CN100410760C - 垂直取向的液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有宽视角和直角与倾角处的高对比度的垂直取向液晶显示器(VA-LCD)。根据其一实施方案，具有填充负介电各向异性液晶并设置在吸收轴彼此垂直的第一和第二偏振器间的液晶单元的VA-LCD，包括设置在第一偏振器和液晶单元间的一+A板和一-C板；和设置在第二偏振器和液晶单元间的一+A板，其中靠近第一偏振器的+A板的光轴垂直于第一偏振器的吸收轴，和靠近第二偏振器的+A板的光轴平行于第二偏振器的吸收轴。根据另一实施方案，该VA-LCD包括：设置在第一偏振器和液晶单元间的双轴延迟膜；和设置在第二偏振器和液晶单元间的一+A板，其中靠近第一偏振器的双轴延迟膜的光轴垂直于第一偏振器的吸收轴，和+A板的光轴平行于第二偏振器的吸收轴。因此，在制造工艺和成本方面，图11的结构不具有超过图2和3的结构的优点。本发明VA-LCD优点在于，由于设置视角补偿膜而提高了视角补偿效果，从而实现了宽视角特性。

Description

垂直取向的液晶显示器
技术领域
本发明涉及垂直取向的液晶显示器(下文中，称为“VA-LCD”)。更具体而言，本发明涉及通过使用视角补偿膜而提高了前视向和斜视向的对比度比的VA-LCD。
背景技术
VA-LCDs的视角减小主要有两个原因：第一个原因是垂直偏振器的视角相关性，第二个原因是VA-LCD面板的双折射的视角相关性。
U.S.专利第4,889,412号披露了采用-C板补偿膜作为视角补偿膜的VA-LCD。在不施加电压时，-C板的主要功能是补偿VA-LCD的黑态。然而，具有-C板补偿膜的VA-LCD存在由于-C板不能完全补偿黑态，所以在倾角处产生光泄露的问题。
为了解决上述问题，U.S.专利第6,141,075号披露了具有两块补偿膜即-C板和+A板补偿膜的VA-LCD。与仅具有-C板的装置相比，该装置在不施加电压的情况下能够更好地补偿黑态，但是在70度倾视角处的最小对比度至多为20∶1。因此，仍需要提高直角和倾角两种情况下的对比度。
因此，本申请的发明人实现了本发明，认为一块+A板和一块-C板在补偿视角中具有局限性。
发明内容
本发明的目的在于解决至少上述问题和/或缺陷并提供至少下述优点。因此，本发明的目的在于通过使黑态的光泄漏达到最小而提供在前视向和斜视向处具有高对比度的VA-LCD。
本发明的另外目的和/或优点将在下面的描述中被部分阐明，而且部分将从本发明的描述或实践中被明显看出。
本发明的上述目的和优点通过具有填充了负介电各向异性的液晶并设置在吸收轴彼此垂直的第一偏振器和第二偏振器之间的液晶单元的VA-LCD而实现，其中该VA-LCD包括设置在第一偏振器和液晶单元之间的一块+A板和一块-C板，和设置在第二偏振器和液晶单元之间的一块+A板，其中靠近第一偏振器的+A板的光轴垂直于第一偏振器的吸收轴，和靠近第二偏振器的+A板的光轴平行于第二偏振器的吸收轴。
本发明的另一目的在于提供具有填充了负介电各向异性的液晶并设置在吸收轴彼此垂直的第一偏振器和第二偏振器之间的液晶单元的VA-LCD，其中该VA-LCD包括设置在第一偏振器和液晶单元之间的双轴延迟膜，和设置在第二偏振器和液晶单元之间的一块+A板，其中靠近第一偏振器的双轴延迟膜的光轴垂直于第一偏振器的吸收轴，和+A板的光轴平行于第二偏振器的吸收轴。
附图说明
结合附图，从下面的描述中，本发明一些实施方案的上述和其它的目的、特征、和优点将更显而易见，其中：
图1为说明相位差膜的折射率的视图；
图2为说明根据本发明第一实施例的具有补偿膜的VA-LCD的示意图；
图3为说明根据本发明第二实施例的具有补偿膜的VA-LCD的示意图；
图4为说明根据本发明第三实施例的具有补偿膜的VA-LCD的示意图；
图5为说明根据本发明第四实施例的具有补偿膜的VA-LCD的示意图；
图6为当使用白光时、在0°～80°的倾视角处根据本发明第一实施例的VA-LCD对比度比的模拟结果；
图7为当使用白光时、在0°～80°的倾视角处根据本发明第二实施例的VA-LCD对比度比的模拟结果；
图8为当使用白光时、在0°～80°的倾视角处根据本发明第三实施例的VA-LCD对比度比的模拟结果；
图9为当使用白光时、在0°～80°的倾视角处根据本发明第四实施例的VA-LCD对比度比的模拟结果；
图10为当使用白光时、在各个方位角0°～80°的倾视角处VA-LCD的对比度比的模拟结果，在该VA-LCD中，双轴延迟膜设置在液晶单元和第一偏振器之间，但+A板未设置在液晶单元和第二偏振器之间；
图11为说明根据第二对比实施例的VA-LCD的示意图；及
图12为根据第二对比实施例的VA-LCD的对比度比的模拟结果。
具体实施方式
在本说明书中定义的内容，例如详细的结构和元件，是为了有助于全面理解本发明的实施方案而提供的。因此，本领域的普通技术人员应认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对于此处描述的实施方案进行各种变化和改变。此外，为了简明，省略对众所周知的功能和结构的描述。
下面，将详细描述本发明。
根据本发明实施方案的LCD是液晶单元中液晶的光轴垂直于偏振器的VA-LCD，并且该VA-LCD包括第一偏振器1、包括两个玻璃衬底和填充在两个玻璃衬底之间的垂直取向的负介电各向异性(Δε＜0)的液晶的液晶单元8、和第二偏振器3，其中第一偏振器1的吸收轴2垂直于第二偏振器3的吸收轴4。
由于在与液晶层相邻的表面上形成包括一对电极的脊形结构，所以VA-LCD可采用多畴垂直取向(MVA)模式，或应用手性添加剂的垂直取向(VA)模式。
液晶单元的单元间隔是2.5～8μm。
VA-LCD的白态是基于如下原理，来自背光处于正交偏振状态中的入射光被线性偏振了0度，该线性偏振光经过液晶层，穿出液晶层的射出光被线性偏振了90度。为了将0度线性偏振光转化为90度线性偏振光，液晶层的延迟值应为入射光波长的1/2。
根据本发明，作为补偿VA-LCD视角的相位差补偿膜，将+A板和-C板组合设置在第一偏振器和液晶层之间，或者采用双轴延迟膜，且另外在与第二偏振器相邻处设置一个+A板，从而实现了宽视角。
参考图1，用于补偿VA-LCD视角的延迟膜的折射率如下：
假如当X-轴的折射率为nx(13)，y-轴的折射率为ny(14)，和厚度d方向上的折射率为nz(15)时，在平面内折射率中，延迟膜的特性由折射率决定。
在三个轴的折射率中两个轴的折射率不同的延迟膜称为单轴延迟膜，三个轴的折射率不同的延迟膜称为双轴延迟膜。此时，延迟膜被定义如下：
(1)假如nx＞ny＝nz，那么该延迟膜叫作+A板，且平面内延迟值即Rin由采用两个折射率之间的差值和膜厚度的公式1而确定。
[公式1]
Rin＝d×(nx-ny)
其中，d为膜厚度。
(2)假如nx＝ny＞nz，那么该延迟膜叫作-C板，且其膜厚度延迟值即Rth由采用两个折射率之间的差值和膜厚度的公式2而确定。
[公式2]
Rth＝d×(nz-ny)
其中，d为膜厚度。
+A板的厚度延迟值几乎为零，其平面内延迟值为正值。在用于补偿视角的+A板中，对于550nm的波长，靠近第一偏振器的+A板(下文中称为“A1板”)的平面内延迟值在50～300nm的范围内；对于550nm的波长，靠近第二偏振器的+A板(下文中称为A2板)的平面内延迟值应在30～600nm的范围内。
+A板的实例可包括聚合物膜和UV固化液晶膜。-C板的平面内延迟值几乎为零，其厚度延迟值为负值。
对于550nm的波长，用于补偿VA-LCD视角的-C板的厚度延迟值必须在-500nm～-30nm的范围内。-C板的实例可包括聚合物膜和UV固化液晶膜。
图2和图3说明了包括两块视角补偿膜即+A板和-C板的VA-LCD的结构。图4和图5说明了包括作为视角补偿膜的双轴膜和+A板的VA-LCD的结构。
在设计VA-LCD的视角补偿偏振器时，内保护膜可通过具有零或负值的厚度延迟值而起到延迟膜的作用。在内保护膜具有和不具有厚度延迟值的情况中，两块板即+A板和-C板，或双轴延迟膜和+A板的设计值不同。
用于内保护膜材料的例子包括未拉伸的环烯、未拉伸的三乙酸纤维素、和未拉伸的聚降冰片烯。
两块板即+A板和-C板的组合及双轴延迟膜和+A板的组合的设计值的变化在表1和表2中示出。
如图2所示，描述了根据本发明第一实施例的LCD装置，其中，两块板即+A板(A1板)5和-C板7设置在液晶层8和第一偏振器1之间，和另一+A板(A2板)9设置在第二偏振器3和液晶层8之间。
A1板5和-C板7设置在液晶层8和第一偏振器1之间，且-C板7设置在液晶层8和A1板5之间。此时，A1板的光轴6与第一偏振器的吸收轴2相垂直排列。A2板的光轴10与第二偏振器的吸收轴平行排列。因此，可实现更宽的视角补偿。
此时，背光布置成与第二偏振器3靠近和LCD观察方向接近第一偏振器1。
在设计上述补偿结构时，对于550nm的波长，设置在第一偏振器1和液晶层8之间的A1板5具有50～300nm范围内的平面内延迟值；和对于550nm的波长，-C板7具有-500nm～-30nm范围内的厚度延迟值。此外，对于550nm的波长，设置在第二偏振器和液晶层之间的A2板9(另一+A板)具有30～600nm范围内的厚度延迟值。而且，对于550nm的波长，优选A2板(另一+A板)9具有30～600nm范围内的平面内延迟值。
如上所述，在上述相同条件下LCD的模拟结果示于图6和表1中。
[表1]
Figure C20058000106400111
Figure C20058000106400121
在表1中，用于偏振器内保护膜的各向同性COP是环烯聚合物，并具有50μm的厚度。另一方面，用于内保护膜的40μmTAC是由三乙酸纤维素制成，且其延迟值为28nm。如果是80μmTAC，那么其由三乙酸纤维素制成，且其延迟值为-56nm。
在表1中，表明了VA-LCD在70度处的模拟对比度比(白态与黑态之比)。
对比度比是决定屏幕清晰度的因素，且较高的对比度比意谓着较高的清晰度。采用70度作为倾视角，是因为VA-LCD的特性在70度处最差。
在没有视角补偿膜的情况下VA-LCD的最小对比度比是10∶1。然而，如表1所示，本发明的VA-LCD的对比度比提高了。提高70度倾视角处的对比度比，意谓着提高了所有倾视角处的对比度比。
图3说明了根据本发明第二实施例的具有补偿膜的VA-LCD的结构。在根据本发明第二实施例的VA-LCD中，A1板5和-C板7设置在第一偏振器1和VA液晶单元8之间，且A1板5设置成接近第一偏振器1。A1板的光轴6与第一偏振器的吸收轴2相垂直排列。此时，背光布置成接近第一偏振器1和观察者接近第二偏振器3。
在这样的结构中，应用延迟膜的设计值的模拟结果如图7所示。
在根据本发明第二实施方案的VA-LCD中，双轴延迟膜11设置在液晶层8和偏振器1之间，且此时双轴延迟膜的光轴12与相邻第一偏振器的吸收轴2垂直。另一方面，+A板9设置在液晶层8和第二偏振器3之间，且此时+A板的光轴10与第二偏振器的吸收轴4平行排列。因此，根据本发明第二实施方案的VA-LCD能够补偿LCD视角。
在上述结构中，对于550nm的波长，设置在第一偏振器1和液晶层8之间的双轴延迟膜优选具有30nm～200nm范围内的平面内延迟值，和对于550nm的波长，具有-300nm～-50nm范围内的厚度延迟值。对于550nm的波长，设置在第二偏振器3和液晶层8之间的+A板9优选具有30nm～600nm范围内的平面内延迟值。
双轴延迟膜的材料包括环烯、拉伸的三乙酸纤维素、拉伸的聚降冰片烯、和双轴液晶膜。
图4说明了根据本发明第三实施例的VA-LCD的结构。双轴延迟膜11设置在第一偏振器1和VA液晶层8之间，且此时双轴延迟膜的光轴12与第一偏振器的吸收轴2垂直排列。背光靠近第二偏振器3和观察方向为接近第一偏振器1的方向。
对于如上所述的结构，当应用实际延迟膜的设计值时，所得到的对比度特性的模拟结果在图8和表2中示出。
[表2]
Figure C20058000106400141
在表2中，用于偏振器的内保护膜的各向同性COP是厚度为50μm的环烯。另一方面，40μmTAC是三乙酸纤维素，且其延迟值为28nm；和80μmTAC是三乙酸纤维素，且其延迟值为-56nm。
图5说明了根据本发明第四实施例的VA-LCD的结构。双轴延迟膜11设置在第一偏振器1和VA液晶层8之间，且此时双轴延迟膜的光轴12与第一偏振器的吸收轴2垂直排列。此时，背光靠近第一偏振器1和观察方向为接近第二偏振器3的方向。
对于如上所述的结构，当应用实际延迟膜的设计值时，所得到的对比度特性的模拟结果显示在图9中。
参考下面的实施例更详细地描述本发明，但本发明不局限于此。
[实施例1]
第一VA-LCD的结构
参考图2，VA面板包括许多具有单元间隔为2.9μm的VA液晶单元8，其中，该液晶单元填充有预倾角(pre-tilt)为90度，介电各向异性Δε为-4.9，和双折射Δn为0.099的液晶。-C板7由液晶膜制成，和对于550 nm的波长其具有-240nm的厚度延迟值Rth。接近第一偏振器1的A1板5的平面内延迟值Rin为90nm，和接近第二偏振器3的A2板9的平面内延迟值Rin为340nm。第一偏振器1和第二偏振器3的内保护膜是由厚度为40μm和厚度延迟值为-28nm的三乙酸纤维素膜制成。
当使用白光时，对于所有方位角在0°～80°下的对比度特性示于图6中。在图6中，圆中心的意思是倾视角为0度，且随着半径变大，倾视角变大。在图6中，标注在半径上的数值20、40、60和80表示倾视角。
沿圆周标注的数值0～360度代表方位角。第二偏振器沿0度的方向放置，第一偏振器沿90度的方向放置，并显示了所有观测方向(倾角0～80度，方位角0～360度)的对比度特性。只使用一个偏振器的VA-LCD在70度倾视角处表现出的对比度低于10∶1，但是参考图6，该VA-LCD在70度倾视角处表现出高于86∶1的优异的对比度比。
[实施例2]
第二VA-LCD的结构
参考图3，VA面板包括许多填充有单元间隔为2.9μm、预倾角为90度，介电各向异性Δε为-4.9，和双折射Δn为0.099的液晶的液晶单元8。-C板7由液晶膜制成，和对于550 nm的波长其具有-180nm的厚度延迟值Rth。接近第一偏振器1的A1板5的平面内延迟值Rin为120nm，和接近第二偏振器3的A2板9的平面内延迟值Rin为80nm。第一偏振器1和第二偏振器3的内保护膜是由厚度为80μm和厚度延迟值为-56nm的TAC膜制成。
当使用白光时，对于所有方位角、在0°～80°下的对比度特性示于图7中。在图7中，由于在70度倾视角处的对比度比等于或高于88∶1，所以对于所有方位角、在0°～80°下的对比度特性非常优异。
[实施例3]
第三VA-LCD的结构
参考图4，VA面板包括许多填充有单元间隔为2.9μm、预倾角为90度，介电各向异性Δε为-4.9，和双折射Δn为0.099的液晶的液晶单元8。
接近第一偏振器1的双轴延迟膜11具有70nm的平面内延迟值Rin和-140nm的厚度延迟值Rth。接近第二偏振器3的+A板9的平面内延迟值Rin为30nm。第一偏振器1的内保护膜是由厚度为40μm的TAC膜制成且其厚度延迟值为-28nm。第二偏振器3的内保护膜是由TAC膜制成，并具有80μm的厚度和-56nm的厚度延迟值。
当使用白光时，对于所有方位角、在0°～80°下的对比度特性示于图8中。
在图8中，由于在70度倾视角处的对比度比等于或高于57∶1，所以对于所有方位角、在0°～80°下的对比度特性非常优异。
[实施例4]
第四VA-LCD的结构
参考图5，VA面板包括许多填充有单元间隔为2.9μm、预倾角为90度，介电各向异性Δε为-4.9，和双折射Δn为0.099的液晶的液晶单元8。
接近第一偏振器1的双轴延迟膜11具有60nm的平面内延迟值Rin和-190nm的厚度延迟值Rth。接近第二偏振器3的+A板9的平面内延迟值Rin为30nm。第一偏振器1的内保护膜是由厚度为50μm的环烯(COP)制成。
当使用白光时，对于所有方位角、在0°～80°下的对比度特性示于图9中。
在图9中，由于对比度比等于或高于51∶1，所以在70度倾视角处的对比度特性非常优异。
[对比实施例1]
在本实验中使用的VA面板包括许多填充有单元间隔为2.9μm、预倾角为90度，介电各向异性Δε为-4.9，和双折射Δn为0.099的液晶的液晶单元8。
接近第一偏振器1的双轴延迟膜11具有32nm的平面内延迟值Rin和-150nm的厚度延迟值Rth。第一偏振器1和第二偏振器3的内保护膜是由三乙酸纤维素制成，并具有80μm的厚度和-56nm的厚度延迟值。
当使用白光时，对于所有方位角、在0°～80°下的对比度特性示于图10中。
在图10中，在+A板设置在液晶单元和第二偏振器之间的情况下，70度倾视角处的对比度比特性至多为10∶1。
[对比实施例2]
在本实验中使用的VA面板包括许多填充有单元间隔为2.9μm、预倾角为90度，介电各向异性Δε为-4.9，和双折射Δn为0.099的液晶的液晶单元8。-C板7由液晶膜制成，且对于550nm的波长具有-120nm的厚度延迟值Rth。接近第一偏振器1的A1板5的平面内延迟值Rin为50nm，和接近第二偏振器3的A2板9的平面内延迟值Rin为70nm。第一偏振器1和第二偏振器3的内保护膜是由厚度为80μm和厚度延迟值为-56nm的TAC膜制成。-C板7由液晶膜制成。
当使用白光时，对于所有方位角、在0°～80°下的对比度特性示于图12中。在图12中，70度倾视角处的对比度特性为80∶1或更高，从而表现出与图2和图3中相似水平的光学特性。
然而，图11的结构是低效结构。在图2和3中，A2板的光轴和第二偏振器的吸收轴彼此平行。由于A板的光轴是加工方向(machinedirection)(MD)，所以可采用轧辊至轧辊工艺(roll to roll process)。另一方面，在图11的结构中，由于A2板的光轴与接近A2板的第二偏振器的吸收轴垂直，所以在通过剪切单板和旋转板而使板组合的加工工艺中存在不便。
因此，在制造工艺和成本方面，图11的结构不具有图2和3的优点。
工业实用性
根据本发明的VA-LCD的优点在于，由于设置视角补偿膜而提高了视角补偿效果，从而实现了宽视角特性。根据本发明的VA-LCD在直角和倾角处表现出高的对比度比。
参考本发明的一些实施方案已说明和描述了本发明，本领域的技术人员应理解，在不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种形式和细节的改变。

Claims (17)

1. 一种垂直取向的液晶显示器，具有填充了负介电各向异性的液晶并设置在吸收轴彼此垂直的第一偏振器和第二偏振器之间的液晶单元，该垂直取向的液晶显示器包括：
设置在第一偏振器和液晶单元之间的一块+A板和一块-C板；和
设置在第二偏振器和液晶单元之间的一块+A板；
其中靠近第一偏振器的+A板的光轴垂直于第一偏振器的吸收轴，和靠近第二偏振器的+A板的光轴平行于第二偏振器的吸收轴，以及
对于550nm的波长，-C板的厚度延迟值在-500nm～-30nm的范围内。
2. 根据权利要求1所述的垂直取向的液晶显示器，其中，对于550nm的波长，靠近第一偏振器的+A板的平面内延迟值在50nm～300nm的范围内。
3. 根据权利要求1所述的垂直取向的液晶显示器，其中，对于550nm的波长，靠近第二偏振器的+A板的平面内延迟值在30nm～600nm的范围内。
4. 根据权利要求1所述的垂直取向的液晶显示器，其中，第一偏振器和第二偏振器的内保护膜的厚度延迟值为零或负值。
5. 根据权利要求1所述的垂直取向的液晶显示器，其中，+A板起偏振器的内保护膜的作用。
6. 根据权利要求1所述的垂直取向的液晶显示器，+A板包括聚合物膜或UV固化液晶膜。
7. 根据权利要求1所述的垂直取向的液晶显示器，其中，-C板包括聚合物膜或UV固化液晶膜。
8. 根据权利要求1所述的垂直取向的液晶显示器，第一偏振器和第二偏振器的内保护膜包括未拉伸的环烯、未拉伸的三乙酸纤维素或未拉伸的聚降冰片烯。
9. 根据权利要求1所述的垂直取向的液晶显示器，其中，所述的垂直取向的液晶显示器采用多畴垂直取向模式或应用手性添加剂的垂直取向模式，且液晶单元的单元间隔为2.5～8μm。
10. 一种垂直取向的液晶显示器，具有填充了负介电各向异性的液晶并设置在吸收轴彼此垂直的第一偏振器和第二偏振器之间的液晶单元，该垂直取向的液晶显示器包括：
设置在第一偏振器和液晶单元之间的双轴延迟膜；和
设置在第二偏振器和液晶单元之间的一块+A板；
其中靠近第一偏振器的双轴延迟膜的光轴垂直于第一偏振器的吸收轴，和+A板的光轴平行于第二偏振器的吸收轴，以及
对于550nm的波长，双轴延迟膜具有30nm～200nm范围内的平面内延迟值和-300nm～-50nm范围内的厚度延迟值。
11. 根据权利要求10所述的垂直取向的液晶显示器，其中，对于550nm的波长，靠近第二偏振器的+A板的平面内延迟值在30nm～600nm的范围内。
12. 根据权利要求10所述的垂直取向的液晶显示器，其中，第一偏振器和第二偏振器的内保护膜的厚度延迟值为零或负值。
13. 根据权利要求10所述的垂直取向的液晶显示器，其中，双轴延迟膜起偏振器的内保护膜的作用。
14. 根据权利要求10所述的垂直取向的液晶显示器，+A板包括聚合物膜或UV固化液晶膜。
15. 根据权利要求10所述的垂直取向的液晶显示器，其中，双轴延迟膜是环烯、拉伸的三乙酸纤维素、拉伸的聚降冰片烯和双轴液晶膜之一。
16. 根据权利要求10所述的垂直取向的液晶显示器，第一偏振器和第二偏振器的内保护膜包括未拉伸的环烯、未拉伸的三乙酸纤维素或未拉伸的聚降冰片烯。
17. 根据权利要求10所述的垂直取向的液晶显示器，其中，所述的垂直取向的液晶显示器采用多畴垂直取向模式或应用手性添加剂的垂直取向模式，且液晶单元的单元间隔为2.5～8μm。
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