扭轉(zhuǎn)角的光學(xué)模式。圖3用示意圖表示出顯示器觀察面上方向矢，單元后面的方向矢，四分之一波長延遲片的光軸以及入射光在顯示器上的偏振的相對取向。
對于π/2和π之間的液晶扭轉(zhuǎn)角，當(dāng)四分之一波長片慢軸的角度γ，相對觀察面方向矢ψ用公式(2)表示時，處于未驅(qū)動態(tài)的顯示器可以獲得最高的亮度，公式(2)為γ=-arccos(-12-1-cos(4ψ)22)+mπ2----(2)]]>這里m是一個任意整數(shù)。
此外，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角用公式(3)表示時，處于非-編址態(tài)的亮度達(dá)到最大，公式(3)為φπ=12+arcsin(sin(2ψ))csc(ψ)sin(2ψ)22π----(3)]]>由以上得到，對于ψ＝0和ψ＝±π/2，＝π/2。這些模式在dΔn/λ＝0.44時給出的反射最強(qiáng)。這樣，將液晶層的扭轉(zhuǎn)角和象素單元間隙進(jìn)行一定的結(jié)合，就有可能得到處于亮態(tài)時高亮度的顯示器。
基本上有兩個不同的辦法來得到高電壓下的透射模式。
如上所述，液晶層12，22優(yōu)選的扭轉(zhuǎn)角為±90°。為改善對比度以及在較大視角上的灰度變化比例，可以(基本上在80-100°之間)進(jìn)一步對扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行細(xì)調(diào)。獲得標(biāo)準(zhǔn)90°扭轉(zhuǎn)向列透射單元15的一個簡單辦法是清除上述位于前面的四分之一波長片16a，并且在后面17b上增加一個與前偏振片垂直的偏振片。圖1表示的這個實(shí)施方案要求利用圖案四分之一波長片16a，因?yàn)樗姆种徊ㄩL片只是在每個象素的透射部分才被清除，而剩下的反射部分并不改變。下面來描述獲得這種波片的方法。
獲得90°扭轉(zhuǎn)向列透射單元的第二個辦法是在液晶顯示單元25的后面額外增加一個四分之一波長片26b，該波片的慢軸垂直于液晶顯示單元前面四分之一波長片的軸。該單元也夾在橫向偏振片27a，27b之間。這個解決方法適用于圖2所示的配置中，從技術(shù)觀點(diǎn)來看實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)容易，因?yàn)椴恍枰獙ο笏卦龠M(jìn)行細(xì)分就可以解決問題。
圖4表示了對上述兩種透射單元進(jìn)行的比較。圖中模擬畫出了兩種解決方法中反射和透射隨施加電壓的變化。計算是對于扭轉(zhuǎn)向列模式進(jìn)行的，其中ψ＝π/2，＝π/2和β＝0，如圖3所示。在反射和透射兩種模式下，照明都是標(biāo)準(zhǔn)的白光，并為標(biāo)準(zhǔn)觀察器對曲線進(jìn)行了修正。畫出的數(shù)值并不取決于方程2中的m值。圖4顯然表明，第二個解決方法，即上述增加第二個四分之一波長片的方案，在亮態(tài)下的透射較低。這表明，為了得到與第一解決方法中顯示器相同的亮度，需要增加背后照明的強(qiáng)度。因此，第一解決方法提供的液晶顯示器的功率消耗較低。
另外，圖5和圖6分別表示在方程2中m＝0和m＝1時，反射模式對比度的角度關(guān)系。從圖5可以看到，在m＝1，即四分之一波長片的慢軸與中間-平面方向矢垂直時，視角看起來要稍好些。
圖7和圖8表示了透射模式對比度的角度關(guān)系。對于上述兩個解決方法，對比度都和m無關(guān)。從圖7和圖8可以看出，圖7所示的具有圖案四分之一波長片的第一方案的視角要優(yōu)越得多，即，透射光在通向觀察器的途徑上，不通過任何四分之一波長片。
因此，如上所示，雖然獲得圖案四分之一波長片比較困難，而且這個解決方法又局限于具有子-象素的透射顯示器，但是能在效率和視角關(guān)系方面得到大的增益。
圖案四分之一波長片可以利用反應(yīng)液晶材料的光-聚合來制造。這類材料的取向由規(guī)則排列聚合物薄膜來產(chǎn)生；類似于使液晶層得到取向的方法。按照本發(fā)明，建議從反應(yīng)液晶材料薄膜開始，要求這些材料具有平面取向，厚度相應(yīng)于dΔn＝λ/4延遲。這使得反射液晶層在所希望的位置，即，在反射子-象素內(nèi)，能具備四分之一波長延遲片的功能。
為了在顯示器的透射部分，即，在透射子-象素上不產(chǎn)生四分之一波長延遲片的功能，按照本發(fā)明，有三種局部修改上述層面的方法。
下面將描述第一個方法。所說的反應(yīng)液晶材料層沉積在底襯上。然后，按照所希望的圖案在反應(yīng)LC層上敷涂掩膜，通過該掩膜進(jìn)行光-聚合，此后，要局部清除未反應(yīng)的液晶材料，以便在顯示器上不希望有四分之一波長功能的部分，即，在顯示器的透射部分，取得d＝0。
下面將描述第二個方法。所說的反應(yīng)液晶材料層沉積在底襯上。然后，對層面進(jìn)行兩次光-聚合曝光。一次曝光是用本方法所介紹的掩膜進(jìn)行的。此外，液晶材料的第一次曝光要保持在一種溫度之下，在這種溫度下，反應(yīng)液晶材料處于向列液晶相位，而第二次曝光是在溫度高于液晶材料清亮點(diǎn)的情況下進(jìn)行的。通過這個途徑，反應(yīng)液晶層在雙折射Δn≈0.1和Δn＝0的區(qū)域取得圖案。
下面將描述第三個方法。這里，液晶材料的取向可以有選擇地進(jìn)行改變。需要有四分之一波長片單元的部分，其平面取向在偏振片的透射軸和延遲片之間45°角上。不該取得四分之一波長功能的部分或者是同回歸線取向或者是平面取向，后者取向平行于偏振片的透射軸或平行于偏振片的吸收軸。利用，例如由光排列生成的形成圖案的取向?qū)涌梢赃_(dá)到這個結(jié)果。
為進(jìn)一步得到最優(yōu)化的顯示器，可對上面的方法進(jìn)行變更，方法是，在不該具有四分之一波長片功能的象素的透射部分中，在其延遲片部分允許一些雙折射。要得到這個結(jié)果，可以，例如將層面中的這些部分的取向定在不嚴(yán)格平行于偏振片的一個主軸方向，或者把液晶層局部的雙折射減小到一個小的，但是不為零的數(shù)值。
利用上述結(jié)構(gòu)和方法，可以生產(chǎn)一種具有單一象素單元間隙的透射-反射液晶顯示器，即，透射和反射子-象素具有相等的象素單元間隙和單一的排列層。這使得透射-反射顯示器的制造可以與當(dāng)今應(yīng)用的多種LCD技術(shù)相比，并可與之兼容。例如，該結(jié)構(gòu)排除了光-排列的應(yīng)用。再有，由于透射和反射與光的波長無關(guān)，所以本發(fā)明顯示器結(jié)構(gòu)具備的對比度高。
采用圖案λ/4波片的解決方法與另一種采用兩個分離的λ/4波片的解決方法相比，前者的背后照明效率高，視角特性好。如圖6所示，m＝1給出的性能最好，為了保證水平方向的視角大，這個解決方法采用圖案波片和β＝π/4。
所以，本文提出的是單一間隙，具有扭轉(zhuǎn)角90°的透射-反射顯示器。顯示器可以用反射的和透射的子-象素配備。這種透射-反射顯示器可以同時以兩種模式運(yùn)作，因而大大提高了顯示器的可用性。根據(jù)情況，在偏振片和液晶層之間置入λ/4波片或者寬帶λ/4波片，在顯示器的觀察面上，就可以利用90°扭轉(zhuǎn)向列層。
應(yīng)該注意到，上述顯示器的反射模式基本上在僅具有前偏振片，并利用反射后電極作鏡子時便可發(fā)揮功能。在其它現(xiàn)有技術(shù)的透射-反射顯示器中，反射器位于液晶單元的外面，而且在顯示器的透射和反射模式中都采用后偏振片。
權(quán)利要求
1.一種包括多個象素的透射-反射液晶顯示器件(11，21)，每個象素包括一個夾在前、后電極(13，23；14，24)以及前、后偏振片(17a，27a；17b，27b)之間的液晶層(12，22)，其特征在于在前偏振片(17a，27a)和液晶層(12，22)之間至少部分地配置了光學(xué)λ/4層(16a，26a)，該液晶層(12，22)具有基本上在±80-100°范圍內(nèi)，如90°，的扭轉(zhuǎn)角。
2.如權(quán)利要求1的液晶顯示器件，其中光學(xué)λ/4層(16a，26a)是一種寬帶λ/4層。
3.如權(quán)利要求1或2的液晶顯示器件，其中每個象素又被分別劃分為反射的和透射的子-象素(11a，11b)，這樣，所說的光學(xué)λ/4層(16a)基本上僅僅只覆蓋反射子-象素(11b)，從而形成一種圖案λ/4波片。
4.如權(quán)利要求1或2的液晶顯示器件，其中后電極(26b)是一種基本上覆蓋了象素整個面積、半透明的反射電極。
5.如權(quán)利要求3的液晶顯示器件，其中透射子-象素(11a)的象素單元間隙基本上大于對應(yīng)的反射子-象素(11b)的象素單元間隙。
6.產(chǎn)生圖案λ/4波片的方法，包括以下步驟在底襯上沉積反應(yīng)液晶層(16a)，敷涂掩膜，覆蓋相應(yīng)顯示器透射部分的顯示器部分，同時將相應(yīng)反射部分的部分暴露出來，使反應(yīng)液晶層進(jìn)行光聚合，通過掩膜清除未經(jīng)反應(yīng)的液晶材料。
7.產(chǎn)生圖案λ/4波片的方法，包括以下步驟在底襯上沉積反應(yīng)液晶層(16a)，敷涂掩膜，覆蓋相應(yīng)顯示器透射部分的顯示器部分，同時將相應(yīng)反射部分的部分暴露出來，將反應(yīng)液晶層保持在第一溫度下的同時，對反應(yīng)液晶層實(shí)施第一次光聚合曝光，將反應(yīng)液晶層保持在第二溫度下的同時，對反應(yīng)液晶層實(shí)施第二次光聚合曝光，這樣，上述兩次光聚合曝光中的一次是通過敷涂在反應(yīng)液晶層上的掩膜完成的。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其中第一和第二溫度是這樣選擇的使反應(yīng)液晶層在第一溫度下處于向列液晶相，而第二溫度要高于所述液晶材料清亮點(diǎn)的溫度。
9.一種產(chǎn)生圖案λ/4波片的方法，包括以下步驟在底襯上沉積反應(yīng)液晶層(16a)，按照所要求的形成圖案的λ/4波片，配備形成圖案的取向?qū)印?br> 10.按照權(quán)利要求9的方法，其中形成圖案的取向?qū)邮抢霉?排列產(chǎn)生的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括多個象素的透射－反射液晶顯示器件(11，21)，每個象素包括一個夾在前、后電極(13，23；14，24)以及前、后偏振片(17a，27a；17b，27b)之間的液晶層(12，22)。該顯示器件的特征在于，在前偏振片(17a，27a)和液晶層(12，22)之間至少部分地配置了光學(xué)λ/4層(16a，26a)，該液晶層(12，22)具有基本上在±80－100°范圍內(nèi)，如90°，的扭轉(zhuǎn)角。本發(fā)明進(jìn)一步涉及產(chǎn)生四分之一波長片的方法，以便應(yīng)用于上述液晶顯示器中。
文檔編號G02F1/1335GK1549950SQ02816965
公開日2004年11月24日 申請日期2002年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月29日
發(fā)明者S·J·魯森達(dá)爾, J·A·M·M·范哈亞倫, M M 范哈亞倫, S J 魯森達(dá)爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司