CN1224951C - 液晶显示器 - Google Patents

Abstract

一种平面显示器，上基板上排列有多个第一取向控制结构，每两个相邻的第一取向控制结构之间形成有上凹槽，每一第一取向控制结构与每一上凹槽之间形成有上倾斜面。下基板上排列有多个第二取向控制结构，每两个相邻近的第二取向控制结构之间形成有下凹槽，每一第二取向控制结构与每一下凹槽之间形成有下倾斜面。上倾斜面与下倾斜面互相接近，藉以改变上倾斜面与下倾斜面附近电场的方向。

Description

液晶显示器

技术领域

本发明涉及一种液晶显示器，特别是涉及一种多畴(multi-domain)液晶显示器。

背景技术

液晶显示器(1iquid crystal display)，是利用外加电场的作用，使得液晶分子转动，由特定的初期取向(alignment)变化至其他的取向状态，而伴随着液晶分子取向变化所产生的多折射性、旋光性、二色性、光散乱性、旋光分散等各种光学性质的变化，将被转换成视觉上的变化。相较于其他光学元件中所使用的电气光学材料，液晶只需要低电压、低消耗电力就可以使光学性质产生大幅变化，而且不需要进一步加工成型。此外，液晶显示器具有厚度薄、重量轻等优点，目前在平面显示器市场中占有相当重要的地位。

液晶显示器的显示方式会因选择不同种类的液晶而有所不同。其中一种以外加电场来控制液晶分子的多折射性，称之为电控briefringence(electrically controlled briefringence，ECB)效应，即是利用负介电各向异性(negative dielectric anisotropy)的向列型(nematic)液晶搭配使用垂直取向(vertical alignment)处理的取向膜，当外加电压超过临界电压时，原本垂直排列于取向膜表面的液晶分子，便会随着相对应的电压大小做一定角度的倾斜。而且，为了要进一步控制液晶分子的取向变化状态，现有技术在液晶显示器基板上制作取向控制结构，使象素区中的取向畴(domain)增加，以确保液晶显示器的显示效果具有宽广的视野以及高度的色彩对比。

请参考图1，图1所示为现有液晶显示器的剖面示意图。现有液晶显示器10包含有一上、下透明玻璃基板12、14，以及一负介电各向异性液晶16填充于上、下基板12、14之间。上、下基板12、14的内侧表面上分别设有一电极18、22以及一垂直取向层20、24，而上、下透明玻璃基板12、14的外侧表面上分别设有一偏光板(polarizer)26、28。一般而言，上基板12是用来作为一滤色(color filter)基板，下基板14是用来作为一薄膜晶体管(thin film transistor)基板，且其上设有多个薄膜晶体管(以下简称TFT)、电极22以及一有源矩阵驱动电路(active matrix drive circuit)，且下基板14表面上的电极22可用来作为一象素电极。此外，现有液晶显示器10另包含有多条第一条状凸起物30，设于上基板12的电极18与垂直取向层20之间，以及多条第二条状凸起物32，设于下基板12的电极22与垂直取向层24之间，均是用来作为控制液晶16的取向变化的取向控制结构。

请参考图2，图2所示为图1所示的取向控制结构的上视图，且图2的切线I-I′的剖面示意图为图1所示。液晶显示器10中包含有多个闸极线36、信号线38、TFT结构39以及象素电极22。上基板12的第一条状凸起物30以平行闸极线36的方式设置于闸极线36上方，下基板14的第二条状凸起物32则是以平行闸极线36的方式穿越象素电极22的中央部位。因此，所有的第一条状凸起物30以及第二条状凸起物32是以互相平行的方式交替排列于液晶显示器10中。

请参考图3与图4，图3与图4显示图1所示的液晶16的取向变化。如图3所示，由于负介电各向异性液晶16设置于垂直取向层20、24之间，因此于尚未外加电压于液晶显示器10时，所有的液晶分子会以垂直于相对位置的垂直取向层20、24的方式排列，其中位于相邻的凸起物30、32之间的液晶分子16A的排列方式是垂直于基板12、14，而位于条状凸起物30、32上方的液晶分子16B的排列方式则是垂直凸起物30、32的表面，相对上、下基板12、14而言，则液晶分子16B呈现一定角度的倾斜。

如图4所示，外加电压于液晶显示器10之后，原本垂直排列于垂直取向层20、24表面的负介电各向异性液晶16，会朝着垂直于电场方向转动，并随着相对应的电压大小做一定角度的倾斜，图示中的箭头方向是指液晶16的取向变化。举例来说，设于第二条状凸起物32上方的液晶分子16B₁(原本以右上左下的角度倾斜)，于外加电压之后会倾向于平行于垂直取向层20、24的方向而以顺时针方向转动，进而使相邻的液晶分子16A₁也以顺时针方向转动。同样地，设于第二条状凸起物32上方的液晶分子16B₂(原本以左上右下的角度倾斜)，于外加电压之后会倾向于平行于垂直取向层20、24的方向而以逆时针方向转动，进而使相邻的液晶分子16A₂也以逆时针方向转动。

请参考图5，图5所示为图4所示的液晶16的取向畴上视图。由于外加电压于液晶显示器10之后，液晶16会朝着垂直于电场方向转动，使得液晶分子16B₁、16A₁以顺时针方向转动，并使液晶分子16B₂、16A₂以逆时针方向转动，因此在一个象素区域中的液晶16会以第二条状凸起物32为分界，分别于第二条状凸起物32的两侧产生两个取向畴。图示中的箭头是指液晶16的取向。

然而，现有的取向控制结构只能使一个象素区域中产生两个取向畴，仍无法满足液晶显示器所需要的宽广视野以及高度色彩对比。而且，现有技术将取向控制结构设计成为多数条的条状凸起物30、32，则每个条状凸起物30、32的位置上的透光率均下降，因此对整个显示面板而言，透光率损失幅度大，造成亮度减低、对比下降，这对于液晶显示器10的显示品质也会造成不良的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是在于提供一种多畴液晶显示器，以解决上述的问题。

本发明提出一种平面显示器，包括有一上基板以及一下基板，上基板设有一上电极，且下基板设有一下电极，该上电极与该下电极间可施加一电场。该平面显示器还包含一填充于上基板与下基板之间的负型介电各向异性的液晶、排列于上基板上的多个第一取向控制结构、一形成于每两个相邻的该第一取向控制结构之间的上凹槽、以及一形成于每一该第一取向控制结构与每一该上凹槽之间的上倾斜面。该平面显示器还包含多个排列于下基板上的第二取向控制结构、一形成于每两个相邻近的该第二取向控制结构之间的下凹槽、以及一形成于每一该第二取向控制结构与每一该下凹槽之间的下倾斜面。其中第二取向控制结构位于上凹槽的下方，下凹槽位于第一取向结构下方，且第二取向控制结构与上凹槽具有实质相同尺寸，第一取向控制结构与下凹槽具有实质相同尺寸，以使上倾斜面与下倾斜面互相接近，藉以改变该上倾斜面与该下倾斜面附近电场的方向。每一象素区中至少包含一个第一取向控制结构和一个第二取向控制结构，并且在每个像素区域的行和列中，第一和第二取向控制结构均交错排列。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

图1所示为现有液晶显示器的剖面示意图。

图2所示为图1所示的液晶取向控制结构的上视图。

图3所示为图1所示的液晶于显示器未外加电压时的取向示意图。

图4所示为图1所示的液晶于显示器外加电压之后的取向变化图。

图5所示为图4所示的液晶转动方向示意图。

图6所示为本发明第一实施例的液晶显示器的剖面示意图。

图7所示为图6所示的取向控制结构上视图。

图8A、9A所示为图6所示的液晶于未外加电压时的取向示意图。

图8B、9B所示为图6所示的液晶于外加电压之后的取向示意图。

图10A所示为图9所示的液晶转动方向示意图。

图10B所示为图9所示的液晶转动方向的上视图。

图11与图12所示为本发明第二实施例的液晶的取向变化。

图13A所示为图12所示的液晶转动方向示意图。

图13B所示为图12所示的液晶转动方向的上视图。

图14为本发明的取向控制结构的第一种分布(layout)上视图。

图15为本发明的取向控制结构的第二种分布上视图。

图16为本发明的取向控制结构的第三种分布上视图。

图17为本发明的取向控制结构的第四种分布上视图。

[符号说明]

40～液晶显示器；        42～上基板；

44～下基板；            46～液晶；

48、52～电极；          50、54～液晶取向层；

56～第一取向控制结构；  57～上基板凹槽；

58～第二取向控制结构；  59～下基板凹槽；

60～闸极线；            61A～上倾斜面；

61B～下倾斜面；         62～信号线；

64～TFT。

具体实施方式

[第一实施例]

请参考图6，图6所示为本发明第一实施例的液晶显示器40的剖面示意图。本发明第一实施例的液晶显示器40包含有一上、下透明玻璃基板42、44，以及一负介电各向异性液晶分子46填充于上、下基板42、44之间。上、下基板42、44的内侧表面上分别设有一电极48、52以及一垂直取向层50、54。而上、下基板42、44的外侧表面上可分别设置一偏光板(未显示)。一般而言，上基板42为一滤光片(color filter)基板，下基板44则是用来作为一薄膜晶体管(thin film transistor，以下简称TFT)基板，其上设有多个TFT结构、电极52以及一有源矩阵驱动电路(active matrix drive circuit)(未图示)，而设于下基板44表面上的电极52则是用来作为一象素电极(pixelelectrode)52。关于TFT结构、偏光板、滤光片等设置于上、下基板42、44的现有结构，以下不再赘述。

请参考图7，图7为图6所示的取向控制结构的上视图，且图6为沿图7的切线II-II′的剖面示意图。液晶显示器40中的有源矩阵驱动电路包含有多个闸极线60、信号线62、TFT结构64以及象素电极52。在每两个闸极线60与每两个信号线62之间定义一个近似长方形的象素区域，每一象素区域分成四个取向区域。其中，两个第一取向控制结构56分别设于二个不相邻的“右上取向区域”与“左下取向区域”中，而两个第二取向控制结构58分别设于另二个不相邻的“左上取向区域”与“右下取向区域”中。第一与第二取向控制结构56、58设于不同基板上，也就是说，第一取向控制结构56设于上基板42上，而第二取向控制结构58设于下基板44上。第一与第二取向控制结构56、58分别位于电极48、52上，而第一与第二取向控制结构56、58上方设置液晶取向层50、54。由图中可知，液晶显示器40中的多个第一取向控制结构56以及多个第二取向控制结构58会形成矩阵排列，可用来控制液晶分子46的取向。

因此，本发明第一实施例的液晶显示器40包含：(1)对应于各象素区域的“右上取向区域”与“左下取向区域”处于上基板42表面形成的第一取向控制结构56，同时在对应于该象素区域的“右下取向区域”与“左上取向区域”处，亦即在两个第一取向控制结构56之间，形成一上基板凹槽57。(2)对应于各象素区域的“右下取向区域”与“左上取向区域”处于下基板44表面形成的第二取向控制结构58，同时在对应于该象素区域的“右上取向区域”与“左下取向区域”处，亦即两个第二取向控制结构58之间，形成一下基板凹槽59。因此，该第一取向控制结构56是对应于该下基板凹槽59的上方，而该第二取向控制结构58是对应于该上基板凹槽57的下方。第一、第二取向控制结构56、58均是一具有平坦表面的长方体凸起物，而且第一取向控制结构56与上基板凹槽57交界的上倾斜面61A及第二取向控制结构58与下基板凹槽59交界的下倾斜面61B均为倾斜表面，可以用来控制液晶46的取向变化。于本实施例每一象素区域中，第一取向控制结构56的上倾斜面61A与邻近的第二取向控制结构58的下倾斜面61B可以上下重叠若干部分，亦可以没有任何重叠。

请参考图8A与图8B，图8A与图8B为选择控制液晶分子46与取向控制结构56、58的介电常数差额，在电力线较容易通过液晶分子46，而较难通过第一、第二取向控制结构56、58状况下，显示出图6所示的液晶分子46的取向变化。如图8A所示，当未外加电压于液晶显示器40时，由于负介电各向异性液晶分子46垂直设置于液晶取向层50、54之间，所有的液晶分子会以垂直于液晶取向层50、54的方式排列。因此其中位于第一、第二取向控制结构56、58的平坦表面上的液晶分子46A的排列方式是垂直于基板42、44，而位于上、下倾斜面61A、61B之间的液晶分子46B的排列方式则是随着上、下倾斜面61A、61B的斜度呈现一定角度的倾斜。如图8B所示，当外加电压于液晶显示器40时，会产生如箭头方向所示方向的电场；而原本垂直排列于垂直取向层50、54表面的负介电各向异性液晶46，会朝着垂直于电场方向转动，并随着相对应的电场大小做一定角度的倾斜。

由于第一、第二取向控制结构56、58的上下交错(interleaved)设计，且电场容易通过液晶分子46，如此会使得介于上、下倾斜面61A、61B之间的电场会在水平方向产生扭曲，而产生一斜向电场，因此液晶分子46B为了垂直此斜向电场而会呈现一特定的倾倒方向。以图8B为例来说明，介于下倾斜面61B与上倾斜面61A间的电场方向会由右下向左上大幅度扭曲，因此液晶分子46B为了垂直此斜向电场而会朝向第一取向控制结构56处转动；而位于附近的液晶分子46A则会受到倾倒的液晶分子46B的影响，其排列方式也会呈现相同的倾倒方向。

请再参考图9A～9B，图9A～9B为选择控制液晶分子46与取向控制结构56、58的介电常数差，在电场较难通过液晶分子46，而较容易通过第一、第二取向控制结构56、58的状况下，显示图6所示的液晶分子46的取向变化。

如图9A所示，情况与图8A相同，当未外加电压于液晶显示器40时，所有的液晶分子会以垂直于相对位置的液晶取向层50、54的方式排列。也就是说，位于第一、第二取向控制结构56、58平坦表面上的液晶分子46A的排列方式是垂直于基板42、44；而位于上、下倾斜面61A、61B之间的液晶分子46B的排列方式则是随着上、下倾斜面61A、61B的斜度呈现一定角度的倾斜。

如图9B所示，当外加电压于液晶显示器40时，会产生如箭头方向所示的电场方向；而原本垂直排列于垂直取向层50、54表面的负介电各向异性液晶46，会朝着垂直于电场方向转动，并随着相对应的电场大小做一定角度的倾斜。

同样地，由于第一、第二取向控制结构56、58的上下交错(interleaved)设计，且电场较难通过液晶分子46，如此会使得介于上、下倾斜面61A、61B之间的电场会在水平方向产生扭曲，而产生一斜向电场。因此液晶分子46B为了垂直该斜向电场而会呈现一特定的倾倒方向。以图9B为例来说明，介于下倾斜面61B与上倾斜面61A间的电场方向会由左下向右上大幅度扭曲，因此液晶分子46B为了垂直该斜向电场而会朝向第二取向控制结构58处转动；而位于附近的液晶分子46A则会受到倾倒的液晶分子46B的影响，其排列方式也会呈现相同的倾倒方向。

请参考图10A与图10B，图10A为图9所示的液晶分子46的转动方向示意图，其箭头即液晶46的取向；而图10B为图9所示的液晶分子转动方向的上视图。

由于液晶分子46会朝着垂直于电场方向转动，使得位于上倾斜面61A与下倾斜面61B附近的液晶分子46B会朝向第一取向控制结构56转动，而液晶分子46B的旋转角度会进一步影响位于“非倾斜面处”液晶分子46A的排列方式，而形成一渐进旋转的液晶分子排列，如图10B所示。因此当外加偏压时，在一个象素区域中的液晶46会在四个取向控制结构中产生至少四个不同方向的取向畴，图10A中的箭头是指液晶46的取向。

依据上述可知，本发明第一实施例的液晶显示器40的取向控制结构能使一个象素区域中产生四个取向畴，可以大幅提升液晶显示器40所需要的宽广视野以及高度色彩对比。而且，相较于现有的条状凸起物，本发明将取向控制结构56、58设计成为表面平坦的长方体凸起物，只有倾斜面61A、61B的透光率下降，但长方体平坦处并不会造成透光率的损失，因此可以改善因为增设取向控制结构而造成液晶显示器对比变差问题，以确保液晶显示器40的显示品质。

[第二实施例]

请参考图11与图12，本发明第二实施例的液晶显示器40的结构是先将第一、第二取向控制结构56、58分别设置于上、下基板42、44表面上，再将电极48、52分别设置于第一、第二取向控制结构56、58表面上，之后将液晶取向层50、54设置在电极48、52表面上。也就是以基板、取向控制控制结构、电极、液晶取向层的川页序排列。但上倾斜面61A与下倾斜面61B的垂直投影具有一间距L(约2～3μm)，使第一、第二取向控制结构56、58的上下垂直投影不重叠。除此之外，第二实施例的结构大致上与第一实施例相同。

图11与图12也示出了本发明第二实施例的液晶分子46的取向变化。如图11所示，由于负介电各向异性液晶分子46为垂直取向，因此于尚未外加电压于液晶显示器40时，所有的液晶分子46会以垂直于液晶取向层50、54的方式排列，其中位于第一、第二取向控制结构56、58的平坦表面上的液晶分子46A的排列方式是垂直于基板42、44；而位于上倾斜面61A与下倾斜面61B间液晶分子46B的排列方式则是随着倾斜面的斜度呈现一定角度的倾斜。

如图12所示，于外加电压于液晶显示器40之后，原本垂直排列于垂直取向层50、54表面的负介电各向异性液晶分子46，会朝着垂直于电场方向转动，并随着相对应的电压大小做一定角度的倾斜。由于电极48、52设置于第一、第二取向控制结构56、58的表面上，且外加电场会向二电极48、52间最短距离方向延伸，因此使得上倾斜面61A与下倾斜面61B间的电场方向产生两种不同方向的扭曲，因此液晶分子46B会呈现两种转动方向。

图示中的箭头方向是指电场方向的变化。举例来说，位于第二取向控制结构58的下倾斜面61A顶端的液晶分子46B₁会以顺时针方向转动，进而使相邻的液晶分子46A₁也以顺时针方向转动。位于第二取向控制结构58的上倾斜面61A底端的液晶分子46B₂会以逆时针方向转动，进而使相邻的液晶分子46A₂也以逆时针方向转动。而每一第一取向控制结构56与邻近的第二取向控制结构58上下不能重叠，其间需具有间隙L(约2-3μm)，如此才能确保上下二取向控制结构56、58边界处的电场成倾斜方向延伸。

请参考图13A与图13B，图13A为图12所示的液晶分子46的转动方向示意图，其箭头即液晶分子的取向；而图13B是显示图12所示的液晶转动方向的上视图。由于上、下倾斜面61A、61B间的电场方向会产生两种方向的扭曲而使液晶分子46B呈现两种转动方向，因此位于倾斜面间隙L且邻接第一取向控制结构56的液晶分子46B₂逆时针转动，而位于倾斜面间隙L且邻接第二取向控制结构58的液晶分子46B₁顺时针转动。如此仍然可以使一个象素区域中的液晶分子46产生四个取向畴。

依据上述可知，本发明第二实施例的液晶显示器40的取向控制结构能使一个象素区域中产生四个取向畴，可以大幅提升液晶显示器40所需要的宽广视野以及高度色彩对比。而且，相较于现有的条状凸起物，本发明将取向控制结构设计成为表面平坦的长方体凸起物，可以避免取向控制结构处的透光率下降幅度减低，以确保液晶显示器40的显示品质。

请参考图14，图14是本发明的取向控制结构的第一种分布(layout)上视图。依据本发明第一、第二实施例的取向控制结构设计，每两个相邻闸极线60与每两个相邻信号线62间定义一个长方形象素区域，且第一、第二取向控制结构56、58是以矩阵排列方式设置于液晶显示器40中，且每一个象素区域中包含有二个第一取向控制结构56以及二个第二取向控制结构58，可以形成四个取向畴。于象素区域P(i)中，“右上取向畴”与“左下取向畴”是设置第一取向控制结构56，“左上取向畴”与“右下取向畴”是设置第二取向控制结构58。于象素区域P(i+l)中，“左上取向畴”与“右下取向畴”是设置第一取向控制结构56，“右上取向畴”与“左下取向畴”是设置第二取向控制结构58。

除此之外，本发明的取向控制结构的分布方式可以设计成多样化，以配合液晶显示器40的多重取向畴的要求。请参考图15至图17，图15至图17为本发明的取向控制结构的分布上视图。如图15所示，本发明第二种取向控制结构的分布方式，仍是将第一、第二取向控制结构56、58以矩阵排列方式设置于液晶显示器40中，而每一个象素区域中包含有一个第一取向控制结构56或是一个第二取向控制结构58，可以形成一个单一的取向畴；亦即，于象素区域P(i)中，仅设置第二取向控制结构58；于象素区域P(i+1)中，仅设置第一取向控制结构56。

如图16所示，本发明第三种取向控制结构的分布方式，仍是将第一、第二取向控制结构56、58以矩阵排列方式设置于液晶显示器40中，而每一个象素区域中包含有一个第一取向控制结构56以及一个第二取向控制结构58，可以形成二个取向畴。亦即，于象素区域P(i)中，“上取向畴”是设置第二取向控制结构58，“下取向畴”是设置第一取向控制结构56；于象素区域P(i+1)中，“上取向畴”是设置第一取向控制结构56，“下取向畴”是设置第二取向控制结构58。

如图17所示，本发明第四种取向控制结构的分布方式，仍是将第一、第二取向控制结构56、58是以矩阵排列方式设置于液晶显示器40中，而每一个象素区域中包含有三个第一取向控制结构56以及三个第二取向控制结构58，可以形成六个取向畴。

虽然本发明已对较佳实施例进行了如上描述，然而这并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以作出变动与变型，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种液晶显示器，包括有：

一上基板，该上基板设有一上电极；

一下基板，该下基板设有一下电极，该上电极与该下电极间可施加一电场；

一负型介电各向异性液晶，填充于该上基板与该下基板之间；

多个第一取向控制结构，排列于该上基板上；

形成于每两个相邻的所述第一取向控制结构之间的一上凹槽；

形成于每一所述第一取向控制结构与每一所述上凹槽之间的一上倾斜面；

多个第二取向控制结构，排列于所述下基板上；

形成于每两个相邻近的所述第二取向控制结构之间的一下凹槽；

形成于每一该第二取向控制结构与每一该下凹槽之间的一下倾斜面；

其中所述第二取向控制结构位于所述上凹槽的下方，所述下凹槽位于所述第一取向结构下方，且所述第二取向控制结构与所述上凹槽具有实质相同尺寸，所述第一取向控制结构与所述下凹槽具有实质相同尺寸，以使所述上倾斜面与所述下倾斜面互相接近，藉以改变所述上倾斜面与所述下倾斜面附近电场的方向，其特征在于：

每一象素区中至少包含一个第一取向控制结构和一个第二取向控制结构，并且在每个像素区域的行和列中，第一和第二取向控制结构均交错排列。

2.如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，每一第一取向控制结构以及每一第二取向控制结构为一长方体凸起物。

3.如权利要求2所述的液晶显示器，其特征在于，所述长方体凸起物包含有一平坦的表面。

4.如权利要求2所述的液晶显示器，其特征在于，所述长方体凸起物的周边处成一倾斜面。

5.如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，每一象素区中包含有二个第一取向控制结构以及二个第二取向控制结构。

6.如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，每一象素区中包含有三个第一取向控制结构以及三个第二取向控制结构。

7.如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，每一第一取向控制结构设于上基板与上电极之间，且每一第二取向控制结构设于下基板与下电极之间。

8.如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，每一第一取向控制结构设于上电极上方，且每一第二取向控制结构设于下电极上方。

9.如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，上基板与下基板上各设置一液晶取向层，当所述上电极与下电极之间未施加电场时，所述负型介电各向异性液晶垂直于所述液晶取向层。

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