專利名稱：垂直配向彩色液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彩色液晶顯示器。
背景技術(shù)：
彩色液晶顯示器(LCD)通常的制造方法是在獨(dú)立的像素上安裝濾色器。這些濾色器是具有彩色色素的樹脂。通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合可制造全彩色的顯示器。這種配色方案是目前在主動(dòng)式矩陣(active matrix)液晶顯示器及被動(dòng)式矩陣(passive matrix)液晶顯示器中使用的主要技術(shù)。這樣可以產(chǎn)生出許多顏色。
在許多應(yīng)用場(chǎng)合中，使用幾種顏色就已足夠，而無需顯示全部的顏色。在無需顯示全部顏色的低價(jià)產(chǎn)品中更是如此。目前已有一些無需應(yīng)用濾色器即可生成彩色效果的方案。無需濾色器就可產(chǎn)生出色彩的優(yōu)點(diǎn)很多，最重要的是費(fèi)用低廉，易于制造。山口(Yamaguchi)等及楊等人首先提出了在液晶顯示器中增加雙折射薄膜(birefringent film)來產(chǎn)生色彩的方法。雙折射彩色(birefringence color)是由于液晶單元透射的干涉效應(yīng)(interference effect)和色散效應(yīng)(dispersion effect)形成的。人們大部分的注意力都集中于扭曲角(twist angle)超過180°的超扭曲(supertwisted nematic，STN)液晶顯示器，但仍有必要針對(duì)較小的扭曲角開發(fā)類似的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明，至少是其優(yōu)選的形式，可以在低扭曲液晶顯示器中應(yīng)用垂直配向(vertically aligned)液晶單元以取得鮮明的色彩而無需使用濾色鏡。垂直配向可使液晶顯示器在無電壓的情況下也很明亮。它也可根據(jù)偏振角(polarizer angle)而產(chǎn)生顏色。施以外加電壓，顯示器就可顯示不同的顏色。在僅需幾種顏色而無灰度要求的情況下，這種顯示器有很多的用途。例如在可改變顏色、進(jìn)行電子游戲的鐘表中進(jìn)行應(yīng)用。本發(fā)明既可以是反射式，也可以是透反射式的，而且易于制造。


這里，通過舉例并參考附圖的形式對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明，其中圖1是透射式液晶顯示器單元(transmittive LCD cell)的示意圖，圖2是透反射式液晶顯示器單元(transflective LCD cell)的示意圖，圖3是反射式液晶顯示器單元(reflective LCD cell)的示意圖，圖4是液晶顯示器單元投射在x-y平面上的各個(gè)方向和矢量的示意圖，圖5所示為本發(fā)明的第一個(gè)和第三個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例的透射光譜，圖6所示為本發(fā)明的第二個(gè)和第四個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例的透射光譜。
具體實(shí)施例方式
液晶顯示器包括液晶層3和前偏振片1。液晶層固定于兩片玻璃2和4之間。具有導(dǎo)電性能的透明電極，配向?qū)蛹捌渌圃祜@示器所必要的薄層都位于這些玻璃上。對(duì)于透射式顯示器，如圖1所示，增加一個(gè)后偏振片5。對(duì)于透反射式顯示器，還需如圖2所示，增加漫反射片6。對(duì)于單偏振片的反射式顯示器，如圖3所示，去除后偏振片5。這時(shí)就必須應(yīng)用一個(gè)不產(chǎn)生任何消偏振作用的特殊的反射片7。
液晶顯示器的透射性能或反射性能完全由以下因素決定輸入偏振角(input polarizer angle)α，液晶單元間隙(cell gap)d-雙折射率(birefringence)Δn的乘積dΔn，液晶的扭曲角(twist angle)φ和輸出偏振角(output polarizer angle)γ。所有這些角度都是相對(duì)于液晶單元的輸入取向而測(cè)得，后者定義為x軸。圖4中顯示了液晶單元內(nèi)部的各個(gè)方向。扭曲角φ為輸入取向和輸出取向間的夾角。輸入偏振片和輸出偏振片相對(duì)于輸入取向成某一角度。
在無偏壓v＝0時(shí)，通過改變數(shù)據(jù)集合(α，γ，φ，dΔn)就能在顯示器上顯示出任何顏色。只需通過計(jì)算瓊斯矩陣(Jones matrix)就能給出透射光譜
這里 以及A=cosφcosχ+φχsinφsinχ---(3)]]>B=δχcosφsinχ---(4)]]>C=sinφcosχ-φχcosφsinχ---(5)]]>D=δχsinφsinχ---(6)]]>以及x＝(δ2+φ2)1/2(7)δ＝πdΔn/λ (8)Δn＝ne(θ)-no(9)這里λ是波長(zhǎng)。
為了在液晶顯示器上顯示顏色，需要將液晶顯示器的透射光譜或反射光譜作為液晶單元外加電壓的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。這就需要對(duì)歐拉-拉格朗日方程(Euler-Lagrange equation)進(jìn)行求解以計(jì)算出液晶取向排列的變形2k1θ··+dk1(θ)dθθ·2-dk2(θ)dθφ·2-dk3dθφ·-D2ddθ(1ϵZZ(θ))=0]]> 這里θ和φ為定義液晶分子取向的角度，而D按以下方程與液晶顯示器外加電壓V相關(guān)V=-D∫0ddzϵzz(θ(z))]]>為了無需應(yīng)用濾色器就能保持液晶顯示器的狀態(tài)以獲得最佳的色彩和對(duì)比度，需要對(duì)液晶顯示器的活動(dòng)作大量的計(jì)算。最重要的一類液晶顯示器是垂直配向的VAN模式。這種模式的特性是，當(dāng)無外加電壓時(shí)，液晶單元的延遲很少或沒有延遲，這樣，如能將輸入偏振片和輸出偏振片進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐湎?，液晶就?huì)很亮。同樣，也可通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整偏振角，以選擇液晶顯示器的背景顏色。
在最優(yōu)化過程中，將液晶配向的變形作為外加電壓的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。然后，將透射光譜作為外加電壓的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果用其顏色表達(dá)。最終，就可記錄到幾種模式，在這些模式下就可清晰地顯示作為外加電壓函數(shù)的顏色變化。
對(duì)于單偏振片的反射式顯示器，反射率為 這里變換矩陣R為 與透射式顯示器一樣，可采用改變(α，φ，dΔn)以找到最佳顏色的最適組合這一同樣的流程。對(duì)于反射式顯示器，因?yàn)闇p少了一個(gè)變量，尋找的過程更加簡(jiǎn)單。有關(guān)(α，φ，dΔn)的所有新的組合均作為我們的發(fā)明記錄于此。
在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，為透射式顯示器提供了(α，γ，φ，dΔn)的幾種組合，同樣為反射式顯示器提供了(α，φ，dΔn)的幾種組合。這些組合可為液晶顯示器提供顏色而無需任何濾色器。這些顏色可通過向液晶單元施加適當(dāng)?shù)碾妷憾M(jìn)行調(diào)節(jié)。
優(yōu)選的實(shí)施例是無需應(yīng)用濾色器而能顯示鮮明顏色的液晶顯示器的(α，γ，φ，dΔn)數(shù)值。在本發(fā)明的這些實(shí)施例中，液晶具有負(fù)的各向異性且垂直配向，這樣當(dāng)受到一定外加電壓時(shí)，雙折射率增加。然而，對(duì)涂布于玻璃2和4上的配向?qū)舆M(jìn)行處理，液晶層3會(huì)出現(xiàn)一定程度的預(yù)傾。預(yù)傾角使液晶分子的配向出現(xiàn)一個(gè)82°-88°的角度，而不是垂直的90°。另外，預(yù)傾使液晶分子在水平面上有一定的方向。當(dāng)具有負(fù)的各向異性的液晶受到某一外加電壓時(shí)，這種預(yù)傾的方向決定了扭曲角一般的規(guī)律是 γ～αφ可為任意值dΔn～1.9μm這里，N可為-1，0或1。
在本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，扭曲角設(shè)為5°。偏振角設(shè)為45°。將透射光譜作為外加電壓的函數(shù)對(duì)該顯示器進(jìn)行計(jì)算。圖5顯示了該第一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例的透射光譜。在該圖中，將外加電壓與該顯示器顯現(xiàn)的顏色一同顯示。同時(shí)也一同顯示了CIE顏色坐標(biāo)。可以看到能獲得多種顏色。顯示器的背景是白色或灰色。因而本顯示器的對(duì)比度很好。
在本發(fā)明的第二個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，扭曲角設(shè)為90°。偏振角設(shè)為0°。圖6顯示了該第二個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例的透射光譜。將透射光譜作為外加電壓的函數(shù)對(duì)該顯示器進(jìn)行計(jì)算。在該圖中，將外加電壓與該顯示器顯現(xiàn)的顏色一同顯示。同時(shí)也一同顯示了CIE顏色坐標(biāo)?？梢钥吹侥塬@得多種顏色。顯示器的背景是白色或灰色。因而本顯示器的對(duì)比度很好。
在本發(fā)明的第三個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該顯示器是反射式的，且只具有一個(gè)偏振片。設(shè)置如圖4所示。除了液晶單元間隙-雙折射率的乘積減小一半，為0.95μm以外，各個(gè)參數(shù)的數(shù)值與第一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例相同。除了因液晶間隙較小，外加電壓應(yīng)該略小以外，與第一個(gè)實(shí)施例的情況相類似，將輸出光譜作為外加電壓的函數(shù)。
在本發(fā)明的第四個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該顯示器是反射式的，且只具有一個(gè)偏振片。設(shè)置如圖4所示。除了液晶單元間隙-雙折射率的乘積減小一半，為0.95μm以外，各個(gè)參數(shù)的數(shù)值與第二個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例相同。除了因液晶間隙較小，外加電壓應(yīng)該略小以外，與第一個(gè)實(shí)施例的情況相類似，將輸出光譜作為外加電壓的函數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示器，其包括一個(gè)輸入偏振片，一個(gè)輸出偏振片，和一個(gè)位于上述的輸入偏振片和輸出偏振片之間的液晶單元，其特征在于液晶的扭曲角，單元厚度和雙折射率，使其滿足以下條件1)液晶具有負(fù)的介電各向異性，2)在電壓為零時(shí)，液晶的配向主要為垂直方向的，且與液晶單元相垂直，3)液晶單元經(jīng)過處理，這樣，靠近單元表面的液晶分子有一個(gè)偏離垂直方向的預(yù)傾角，因而在液晶單元平面(x-y平面)上存在一個(gè)矢量分量，4)在x-y平面上觀察，液晶分子的上述預(yù)傾角產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)選的扭曲角，其值為φ，這里φ可為任意值，5)在x-y平面上，相對(duì)于上述液晶單元的輸入取向的傾斜方向，輸入偏振角α的值為ξ-φ/2+Nπ/2，這里ξ取值為35°和55°之間，且N取值為-1，0或1，6)在x-y平面上，輸出偏振角γ的取值為α-10°和α+10°之間，及7)液晶單元間隙d和雙折射率Δn的乘積的取值為1.0和2.2微米之間。
2.一種液晶顯示器，其包括一個(gè)輸入偏振片，一個(gè)輸出偏振片，和一個(gè)位于上述的輸入偏振片和輸出偏振片之間的液晶單元，其特征在于液晶的扭曲角，單元厚度和雙折射率，使其滿足以下條件1)液晶具有負(fù)的介電各向異性，2)在電壓為零時(shí)，液晶的配向主要為垂直方向的，且與液晶單元相垂直，3)液晶單元經(jīng)過處理，這樣，靠近單元表面的液晶分子有一個(gè)偏離垂直方向的預(yù)傾角，因而在液晶單元平面(x-y平面)上存在一個(gè)矢量分量，4)在x-y平面上觀察，液晶分子的上述預(yù)傾角產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)選的扭曲角，其值小于45°，5)在x-y平面上，相對(duì)于上述液晶單元的輸入取向的傾斜方向，輸入偏振角α的取值為35°和55°之間，6)在x-y平面上，相對(duì)于上述液晶單元的輸入取向的傾斜方向，輸出偏振角γ的取值為35°和55°之間，及7)液晶單元間隙d和雙折射率Δn的乘積的取值為1.0和2.2微米之間。
3.如權(quán)利要求2所述的液晶顯示器，其中扭曲角取值為-10°和10°之間。
4.一種液晶顯示器，其包括一個(gè)輸入偏振片，一個(gè)輸出偏振片，和一個(gè)位于上述的輸入偏振片和輸出偏振片之間的液晶單元，其特征在于液晶的扭曲角，單元厚度和雙折射率，使其滿足以下條件1)液晶具有負(fù)的介電各向異性，2)在電壓為零時(shí)，液晶的配向主要為垂直方向的，且與液晶單元相垂直，3)液晶單元經(jīng)過處理，這樣，靠近單元表面的液晶分子有一個(gè)偏離垂直方向的預(yù)傾角，因而在液晶單元平面(x-y平面)上存在一個(gè)矢量分量，4)在x-y平面上觀察，液晶分子的預(yù)傾角產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)選的扭曲角，其值大于45°，5)在x-y平面上，相對(duì)于上述液晶單元的輸入取向的傾斜方向，輸入偏振角α的取值為-10°和10°之間，6)在x-y平面上，相對(duì)于上述液晶單元的輸入取向的傾斜方向，輸出偏振角γ的取值為-10°和10°之間，及7)液晶單元間隙d和雙折射率Δn的乘積的取值為1.0和2.2微米之間。
5.如權(quán)利要求4所述的液晶顯示器，其中扭曲角取值為80°和100°之間。
6.一種液晶顯示器，其包括一個(gè)輸入偏振片，一個(gè)后反射片，和一個(gè)位于上述的輸入偏振片和后反射片之間的液晶單元，其特征在于液晶的扭曲角，單元厚度和雙折射率，使其滿足以下條件1)所用的液晶具有負(fù)的介電各向異性，2)在電壓為零時(shí)，液晶的配向主要為垂直方向的，且與液晶單元相垂直，3)液晶單元經(jīng)過處理，這樣，靠近單元表面的液晶分子有一個(gè)偏離垂直方向的預(yù)傾角，因而在液晶單元平面(x-y平面)上存在一個(gè)矢量分量，4)在x-y平面上觀察，液晶分子的預(yù)傾角產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)選的扭曲角，其值小于45°，5)在x-y平面上，相對(duì)于上述液晶單元的輸入取向的傾斜方向，輸入偏振角α的取值為35°和55°之間，及6)液晶單元間隙d和雙折射率Δn的乘積的取值為0.5和1.1微米之間。
7.如權(quán)利要求6所述的液晶顯示器，其中扭曲角取值為-10°和10°之間。
8.一種液晶顯示器，其包括一個(gè)輸入偏振片，一個(gè)后反射片，和一個(gè)位于上述的輸入偏振片和后反射片之間的液晶單元，其特征在于液晶的扭曲角，單元厚度和雙折射率，使其滿足以下條件1)所用的液晶具有負(fù)的介電各向異性，2)在電壓為零時(shí)，液晶的配向主要為垂直方向的，且與液晶單元相垂直，3)液晶單元經(jīng)過處理，這樣，靠近單元表面的液晶分子有一個(gè)偏離垂直方向的預(yù)傾角，因而在液晶單元平面(x-y平面)上存在一個(gè)矢量分量，4)在x-y平面上觀察，液晶分子的預(yù)傾角產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)選的扭曲角，其值大于45°，5)在x-y平面上，相對(duì)于上述液晶單元的輸入取向的傾斜方向，輸入偏振角α的取值為-10°和10°之間，及6)液晶單元間隙d和雙折射率Δn的乘積的取值為0.5和1.1微米之間。
9.如權(quán)利要求8所述的液晶顯示器，其中扭曲角取值為80°和100°之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及無需應(yīng)用濾色器的彩色液晶顯示器。通過使用垂直配向的液晶顯示單元，就有可能將顏色作為工作電壓的函數(shù)，而在顯示器上顯示鮮明的顏色，并具有明亮的灰色或其它顏色的背景。
文檔編號(hào)G02F1/139GK1621911SQ200410047929
公開日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2004年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月28日
發(fā)明者郭海成, 于興杰 申請(qǐng)人:香港科技大學(xué)