專利名稱：透射像素上使用斜面反射器的單盒間隙半透反射式液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半透反射式液晶顯示器，尤其涉及用于增強單間隙半透反射式液晶顯示器中反射和透射圖像的亮度的方法和裝置，并要求基于2002年5月6日提交的美國臨時申請序號NO.60/378304的優(yōu)先權(quán)。
背景及現(xiàn)有技術(shù)透射型液晶顯示器(LCD)呈現(xiàn)較高的對比度以及良好的色飽和度。但是，由于需要背光，其功率消耗較高。在較亮的環(huán)境處，顯示器完全褪色，從而丟失了其清晰度。另一方面，反射型LCD使用環(huán)境光來讀取所顯示的圖像。由于不需要背光，顯著地降低了其功耗。但是其對比度較低且色飽和度劣于透射型LCD的色飽和度。在較暗的環(huán)境中，反射LCD會丟失其可視性。
Sharp的美國專利6281952 B1；6295109 B1；6330047 B1描述了常規(guī)半透反射式液晶顯示器，其中每個像素都被分成R(反射)和T(透射)子像素。根據(jù)應用，R和T面積比可以從7∶3變到3∶7。透射顯示器僅用于較暗的環(huán)境，以節(jié)省功率。
開發(fā)了兩種類型的半透反射式LCD單盒間隙(

圖1a)和雙盒間隙(圖1b)。在單盒間隙方法中，R和T模式的盒間隙(d)是相同的。針對R模式優(yōu)化盒間隙。結(jié)果，針對T模式的光透射率一般是50％或更低，因為光僅穿過液晶(LC)層一次。在雙盒間隙方法中，盒間隙對于R和T像素分別是d和2d。在這種方法中，R和T兩者都具有較高的光效率。但是，T模式的響應時間比R模式的響應時間慢四倍。
上述方法的共同問題在于R和T像素具有不同的色飽和度。對于R像素，入射光經(jīng)過濾色片兩次，但對于T像素，光僅通過濾色片一次。結(jié)果其色飽和度不同。
本發(fā)明(以下將描述)的主題在美國專利局中的搜索發(fā)現(xiàn)以下的5項美國專利和2項美國專利公開Tsuda等人的美國專利5280375，Winston等人的5303322以及Winston等人的5528720，都揭示了用于收集光和輸出光的光學背光系統(tǒng)，以及用于制造帶多層發(fā)光裝置的方法。
Winston等人的美國專利6044196描述了一種光學裝置，它用于對來自源的光進行操作并選擇性地將光輸出給觀察者，而不考慮LC結(jié)構(gòu)。
Oki等人的美國專利6118503教導了偏振提升引導元件的使用，以通過轉(zhuǎn)換背光的偏振來提升光效率。
Laine等人的美國專利6256447描述了用于LCD的背光裝置，它沒有考慮LCD設(shè)計。
Winston等人的美國專利6335999描述了一種光學裝置，它用于對來自源的光進行操作并選擇性地輸出或會聚光以引導LCD背光；Okamoto等人的專利公開2001/0052948描述了具有LCD元件的LCD，該LCD元件具有夾在兩種不同厚度的LCD層周圍的一對基板，其中LC層的厚度在反射部分中比在透射部分中更薄。
Molsen等人的專利公開2002/0018279描述了光散射半透反射器，它構(gòu)造于液晶顯示板的下玻璃上，并具有特定的形狀以將環(huán)境光引導和散射入反射區(qū)。
通過上述專利搜索所發(fā)現(xiàn)的以上文件不能減輕R和T像素具有不同色飽和度的上述共同問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種單盒間隙半透反射式液晶顯示器(LCD)，用于提升反射和透射圖像的亮度，從而當環(huán)境光源較低時顯示高品質(zhì)的圖像。
本發(fā)明的第二個目的在于提供一種單盒間隙半透反射式LCD，它具有比雙盒間隙半透反射式LCD更簡單的制造過程。
本發(fā)明的第三個目的在于提供一種單盒間隙半透反射式LCD，它與現(xiàn)有裝置相比具有成本優(yōu)勢，因為只需要一個延遲膜。
本發(fā)明的第四個目的在于提供一種單盒間隙半透反射式LCD，它與現(xiàn)有制造方法兼容并不包括新制造方法所需的額外時間和成本。
本發(fā)明的第五個目的在于提供一種單盒間隙半透反射式LCD，它可以應用于不同的液晶模式上。
本發(fā)明的第六個目的在于提供一種具有大面積使用的單盒間隙半透反射式LCD。
本發(fā)明的第七個目的在于提供一種單盒間隙半透反射式LCD，它在R和T區(qū)中具有相同的響應時間。
本發(fā)明的第八個目的在于提供一種單盒間隙半透反射式LCD，它具有相同的色飽和效果。
本發(fā)明的較佳實施例包括用于提供一種單盒間隙半透反射式LCD的方法和裝置，其中方法包括以下步驟在半透反射式LCD中提供透射部分和反射部分；以及提供所述透射部分中背光到所述反射部分的反射器，從而被反射的背光和環(huán)境光遵循相似的路徑并從而改善半透反射式LCD的反射和透射圖像的亮度，而裝置包括半透反射式LCD中的透射部分和反射部分；以及透射部分中背光路徑中的幾種不同形狀反射結(jié)構(gòu)，以便將透射光反射到反射部分，以使背光和環(huán)境光遵循相似的路徑，從而改善反射和透射圖像的亮度。
通過以下較佳實施例的詳細描述，如附圖中示意性說明的，本發(fā)明的進一步目的和優(yōu)點將變得顯而易見。
附圖概述圖1a是現(xiàn)有技術(shù)的單間隙半透反射式LCD的示圖。
圖1b是現(xiàn)有技術(shù)的雙間隙半透反射式LCD的示圖。
圖2示出了本發(fā)明的半透反射式LCD，它具有單間隙和單個四分之一波長膜的斜面前反射器。
圖3a是本發(fā)明的半透反射式LCD的分解示圖，它具有前斜面反射器。
圖3b是現(xiàn)有技術(shù)的半透反射式LCD的分解示圖，它具有雙間隙、雙延遲膜和間隙界面處的黑矩陣。
圖4是示出圖3a的新穎半透反射式LCD中的相同色飽和度的示意圖。
圖5a是具有黑矩陣的雙盒間隙半透反射式LCD的現(xiàn)有技術(shù)示圖。
圖5b示出具有前斜面反射器而沒有任何黑矩陣的本發(fā)明的單間隙半透反射式LCD。
圖6a示出處于V＝0的明亮狀態(tài)的均勻半透反射式LC盒。
圖6b示出處于V＝ON的昏暗狀態(tài)的圖6均勻半透反射式LC盒。
圖7a示出采用處于V＝0的昏暗狀態(tài)中垂直對準(VA)LC盒的本發(fā)明的黑半透反射式LCD。
圖7b示出采用處于V＝ON的明亮狀態(tài)中VA LC盒的本發(fā)明的黑半透反射式LCD。
圖8a示出具有頂部玻璃的前部上構(gòu)建的斜面反射器的LCD結(jié)構(gòu)。
圖8b示出與圖8a是LCD一起使用的三角形反射器。
圖8c示出與圖8a是LCD一起使用的雙棱鏡反射器。
圖8d示出與圖8a是LCD一起使用的彎曲表面反射器。
圖9a示出具有透明覆蓋層的頂部玻璃背側(cè)上的斜面反射器的結(jié)構(gòu)。
圖9b示出具有濾色片的頂部玻璃背側(cè)上的斜面反射器的結(jié)構(gòu)。
圖10a示出具有圖9a&9b的透射區(qū)的頂部玻璃背側(cè)上的斜面反射器結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖10b示出具有圖9a&9b的透射區(qū)的頂部玻璃背側(cè)上的斜面反射器結(jié)構(gòu)的頂視圖。
圖11示出具有不同照射極角的反射和透射的光效率。
圖12示出具有不同照射角的反射和透射的光效率。
圖13a是VA模式的約10μm斜面長度的液晶(LC)光效率的圖示。
圖13b是VA模式的約12μm斜面長度的LC光效率的圖示。
圖13c是VA模式的約14μm斜面長度的LC光效率的圖示。
圖14a是均勻模式的約10μm斜面長度的LC光效率的圖示。
圖14b是均勻模式的約12μm斜面長度的LC光效率的圖示。
圖14c是均勻模式的約14μm斜面長度的LC光效率的圖示。
圖15a示出VA的不同LC盒間隙厚度的LC效率。
圖15b示出均勻模式的不同LC盒間隙厚度的LC效率。
圖16示出不同斜面長度的模擬背光透射效率。
具體實施例方式
在詳細描述本發(fā)明的實施例之前，應理解，本發(fā)明不限于其申請中以下所示的特定配置的細節(jié)，因為本發(fā)明能應用于其它實施例。此外，這里使用的術(shù)語用于描述的目的而非限制。
本發(fā)明提供了一種根據(jù)本發(fā)明的用于單盒間隙半透反射式液晶顯示器的新穎裝置結(jié)構(gòu)。本發(fā)明使得背光22也橫越反射像素兩次，類似于體現(xiàn)本發(fā)明的裝置中環(huán)境光24的橫越，如圖2所示。為了實現(xiàn)該目的，斜面反射器26構(gòu)建于背光22的路徑中用于將所透射的光反射到反射區(qū)，從而背光22和環(huán)境光24遵循相似的路徑。
具有分開的透射和反射像素的常規(guī)半透反射式LCD具有雙盒間隙，以補償失配的液晶延遲，如圖3b所示。由于雙盒間隙結(jié)構(gòu)，就需要玻璃蝕刻和涂覆于透射區(qū)上的ITO(氧化銦錫)電極。因此，在兩個不同的盒間隙的邊緣附近擾動液晶對準。因此，黑矩陣用于覆蓋那個區(qū)域。結(jié)果，降低了光效率。
本發(fā)明中，使用單盒間隙半透反射式LCD，如圖2和3a所示。由于背光22和環(huán)境光24兩者基本上遵循相同的路徑，它們都具有較高(約100％)的光調(diào)制效率。此外，反射(R)和透射(T)像素的響應時間是相同的。
現(xiàn)有技術(shù)中存在的不同色飽和度的問題將不會出現(xiàn)于該新穎的結(jié)構(gòu)中。R42光線和44光線都通過濾色片46兩次，如圖4所示，并具有相同的色飽和度。
對于圖3a所示的新穎結(jié)構(gòu)，只需要單個延遲膜，這與任何現(xiàn)有結(jié)構(gòu)都不相同。通過除去λ/4膜，減少了成本并增加了光通過量。
在常規(guī)的半透反射式LCD中，由于覆蓋旋轉(zhuǎn)位移(disclination)線所需的黑矩陣52，孔徑比約為85％，如圖5a所示。本發(fā)明使用高面積使用結(jié)構(gòu)來改善反射和透射圖像的亮度。首先，鋁反射層覆蓋薄膜晶體管(TFT)和多數(shù)的金屬電線54，如圖5b所示。其次，每個像素之間的間隔處的前斜面反射器56不僅代替了對黑矩陣的需要還增加了透射圖像的亮度。因此，可以放大反射子像素并改善顯示亮度。
可以用三種不同的液晶模式體現(xiàn)本發(fā)明1.具有相當于λ/4相位延遲的混合模式扭向列(MTN)盒，例如，β～15°處75°MTN盒(這里，β是偏振器軸線和前LC摩擦方向之間的角度)，或者β～20°處80°MTN盒。在該實施例中，需要單個λ/4膜和兩個偏振器。參考Wu和Yang的“反射液晶顯示器(Reflective Liquid Crystal Displays”(Wiley-SID，2001)，Ch.4。
2.具有λ/4相位延遲的均勻LC盒。這里，需要單個λ/4膜和兩個偏振器。參考Wu和Yang的“反射液晶顯示器(Reflective Liquid Crystal Displays”(Wiley-SID，2001)，Ch.3。
3.具有λ/4相位延遲的垂直對準LC盒。在該實施例中，需要兩個λ/4膜和兩個偏振器。
圖6a和6b說明了作為實例采用均勻LC盒的本發(fā)明的新穎半透反射式LCD的工作原理。該混合模式扭向列盒應具有較高的對比度和較低的工作電壓。在V＝0狀態(tài)(圖6a)中，在每個階段中示出背光62和環(huán)境光64的偏振。這里，半循環(huán)符號表示圓偏振。采用向右的箭頭66，圖6a(或向左的箭頭67，圖6b)，它們在圖6a中是右手向圓偏振(或者在圖6b中是左手向圓偏振)。當右手向圓偏振光由反射器68反射時，其輸出光束變成左手向的。
相似地，圖7a和7b描述的使用垂直對準LC盒的正常黑模式。應注意，將另一個四分之一波長膜72添加到下偏振器73上。在電壓關(guān)閉狀態(tài)(圖7a)中，LC引向器垂直于玻璃基板。有效的相位延遲是λ＝0。結(jié)果，環(huán)境光和背光兩者由交叉的偏振器阻斷。在電壓-ON狀態(tài)(圖7b)中，由于沒有電極，盒的透射部分保持不受影響。但是，激活反射子像素。有效相位延遲是λ/4，從而光通過交叉偏振器泄漏。
玻璃表面上的斜面反射器參考圖8a，斜面反射器82可以構(gòu)建于玻璃83的前表面上。反射器的形狀包括圖8b的三角形82，圖8c的雙棱鏡形83以及圖8d的彎曲形狀。
頂部玻璃的背側(cè)上的斜面反射器參考圖9a和9b，斜面反射器不僅可以構(gòu)建于頂部玻璃的前表面上也可以構(gòu)建于頂部玻璃的背側(cè)上。該結(jié)構(gòu)可以降低由斜面反射器引起的遮蔽效應。將需要覆蓋層來填滿斜面反射器的間隙和控制斜面反射器和液晶層底部處反射器之間的距離。覆蓋層可以是圖9a的透明材料93或者是圖9b的濾波器94。
具有透射區(qū)的頂部玻璃的背側(cè)上的斜面或平坦反射器參考圖10a和10b，在該結(jié)構(gòu)中，斜面反射器102仍位于頂部玻璃的背側(cè)上，以替代現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)板、單或雙盒間隙中使用的黑矩陣。圖10a和10b分別示出斜面反射器102的側(cè)視圖和頂視圖。因此，將增加透射亮度并可以重新定義反射和透射區(qū)的優(yōu)選最佳比例。
實例已通過名為高級系統(tǒng)分析程序(ASAP)的光學模擬程序模擬了這種新穎結(jié)構(gòu)。以下描述了所模擬的實例實例1表1中列出了頂部玻璃的前表面上斜面反射器的尺度以及模擬參數(shù)。
表1.用于模擬的參數(shù)。

模擬計算了具有不同照射角的反射和透射的光效率。如圖11所示，在垂直入射(θ＝0°，φ＝0°)時最高的反射光效率約為81％，而在方位角(φ)約等于45°且極角(θ)大于±5°處最低的約是48.36％。此外，對于垂直入射的背光，透射光效率達到約17.62％并在(θ＝±6°，φ＝45°)處降低到約1.4％。反射和透射的半效率角度范圍分別為約3°和約2.5°。
實例2以下表2中示出了頂部玻璃背側(cè)上的斜面反射器和模擬參數(shù)。斜面反射器和液晶層底部處的反射器之間的距離約為25μm。
該模擬計算了具有不同照射角度的反射和透射的光效率。如圖12所示，在垂直入射處(θ＝0°，φ＝0°)最高的反射光效率約是81％，且在方位角(φ)等于45°且極角(θ)大于約±35°處最低的約是48.36％。此外，對于垂直入射的背光，透射光效率約是17.62％并在(θ＝約±30°，φ＝約45°)處降低到約2.45％。反射和透射的半效率角度范圍分別為約30°和約25°。
表2.用于圖12中所示的模擬的參數(shù)。

實例3已模擬了具有斜面反射器和液晶層的底部處的反射器之間的各種距離(D)的頂部玻璃的背側(cè)上的斜面反射器。參數(shù)與表2中所示的相同。已計算了反射和透射的平均光效率。環(huán)境光被假定動極角θ＝0°到θ＝45°且方位角φ＝+45°到φ＝-45°照射。背光被假定為±20°偏離角。所模擬的平均效率在表3中示出。
表3.對于不同D值的所計算的反射和透射效率。

實例4斜面反射器的反射光將傾斜地入射到LC層上并會降低光效率。因此，通過以下等式計算LC層的被調(diào)制的光相位延遲Λn·d=(neff-no)·d=(nenono2cos2θ+ne2sin2θ-no)·d]]>這里Δn.d＝光延遲，neff＝有效折射率，no＝正常折射率，d＝液晶盒間隙，ne＝非常折射率，且θ角＝入射光和液晶的光軸之間的角度。
通過確定不同傾斜角度的相位延遲，就可以計算亮狀態(tài)下液晶的光效率。
在圖13和14中，分別示出了VA和均勻模式的不同傾斜角度的標準化光效率。每個圖的斜面長度依次為約10、約12和約14μm。此外，在每個圖的不同線型中還示出了從斜面反射器到底部反射器的距離。
以下，在表4和5中列出了不同參數(shù)的最大光效率。但是，如果最佳的斜面反射器角度大于約15°，反射光角度將大于約30°，這不是常規(guī)底部反射器的最佳角度，不包括擾動(bumping)反射器。因此，只考慮小于約15°的斜面反射器角度。
實例5液晶層的盒間隙厚度也是光效率的重要問題。因此，圖15中分別示出VA和均勻模式的約3μm和5μm的盒間隙的光效率比較。再次考慮從斜面反射器到底部反射器的距離。
實例6通過結(jié)合LC效率和透射區(qū)比，確定透射光效率。如圖16所示，當斜面長度增加時，透射效率幾乎飽和。但是，增加的斜面長度也將收縮反射區(qū)。因此，通過圖，限定了最佳斜面長度以及從斜面反射器到底部反射器的距離。
實例7通過以上實例，可以組合ASAP的以上結(jié)果和LC效率。以下在表4、5和6(后者示出合成結(jié)果)示出結(jié)果，以及常規(guī)單和雙盒間隙顯示的比較結(jié)果。
表4VA模式的不同參數(shù)的最大LC效率。


表5均勻模式的不同參數(shù)的最大LC效率。

表6.常規(guī)半透反射式顯示的本發(fā)明的透射(T)和反射(R)光效率的比較。


其中，簡單12345復雜

本發(fā)明可以應用于手持和移動通信，諸如但不限于移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、電子書等等。
雖然已在假定實際中的特定實施例的各方面中描述、揭示、說明和示出了本發(fā)明，但本發(fā)明的范圍不限于此，且如通過這里的教導所暗示的其它修改或?qū)嵤├貏e地予以保留，只要它們落在所附權(quán)利要求書的幅度和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種改進的半透反射式液晶顯示器(LCD)，其特征在于，包括(a)半透反射式LCD中的透射部分和反射部分；以及(b)一裝置，其位于透射部分中的背光的路徑上以便將透射光反射到反射部分，從而背光和環(huán)境光遵循相似的路徑，由此改善反射和透射圖像的亮度。
2.如權(quán)利要求1所述的半透反射式LCD，其特征在于，該半透反射式LCD包括在透射部分和反射部分兩者中的單間隙。
3.如權(quán)利要求1所述的半透反射式LCD，其特征在于，所述路徑裝置包括反射器。
4.如權(quán)利要求3所述的半透反射式LCD，其特征在于，反射器包括斜面反射器。
5.如權(quán)利要求3所述的半透反射式LCD，其特征在于，所述反射器具有三角形狀。
6.如權(quán)利要求3所述的半透反射式LCD，其特征在于，所述反射器具有雙棱鏡形狀。
7.如權(quán)利要求3所述的半透反射式LCD，其特征在于，所述反射器具有彎曲形狀。
8.如權(quán)利要求3所述的半透反射式LCD，其特征在于，進一步包括頂部玻璃，所述反射器構(gòu)建在其前表面上。
9.如權(quán)利要求3所述的半透反射式LCD，其特征在于，進一步包括頂部玻璃，所述反射器構(gòu)建在其背側(cè)上。
10.如權(quán)利要求3所述的半透反射式LCD，其特征在于，進一步包括反射器的間隙部分中的透明覆蓋層材料。
11.如權(quán)利要求3所述的半透反射式LCD，其特征在于，進一步包括反射器的間隙部分中的濾色片覆蓋材料。
12.一種改善半透反射式液晶顯示器的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)在該半透反射式LCD中提供透射部分和反射部分；以及(b)改進反射所述透射部分中的背光路徑到所述反射部分從而使被反射的背光和環(huán)境光遵循相似路徑并從而改善半透反射式LCD的反射和透射圖像的亮度的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，提供步驟進一步包括在透射部分和反射部分兩者中提供單間隙。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，反射步驟進一步包括將反射器設(shè)置于透射部分中。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，設(shè)置步驟進一步包括將傾斜反射器設(shè)置于透射部分中。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，設(shè)置步驟進一步包括將三角形反射器設(shè)置于透射部分中。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，設(shè)置步驟進一步包括將雙棱鏡形反射器設(shè)置于透射部分中。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，設(shè)置步驟進一步包括將彎曲形狀的反射器設(shè)置于透射部分中。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，設(shè)置步驟進一步包括設(shè)置頂部玻璃，它具有其前表面上構(gòu)建的反射器。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，設(shè)置步驟進一步包括設(shè)置頂部玻璃，它具有其背側(cè)上構(gòu)建的反射器。
21.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，進一步包括以下步驟在反射器的間隙部分中施加透明覆蓋層材料。
22.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，進一步包括以下步驟在反射器的間隙部分中施加濾色片覆蓋材料。
全文摘要
單盒間隙半透反射式液晶顯示器，它使背光橫穿反射像素部分兩次，從而遵循與環(huán)境光相似的路徑。傾斜反射器構(gòu)建于背光路徑上以便將透射光反射到反射部分，從而背光和環(huán)境光遵循相似的路徑。
文檔編號G02F1/1335GK1688917SQ03815924
公開日2005年10月26日 申請日期2003年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月6日
發(fā)明者黃乙白, 朱新羽, 吳詩聰, 謝漢萍 申請人:中佛羅里達大學, 統(tǒng)寶光電股份有限公司