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CN114063337B - 外延取向液晶显示器 - Google Patents

外延取向液晶显示器 Download PDF

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CN114063337B CN202011106830.4A CN202011106830A CN114063337B CN 114063337 B CN114063337 B CN 114063337B CN 202011106830 A CN202011106830 A CN 202011106830A CN 114063337 B CN114063337 B CN 114063337B
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Abstract

本发明涉及一种液晶显示器，更具体地涉及一种外延取向液晶显示器（EALCD）。半摩擦半波配置的超快响应时间使显示器能够以下一代信息终端的高帧速率进行寻址。

Description

外延取向液晶显示器
技术领域
本发明涉及一种液晶显示器，更具体地涉及一种外延取向液晶显示器(EALCD)。半摩擦半波配置的超快响应时间使显示器能够以下一代信息终端的高帧速率进行寻址。
背景技术
1968年，美国无线电公司(RCA)的Williams发现，向列型液晶形成畴结构并且在电场中具有光散射现象。Heilmeir随后开发了动态散射模式，即世界上第一台液晶显示器。Helfrich、Schadt和Fergason分别于1971年发明了扭曲向列型(TN)。TN波导效应与集成电路的结合构成了一种显示设备(TN-LCD)，这为液晶的应用开创了广阔的前景。自此，由于大规模集成电路的发展和液晶材料的进步，现有技术中的液晶显示器取得了突破。1983年到1985年，Scheffer等人先后提出了超扭曲向列(STN)模式，并且重新采用了1972年由西屋公司(Western House)的Brody提出的AMLCD模式。常规的TN-LCD技术已转移成STN-LCD和TFT-LCD技术。尽管STN扫描线可以达到VGA级别，但是当温度升高时，仍然存在一些缺点，例如响应速度、视角和灰度。因此，对于大面板、高信息量、高色彩质量的显示器，有源矩阵显示器成为首选。TFT-LCD已广泛用于直视式电视、大屏幕投影电视、计算机监视器和某些军事仪器显示器。相信TFT-LCD技术将有更广泛的应用。
有源矩阵结构有两种类型：第一种是在作为基板的硅晶片上的金属氧化物半导体(MOS)。第二种是在玻璃基板上制造的薄膜晶体管(TFT)。
由于在显示单元或模块组件的各个部分的接合处存在许多问题，单晶硅作为基板在其显示尺寸上存在局限性。因此，第二种TFT有源矩阵是有前景的。早期的TFT显示器通常是TFT-TN模式。TFT基板包括化合物半导体，例如多晶硅以及非晶硅。
在过去的十年中，对于大面板显示器(例如监视器和电视)，面内切换(IPS)模式和垂直取向(VA)模式由于其视角和对比度比TFT-TN显示器大而在信息产业中日渐流行。但是，IPS显示器和VA显示器的响应时间都没有TN显示器的响应时间那么快，尽管后者对于5G通信技术所需的高帧频显示终端来说仍然不够快。
发明内容
本发明的主要目的在于实现一种超快TFT外延取向液晶显示器。
本发明的另一个目的在于制造一种不定畴半波向列型液晶显示器。
本发明的另一个目的在于在液晶显示器的基板上采用一侧平行摩擦层，以及另一侧平行非摩擦层。
本发明的又一个目的在于制成一种TFT寻址的半蓝光波段液晶显示器。
本发明的另一个目的在于利用扭曲波导效应来抑制液晶的色散，以实现优异的色彩再现。
本发明的又一个目的在于使用滤色器阵列获得全彩显示。
本发明的又一个目的在于创造一种具有优良视角的液晶显示器。
本发明的另一个目的在于实现优异的快速切换速度。
本发明的最终目的在于实现一种外延取向半摩擦半波液晶显示器。
附图说明
图1示出了外延取向液晶显示器(EALCD)的示意性结构。
图2示出了EALCD的示意性反向结构。
图3示出了EALCD的光电曲线。
图4示出了EALCD的光电响应时间曲线。
图5示出了EALCD的视角。
图6示出了反向EALCD的视角。
图7示出了EALCD的色彩表现照片。
图8示出了EALCD的灰度照片。
图9示出了EALCD的动图照片。
图10a示出了EALCD的正常观看图片。
图10b示出了EALCD的120度视角。
具体实施方式
首先参考图1，示出了一种外延取向液晶显示结构。液晶层130包括场外(field-off)区域中的至少一个向列平行取向畴134和至少一个扭曲向列畴133，其位于具有透明公共电极113的透明前置滤色片基板111与具有TFT有源矩阵电极114的透明后置基板112之间，以形成厚度在1-10微米范围内、更优选在2.0-3.0微米范围内的单元(cell)结构。沉积在具有TFT有源矩阵电极114的TFT层上的经摩擦的聚酰亚胺平行取向层131不仅为液晶提供了一致的分子定向，而且还提供了显示单元结构的光学指数，以引发外延液晶定向。另一方面，设置在透明公共电极113的滤色片外覆层上的非摩擦聚酰亚胺取向层132为液晶分子提供了不定的二维随机取向，以促进液晶外延。预先确定向列型液晶的光学双折射率Δn，以使液晶层130的延迟率R＝Δnd满足蓝光波长(例如λ＝450nm)内的可见光用半波片。其中，“d”为单元间隙(cell gap，盒厚)。为了获得外延畴结构，在向列型液晶中掺杂0.5wt％至1.0wt％范围内的少量胆甾型扭曲材料。
如图1所示，邻接摩擦取向层131的第一个液晶层(即外延结构的起点)以一致平行的方式取向，而与非摩擦取向层132相邻的最后一个液晶层根据液晶的扭曲能力和液晶层130的延迟率呈现不定的二维布置。
附接在TFT基板上的线性偏振器121的光轴相对于取向层131的摩擦方向成45°。同时，层叠在滤色片基板上的线性偏振器120的光轴相对于线性偏振器121成90°。常规的背光照明面板140定位于显示单元结构的底部。
当来自照明面板140的背光束141穿过线性偏振器121时，其超过40％将转换为线性偏振。然后，它将经过截止区域中的显示单元结构调制，并通过畴133的180度相变效应与扭曲畴133的光导效应的结合而大约偏移90°，最终作为偏振光142离开单元结构110。该偏振光将作为光144穿过前置偏振器120，而没有明显的衰减。另一方面，当来自照明面板140的背光束141穿过线性偏振器121时，理论上其一半将转换为线性偏振。然后，它将在基本不改变其偏振状态的情况下穿透导通区域中的显示单元结构，并最终作为偏振光143从单元结构110中出射。这种光分量将被前置偏振器120完全阻挡。
结果，观看者150将看到全彩显示图像。
现在转到图2，示出了一种外延取向液晶显示结构。液晶层130包括场外区域中的至少一个向列平行取向畴134和至少一个扭曲向列畴233，其位于具有透明公共电极113的透明前置滤色片基板111与具有TFT有源矩阵电极114的透明后置基板112之间，以形成厚度在1-10微米范围内、更优选在2.0-3.0微米范围内的单元结构110。沉积在滤色片基板111上的经摩擦的聚酰亚胺平行取向层232不仅为液晶提供了一致的分子定向，而且还提供了显示单元结构的光学指数。另一方面，具有TFT有源矩阵电极114的上的非摩擦聚酰亚胺取向层231为液晶分子提供了不定的二维随机取向。预先确定向列型液晶的光学双折射率Δn，以使液晶层130的延迟率R＝Δnd满足蓝光波长(例如λ＝450nm)内的可见光用半波片。其中，“d”为单元间隙。为了获得外延畴结构，在向列型液晶中掺杂0.5wt％至1.0wt％范围内的少量胆甾型扭曲材料。
如图2所示，邻接摩擦取向层232的第一个液晶层(即外延结构的起点)以一致平行的方式取向，而与非摩擦取向层231相邻的最后一个液晶层根据液晶的扭曲能力和液晶层130的延迟率呈现不定的二维布置。
附接在滤色片基板上的线性偏振器120的光轴相对于取向层232的摩擦方向成45°。同时，层叠在TFT基板上的线性偏振器121的光轴相对于线性偏振器120成90°。常规的背光照明面板140定位于显示单元结构的底部。
当来自照明面板140的背光束141穿过线性偏振器121时，其超过40％将转换为线性偏振。然后，它将经过截止区域中的显示单元结构调制，并通过畴133的180度相变效应与扭曲畴233的光导效应的结合而大约偏移90°，最终作为偏振光142离开单元结构110。该偏振光将作为光144穿过前置偏振器120，而没有明显的衰减。另一方面，当来自照明面板140的背光束141穿过线性偏振器121时，理论上其一半将转换为线性偏振。然后，它将在基本不改变其偏振状态的情况下穿透导通区域中的显示单元结构，并最终作为偏振光143从单元结构110中出射。这种光分量将被前置偏振器120完全阻挡。
结果，观看者150将从显示器中看到全彩图像。
实施例1
在TFT LCD生产线中制造EALCD，并在光学实验室中进行光学测试。所采用的显示器是一块对角线为4.6英寸、分辨率为640x150的全彩非晶硅TFT面板。表1公开了显示结构的主要规格：
表1
项目 规格 单位
玻璃母板尺寸 400(H)x 500(V)x 1.0(D) mm
面板轮廓尺寸 120.9(H)*35.7(V)*1.0(D) mm
有源屏幕尺寸 115.2(H)*27.0(V) mm
分辨率 640(RGB)*150 像素数
像素驱动元件 非晶硅TFT -
像素尺寸 60*180 微米
像素布置 RGB条纹 -
将经摩擦的平行聚酰亚胺取向层沉积在滤色片基板上，其中摩擦方向垂直于矩形显示器(0°)。前置线性偏振器和后置线性偏振器的光学定向相对于摩擦方向分别成+45°、-45°。如图2所示，摩擦面是外延取向液晶显示器的起点，其中由摩擦方向预先确定显示单元的后光轴和前光轴。沉积在TFT基板上的非摩擦聚酰亚胺不仅简化了生产工艺，而且提高了产量，为液晶分子提供了不定的表面。外延定向主要由摩擦方向以及胆甾型材料的扭曲能力来操控。为了在截止状态下获得消色差显示，应当在生产过程中精确控制延迟率；因此，单元间隙一致性是EALCD的关键问题。表2介绍了空单元间隙的测量值：
表2
令人惊讶的是，单元间隙在2.5微米水平上的一致性出乎意料地高，并且TFT基板上的非摩擦处理实现了高产量。已经制定了进一步的开发计划，以利用2.0微型制造工艺来实现更好的光学性能。
单元厚度的一致性允许本申请人选择向列型液晶配方。该液晶具有正介电各向异性和合适的光学双折射率，以满足上述特定的“R＝Δnd”要求。本发明提供了一种具有多氟官能团的新型液晶制剂。该系列化合物的特征在于低旋转粘度、大介电各向异性、良好的互溶性和稳定性，其化学结构如表3所示。作为手性掺杂材料，将0.5％的S-811添加到向列型混合物中。请注意，液晶的重量百分比可能会根据EALCD的光电要求而发生变化。
表3
表4描述了具有快速响应时间和低驱动电压的液晶混合物的性质。
表4
所得的延迟率为R＝0.0975x2.54＝2.43μm或243nm，其满足蓝色可见光的半波片，243×2＝486nm。为了获得抑制ECB效应的消色差性能，将液晶的自然扭曲角大约设计为15°，如图2所示，该自然扭曲角附属于非摩擦取向层，并且归属于扭曲畴233。由半摩擦单元开发的液晶畴134和233的组合形成外延显示结构，换句话说，形成可控的消色差半波片，其基本上与可见光波段中的色散无关。如下述附图所示，该新型EALCD具有超快的切换速度、大视角、高对比度、多种灰度等级和优良的色彩再现性。
现在转到图3，示出了基于实施例1的EALCD的光电曲线。该曲线在可见光波长下基本上是消色差的。应当容易理解，驱动电压与普通TN显示器的驱动电压类似并兼容，因此可以很容易地得出当前可用的TN显示器驱动器IC以应用于该新型显示器。只要引入与TN显示器类似的合适的“γ”线性校正电路，正常的白光光电(EO)曲线也显示出无限制的灰度等级能力。
现在转到图4，示出了基于实施例1的EALCD的光电响应时间曲线。显然，本发明中的EALCD的响应时间比常规的TN、IPS、VA显示器的响应时间快许多倍。总的响应时间为3.69ms，其中包括上升时间2.414ms和衰减时间1.276ms，这使显示器的帧速率高达每秒270帧。更重要的是，通过修改显示单元结构和液晶配方，可以进一步减少响应时间，而没有在其他显示模式中所涉及的物理限制。实验室已经实现了亚毫秒级响应时间的光快门(shutter)。EALCD的超快响应时间将能够在可预见的未来开发许多潜在的应用。
现在转到图5和图6，分别示出了图1和图2所示的EALCD的视角。可以注意到，前者的视角大于后者的视角，这是因为前置非摩擦取向层对液晶畴呈现二维随机性。在本领域中应该容易理解，与其他液晶显示器一样，通过采用额外的光补偿膜(例如负C板)，可以进一步扩大视角。
现在转到图7，示出了基于实施例1的EALCD的色彩表现照片。
现在转到图8，示出了表示基于实施例1的EALCD的灰度的图片。
现在转到图9，示出了基于实施例1的EALCD的DVD动图。
现在转到图10a，示出了基于实施例1的EALCD的正常观看图像的图片。
现在转到图10b，示出了基于实施例1的EALCD以120度视角展示图像的图片。
综上所述，本发明具有以下特点：
1、响应速度现已达到1毫秒。通过对显示结构以及液晶配方进行微调，有望在不久的将来能够进一步实现500微秒的显示。该显示模式超越了当前所有的LCD显示模式(TN、IPS、VA等)，是5G、6G等通信系统的理想便携式显示产品。
2、与有机发光显示器(AMOLE)相比，在响应速度级别相同的前提下，本发明具有传统LCD显示器的优点，而不会出现烧屏或闪屏现象，特别是LCD显示器的使用寿命不受前者的半衰期衰减时间的影响，因此LCD显示器的寿命可达到或超过20年。
3、该显示技术的另一个特征是其光学透明性：与现有的各种显示技术相比，其透光率和像素密度翻倍。是远程会议、教学、娱乐、视频游戏等交互式显示的最佳显示选择。
4、在工业化和经济可行性方面，显示器的生产工艺基本上与现有的TFT制造工艺匹配，简化了部分工艺，提高了制造精度，并且因此降低了成本。已成功实现大规模生产。
5、在新的外延模型的指导下，本发明突破了传统液晶显示理论模型的正统观念。仍在进行一些研究项目，以进一步改善丰富显示器的性能。
因此，EALCD具有重要的科学价值，将成为新兴的新一代显示技术。

Claims (14)

1.一种外延取向液晶显示器，包括：
a. 具有非摩擦取向层的前置透明导电基板；和
b. 第一偏振器层；和
c. 具有至少一个平行向列畴区域和至少一个扭曲畴的液晶层；和
d. 具有摩擦取向层的后置有源矩阵基板；和
e. 第二偏振器层；和
f. 背光照明面板，
其中，所述第一偏振器与所述第二偏振器成预定角度，并且所述第二偏振器与所述摩擦取向层的摩擦方向保持预定角度；其中，背光穿过所述第一偏振器、液晶平行畴和扭曲畴以及所述第二偏振器以形成光学导通状态；其中，穿过所述第一偏振器和场致向列区域的背光被所述第二偏振器吸收，形成光学截止状态，从而观看者将观察到显示图像。
2.根据权利要求1所述的外延取向液晶显示器，其中，所述第一偏振器与所述第二偏振器之间的角度为90度。
3.根据权利要求1所述的外延取向液晶显示器，其中，所述第二偏振器与所述摩擦方向之间的角度为45度。
4.根据权利要求1所述的外延取向液晶显示器，其中，所述显示器为不定畴半波向列型液晶显示器。
5.根据权利要求1所述的外延取向液晶显示器，其中，所述显示器具有扭曲波导效应以抑制色散。
6.根据权利要求1所述的外延取向液晶显示器，其中，所述显示器还包括滤色器阵列，以获得全彩显示。
7.根据权利要求1所述的外延取向液晶显示器，其中，所述显示器为厚度在1.0微米至10微米范围内的超薄单元结构。
8.根据权利要求1所述的外延取向液晶显示器，其中，所述显示器具有在1毫秒至4毫秒范围内的快速切换速度。
9.根据权利要求1所述的外延取向液晶显示器，其中，所述显示器为半摩擦半波显示器。
10. 一种外延取向液晶显示器，包括：
a. 具有摩擦取向层的前置透明导电基板；和
b. 第一偏振器层；和
c. 具有至少一个平行向列畴区域和至少一个扭曲畴的液晶层；和
d. 具有非摩擦取向层的后置有源矩阵基板；和
e. 第二偏振器层；和
f. 背光照明面板，
其中，所述第一偏振器与所述第二偏振器以及所述摩擦取向层的摩擦方向成预定角度；其中，背光穿过所述第一偏振器、液晶平行畴和扭曲畴以及所述第二偏振器以形成光学导通状态；其中，穿过所述第一偏振器和场致向列区域的背光被所述第二偏振器吸收，形成光学截止状态，从而观看者将观察到显示图像。
11.根据权利要求10所述的外延取向液晶显示器，其中，所述非摩擦取向层位于所述显示器的观看者侧。
12.根据权利要求10所述的外延取向液晶显示器，其中，所述液晶的延迟率“R＝Δnd”在200nm至250nm的范围内。
13.根据权利要求10所述的外延取向液晶显示器，其中，所述扭曲畴为手性向列型液晶，其中手性材料在0.5%至1.0%的范围内。
14.一种外延取向液晶显示器，包括：
a. 具有摩擦取向层的前置透明导电基板；和
b. 第一偏振器层；和
c. 具有至少一个平行向列畴区域和至少一个扭曲畴的液晶层；和
d. 具有非摩擦取向层的后置导电基板；和
e. 第二偏振器层，
其中，所述第一偏振器与所述第二偏振器以及所述摩擦取向层的摩擦方向成预定角度；其中，光穿过所述第一偏振器、液晶平行畴和扭曲畴以及所述第二偏振器以形成光学导通状态；其中，穿过所述第一偏振器和场致向列区域的光被所述第二偏振器吸收，形成光学截止状态，从而观看者将观察到快门式显示。
CN202011106830.4A 2020-08-07 2020-10-16 外延取向液晶显示器 Active CN114063337B (zh)

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