專利名稱：快速響應(yīng)共面內(nèi)切換的π晶胞液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透射型液晶顯示器，尤其涉及使用大的摩擦角來(lái)縮短響應(yīng)時(shí)間、降低閾值電壓、增大顯示亮度和提高灰階線性度，同時(shí)保持寬的視角。
背景與原有技術(shù)

圖1所示的液晶顯示器(LCD)共面內(nèi)切換法(IPS)已經(jīng)發(fā)明了三十多年。與沿縱向(長(zhǎng)度方向)加電場(chǎng)的扭曲向列型(TN)晶胞不同，IPS電場(chǎng)是沿槽向(交叉方向)的。液晶(LC)分子可在同一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。因而IPS模式可呈現(xiàn)出寬視角和高對(duì)比度，且一直廣泛應(yīng)用于桌面計(jì)算機(jī)監(jiān)視器與LCD電視監(jiān)視器。
參照?qǐng)D1，偏振器10的軸線在底板11中平行于LC對(duì)準(zhǔn)并穿過(guò)檢偏器12。LC對(duì)準(zhǔn)即摩擦方向13與電極14成φ角，如圖所示。
Sorep分別在Applied Physics Letters(Vol.22，p.165(1973))和Journalof Applied Physics(Vol.45，p)。S466(1974)中發(fā)表了第一種IPS概念。1992年，Kiefer等人將這種工作原理延伸到顯示器，結(jié)果發(fā)表于JapanDisplays，p.547(1992)。1995年，Oh-e與Kondo把這種IPS膜式應(yīng)用到了薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)。M.Oh-e與K.Kondo在Applied PhysicsLetters(Vol.67，3895(1995))和M.Oh-3、M.yoneya與K.Kondo在Journal ofApplied Physics(Vol.82，528(1997))上發(fā)表了兩篇論文。此后，還發(fā)表了許多有關(guān)該論題的論文。
在IPS模式中，考慮了兩種LC對(duì)準(zhǔn)法圖2a所示的同質(zhì)晶胞和圖26所示的π晶胞。在圖2a中，同質(zhì)晶胞20呈現(xiàn)出各表面21上的LC預(yù)傾角(α)向同一方向傾斜，使大量LC定向器朝某一方向均勻的傾斜。另一方面，圖2b所示的π晶胞22在頂基片23與底基片24的邊界具有相反的預(yù)傾角。上述所有IPS模式都使用了同質(zhì)LC晶胞結(jié)構(gòu)。π晶胞22沿左(L)右(R)觀察方向呈對(duì)稱，而同質(zhì)晶胞20呈不對(duì)稱。
Bos與Kochler/13eran在Molecular Crystals and Liquid Crystals(Vol.113，p.329(1984))上首先發(fā)表了π晶胞結(jié)構(gòu)。π晶胞消除了LC定向器的回流，并實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)時(shí)間，但其施加的電場(chǎng)是縱向的，故要用偏壓克服域的問(wèn)題，并需要使用相位補(bǔ)償薄膜來(lái)實(shí)施寬視角。
在美國(guó)專利6,356,329B1中，Tamatani等人在IPS電極中應(yīng)用了π晶胞結(jié)構(gòu)，視角像IPS同質(zhì)晶胞一樣寬。IPS-π晶胞較之IPS同質(zhì)晶胞的另一優(yōu)點(diǎn)是減少了大斜角的色偏移，因?yàn)榉肿釉谒椒较虻膶?duì)準(zhǔn)是對(duì)稱的。但在頒給Tamatani等人申請(qǐng)的美國(guó)專利’329中，LC取向角相對(duì)于電極定為10°，其優(yōu)點(diǎn)在于，通態(tài)電壓低了，不過(guò)響應(yīng)時(shí)間很慢，而響應(yīng)時(shí)間對(duì)計(jì)算機(jī)和電視應(yīng)用是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
S.H.Lee等人在Soc.Inf.Displays(Vol.28，711(1997))上發(fā)表了一篇報(bào)道摩擦角與響應(yīng)時(shí)間的論文，他們研究的LC模式是同質(zhì)晶胞，而不是本發(fā)明應(yīng)用的π晶胞。而且S.H.Lee等人的研究結(jié)果表明，在φ～120°之后，響應(yīng)時(shí)間基本上已飽和，因而響應(yīng)時(shí)間達(dá)到一定的最小值，再增大φ也無(wú)劑于事。相反，在本發(fā)明中，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，把LC取向角(即摩擦角)增大到30～40°，響應(yīng)時(shí)間與φ＝10°時(shí)相比可縮短為1/2～1/3，亮度提高33％以上而且恢階度更線性，同時(shí)保持著寬視角。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是提供一種響應(yīng)時(shí)間更快的新型IPSπ晶胞結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的第二目的是提供一種顯示亮度更高的新型IPSπ晶胞。
本發(fā)明的第三目的是提供一種灰階特性更線性的新型IPSπ晶胞。
本發(fā)明的第四目的是提供一種閾值電壓更低的新型IPSπ晶胞。
通過(guò)以下對(duì)附圖示意示例的目前較佳的實(shí)施例的詳述，本發(fā)明其它諸目的與優(yōu)點(diǎn)就更清楚了。
附圖簡(jiǎn)介圖1示出共面切換模式一典型的現(xiàn)有技術(shù)液晶晶胞結(jié)構(gòu)。
圖2a示出α＝預(yù)傾角的現(xiàn)有技術(shù)同質(zhì)晶胞。
圖2b示出α＝預(yù)傾角的現(xiàn)有技術(shù)π晶胞。
圖3a示出應(yīng)用同質(zhì)晶胞的IPS液晶顯示器的均勻?qū)Ρ榷容喞?br> 圖3B示出應(yīng)用π晶胞的IPS液晶顯示器的均勻?qū)Ρ榷容喞?br> 圖4A示出IPSπ晶胞φ＝10°的電壓與透光度的關(guān)系。
圖4b示出IPSπ晶胞φ＝30°的電壓與透光度的關(guān)系。
圖5示出IPSπ晶胞在各種摩擦角時(shí)的電壓與透光度的關(guān)系。
圖6示出IPSπ晶胞在不同摩擦角時(shí)的模擬的響應(yīng)時(shí)間。
圖7比較3IPSπ晶胞與同質(zhì)晶胞在各種摩擦角時(shí)的上升時(shí)間。
圖8示出φ＝10°和30°的IPSπ晶胞的灰階比較。
圖9比較了φ＝30°和10°的IPSπ晶胞的亮度。
圖10a示出φ＝30°的IPSπ晶胞模擬的視角、均勻?qū)Ρ榷容喞?br> 圖10b示出φ＝10°的IPSπ晶胞模擬的視角、均勻?qū)Ρ榷容喞?br> 較佳實(shí)施例的描述在詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明所披露的實(shí)施例之前，應(yīng)理解本發(fā)明在應(yīng)用方面并不限于所示具體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，因?yàn)楸景l(fā)明還可以有其它實(shí)施例。而且，本文使用的術(shù)語(yǔ)用于描述，不用于限制。
本發(fā)明所提供的新型器件結(jié)構(gòu)適用于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)時(shí)間、更高的高度和更線性的灰階，同時(shí)保持寬的視角。圖1示出一典型的共面切換結(jié)構(gòu)，偏振器主軸線平行于LC對(duì)準(zhǔn)(即摩擦)方向。LC摩擦方向即LC定向器與IPS電極成φ角，如在美國(guó)專利6,356,329131中，φ＝10°，在電壓切斷態(tài)中，背光被檢編器吸收而造成常黑態(tài)。電壓接通時(shí)，LC定向器以電場(chǎng)方向定向，因而光透射交叉的偏振器。交叉的偏振器是兩個(gè)光軸定為90°的偏振器，在此情況下，當(dāng)不加電壓時(shí)，在光通過(guò)第一偏振器后，它被第二偏振器(即檢偏器)阻斷，器件呈現(xiàn)黑態(tài)。對(duì)LC加電壓，LC的相位延遲變化，光通過(guò)偏振器漏出。
在IPS模式中，可用兩種LC對(duì)準(zhǔn)法實(shí)現(xiàn)常黑顯示同質(zhì)晶胞和π晶胞。圖2a示出同質(zhì)晶胞的LC排列，圖2b示出π晶胞的LC排列，主要差別在于預(yù)傾角(α)。由于預(yù)傾角作用，LC定向器多數(shù)對(duì)準(zhǔn)是不同的，使其物理特性截然不同。從右或左觀看時(shí)，π晶胞呈對(duì)稱，但同質(zhì)晶胞不對(duì)稱，因此在大斜角時(shí)，IPSπ晶胞呈現(xiàn)出比同質(zhì)晶胞更弱的色移。
除了不同的預(yù)傾角外，圖3a和3b在同樣條件下比較了同質(zhì)與π晶胞的視角。實(shí)際上，π晶胞呈現(xiàn)更大更寬的視角。
本發(fā)明主要關(guān)注于圖2b所示的IPSπ晶胞結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，發(fā)現(xiàn)大的摩擦角對(duì)顯示器有重要影響。摩擦角或方向是液晶分子的對(duì)準(zhǔn)方向，摩擦基片表面上的對(duì)準(zhǔn)層可使LC分子變得均勻。
首先觀察到透光度特性與摩擦方向有關(guān)。圖4a與4b分別對(duì)φ＝10°和30°的IPSπ晶胞繪制了電壓與透光度的關(guān)系。模擬時(shí)使用了下列參數(shù)LC混合物Merck MLC-6692(雙折射Δn＝0.085，介質(zhì)的各向異性Δε＝10.3，旋轉(zhuǎn)粘性r1＝0.1Pas)；LC晶胞間隙d＝4μm，電板寬度ω＝4μm，電極間隙(中心距)l＝8μm。計(jì)算使用的三種波長(zhǎng)是紅(R)＝650nm、綠(G)＝550nm和藍(lán)(B)＝450nm。
在φ＝10°(圖4a)與φ＝30°(圖4b)時(shí)，兩種IPSπ晶胞對(duì)紅綠藍(lán)(RGB)三基色都呈現(xiàn)出相對(duì)弱的色散，這對(duì)顯示器應(yīng)用是個(gè)希望的特征。
圖5示出對(duì)透光度的進(jìn)一步研究，圖中繪出了IPSπ晶胞在不用的摩擦角φ＝5、10、20、30和40和50°時(shí)的電壓與透光度的關(guān)系。該LC的指標(biāo)為“MerckMLC6692，dΔn＝340nm，λ＝550nm，預(yù)傾角α＝1°，λ＝550nm。晶胞參數(shù)不變。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，比較了λ＝550nm的透光度。如圖5所示，增大摩擦角造成三種變化(1)提高了通態(tài)電壓，(2)減了閥值電壓，(3)降低了最大透光度。
從圖5可見(jiàn)，φ從5°分別增大到10、20、30和40°時(shí)，通態(tài)電壓就從4.2Vrms提高到4.5、5.0、5.5和7.0Vrms。在IPS模式中，偏振器在V＝0時(shí)則置成平行于LC定向器，電壓一超過(guò)閥值，LC定向器在同一平面內(nèi)再取向。當(dāng)定向器從其原樣位置轉(zhuǎn)45°時(shí)，得出最大透光度。在φ＝5°時(shí)，當(dāng)LC定向器轉(zhuǎn)到50°時(shí)就出現(xiàn)最大透光度，因而其通態(tài)電壓相對(duì)低。但在φ＝40°時(shí)，為得到最大透光度，LC定向器必須轉(zhuǎn)到85°，即接近垂直于IPS電極，故其通態(tài)電壓較高。在φ＝50°時(shí)，雖然其通態(tài)電壓回?cái)[，但其最大透光度明顯減小，這并非最佳的選擇。
為減小通態(tài)電壓，可使用較高的介質(zhì)各向異性LC混合物或縮小電極間隙。在一次模擬中，使用了ω＝3μm和l＝6μm，φ＝30°的晶胞，則通態(tài)電壓由5.5Vrms減小到4.75Vrms。
如圖5的討論與演示，透光度與電壓相關(guān)；而且如下面在觀察摩擦角對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響方面的討論，透光度還與時(shí)間相關(guān)。圖6示出IPSπ晶胞在φ＝5、10、25、30、35、40與50°時(shí)模擬的響應(yīng)時(shí)間。因使用了不同的通態(tài)電壓，故在圖6的符號(hào)表里規(guī)定了加給各晶胞的電壓。LC材料的規(guī)格為MerckMLC-6692，dΔn＝340nm，λ＝550nm，預(yù)傾角α＝1°。
圖6中，φ從5°增大到10、25、30、35與40°時(shí)，上升時(shí)間(0～90％)縮短。衰減時(shí)間無(wú)明顯差異。φ＝40°與10°的上升時(shí)間分別為10ms和30ms，這一改進(jìn)對(duì)要求快速響應(yīng)時(shí)間的電視與計(jì)算機(jī)監(jiān)視器應(yīng)用尤為重要。通過(guò)簡(jiǎn)單地將摩擦角度增大到約30～40°，可得到快得多的響應(yīng)時(shí)間。這一優(yōu)點(diǎn)在美國(guó)專利6,356,329B1是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
圖7比較了各種摩擦角下的IPSπ晶胞與同質(zhì)晶胞的上升時(shí)間。晶胞間隙d＝4μm，LC為MLC-6692，λ＝550nm。φ＝40°與10°的上升時(shí)間分別為～10ms與30ms。同樣通過(guò)簡(jiǎn)單地將摩擦角增大到30～40°，可得到快得多的響應(yīng)時(shí)間。
增大摩擦角的另一優(yōu)點(diǎn)是灰階更加線性。圖8比較了IPSπ晶胞在φ＝10°與30°的灰階。對(duì)于φ＝10°與30°的情況，標(biāo)出了閥值電壓與通態(tài)電壓。由圖8可見(jiàn)，V1～1，5Vrms，V2～4.5Vrms，而V3～1.0Vrms，V4～5.5Vrms。這說(shuō)明φ＝10°的灰階更加線性。本例使用的LCD晶胞特征為MLC-6692，dΔn＝340nm，λ＝550nm，預(yù)傾角α＝1°。
更快的響應(yīng)時(shí)間還導(dǎo)致更高的顯示亮度，這是本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)。圖9比較了φ＝10°與30°的IPSπ晶胞的亮度，亮度正比于瞬時(shí)透光度曲線覆蓋的區(qū)域。在所感興趣的快速響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，接通時(shí)間要盡量快。計(jì)算了對(duì)應(yīng)于t＝20ms的區(qū)域。在t＝20ms，φ＝30°模式的亮度比美國(guó)專利6,356,329B1提出的模式(φ＝10°)高136％。若時(shí)間增至40ms，則亮度增益減至33％。圖9的特定LCD晶胞特征為L(zhǎng)CMerck MLC-6692，dΔn＝340nm，λ＝550nm，預(yù)傾角α＝1°。
圖10示出對(duì)比度CR＝300∶1、150∶1與10∶1的等對(duì)比度輪廓的曲線，兩條曲線近似相同，但取向角有偏移，因而改變摩擦角并不影響視角。對(duì)φ＝30°與φ＝10°的IPSπ晶胞的視角作了模擬，結(jié)果分別示于圖10a與10b。同樣地，視角沒(méi)有明顯變化，LCD晶胞特征為L(zhǎng)CMerck MLC-6692，dΔn＝340nm，λ＝550nm，預(yù)傾角α＝1°。
總之，我們的大摩擦角φ＞10°，較佳地φ～20-40°，較之Tamataui等人在美國(guó)專利6,356,329B1中提出的權(quán)利要求，IPSπ晶胞呈現(xiàn)出下列優(yōu)點(diǎn)首先，上升時(shí)間快2～3倍；其次，在前20ms接通過(guò)程中，亮度高136％；第三，要求的閾值電壓更低；第四，灰階更加線性。視角可保持一樣但是非常寬的。鑒于LCD監(jiān)視器取代了電視與計(jì)算機(jī)中越來(lái)越多的CRT監(jiān)視器，本發(fā)明在新的LCD技術(shù)中將有著廣泛的應(yīng)用。
雖然本發(fā)明在各種有望實(shí)現(xiàn)的一些實(shí)施例或修正案中作了描述、揭示、示例與圖示，但是本發(fā)明的范圍并不打算或被視為受此限制，而且特地專門(mén)保留了根據(jù)本文內(nèi)容提出的其它修正方案或?qū)嵤├?，因?yàn)樗鼈兌悸湓谒綑?quán)項(xiàng)的幅度與范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)快速響應(yīng)共面切換π晶胞液晶顯示器的方法，其特征在于，包括步驟提供一具有液晶取向角(摩擦角)的π晶胞液晶顯示器；和把摩擦角增大到大于約20度來(lái)加快顯示器的響應(yīng)時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述增大步驟還包括步驟把摩擦角增大到大于約30度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述增大步驟包括步驟把摩擦角增大到大約30～40度之間。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括步驟顯示器的響應(yīng)時(shí)間加快為約2～3倍。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括步驟把顯示器的亮度改進(jìn)至少約33％。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，顯示器包括計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，顯示器包括電視監(jiān)視器。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括步驟提高顯示器的灰階線性度。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括步驟保持顯示器的寬視角。
10.一種具有改善的快速響應(yīng)共面切換功能的液晶顯示器，其特征在于，包括具有液晶取向角(摩擦角)的液晶顯示器；和加快顯示器響應(yīng)時(shí)間的部件。
11.如權(quán)利要求10所述的液晶顯示器，其特征在于，所述加快部件包括用于將摩擦角增大到大于約20度的部件。
12.如權(quán)利要求10所述的液晶顯示器，其特征在于，所述加快部件包括用于將摩擦角增大到大約30～40度之間的部件。
13.如權(quán)利要求10所述的液晶顯示器，其特征在于，所述加快部件包括把顯示器的亮度提高至少約33％的部件。
14.如權(quán)利要求10所述的液晶顯示器，其特征在于，所述顯示器包括計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。
15.如權(quán)利要求10所述的液晶顯示器，其特征在于，所述顯示器包括電視監(jiān)視器。
16.如權(quán)利要求10所述的液晶顯示器，其特征在于，所述加快部件包括用于提高顯示器灰階線性度的部件。
17.如權(quán)利要求10所述的液晶，其特征在于，所述加快部件包括保持顯示器寬視角的部件。
全文摘要
響應(yīng)時(shí)間能比普通顯示器快2～3倍的透射型液晶顯示器，所述顯示器把摩擦角調(diào)整到大于約20度，較佳為約30～40度之間。所述顯示器具有快速響應(yīng)時(shí)間、增強(qiáng)的亮度和提高的灰階線性度，同時(shí)還保持著寬的視角。
文檔編號(hào)G02F1/1343GK1723412SQ03824338
公開(kāi)日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2003年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月26日
發(fā)明者S·T·吳, T·X·吳, Q·洪, X·朱, R·盧 申請(qǐng)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