CN1367479A - 一种低驱动电压的液晶显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液晶显示器(LCD)。本发明的液晶显示器包含有一具有一第一表面的第一基板,一具有一第二表面的第二基板,且第二表面上定义有一像素区域。该液晶显示器更包含一第一电极,一第二电极,一绝缘层(isolation layer),一第三电极。多个负介电常数非等向性(negative dielectricconstantanisotropy)的液晶分子充填于第一电极与第三电极之间,且液晶分子长轴是水平排列于第一电极与第三电极之间。
Description
本发明提供一种制作具有广视角及低驱动电压液晶显示器的方法。
液晶显示器具有外型轻薄、耗电量少以及无辐射污染等特性，已被广泛地应用在笔记型电脑(notebook)、个人数字助理(PDA)等携带式信息产品上，甚至已有逐渐取代传统桌上型电脑的CRT监视器的趋势。液晶分子在不同排列状态下，对光线具有不同的偏振或折射效果，液晶显示器即是利用液晶分子此种特性来控制光线的穿透量，进而使液晶显示器产生丰富的影像。然而，传统液晶显示器的视角会受到液晶分子结构与光学特性的影响，因此有必要发展一种新型结构的液晶显示器，以提供较佳较广的视角。
请参考图1A与图1B，图1B为传统的扭转线状(twistnematic，TN)液晶显示器10的亮态的示意图，图1B为传统的扭转线状液晶显示器10的暗态的示意图。如图1A所示，传统的TN-LCD 10包含有一第一基板12、一第二基板14与第一基板12平行相对、一第一电极16设于第一基板12的下方、一第二电极18设于第二基板14的上方、一第一偏光片20、一第二偏光片(polarizer)22分别设于第一基板12的上方与第二基板14的下方、以及多个具正介电常数非等向性(positive dielectric constant anisotropy)的液晶分子24填充于第一基板12与第二基板14之间。第一偏光片20的偏振吸收(polarizating absorption)的吸收轴方向P1是平行于纸面，第二偏光片22的偏振吸收的吸收轴方向P2是垂直于纸面，而液晶分子24的排列方向由上至下逐渐由平行于纸面的方向转换为垂直于纸面的方向。
如图1A所示，当液晶显示器10的第一电极16与第二电极18未施加电压时，液晶分子24未受电场影响而分别与第一偏光片20、第二偏光片22平行。一光线(未显示)自下方射入，经由第二偏光片22而产生偏振，使得垂直纸面的偏振光得以穿过第二基板14。接着偏振光射入液晶分子24，而产生折射的现象。入射光跟随液晶分子24的排列方向，而将偏振光吸收方向由垂直纸面的方向逐渐转为平行纸面的方向。最后，偏振光欲透过第一基板12时，由于偏振光的行进方向与第一偏光片20的偏振光吸收方向平行，此即为TN-LCD 10的亮态。
如图1B所示，当在第一电极16与第二电极18之间施加一电压时，而在第一基板12与第二基板14之间产生一电场。由于具正介电常数的正液晶分子其长轴会倾向以平行电场方向26来排列，因此液晶分子24将会以垂直于第一、第二基板12、14的方向排列。因此，光线的行进方向与第一偏光板20垂直，光线无法通过第一偏光片20。因此，位于第一基板12上方的观察者看不到任何光线，此即为TN-LCD 10的暗态。
为了降低TN-LCD 10的起始电压(threshold voltage)，并使液晶分子24更容易受电场影响而转动，图1A中的液晶分子24通常与第一基板12或第二基板14夹有一预倾角(未显示)。然而，此种预倾角却造成液晶分子24在暗态时的不对称，使得观察者在不同角度所看到的光线强度并不相同，使得TN-LCD 10在显示时的视角受到限制。且在显示时，由于液晶分子24与第一、第二基板12、14的附着力，实际上仅有第一、第二基板12、14间中央部分的液晶分子24会与转至与第一、第二基板12、14完全垂直，而邻近第一、第二基板12、14的液晶分子24则会与第一、第二基板12、14保有一夹角(未显示)。此外，再一并考虑前述预倾角的效应，使暗态时的液晶分子24并不是如图2般均匀排列，因此暗态效果不佳，对比下降。此外，TN-LCD 10的视角也因此受到相当大的限制，甚至有上下视角不同的现象产生。因此，如何能有效降低TN-LCD 10的起始电压，并使液晶分子24能够加速转动，同时加大视角，即成为TN-LCD 10必须突破的一大课题。
有不少改善视角的技术已经开发出来，其中之一应用在显示器上即为平面扭转型(IPS，In-plane Switching mode)液晶显示器，其结构如图2所示。传统的IPS-LCD 50包含有一第一基板52、一第二基板54，其与第一基板52平行相对、一第一电极56与一第二电极58设于第二基板54上、一第一偏光片53a与一第二偏光片53b分别设于第一基板52的上方与第二基板54的下方、以及多个具正介电常数非等向性(positive dielectric constant anisotropy)的液晶分子57填充于第一基板52与第二基板54之间。其操作原理可见于美国专利US 6,094,250中，在此不再赘述。使用平面扭转型液晶显示器虽可改进传统扭转型液晶显示器的视角问题，但仍无法有效降低显示器的启动电压。此外，第一电极56与第二电极58均为不透明金属电极，将降低液晶显示器的透光率。
因此本发明的主要目的在于提供一种具有低驱动电压的平面扭转型液晶显示器。
请参考图3，图3为本发明具有低驱动电压的液晶显示器30的示意图。如图3所示，本发明液晶显示器30包含有一具有一第一表面102的第一基板100以及一具有一第二表面202的第二基板200，第二表面202与第一表面102平行相对，且第二表面202上是定义有一像素区域(未显示)。第一基板100可为一上基板或一下基板，相对的，第二基板200即为一下基板或一上基板。在本发明中，仅介绍第一基板100为一上基板，而第二基板200为一下基板的结构，但是本发明的概念仍可应用在两基板100、200上下相反的结构上。
如图3所示，第一基板100的第一表面102上设有一第一电极104，而与第一表面102相对的另一侧的表面则设有一第一偏光片112。第二基板200的第二表面202上则依序设有一第二电极、一绝缘层(isolation layer)206以及一第三电极。第二电极208用来当作像素(pixel)电极208，且第二电极208是设于第二基板200的像素区域中。绝缘层206是平行地设于第二基板200表面并覆盖于第二电极208之上。第三电极210是用来当作下共用(common)电极210，其设于绝缘层206表面并位于该像素区域中。其中，像素电极208以及下共用电极210是含有沿第一方向114延伸的近似长条形的第一缺口(slit)218以及第二缺口216，第一缺口与第二缺口是交错设置，因此像素电极208以及下共用电极210在第二基板200的水平表面上的投影位置亦呈互相交错配置。第一电极104、像素电极208以及下共用电极210均可由一透明导电材料所构成，可增加液晶显示器的开口率与透光率。此外，第二基板200上与第二表面102相对的另一表面另设有一第二偏光片212。
请参考图4A与图4B，其为图3的液晶显示器30的上视图。如图4A所示，第二基板200上设有多个第一与第二缺口218、216沿第一方向114各设于像素电极208与下共用电极210之上。第一基板100与第二基板200之间填充有多个具负介电常数非等向性(negative dielectric constant anisotropy)的液晶分子40，均匀分散于第一电极104与下共用电极210之间。
当未施加电场时，液晶分子40长轴是沿一第二方向214水平排列于第一电极104与下共用电极210之间，且第二方向214与第一方向114之间夹有一夹角θ1。其中，第二方向214为第二偏光片212的偏光吸收方向214，且第一偏光片112的偏光吸收方向为第三方向115，第三方向115是与第二方向214垂直。此外，液晶显示器30在第一基板100的第一表面102上或是在第二基板200的第二表面202上设有一开关元件(未显示)，例如一薄膜晶体管(thin film transistor)，用来控制液晶显示器30的开启动作。
如图4A所示，当开关元件未开启时，亦即第一电极104与像素电极208之间未施加一电压而造成任何电场，此时液晶分子是依第二方向214排列，且与第一偏光片112的偏光吸收方向115垂直，因而造成光线无法通过第一偏光片112，因此观察者将看不到任何光线自液晶显示器30中射出，此即为液晶显示器30的暗态。而且由于液晶分子的排列方向完全与第一偏光片112的偏光吸收方向115垂直，因此，本发明液晶显示器在未加电场时所得的暗态为十分完美(prefect)的暗态。请再参考图4B，当开关元件开启时，液晶分子受到电场的影响，由原来的第二方向214逐渐转向至平行第一缺口218排列方向的第一方向114，因而造成液晶显示器的亮态，详细的说明将在图5中介绍，在此仅作为对照比较之用。
请再参考图4C与图4D，其显示另一种缺口分布的方式。如图4C所示，第二基板200上设有多个第一与第二缺口218、216沿第一方向114各设于像素电极208与下共用电极210之上，同时设有多个第三与第四缺口219、217沿第四方向116各设于像素电极208与下共用电极210之上。当未施加电场时，液晶分子40长轴是沿第二方向214水平排列于第一电极104与下共用电极210之间。第二方向214与第一方向114之间夹有夹角θ1，第四方向116与第二方向214之间夹有夹角θ2。当开关元件开启时，如图4D所示，液晶分子受到电场的影响，由原来的第二方向214分别转向至平行第一、第三缺口218、219排列方向的第一、第四方向114、116，因而造成液晶显示器的亮态。
此外，第一偏光片112与第二偏光片212亦可互换，也就是，未施加电压时液晶的排列不一定平行第二偏光片212的偏光吸收方向214，也有可能是以平行第一偏光片112的偏光吸收方向115来排列。
请参考图5，图5为图3的液晶显示器30沿第二方向214的剖面示意图，当开关元件被开启时，一外加压降便会存在于第一电极104与像素电极208之间，而此时第一电极104与下共用电极210等电位，故第一电极104与像素电极208之间会形成一偏向电场120。且下共用电极210与像素电极208之间，会有另一个偏向电场220产生。在下共用电极210的第二缺口216附近产生的偏向电场120会在邻近第二缺口216附近产生一垂直于第一方向114的第一水平电场分量1201，而负液晶分子40以倾向以垂直电场的方向排列，因此，施加电压后，邻近下共用电极210的第二缺口216附近的液晶分子403会由原来的第二方向214逐渐转向至平行第二缺口216排列方向的第一方向114。再者，邻近第二缺口216附近也会产生一垂直第二基板200表面的电场分量1202，而该电场分量1202均垂直液晶分子40的长轴，使液晶分子40维持在固定的平面上转动。
此外，偏向电场120于邻近第一电极104处并无水平偏向电场分量，而使邻近该第一电极104的液晶分子401长轴维持在第二方向214。所以，介于第一电极104与下共用电极第二缺口216之间的液晶分子是由第二方向214逐渐转向至第一方向114，而产生类似传统的技艺中扭转型(TwistNematic；TN)液晶未施加电压时的亮态。也就是，当液晶分子40转向之后，光线由第二偏光片212通过之后，随着液晶分子的排列方向，由第二方向214逐渐转成第一方向114。由于液晶分子的排列方向已经不是完全垂直第一偏光片的偏光吸收方向115，因此光线可通过第一偏光片112，而到达观察者的眼中，此即为液晶显示器30的亮态。
换句话说，偏向电场120会在第一基板100与第二基板200之间，产生一垂直于第一方向114的垂直电场分量1201，使液晶分子40维持在固定平面转动，以及一水平电场分量1202，使液晶分子40逐渐转向至平行下共用电极的第二缺口216排列。因此，在加入下共用(common)电极210时，由于另一个偏向电场220同时产生，该偏向电场220可提供另一水平电场分量(未图示)来加强使液晶分子转动的水平电场分量1202，使接近缺口的液晶分子更容易被转动。至于电场220的垂直电场(未显示)分量，因作用亦为使液晶分子40维持在固定平面转动，故在此不做详细讨论与说明。
本发明液晶显示器30的特点是在第二基板200的第二表面202上多加入一个下共用电极210，以较强的横向电场，推动接近缺口处的液晶分子，使液晶分子40的转动更加容易，进而降低液晶显示器30的驱动电压。其次，形成于下共用电极210与像素电极208之间的绝缘层206，亦多提供了另一层的隔离保护，以使像素电极208和第一电极104(亦即第一基板100的共用电极)发生短路的机会变小。而且，如前所述，形成于液晶显示器30上的第一电极104、像素电极208以及下共用电极210都是由一透明导电材料所构成(当然亦可视液晶显示器30的导电性需求，而部分选用一非透明材料)，因此液晶显示器30的透光率增大，而像素电极208以及下共用电极210的尺寸也可相对缩小来增大液晶显示器30的开口率。
请参考图6，图6为本发明液晶显示器30的第二实施例的剖面示意图。前述图3至图5的实施例中的上基板100是为一个平整的板状结构，第二实施例则是于第一基板100的第一表面102上形成多个突起物122结构。如图6所示，第一基板100的第一表面102上包含有多个突起物122，多个突起物122是设置于第一电极上的讯号线(data line，未显示)区域内，而第一电极104即全面设置于第一基板100上，且覆盖于突起物122表面，第一电极104会第二基板200表面的下共用电极210相接触，当于第一电极104与像素电极208之间被施加以一电压降时，第一电极104与下共用电极210形成等电位。
上述结构设计的优点在于可降低共用讯号延迟(common signal delay)的现象，也因此可缩小讯号线与下共用电极210的宽度。当下共用电极210宽度缩小时，则开口率可相对增大。同时，第一电极104上所储存的静电荷，可透过第一电极104与下共用电极210的电连接而释放掉，故可防止静电放电。此外，由于下共用电极210与像素电极208十分靠近，故下共用电极210与像素电极208之间将存在有一较强的电场220，此电场亦包含一个如前一实施例所述的水平电场(未显示)，使得液晶分子40加速转向而成为亮态的状态，减少驱动时的延迟。另外，在此第二实施例中，突起物122的结构更可用来控制第一基板100与第二基板200的间隙(cell gap)，故可避免传统的液晶显示器中，因使用球形填充物为间距物而衍生出的水波纹以及漏光等缺点。
相较于传统的平面扭转型液晶显示器(IPS-LCD)，本发明的液晶显示器30所需的驱动电压较小，因此所消耗的电力更少。而且如图7所披露的第二实施例而言，当所有上、下共用电极相连时，亦即第一电极104与下共用电极210相连时，下共用电极210线宽减少，更缩小了配线面积，增加开口面积，进而提供一高画质以及高速驱动的解决方案，并节省了制造过程中填充衬垫和制造导线的成本。此外，本发明结构中的绝缘层，更可防止电极短路，以解决萤幕上不正常的亮点问题。
以上所述仅本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，均应属本发明专利的涵盖范围。
附图的简单说明
图1A与图1B分别为传统的扭转线状液晶显示器的亮态与暗态的示意图。
图2为传统的平面扭转型液晶显示器的结构示意图。
图3为本发明具有低驱动电压的液晶显示器的示意图。
图4为图3的液晶显示器的长条型缺口与液晶分子的上视图。
图5为图3的液晶显示器沿第二方向的剖面示意图。
图6为本发明液晶显示器的第二实施例的剖面示意图。附图的符号说明
10、50 液晶显示器 12、52 第一基板
14、54 第二基板 16、56 第一电极
18、58 第二电极
20、53a 第一偏光片
22、53b 第二偏光片 24、57 液晶分子
26 电场方向 30 液晶显示器
100 第一基板 200 第二基板
102 第一表面 202 第二表面
104 第一电极 206 绝缘层
208 像素电极 210 下共用电极
112 第一偏光片 212 第二偏光片
114 第一方向 214 第二方向
216 第二缺口 217 第四缺口
218 第一缺口 219 第三缺口
115 第三方向 122 突起物
120、220 偏向电场 121 电场方向
1201 水平电场分量
1202 垂直电场分量
40、401、403 液晶分子
Claims (11)
1.一种液晶显示器(liquid crystal display，LCD)，其包含有：
一第一基板，其包含有一第一表面；
一第二基板，其包含有一第二表面，该第二表面与该第一基板的第一表面平行相对，且该第二表面上定义有一像素区域；
一第一电极(electrode)，设于该第一基板的第一表面上；
一第二电极，设于该第二基板的像素区域上，且该第二电极上具有一沿一第一方向延伸的近似长条形的第一缺口(slit)；
一绝缘层(isolation layer)，平行地设于该第二基板表面并覆盖于该第二电极之上；
一第三电极，设于该绝缘层表面并位于该像素区域上方，且该第三电极上具有一沿该第一方向延伸的近似长条形的第二缺口，且该第一缺口与该第二缺***错设置；以及
多个负介电常数非等向性(negative dielectric constant anisotropy)的液晶分子充填于该第一电极与该第三电极之间，且该液晶分子长轴是沿一第二方向水平排列于该第一电极与该第三电极之间，而该第二方向与该第一方向之间具有一第一夹角；
其中当外加一电压在该第一电极与该第三电极之间时，该第一电极与该第三电极之间会形成一偏向电场，则(a)该偏向电场于邻近该第二缺口处具有一第一水平偏向电场分量，且该第一水平偏向电场分量是垂直于该第一方向，而使邻近该第二缺口的液晶分子长轴转向平行该第一方向，(b)而该偏向电场于邻近该第一电极处并无水平偏向电场分量，而使邻近该第一电极的液晶分子长轴维持在该第二方向，(c)而介于该第一电极与该第二缺口处之间的液晶分子是由该第二方向逐渐转向至该第一方向。
2.如权利要求1的液晶显示器，其中该液晶显示器的第一偏光片，设置于第一基板的表面上，用以遮蔽一部分欲穿透该第一基板的光线，以及一第二偏光片，设置于第二基板的表面上，用以遮蔽一部分欲穿透该第二基板的光线。
3.如权利要求1的液晶显示器，其中该第二电极是为一透明的像素电极。
4.如权利要求1的液晶显示器，其中该第三电极是为一透明的下共用(common)电极。
5.如权利要求1的液晶显示器，其中该第二电极与该第三电极之间所产生的横向电场是用来加速推动液晶分子的转动，进而降低该液晶显示器的驱动电压。
6.如权利要求1的液晶显示器，其中该第二电极与该第三电极之间的该绝缘层是用来隔离该第二电极与该第三电极，以避免该第二电极与该第三电极发生短路。
7.如权利要求1的液晶显示器另包含有一突起物设于该第一基板的第一表面下侧，以使该第一电极得以藉由该且该突起物来电连接该第三电极，并使该第一电极与该第三电极等电位。
8.如权利要求7的液晶显示器，其中该第一电极是藉由该且该突起物来电连接该第三电极，以减短共用(common)讯号延迟的时间。
9.如权利要求7的液晶显示器，其中该第一电极是藉由该且该突起物来电连接该第三电极，以缩小该下共用电极的宽度，故开口率可增大。
10.如权利要求7的液晶显示器，其中该第一电极是藉由该突起物来电连接该第三电极，以释放该第一电极上所储存的静电荷。
11.如权利要求7的液晶显示器，其中该突起物是用来调整该第一基板以及该第二基板的基板间隙(cell gap)的大小。
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