CN1672089A - 具有部分转变的半透反射式液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

一种仅需要单盒间隙(40)的高反射和透射的半透反射式液晶显示器(TLCD)。代替减少反射(R)子像素区域的盒间隙，本发明减少反射像素(R)(42)的双折射变化Δd，从而R的总延迟变化Δd等于透射像素(T)的总延迟变化。这是通过部分转变像素约45度而实现的，其中在单盒间隙(40)的反射像素(R)区域(42)中将不连续电极产生的弥散场施加到盒间隙(40)的反射像素(R)区域(42)中的分子(44)上。

Description

具有部分转变的半透反射式液晶显示器
本发明涉及透射型液晶显示器(LCD)，尤其涉及用于制造具有部分转变能力的半透反射式(transflective)液晶显示器(TLCD)的方法和装置，并要求基于2003年4月30日提交的美国临时专利申请序号No.60/376670的优先权。
背景和现有技术
常规透射型液晶显示器(LCD)呈现较高的对比度以及良好的色饱和度。但是，由于需要背光，它们的功耗较高。在较亮的环境处，例如户外，显示器完全褪色，从而丢失了其清晰度。另一方面，反射型LCD使用环境光来读取所显示的图像，因此在较亮的环境下能保持其清晰度。由于缺少了背光，显著地降低了它们的功耗。但是，在较差的环境光下，反射LCD就损失了其可读性。此外，它们的对比度也要比透射型LCD的对比度低。
为了克服以上的缺陷，开发了半透反射式LCD(TLCD)，以允许在任何环境光的情况下良好的清晰度。在这些显示器中，像素被分成R(反射)和T(透射)子像素。T子像素没有反射器，从而它允许来自背光的光透过且该装置可以在透射模式中工作。通常，R和T的面积比是4∶1，支持反射显示。透射模式仅用于较暗的环境，以保存电能。一般，已开发了两种半透反射式LCD(TLCD)的主要方法：单盒(cell)间隙(图1a)和双盒间隙(图1b)。
在单盒间隙方法中，R和T模式的盒间隙(d)是相同的。针对R模式优化盒间隙。结果，针对T模式的光透射率一般是50％或更低，因为光仅穿过LC层一次。为了针对R和T模式两者实现较高的光效率，常使用双盒间隙方法，从而T像素的盒间隙是R像素的盒间隙的两倍，如图1b所示。在这种情况中，LC层中光经过的总长度对于T和R两者来说是相同的。但是，该方法仅适合于ECB(电控制的双折射)模式，例如垂直对准(Vertical Alignment)(VA)和平行对准(Parallel Alignment)(PA)模式。
单盒间隙半透反射式LCD(TLCD)常引起对透射T的较低效率。为了获得较高的T和R，常需要转向双盒间隙方法。但是，该方法引起更加复杂的结构以及非常苛刻的制造过程。制造过程需要具有对两个盒间隙之间的差异的良好控制，这取决于额外层的控制(通常是有机的)。该良好控制会是较困难的，会导致盒间隙中的不均匀以及LCD光学性能的劣化。此外，R和T区域之间盒间隙中的差异还会引起T和R显示模式之间不同的响应时间。
最好采用具有VA(垂直对准)LC模式的半透反射式LCD(TLCD)说明这些困难。例如，如果盒间隙(d)对于R和T两者是相同的，如图2a所示，则由于R经过双重路径，反射光R将经过2.Δn.d的总延迟变化(retardation change)，这是T的总延迟变化Δn.d的两倍。因此，反射变化率是T的两倍，导致不相等的光等级变化，如图2b所示。这里，R在2.75V处达到100％的亮度，而T在该电压处仅达到50％。因此，采用这种结构的半透反射式LCD(TLCD)将在2.75V处具有通态电压，Von，这导致对T的仅50％的光效率。
另一方面，在图3a所示的双盒间隙方法中，R区域中的盒间隙减小到d/2，从而对于R(双重路径)的总路径长度保持等于d＝(2xd/2)，这与T的总路径长度相等。该结构对于R和T两者引起相等的延迟变化和亮度变化，如图3b所示。因此，R和T两者可以具有100％的高效率。
迄今，只有很少的方法可以克服现有技术教导的问题，即仅使用单盒间隙获得较高的光效率。美国专利6281952提出的一种可能是在R和T区域中使用不同的LC对准。但是，对于使用当前LC技术的大规模生产来说，该方法很难实现。
本发明的主题(如以下所揭示的)在美国专利局的搜索显示以下的7个美国专利和2个公开的美国专利申请：
Krueger等人的美国专利4256377关注用于生产垂直对准的对准开发，它对TLCD的部分转变关系极小；
Mochizuki等人的美国专利5113273关注铁电液晶的光电响应的存储器的改善；
Yanagisaa的美国专利5128786关于用于TFT-LCD装置的Black Matrix，它与这里所要求的本发明无关；
Beesely的美国专利5400047关于场致发光显示器的响应时间的改善，但没有讨论部分转变；
Kuratomi等人的美国专利5515189关注用于神经网络而非半透反射式直观显示的LC空间光调制器：
Park的美国专利6043605通过浮动辅助电极改善了等离子体显示器，它与LCD无关；
Kim等人的美国专利6344080(如前所述)仅与等离子体显示器有关；
Park的美国专利申请2001/0040666虽然教导了LCD的对准膜但未揭示用于生产TLCD的任何技术；以及
Arai的美国专利申请2001/0043297没有涉及部分转变而是涉及扭转向列(TN)和超扭转向列LCD。
搜索中显示的参考都没有提供针对使用当前LC技术的大规模生产的仅使用单盒间隙来减少所面对的困难以获得较高光效率的建议。
发明内容
本发明的主要目的在于用单间隙技术提供高反射(R)和透射(T)的半透反射式液晶显示器(TLCD)，而不必使用双盒间隙。
本发明的次要目的在于提供高反射(R)和透射(T)的半透反射式液晶显示器(LCD)，它具有当环境光不够亮时显示高质量图像的高性能，特别是对于彩色反射显示器。
本发明的第三个目的在于提供高反射(R)和透射(T)的半透反射式液晶显示器(LCD)，它具有在单间隙LCD中反射像素之内的分子的部分转变。
根据本发明，提供了一种用单间隙高反射(R)和透射(T)的半透反射式液晶显示器(LCD)的制造方法，它包括以下步骤：减少单间隙液晶显示器(LCD)中反射像素(R)的双折射变化Δn，从而反射像素(R)的总延迟Δnd约等于所述单间隙LCD中透射像素的总延迟Δnd。
同样根据本发明，提供了一种单间隙、半透反射式液晶显示器(TLCD)，它包括：具有透射像素(T)和反射像素(R)的单间隙液晶显示器(LCD)；以及，用于减少单间隙液晶显示器(LCD)中反射像素(R)的双折射变化Δn从而反射像素(R)的总延迟Δnd约等于单间隙LCD中透射像素的总延迟Δnd的装置。
本发明的进一步的目的和优点将通过附图中示意性说明的优选实施例的详细描述而变得显而易见。
附图概述
图1a示出了使用单盒间隙的现有技术的半透反射式液晶(TLCD)。
图1b示出了使用双盒间隙的现有技术的TLCD。
图2a示出了单盒间隙垂直对准(VA)TLCD像素的结构，示出了施加电场情况下的转变。
图2b示出了图2a装置的反射-电压图和透射-电压图。
图3a示出了双盒间隙VA TLCD像素的结构，示出了施加电场情况下的转变。
图3b示出了图3a装置的反射-电压和透射-电压图。
图4示出了本发明的单间隙LCD的部分转变的方案。
图5示出了在本发明的单间隙LCD中使用不连续的电极产生强弥散场。
图6示出了在R子像素区域中具有部分转变的单盒间隙VA TLCD的反射电压(R-V)和透射电压(T-V)图。
具体实施方式
在详细说明本发明的实施例之前，可以理解，本发明不限于应用于所示的特定结构的细节之中，因为本发明能应用于其它实施例。同样，这里所使用的术语是用于描述的目的而非限制性的。
根据以下所揭示的本发明，可以发现，代替将盒间隙从d降低到d/2，可以通过使用部分转变在R区域中将双折射变化从Δn降低到Δn/2。可以将分子转变约45°而不是垂直的90°。在这种情况中，双重路径R的合成延迟变化保持(Δn/2)*(2d)＝Δnd，这与T的延迟变化相同。这就使用简单的单盒间隙结构为T和R两者形成了较高的光效率。
以下是产生这种部分转变的合适方案的说明。这是通过使用不连续的像素电极(或共用电极)在R区域中产生强弥散场而实现的。该弥散场的方案和目的与作为LCD宽视角技术的FFS(散射场转变)相当不同。其不同之处如下：
a.FFS方案要求共用电极与像素电极位于基板的相同侧上，以便产生较强的面内转变。但是，在本发明中，共用电极位于另一个基板上，它具有与使用垂直电场的标准TFT-LCD类似的结构；以及
b.其目的不在于产生面内转变而是使电场从其垂直方向偏离到倾斜方向以形成部分转变。
因此，与现有的FFS TFT-LCD相比，本发明的弥散场方案具有不同的结构和目的。
本发明描述了一种技术，用于针对R(反射)和T(透射)像素两者实现较高的光效率，而不使用双盒间隙方法。这是基于一事实，即LCD的输出光等级变化(在这种情况中与光效率相等)与装置的LC层中行进的入射光所经过的总延迟变化成比例。总延迟变化Δnd是1)作为在施加电压时液晶分子重新取向的结果，入射光所‘见到(seen)’的双折射变化，Δn，以及2)LC层中入射光所经过的总路径长度(其d等于用于单路径光的盒间隙d)的乘积。代替减少R子像素区域的盒间隙，减少R的双折射变化Δn，从而R的总延迟变化等于T的总延迟变化。在这种情况中，就可以使用单盒间隙实现都较高的R和T。
现在参考图4以最佳地理解本发明。代替将R区域42中盒间隙d40减小到一半，本发明将反射区中的双折射变化Δn减小到一半，从而总延迟保持相同。这可以通过部分转变LC分子44而实现。代替将LC分子46切换到90°，如通过垂直电场进行的那样，可以将R区域中的LC分子44部分转变到约45°，如图4所示，这导致Δn/2的双折射变化而不是Δn。因此，R的总延迟变化保持在Δn.d(＝Δn/2x2d)，因为LC层中R的总路径是2d。在这种条件下，T和R两者都预计给出几乎相等且较高的效率。
用于部分转变的方法是使用倾斜电场。通过计算机模拟，一种用于产生合适的倾斜电场以实现所需的部分转变的方法是通过在不连续的像素电极50和共用电极52之间产生弥散场，如图5所示。不连续的电极50需要具有较窄的宽度W(通常＜约10μm)以及较窄的间隙G(通常＜约3μm)，从而弥散场占优势。这使得间隙区域之中和附近的LC分子部分地转变，从而减少了合成的单路径延迟变化。可以在反射器顶上制造不连续电极，它们之间具有较薄的一层绝缘层(例如，SiO2)。或者，不连续电极还可以使用共用电极制造于滤色片基板上，而不是用像素电极制造于反射器基板上。在这种情况中，反射器上不需要附加的绝缘层或修改。
作为实例，图6示出了作为VA半透反射式装置的电压的函数的R和T的光效率，它具有R区域中约1μm宽的不连续电极以及约1μm的间隙。T区域中的电极保持连续。如图所示，R的光效率在约3.75V处达到约100％。如果将该装置偏置于用于通态(Von)的该电压处，则T的效率约是90％，这远高于没有不连续电极的单盒间隙装置的T效率。T的效率不是100％，因为在这种情况中R中的部分转变不是理想的，即分子不是在该电压处全部转变45°如T中转变90°的分子。但是，通过适当的设计，可以优化效率。虽然电极宽度W和电极间隙G优选保持在约10μm和约3μm以下以确保较强的弥散场，但实际的限制取决于装置的盒间隙。盒间隙越高，就允许电极宽度和间隙越宽，因为弥散场可以延伸到更宽的区域。因此，部分转变的量可以保持或多或少地一样，不管较大的电极宽度和间隙。
表1示出了使用不同的电极宽度和电极间隙组合获得的结果。该结果说明，部分转变的原理可以是真正非常新颖和简单的方法来为单盒间隙TLCD获得较高的R和T效率，而不使用复杂的双盒间隙方法。
表1
宽度(W)/μm 间隙(G)/μm  Von/V R/％ T/％
 1  1  3.6  100  87
 1  1.5  4  94  94
  1   2   4.5   88   98
  2   1   3.25   100   76
  2   2   3.75   87   90
  3   1   3.15   100   73
  3   2   3.75   85   90
  4   1.5   3.5   92   85
  4   1.75   3.5   88   85
  4   2   3.75   84   90
  5   1.75   3.5   85   85
  5   2   3.75   82   90
  10   3   2.85   90   86
如上所述，使用电极宽度W和电极间隙G的不同组合，表1中获得和报告了光效率R和T。结果示出，使用本发明的部分转变方案可以稳定地实现R和T＞85％。还示出，在某些情况中，电极间隙G不能太小。
所报告的结果说明部分切换的原理可以真正地是非常新颖和简单的方法来为单盒间隙TLCD获得较高的R和T效率。此外，通过增加盒间隙可以进一步改善R和T两者的光效率，因为部分转变的量随盒间隙的增加而增加。作为实例，表1中的多数结果基于约3.6μm的盒间隙。
本发明揭示了一种不使用双盒间隙方法而实现较高的反射和透射TLCD的非常新颖和简单的技术。本发明基于惊人的事实，即代替将盒间隙从d减小到d/2，还可以通过使用部分转变在R区域中将双折射变化从Δn减小到Δn/2。将分子转变约45°而代替垂直的90°。在这种情况中，对于双重路径R的合成延迟变化保持(Δn/2)x(2d)＝Δnd，与T的延迟变化相同。这使用简单的单盒间隙结构形成T和R两者的较高的光效率。
已论证了一种用于这种类型的部分转变的合适方案。这是通过使用不连续的像素电极(或者共用电极)在R区域中产生较强的弥散场而实现的。该弥散场的方案和目的与用于LCD的宽视角技术的FFS(散射场转变)相当不同。其不同之处在于：
(a).FFS方案要求共用电极与像素电极位于基板的相同侧上，以便产生较强的面内转变。但是，在本发明中，共用电极位于另一个基板上，它具有与使用垂直电场的标准TFT-LCD类似的结构；以及
(b).本发明的目的不在于产生面内转变而是采用与现有的FFS TFT-LCD相比不同结构和目的的弥散场方案使电场从其垂直方向偏离到倾斜方向以形成部分转变。
本发明避免了使用双盒间隙方案来为R和T两者实现高光效率的需要。如前所述，双盒间隙方法形成更复杂的结构以及苛刻的制造过程。该制造过程需要具有对两个盒间隙之间差异的非常好的控制，这取决于额外层(通常是有机的)的控制。该非常好的控制是很困难的，它导致盒间隙中的不均匀以及LCD光学性能的劣化。
与双盒间隙方法不同，该单盒间隙不会引起T和R显示模式之间响应时间的不同。
本发明还可以节省成本，因为该方案不需要较大的额外部件来形成不连续电极取代R区域中正常连续的电极。在双盒间隙的情况中，需要额外的厚有机层来形成双盒间隙结构。
本发明应用于手持和移动通信，诸如但不限于移动电话、个人数字助理(PDA)、电子书等等。
虽然已在如实践中假定的各项实施例和修改中描述、说明和示出了本发明，但本发明的范围不旨在，或不应认为是有限的，从而特别保留通过这里的教导暗示的其它修改或实施例，特别因为它们落在这里所附的权利要求书的范围之内。

Claims (17)

1.一种生产具有单间隙的高反射(R)和透射(T)的半透反射式液晶显示器(LCD)的方法，其特征在于，包括以下步骤：
减少单间隙液晶显示器(LCD)中反射像素(R)的双折射变化Δn，从而反射像素(R)的总延迟Δnd约等于单间隙LCD中的透射像素的总延迟Δnd。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减少步骤包括：将双折射变化Δn减少约1/2。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减少步骤包括：部分转变反射像素(R)中的分子。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述部分转变约是45度。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述部分转变包括：将电场施加到反射像素(R)上。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，施加电场的步骤包括：生成弥散场。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，产生弥散场的步骤包括：通过单盒间隙中反射像素(R)附近的不连续的像素电极产生弥散场。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，不连续的像素电极包括：
小于约10μm的较窄宽度；以及
小于约3μm的较窄间隙。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
随着盒间隙大小的增加，增加不连续电极中宽度和间隙间隔限制。
10.一种高反射(R)和透射(T)的半透反射式液晶显示器(TLCD)，其特征在于，包括：
单盒间隙液晶显示器(LCD)，它具有透射像素(T)和反射像素(R)；以及
用于减少单间隙液晶显示器(LCD)中反射像素(R)的双折射变化Δn从而反射像素(R)的总延迟Δnd约等于单间隙LCD中透射像素的总延迟Δnd的装置。
11.如权利要求10所述的LCD，其特征在于，所述减少装置包括：
用于将双折射变化Δn减少约1/2的装置。
12.如权利要求10所述的LCD，其特征在于，所述减少装置包括：
用于部分转变反射像素(R)中的分子的装置。
13.如权利要求12所述的LCD，其特征在于，部分转变约是45度。
14.如权利要求10所述的LCD，其特征在于，所述减少装置包括：
用于将电场施加到反射像素(R)上的装置。
15.如权利要求14所述的LCD，其特征在于，所述施加装置包括：
用于产生弥散场的装置。
16.如权利要求15所述的LCD，其特征在于，进一步包括：
单盒间隙中邻近反射像素(R)的不连续像素电极。
17.如权利要求16所述的LCD，其特征在于，所述不连续像素电极包括：
小于约10μm的较窄宽度；以及
小于约3μm的较窄间隙。
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