TWI231874B - Liquid crystal display having high brightness and wide viewing angle - Google Patents

Description

1231874 五、發明說明（1) 【發明領域】 本發明係有關％ LCD)，更特， 於液晶顯示器（L i qu i d Cry sta 1 D i sp 1 ay， 高亮产（hi f有關於一種廣視角（Wide VieWing angle)、 ::醇，色璩光片、一準直器及一散光板來達到低色彩 兩免度和廣視角的效果。 【先别技術】 圖所不為一習知主動式薄膜電晶體顯示器 i CD)之°彳面結構，由一液晶顯示面板1 〇 〇及一背光模 ^ _所、且成，5亥液晶面板1 0 0包含一對由玻璃製成之第一 口 一透明基板3a、3b，一液晶層4夾設於透明基板3a、 之=該第一透明基板3a之上表面具有複數個由ITO形 成之畫素電極5 ;各個畫素電極5通過汲極（〇^3丨11)和一薄 膜電日日體6(thln film transistor，TFT)相接形成一薄 關（electrical switch)，一液晶配向膜isuiignmenlfll

f 1 lm)被覆在第一透明基板之晝素電極5和薄膜電晶體6之 上，間隙子（spacers)均勻地喷灑在液晶配向膜13上，以 維持二透明基板3a和3b間的固定間隔；另一透明基板3卜之 下表面具有由紅色（R)次晝素8、綠色（G)次畫素9、藍色 (B)次晝素1 〇所構成之彩色滤光層7，各次畫素間以黑色矩 陣7a (black matrix ;BM)相間隔，並且和各畫素電極5相 對應，形成彩色畫素，一平坦層11(1)1&1^1^23^〇11{11111) 設於彩色濾光層7上，一共通電極1 2形成於平坦層1 1之 上，和晝素電極5相對，形成電位差以驅動中間之液晶層

P0M80.ptd 第4頁 1231874 五、發明說明（2) 4，就扭絞絲狀（TN type)液晶顯示器而言，液晶配向膜13 和14之定向差90° ，故液晶分子4a受配向錨定力 (anchoring force)之影響亦會旋轉90。。此外，一對偏 光板1 5和1 6分別被貼覆於第二和第一透明基板之外表面， 且兩偏光片之吸收軸方向相互垂直，分別平行配向膜丨3、 1 4之定向方向。背光模組1 〇 i位於液晶面板丨〇 〇之第一透明 基板3b之外侧，該背光模組1 〇 1包含一光源丨7、一導光板 1 8及一反射板1 9。 一般習知之彩色濾光層是藉由吸收某一特定範圍之波長 來達到顯色效果，其製造方法包括染色法、顏料分散法、 印刷法及電著法。藉由適當選擇染料分子吸收特定波長來 達成正確之顯色效果，其製造方法詳載於由τ· Uchi da所 著之書籍液晶顯示器之次世代技術（LiqUid crystal display technology 〇f the next generation)” 中的 ρ· 115-126。此外，一種由無機物所形成之彩色濾光層^^ 讓選擇波長穿透，其餘波長反射，此種彩色濾光層並 光，適用於要求光穩定性之投影系統。

上述習知之液晶顯示器的缺點是穿透度太低，大約只有 原出射光之4〜6%，一般穿透度可以下式表示之：

穿透度= AxBxCxD 其中A ·代表TFT陣列之開口率（〇perl ratio) B :代表液晶層之穿透率 代表上下兩片偏光板之穿透率 代表彩色濾光層之穿透率

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D之典型數值如表一所示。 表一 ----- 60 〜70% ^Β 90 〜95% 40% D 30% 為解決前述缺點，先前技術中已有人提出使用反射式或 ，”慮光片來取代習用吸收式彩色濾光片，國酵 南壳度:參考第2圖，其中顯示先前技術之一膽固醇相 色濾光系統2 00。· 一膽固醇相彩色濾光片22包含三原色次 畫素，亦即紅色次畫素22a、綠色次畫素22b、藍色次畫素 22c，一般是由熱致型膽固醇相液晶或聚合物所形成，利 用溫度適當地調整該膽固醇聚合物之螺旋週期（heHx pitch) ’可穿透選擇之波長’反射其餘波長，而並不吸收 入射光的能量。一寬帶偏振片（broad — band p〇larizer ; BBP)21。又於旁光板ιοί和彩色滤光片22之間，提供圓偏務 光，該爾亦是由具膽固醇相之液晶或聚合物=圓= 由上表可看出由背光源出 及偏光板所吸收，僅有4〜60/〇 光利用率不但限制了顯示器 亦造成沉重之負擔。因此， 度之液晶顯示器。 射的光大部分均被彩色濾光片 可到達觀察者眼中，如此低的 之行動和戶外應用並且對電源 需要開發一種低耗電並且高亮 1231874 五、發明說明（4) 四 射和其相同旋度（handness)的光，而通過其餘光線 分之一波長板（quarter wavelength plate ; λ/4)板 23 設 於彩色濾光片22之上，用於將圓偏振光26轉變成線性偏振 光27。

背光模組1 01發出白色非偏振光24，經過一右旋寬帶偏 振片（RH-BBP)21後，變成白色左旋圓偏振光（圖中未顯 示），其右旋成分則經RH-BBP反射回背光模組101，該白色 左方疋圓偏振光經過一左旋型膽固醇相彩色濾光片2 2之紅色 人旦素22a後，紅色成分26a穿透，青綠色25a(cyan)成分 反射回背光模組101中，同理，當白色左旋圓偏振光通過 藍色次晝素22c時，藍色左旋圓偏振光26c穿透，黃色左旋 圓偏振光25c反射，綠色次畫素亦然。此時紅、綠、藍左 旋圓偏振光26a、26b、26c再經一 A/4板23，變成紅、 綠、藍線性偏振光27a、27b、27c，完成彩色濾光片之顯 色效果。

如第3圖所示，將該膽固醇相彩色濾光系統2〇〇應用| 般扭絞絲狀液晶顯示器（TN-LCD)1之剖面圖。當薄膜電晶 體開關6 a關閉時，液晶分子4不受電場作用，僅受配向膜 13、14之錨定力影響而扭轉9〇。，如4a之狀態，此時經過 彩色濾光系統2 0 〇之紅、綠、藍線性偏振光亦隨液晶層“ 方疋轉90 通過偏振片15而呈現亮態（n〇rmaHy white)。 當電晶體開關6b開時，液晶分子受電場作用而垂直上下基 板（即平行電場方向排列）站立，如4b所示，此時經彩色濾 光系統200之紅、綠、藍線性偏振光通過液晶層牡時，如

1231874 五、發明說明（5) 同經過一均勻介質，偏振方向不改變，因此被線性偏振片 15所阻擋而呈現暗態（black )。

這種彩色濾光系統200，由於將入射光線半穿透及半反 射，故光線不被吸收而大大提昇光之利用率。再如第2圖 所示，此系統不吸收光線，該BBP 2 1之反射光和膽固醇相 彩色濾光層22之反射光25a、25b、25c皆經背光模組1〇1中 之反射板19，反射回顯示系統中重新使用。根據A. Hochbaum et. al. 等人發表於S I D1 9 9 9之論文，標題為，， 膽固醇彩色濾光片：光學特性，光回收，和亮度提昇 (Cholesteric color filter: Optics Characteristic， Light Recycling，and Brightness Enhancement)1’ 所揭 示，在薄膜電晶體開口率維持7 3 %之狀況下，該系統之透 光率比使用傳統吸收式彩色濾光片提高超過8倍。因此以 膽固醇相彩色濾光片取代習用之吸收式彩色濾光片不但能 降低成本、低耗電且可大大提昇亮度。 _

上述使用膽固醇相彩色濾光片之顯示系統，雖有亮 度之優點，但其缺點為影像之色彩會隨觀看者的角度而 變’即當觀看者非正視（視線垂直液晶面板）而傾斜炎一角 度觀看時，由於膽固醇相彩色濾光片的特性，顯像顏色會 比正視時之波長短，亦即所謂色彩偏移（c〇 i 〇r sh i f t)， 這種缺點在許多顯示器的應用中是不被接受的。 有鑑於此，便有需要提供一種液晶顯示裝置，能夠解決 色彩偏移，提供較高的亮度以及較廣的視角。 【發明概要】

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1231874 五、發明說明（6) 因此’有鑑於上述之缺點，本發明之主要目的係提供一 種液晶顯示器裝置，用以解決色彩偏移及提高亮度。 本發明之另一目的係提供一種液晶顯示器裝置，能夠提 供車父大的視角。 本發明之又另一目的係提供一種液晶顯示器裝置，具有 南穿透度、降低材料成本及增加光線之回收利用率，以減 少背光板之耗電量之優點。 為達上述目的，本發明提供一種高亮度廣視角液晶顯示 器裝置，其特徵為結合一膽固醇相彩色濾光片、一準直器 及一散光板以解決色彩偏移，降低製作成本，並達到高亮 度和廣視角之效果。 a =據本發明之較佳實施例，該高亮度廣視角液晶顯示器 匕3第透明基板，一第二透明基板；一扭轉絲狀液晶 層夹設於該第-及第二透明基板之間；該第一透明 上表面具有一膽固醇相彩色濾光片，該彩色濾光片是 層膽固?相•色遽光層所組成，㉟二色層之反射光顏為 該膽固醇相彩色濾光片各次晝素之互補色；及一四分之一 波長板貼付在該膽固醇相彩色濾光片之上表面，·該第二透 明基板之下表面具有複數個薄膜電晶體及晝素電極；一線 f生偏光板貼付於第二透明基板之上表面；一 於 該線性偏光板之上；及-背光模組設置於準直器^下側。 2 ί ί發明之另一觀點’ f亥高亮度廣視角液晶顯示器之 可為垂直配向型（va)、超扭轉型（_)、電控雙 曰曰 折射（ECB)、或強誘電型（ferroelectric)液 P01-180.ptd

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五、發明說明（7)

本發明之高亮度廣視角液晶顯示器裝置，係利用結合一 ^固醇相彩色濾光片、一準直器及一散光板，不但解決 、先膽固醇相彩色濾光片之色彩偏移問題，且其亮度比傳統 2膽固醇相彩色濾光片之液晶顯示器還高，藉由此種結 2，該顯示器裝置可替代習用之吸收式彩色濾光片，降低 I作成本，還具備廣視角、低耗電量之優點。 - 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯特徵，下文特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖示， 作詳細說明如下。

【發明說明】 *請參考第4圖，揭示本發明之第一較佳實施例廣視角高 免度液晶顯示器40 0。該液晶顯示器4〇〇大體上包括一液晶 顯不單元300、一準直器41位於該液晶顯示單元3〇〇之下表 面、一散光板43位於該液晶顯示單元3〇〇之上表面，及一 背光模組1 0 1位於準直器41之下側。 隊

該液晶顯示單元300主要係包含第一及第二透明基_1 3 a、3 b ’ 一扭絞絲狀液晶層4夹設於該第一透明基板3 a及 第二透明基板3b之内表面間。該第一透明基板3a之上表面 設置一膽固醇相彩色濾光片2 2，該膽固醇相彩色濾光片2 2 具複數個紅、綠、藍彩色次畫素22a、22b、22c，各次畫 素間以黑色矩陣（black matrix ;BM)相隔，其中各次晝 素’例22a，是由二層膽固醇相彩色濾光層22a，、22a，’所 組成’該二彩色濾光層22a，、22a，’所反射之顏色為該次 晝素22a之互補色。一又/4(四分之一波長）板2 3設置於該

P01-180.ptd 第10頁 1231874 五、、發明說明（8) ' 膽固醇相彩色濾光片22之上表面，用於將圓偏振光轉為線 性偏振光。一透明電極層12設置在；i /4板23上，作為共通 電極（common electrode)。該第二透明基板3b之下表/面設 有複數個薄膜電晶體6作為電開關，及複數個畫素電極5二 和彩色滤光片之各次畫素22a、22b、22c相對。二液晶定 向層13、14被覆在第一及第二基板仏、3b之内側，用B曰以定 向液晶使上下扭轉90。。一線性偏光板15設置於該第二透 明基板3 b之上表面，該偏光板之吸收轴平行於定向層μ之 定向方向（rubbing direction)。 該準直器41係接合於該液晶顯示單元3〇〇之下表面，一 般是由陣列排列之微透鏡（micr〇lenses)或弗氏（Fresnei) 透鏡構成，用於將散射光線變成平行光線，並且具有將光 線聚焦之功能。該散光板43係接合於該液晶顯示單元3 〇〇 之上表面，是一粗糙表面或嵌有散射粒子之基板，用於將 光線散射，以擴大視角。一背光模組丨〇 J設置於該準廣T器 41之下側。 ' 該膽固醇相彩色濾光片22基本上是由掌性向列相液晶 (chiral nematic LC)、膽固醇相液晶或膽固醇相聚合物 所構成。係利用調整膽固醇相物質之螺旋週期，反射各種 波長光線以及特定旋轉方向之偏振光（左旋圓偏振光或右 旋圓偏振光）。因此，該液晶顯示器4 〇 〇亦可具有一寬帶偏 振片（broad-band polarizer ; BBP)設於該背光模組1〇1和 該彩色濾光片22之間，提供特定旋轉方向之偏振光，藉以 增加該液晶顯示器400之出射光線之色彩純度。但精於本

P01-180.ptd 第11頁 1231874 發明說明（9) 技藝者將可了解該BBP片亦可省略。本發明中使用之膽固 醇相彩色滤光片2 2 ’是由二層熱致型膽固醇相聚合物所組 成’其詳細製作方式詳載於美國專利第5,734, 457號中， 在此併入本文作為參考。 该彩色滤光片2 2之製作過程如下··先將一膽固醇聚合物 置於一溫度下’使其螺旋週期剛好反射綠光，再以光罩遮 擋，用UV光硬化聚合物單體，使其螺旋週期固定不隨溫度 變化，此時完成22a’ ，再將溫度調到剛好反射藍光，再硬

化固定螺旋週期，得到2 2b，，然後再將溫度調到反射紅 光，硬化固定螺旋週期，得到22c，。同樣方式可製作第二 層彩色濾光層22a”、22b”、22c” ，分別是反射藍光、紅光 及綠光。此時該膽固醇相彩色濾光片之紅色次晝素22a是 由綠光反射層2 2 a及藍光反射層2 2 a"所組成，綠色次畫素 2 2b是由藍光反射層22b’及紅光反射層22b，，所組成，同理 藍色次畫素22c是由紅光反射層22c，及綠光反射層22c，，所 組成。

現請參考第4圖’用以說明本發明之高亮度廣視角曰曰 顯示器裝置其顯示原理。由背光模組1 〇 1發射白色非偏振 光，經準直透鏡41後，變成非偏振平行光，並且聚焦至各 彩色畫素22a、22b、22c中。該白色非偏振光進入一膽固 醇相彩色濾光片22之紅色次晝素22a後，先經一綠色反射 層22a’ ，反射綠光，再經一藍色反射層22a，1，反射藍光， 最後只有紅色圓偏振光通過’同理白色非偏振光通過綠 色、藍色次畫素22b、22c後’可得綠色、藍色圓偏振光。

1231874 五、發明說明（10) 該紅、綠、藍圓偏振光經過一 λ /4板23後，變成紅、綠、 藍線性偏振光。若薄膜電晶體6是關閉的，此時液晶層4僅 受定向層13、14之錨定力，而上下扭轉90。呈現4a狀態， 線性偏振光之偏振方向便隨液晶層4 a扭轉9 0。，而通過偏 -振片1 5，呈現亮態。出射之紅、綠、藍線性偏振之平行光 經過一散光板4 3，均勻地四面八方散射，而擴大視角範圍 到達觀察者眼中。當薄膜電晶體6開啟時，晝素電極5和共 通電極1 2間有一電場，此時液晶層4受電場影響而垂直基 · 板3a、3b站立，如狀態4b，通過；I /4板23之線性偏振光經 - 過4b後，其偏振方向並不改變，故被偏振片丨5所阻擋而呈丨 現暗態。

經膽固醇相彩色濾、光片2 2反射的光，亦即紅色次晝素 22a所反射之青綠光（含藍光及綠光）、綠色次晝素22b所反 射之洋紅色光（含紅光及藍光）、與藍色次晝素22c所反射 之黃色光（含紅光及綠光），會反射回背光模組1 〇 1中^^ 經該反射板1 9，而反射回液晶顯示單元3 〇 〇中。因為 醇相彩色濾光片並不吸收光線，因此從背光源發出的光 線，皆可完全通過該彩色濾光片2 2到達觀察者眼中，因此 不但亮度增加，而且降低了背光模組之耗電量。 現請參考第5圖’其中顯示根據本發明之另一較佳實施 例之廣視角高亮度液晶顯示器5 0 0，其構造與第4圖所示之 該廣視角高亮度液晶顯示器40 0相似，其中相似之元件標 示相似之標號。該液晶顯示器5 0 0之上、下基板3 a、3 b之 内表面間之液晶層51並不限定為扭絞絲狀液晶，可為垂直

第13頁 1231874 發明說明（11) 配向型（VA)、超扭轉型（STN)、強誘電型 (ferroelectric)、電控雙折射（ECB)等液晶。再者，該液 晶顯不器5 00不具有該；1 /4板23，且該晝素電極52係為行 列相隔陣列排列型式之晝素電極。於該液晶顯示器5〇〇 中，經過膽固醇相彩色濾光片2 2之紅、綠、藍圓偏振光， 於經過液晶層5 1時，在加電壓和未加電壓之情況下，光分 別所感受到的光程差（optical length difference)不 同’故偏振方向亦不同，此時通過偏振片丨5後的光強度亦· 會不同’再經散光板4 3將光線往四方均勻散射，到達觀察 者目^中’藉此呈現各種不同亮暗灰階狀態。相同地，經膽 固醇相彩色濾光片2 2之反射光，藉由背光模組丨〇 j之反射 板19 f射後’亦重新回到液晶顯示單元3〇〇中充分使用， 以提咼整體液晶顯示器5〇〇的亮度。 α根據本發明之廣視角高亮度液晶顯示裝置，利用一準直 器使光線正射液晶面板，因此解決了膽固醇相彩色濾 在光線斜向入射時產生的色彩偏移問題，同時該準直 一陣列排列之微透鏡或弗氏（Fresne丨）透鏡，可將光源聚 ，至旦素電\中而提高光透過率，不受畫素電極開口率的 影響。再者，根據本發明之廣視角高亮度液晶顯示裝置利 用了散光板來擴大視角，以解決上述使用一準直器時之視^ 角2限問題。根據本發明之廣視角高亮度液晶顯示裝置使 用一半反射式非吸光元件之膽固醇相彩色濾光片，取代傳 統吸收式彩色濾光片，不但可提高亮度，增加光之利用 · 率’並可降低材料成本。

1231874 五、發明說明（12) 定 雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非 本發明，任何熟習此技藝者，在不 丨民 範圍内，當可作各種之更動與修改 ：月之精神和 圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。發明之保護範 P〇M80.ptd 第15頁 1231874 圖式簡單說明 【圖示說明】 第1圖：為一習知薄膜電晶體顯示器之剖面示意圖。 第2圖：為一習知膽固醇相彩色濾光片之剖面示意圖。 第3圖：為一習知具膽固醇相彩光片之液晶顯示器之剖 面示意圖。 第4圖：為根據本發明之第一較佳實施例之廣視角高亮 度液晶顯示器之剖面示意圖。 第5圖：為根據本發明之第二較佳實施例之廣視角高亮 度液晶顯示器之剖面示意圖。

圖號說明 1 扭 絞 絲 狀 薄 膜電晶體液晶 顯示器 3a 上 基 板 3b 下 基 板 4 液 晶 層 4a 未 加 電 壓 之 液 晶狀態 4b 加 電 壓 之 液 晶狀態 5 晝 素 電 極 6 薄 膜 電 晶 體 6a 薄 膜 電 晶 體 6b 薄 膜 電 晶 體 7 彩 色 滤 光 層 7a 黑 色 矩 陣 8 紅 色 次 畫 素 9 綠 色 次 晝 素 10 藍 色 次 畫 素 11 平 坦 層 12 共 通 電 極 13 配 向 膜 14 配 向 膜 15 偏 光 板 16 偏 光 板 17 冷 陰 極 螢 光 管 18 導 光 板 19 反 射 板 21 右 旋 寬 帶 偏 振 片

蛛、均I

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22膽固醇相彩色濾光片 22a膽固醇相紅色次晝素 2 2 b膽固醇相綠色次晝素 22c膽固醇相藍色次書素 2 2a’綠光反射層 22b’藍光反射層 22c’紅光反射層 23 λ/4 板 25 左旋圓偏振反射光 25b左旋洋紅色反射光 26 左旋圓偏振出射光 26b左旋洋紅色出射光 27 線性偏振出射光 2 7b綠色線性偏振光 41 準直器 52 畫素電極 100薄膜電晶體液晶顯 22aπ藍光反射層 22b”紅光反射層 22cn綠光反射層 2 4 白色非偏振光 2 5a左旋青綠色反射光 25c左旋黃色反射光 26a左旋青綠色出射光 26c左旋黃色出射光 27a紅色線性偏振光 2 7 c 藍色線性偏振光 43 散光板 53 液晶層 器

IWW· I体傲： 1 0 1背光模組 2 0 0膽固醇相彩色濾光系統 3 0 0具膽固醇相彩色濾光片之液晶顯示器 400廣視角高亮度液晶顯示器 5 0 0廣視角高亮度液晶顯示器

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Claims (1)

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六、申請專利範圍

一種廣視角高亮度液晶顯示器裝置，其包含·· 一第一透明基板，界定一外表面及一内表面，· 明 該 :第二透明基板，#定一外表面及一内表面，二透 之内表面與該第一透明基板之内表面相對且相隔； 膽固醇相彩色濾光片，具有複數個彩色次晝素，設於 第一基板之内表面； 、口 一液晶層夾設於該第一透明基板與該第二透明基板之 間； 一偏光板，設在該第二透明基板之外表面；

一散光板，設於該第二透明基板之外表面上；及 一準直器，設於該第一透明基板之外表面。 ^、依申請專利範圍第1項之廣視角高亮度液晶顯示器裝 置’另具有一四分之一波長板，設於該膽固醇相彩色渡光 片與該液晶層之間。

3、依申請專利範圍第1項之廣視角高亮度液晶顯示面板， 其中該第二透明基板另包含複數個畫素電極，其中各晝素 電極和膽固醇相彩色渡光片之各次畫素相對。 4、依申請專利範圍第1項之廣視角高亮度液晶顯示面板， 其中該偏光板為一線性偏光板。 5、依申請專利範圍第1項之廣視角高亮度液晶顯示器裝

P01-180.ptd 第18頁 1231874 六、申請專利範圍 置，其中該準直器為一陣列排列之微透鏡。 6、 依申請專利範圍第1項之廣視角高亮度液晶顯示器裝 置，其中該準直器為一弗氏（Fresnel)透鏡。 7、 依申請專利範圍第1項之廣視角高亮度液晶顯示器裝 置，其中該膽固醇相彩色濾光片包含二層膽固醇相彩色濾 光層，使白色非偏振光入射後，與該膽固醇相彩色遽光片 之次晝素之顏色相同之光線部分通過該次晝素，並且與該 次畫素之顏色互補之光線部分被反射。 8、 依申請專利範圍第1項之廣視角高亮度液晶顯示器裝 置，其中該液晶層之材料係由垂直配向型液晶、超扭轉型 液晶、強誘電型液晶、電控雙折射液晶所構成之群組中選 出。 卜，： 1丨__1 丨

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