CN100363826C - 高速、宽视角液晶显示器 - Google Patents

Abstract

TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)的新颖结构配置，得到了对输入数据的快速响应并可提供宽视角。该装置的结构由一像素电极层和两个公共电极层组成。本发明的结构可供要求快速响应与宽视角的液晶显示电视(LCD-TV)监视器使用。此外，要求高速响应的其它液晶技术也将得益于本发明的TFT-LCD。

Description

高速、宽视角液晶显示器

本发明要求对2002年26日提交的美国临时申请No.60/405999具有优先权。

发明领域

本发明涉及显示器，尤其是制备对高输入数据速率具有快速响应并为观众提供宽视角的TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)的方法与装置。

背景与原有技术

普通TFT-LCD缓慢的响应时间和窄的视角，是其潜在的广泛无尽应用的两个限制因素。

图1示出普通TFT-LCD的结构。液晶(LC)层10夹在顶玻璃基片11与底玻璃基片12之间，一薄层透明电极(氧化铟锡(ITO))涂在每块基片上用来施加切换液晶的电场。通常，顶基片11的电极13是一恒压(如0伏)的公共电极，这里的0伏指低压。该公共电极连续延伸到整个显示器里的所有像素，故称为公共电极。另一方面，底基片12上的电极14被称为像素电极，因为指定给每个像素的晶体管控制着它。加到LC10的电压通过该电极而变化。当像素电＞0时，图1还示出电场分布E。显而易见，对该器件而言，只存在一种电场，即垂直电场，使用该电场通过切换液晶分子来接通器件，这是一种快速的过程。但当断开器件时，像素电压不是消除就是减小，使分子逐渐驰豫回到低态。若只产生一种电场，就导致极慢的驰豫，从而减慢了断开时间，这是当今液晶众多潜在应用的主要限制因素。

下面讨论引用的各种相关的原有技术。这些文献涉及本发明使用的三个关键理念：交叉场效应、边缘场切换和多域技术。

交叉场效应理念于1975年首次出现在D.J.Channin的论文中(AppliedPhysics Letters’，Vol.26，No.11，p.603(1975))，继之出现在D.J.Channin与D.E.Carlson的论文中(Applied Physics Letters’，Vol.28，No.6(1976))。

六年后，Akihiko Sugimura等人在Proceedings of 14th Conference onSolid State Devices，Tokyo(1982)上发表了一篇论文，而Akihiko Sugimura与Takao Kawamura于1985年在Japanese Journal of AppliedPhysics，Vol.24，No.8，p.905(1985)上发表了另一篇论文。应用交叉场效应的液晶显示器有各种缺点，诸如电压要求高、反差低、结构更复杂、发射不均一、驱动更复杂。驱动指用来向TFT-LCD提供(即驱动)所需电压(数据等)的电子电路。有些驱动方式更复杂。如要求不同时间间隔的不同类型的电压。在交叉场效应中，常要求额外的电极控制两类电场(垂直与横向两种)，故驱动更复杂，所以交叉场效应理念一直未用于TFT-LCD，因它要求高得多的工作电压，结构与驱动更复杂，而且反差较低。然而，本发明利用不同的电极设计克服了许多以上问题，使交叉场效应能用于TFT-LCD。另外，本发明利用交叉场效应还提供了固有的宽视角特性，这对TFT-LCD电视机(TV)是另一个极重要的要求。

Seung Ho Hong等人在Japauese Jourual of AppliedPhysics(Vol.40，p.L272(2001))上发表的论文“Hybrid Aligned FringingField”和在Japanese Journal.Applied Physics，Vol.41，pp.4571-4576(2001)上发表了对边缘场切换(FFS)的原有技术研究。本发明采纳了极类似于Seung HoHong等人描述的边缘场切换FFS模式结构的一种结构，该模式运用效率改善的平面内切换法产生宽视角。通过在本发明中采纳该结构，用于产生横向或边缘场的所需电压减小了，因为对边缘场产生而言，电极间的间隙很小，因而有可能降低工作电压。从而，降低了工作电压。再者，FFS结构能形成很均匀的垂直场而无死区，死区定义为电极间无电场的间隙。在本发明中，电极之间的间隙也具有底基片电极结构产生的电场，该结构包括一有间隙的电极层，称为断续电极，用电绝缘层与连续电极层分开，但断续电极的诸段全部连接像素内的同一晶体管。底基片电极结构类似于普通FFS结构的该结构。

然而，本发明与普通FFS结构至少有三大差异。首先，本发明有两根公共电极，而普通FFS结构只有一根低压的公共电极。最后报道的FFS模式也使用两根公共电极，但在这一场合中两公共电极都是低压，如0伏。与之相对照，在本发明中，一根公共电极是高压，另一根公共电极是低压。其次，液晶(LC)模式不同，普通FFS使用与平面内切换的平行对准，而最近报道的有两根公共电极的FFS模式使用了混合对准的向列型(HAN)。本发明能使用任一种液晶模式，宽视角产生机理也与FFS原有技术不同。第三，原有技术的所有FFS结构的响应时间缓慢，因为它们不使用交叉场效应，断开过程依赖于LC分子的自然驰豫，而且很慢。

另外，原有技术文献涉及到多域技术LCD，本发明采纳了称为多域的宽视角形成机理，但本发明与所有采用该技术的原有技术具有重大差异，因为本发明用FFS结构产生边缘场，而其它原有技术文献主要用突起产生多域。参见A.Takeda等人的论文“MVA，Multi-Domain Vertical Alignment”，SID’98，p.1077(1998)。K.H.Kim等人在SID’98，p.1085(1998)讨论过一种用于产生边缘场以形成多域的交指型结构。另与原有技术主要使用的垂直对准(VA)模式相比，本发明能使用多种不同的液晶模式。

因此，需要改进当今的薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)技术。希望交叉场效应结构具有低的工作电压、高反差、简易的驱动和易于制造。对于应用FFS或多域LCD的普通结构，希望更快的响应。

本发明在TFT-LCD的产生与性能方面作出了重大改进，对该结构可应用不同的LC模式，而不同的LC模式导致不同的光效率、响应时间和视角。LC模式的选用取决于应用的类型。

发明内容

本发明的第一目的是提供对高输入数据速率应用具有快速响应的TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)的结构与方法。

本发明的第二目的是提供应用具有两根公共电极(一根为低压如0伏，一根为高压如5伏)和一根像素电极的TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)的结构与方法，从而产生垂直与非垂直两种电场来高速切换液晶。

本发明的第三目的是提供使交叉场效应比普通交叉场器件要求更少电压因而能应用于TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)的结构与方法。

本发明的第四目的是提供使交叉场效应允许简单驱动法用于TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)的结构与方法。

本发明的第五目的是提供使交叉场效应对TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)具有高反差性能与简单制造工艺的结构与方法。

本发明的第六目的是提供应用对观众具有宽视角的TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)的结构与方法。

通过以下对附图中示意示出的目前较佳的实施例的详述，本发明的其它目的与优点就清楚了。

附图简介

图1示出普通原有技术有一根公共电极的TFT-LCD结构。

图2示出带两根公共电极和一个像素电极层的新颖TFT-LCD结构一较佳实施例。

图3示出图2的TFT-LCD结构，在像素电压为0伏时(暗态)产生均匀的垂直场。

图4示出图2的TFT-LCD结构，在像素电压为5伏时(亮态)产生新的电场分布图。

图5示出新颖TFT-LCD结构的第二较佳实施例。

图6示出图5的TFT-LCD，功率加给不同的电极层。

图7示出有两根公共电极的使用电阻膜的第三实施例。

图8示出具有图2新结构的使用介质层的第四实施例。

图9示出新结构产生的非垂直电场分布图。

较佳实施例的描述

在详细本发明公开的诸实施例之前，应理解本发明的应用并不限于所示特定结构的细节，因本发明还能推出其它实施例。同样地，本文使用的术语用于描述目的，不用作限制。

注意，本发明包括第一基片、第二基片、第一与第二基片之间的液晶、在第一与第二基片附近的电极层之间产生电场的装置。本发明的独特特征在于电极层的排列，现作一详述。

公共电极可以是高压或低压、连接或断续，在TFT-LCD工作期间，施加的电压不依赖于输入数据。像素电极可以连续或断续，所加的电压依赖于输入数据。一根公共电极装在上基片即第一基片内，第二公共电极装在下基片即第二基片内；另外，下基片内的第三电极层可设计为断续，统称为一层，在所有图中使用一个标号。

显然，电压不等的两根公共电极与一根像素电极的组合，将构成一种当变化电压加至像素电极时，则具有快速响应和宽视角的TFT-LCD。器件的接通与断开两种模式由电场驱动时，实现了快速响应；利用电场，LC分子能极迅速地对准与驰豫。

图2示出本发明TFT-LCD结构的新颖设计，其一大特征是代替用一根公共电极，而是有两根公共电极21、23，一根为低压如0伏，另一根为高压如5伏。顶基片22中的第一公共电极层21具有5伏的恒高压，而底基片24中的第二公共电极层23具有0伏的低压。公共电极23利用钝化层26(电绝缘层)与像素电极25分开。对像素电极25加0伏低压时，产生图3所示的均匀垂直场30。在像素电压为0伏时产生的这一均匀垂直场通常造成暗态，具有极快的切换作用，因它受电场驱动。这类似于普通TFT-LCD装置所产生的垂直场造成的快速切换。

在图4中，像素电压为5伏时是亮态。对像素电极25加5伏电压，由于图4所示的边缘场，因而迅速地建立了新的电场分布图40。如前所述，顶基片中公共电极21的电压为5伏，而底基片中公共电极层23的电压为0伏，像素电极25的电压为5伏，这样就形成一种不同光发射的新的液晶对准态，通常为亮态。这一新状态的切换速度也很快，因为它受电场驱动。因此，这种TFT-LCD设计的新结构导致快速的接通与断开，因为二者都是电场驱动的。

实例1——一根公共电极的电压较低

图2中公共电极21的电压为5伏；为减小垂直电场强度而增强横向场，可将该电压定得更低。由于横向场变强，更多的分子被切换成亮态，因而有助于提高光效率。然而，由于形成了较弱的垂直场，这样会延长相应的亮-暗态响应时间。对底基片24上的公共电极23而言，剩余电压读数V＝0伏；对于像素电极25，V＝0～5伏。公共电极23利用钝化层26与像素电极25电气绝缘。

实例2——底电极电压较高

图2中，公共电极21的电压较高，而公共电极23的电压较低，从原理上讲，这两根电极可以互换，如图5所示。图5中，顶基片52上第一公共电极51的电压较低(0伏)，而底基片54内第二公共电极层53的电压较高(5伏)，这种替代设计会造成垂直场不均匀，因为钝化层56造成了略高的电位差。图5中，像素电极55发出高电场，因而在钝化层56两端形成比顶电极51发出电场时更高的电场。注意，在描述本发明时，“钝化层”通常称为绝缘层。但从原理上讲，通过改变第二公共电极53的电压或像素电极55的电压以补偿该电压降，能减小在像素电极55与第二公共电极层53之间形成的该电位差。

实例3——互换的公共电极与像素电极

图6示出顶基片61中5伏的第一公共电极层60。底基片63支承0～5伏的像素电极层62和0伏的第二公共电极层64，像素电极层62与公共电极64通过钝化层65电气绝缘。与图2的结构相比，该结构中的公共电极64与像素电极62的位置被互换。该结构的选用取决于制造工艺的能力和优化的电极宽度与间隙。

实例4——使用电阻膜

为扩展横向场的距离，可用电阻膜70连接底基片中的像素电极和第二公共电极，如图7所示。当像素电压高时，在像素电极72与第2公共电极71之间电阻膜两端形成的电位梯度，其间建立的横向场在亮态期间切换LC分子。上基片中的第一公共电极74具有如5伏的高压，但该电压可减小到例如2伏以增大横向场强度。另一方面，当像素电极72的电压与公共电极71中的电压一样时，则电阻膜两端无电位差，由于导电电子的缘故，膜两端出现均恒的电位。图7表明，像素电极72与第二公共电极71之间产生一水平电场，对亮态造成更长的横向边缘场与更高效率。

实例5——使用介质层

如图8所示，当顶基片81的公共电极层80为0伏时，在公共电极层80与LC层83之间使用介质层82可增大LC晶胞上部的横向场强度，因为顶基片中的0伏现在离底电场更远了。介质层82邻近公共电极层80，其作用是保持小的晶胞间隙，有助于使横向边缘场更强，因为上电极在图形上更远。公共电极层84与像素电极层85之间形成的边缘场变得更强，从而改善了光效率。

实例6——自然的宽视角构造

图9中，边缘场形成多域构造，它与第二公共电极层92之间间隙90、91的中平面对称。这一多域构造将沿左右或上下两个方向形成宽视角。采纳称为多域垂直对准(MVA)的Z字形电极结构，可沿所有四个方向形成宽视角。图9表明，当顶基片94中第一公共电极层93为5伏、低基片95中第二断续公共电极层92为0伏和像素电极96的电压为5伏时，因对称的边缘图案而自然形成多域构造。图9的结构与图4相同，但另外示出了边缘场是如何使LC分子不同的姿态形成自然宽视角的。

本发明详细的描述、实例与模拟结果，为推进薄膜晶体管液晶显示技术的认知与发展提供了一种工具。本发明的新颖特征包括但不限于：在TFT-LCD中应用交叉场效应；交叉场效应与宽视角相组合而实现快速响应与更宽视角；使用高低两种电压的双公共电极结构；用新的结构产生交叉场效应；用新的结构形成多域LCD。

虽然在可望实践的某些实施例或修正方案中对本发明作了描述、揭示、示例与图示，但是本发明的范围并不受此限制，也不应由此限制，而且特地保留本文内容提出的其它修正方案或实施例，因为它们都属于所附权项的幅度与范围内。

Claims (17)

1.一种具有快速响应与宽视角的薄膜晶体管液晶显示器，其特征在于包括：

具有第一公共电极层的第一基片；

具有像素电极层与第二公共电极层的第二基片；

位于第一与第二基片之间的液晶；

向第一和第二公共电极施加不等的电压的装置；和

位于第一基片中第一公共电极层与第二基片中像素电极和第二公共电极两层之间的电场发生装置，使显示器对高输入数据速率提供快速响应，并对观众提供宽视角。

2.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述电场发生装置具有：利用第二基片中的绝缘层与像素电极层分开的第二公共电极层。

3.如权利要求1所述的显示器，其特征在于所述施加电压的装置包括：向第一公共电极层提供电压源的装置。

4.如权利要求1所述的显示器，其特征在于所述施加电压的装置包括：向第二公共电极层提供电压源的装置。

5.如权利要求1所述的显示器，其特征在于还包括：向像素电极层提供电压源的装置。

6.如权利要求1所述的显示器，其特征在于不等的电压在第一公共电极层中比第二公共电极层高。

7.如权利要求1所述的显示器，其特征在于不等的电压在第二公共电极层中比第一公共电极层高。

8.如权利要求1所述的显示器，其特征在于电场发生装置包括：位于像素电极层与第二公共电极层部分之间的电阻膜。

9.如权利要求2所述的显示器，其特征在于还包括：邻近第一公共电极层的介质层。

10.如权利要求1所述的显示器，其特征在于产生的电场不垂直。

11.如权利要求1所述的显示器，其特征在于产生的电场垂直。

12.一种对薄膜晶体管液晶显示器提供快速响应与宽视角的方法，其特征在于包括步骤：

在第一与第二基片之间设一液晶层；和

在基片间产生电场，其中把电压加到有第一公共电极层的第一基片、有第二公共电极层和像素电极层的第二基片，因而对输入数据具有快速响应，对观众产生宽视角；

其中对各电极层施加电压包括向第一和第二公共电极施加不等电压。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于产生电场的步骤包括步骤：向像素电极层施加近似等于第二基片中第二公共电极电压的电压，从而产生均匀的垂直电场。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于产生电场的步骤包括步骤：向像素电极层施加不等于第二基片中第二公共电极电压的电压，从而产生非垂直电场。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于产生非垂直电场的步骤包括步骤：

在像素电极与第二公共电极之间形成一电阻层；和

向像素电极施加不等于第二公共电极电压的电压，从而产生横向电场。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于产生非垂直电场的步骤包括步骤：

形成一跨过基片之一的介质层；和

向像素电极施加电压，从而产生改善了光效率的强电场。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于像素电极电压取决于输入数据，而第一与第二公共电极的电压不取决于输入数据。

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