專利名稱：具有補償薄膜的平面內(nèi)轉(zhuǎn)換液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顯示器，該顯示器包括一平面內(nèi)轉(zhuǎn)換(in-planeswitching)向列型液晶單元、一偏振器和一特別的補償薄膜。
背景技術(shù)：
液晶(LC)廣泛應(yīng)用于電子顯示器。在這些顯示系統(tǒng)中，LC層通常位于一對偏振器層之間。由第一偏振器偏振后的入射光通過液晶單元，并受到液晶中的分子取向的影響，該分子取向可通過作用于該單元上的電壓來改變。該改變后的光進入第二偏振器。利用該原理，可以控制從外部光源入射的光包括環(huán)境光的傳輸。實現(xiàn)該控制所需的能量通常大大小于用于其它顯示器類型，例如陰極射線管中的發(fā)光材料所需的能量。因此，LC技術(shù)用于大量電子成像裝置，包括但不局限于以輕重量、低功耗和長壽命為重要性能特征的數(shù)字表、計算器、便攜式計算機、電子游戲機等。
對比度、色彩再現(xiàn)、和穩(wěn)定的灰度級亮度是使用液晶技術(shù)的電子顯示器的重要質(zhì)量標(biāo)志。限制液晶顯示器的對比度的主要因素是光總有“泄漏”出液晶元件或單元的傾向，其中這些液晶元件或單元都處于暗或“黑”像素狀態(tài)。另外，該泄漏和液晶顯示器的對比度也基于觀看顯示屏的角度。通常，只有在以顯示器的法線方向為中心的很窄的視角內(nèi)才能看到最佳對比度。在彩色顯示器中，泄漏問題不僅降低了對比度而且還導(dǎo)致與彩色再現(xiàn)降低相關(guān)的色彩或色調(diào)的偏移。
液晶顯示器(LCD)正在快速的取代CRT(陰極射線管)作為用于臺式計算機和其它辦公或家庭用設(shè)備的監(jiān)視器。而且預(yù)期在最近的將來具有更大屏幕尺寸的LCD電視監(jiān)視器的數(shù)目將急劇增加。但是，除非解決掉視角依賴性問題，例如賦色、對比度降低和亮度反轉(zhuǎn)，LCD作為傳統(tǒng)CRT的替代品的應(yīng)用將被限制。
為了糾正這一問題，采用多種方法。其中一種是在LCD的液晶單元和偏振器之間放置相位延遲薄膜。該薄膜可補償液晶單元中的光線的相位延遲，從而在保持良好圖像質(zhì)量的同時增大了視角范圍。第二種方法是利用一種特定結(jié)構(gòu)的液晶單元。例如，在多疇模式中，可通過適當(dāng)?shù)貙⒚恳幌袼刂械囊壕ш犃蟹譃槎鄠€子像素來實現(xiàn)補償。
在這些方法中，在垂直于液晶單元表面的方向上施加電場，從而控制液晶分子的光軸的方向(光不會看到雙折射的方向)。這意味著傳統(tǒng)的LCD中的亮度變化主要是由在垂直于液晶單元表面的平面內(nèi)的液晶光軸方向的變化而導(dǎo)致的。這是當(dāng)在不同方向傳播的光線具有不同的相位延遲時具有很強的視角依賴性的主要原因。
在Ohe等的U.S.專利5600464中公開一種模式，其中在液晶單元的平面內(nèi)施加電場(下稱平面內(nèi)電場)。這種模式通常作為“平面內(nèi)轉(zhuǎn)換”模式的縮寫被稱為IPS模式。在IPS模式液晶顯示器中，液晶光軸在保持處于液晶單元的平面內(nèi)的同時，變化它的方向。這又將產(chǎn)生很好的視角特征。該視角特征(VAC)是指在不同觀察方向上對比率的變化。這里觀察方向是指圖1所示的對于液晶顯示器101的一組極性視角(polar viewing angle)α和方位視角(azimuthal viewingangle)β。該極性視角α是指與顯示器的法線方向103之間的角，該方位角β是指顯示器表面107的平面內(nèi)的適當(dāng)?shù)膮⒖挤较?05和矢量109在顯示表面107上的投影108之間的跨度。多種顯示圖像的性質(zhì)，例如對比率、色彩和亮度都是角度α和β的函數(shù)。
這里有在IPS模式液晶顯示器中操作的幾種可能類型。Lien等(SIDDigest1996，175-178頁)公開了不同的類型，其中液晶初始時采取均勻?qū)?zhǔn)或90度扭轉(zhuǎn)排列。參照圖2A、2B、2C、3A、3B、3C、4A、4B和4C在說明書中對它們進行說明。
圖2A為處于OFF狀態(tài)的均勻類型IPS模式液晶單元的頂視圖，該OFF狀態(tài)為沒有平面內(nèi)場的狀態(tài)。該液晶光軸201在平行于偏振器的透射軸203的方向上均勻取向。一對偏振器的透射軸203、204彼此交叉，其中“交叉”的意思是透射軸形成一角度，該角度范圍為90±10°。利用開關(guān)209將一對電極205A、205B與電壓源207連接。所有圖中所示的開關(guān)209都是簡化的結(jié)構(gòu)。圖中所示的開關(guān)表示通常的開關(guān)元件，例如常用于接通或關(guān)斷有源矩陣顯示器中的一單獨像素的薄膜晶體管(TFT)。圖2B和2C示出ON狀態(tài)，該狀態(tài)具有平面內(nèi)場。根據(jù)液晶的介電各向異性的符號，液晶取向平行(正各相異性，見圖2B)或垂直于(負各相異性，圖2C)由箭頭22表示的平面內(nèi)場方向。
圖3A、3B和3C分別為對應(yīng)于圖2A、2B和2C的側(cè)視圖。該均勻類型IPS模式液晶顯示器301具有兩個玻璃板309A和309B。第一偏振器302附著在玻璃板309A上，第二偏振器303附著在玻璃板309B上。圖3A為OFF狀態(tài)，其中液晶光軸304平行于第一偏振器302的透射軸。在圖3B中，液晶光軸304取向平行于電極307A和307B之間產(chǎn)生的平面內(nèi)場305的方向，而在圖3C中取向垂直于平面內(nèi)場305的方向。介電各向異性在圖3B中為正，在圖3C中為負。由于液晶光軸304平行于OFF狀態(tài)中的第一偏振器302的透射軸(圖2A和3A)，因此光不會看到雙折射，且被第二偏振器303阻擋。這樣該OFF狀態(tài)提供了一暗狀態(tài)。當(dāng)處于ON狀態(tài)時(圖2B、2C、3B和3C)，光軸304偏離其原始方向一定角度，且入射光線出現(xiàn)相位延遲。因此，輸出光線不再線性偏振。這樣，光的一些部分通過第二偏振器303。這對應(yīng)于亮狀態(tài)。但是，在實際應(yīng)用中，如圖3D所示，對于OFF狀態(tài)，液晶光軸304相對于液晶單元平面310(平行于玻璃板的表面，例如309A、309B的平面)具有非零傾角。這是例如通過機械摩擦實現(xiàn)的對準(zhǔn)過程的結(jié)果，且該角通常小于10度。我們可以將液晶光軸304的方位方向311定義為該液晶光軸304在單元平面310上的投影。因此，對于OFF(暗)狀態(tài)，均勻取向的液晶光軸304的方位方向311平行于偏振器302的透射軸。
圖4A示出處于OFF狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器的側(cè)視圖。由底和頂玻璃板和一對偏振器402和403形成扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器411。該第一偏振器402附著在玻璃板401A上，該第二偏振器403放置在玻璃板401B上。此時，該對偏振器402和403的透射軸平行，其中“平行”的意思是該對偏振器的透射軸形成0±10°的范圍內(nèi)的角度。該液晶光軸405表現(xiàn)出90°的方位扭轉(zhuǎn)。在圖4A中，該扭轉(zhuǎn)為右手性的，即液晶光軸405沿箭頭407所示的增加厚度的方向以逆時針方向旋轉(zhuǎn)。如果它在厚度方向上順時針旋轉(zhuǎn)，則稱為左手扭轉(zhuǎn)。當(dāng)在兩個電極413A、413B之間施加平面內(nèi)場時，則發(fā)生扭轉(zhuǎn)退繞。圖4B和4C分別示出在平面內(nèi)場中對于正和負的介電各向異性的處于ON狀態(tài)的液晶狀態(tài)示意圖。在OFF狀態(tài)下(圖4A)，在第一偏振器402的透射軸的方向上偏振的入射光旋轉(zhuǎn)90°，并被第二偏振器403吸收。這樣實現(xiàn)暗狀態(tài)。而在對應(yīng)于圖4B和4C的ON狀態(tài)為亮狀態(tài)，因為由于液晶光軸405的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的退繞，當(dāng)光線在進入第二偏振器403時不再是線性偏振。通常，光軸405相對于液晶單元平面441(這里平行于玻璃板401A、401B的表面)具有非零傾角。液晶光軸405的方位方向406定義為光軸405在液晶單元平面441上的投影方向。
采取了多種嘗試來改進使用相位延遲薄膜的IPS模式液晶顯示器的VAC。圖5A、5B、5C和5D示出各種由折射率橢球表示的相位延遲薄膜。在圖5A中，光軸503的方向位于平面501內(nèi)。對應(yīng)的折射率為非尋常波折射率ne。其它折射率為尋常波折射率no。如果ne＞no，則它稱為正A波膜，或者，反之為負A波膜。圖5A示出為正的情況。當(dāng)光軸505垂直于如圖5B所示的平面501時，則薄膜通常稱為C薄膜。如果ne＞no，為正，相反為負。圖5B中的實例為正。當(dāng)具有兩種折射率，尋常波折射率no和非尋常波折射率ne時，該A薄膜和C薄膜為單軸膜。在單軸媒介中，可使用它們的光軸來描述薄膜的結(jié)晶取向。這里還有雙軸情況，如圖5C所示，三個主要折射率nx0、ny0、nz0都不同。該慢軸位于最大折射率的方向上。在圖5C所示的例子中，最大折射率為nz0，因此慢軸509垂直于薄膜平面501。通常，如圖5D所示，慢軸511可指向相對于薄膜平面501的任何點。在雙軸媒介中，該光軸不需平行于該慢軸。但是，下面我們要使用慢軸來描述雙軸媒介的取向。
U.S.專利6184957公開了對于IPS模式液晶顯示器具有負雙折射(ne＜no)的薄膜的使用。當(dāng)與IPS模式液晶單元結(jié)合時，本方法防止在特定視角的灰度反轉(zhuǎn)和賦色。圖6A示出本方法應(yīng)用于扭轉(zhuǎn)類型的IPS模式液晶顯示器631的情況。該扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元601夾在偏振器603和薄膜605之間。另一偏振器607位于薄膜605的頂部。該薄膜605在這種情況下包括負雙折射率材料且它的光軸在平行于薄膜表面(扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的薄膜)的平面中表現(xiàn)出90°的方位扭轉(zhuǎn)。在這個例子中，薄膜605中的扭轉(zhuǎn)的檢測選擇為與液晶單元的相反。此時這對偏振器的透射軸609、611交叉。圖6A中的顯示器的VAC如圖6B所示。圓圈621、623和625分別表示對比率400、800和1200。線627跟蹤當(dāng)極性視角α＝30°時對于方位視角0°≤β＜360°的對比率的變化。該方法與非補償情況相比表現(xiàn)出一些進步，但當(dāng)β約45°、135°、225°或315°變化時對比率下降。
在另一光學(xué)補償IPS模式液晶顯示器的嘗試中，Saitoh等(SIDdigest 1998 706-709頁)希望改進均勻類型IPS模式液晶顯示器。這通過在均勻類型IPS模式液晶單元和偏振器之間放置相位延遲薄膜來實現(xiàn)。該均勻類型IPS模式液晶顯示器717如圖7A所示。一單獨的雙軸補償薄膜701與均勻類型IPS模式液晶單元703和一對偏振器705和707組合使用。雙軸補償薄膜701的慢軸709的方向平行于偏振器705的透射軸方向711和處于OFF狀態(tài)的均勻類型IPS模式液晶單元703的液晶光軸713的方位方向。另一偏振器705的透射軸711垂直于另一偏振器707的透射軸715。該結(jié)構(gòu)降低OFF狀態(tài)的光泄漏并增加對比率。但是，這種方法在圖3D所示的具有非零傾角的情況下具有很嚴(yán)重的局限性。如上所述，由于實際應(yīng)用中的校準(zhǔn)過程引起液晶光軸304相對于液晶單元平面310具有非零傾角。這引起在OFF狀態(tài)的光泄漏并導(dǎo)致對比率降低。圖7B和7C分別為在＝2°和＝4°時在OFF和ON狀態(tài)之間對比率的極坐標(biāo)圖。這里繪出了當(dāng)極性視角α＝30°，方位視角范圍為0°≤β＜360°時，對比率721、731(這里，對比率300、600和900分別對應(yīng)于同心圓723、725和727)的變化。它們證明了在非常寬的方位視角β的范圍內(nèi)，由液晶光軸的傾角的增加導(dǎo)致的對比率的衰減。例如，在β＝150°和330°時，對比率從＝2°(圖7B)的550降低到＝4°的小于300。
上述的IPS模式和補償方法已經(jīng)對液晶顯示器的VAC進行了一定程度的改進。但是在仔細檢查后，發(fā)明人認識到現(xiàn)有技術(shù)的IPS模式液晶顯示器不能達到滿意的視覺質(zhì)量。這主要是因為在高視角時對比率會降低。這部分是由于不能忽略的傾角導(dǎo)致的OFF狀態(tài)中光泄漏，該傾角是液晶光軸相對于液晶單元平面對準(zhǔn)的角。而且交叉的偏振器的光泄漏也降低了視覺質(zhì)量。
改善IPS向列型液晶顯示器的VAC是一個需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一顯示器，它包括一平面內(nèi)轉(zhuǎn)換(IPS)模式液晶單元、一偏振器、和一補償薄膜，該補償薄膜包括一正雙折射材料，以其光軸在垂直于液晶單元平面的平面內(nèi)傾斜取向，還提供了利用該顯示器成像的方法。這種顯示器表現(xiàn)出改進的視角特征(VAC)。


圖1示出一顯示器的視角的定義。
圖2A為在OFF狀態(tài)的均勻型IPS模式液晶顯示器的頂視圖。圖2B和2C為ON狀態(tài)的圖。在圖2B中，液晶的介電各向異性為正，而在圖2C中為負。
圖3A、3B和3C分別為對應(yīng)于圖2A、2B和2C的均勻型IPS模式液晶顯示器的側(cè)視圖。圖3D示出對應(yīng)于圖3A液晶光軸具有非零傾角的OFF狀態(tài)。
圖4A為OFF狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)型IPS模式液晶顯示器的側(cè)視圖。圖4B和4C為ON狀態(tài)。圖4B中液晶的介電各向異性為正，而在圖4C中為負。圖4D示出對應(yīng)于圖4A液晶光軸具有非零傾角的OFF狀態(tài)。
圖5A、5B、5C和5D示出相對于薄膜平面的各種相位延遲薄膜的折射率橢球。圖5A和5B分別示出A薄膜和C薄膜。圖5C和5D示出雙軸薄膜。該慢軸與圖5C中的平面成法向，且在圖5D中指向任何方向。
圖6A為使用扭轉(zhuǎn)型IPS模式液晶單元的現(xiàn)有技術(shù)顯示器。圖6B為在極性視角α＝30°時，對應(yīng)方位視角β的對比率曲線。
圖7A為具有均勻類型IPS模式液晶單元的現(xiàn)有技術(shù)顯示器結(jié)構(gòu)。圖7B和7C為在極性視角α＝30°時，對應(yīng)方位視角β的對比率曲線。液晶光軸的傾角在圖7B和7C中分別為2°和4°。
圖8A示出正的雙折射率折射率橢球，表現(xiàn)置于基膜上的各向異性層的構(gòu)成材料。圖8B示出具有均勻傾斜的光軸的薄膜。圖8C是當(dāng)光軸方向在厚度方向上改變的情況。
圖9A示出本發(fā)明顯示器的示意圖。圖9B示出當(dāng)極性視角α＝30°時對比率相對于方位視角β的曲線圖。
圖10A示出負的雙折射率折射率橢球，表現(xiàn)置于基膜上的各向異性層的構(gòu)成材料。圖10B示出具有扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)薄膜的結(jié)構(gòu)。
圖11A示出根據(jù)本發(fā)明顯示器的示意圖。圖11B為對應(yīng)于圖11A的顯示器的截面圖。圖11C為另一顯示器結(jié)構(gòu)的截面圖，其中扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的層置于正的雙折射材料上，且它的光軸在垂直于液晶單元平面的平面中傾斜。圖11D為對于圖11A、11B和11C所示的顯示器，當(dāng)極性視角α＝30°時對比率相對于方位視角β的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在在圖中標(biāo)注出了附圖標(biāo)記，其中對本發(fā)明的不同元件給出了數(shù)字標(biāo)示，這樣將說明本發(fā)明從而使本領(lǐng)域技術(shù)人員可以實現(xiàn)本發(fā)明。
圖2A、2B和2C示出均勻類型IPS模式液晶顯示器的操作模式。在圖2A所示的OFF狀態(tài)中，液晶光軸201平行于第一偏振器203的透射軸。在圖2B和2C所示的ON狀態(tài)中，液晶光軸201偏離偏振器透射軸203的方向。圖3A、3B和3C分別為對應(yīng)于圖2A、2B和2C的截面圖。在OFF狀態(tài)中，通過第一偏振器302的光不會出現(xiàn)雙折射，因此被第二偏振器303吸收。因此該OFF狀態(tài)給出暗狀態(tài)。另一方面，在ON狀態(tài)中，光表現(xiàn)出液晶的雙折射，因為液晶光軸304偏離于第一偏振器302的透射軸方向。當(dāng)它到達第二偏振器303時，它不再在垂直于第二偏振器的透射軸的方向上線性偏振，這導(dǎo)致亮態(tài)。實現(xiàn)高對比率的一個關(guān)鍵是防止在OFF狀態(tài)下的光泄漏。由于光軸位于OFF狀態(tài)的偏振器302的透射軸上，因此可以通過補償交叉的偏振器來減少光泄漏。圖7A所示的這一方法說明了對VAC的一些改進。根據(jù)本方法，雙軸補償薄膜701位于均勻類型IPS模式液晶單元703和偏振器705之間。這對偏振器705、717的透射軸711、715交叉。雙軸補償薄膜的慢軸709平行于IPS模式液晶單元703的液晶光軸713的方位方向(此時與水平方向成75°角)和偏振器705的透射軸711。但是，如圖3D所示，當(dāng)光軸304與液晶單元平面310存在非零傾角時，不能阻擋OFF狀態(tài)的光。由于光泄漏，在沒有合適的補償方法時，不能在所有的方位視角β都實現(xiàn)高對比率。作為一個例子，圖7B和7C中示出根據(jù)對比率的方位視角依賴性，分別對于＝2°和＝4°的視角特征(VAC)進行比較。該對比率是對于極性視角α為30°時的情況。線721為于傾角＝2°時對比率的極坐標(biāo)圖。如圖7C所說明的，如線731所示，傾角增加到4°導(dǎo)致對比率的降低。在本發(fā)明中，通過將顯示器與補償薄膜結(jié)合，可以顯著提高均勻類型IPS模式液晶顯示器的VAC，其中該薄膜的光軸在垂直于單元表面的平面中傾斜。
如圖8B和8C所示，用于根據(jù)本發(fā)明的均勻型IPS液晶顯示器的補償薄膜805、813具有一個置于基膜811上的光學(xué)各向異性層809。該基膜811的光學(xué)特性最好近似于圖5B所示的單軸正C薄膜的光學(xué)特性。其慢軸垂直于該薄膜的雙軸薄膜，例如圖5C所示也可以用作基膜811。對于單軸情況(對應(yīng)于圖5B)基膜811的平面外相位延遲Rbase可用它的厚度dbase表示為Rbase＝dase(nebase-n0base)，對于雙軸情況(對應(yīng)于圖5C)表示為Rbase=dbase(nz0base-nx0base+ny0base2).]]>這里n0base和nebase分別為對于單軸基膜的尋常光和非尋常光的折射率。nx0base、ny0base和nz0base為在圖5C和5D所示的結(jié)構(gòu)中的雙軸基膜的三個主要折射率。Rbase的優(yōu)選值為60nm＜Rbase＜100nm或更優(yōu)選為70nm＜Rbase＜90nm。
該各向異性層809包括一種具有單軸或雙軸性質(zhì)的光學(xué)屬性的材料。該材料的光軸的方向固定為薄膜平面上的一個方位角。該方位角可由基膜811和光學(xué)各向異性材料809的一個層之間的一排列層來固定。當(dāng)該材料具有單軸性質(zhì)時，如圖8A中的折射率橢球801所示，它有兩個相等的折射率n0ans.＝n1＝n2，它們都小于neans.＝n3，其中n0ans.和neans.分別為各向異性層的連續(xù)材料的尋常和非尋常折射率。在單軸情況下，光軸803的方向?qū)?yīng)于最大折射率n3，該材料為正雙折射。在雙軸情況中，所有的折射率具有不同的值，且該光軸不需要位于最大折射率的方向上。
本發(fā)明的補償薄膜805、813如圖8B和8C所示。一正的雙折射材料淀積在基膜811上。在圖8B中，材料807的光軸在薄膜厚度上一致的具有θ1的傾角，而在圖8C中傾角變?yōu)棣?≠θ3。這里有兩種可能的情況，增加(θ2＜θ3)或減小(θ2＞θ3)傾斜。薄膜815的方位方向被定義為光軸傾斜方向807在基膜811的平面上的投影，該平面對應(yīng)于圖8B和8C中的x-y平面。對于一致的情況，傾角θ1的角度在0°＜θ1≤10°范圍內(nèi)或更優(yōu)選在2°≤θ1≤8°。當(dāng)傾角改變時，有兩種情況，1)減小傾角(θ2＞θ3)和2)增加傾角(θ3＞θ2)。在減小的情況下，θ2和θ3的范圍為10°≤θ2≤20°、0°≤θ3≤10°，或更優(yōu)選10°≤θ2≤15°、0°≤θ3≤5°。增加的情況正好相反，即θ2和θ3的范圍為0°≤θ2≤10°、10°≤θ3≤20°，或更優(yōu)選0°≤θ2≤5°、10°≤θ3≤15°。乘積dans(neans-n0ans)的值的范圍優(yōu)選在120nm＜dans(neans-n0ans)＜150nm，或更優(yōu)選130nm＜dans(neans-n0ans)＜145nm，其中dans為各向異性層809的厚度。
圖9A示出根據(jù)本發(fā)明的均勻類型IPS模式液晶顯示器921的例子。一對偏振器907、908的透射軸相交。該IPS模式液晶單元903位于補償薄膜905和偏振器908之間。另一偏振器907的透射軸909平行于補償薄膜913的方位方向。它也平行于在OFF狀態(tài)下的均勻類型IPS模式液晶單元903的液晶光軸911的方位方向。這對偏振器908、907的透射軸901、909相交。該補償薄膜905具有如圖8C所示的薄膜813的結(jié)構(gòu)，其中基膜具有正C薄膜光學(xué)特性。產(chǎn)生的VAC如圖9B所示。同心圓923、925、927分別指示對比率300、600和900。線929表示當(dāng)從與顯示器法線成30°角來觀看顯示器，即α＝30°時，對比率對不同方位視角β的變化。與圖7C所示的現(xiàn)有技術(shù)顯示器717的VAC相比，根據(jù)本發(fā)明的顯示器的對比率的改進已經(jīng)由圖9B中的VAC表示出來。顯示器717和921具有相同的液晶光軸304的傾角＝4°。例如，對于β＝150°和330°的對比率已經(jīng)從小于300增加到550或更大。應(yīng)當(dāng)理解補償薄膜905也可以采用圖8B所示的薄膜805的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器利用結(jié)合補償薄膜和一扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的薄膜來進行補償，該補償薄膜包括一正雙折射材料，該材料的光軸在垂直于液晶單元平面的平面內(nèi)傾斜。該扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的薄膜包括一負雙折射材料，它在光軸方向上表現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。該補償薄膜包括一種正雙折射材料，該材料的光軸在垂直于液晶單元平面的平面中傾斜。
根據(jù)本發(fā)明，該扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器還由一薄膜補償，該薄膜包括一種正雙折射材料和一種負雙折射材料，該正雙折射材料的光軸在垂直于液晶單元平面的平面中傾斜，該負雙折射材料的光軸沿厚度方向扭轉(zhuǎn)。
在U.S.6184400中公開了負雙折射扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)薄膜用于扭轉(zhuǎn)向列模式液晶顯示器。圖10A示出用于負雙折射材料的折射率橢球1001。該光軸位于箭頭1003所示的方向。折射率滿足關(guān)系式n3＜n1≈n2。這里對于單軸情況，neneg＝n3且n0neg＝n1＝n2(即neneg＜n0neg)。負雙折射材料的尋常和非尋常折射率由n0neg和neneg表示。圖10B中示出扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的薄膜1013的例子。該扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的層1011淀積在基膜1009上。該基膜1009的光學(xué)特性優(yōu)選為各向同性。如本領(lǐng)于技術(shù)人員所公知，一各向同性材料具有三個相等的主要折射率，即n1＝n2＝n3。也可使用具有弱的單軸或雙軸特性的薄膜。在層1011內(nèi)部，負雙折射薄膜的光軸1005、1007在薄膜平面中旋轉(zhuǎn)90°。該旋轉(zhuǎn)的手型性最好與扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元的相反。在圖10B的例子中，在層1011內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)為右手向。薄膜dneg的厚度滿足0.8Rcell＜dneg(n0neg-neneg)＜1.2Rcell或更優(yōu)選為0.9Rce11＜dneg(n0neg-neneg)＜1.1Rcell，其中Rcell為扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元的相位延遲。它由Rcell＝dcell(nek-n0k)來給出，其中dcell為扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元的厚度。nek和n0k分別為液晶對于尋常和非尋常光的折射率。
用于扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器的補償薄膜具有如圖8B所示的薄膜805或如圖8C所示的薄膜813的結(jié)構(gòu)。利用圖8B所示的均勻傾角結(jié)構(gòu)，θ1優(yōu)選在0°＜θ1＜6°或更優(yōu)選在0°＜θ1＜4°的范圍內(nèi)。當(dāng)傾斜改變，如圖8C所示情況時，可能有兩種情況1)減小傾角θ2＞θ3和2)增加傾角θ2＜θ3。在第一種情況下，θ2和θ3的值的范圍優(yōu)選為0°＜θ2≤8°、0°≤θ3≤4°，或更優(yōu)選為0°＜θ2≤4°、0°≤θ3≤2°。對于增加的情況，它正好與減小的情況相反，即θ2和θ3的值的范圍優(yōu)選為0°θ2≤4°、0°＜θ3≤8°，或更優(yōu)選為0°≤θ2≤2°、0°＜θ3≤4°。
圖11A為本發(fā)明顯示器1149的實施例之一。在補償薄膜1111和扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)薄膜1105之間夾有一扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元1107。使用一對偏振器1103和1109，它們的透射軸1101和1103交叉。該補償薄膜1111的方位方向1115平行于相鄰偏振器1109的透射軸1113。
圖11B為圖11A中顯示器1149在OFF狀態(tài)時的截面圖。該扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元1107具有一底玻璃板1123A和頂玻璃板1123B和用于提供平面內(nèi)場的一組電極1125A、1125B。在該單元的底部，液晶光軸1173的方位方向1171平行于偏振器1109的透射軸。在該單元的頂部，液晶光軸(未示出)的方位方向1163平行于頂部偏振器1103的透射軸。在淀積在基層1104上的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)層1167的內(nèi)部，該負雙折射材料具有扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。在圖11B所示的例子中，扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元1107內(nèi)部的液晶光軸扭轉(zhuǎn)的手型性為右。對應(yīng)的，扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)層1167具有左手扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。該扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)層1167的光軸1161和在它們邊界界面1165處的液晶光軸的方位方向1163彼此平行。
圖11C示出具有一薄膜的顯示器1159的截面圖，該薄膜包括一正雙折射材料和一負雙折射材料，該正雙折射材料的光軸在垂直于液晶單元平面的平面內(nèi)傾斜，該負雙折射材料的光軸沿厚度方向扭轉(zhuǎn)。此時，用于補償單元1107的薄膜的結(jié)構(gòu)為其中扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的層1167位于補償薄膜1111上。該補償薄膜1111可具有圖8B(805)或圖8C(813)所示結(jié)構(gòu)中的任一個。當(dāng)在圖11A和11B的顯示器的情況下，扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的層1167的光軸1161和液晶光軸1169的方位方向1163在它們的邊界接界面1165上彼此平行。
圖11D示出圖11A和11B所示的扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器1149的VAC。在該例子中，補償薄膜1111的結(jié)構(gòu)為圖8B所示的805的結(jié)構(gòu)。在極性視角α＝30°時，相對于0≤β＜360°，線1151示出VAC相對于對比率的變化。圓圈1153、1155、1157分別對應(yīng)于對比率400、800和1200。與圖6A所示的現(xiàn)有技術(shù)扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器631的圖6B所示的VAC相比，本發(fā)明具有進步。例如，在β＝45°、135°、225°和315°時的對比率已經(jīng)從400或400以下增加為大于800。顯示器1159表現(xiàn)出顯示器1149的等效VAC。
圖8B和8C所示的光學(xué)各向異性層809可由多種方法實現(xiàn)。一個例子是Schadt等(Japanese Journal of Applied Physics，部分2(letters)v34 n 6 1995 pp.L764-767)提出來的光校準(zhǔn)方法。例如，在基膜上涂上一薄的對準(zhǔn)層，然后用偏振光輻射。然后液晶單體涂在該排列層上并利用進一步輻射使之聚合。在各向異性層中的光軸的傾斜是基于輻射角、各向異性層厚度以及材料的屬性。而且，可以通過機械摩擦排列層的表面來實現(xiàn)所需的排列。其它已知的方法利用剪切力來取向和電場或磁場的作用?？梢允褂孟嗤呐帕蟹椒▉頊?zhǔn)備包括負雙折射薄膜的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)薄膜，從而在層1011的底部獲得在光軸1007的均勻的方向。例如，可以通過U.S.專利6245398中所述的方法來實現(xiàn)該具有所需的手型性的在層厚度方向上的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
IPS模式液晶顯示器中的電極結(jié)構(gòu)還有很多變化，例如U.S.專利6362032中所教導(dǎo)的。如果光軸保持與處于ON或OFF狀態(tài)中的一種狀態(tài)的液晶單元平面足夠平行(在±10°內(nèi))，則本發(fā)明同樣可用于具有所有這些電極結(jié)構(gòu)變化的IPS模式液晶顯示器。
本發(fā)明可與電子液晶顯示裝置一起使用。實現(xiàn)這種控制所需的能量通常大大小于在其它顯示類型例如陰極射線管中所用的發(fā)光材料所需的能量。因此，液晶技術(shù)可用于大量應(yīng)用，包括但不局限于數(shù)字表、計算器、便攜式計算機、電子游戲機等以輕重量、低功耗和長壽命作為重要特征的裝置。
在下面的例子中，使用Merck Inc.出產(chǎn)的液晶ZLI-4621。
例子1如圖9A所示的均勻類型IPS模式液晶顯示器921。
該單元厚度為3.47微米，這使得對于波長為550nm的光來說Rcell＝342nm。補償薄膜905具有如圖8C所示的θ2＝11°且θ3＝2°的薄膜813結(jié)構(gòu)。各向異性層809具有乘積dans(neans-n0ans)＝140nm?；?11具有正C薄膜光學(xué)屬性，Rbase＝80nm。該OFF狀態(tài)對應(yīng)于施加的電壓為0V，而在ON狀態(tài)時，施加的電壓為10V。兩個相鄰電極之間的距離為15微米，電極寬度為7微米。液晶光軸在單元表面310的傾角為4°。該顯示結(jié)構(gòu)如圖9A所示，且它的VAC如圖9B所示。
本發(fā)明的顯示器921與圖7C所示的現(xiàn)有技術(shù)顯示器717相比具有更好的VAC(如圖9B所示)。顯示器921與圖7A所示的現(xiàn)有顯示器717相比，對很寬范圍的方位視角β具有增加的對比率。
例子2圖11A和11B所示的扭轉(zhuǎn)型IPS模式液晶顯示器1149。
該單元厚度為4.96微米，兩相鄰電極之間的距離為15微米，電極寬度為7微米。在該扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元中的液晶光軸扭轉(zhuǎn)90°，且扭轉(zhuǎn)為右手向。補償薄膜1111具有θ1＝2°時圖8B所示的薄膜805的結(jié)構(gòu)。該補償薄膜的基膜811的相位延遲Rbase為80nm。該各向異性層809具有乘積dans(neans.-n0ans.)＝135nm。扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)薄膜1105的基膜1104最好為光學(xué)各向同性。該扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)層1167內(nèi)部的負雙折射材料的光軸扭轉(zhuǎn)90°，且扭轉(zhuǎn)為左手型。假設(shè)等式dneg(n0neg-neneg)＝dcell(nek-n0k)。該OFF電壓為0V且ON電壓為13V。液晶光軸的傾角為3°。圖11D示出如圖11A和11B所示的扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器1149的VAC。本發(fā)明的顯示器1149與圖6A所示的現(xiàn)有技術(shù)顯示器631相比具有更好VAC。顯示器1149與現(xiàn)有顯示器631相比對于很寬的方位視角β具有增加的對比率。特別的，在角度β＝45°、135°、225°和315°時增加更為明顯。
本發(fā)明的實施例可提供更好的方法來防止IPS模式液晶顯示器的OFF狀態(tài)下的光泄漏；還可通過將IPS模式液晶單元與補償薄膜結(jié)合利用IPS模式提供寬視角LCD；還可提供包括本發(fā)明的顯示器的電子裝置和用于準(zhǔn)備實現(xiàn)本發(fā)明顯示器的方法。包括正雙折射材料的補償膜可用于與均勻和扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元結(jié)合，該材料的光軸在垂直于液晶單元平面的平面內(nèi)傾斜。
本發(fā)明的實施例提供了一種顯示器，其中在IPS模式液晶單元和偏振器之間放置補償薄膜；包括一位于正雙折射層和基膜之間的對準(zhǔn)層；其中，橫跨層的厚度方向，正雙折射材料層的光軸的傾斜是一致的；其中橫跨層的厚度方向，正雙折射材料層的光軸的傾斜變化；其中該補償薄膜位于IPS模式液晶單元和偏振器之一之間；其中當(dāng)沒有施加場時，該方位旋轉(zhuǎn)為右手向或左手向；且其中可通過任何手段，例如光校準(zhǔn)、機械摩擦、利用剪切力等，或利用電場或磁場效應(yīng)，來實現(xiàn)補償薄膜中的正雙折射材料的光軸的取向。
在說明書中涉及的專利和其它公開物的全部內(nèi)容都通過引用結(jié)合在此。
部件列表101液晶顯示器103顯示器法線方向105液晶顯示器的方位參考方向107液晶顯示器表面108觀看方向在顯示器表面上的投影109指示觀看方向的矢量201液晶光軸202指示平面內(nèi)電場方向的箭頭203偏振器的透射軸204偏振器的透射軸205A、205B用于平面內(nèi)電場的電極對207電壓源209開關(guān)301均勻類型IPS模式液晶顯示器302偏振器303偏振器304液晶光軸305指示平面內(nèi)電場方向的箭頭307A、307B用于平面內(nèi)電場的電極對309A、309B底和頂玻璃板
310液晶單元平面311液晶光軸304的方位方向401A、401B底和頂玻璃板402偏振器403偏振器405液晶光軸406液晶光軸405的方位方向407指示厚度方向的箭頭411扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器413A、413B用于平面內(nèi)電場的電極對441液晶單元平面501相位延遲薄膜平面503光軸505光軸509慢軸511慢軸601扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元603偏振器605扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)薄膜607偏振器609偏振器603的透射軸611偏振器607的透射軸621指示對比率400的圓圈623指示對比率800的圓圈625指示對比率1200的圓圈627表示對比率對不同方位視角β的變化的線631扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器701雙軸補償薄膜703均勻類型IPS模式液晶顯示單元705偏振器707偏振器709雙軸補償薄膜的慢軸
711偏振器705的透射軸713均勻類型IPS模式液晶單元703在OFF狀態(tài)下的液晶光軸的方位方向715偏振器707的透射軸717均勻類型IPS模式液晶顯示器721表示對比率對于不同方位視角β的變化的線723指示對比率300的圓圈725指示對比率600的圓圈727指示對比率900的圓圈731表示對比率對于不同方位視角β的變化的線801表示正雙折射材料的折射率橢球803光軸的方向805光軸均勻統(tǒng)一傾斜的補償薄膜807光軸809光學(xué)各向異性層811基膜813具有變化的光軸方向的補償薄膜815補償薄膜的方位方向901偏振器908的透射軸903均勻類型IPS模式液晶單元905補償薄膜907偏振器908偏振器909偏振器907的透射軸911均勻類型IPS模式液晶單元的處于OFF狀態(tài)的液晶光軸的方位方向913補償薄膜的方位方向921根據(jù)本發(fā)明的均勻類型IPS模式液晶顯示器923指示對比率300的圓圈925指示對比率600的圓圈927指示對比率900的圓圈929表示對比率對于不同方位視角β的變化的線
1001表示負雙折射材料的折射率橢球1003指示光軸方向的箭頭1005層1011頂部的光軸1007層1011底部的光軸1009基膜1011扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的層1013扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的層1101偏振器1103的透射軸1103偏振器1104基膜1105扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的薄膜1107扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元1109偏振器1111補償薄膜1113偏振器1109的透射軸1115補償薄膜1111的方位方向1123A、1123B一對底和頂玻璃板1125A、1125B一對用于產(chǎn)生平面內(nèi)電場的電極1149根據(jù)本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器1151表示對比率對于不同方位視角β的變化的線1153指示對比率400的圓圈1155指示對比率800的圓圈1157指示對比率1200的圓圈1159根據(jù)本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶顯示器1161負雙折射材料在界面1165處的光軸1163液晶光軸1169的方位方向1165扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的薄膜1105和扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元1107之間的界面1167扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的層1169液晶光軸1171液晶光軸1173的方位方向1173液晶光軸
權(quán)利要求
1.一種顯示器，包括一平面內(nèi)轉(zhuǎn)換(IPS)模式液晶單元、一偏振器、一補償薄膜，該補償薄膜包含一種正雙折射材料，其光軸取向為在垂直于液晶單元平面的平面內(nèi)傾斜。
2.如權(quán)利要求1所述的顯示器，包括一對偏振器，分別置于該IPS模式液晶單元的每一側(cè)上，該對偏振器的透射軸交叉。
3.如權(quán)利要求1或2所述的顯示器，其中正雙折射材料置于一基膜上，該基膜具有正的光學(xué)各向異性，光軸或慢軸沿基膜的法線方向。
4.如權(quán)利要求1或2所述的顯示器，其中當(dāng)沒有施加場時，液晶光軸的方位方向均勻取向，取向為與偏振器中的一個的透射軸平行的方向。
5.如權(quán)利要求1或2所述的顯示器，其中IPS模式液晶單元內(nèi)部的液晶光軸表現(xiàn)出相對于單元厚度方向的方位旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求5所述的顯示器，其中在偏振器和IPS模式液晶單元之間放置一附加光學(xué)各向異性薄膜，所述光學(xué)各向異性薄膜包含負雙折射材料且所述負雙折射材料的光軸表現(xiàn)出具有IPS模式液晶單元內(nèi)部的液晶光軸旋轉(zhuǎn)的相反手型性的方位旋轉(zhuǎn)。
7.如權(quán)利要求6所述的顯示器，其中乘積dneg(n0neg-neneg)滿足0.8Rcell＜dneg(n0neg-neneg)＜1.2Rcell，其中n0neg和neneg分別為負雙折射材料的尋常和非尋常折射率，dneg為所述包含負雙折射率材料的光學(xué)各向異性薄膜的厚度，Rcell為扭轉(zhuǎn)類型IPS模式液晶單元的相位延遲。
8.如權(quán)利要求6所述的顯示器，其中所述光學(xué)各向異性薄膜的光軸和IPS模式液晶單元內(nèi)部的液晶光軸在它們的邊界界面處彼此平行。
9.如權(quán)利要求6所述的顯示器，其中包含正雙折射材料的補償薄膜置于基膜上，該基膜為正光學(xué)各向異性，光軸或慢軸沿基膜的法線方向。
10.形成如權(quán)利要求1所述的顯示器的方法，其中該補償薄膜中的正雙折射材料的光軸的取向通過光對準(zhǔn)來實現(xiàn)。
全文摘要
公開一種顯示器，包括一平面內(nèi)轉(zhuǎn)換(IPS)模式液晶單元、一偏振器、一補償薄膜，該補償薄膜包含一種正雙折射材料，這種材料的光軸在垂直于液晶單元平面的平面內(nèi)傾斜。這種顯示器表現(xiàn)出改進的視角特性。
文檔編號G02B5/30GK1475847SQ0313289
公開日2004年2月18日 申請日期2003年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者T·伊施卡瓦, 米向東, T 伊施卡瓦 申請人:伊斯曼柯達公司