TWI459106B - 垂直配向型液晶顯示裝置 - Google Patents

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Wei Jean Liu
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Description

垂直配向型液晶顯示裝置
本發明係有關於一種液晶顯示裝置，且特別是有關於一種垂直配向型(vertical alignment,VA)液晶顯示裝置。
液晶顯示裝置(liquid crystal display)由於具有輕、低消耗功率、無輻射等優點，目前已應用於各種個人電腦、個人數位助理(personal digital assistant,PDA)、手機、電視等。
液晶顯示裝置主要由薄膜電晶體(thin film transistor,TFT)基板、彩色濾光片(color filter,CF)基板與形成於兩基板之間的液晶層所組成。
傳統扭轉向列型模式(twisted nematic,TN)具有優異的穿透特性，但缺點在於視角(viewing angle)非常狹窄。因此，開發出垂直配向型(vertical alignment,VA)模式的液晶顯示裝置，例如圖形垂直配向型(patterned vertical alignment,PVA)亦晶顯示器或多區域垂直配向型(multi-domain vertical qalignment,MVA)液晶顯示裝置，其中PVA型利用邊緣場效應與補償板達到廣視角的效果。MVA型將一個畫素分成多個區域，並使用突起物(protrusion)或特定圖案結構，使位於不同區域的液晶分子朝向不同同向傾倒，以達到廣視角且提升穿透率的作用。
習知的共同電極(common electrode)設置於畫素區域(或顯示區域)內，然而隨著液晶顯示裝置解析度日益提高的同時，若共同電極依然設計於畫素區域中，會使開口率(Aperture ratio,AR)降低，因此，業界亟需提出一種新的垂直配向型液晶顯示裝置，以解決上述問題。
本發明提供一種垂直配向型液晶顯示裝置，包括：一第一基板；多條資料線，形成於該第一基板上；多條掃瞄線，形成於該第一基板上，其中該些資料線與該些掃瞄線定義出多個畫素區；多條共同電極，形成於該第一基板上，其中該共同電極位於該些畫素區的邊界並且相鄰於該些掃瞄線；一第二基板，其中該第一基板與該第二基板係相對設置；以及一液晶層，形成於該第一基板與該第二基板之間，其中該液晶層包括一旋光性物質(chiral substance)。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下特舉出本發明之實施例，並配合所附圖式作詳細說明。以下實施例的元件和設計係為了簡化所揭露之發明，並非用以限定本發明。本發明於各個實施例中可能使用重複的參考符號及/或用字。這些重複符號或用字係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定各個實施例及/或所述結構之間的關係。此外，說明書中提及形成第一結構特徵位於第二結構特徵之上，其包括第一結構特徵與第二結構特徵是直接接觸的實施例，另外也包括於第一結構特徵與第二結構特徵之間另外有其他結構特徵的實施例，亦即，第一結構特徵與第二結構特徵並非直接接觸。
請參見第1圖，此圖顯示本發明垂直配向型液晶顯示裝置100之顯示區域，其包括第一基板110與第二基板210，其中第一基板110與第二基板係相對設置，以及液晶層150形成於第一基板110與第二基板210之間，其中液晶層150包括液晶分子151與一旋光性物質(chiral substance)，其中旋光性物質包括手性劑。
此外，於第一基板110之上尚包括畫素電極112，於第一基板之下尚包括第一偏光片114，於第二基板210之上尚包括一對向電極212，於第二基板210之上尚包括一第二偏光片214。畫素電極112與對向電極212由透明導電材料所組成，例如氧化銦錫(ITO)，且畫素電極112與對向電極212構成液晶電容(CLC )。
於另一實施例中，垂直配向型液晶顯示裝置100尚包括第一補償膜(圖中未顯示)形成於第一基板110與第一偏光片114之間，以及第二補償膜(圖中未顯示)形成於第二基板210與第二偏光片214之間。
第二基板210與液晶層150之間尚包括彩色濾光片與黑色矩陣(black matrix,BM)(圖中未顯示)，其中彩色濾光片包括紅色濾光片、藍色濾光片與綠色濾光片，而黑色矩陣(BM)介於各種不同顏色濾光片之間。
於本發明之實施例中，液晶層150所使用之液晶分子151為向列型液晶材料，其可為負型向列型液晶，亦可為正型向列型液晶材料。而第一基板110為薄膜電晶體基板，第二基板為彩色濾光片基板。
由於液晶層150中添加了手性劑152，因此，液晶分子151會沿著一軸向扭轉因而具有旋光性，此軸係平行於第一基板210之法線，且液晶分子151之扭轉角度可藉由調整手性劑152濃度來決定，因此，此液晶顯示裝置結構又簡稱為垂直配向型(twisted vertical alignment)液晶顯示裝置。
第2a圖為第一基板110和第二基板210之間無施加電場時，垂直配向型液晶顯示裝置100的液晶層150的扭轉垂直配向型液晶分子151排列之側視圖，其中第一偏光板114和第二偏光板214中的箭頭方向係分別為兩者的偏光軸方向。
第2b圖為第一基板110和第二基板210之間施加電場時，液晶顯示裝置100的液晶層150的垂直配向型液晶分子151排列之側視圖。於第2B圖中，扭轉垂直配向型液晶分子151係從第一基板110至第二基板210逐漸扭轉，而且逐漸傾倒至水平後又逐漸站立。隨施加電場值提升，液晶分子完全傾倒呈水平排列之範圍也隨之擴大，其中液晶分子扭轉角度可藉由調整手性劑濃度來決定。
請參考附件1和附件2，附件1係顯示使用未添加手性劑的液晶製成的液晶顯示裝置之顯示區域穿透率示意圖，而附件2係顯示使用添加手性劑的液晶製成的液晶顯示裝置之顯示區域穿透率示意圖。如附件1和附件2所示，由於添加手性劑的液晶分子本身的扭轉，會使顯示區域中因液晶分子未傾倒或傾倒角度錯誤而產生的光學暗紋變細變淡，達到高穿透率的目的。
請參見第3a圖，此圖顯示本發明第一基板110之俯視圖，其包括共同電極120、複數條閘極線122、複數條資料線140形成於第一基板110之上，其中閘極線122與資料線140彼此垂直以定義出畫素區域，此畫素區域由畫素電極112所組成(顯示於第3圖中)，因此，畫素區域又可稱為顯示區域。
在一實施例中，共同電極120形成於第一基板110之上，且共同電極120位於畫素區域的邊界並相鄰於閘極線122。此外，共同電極120更包括第一延伸電極120a，其中第一延伸電極120a平行於資料線140，並設置於畫素區的邊界。共同電極120與第一延伸電極120a在畫素區域邊界形成ㄩ型電極。於較佳實施例中，共同電極120與閘極線122之間的距離為約小於15 μm。
請參見第3c圖，在另一實施例中，共同電極120與第一延伸電極120a在畫素區域邊界形成ㄇ型電極。
請參見第3d圖，共同電極120包括第一延伸電極120a與第二延伸電極120b，其中第一延伸電極120a平行於資料線140，而第二延伸電極120b連接於第一延伸電極120a，且第二延伸電極120b平行於閘極線122並設置於畫素區之邊界。
在另一實施例中，共同電極120可以設置於與閘極線122不同層，且共同電極120位於畫素區域的邊界並重疊或部份重疊於閘極線122。此外，共同電極120更包括一延伸電極120a，其中延伸電極120平行於資料線140，並設置於畫素區的邊界。
須注意的是，本發明藉由搭配添加旋光性物質於液晶層150中，並將共同電極120設置於畫素區域160靠近閘極線122之水平側，可以有效提升畫素區域160穿透率，並增加開口率。
此外，半導體層126形成於共同電極120之上，而第二金屬層130形成於半導體層126之上，其中閘極線122、第一絕緣層124、半導體層126與第二金屬層130構成一薄膜電晶體，且第二金屬層130與資料線140電性連接。
再者，畫素電極112藉由一接觸孔160與第二金屬層130電性連接，以將訊號傳輸到薄膜電晶體。
請參見第3b圖，此圖顯示第3a圖沿著AA’線所繪出之剖面圖，共同電極120與閘極線122先形成於第一基板110之上，兩者由同一道製程所組成，且位於同一層中。
共同電極120與閘極線122之製法係先形成一金屬層，之後進行圖案化製程，以形成具有不同功能之共同電極120與閘極線122。
上述圖案化製程藉由微影製程(photolithography)而達成，微影製程包括光阻塗佈(photoresist coating)、軟烘烤(soft baking)、光罩對準(mask aligning)、曝光(exposure)、曝光後烘烤(post-exposure)、光阻顯影(developing photoresist)與硬烘烤(hard baking)，這些製程為本領域人士所熟知，在此不再贅述。
之後，第一絕緣層124形成於共同電極120與閘極線122之上，第一絕緣層124例如氧化矽、氮化矽或氮氧化矽等。
接著，第二金屬層130形成於第一絕緣層124之上，第二絕緣層132形成於第二金屬層130之上。第二絕緣層132之材料可與第一絕緣層124之材料相同或不相同。
須注意的是，第二金屬層130與資料線140(顯示於第3圖中)係於同一製程步驟所形成，且兩者電性連接，以將薄膜電晶體之訊號藉由資料線傳輸出去。
再者，第二金屬層130與共同電極120中間夾第一絕緣層124，以構成一儲存電容(storage capacitor,Cst)。
最後，形成畫素電極112於第二絕緣層132之上。畫素電極112由透明導電材料所組成，例如氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide,IZO)、氧化鎘錫(cadmium tin oxide,CTO)、氧化鋁鋅(aluminum zinc oxide,AZO)、氧化銦錫鋅(indium tin zinc oxide,ITZO)、氧化鋅(zinc oxide)、氧化鎘(cadmium oxide,CdO)、氧化鉿(hafnium oxide,HfO)。
在另一實施例中，共同電極120可以設置於與閘極線122不同層，比如與第二金屬層130同一層，或者與畫素電極112同一層。因此共同電極120可以設置於閘極線122之上方與閘極線122重疊或部份重疊。
相較於先前技術，本發明之共同電極120係位於畫素區域靠近閘極線122之一側，因此，可提升液晶顯示裝置之穿透率，進而改善液晶顯示裝置之光學顯示品質。
請同時參考第4a至4c圖和第5圖。第4a至4c圖分別為添加手性劑之垂直配向(VA)型液晶顯示裝置在正視視角(視角等於0度)、45度視角及水平視角(視角等於90度)的情形下，液晶分子扭轉量(d /p )參數變化所對應的穿透率-電壓曲線，其中VA型液晶顯示裝置之液晶層的光程差(Δnd )設計為500nm，其中d 為液晶層厚度，p 為摻入手性劑之節距，Δn 表示液晶層之雙折射係數(亦即快軸及慢軸之間的折射率差)。第5圖為利用穿透率-電壓曲線解釋灰階反轉(delta T)現象的定義，當電壓上升時(例如從V1至V2)，穿透率下降(電壓V1對應的穿透率T1減電壓V2對應的穿透率T2的值大於零，意即delta T=T1-T2>0)，即發生灰階反轉現象。如第4a圖所示，液晶分子扭轉量(d /p )參數變小為0.15時，穿透率會隨著電壓上升而下降。如第4b圖所示，在45度視角的情形下，VA型液晶顯示裝置在較小的液晶分子扭轉量(d /p )參數(d /p =0.15)時會產生灰階反轉現象。如第4c圖所示，VA型液晶顯示裝置在水平視角的情形下，灰階反轉現象變得更為嚴重，當液晶分子扭轉量(d /p )參數為0.15、0.25和0.35時皆會產生灰階反轉現象。
為了尋找添加手性劑之VA型液晶顯示裝置最佳的光學相位延遲(R)、液晶分子扭轉量(d /p )和光程差(Δnd )等條件，進而提升液晶顯示裝置之顯示區域整體的穿透率而不致於產生灰階反轉現象，因此我們利用數值模擬方法，分析並計算液晶顯示裝置之顯示區域不同位置之光學相位延遲(R)和液晶分子扭轉量(d /p )參數變化所對應的穿透率(Transmittance)分佈，其中當光通過具雙折射(Birefringence)特性的液晶層的光學相位延遲(R)可表示為，入射光光波長為λ。第6圖顯示本發明一實施例液晶顯示裝置500在視角等於0度的情形下，光學相位延遲(R)與液晶分子扭轉量(d /p )參數變化所對應的穿透率分佈。在本實施例中，液晶顯示裝置500之入射光光波長操作範圍介於380nm至780nm之間。第7a和7b圖顯示本發明一實施例液晶顯示裝置在視角分別等於45和90度的情形下，光學相位延遲(R)和液晶分子扭轉量(d /p )參數變化所對應的灰階反轉(delta T)值分佈。
請參考第6、7a和7b圖，在本發明一實施例中，液晶顯示裝置500的添加手性劑的液晶層的液晶分子扭轉量(d /p )和光學相位延遲(R)參數係分別滿足式(1)和式(2)(意即對應至第6圖的虛線框區域)。當液晶顯示裝置500的添加手性劑的液晶層的液晶分子扭轉量(d /p )和光學相位延遲(R)參數係分別滿足式(1)和式(2)時，液晶顯示裝置500的穿透率介於0.25至0.4之間，其所對應45度視角的灰階反轉(delta T)值不超過0.02(意即對應至第7a圖的虛線框區域)，且其所對應90度視角的灰階反轉(delta T)值不超過0.04(意即對應至第7b圖的虛線框區域)。
0.6<R<0.95　式(1)
0.2<d /p <0.3　式(2)
當入射光光波長操作範圍介於380nm至780nm之間液晶顯示裝置500的添加手性劑的液晶層的光學相位延遲(R)滿足式(1)時，其光程差(Δnd )的範圍係介於228nm至741nm之間。在本發明一實施例中，液晶顯示裝置500的添加手性劑的液晶層的光程差(Δnd )較佳可選擇滿足式(3)。當液晶顯示裝置500的添加手性劑的液晶層202的液晶分子扭轉量(d /p )和光程差(Δnd )參數係分別滿足式(2)和式(3)時，液晶顯示裝置500所對應45度視角的灰階反轉(delta T)值不超過0.02(意即對應至第7a圖的虛線框區域)，且其所對應90度視角的灰階反轉(delta T)值不超過0.04(意即對應至第7b圖的虛線框區域)。
330<Δnd <500　式(3)
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧垂直配向型液晶顯示裝置
110‧‧‧第一基板
112‧‧‧畫素電極
114‧‧‧第一偏光片
120‧‧‧共同電極
120a‧‧‧第一延伸電極
120b‧‧‧第二延伸電極
122‧‧‧閘極線
124‧‧‧第一絕緣層
126‧‧‧半導體層
130‧‧‧第二電極層
132‧‧‧第二絕緣層
140‧‧‧資料線
160‧‧‧接觸孔(contact hole)
150‧‧‧液晶層
151‧‧‧液晶分子
210‧‧‧第二基板
212‧‧‧對向電極
214‧‧‧第二偏光片
第1圖為一剖面圖，用以說明本發明之垂直配向型液晶顯示裝置。
第2a-2b圖為一系列剖面圖，用以說明本發明垂直配向型液晶分子之排列方式。
第3a圖為一俯視圖，用以說明本發明一實施例之第一基板之結構。
第3b圖為一剖面圖，用以說明本發明第3a圖沿著AA’線之剖面圖。
第3c-3d圖為一系列俯視圖，用以說明本發明共同電極之結構。
第4a至4c圖為垂直配向型液晶顯示裝置在正視視角、45度視角及水平視角的情形下，液晶分子扭轉量(d /p )參數變化所對應的穿透率-電壓曲線。
第5圖為利用穿透率-電壓曲線解釋灰階反轉現象的定義。
第6圖顯示本發明一實施例液晶顯示裝置在視角等於0度的情形下，其顯示區域之光學相位延遲與液晶分子扭轉量參數變化所對應的穿透率分佈。
第7a和7b圖顯示本發明一實施例液晶顯示裝置在視角分別等於45和90度的情形下，其顯示區域之光學相位延遲和液晶分子扭轉量參數變化所對應的灰階反轉值分佈。
112．．．畫素電極
120．．．共同電極
120a．．．第一延伸電極
122．．．閘極線
126．．．半導體層
130．．．第二電極層
140．．．資料線
160．．．接觸孔(contact hole)

Claims (13)

  1. 一種垂直配向型液晶顯示裝置，包括：一第一基板；多條資料線，形成於該第一基板上；多條閘極線，形成於該第一基板上，其中該些資料線與該些閘極線定義出多個畫素區；多條共同電極，形成於該第一基板上，其中該些共同電極位於該些畫素區的邊界並且相鄰於該些閘極線，其中該些共同電極與該些閘極線位於同一層中；一第二基板，其中該第一基板與該第二基板係相對設置；以及一液晶層，形成於該第一基板與該第二基板之間，其中該液晶層包括一旋光性物質(chiral substance)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，尚包括一第一偏光片，形成於該第一基板之下；一第二偏光片，形成於該第二基板之上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，其中該些共同電極與該閘極線之間的距離為約小於15μm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，其中該些共同電極重疊或部份重疊於該些閘極線。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，其中該些共同電極更包括一第一延伸電極，該第一延伸電極平行於該些資料線，並設置於該畫素區的邊界。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之垂直配向型液晶顯示 裝置，其中該些共同電極更包括一第二延伸電極，其中該第二延伸電極連接該第一延伸電極且平行於該些閘極線，並設置於該畫素區的邊界。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，其中該液晶層中之一液晶分子扭轉量(d /p )為0.2<d /p <0.3，d 為液晶層厚度，p 為摻入該旋光性物質之節距。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，其中該液晶層的光程差(△nd )為330<△nd <500，其中△n 為液晶材料雙折射係數，d 為液晶層厚度，△nd 單位為nm。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，其中該液晶層的光學相位延遲(R)為0.6<R<0.95。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，其中該第一基板為薄膜電晶體基板，該第二基板為彩色濾光片基板。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，其中該液晶層之材料包括向列型液晶材料。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，尚包括一彩色濾光片與一對向電極形成於該第二基板之上。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之垂直配向型液晶顯示裝置，其中該旋光性物質包括一手性劑。
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