CN1271425A - 液晶显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息显示装置,特别涉及液晶显示器,可用于各种用途的指示装置,也用于光学调制器、光调制矩阵系统等。本液晶显示器包括液晶层,它布在前、后平板之间,在每块平板上布置一个电极、一面偏振镜和包含一种染料的薄层;应用能在400—700nm范围内的紫外线辐射作用下发荧光的染料或一种荧光染料与一种吸收染料构成的混合物作用该种染料。发明的任务是通过更有效地应用辐射源的辐射光谱,具体讲,其紫外线范围的辐射光谱,达到图像的更强的亮度、彩色饱和度,并增大液晶显示器的视角直至180°。

Description

液晶显示器

本发明涉及信息显示装置，更具体地说，涉及液晶显示器，其中所述发明可用于各种目的的指示技术及显示装置，也可用于光学调制器、光调制矩阵系统等。

已知形状为平面式显影盘的装置，该显影盘由两块平行放置的玻璃板构成，玻璃板的内表面涂敷着由诸如二氧化铟或二氧化锡的光学透明导电材料形成的电极。具有电极的板表面经受特殊处理，它保证在平板表面附近的和液晶薄膜体积中的液晶分子具有给定的均一定向性。均一定向时，平板表面附近的液晶分子的长轴与定向方向平行，通常选择这些方向为相互垂直方向。显影盘组装后，用液晶加以充装，它形成厚为5-20μm的薄层，成为能在电场作用下改变自身光学性质(偏振平面旋转角)的活泼介质。光学性质的改变借助交错的偏振镜加以指示，通常，这些偏振镜粘贴在显影盘的外表面上(1)。这时，对其电极未施加电压的那些显示器部分，光线能通过，看上去发亮，而施加电压的显示器部分则看上去发暗。为形成彩色图象，向显示器引入专门的薄层，该薄层以有机或无机染料进行染色，形状为图案元素(符号综合性或娱乐性指示器)，或RGB或CMY型的滤光镜矩阵(矩阵屏幕)，它们保证通过滤光镜元素的光线有相应的色泽。此类装置的共同缺点是所得图像的亮度低，且彩色饱和度不够。其原因之一是应用了光线的二色性偏振镜，它们吸收约50-60％的可见光，染料再附加吸收部分光通。在这种情况下，为达到高的彩色饱和度要求光源有大的亮度，这引起显示器的能量消耗增加。能量消耗的增加导至(与信息显示的替换装置相比)液晶显示器作为高经济性能仪表的优点的丧失。

已知液晶显示器的第二个缺点是视角小，因为液晶显示器的多层结构只能在有限立体角范围内操纵在显示器前表面方向传播的光束。

发明的任务是通过更有效地应用辐射源的光谱，特别是，其紫外线范围的光谱，达到图象更强的亮度、彩色饱和度，并增大液晶显示器的视角直至180°。

所提任务的解决由一种液晶显示器完成，该种液晶显示器包括液晶层，它布置在前、后平板之间，在每块平板上至少布置一个电极和一面偏振镜；和薄层，它至少在一个区域上至少包含一种染料，并应用能在400-700nm范围内的紫外线辐射的作用下发荧光的染料或混合物作为染料中的至少一种染料，而混合物由至少一种荧光染料和至少一种吸收的，而非荧光的染料构成。

与此同时，一般情况下本发明的显示器可应用外辐射源的辐射进行工作，如太阳的辐射，并包括其辐射的紫外线范围。但是，在紫外线和可见光谱范围辐射的辐射源也可置于显示器的结构中，作为其组成部分。同时，其最强的辐射最好位于200-450nm范围。辐射源可从前平板或后平板侧加以设置。此时应注意，辐射可在显示器内通过前或后平板发射，如通过它们的前表面或侧向表面而发射。

与此同时，至少包含一种荧光染料的薄层可布置在平板之一的外侧。这时，布置在同一平板上的偏振镜可或布置在其内表面上，或布置在其外表面与至少包含一种荧光染料的薄层之间。也即，其实质在于，在两种情况下，偏振镜应布置在荧光层与液晶层之间。这时，如果至少包含一种荧光染料的薄层布置在平板之一的内侧，则布置在同一平板上的偏振镜布置在至少包含一种荧光染料的薄层与液晶层之间。

除上述透射型显示器外，也可获得反射型显示器结构，这种显示器也应用辐射源的紫外线部分。为此，在显示器中可引入反射镜，它设置在平板的内侧或外侧，此平板自然就成为后平板，因为辐射源的辐射不通过它。这时，至少包含一种荧光染料的薄层最好布置在后平板上，并位地布置在反射镜与同一平板上的偏振镜之间。这时，如果在至少包含一种荧光染料的薄层中，该染料的分子沿着某一种分子辐线均一地定向，则这样的层具有偏振性质。因此可以将此薄层布置在前平板上，同时可以不应用单独的偏振镜。这时，由实质可得到，荧光层和布置在同一平板上的偏振镜可制作或形为一层偏振层，该偏振层包含的至少一种荧光染料的分子沿分子轴线均一地定向。同时，此偏振层可布置在前平板的外侧或内侧。

现参照附图对本发明的本质进行说明。在图1-4中示意地表示了透射型液晶显示器，这类显示器在液晶显示器板的外、内侧具有不同布局的偏振镜和荧光染料层。

在图5、6中示意地表了反射型液晶显示器，它具有外部和内部设置的偏振镜及荧光染料层。

在图7中示意地表示了一种显示器，其外侧偏振镜的作用由包含荧光染料的薄层完成。

示于图1的液晶显示器由两块平板1和2构成，它们可由玻璃、薄板，或其它硬的或软的材料制成，这些材料即在可见光谱范围，又在紫外线光谱范围是透明的。在这两块平板的面向介晶液晶层3的内表面上涂敷透明电极4、5，它们可用连续薄板或分段的例如形为任意样式的相同或不同的元素加以覆盖。在透明电极4、5的上面涂敷有聚合物或其它材料制成的薄层6、7，它们的表面通过摩擦或其它方式而赋予定向的各向异性，以保证液晶分子的定向。在平板的外侧布置有偏振镜8、9，它们在紫外线光谱范围是透明的。在偏振镜8上从外侧涂敷一种或若干种荧光染料的薄层10，它们在可见光谱的不同区域内发光。为消除由于四周目光的紫外线光谱辅助照明引起的薄层10的不利的荧光辐射，在荧光层10的上面建立辅助层13，以作为滤光器，不使此紫外线光谱辅助照明通过。从外辐射源或作为晃示器组件的辐射源发出的辐射用箭头示意地表示。

图2中示意地表示了一种液晶显示器，其中荧光染料层从显示器的后侧放置在偏振镜上。同时，偏振镜及薄板在可见光谱范围是透明的，但其紫外线部分不能通过。

在图3中表示一种显示器结构，其偏振镜8、9和荧光染料层10放置在液晶显示器的内部。偏振镜形为染料均质定向分子的薄层，涂敷在将透明电极4与偏振层8(前平板1)隔开的底层11上；和涂敷在荧光染料层10的表面上，它直接布置在后平板2的透明电极5上。在此方案中，偏振层在光谱可见范围有效，但在紫外线范围不透明。上平板1的材料在紫外线范围可不透明，但对于平板2，要求在光谱的可见和紫外线范围均透明。

在图4中表示了透射型液晶显示器的另一方案，它具有内部设置的光学元件，其中，荧光染料层10放置在上(前)平板1的内侧。这时，偏振层8、9只在光谱的紫外线范围有效，而对平板1和2的光学性能的要求则与对前一个方案的相同。显然，图3和图4中的荧光染料的矩阵也可放置在相应平板的外侧。这时，两块平板应或仅对光谱的可见范围是透明的(图3)，或对可见光和紫外线范围是透明的(图4的方案)。

在液晶显示器的反射型方案中，偏振镜、荧光染料层和反射器也可放置在后平板2的外侧或内侧。图5中表示了一种显示器结构，它具有外部设置的偏振镜、荧光层和扩散反射镜。这时，两面偏振镜8和9均设置在平板1、2的外侧，而荧光染料层10则设置在偏振镜9与反射镜12之间。偏振镜8、9和平板1、2对光谱的紫外线范围和可见范围均应透明。

当光学元件为内部设置时(图6)，在平板2上先形成反光镜12，然后形成荧光层10的矩阵，在其上形成偏振镜9。此平板可由透明材料，也可由不透明材料制成，如由晶体硅制成。在其上形成扩散反射层一反光镜12。扩散反射层可通过在铝制镜面上涂敷聚合物薄膜而获取，聚合物包含任意或一定形状和尺寸的粒子，其折光率不同于聚合物的折光率；通过涂敷聚合物薄膜而获取，聚合物包含能很好反射光线的铝粉或其它材料的悬浮物；或通过在平板表面上建立起伏花纹，然后在其上涂敷例如铝薄膜的反射层12而获取。起伏花纹可借助以下方法形成；应用研磨材料对表面进行加工；蚀刻；模压；涂敷包含一定形状和尺寸的粒子的聚合物薄膜，或者通过平板本身表面膜片的选择性浸蚀，或者在其上涂敷聚合物或其它材料的薄膜。铝薄膜可同时用作连续电极。应用光蚀方法按宽度为10-100μm的给定轮廓蚀刻铝的狭条，可获得必要结构的电极，例如用于显示器平面矩阵屏幕的矩形电极矩阵，同时在指示器的整个工作区域保持反射平底。荧光层10直接涂敷在反射涂层上，或涂敷在形成在反射镜上的一个基底上。偏振层直接涂敷在荧光染料层上，或涂敷在一个矫平底层上，它形成在荧光层上。

如果反射层由于某种原因不能用作电极，或者它由不导电材料制成，则这时电极涂敷在绝缘底层上，或直接涂敷在反射镜上。作为绝缘层可应用聚合物薄膜、氧化铝、氧化硅或其它介电材料。这时，荧光层既可涂敷在反射镜上，也可涂敷在电极上。

包含荧光染料的薄层可应用一种荧光粉或荧光粉混合物制成。这时，薄层在整个面积上可均匀地完成，或至少具有分隔的区域，这些区域至少包含一种荧光粉，例如形为矩形元素(区域)的矩阵。同时，不同区域可具有同样色彩，也可完成成具有不同色彩，即可应用不同荧光粉加以形成。

图7中表示了一种显示器结构，其中薄层10完成外侧偏振镜的功能，薄层10包含荧光染料的均匀定向分子。这时，荧光层具有偏振性能。

所建议的液晶显示器结构可在具有符合综合元素各种控制简图或屏幕扫描的液晶的受扭晶体、超受扭晶体和碟状液晶分子结构上实现。作为荧光染料可应用有机或无机荧光粉，它们在固体状态或在聚合物矩阵中，在范围为200-450nm的紫外线的辐射作用下，于400-700nm的可见光谱范围内发光。

为加强彩色饱和度，整个染色层，其单独区域也是，例如彩色矩阵或图案的元素，可在可见光范围以发光的和普通的吸收的和染料的混合物为基础制成，或将它们分层涂敷制成。这时，荧光粉辐射色彩和染料吸收范围选择成，得以能保证图像的最大彩色饱和度和亮度。在分层涂敷时，吸收染料层既可设置在显示器内侧，也可设置在显示器外侧，其元素具有相应匹配的放置。

为获得荧光染料定向层，可应用由有机荧光粉染色的，然后延伸的聚合物薄膜，例如聚乙烯醇薄膜。也可通过向其结合离子化组赋予荧光粉分子以水溶性形式。这保证荧光粉分子溶液可能转换成液晶中间相，以及可能通过机械移位、底板的定向表面或外界电磁场使它们在薄层中至少沿一条分子轴线定向。

彩色矩阵或图案可应用通过膜片进行逐次热涂敷染料或其它方法加以制备，如应用相应染料对聚合物层进行选择性染色，或应用镂花板印刷方法或其它印刷方法涂敷染料层。

根据显示器结构及所应用的染料，使用的偏振镜应具备相应的光学性质。在一些结构中它可能只在光谱的可见光范围有效，而不能通过紫外线辐射，在另一些结构中，在紫外线和可见光范围内均有效，而在第三种结构中则只在紫外线范围有效，而不能通过光谱的可见光部分。作为这些偏振镜既可应用冷拨聚合物薄膜，在其中引入吸收光谱紫外线范围辐射的分子；也可应用以液晶物质为基础而获取的偏振层，其分子吸收光谱紫外线范围的辐射。这些偏振层可采用已知方法[2-4]中的一种方法进行制备，具体讲，可以有机染料为基础，其溶液可处于感胶离子液晶状态[5]。另外，它们还可完成液晶的空向层作用。为获取只在光谱的紫外线区域有效，而不能通过可见光部分的偏振镜，可应用这种偏振镜，它在紫外线和可见光范围都起作用，或只在紫外线范围起作用，但在通过光谱可见光部分时，没有其偏振，同时结合应用光学滤光镜，这种滤光镜截止光谱范围的可见光部分。这样的滤光镜可用以下方法制成：向显示器平板材料的成分中加入相应的有机或无机染料；或在各向同性层的相应位置上涂敷染料或聚合物薄膜，该薄膜应用吸收光谱可见光范围光线的染料进行染色；或者向偏振镜材料或偏振层加入相应的染料，如果采用定向染料薄膜作为偏振镜的话。当滤光镜制作成各向同性吸收层时，它可放置在结构中包含荧充染料的薄层与光源之间的任何位置。

作为既是光谱可见光范围，又是紫外线范围的辐射源可应用具有泵、氢或氙充气的气体放电灯；等离子或激光光源；电弧放电等。这时，辐射源既可直接进入本发明装置，成为一体结构，也可成为装置的一部分，其中应用着本发明的晶液装置，例如，如果此装置作用调制器，则辐射源可成为仪器的组成部分，在仪品中应用了调制器。

现根据以介晶旋转90°(图1)为基础的透射型液晶显示器为实例，说明具有荧光层的液晶显示器的作用原理。辐射的未偏振紫外线光束从第二(后)平板2侧入射在显示器上。偏振镜9只能通过辐射的紫外线部分，辐射通过偏振镜9后就偏振，通过平板2、透明电极5和定向层7。如果在电极上没有电压，偏振光线通过液晶层3，将自身的偏振平面旋转90°，然后没有减弱地通过定向层6、透明电极4、平板1、紫外线偏振镜8，入射至荧光染料层10上，在其中引起荧光发光。当在电场作用下向电极施加电压时，介晶的旋转形成转变成同泾异形亲和式的，其中介晶的光轴定向成垂直于平板1和2的平面，且它停止旋转通过它的光线的偏振平面。这意味着，当光线通过介晶层时，由偏振镜9给定的光线偏振平面方向不会改变，在介晶3的出口垂直为第二偏振镜8的偏振方向。当光线通过偏振镜8时，光线被吸收，在下一层10中不会引起荧光发光。这样，此区域在缝隙中看起来是暗的。而在显示器中没有电极的那些区域，则终是保持介晶的旋转形式，从而这些区域总是辐射的，也即是亮的。将荧光层设置在显示器的外表面上，使得图像的对比度与观察角度无关，因为形成图像的光束由显示器外表面辐射，而不通过其光转换层(液晶、偏振镜)。

当将荧光染料层放置在显示器的后侧时(图2)，即放置在平板2的外表面上时，辐射的紫外线光束被荧光层转变成可见范围的光线，其通过液晶显示器的进一步传播以及对它的控制原理与普通液晶显示器中的相同。为了应用辐射光谱的可见光部分，可向荧光染料层加入染料，它们在补充荧光染料的辐射光谱的光谱可见范围内是吸收的。吸收染料层的元素的设置与相应的荧光染料层元素相匹配，此吸收染料层可放置在显示器平板2的内表面上。

偏振镜和荧光矩阵布置在内侧的透射型显示器(图3、4)的作用原理与元素在外侧布置的相同。当荧光染料层布置在前平板1上时(图4)，紫外线辐射通过后平板2、透明电极5、绝缘层11和在紫外线范围起作用的偏振镜9。然后，根据液晶层3的状态不同，它由此通过后偏振平面旋转90°，或者不旋转。如果发生偏振平面的旋转(开口状态)，光线不被吸收地通过第二偏振镜8，入射在荧光层10上，引起矩阵的相应元素发光。辐射的可见光线通过透明电极4和平板1射出于显示器范围之外。在封闭状态时，紫外线辐射被偏振镜8吸收，不引起荧光矩阵的发光。结果，显示器或矩阵的相应元素变得发暗。

在反射型显示器(图5)中，光线通过在紫外线和可见光范围都透明的偏振镜8，它既在紫外线范围内又在可见光范围内偏振。接着，它通过平板1、透明电极4、空向层6。在开口状态，光线通过液晶层3，将自己的偏振平面旋转90°，通过定向层7、透明电极5、平板2，并不被吸收地通过偏振镜9。此后，部分光线被层10的荧光染料吸收，转变成可见光线。剩余部分从反射镜12反射，重又通过荧光染料层，附加地转变成可见光线。可见范围的辐射光线被偏振镜9偏振，通过平板2、透明电极5、定向层7、液晶层3，旋转偏振平面，无阻碍地能过剩余层及偏振镜8而射出。当液晶层为封闭状态时，它不旋转通过它的光线的偏振平面，紫外线和可见光范围的光线均被第二偏振镜9所吸收。结果，在层10中的荧光染料不辐射光线，显示器看上去发暗。为了可见范围的光线不削弱荧光光线如彩色饱和度，可在荧光染料层中加入相应的吸收染料，这与前述对透射型显示器所作的相同。

偏振镜及荧光染料为内侧布置的反射型显示器(图6)的作用原理在原则上与前述情况没有差别。

在显示器具有荧光染料的定向层的情况(图7)，当液晶处于旋转介晶状态时，偏振的紫外线辐射通过显示器的全部各层，偏振平面转动90°，且无吸收地通过荧光粉层而射出。为使紫外线光线不入射在观察者的眼中，用滤光镜13覆盖荧光染料层，该滤光镜13吸收紫外线辐射，但使光谱可见部分得以通过。在液晶3为不旋转状态，被偏振镜9偏振的紫外线辐射不改变偏振地通过显示器，并被荧光粉的定向分子层所吸收，发射出在光谱的可见部分的光线。显然，根据同一作用原理也可制作这样的显示器，其荧光粉定向分子层布置在第一平板上，但在显示器的内侧。

对于透射型和反射型显示器，偏振镜和荧光染料矩阵层的布置还可以有过渡方案，例如，在透射型的图1和图4中，偏振镜可布置在显示器之内，而包含荧光染料的层则布置在平板1的外侧。在方案图2、3及图5、6中也可类似地布置。

本发明的本质性特点在于，为制作液晶装置，其多样性并不限于上述方案，应用了光源，它所具最强辐射光谱最好位于200-450nm范围；偏振镜，这些偏振镜既在光谱可见范围有效，也在紫外线范围有效；以及包含荧光染料的层，用于将紫外线辐射转变成可见光线。这得以最充分地利用既在光谱紫外线范围，又在可见范围进行辐射的光源的能量。

完成申请时应用的信息源：

1、美国专利NO5528398，级别359-68，1996年公布。

2、美国专利NO2400877，级别350-155，1946年分布。

3、日本专利NO1-183602(A)，MKNGO2B5/30，GO2B1/08，1989年公布。

4、美国专利NO3941901，级别350-160，1976年公布。

5、申请PCT/US94/05493，94年12月8日公布。

Claims (8)

1、一种液晶显示器，该种液晶显示器包括液晶层，它布置在前、后平板之间，在每块平板上至少布置一个电极和一面偏振镜和薄层，它至少在一个区域上至少包含一种染料，其特征在于：应用能在400-700nm范围内的紫外线辐射的作用下发荧光的染料或混合物作为染料中的至少一种染料，而混合物由至少一种荧光染料和至少一种吸收染料构成。

2、如权利要求1的显示器，其特征在于：引入了辐射源，该辐射源在紫外线和可见光谱范围内辐射，并在200-450nm范围内具有最强的辐射。

3、如权利要求2的显示器，其特征在于：辐射源自前面板侧设置。

4、如权利要求2的显示器，其特征在于：辐射源自后面板侧设置。

5、如权利要求1或4的显示器，其特征在于：至少包含一种荧光染料的薄层布置在平板之一的外侧，同时，布置在同一平板上的偏振镜或布置在其内表面侧，或布置在其外表面与至少包含一种荧光染料的薄层之间。

6、如权利要求1或4的显示器，其特征在于：至少包含一种荧光染料的薄层布置在平板之一的内侧，同时，布置在同一平板上的偏振镜布置在至少包含一种荧光染料的薄层与液晶层之间。

7、如权利要求1或3的显示器，其特征在于：引入了反射镜，该反射镜设置在平板后表面的内侧或外侧，而至少包含一种荧光染料的薄层则布置在反射镜与布置在同一平板上的偏振镜之间。

8、如权利要求1或4的显示器，其特征在于：至少包含一种荧光染料的薄层布置在前平板上，同时，该薄层及布置在同一平板上的偏振镜制作成形为一层偏振层，该偏振层包含的至少一种荧光染料的分子沿至少一种分子轴线均一地定向，并布置在前平板的外侧或内侧。

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