液晶顯示元件及利用此液晶顯示元件的液晶顯示裝置的製作方法

2023-09-22 13:48:00 2

專利名稱：液晶顯示元件及利用此液晶顯示元件的液晶顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及液晶顯示元件，特別是涉及通過接收光源發出的光進行圖像顯示的反射式液晶顯示元件。
液晶顯示模式，特別是應用於液晶顯示投射器的反射式液晶顯示元件的模式，有VAN(垂直排列向列型)模式及HFE(混合場效應)模式。
VAN模式是採用具有負介電各向異性的液晶材料、且其中液晶是在稍微向著垂直於基底的方向傾斜的方向上排列的傾斜同向取向的系統。作為液晶顯示的液晶取向方法通常廣泛採用的是摩擦法，不過摩擦法對於實現傾斜同向取向不太有效，因為若採用摩擦法，摩擦角在其平面內會產生變化，而這將會引起閾值電壓的變化。因此，採用一種氧化矽傾斜汽相澱積法作為實現傾斜同向取向的穩定方法。
然而，雖然氧化矽傾斜汽相澱積法可相對均勻地控制平面內的傾斜角，但這一方法作為一種處理過程是不穩定的。在原來應用於一般液晶顯示的氧化矽汽相汽相澱積法已經轉化為摩擦法的這一趨勢中，已表現出摩擦法的優勢。
可用摩擦法取向的採用扭曲向列型取向的某些反射式液晶顯示模式已經公開。一般採用具有正介電各向異性(p型液晶材料)作為液晶材料。這些模式大致可分為兩類，即常黑型及常白型。
常黑型是這樣一種顯示方式其中黑色是利用低電壓顯示，反射率根據電壓的提高而增加，並且在低電壓下可獲得最大反射率。與此相反，常白型是這樣一種顯示方式其中白色是利用高電壓顯示，反射率根據電壓的提高而降低，並且在高電壓下可獲得最大反射率。
在Opt.Eng.14，p.217(1975)中詳細公開了一種常黑型HFE(混合場效應)液晶顯示模式。這種顯示模式的缺點是色彩電壓依賴性大。特別是，當顯示灰度等級時，視覺觀察是彩色的，並且不同的的色彩還都分別與其層次相關。並且，必須對RGB中的每一種色彩都要使液晶材料或盒間隙最佳化。從批量生產的角度來看這是一個缺點。
根據反射式顯示模式，它必定會成為雙折射顯示模式，並且延遲的絕對量的改變會顯著影響亮度的變化。特別是，此影響在暗顯示或中間層次顯示中表現顯著，並且在減小對比度係數或亮度的改變時顯示特徵受到的影響不理想。
此處所說的延遲指的是液晶層的厚度乘以該液晶材料的折射率各向異性的乘積，並且是生成偏振光的相位相對延遲的物理量。
當採用p型液晶材料時，液晶盒的延遲在電壓為0V rms(均方根)時最大，並且通過施加電壓使有效延遲變小。即在較低電壓側比在較高電壓側隨溫度或盒間隙的變化而產生的延遲改變更大，並因而在低電壓側亮度的改變更大。
因此，為了在採用p型液晶材料時獲得針對溫度或盒間隙的變化而穩定的顯示特性，最好是不採用在較低電壓側顯示黑色的常黑模式，而最好是採用在較高電壓側顯示白色的常白模式。液晶層的必需延遲大到約0.54μm。此值意味著當試圖為了實現液晶的快速響應而採用窄到3μm或更小的盒間隙時，需要具有極大的折射率各向異性(Δn＞0.18)的液晶材料，這是不實際的。即液晶材料的延遲對快速響應而言不夠充分。
下面對快速響應的重要性予以說明。顯示的快速響應是下文中說明的重要因素之一。例如，個人計算機中的圖像信號通常是由至少每秒60幀以上的圖像信號組成。
因此，當運動圖像顯示於個人計算機的顯示器上時，液晶肯定必須在短於與幀相對應的時間，即1/60秒＝16.7msec(毫秒)，的時間內對信號發出響應才能使所顯示的圖像跟得上圖像信號。如液晶的響應時間變得比與幀相對應的時間長，就可能使所生成的圖像變成與應該由圖像信號生成的圖像不同的圖像。
與實際圖像信號不同的圖像被識別為殘留圖像，它原本是不可見的，在運動圖像的運動方向的後部。殘留圖像會顯著降低圖像質量。因此，為了實現具有可取的圖像質量的液晶顯示，必須選擇能夠快速響應的液晶顯示模式。
另一方面，作為常白型反射式扭曲向列型液晶顯示模式已經公開的有TN-ECB(扭曲向列型電控雙折射)模式，MTN(混合扭曲向列型)模式及SCTN(自補償扭曲向列型)模式。SCTN模式是在JP-A-10-070731(1998)中公開的。TN-ECB模式是在Japan Display′89，p.192(1989)中公開的。MTN模式是在Appl.Phys.Lett.68，p.1455(1996)中公開的。
本發明的目的在於提供一種可以利用較低的電壓驅動並且快速響應優良的、色彩電壓相關性小的反射式液晶顯示元件，並提供一種利用此液晶顯示元件的液晶顯示裝置。
根據本發明的液晶顯示裝置的一個實施方案，夾持在透明電極和反射電極之間的液晶層的扭曲角為90°，並且液晶的取向角為0°至30°，或90°至120°。
具體地，本發明是如下的元件和如下的裝置。
液晶元件包括由透明電極和反射電極夾持的液晶層，用於驅動液晶層的多個像素電路以及用於驅動相應的像素電路的外圍電路，其中液晶層的扭曲角為90°，並且液晶的取向角為0°至30°，或90°至120°。
液晶的取向角最好是在10°至20°，或100°至110°之間。
另外，液晶元件包括由透明電極和反射電極夾持的液晶層，用於驅動液晶層的多個像素電路以及用於驅動相應的像素電路的外圍電路，其中液晶層的扭曲角為90°，液晶的取向角為10°至20°，或100°至110°，並且液晶層的波長歸一延遲在0.45至0.55之間。
液晶顯示裝置包括液晶顯示元件，其中入射光經過相位調製，反射並作為圖像輸出；液晶元件包括由透明電極和反射電極夾持的液晶層，用於驅動液晶層的多個像素電路以及用於驅動相應的像素電路的外圍電路；其中液晶層的扭曲角設定為73°至100°，並且通過設定液晶層的波長歸一延遲在0.44至0.6之間，液晶層的厚度等於或小於2.4μm，液晶材料的折射率各向異性至少為0.1，並使液晶的響應時間等於或小於16.7ms。
一種利用此液晶顯示元件顯示圖像的方法，該液晶元件包括由透明電極和反射電極夾持的液晶層，用於驅動液晶層的多個像素電路以及用於驅動相應的像素電路的外圍電路；其中把液晶層的扭曲角設定為73°至100°，並且用3-6Vrms的驅動電壓顯示圖像。
本發明的上述及其他目的、特點及優點從下面的參考附圖所進行的詳細說明可以了解得更清楚，其中

圖1為用於說明涉及本發明的實施方案的液晶顯示元件中的相應光學元件的光軸之間的相對關係的示意圖；圖2為表示扭曲角與波長歸一延遲之間的關係的曲線圖；圖3為表示扭曲角與液晶取向角之間的關係的曲線圖；圖4為表示色彩與扭曲角的相關性的曲線圖；圖5為表示驅動電壓與扭曲角的相關性的曲線圖；圖6為表示光利用效率與扭曲角的相關性的曲線圖；圖7為表示在施加各種不同電壓時反射率與液晶取向角的相關性的曲線圖；圖8為表示在施加各種不同電壓時對比度係數與液晶取向角的相關性的曲線圖；圖9為用於說明涉及本發明的實施方案的液晶顯示元件的剖面構成示意圖；圖10為用於說明液晶投射器構成的示意圖，該液晶投射器是採用本發明的液晶顯示元件的投射型液晶顯示裝置；圖11為用於說明色彩變化量的定義的曲線圖12為表示波長歸一延遲區及液晶響應時間與液晶層的厚度的相關性的曲線圖。
在下文中將參考附圖對涉及本發明實施方案的液晶顯示元件的細節以及利用此液晶顯示元件的液晶顯示裝置進行說明。
(實施方案1)圖1為用於說明涉及本發明的實施方案的液晶顯示元件中的相應光學元件的光軸之間的相對關係的示意圖。為簡化起見，圖1僅僅示出液晶顯示元件中的反射片101和液晶層102。偏振光束分束器103系用作偏振片和光檢測器。
對於液晶層102，其靠近反射片101的一側臨時稱為下側，而遠離反射片101的一側稱為上側。表示液晶層102的構成有上側上液晶取向方向108，下側液晶取向方向109，上側和下側之間的扭轉角(扭曲角110)，以及液晶扭曲角111，該液晶扭曲角是由上側液晶取向方向108和，比如，垂直方向形成的角度。
雖然圖中未示出，作為液晶層102的厚度與液晶層102的材料的折射率各向異性的乘積的延遲也是重要參數之一。
偏振光束分束器103的結構中的兩個稜鏡是粘合於一起，並且其傳輸或反射光線的特性取決於在兩個稜鏡粘合界面上的光的偏振分量。只有入射光104的水平分量通過偏振光束分束器傳輸並進入液晶顯示元件。這一光線在通過液晶層102時經相位調製，由反射片101反射並再通過液晶層102傳輸而返回到偏振光束分束器103。平行於水平偏振光分量107的偏振光分量通過偏振光束分束器103傳輸並成為返回光105回到光源。
另一方面，與水平偏振光分量107垂直相交的偏振光分量由偏振光束分束器103的粘合界面112反射並成為投射光到達屏幕(圖中未示出)。
下面對所希望的液晶盒的參數所取得的結果予以說明。
液晶盒的參數有3個延遲，它是盒間隙即液晶盒厚度與液晶材料的折射率各向異性的乘積、扭曲角110以及液晶扭曲角111。然而，在下面的計算中，採用的是波長歸一延遲，其中延遲由波長歸一化。
根據下面的方法，對於上述3個參數的條件受到解析的限制，並且相應的各參數針對對比度係數及色彩變化進行細緻優化。
不施加電壓時的液晶層中的光的傳播矩陣可利用分析方法得出。因此，為了對條件進行粗略限制，首先對不施加電壓情況下的光學特性進行優化。
已知扭曲向列型液晶層可利用下面的模型描述，此模型中雙折射介質的n層是疊加而成的，各層之間光軸移動φ/n。特別是，傳播矩陣在n →∞時稱為Jones矩陣並由下面的方程(式1)表示J=ab-b*a*]]>...(式1)其中a=coscos+11+2sinsin-i1+2cossin]]>...(式2)b=-sincos+11+2cossin-i1+2sinsin]]>...(式3)=dn]]>...(式4)=1+2]]>...(式5)其中φ是扭曲角，d是盒間隙，Δn是折射率各向異性，而λ是波長。
在反射式元件的場合，傳播矩陣JR∞可利用下面的方程(式6)表示，因為這一光線兩次通過此液晶層。
當使用這些變量時，延遲可表示為dΔn，並且波長歸一延遲可表示為dΔn/λ。JR∞＝R(φ)J∞R(-φ)R6J∞...(式6)其中R(φ)是旋轉矩陣，並且Re是逆矩陣。利用這些函數，可計算出偏振光裝置與Nicol(尼科爾)稜鏡垂直相交時的反射率，並且可得出下面的方程(式7)。R=1-(cos2+1-21+2sin2)2-42(sin2sin21+2+sincoscos21+2)2]]>
...(式7)其中θ是液晶取向角。為了使反射率R最大(R＝1)，可使方程7中的各平方項為零。
在採用扭曲角φ和dΔn/λ作為參數時，滿足R＝1的解在圖2中示出(圖2中的實線)。發現了效率變成100％的情況，只有當扭曲角小於73°時才可以存在。另外，還發現如扭曲角φ＜73°，則可將dΔn/λ的優化條件分為兩個分支，如圖2中的B1和B2所示。
另一方面，在效率變為最大的扭曲角φ＞73°的區域中優化條件可通過解下面的方程(式8)和(式9)而得到。_R/_(dΔn/λ)＝0...(式8)_2R/_(dΔn/λ)2＞0...(式9)滿足方程(式8)和(式9)的解在圖2中以點線(B3)表示。
圖3為表示在圖2示出的各種條件下扭曲角與液晶取向角之間的關係的曲線圖。圖3中的B1，B2和B3分別對應於圖2中的B1，B2和B3。這種關係在下面的附圖中也是類似。
當採用液晶顯示時，通常色彩的許多變化是對應於驅動電壓而產生的。它也取決于波長散射和光源的光譜光度特性。然而，必須將色彩的電壓相關性抑制到很小的程度以使相應的RGB(紅綠藍)色彩板的規格相同。
圖4表示在圖2和圖3的各種條件下對色彩變化量Δ(u′，v′)的計算結果。色彩變化量Δ(u′，v′)定義為由於施加的電壓從V1(等於反射率1％的電壓)改變到V99(等於反射率99％的電壓)，在入射光位置處在不同電壓下色彩在u′-v′比色圖上的變化，見圖11所示。
入射光的波長在400nm至700nm範圍。Δ(u′，v′)最大容許值不能肯定，因為該值在很大程度上取決於投射光學系統的設計。不過通常可以假設在0.07至0.08範圍內，這大致與透射式扭曲向列型(TN)的值(0.06)一樣。
在基於B1的條件下，Δ(u′，v′)大於0.075，並且色彩的電壓相關性很明顯。另外，此相關性隨著扭曲角的減小而迅速增加。另一方面，在基於B2的條件下，Δ(u′，v′)與扭曲角無關，並且大致恆等於0.075。在基於B3的條件下，Δ(u′，v′)隨著扭曲角的增大而減小。
圖5示出對驅動電壓與扭曲角的相關性的計算結果。此處驅動電壓指的是當反射率等於最大反射率的1％(對比度係數＝100∶1)和0.33％(對比度係數＝300∶1)時的電壓。已發現在3-4 Vrms範圍中的驅動電壓可在基於B1和B3的條件下實現，但是在基於B2的條件下，在對比度係數＝100∶1時驅動電壓變得至少為4 Vrms，並且在對比度係數＝300∶1時驅動電壓變得至少為6.5Vrms。
圖6示出對光利用效率與扭曲角的相關性的計算結果。此處光利用效率指的是考慮到在波長範圍為400nm-700nm的入射光的可見度的反射率。並且，此數值通過將偏振片和檢測器的透射率取作100％而歸一化。因此，理想的光利用效率是100％。
在基於B2的條件下，光利用效率與透射式TN一樣可以得到。在基於B1的條件下，光利用效率比在基於B2的條件下低的原因在於，波長與反射率的相關性很大。在基於B3的條件下，光利用效率隨著扭曲角的增大而減小。在扭曲角為80°時光利用效率為95％，而在90°時為86％。
考慮到上述的計算結果，就可以選擇優選條件。在B1的條件下，色彩的變化與透射式TN相比較很大，至少為0.08，而在B2的條件下，驅動電壓很高，在對比度係數＝300∶1時至少為6.5Vrms。因此，B1和B2兩個條件都不合適。已經發現扭曲角至少為73°的條件B3在平衡各種特性上最為理想。
根據對條件B3的精確研究已經發現，色彩及驅動電壓的變化可通過增加扭曲角而得到改善，但是光利用效率確隨著扭曲角的增加而顯著減小。如扭曲角超過100°，光利用效率變得小於70％，幾乎與透射式液晶顯示的孔徑比一樣，並且可能喪失反射式的優越性。因此，扭曲角必須選擇為等於或小於100°。
色彩及驅動電壓變化與透射式TN相同且可以得到較高的光利用效率的條件，設想扭曲角必須在85°至90°的範圍內。此時的波長歸一延遲在0.45-0.46範圍內。如將此歸一化延遲變換為波長550nm的延遲，就變成248nm-253nm。
為了穩定取向，液晶的取向應該使指向矢(液晶的分子軸方向)相對基板平面傾斜1°至10°。由基板平面和液晶的指向矢所形成的角度稱為傾斜角。由於存在傾斜角，實際延遲比盒間隙與液晶材料的延遲係數各向異性的乘積為小。因此，dΔn必須設定成為稍大於250nm(250nm-330nm，而作為在波長550nm的波長歸一延遲為0.44-0.60)。
隨著傾斜角的增加，色彩和驅動電壓的變化減小，但光利用效率隨著傾斜角的減小而加大。這就意味著這些因素處於一種平衡關係(折衷)。比較優選的傾斜角為85°至90°，在這種情況下色彩、驅動電壓及光利用效率可得到所希望的平衡。考慮到上述傾斜角，此時的波長歸一延遲在0.45-0.55範圍內。
即使液晶取向在平面中在任何方向上轉動90°，特性也與液晶不轉動時基本相同。
(實施方案2)隨著傾斜角的加大，驅動電壓減小，並且與同一驅動電壓相比較對比度係數增加。色彩變化隨著傾斜角的加大而減小。傾斜角為90°的情況是傾斜角在85°至90°範圍內時對比度係數最高和色彩變化最小的情況，這一點已經在實施方案1中描述過。此處選擇90°作為傾斜角，即認為高對比度係數和小色彩變化的條件是重要因素，並且在下面提出在此場合下的優化條件。
圖7示出對在施加各種不同電壓時反射率與液晶取向角θ的相關性的計算結果。實驗中所採用的液晶盒的盒間隙為2μm，而液晶材料的折射率各向異性Δn為0.149。反射率依液晶的取向角的不同變化很大，即使施加的電壓相同。
當施加的電壓為0.0Vrms時，在液晶取向角θ＝0°至30°和90°至120°的範圍內時可得到高反射率。特別是在液晶取向角θ＝10°至20°和100°至110°的範圍內時可得到較高的反射率。在液晶取向角θ＝15°和105°時可得到最高的反射率。
反射率隨著施加電壓的加大而減小。當施加電壓大致等於3.9Vrms時，反射率與液晶取向角的相關性曲線變得大致平坦，但如果施加電壓繼續增加，則反射率與液晶取向角的相關性又再度出現。反射率在液晶取向角θ＝-10°至20°和90°至115°的範圍內時變得很小。
特別是在液晶取向角θ＝0°至10°和95°至110°的範圍內時反射率較低。在液晶取向角θ＝5°和105°時得到的反射率最低。
圖8示出在施加各種不同電壓時對比度係數與液晶取向角的相關性。對比度係數是施加電壓為0.0Vrms時的反射率的係數與各種不同施加電壓(3.1Vrms-7.0Vrms)下的反射率之比。當採用3.1Vrms驅動時，對比度係數在液晶取向角為30°和-60°時最大。
隨著驅動電壓的加大，使對比度係數最大的液晶取向角會改變。當驅動電壓為3.5Vrms時，在液晶取向角為20°和110°時對比度係數變得最大。當驅動電壓為3.9Vrms時，在液晶取向角為15°和105°時對比度係數變得最大。對比度係數絕對值本身會增加。如驅動電壓繼續增加，對比度係數絕對值將增加，並且使對比度係數變得最大的液晶取向角變化為15°和105°。
如上所述，當驅動電壓給定時，相對相應的驅動電壓使對比度係數變得最大的液晶取向角可在0°至30°和90°至120°範圍內選擇。
(液晶顯示元件的實施方案)下面參考圖9對採用本發明的液晶顯示模式的液晶顯示元件的實施方案予以說明。
圖9為用於說明涉及本發明的實施方案的液晶顯示元件的剖面構成示意圖。在圖9中略去了圖1中示出的偏振光束分束器。在本實施方案中，用單晶矽基片作為有源矩陣基片122。
有源矩陣基片122是通過在n型基片123上形成p型阱124，並進一步在其上形成MOS(金屬氧化物半導體)電晶體125及延遲電容126而構成的。另外，電晶體之間的連線，絕緣薄膜以及其他等等是在其上疊層構成，並且反射電極127及其保護薄膜130在最上層上形成。
液晶層121封裝於具有透明電極128的玻璃基片120和有源矩陣基片122之間。為了使液晶層保持一定的厚度設置有支撐物。因為應用於投射器的液晶顯示元件是暴露於高強度光線之中，設置有一個遮光層131來防止光線進入MOS電晶體區域。將液晶層的厚度做成為2μm，可實現在12ms，包括上升時間和下降時間內的快速響應。
圖12示出在波長為550nm波長歸一延遲為0.44-0.60的區域401，座標平面由液晶層的厚度和液晶材料的折射係數各向異性Δn構成。另外，在圖12中示出液晶響應時間與液晶層402的厚度的相關性。
已知液晶的響應時間正比於液晶層厚度的平方(E.Jakeman和E.P.RaynesPhys.Lett.，39A，p.69(19922))。因此，取上述的液晶層厚度為2μm的響應時間12ms作為標準，可計算出要獲得短於16.7ms的響應時間(個人計算機通常的幀頻的一幀時間)的液晶層必需厚度為小於2.4μm。此處採用的是Δn等於0.149的液晶材料。此時發現液晶材料的折射係數各向異性Δn至少必須是0.1才能滿足波長歸一延遲在0.44-0.60範圍之內。
(投射型液晶顯示裝置的實施方案)下面參考圖10對液晶投射器的實施方案，即採用液晶顯示元件的投射型液晶顯示裝置，予以說明。
圖10為用於說明本發明的實施方案的液晶投射器構成的示意圖。液晶投射器的構成包括白光光源301，偏振光束分束器302，分色鏡303，304，本發明的液晶光球305R，305G，305B，投射透鏡306等等。
從白光光源301投射的光線只有垂直於紙面的偏振光分量能夠被偏振光束分束器302反射，由分色鏡303，304分離為紅藍綠三原色，並且此三原色分別進入液晶顯示元件305R，305G，305B。入射光在相應的各液晶顯示元件305R，305G，305B中的液晶層上進行相位調製，由像素電極反射，並且再由分色鏡303，304進行色彩合成。之後，只有平行於紙面的偏振光分量通過偏振光束分束器302傳輸，並通過投射透鏡306投射到屏幕上(圖7中未示出)。因為本發明的液晶顯示元件應用於液晶顯示元件305R，305G，305B之中，液晶的響應時間快速，並且可以平滑地顯示運動圖像。
根據本發明的液晶顯示元件，色彩的電壓相關性小，可利用相對低的電壓驅動，並且快速響應優良。因此，利用本發明的液晶顯示元件可以通過投射型液晶顯示裝置平滑顯示運動圖像。
另外，本發明的液晶顯示元件可以低成本供應，因為這種元件可通過穩定的液晶取向工藝進行生產。
權利要求
1.一種液晶顯示元件，包括盛裝在透明電極和反射電極之間的液晶層，用於驅動所述液晶層的多個像素電路，以及用於驅動所述像素電路的外圍電路，其中液晶層的扭曲角為90°，並且液晶的取向角在0°至30°，或90°至120°之間。
2.如權利要求1的液晶顯示元件，其中所述液晶的取向角在10°至20°，或100°至110°之間。
3.一種液晶元件，包括盛裝在透明電極和反射電極之間的液晶層，用於驅動所述液晶層的多個像素電路，以及用於驅動所述像素電路的外圍電路，其中所述液晶層的扭曲角為90°，液晶的取向角在10°至20°，或100°至110°之間，並且所述液晶層的波長歸一延遲在0.45至0.55之間。
4.一種液晶顯示裝置，包括液晶顯示元件，其中入射光經過相位調製，反射並作為圖像輸出，其中所述液晶元件包括盛裝在透明電極和反射電極之間的液晶層，用於驅動所述液晶層的多個像素電路，以及用於驅動相應的像素電路的外圍電路；其中所述液晶層的扭曲角設定為73°至100°之間，所述液晶層的波長歸一延遲設定在0.44至0.6之間，所述液晶層的厚度等於或小於2.4μm，並且液晶材料的折射率各向異性至少為0.1。
5.如權利要求4的液晶顯示裝置，其中所述液晶的響應時間等於或小於16.7ms。
6.一種利用液晶顯示元件顯示圖像的方法，包括盛裝在透明電極和反射電極之間的液晶層，用於驅動所述液晶層的多個像素電路，以及用於驅動所述像素電路的外圍電路，其中把液晶層的扭曲角設定為73°至100°之間，並且用3-6 Vrms的驅動電壓顯示圖像。
全文摘要
提供一種反射式液晶顯示元件,其色彩電壓相關性小,可利用相對低的電壓驅動,並且快速響應優良。夾在透明電極和反射電極101之間的液晶層102的扭曲角為90°,並且液晶的取向角在0°至30°,或90°至120°之間。
文檔編號G02F1/13GK1270327SQ00106580
公開日2000年10月18日 申請日期2000年4月14日 優先權日1999年4月14日
發明者廣田升一, 津村誠, 竹本一八男 申請人:株式會社日立製作所