專利名稱：高速、寬視角液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顯示器，尤其是制備對高輸入數(shù)據(jù)速率具有快速響應(yīng)并為觀眾提供寬視角的TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)的方法與裝置。
背景與原有技術(shù)普通TFT-LCD緩慢的響應(yīng)時(shí)間和窄的視角，是其潛在的廣泛無盡應(yīng)用的兩個(gè)限制因素。


圖1示出普通TFT-LCD的結(jié)構(gòu)。液晶(LC)層10夾在頂玻璃基片11與底玻璃基片12之間，一薄層透明電極(氧化銦錫(ITO))涂在每塊基片上用來施加切換液晶的電場。通常，頂基片11的電極13是一恒壓(如0伏)的公共電極，這里的0伏指低壓。該公共電極連續(xù)延伸到整個(gè)顯示器里的所有像素，故稱為公共電極。另一方面，底基片12上的電極14被稱為像素電極，因?yàn)橹付ńo每個(gè)像素的晶體管控制著它。加到LC10的電壓通過該電極而變化。當(dāng)像素電＞0時(shí)，圖1還示出電場分布E。顯而易見，對該器件而言，只存在一種電場，即垂直電場，使用該電場通過切換液晶分子來接通器件，這是一種快速的過程。但當(dāng)斷開器件時(shí)，像素電壓不是消除就是減小，使分子逐漸馳豫回到低態(tài)。若只產(chǎn)生一種電場，就導(dǎo)致極慢的馳豫，從而減慢了斷開時(shí)間，這是當(dāng)今液晶眾多潛在應(yīng)用的主要限制因素。
下面討論引用的各種相關(guān)的原有技術(shù)。這些文獻(xiàn)涉及本發(fā)明使用的三個(gè)關(guān)鍵理念交叉場效應(yīng)、邊緣場切換和多域技術(shù)。
交叉場效應(yīng)理念于1975年首次出現(xiàn)在D.J.Channin的論文中(AppliedPhysics Letters’，Vol.26，No.11，p.603(1975))，繼之出現(xiàn)在D.J.Channin與D.E.Carlson的論文中(Applied Physics Letters’，Vol.28，No.6(1976))。
六年后，Akihiko Sugimura等人在Proceedings of 14th Conference onSolid State Devices，Tokyo(1982)上發(fā)表了一篇論文，而Akihiko Sugimura與Takao Kawamura于1985年在Japanese Journal of AppliedPhysics，Vol.24，No.8，p.905(1985)上發(fā)表了另一篇論文。應(yīng)用交叉場效應(yīng)的液晶顯示器有各種缺點(diǎn)，諸如電壓要求高、反差低、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、發(fā)射不均一、驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜。驅(qū)動(dòng)指用來向TFT-LCD提供(即驅(qū)動(dòng))所需電壓(數(shù)據(jù)等)的電子電路。有些驅(qū)動(dòng)方式更復(fù)雜。如要求不同時(shí)間間隔的不同類型的電壓。在交叉場效應(yīng)中，常要求額外的電極控制兩類電場(垂直與橫向兩種)，故驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜，所以交叉場效應(yīng)理念一直未用于TFT-LCD，因它要求高得多的工作電壓，結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜，而且反差較低。然而，本發(fā)明利用不同的電極設(shè)計(jì)克服了許多以上問題，使交叉場效應(yīng)能用于TFT-LCD。另外，本發(fā)明利用交叉場效應(yīng)還提供了固有的寬視角特性，這對TFT-LCD電視機(jī)(TV)是另一個(gè)極重要的要求。
Seung Ho Hong等人在Japauese Jourual of AppliedPhysics(Vol.40，p.L272(2001))上發(fā)表的論文“Hybrid Aligned FringingField”和在Japanese Journal.Applied Physics，Vol.41，pp.4571-4576(2001)上發(fā)表了對邊緣場切換(FFS)的原有技術(shù)研究。本發(fā)明采納了極類似于Seung HoHong等人描述的邊緣場切換FFS模式結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)，該模式運(yùn)用效率改善的平面內(nèi)切換法產(chǎn)生寬視角。通過在本發(fā)明中采納該結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生橫向或邊緣場的所需電壓減小了，因?yàn)閷吘増霎a(chǎn)生而言，電極間的間隙很小，因而有可能降低工作電壓。從而，降低了工作電壓。再者，F(xiàn)FS結(jié)構(gòu)能形成很均勻的垂直場而無死區(qū)，死區(qū)定義為電極間無電場的間隙。在本發(fā)明中，電極之間的間隙也具有底基片電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電場，該結(jié)構(gòu)包括一有間隙的電極層，稱為斷續(xù)電極，用電絕緣層與連續(xù)電極層分開，但斷續(xù)電極的諸段全部連接像素內(nèi)的同一晶體管。底基片電極結(jié)構(gòu)類似于普通FFS結(jié)構(gòu)的該結(jié)構(gòu)。
然而，本發(fā)明與普通FFS結(jié)構(gòu)至少有三大差異。首先，本發(fā)明有兩根公共電極，而普通FFS結(jié)構(gòu)只有一根低壓的公共電極。最后報(bào)道的FFS模式也使用兩根公共電極，但在這一場合中兩公共電極都是低壓，如0伏。與之相對照，在本發(fā)明中，一根公共電極是高壓，另一根公共電極是低壓。其次，液晶(LC)模式不同，普通FFS使用與平面內(nèi)切換的平行對準(zhǔn)，而最近報(bào)道的有兩根公共電極的FFS模式使用了混合對準(zhǔn)的向列型(HAN)。本發(fā)明能使用任一種液晶模式，寬視角產(chǎn)生機(jī)理也與FFS原有技術(shù)不同。第三，原有技術(shù)的所有FFS結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間緩慢，因?yàn)樗鼈儾皇褂媒徊鎴鲂?yīng)，斷開過程依賴于LC分子的自然馳豫，而且很慢。
另外，原有技術(shù)文獻(xiàn)涉及到多域技術(shù)LCD，本發(fā)明采納了稱為多域的寬視角形成機(jī)理，但本發(fā)明與所有采用該技術(shù)的原有技術(shù)具有重大差異，因?yàn)楸景l(fā)明用FFS結(jié)構(gòu)產(chǎn)生邊緣場，而其它原有技術(shù)文獻(xiàn)主要用突起產(chǎn)生多域。參見A.Takeda等人的論文“MVA，Multi-Domain Verticai Alignment”，SID’98，p.1077(1998)。K.H.Kim等人在SID’98，p.1085(1998)討論過一種用于產(chǎn)生邊緣場以形成多域的交指型結(jié)構(gòu)。另與原有技術(shù)主要使用的垂直對準(zhǔn)(VA)模式相比，本發(fā)明能使用多種不同的液晶模式。
因此，需要改進(jìn)當(dāng)今的薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)技術(shù)。希望交叉場效應(yīng)結(jié)構(gòu)具有低的工作電壓、高反差、簡易的驅(qū)動(dòng)和易于制造。對于應(yīng)用FFS或多域LCD的普通結(jié)構(gòu)，希望更快的響應(yīng)。
本發(fā)明在TFT-LCD的產(chǎn)生與性能方面作出了重大改進(jìn)，對該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用不同的LC模式，而不同的LC模式導(dǎo)致不同的光效率、響應(yīng)時(shí)間和視角。LC模式的選用取決于應(yīng)用的類型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是提供對高輸入數(shù)據(jù)速率應(yīng)用具有快速響應(yīng)的TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)的結(jié)構(gòu)與方法。
本發(fā)明的第二目的是提供應(yīng)用具有兩根公共電極(一根為低壓如0伏，一根為高壓如5伏)和一根像素電極的TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)的結(jié)構(gòu)與方法，從而產(chǎn)生垂直與非垂直兩種電場來高速切換液晶。
本發(fā)明的第三目的是提供使交叉場效應(yīng)比普通交叉場器件要求更少電壓因而能應(yīng)用于TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)的結(jié)構(gòu)與方法。
本發(fā)明的第四目的是提供使交叉場效應(yīng)允許簡單驅(qū)動(dòng)法用于TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)的結(jié)構(gòu)與方法。
本發(fā)明的第五目的是提供使交叉場效應(yīng)對TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)具有高反差性能與簡單制造工藝的結(jié)構(gòu)與方法。
本發(fā)明的第六目的是提供應(yīng)用對觀眾具有寬視角的TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)的結(jié)構(gòu)與方法。
通過以下對附圖中示意示出的目前較佳的實(shí)施例的詳述，本發(fā)明的其它目的與優(yōu)點(diǎn)就清楚了。
附圖簡介圖1示出普通原有技術(shù)有一根公共電極的TFT-LCD結(jié)構(gòu)。
圖2示出帶兩根公共電極和一個(gè)像素電極層的新穎TFT-LCD結(jié)構(gòu)一較佳實(shí)施例。
圖3示出圖2的TFT-LCD結(jié)構(gòu)，在像素電壓為0伏時(shí)(暗態(tài))產(chǎn)生均勻的垂直場。
圖4示出圖2的TFT-LCD結(jié)構(gòu)，在像素電壓為5伏時(shí)(亮態(tài))產(chǎn)生新的電場分布圖。
圖5示出新穎TFT-LCD結(jié)構(gòu)的第二較佳實(shí)施例。
圖6示出圖5的TFT-LCD，功率加給不同的電極層。
圖7示出有兩根公共電極的使用電阻膜的第三實(shí)施例。
圖8示出具有圖2新結(jié)構(gòu)的使用介質(zhì)層的第四實(shí)施例。
圖9示出新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非垂直電場分布圖。
較佳實(shí)施例的描述在詳細(xì)本發(fā)明公開的諸實(shí)施例之前，應(yīng)理解本發(fā)明的應(yīng)用并不限于所示特定結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，因本發(fā)明還能推出其它實(shí)施例。同樣地，本文使用的術(shù)語用于描述目的，不用作限制。
注意，本發(fā)明包括第一基片、第二基片、第一與第二基片之間的液晶、在第一與第二基片附近的電極層之間產(chǎn)生電場的裝置。本發(fā)明的獨(dú)特特征在于電極層的排列，現(xiàn)作一詳述。
公共電極可以是高壓或低壓、連接或斷續(xù)，在TFT-LCD工作期間，施加的電壓不依賴于輸入數(shù)據(jù)。像素電極可以連續(xù)或斷續(xù)，所加的電壓依賴于輸入數(shù)據(jù)。一根公共電極裝在上基片即第一基片內(nèi)，第二公共電極裝在下基片即第二基片內(nèi)；另外，下基片內(nèi)的第三電極層可設(shè)計(jì)為斷續(xù)，統(tǒng)稱為一層，在所有圖中使用一個(gè)標(biāo)號(hào)。
顯然，電壓不等的兩根公共電極與一根像素電極的組合，將構(gòu)成一種當(dāng)變化電壓加至像素電極時(shí)，則具有快速響應(yīng)和寬視角的TFT-LCD。器件的接通與斷開兩種模式由電場驅(qū)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)；利用電場，LC分子能極迅速地對準(zhǔn)與馳豫。
圖2示出本發(fā)明TFT-LCD結(jié)構(gòu)的新穎設(shè)計(jì)，其一大特征是代替用一根公共電極，而是有兩根公共電極21、23，一根為低壓如0伏，另一根為高壓如5伏。頂基片22中的第一公共電極層21具有5伏的恒高壓，而底基片24中的第二公共電極層23具有0伏的低壓。公共電極23利用鈍化層26(電絕緣層)與像素電極25分開。對像素電極25加0伏低壓時(shí)，產(chǎn)生圖3所示的均勻垂直場30。在像素電壓為0伏時(shí)產(chǎn)生的這一均勻垂直場通常造成暗態(tài)，具有極快的切換作用，因它受電場驅(qū)動(dòng)。這類似于普通TFT-LCD裝置所產(chǎn)生的垂直場造成的快速切換。
在圖4中，像素電壓為5伏時(shí)是亮態(tài)。對像素電極25加5伏電壓，由于圖4所示的邊緣場，因而迅速地建立了新的電場分布圖40。如前所述，頂基片中公共電極21的電壓為5伏，而底基片中公共電極層23的電壓為0伏，像素電極25的電壓為5伏，這樣就形成一種不同光發(fā)射的新的液晶對準(zhǔn)態(tài)，通常為亮態(tài)。這一新狀態(tài)的切換速度也很快，因?yàn)樗茈妶鲵?qū)動(dòng)。因此，這種TFT-LCD設(shè)計(jì)的新結(jié)構(gòu)導(dǎo)致快速的接通與斷開，因?yàn)槎叨际请妶鲵?qū)動(dòng)的。
實(shí)例1——一根公共電極的電壓較低圖2中公共電極21的電壓為5伏；為減小垂直電場強(qiáng)度而增強(qiáng)橫向場，可將該電壓定得更低。由于橫向場變強(qiáng)，更多的分子被切換成亮態(tài)，因而有助于提高光效率。然而，由于形成了較弱的垂直場，這樣會(huì)延長相應(yīng)的亮—暗態(tài)響應(yīng)時(shí)間。對底基片24上的公共電極23而言，剩余電壓讀數(shù)V＝0伏；對于像素電極25，V＝0～5伏。公共電極23利用鈍化層26與像素電極25電氣絕緣。
實(shí)例2——底電極電壓較高圖2中，公共電極21的電壓較高，而公共電極23的電壓較低，從原理上講，這兩根電極可以互換，如圖5所示。圖5中，頂基片52上第一公共電極51的電壓較低(0伏)，而底基片54內(nèi)第二公共電極層53的電壓較高(5伏)，這種替代設(shè)計(jì)會(huì)造成垂直場不均勻，因?yàn)殁g化層56造成了略高的電位差。圖5中，像素電極55發(fā)出高電場，因而在鈍化層56兩端形成比頂電極51發(fā)出電場時(shí)更高的電場。注意，在描述本發(fā)明時(shí)，“鈍化層”通常稱為絕緣層。但從原理上講，通過改變第二公共電極53的電壓或像素電極55的電壓以補(bǔ)償該電壓降，能減小在像素電極55與第二公共電極層53之間形成的該電位差。
實(shí)例3——互換的公共電極與像素電極圖6示出頂基片61中5伏的第一公共電極層60。底基片63支承0～5伏的像素電極層62和0伏的第二公共電極層64，像素電極層62與公共電極64通過鈍化層65電氣絕緣。與圖2的結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)中的公共電極64與像素電極62的位置被互換。該結(jié)構(gòu)的選用取決于制造工藝的能力和優(yōu)化的電極寬度與間隙。
實(shí)例4——使用電阻膜為擴(kuò)展橫向場的距離，可用電阻膜70連接底基片中的像素電極和第二公共電極，如圖7所示。當(dāng)像素電壓高時(shí)，在像素電極72與第2公共電極71之間電阻膜兩端形成的電位梯度，其間建立的橫向場在亮態(tài)期間切換LC分子。上基片中的第一公共電極74具有如5伏的高壓，但該電壓可減小到例如2伏以增大橫向場強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)像素電極72的電壓與公共電極71中的電壓一樣時(shí)，則電阻膜兩端無電位差，由于導(dǎo)電電子的緣故，膜兩端出現(xiàn)均恒的電位。圖7表明，像素電極72與第二公共電極71之間產(chǎn)生一水平電場，對亮態(tài)造成更長的橫向邊緣場與更高效率。
實(shí)例5——使用介質(zhì)層如圖8所示，當(dāng)頂基片81的公共電極層80為0伏時(shí)，在公共電極層80與LC層83之間使用介質(zhì)層82可增大LC晶胞上部的橫向場強(qiáng)度，因?yàn)轫敾械?伏現(xiàn)在離底電場更遠(yuǎn)了。介質(zhì)層82鄰近公共電極層80，其作用是保持小的晶胞間隙，有助于使橫向邊緣場更強(qiáng)，因?yàn)樯想姌O在圖形上更遠(yuǎn)。公共電極層84與像素電極層85之間形成的邊緣場變得更強(qiáng)，從而改善了光效率。
實(shí)例6——自然的寬視角構(gòu)造圖9中，邊緣場形成多域構(gòu)造，它與第二公共電極層92之間間隙90、91的中平面對稱。這一多域構(gòu)造將沿左右或上下兩個(gè)方向形成寬視角。采納稱為多域垂直對準(zhǔn)(MVA)的Z字形電極結(jié)構(gòu)，可沿所有四個(gè)方向形成寬視角。圖9表明，當(dāng)頂基片94中第一公共電極層93為5伏、低基片95中第二斷續(xù)公共電極層92為0伏和像素電極96的電壓為5伏時(shí)，因?qū)ΨQ的邊緣圖案而自然形成多域構(gòu)造。圖9的結(jié)構(gòu)與圖4相同，但另外示出了邊緣場是如何使LC分子不同的姿態(tài)形成自然寬視角的。
本發(fā)明詳細(xì)的描述、實(shí)例與模擬結(jié)果，為推進(jìn)薄膜晶體管液晶顯示技術(shù)的認(rèn)知與發(fā)展提供了一種工具。本發(fā)明的新穎特征包括但不限于在TFT-LCD中應(yīng)用交叉場效應(yīng)；交叉場效應(yīng)與寬視角相組合而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)與更寬視角；使用高低兩種電壓的雙公共電極結(jié)構(gòu)；用新的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交叉場效應(yīng)；用新的結(jié)構(gòu)形成多域LCD。
雖然在可望實(shí)踐的某些實(shí)施例或修正方案中對本發(fā)明作了描述、揭示、示例與圖示，但是本發(fā)明的范圍并不受此限制，也不應(yīng)由此限制，而且特地保留本文內(nèi)容提出的其它修正方案或?qū)嵤├驗(yàn)樗鼈兌紝儆谒綑?quán)項(xiàng)的幅度與范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有快速響應(yīng)與寬視角的薄膜晶體管液晶顯示器，其特征在于包括具有第一公共電極層的第一基片；具有像素電極層與第二公共電極層的第二基片；位于第一與第二基片之間的液晶；和位于第一基片中第一公共電極層與第二基片中像素電極和第二公共電極兩層之間的電場發(fā)生裝置，使顯示器對高輸入數(shù)據(jù)速率提供快速響應(yīng)，并對觀眾提供寬視角。
2.如權(quán)利要求1所述的顯示器，其特征在于，所述電場發(fā)生裝置具有利用第二基片中的絕緣層與像素電極層分開的第二公共電極層。
3.如權(quán)利要求1所述的顯示器，其特征在于還包括向第一公共電極層提供電壓源的裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的顯示器，其特征在于還包括向第二公共電極層提供電壓源的裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的顯示器，其特征在于還包括向像素電極層提供電壓源的裝置。
6.權(quán)利要求3、4和5所述的顯示器，其特征在于向第一和第二公共電極層之一提供電壓源的裝置造成一不等電壓。
7.如權(quán)利要求6所述的顯示器，其特征在于不等電壓在第一公共電極層中比第二公共電極層高。
8.如權(quán)利要求6所述的顯示器，其特征在于不等電壓在第二公共電極層中比第一公共電極層高。
9.如權(quán)利要求1所述的顯示器，其特征在于電場發(fā)生裝置包括位于像素電極層與第二公共電極層部分之間的電阻膜。
10.如權(quán)利要求2所述的顯示器，其特征在于還包括鄰近第一公共電極層的介質(zhì)層。
11.如權(quán)利要求1所述的顯示器，其特征在于產(chǎn)生的電場不垂直。
12.如權(quán)利要求1所述的顯示器，其特征在于產(chǎn)生的電場垂直。
13.一種對薄膜晶體管液晶顯示器提供快速響應(yīng)與寬視角的方法，其特征在于包括步驟在第一與第二基片之間設(shè)一液晶層；和在基片間產(chǎn)生電場，其中把電壓加到有第一公共電極層的第一基片、有第二公共電極層和像素電極層的第二基片，因而對輸入數(shù)據(jù)具有快速響應(yīng)，對觀眾產(chǎn)生寬視角。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于產(chǎn)生電場的步驟包括步驟向像素電極層施加近似等于第二基片中第二公共電極電壓的電壓，從而產(chǎn)生均勻的垂直電場。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于產(chǎn)生電場的步驟包括步驟向像素電極層施加不等于第二基片中第二公共電極電壓的電壓，從而產(chǎn)生非垂直電場。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于產(chǎn)生非垂直電場的步驟包括步驟在像素電極與第二公共電極之間形成一電阻層；和向像素電極施加不等于第二公共電極電壓的電壓，從而產(chǎn)生橫向電場。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于產(chǎn)生非垂直電場的步驟包括步驟形成一跨過基片之一的介質(zhì)層；和向像素電極施加電壓，從而產(chǎn)生改善了光效率的強(qiáng)電場。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于對各電極層施加電壓包括在第一與第二公共電極之間加一不等電壓的步驟，像素電極電壓取決于輸入數(shù)據(jù)，而第一與第二公共電極的電壓不取決于輸入數(shù)據(jù)。
全文摘要
TFT－LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)的新穎結(jié)構(gòu)配置，得到了對輸入數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)并可提供寬視角。該裝置的結(jié)構(gòu)由一像素電極層和兩個(gè)公共電極層組成。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可供要求快速響應(yīng)與寬視角的液晶顯示電視(LCD－TV)監(jiān)視器使用。此外，要求高速響應(yīng)的其它液晶技術(shù)也將得益于本發(fā)明的TFT－LCD。
文檔編號(hào)G02F1/13GK1688920SQ03824339
公開日2005年10月26日 申請日期2003年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月26日
發(fā)明者W·-K·喬伊, S·-T·吳 申請人:中佛羅里達(dá)州大學(xué)研究基金會(huì)股份有限公司, 友達(dá)光電股份有限公司