TW550419B

TW550419B - In-plane switching type liquid crystal display

Info

Publication number: TW550419B
Application number: TW087117695A
Authority: TW
Inventors: Teruaki Suzuki; Masayoshi Suzuki; Shinichi Nishida
Original assignee: Nec Corp; Nec Lcd Technologies Ltd
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2003-09-01
Also published as: KR100307988B1; KR19990037339A; JPH11133408A; JP3204182B2; US6115095A

Description

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------i^_87U7695_ 年五、發明說明（1) 【發明的背景】本發明有關於一種液晶顯示裝置（LCD) 關於一種平面切換（in-plane switching，矩陣液晶顯示裝置。一般而言，液晶顯示裝置的特徵在於較薄的本_ 輕的重量、與較小的能量消耗。特別地，一種以矩=，較排列像素且藉一主動元件啟動的主動矩陣液晶顯示卩方式 (AM-LCD)，更是目前被預期可提供優質影像的平S ^置置。在各種主動矩陣液晶顯示裝置之中，一種薄膜”、員不襄式液晶顯示裝置（TFT_LCD)受到了許多重視，其、電晶體薄膜電晶體當作主動元件以切換個別像素。糸利用傳統的主動矩陣液晶顯示裝置係應用扭轉向列 (twisted nematic，TN)式光電效應。亦即，傳統的矩陣液晶顯不裝置施加一幾乎垂直於基板的電、動^ 包炎的液晶層上，藉以啟動液晶。㈣被基板一種以幾乎平行於基板的電場啟動液晶的平面切換式液晶顯示裝置揭示於美國專利第3, 8〇7, 831號。其揭示的^ 液晶顯示裝置提供一種電極，其包括複數互相嚙合的凹陷梳狀物（sinking combs)。日本專利早期公開特公昭63_2 1 907號揭示一種應用扭轉向列光電效應之主動矩陣液晶顯像器，其包括一含有複數互相嚅合之凹陷梳狀物的電極，用以降低形成於共用電極與汲極匯流排線之間的寄生電容，以及降低形成於共用電極與閘極匯流排線之間的寄生電容。

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- 案號 87117695 五、發明說明（2) 第1圖繪示上述習知的平面切換式液晶顯示裝置，其包括··一對玻璃基板11和12、一包夾於玻璃基板11和12之間的液晶層2 0、形成在玻璃基板1 1上且具有互相傷合之凹陷梳狀物的梳形電極7 0、以及一對分別位於玻璃基板丨丨和 1 2外側的極化板（未顯示）。藉由施加一電壓流過梳形電極70，產生一液晶驅動電場E1，其平行於玻璃基板11和1 2的表面，並垂直於電極7〇之凹陷梳狀物延伸的方向。所產生的電場E1會改變液晶分子2 1的方位角。因此，便可藉由變化施加到梳形電極7 〇的電壓而控制光線的穿透度。、在第1圖所示的平面切換式液晶顯示裝置中，當施加電壓時必須使得液晶分子21僅朝一個方向旋轉，以"獲取°穩定而均一的顯示結果。為此，這些液晶分子2丨係經排列以具有一起始方位角，其稍微偏移一垂直於液晶驅動電場£i 之方向。換5之，現假設液晶具有一起始方位角0 lc〇，其係基於一（包含電極70之凹陷梳狀物的）平行電極對所延伸方向的垂直方向來量測的，液晶分子21的方向係經排列而使得起始方位角0LCO小於9〇度（0LC〇<9〇。）。以下，在本說明書中，電場方向和液晶的起始方㈣均係基於一 (包含電㈣之凹陷梳狀物的）平行電極對所延伸方直方向而量測者’且逆時針方向被定義為正值。 F置者，第1圖所繪示的平面切換式液晶顯示裝$必須紅轉液晶分子21以相對於其起始方位角“度，夢以獲得足夠的顯示對比度。&此，最好排列液晶分子^

550419 修正

案號 87117695 五、發明說明（3) 方向使其起始方位角0LCO等於或大於45度，但小於9 (45 ° < 0 LC0 < 90。）。度在第1圖顯示的液晶顯示裝置中，由於液晶的起始位角以順時針方向稍微偏離平行電極對延伸的方向，當從玻璃基板1 2上方觀看時，液晶分子2丨會在施加一，到電極70後以箭號A所示的方向旋轉。峻一在第1圖顯示的液晶顯示裝置中，假若極化板（未顯不）具有互相垂直的極化透光軸（稱為極化方向），則光透度T可以下列方程式（1)表示。 # T = (sin2A X sin2B)/2 (1) A = 2( 0P — 0LC)， B = τγ Λπί!/ λ 在方程式（1 )中，0 LC代表當施加一電壓到電極7〇時液晶分子2 1的方位角，0 ρ代表極化板中光線進入之透I 軸的方位角，An代表液晶的非等向性折射率，d是一顯示胞（cel 1)的厚度，亦即液晶層2〇的厚度，而λ則代表光$ 的波長。 ' / 極化板中光線離開之透光軸的方位角0 Α的關係式為 0A=(/)P + 9O。，或是0Α=0Ρ-90。。根據上述的方程式 (1 )，液晶的方位角（0 LC)隨平行於基板1 1和1 2的液晶驅動電場E1而改變，藉此控制光線的穿透度。作又右極化板之'具有與液晶起始方位角一致的透光轴方向（0LC二0P或是0LC= 0 A)，當未施加電壓到梳形電極 70時係產生黑暗狀態（dark state)，而當利用一液晶驅動電場E1將液晶的方位角旋轉45度時透光度會變為最大，因 2134-2218-PFl.ptc

IHI

第7頁 550419 修正 -^^87117695_年月日五、發明說明（4) 二狀；Μ,。或者’藉由改變極化板暗狀態, 施加電壓到梳形電極7〇上時產生黑玻璃IS久止的說明中’為了簡化說明均假設(包夾於子係相：位於玻璃基板"和12界面上液晶分子的和12上的’因此該部分液晶分 ⑴可在知使用卢述雙折射效應的顯示模式中，由上述方程式以最高效率右甬一^、線符合方程式—=λ/2的關係者，可示裝成能使用白色-彩色顯非等向性折“和广；C不’必須組合液晶層的 s 等於275nm (△“ = 50°/2 = 275-)。所述的理由’事際上最好是調整使其二二t::述的值，也就是說調整一 wooo/iotst 0 ^ ^ " 視角特性方面的缺點提：千液晶此-優良的視角特性#得=方案。34些日子以來’ 主動矩陣液晶顯示裝思’並因而將平面切換式第2圖顯示一平面置切 = 大曰尺寸監視螢幕。關係曲線。其中，電壓_ ί =曰曰顯示裝置的電壓-穿透度穿透度特性係表示隨著觀看液晶 2134-2218-PFl.ptc 第8頁

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顯不裝置的角度變換電壓與穿透度的關係如何變化。觀液晶顯示裝置的角度係以0 obs和0 〇bs來定義的，其中 obs代表從一（垂直於電極延伸方向之）方向量測的方位角，而0obs代表從一垂直於基板之方向量測的傾斜角度0 用於量測的液晶胞被設計成具有必LC〇為85度、 85度、$ A為-5度。該電極具有互相σ齧合的梳狀物，其中每個梳狀物的寬度為5 # m，且彼此以丨5 # m的距離分隔開來。所使用的液晶材料具有的非等向性折射率為〇〇 6 7，且液晶胞的厚度為4.9 。 ▲從第2圖可以了解到，在平面切換式液晶顯示裝置中變換視角所造成電壓—穿透度關係的變動很小，表示平面切換式液晶顯示裝置具有優良的視角特性。然而’上述平面切換式液晶顯示裝置存有一問題，在一般的視角内所顯示的影像往往容易泛藍色或紅色。 :第3圖顯示在明亮狀態下透光光譜如何隨視角變換而變化。用來量測的液晶胞樣本與第2圖用來量測的液晶胞相同。在這個液晶胞中，從未施加電壓的起始方位角0 LC0 = 85度，到施加電壓的明亮狀態方位角0LC，液晶分子的方位角變化了45度。因此，0LC的方位角成= ⑻-45,。如第3圖所示者，在明亮狀態下成的為^晶度胞，其透光光譜在0〇bs = 4O度之波鋒（peak)具有向較短波長偏移的趨勢’因此造成所顯示的影像泛藍色。另一方面，透光光譜在0obs = -50度之波鋒具有向較

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-^_8ΙΠ7695_ 五、發明說明（6) 長波長偏移的勒 t勢’因此迨成所顯示的影像泛紅色。同梅的趨j也在順時針或逆時針方向差9〇度的方位上：現门樣該光级^圖繪示由透光光譜量測之色度變化的轨跡， ^位备曰1择觀測方向的極化角固定在5〇度’且觀測方向的 $ 攸又到36〇度變化時所取得者。第4A圖係繪示介於 :月f狀態之中間狀態下的色度變化，第4B圖則係给不在明壳狀態下的色度變化。、、、、曰對比Ϊ目2止所述者，平面切換式液晶顯示裝置在顯示列式液晶顯示裝置者更為優異。然而，上面所η: 角内所顯不影像泛藍或泛紅的問題仍未解決。在上述的液晶胞中，當電壓未施加到電極時，八子係朝向起始方位角0LCO=85度。當一電壓施加到電:刀以產生明亮狀態時，液晶分子的方位角似自起始方 0LCO變化了45度。因此，0LC的方位角成為4〇产 (85-45 = 40)。在第2圖中，顯示之影像係於^位^^ 0Lc 40度的方位泛藍，並於40度方位角0LC的垂直方位泛紅” 如先前所述者，上述液晶胞的透光光譜係關聯於液晶f的雙折射量（Δη(1)。在一般視角内顯示之影像泛藍或泛红程度，係依據與視角内液晶層之表面雙折射量的關聯声= 定，此點將詳述如下。 ΔΝ 當一光線直接進入上述液晶胞時所獲得的有效非等性折射率ΛΝ係以下面的方程式（2)來定義。 * ne no/C1/2 - no (之） 2134-2218-PFl.ptc 第10頁 550419 修正

Μ 號 87117MR 五、發明說明（7) C = θ2 + n〇2sin2 0 在方程式（2)中，a a* 2 向與液晶分子長軸之y代表一角度，位於光線穿透之方光線係以垂直於1 一；:1光=表-正常光線的折㈣，該長軸的方向)振盪：偏的方向(亦即垂直於液晶分子射率，該光線係以平7Λ’、十而ne曰代表一不正常光線的折化。；上述液晶光軸的方向振盪或偏極射率直Λ情況時02等於90度，因此非等向性折 ί t Λ Λ ne—η。。此外，在顯示之影像泛藍的 (二：係傾斜向液晶分子的長軸，θ2小於9〇度 1, )因此非等向性折射率ΔΝ變得較小❶在顯示之影像泛紅的方向’由於視角係傾斜向液晶分子的短軸，心保持在90度（θ2 = 90。），因此非等向性折射率—等於 △ η (ΔΝ=Δη)。第5Α和5Β圖繪示非等向性折射率變量與視角的關聯性。 ,由於液晶層的實質厚度D在直接入射的情況下被定義為D = d/cos( 0〇bs)，因此液晶層的實質厚度])變大了，不論視角傾斜的方向。隨著液晶層的非等向性折射率Δη和厚度d的改變，雙折射量（And)也跟著改變，造成顯示之影像隨著視角而改變色彩。到目前為止的說明可整理如下。顯示之影像泛藍的方向係與明亮狀態下液晶分子的長軸方向相同’於此情況下，非等向性折射率會減小，

550419 曰修正號 87117M5 五、發明說明（8) 而液晶層的厚度d會增加。然而，由於減小的量多於液晶層的厚度d增加的量， nd)是減小的。 u此雙折射ϊ ( △ 相反的，顯示之影像泛紅的方向係與分子的短軸方向相同，於此情況下，箄二九心下液日曰保持不變，而液晶層的厚度d會。雔斤射率An nd)是增加的。曰加因此雙折射量（△ 第6圖顯示表面雙折射量（△“）如的計算^吉果。第6圖的縱座標顯示2^見2角，m ::透光光譜一主要波長。調整用於計算：二 ::△!!和液晶層的厚度d ’使得心“ 2的值的荨向性折時f於55〇nm。此一計算方式係假設包夾於液晶係均勻地旋轉而做的。土板間的從第6圖可知道，如果視角八表面雙折射量會變小，結果/透光光曰;#刀的主的長軸傾斜則 =波長偏移，顯示之影像也因此而泛藍；如果的短軸傾斜則表面雙折射量會變大，結果穿= :紅。要波長會朝向較長波長偏移’•示之影像也因此而切換式液晶顯示裝置所；’以解決上述平面係繪示上述公開專= =染色彩的問題。第7圖繪示的液晶顯示裝置包括議：液曰:；示裝置的側視圖。該匕括·第一補償層2 5、第二補償層 11 第12頁 2134-2218-PFl.ptc 550419 曰修正 87117695 五、發明說明（9) ^ί —液晶層20，肖包夾於第-和第二極化層15和16之匕和第二極化層15和16係以雙折射材料製成。根據 =報所j ’雙折射介質25和26的光轴係於表面交錯，藉^ 所得到雙折射量的變化彼此不；介傾斜時 20傾斜時雙折射量的變化。 D 1補彳貝液晶層然而，根據發明人所作的光學模擬結果已 Γ::示：液晶顯示裝置並沒有那樣優異的視角；性Ϊ 8圖顯不其所建議液晶顯示裝置的穿透度特性 ^第 9B圖則顯示該液晶顯示裝置的色度變化軌跡。第9A和且具有下列折第一補償層2 5係由雙折射介質所構射率：、 ns-1.5850, nf^l.5800, nz^l.5800 〇且具有下列折第二補償層26係由雙折射介質所構成射率： ns = 1.5845’ nf = l.582〇，nz=1.581〇。其中，ns和nf代表平行於基板的兩個光而iiz則代表垂直於基板方向，亦即第一的折射率， 26的順時針方向，延伸之光軸的折射率：補償層25和厚度為100 ，第二補償層26的厚〇〇弟*償層25的層2 5的調整方式，係使 ''' “m。第—補償明古壯r 丁 v 保使侍關聯於折射率ns的主杏±補仏使if晶的光轴，第二補償層26的調整it由—致於 ;仟關聯於折射率ns的主光軸垂直於明亮狀式，則係軸。〜下液晶的光 2134-2218-PFl.ptc 第13頁 550419 __案號87117695__年^肖日_修正五、發明說明（10) 從第8、9 A、和9 B圖彳艮明顯地發現，上述日本未審查專利公開特開平9-80424號所建議的液晶顯示裝置，其顯示之影像不僅無法避免因視角變換而造成色彩暈染，反而更加擴大了色彩暈染的程度。並且，從電壓-穿透度特性曲線觀察，也發現有漸層反轉的現象發生。也就是說，因視角變換所造成的色度變化留下了很大的軌跡（l〇cus)。在電壓—穿透度特性曲線中，表面的穿透度在電壓增加時增加，而第一和第二補償層25和26 —光軸方位角上的穿透度則隨著電壓的增加而^ 小〇曰顯示裝無法看顯示影其動液晶括一光學非等與一供傾斜。缺 Ό、液晶顯色彩的曰本未審置，可到影像像被暈建議的胞，其學非等向性元光線離查專利解決所、或在染色彩液晶顯具有未向性元件具有開之極公開特顯示的簡單式等問題示裝置施加電件，其一個供化板的而，根據發明示裝置並不能問題。本未審查專利人所做解決顯公開特開平6-11714號曾建議一液曰曰曰影像在一般視角内反轉、完全或主動矩陣式液晶顯示襄置^ 〇包括位於一對極化板中壓時呈扭轉方位的液晶，= 具有一連續扭轉的光軸。= 光線進入之平面的光軸，吸收或透光軸呈一適當角^: 的實驗卻發現，上面所示之影像在一般賴&出哽歲的叔視角内被暈染開平2- 285303、fl69l6、

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及5-297233 4-328 1 8、5-27235、的STN液晶顯示裝置中至少一方向的折射角特性並未充分地提曰本未審查專利顯不裝置’包括位於有未施加電壓時呈扭性元件，其具有一連具有一個供光線進入之極化板的吸收軸呈下：其中在厚度方向的折射率大J平^面1 率，藉此提升視角特性。然而'，其視升以解決影像反轉和泛彩的問題。公開特開平6-11714亦建議^種液晶一對極化板中間的驅動液晶胞，其09具轉方位的液晶，並包括一光學非續扭轉的光軸。此光學非等向性元^ 之平面的光軸’其係與一供光線離開一角度0作傾斜。該角度0定義如 0 = Δη2 X p x d X 180。/4 入2 在方私式中，An代表光學非等向性元件的光學非等向率，P代表光學非等向性元件一個光軸的扭轉節距長度 (twisted pitch length)，d代表光學非等向性元件的厚度，而λ代表可見光的波長。 / 然而’其建議的液晶顯示裝置並不能充分地提升視角特性以解決影像反轉和泛彩的問題。【發明之概述】有鑑於上述的問題，因此本發明的一個目的在提供一種平面切換式液晶顯示裝置，其不論視角如何變換均可顯示較少暈染色彩的影像。如上所述者’傳統的平面切換式液晶顯示裝置並無法解決一般視角内顯示之影像泛彩的問題。基於許多實驗和

550419 案號 87n7fiQFi 五、發明說明（12) 研究，本案發明人提出一種可以解決這個問顳沾、六曰泥 u. ^ 4崎的液晶顯示裝置，如下所述者。提供一種平面切換式液晶顯示裝置，包括（a)相對且互相分離之第一和第二極化板，（b) —位於第一 4够一上和弟—極化板之間的液晶層，藉一平行於基板之電場而改變此液晶層的方位角（orientation azimuth)，（c) 一位於第一和= 二極化板之間的第一補償層，其具有正的單輛性光學非等向性，且具有一延伸垂直於基板的光軸，此第一補^層化自身的雙折射量（1^1'以1^1^611“）以補償液晶層雙量的變動（fluctuation)，以及（d) —位於第_和曰第二板之間的第一補償層，其具有正的單軸性光學非等向性，且具有一延伸平行於基板而垂直於液晶層起始方向車由。由於第-補償層雙折射量的變化消除了液晶層量的變化，目此該平面切換式液晶顯示裝置可提供優與像而較少因視角變化而出現色彩。、、心根，=的液晶顯示裝置，第一補償層的雙折射量且有正的非專向性折射率，並且垂直於基板的 [ 軸在垂直狀況時等於零，pF 4向性 v 1一丨思先線可射入之角度而鑤外以消除液晶層雙折射量的變化 ’ 内避免顯不的影像暈染上色彩。版視角更進一步提供一種平面1 / 、，批曰石扣八絡十面切換式液晶顯示裝置，包括· (a)相對且互相分離之第一和匕祜· 和第二極化板之間的液晶声，第史二極化板，（\) 一位於第一改變該液晶層的方位角；（C) ^错一平行於基板之電場而鬥，一位於第一和第二極化板之

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且具 i 號一111 17695 五、發明說明（13)

間的第一補償；，甘θ t μ 0口 I 曰其具有正的早軸性光學非等向付 ::Ϊ Ϊ垂Ϊ於該基板的光軸，該第-補償層變化自ί 置的餐動；以及（d) 一位於第一和第二極雙折射補償層，其具有正的單軸性光學非等向性，且具H第二平行於該基板而垂直於該液晶層起始方向的光軸。延伸根據上述的液晶顯示裝置，便可在一般視角内示的影像暈染上色彩。並且，即使是顯示黑色影^免顯可避免因為以斜角觀看而發生光散失的現象，如此擗名也對比度降低和漸層反轉的問題。了其中，第二補償層之非等向性折射率AnF2 ( △ nF2 = nzF2-nxF2，nyF2)與其厚度dF2 之乘積△η” χ dF2，最好是約等於液晶層之非等向性折射率Δη與其厚度 d之乘積Δη X d的四分之一。根據上述的較佳實施例，藉由第一補償層所獲得的效益可以更加增進，亦即避免顯示的影像暈染上色彩，以及 i顯示黑色影像時避免因斜角觀看而發生光散失。第一和第二補償層可以彼此相鄰設置，但並不一定要將第一和第二補償層彼此相鄰設置，第一和第二補償層也可以彼此分開來設置，例如，第一和第二補償層可以設置在液晶層的兩側上。第二補償層可以由位於第一和第二極化層

分離層所構成。第一補償層之非等向性折射率AnF 1 ( △

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nFl-nzFl-nxF1，11巧1)與其厚度“丨之乘最好是約等於液晶層之非等向性 w 1 x dF1 , 積Δη x d的一半。 ° 折射率Μ與其厚度d之乘根據上述的較佳實施例，液 (或減少量）相等於第一補償芦雔折：：：：率的增加罝旦、貝續雙折射率的減少量（戎增加里’因而可以有效地得到光學補償效果。丨成。第心貝層可以由位於液晶層兩側分開的兩層所構單獨一層所構成，或第一和第二補償層之一最好是由是由複數疊層所構成。是與第一和第二極化層之第一和第二補償層之一最好整合形成。最好能限定液晶層之非等向性折射率Δη與其厚度廿之朿積Δη X d，第一補償層之非等向性折射率】與其厚度dFl之乘積ΛηΡΊχ dF1，以及第二補償層之非等^ 生折射率AnF〗與其厚度dF2之乘積AnFZx dF2，以符合下列方程式（A)。 Δη X d · AnF 1 x dF 1 · AnF2 x dF2 = 1 :〇 5 ： 0.25 (A) · 依據方程式（A)而組合液晶層和第一、第二補償層的折射率和厚度，可以於一般視角内避免顯示之影像暈染上色彩。並且，也可以避免在傾斜觀看時發生光散失，即使是顯示黑色影像。乘積AnF2 X dF2可設成小於符合方程式（A)之乘積

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者’以確保防止色度變化的良好效果。乘積X dF2可設成大於符合方程式（A)之乘積者，以確保防止在顯示黑色影像時產生光線散失的良好效本發明更提供一種平面切換式液晶顯示裝置，包括·· (a)相對且互相分離之第一和第二極化板；（匕）一位於第一和第二極化板之間的液晶層，其藉一平行於基板之電場而改變該液晶層的方位角；以及（c) 一包含雙軸性雙折射介質（biaxial birefringence medium)的補償層，其垂直於 f 板的主折射率（Principal indices of regractior〇A、於平行於基板的主折射率。如上ϊϊίΐΠ面液晶顯示裝置’補償層成雙有換視角時液ί 2 公開特開平"°424號已提出變 ^的雙折射率二ϋ 2折射率增加量或減少量，可藉由補償償層較厚方向i光^來補償的觀念，然：^7本發明藉由將補的折射率所獲致=折射率，設成大於其他方向主光軸果。、力效特性，可確保更佳的光學補償效【圖式之簡單說明】為讓本發明之顯易懂，下文特兴述和其他目的、特徵、和優點能更明細說明如下：、牛出若干實施例，並配合所附圖式，作詳

550419 年案號jll17哑五、發明說明（16) 第1圖係一習知平面切換式液晶顯示裝置的側視圖。第2圖係顯示在一習知平面切換式液晶顯示裝置中，隨視角變換所造成的電壓-穿透度特性變化。第3圖係顯示在一習知平面切換式液晶顯示裝置中，明亮狀態穿透光線之光譜隨視角變換所造成的變化。第4 A和4B圖繪示習知平面切換式液晶顯示裝置中變化的執跡。 & 第5A和5B圖繪示折射率如何隨視角而變化。第6圖係顯示在一習知平面切換式液晶顯示裝置中，雙折射量如何隨視角而變化。第7圖係另一習知平面切換彳、、右圖。刀換式液晶顯示裝置的側視第8圖係顯示在第7圖所示的習裝置中，隨視角變換所造成的電面刀換式液晶顯示第9A和9B圖繪示第7圖所示=度特性變化。示裝置中色度變化的執跡。 σ平面切換式液晶顯第1 〇圖係根據本發明第一示裝置的側視圖。也例之平面切換式液晶顯第11圖係根據本發明二每a 示裝置的側視圖。只⑪例之平面切換式液晶顯第12圖係顯示根據例子！之平“ 第1C{圖係顯示根據、置，雙折射量如何隨視角而變之化平。面切換式液晶顯示裝 2134-2218-PFl.ptc 第20頁 550419 87117695

五、發明說明（17) 第1 4圖係顯示根據例子i之雙折射量如何隨視角而變化。面刀換式液晶顯示裝第1 5圖係顯示根據例子1 雙折射量如何隨視角而變化。刀、式液晶顯示裝第1 6圖係顯示根據例子！雙折射量如何隨視角而變化。面刀換式液晶顯示裝第1 7圖係顯示根據例子1 雙折射量如何隨视角而變化。刀換式液晶顯示裝第1 8圖係顯示根據例子i之雙折射量如何隨视角而變化。刀換式液晶顯示裝第1 9圖係顯示根據例子1之单置，雙折射量如何隨視角而變刀換式液晶顯示裝第20圖繪示液晶層如何：匕制 prof i le)的電壓而變化。列啤線（director 第21A和21B圖繪示根據裝置中色度變化的執跡。丁^ <干面切換式液晶顯示第2 2圖係顯示根據例子2 中，隨視角變換所造成的電壓-穿透ϋϊίΓ示裝置裝置Γ=化第24圖係顯示根據例子3之平面切換式液晶顯示裝置中，隨視角變換所造成的電壓-穿透度特性變化。示根據例子5之平面切換式液晶顯示裝置中色度變化的軌跡。置置置置置

2134-2218-PFl.ptc 第21頁 550419 -案號8lU769j----年月日__ 五、發明說明（18) " " ' ^~- 第26圖係顯示根據例子5之平面切換式液晶顯示裝置中，隨視角變換所造成的電壓—穿透度特性變化。第2 7圖係根據本發明例子7之平面切換式液晶顯示裝置的側視圖。 ~ 【較佳實施例的說明】第一實施例第1 0圖是一側視圖，繪示根據第一實施例的液晶顯示裝置。所顯示的液晶顯示裝置包括第一和第二極化板丨5和 1 6，一對包夾於第一和第二極化板1 5和1 6之間且對應於第 1圖所示之玻璃基板11和12的基板（未顯示），一包夾於第一和第二極化板1 5和1 6之間的液晶層2 0，以及一包夾於第二極化板1 6和液晶層2 0之間的第一補償層2 5。液晶層20具有橢圓率（index ellipsoid)20a，第一補償層25具有橢圓率25a，均顯示於第1〇圖中。雖然未顯示，對應於第1圖中玻璃基板11的下基板，係於其表面上形成具有互相延伸嚆合的凹陷梳狀物的電極。也就是說，該電極具有與第1圖所示之梳形電極7〇相同的構造，用以產生一液晶驅動電場。第一補償層2 5可設於上基板和第二極化層1 6之間、下基板和第一極化板1 5之間、第一極化板1 5和液晶層2 0之間、或是第二極化板1 6和液晶層2 0之間。第一補償層2 5可由複數分離層構成，並置於第一和第二極化板1 5和1 6之間。例如，第一補償層25可由分別位於液晶層20兩外側的兩個分離層所構成。

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在第1 0圖中’構成液晶層2 0的扭轉液晶，其具有正值的折射率An，並隨平行於基板之電場而變化的方位角。液晶層20具有可為正值或負值之非等向性介電常數△ & 。不過，液晶的起始方位角必須依據非等向性介電常數△ ε 的正負值來排列。第一補償層25具有正值的雙軸光學非等向性，且具有往垂直於基底之方向，亦即往Ζ軸方向延伸的光軸。換句話說，形成下列的關係。

NzF > nxF = nyF 在第一實施例中，第一補償層25之非等向性折射率△ nF (△nF^nzF-nxF，nyF)與其厚度dF 之乘積 AnFx dF，係設為等於液晶層20之非等向性折射率An與其厚度d之乘積 △ η X d的一半。根據第1 〇圖所示的液晶顯示裝置，由於視角變換所引起液晶層2 0表面雙折射率的變化量，被第一補償層2 5雙折射率的變化量所補償，因此可以有效防止影像暈染上色凑。第二實施例第11圖是一側視圖，繪示根據第二實施例的液晶顯示裝置。所顯示的液晶顯示裝置包括第一和第二極化板丨5和 1 6，一對包夾於第一和第二極化板丨5和丨6之間且對應於第 1圖所示之玻璃基板11和12的基板（未顯示），一包夾於第一和第二極化板1 5和1 6之間的液晶層2 〇，一包夾於第二極化板1 6和液晶層2 0之間的第一補償層2 5，以及一包夾於第

550419 修正曰號.-^7117695 五、發明說明（20) 一補償板2曰5 :液晶層2〇之間的第二補償層26。篦一 t ^ Γ °兒’根據第二實施例的液晶顯示裝置所不同於液曰H Ϊ :處在於增設—補償層，亦即第二補償層26。及日日層20具有橢圓率（index ellipsc)i(n2()a，望. 25具有橢圓率25a，第_輔产麻PS〇ld)2〇a，第一補•層於第10圖中。第一補仏層26具有橢圓率26a ’均顯示下其實施例相似者’對應於第1圖中玻璃基板11的物“極C示1面上形成具有互相延伸舊合的凹陷梳狀可避t 3刖：述者’根據第一實施例的液晶顯示裝置具有 Ziff象暈染上色彩的優點。然而，根據第-實施生来2二ί不裝置二卻可能在傾斜角度觀察黑色影像時發 Ί ，導致對比度下降和漸層反轉的問題。第二實 ==!顯示裝置則具有與第二實施例的液晶顯示裝置失二問題：&且可避免上述顯示黑色影像時發生光線散 y第二補償層26具有正值的雙軸光學非等向性，且具有方向延伸的光軸。再者，第二補償層26的先軸係彺液阳層20起始方位角的垂直方向延伸。在第二實施例中，第二補償層26之非等向性折射率△ 2ηΓ之與Λ厚/Λ2之乘積△心㈣1設成約等於液晶層 2〇之非#向性折射率與其厚射之乘積& χ d的四分之〇液晶層20、第一補償層25、和第二補償層26可以任何麵第24頁 2134-2218-PFl.ptc 550419

順序δ又置在第一和苐二極化層1 5和1 6之間。雖然在第二實施例中，第二補償層26係包夾於第一補償層25和液晶層2〇之間，然而，例如第二補償層26也可以是包夾於第二極化層16和第一補償層25之間。第一和第二補償層25和26分別可由複數分離層構成。除此之外，也可以使用由雙軸性雙折射率介質所構成的單層補償層取代第一和第二補償層25和26。此單層補償層即可完成第一和第二補償層25和26提供的雙折射率功能0 根據第10圖所示的液晶顯示裝置，由於視角變換所引起液晶層20表面雙折射率的變化量，被第一補償層託雔射率的變化量所補冑’因此可以有效防止影像晕染上色彩。最展L: ΐ第t補償層25和26分別可由單獨一層或是複數且:所構成。並且，第一和第二補償層25和26可與第一和第二極化層1 5和1 6共同製作或是分開來製作。” 根據本毛明的平面切換式液晶顯示裝置可式、簡單矩陣式、或主動矩陣式液晶顯示裝置中。例子1 (第10 13 ^ 1 弟5A和58圖，係顯示當視角傾斜於 (第10圖中所不第一實施例之平面切換式液晶顯示裝置的) =阳分子之長軸或短軸時，表面雙折射 ”式。第12至19圖分別顯示第一補償層2 ;向十：折射率—與其厚度dF之乘積Μ X dF為67_、i 0?1

2134-2218-PFl.ptc 第25頁 550419 修正案號87117695 _年月日五、發明說明（22) 121nm 、 134nm 、 147nm 、 161nm 、 174nra 、和201nm 時的計算結果。限定液晶層2 0之非等向性折射率Λη與其厚度d之g 積 fnd，使得 ΖΧγηΙχ 2 等於550nm ( Δικίχ 2 = 550·)又。這些。十#都疋假a又液晶層2 0中的液晶分子係在上下基板間^勾地旋轉而做的。比較第1 2至1 9圖與第5 Α和5 Β圖，可知道因視角變換所造成的表面雙折射率變化得到了良好的抑制。也可知道當第一補償層25的AnFx dF乘積數值約等於液晶層2〇之乘^ △ nd的一半時’亦即在約12〇nms16〇nni範圍内時，雙折射率變化很小，顯示第一補償層25運作正常。獲致此一優點的原因在於，（具有正值的非等向性折射率且具有垂直於基板之光學非等向性軸之）第一補償層25的雙折射率在垂直狀況時等於零，但是當光線進入液晶顯示裝置的角度增加時會隨之變化，以消除液晶層2〇的雙折射率變化。又曰例子2 鑑於表面雙折射率如何隨視角變化已說明於例子1，另施行例子2之模擬來評估第丨〇圖所示之平面切換式液晶顯不裝置的光電特性。在該模擬中，一控制曲線 (director profile)，亦即液晶較厚方向（z軸方向）的方位角曲，，係假設平行於基板方向上的電場具有均勻的強度而計算的。基於此一控制曲線，可計算出互相重疊之液晶層2 0和第一補償層2 5的光電特性。第20圖顯示用來計算光電特性之液晶層2〇的控制曲線。液晶的起始方位角係設在距離電場存在方向（必二〇)75 第26頁 2134-2218-PFl.ptc 550419 曰號 87117695 —_年月五、發明說明（23) 度的方位，而液晶胞厚度(1，亦即液晶層2〇的厚度係4· 5 “ m。該控制曲線共計算了〇v、3v、4V、5V、6v、n、8V、 9V、和ιον等條件的結果。根據第2 0圖所示每一電壓條件下所算出的控制曲線，便可以計算出第一補償層25與液晶層2〇之疊層的光電特性。液晶層20的非等向性折射率Δγι等於〇· 〇67，而非等向 f生折射率△ η與液晶層2 〇厚度d的乘積△ n d係等於3 〇 2 n m。第一補償層25的非等向性折射率與其厚度叮的乘積△ nF dF 等於I51nm。、第2 1 A和2 1 β圖繪示色度變化軌跡的模擬結果，係在例子^之液晶顯示裝置中當觀測方向的極化角固定在5〇度，且觀測方向的方位角從〇度到360度變化時所取得者。又 %第2 1 Α圖係顯示在介於明暗狀態之間的中間狀態時色度變化的模擬結果，而第2丨B圖則係顯示明亮狀態下色度變化的模擬結果。第22圖繪示電壓-穿透度特性的模擬結 ^的其係為例子2之液晶顯示裝置在觀測角度變換時所獲比較第21A和21B圖所顯示依據例子2之液晶顯示裝置 2的模擬結果，與第4A和4B圖所顯示傳統液晶顯示裝置所作的模擬結果，由第21 A和21B圖之執跡所定義的色产變化，遠小於由第4A和4B圖之執跡所定義的色度變化。=表 =依據實施例2的液晶顯示裝置可大幅抑制顯示之影、乐上色彩，即使視角有所變換。例子3 第27頁 2134-2218-PFl.ptc 550419

在例子3中，藉施行一模擬評估第丨丨圖所示第二實施例之液晶顯示裝置。、液晶層20的非等向性折射率Δη等於〇· 〇67，而非等向性折射率Δη與液晶層20厚度d的乘積Δη d係等於3〇2nm。第-補償層25的料向性折射率AnF與其厚獅的乘積△ nF dF等於151nm，而第二補償層26的非等向性折射率△ nF2與其厚度丄F2的乘積dF2等於67nm。第23A和23B圖繪示色度變化執跡的模擬結果，係在例子3之液晶顯示裝置中當觀測方向的極化角固定在5〇度，且觀測方向的方位角從〇度到36〇度變化時所取得者。夂第 23A圖係顯示在介於明暗狀態之間的中間狀態時色度變化 =杈擬結果，而第2 1 B圖則係顯示明亮狀態下色度變化的杈擬結果。第24圖繪示電壓-穿透度特性的模擬結果，其係為例子3之液晶顯示裝置在觀測角度變換時所&得的;、比較第23A和23B圖所顯示依據例子3之液晶顯示裝置所作的模擬結果，與第4A和4B圖所顯示傳統液晶顯示裝置所作的模擬結果，由第23A和23B圖之執跡所定義的色度變化，約為第4A和4B圖之軌跡所定義的色度變化的一半二這表示依據實施例3的液晶顯示裝置可大幅抑制顯示之影（上色彩，即使視角有所變換。 ’、並且，如第24圖所示者，的電壓介於0和2V之間），即使生光線散失的問題。此一好處比較第24圖與第22圖，可確證 f顯示黑色影像時（所施加疋在傾斜的視角下也不會發係由第二補償層2 6帶來的。第二補償層26所帶來的好

550419 __案號 87117695_年月日____ 五、發明說明（25) 處，且特別是在<9 obs等於50度且0obs等於120度時。例子4 在例子4中，以第一補償層25的乘積△!!? dF與第二補償層26的乘積dF2在16· 75nm到301· 5nm範圍内每次變化1 6· 75nm的方式施行與例子3同樣的計算。比較所有計算結果中彼此的電壓-穿透度特性，以及色度變化的軌跡’可確認在傾斜角度時的色度變化已獲得充分的抑制，且顯示黑色影像時不發生光線散失的現象，特別是當液晶層20之乘積、第一補償層25之乘積ΔηΙ? χ 、以及第二補償層26之乘積^“2 x dF2具有下列方程式所定義的關係時。 Δη X d ： ΔηΠ x dFl ： AnF2 xdF2 = 1：0.5：0.25 、若第二補償層26之乘積^^2 x dF2係設為小於符合上述方程式所需之乘積AnF 2 x dF2者，則可獲得加強的效果以抑制/色度變化。相反地，若第二補償層26之乘積 ^dF2係叹為大於符合上述方程式所需之乘積X π2 ，則可獲得加強的效果以抑制顯示黑色影像時的光線散矢0 例子5 示裝ΪΓ古所提出的液晶顯示裝置與第11圖所示之液晶顯層25和第-=3造，但卻以單層補償層取代第-補償估。該=。上述的液晶顯示裝置也藉模擬來評相同於第雙軸性雙折射介質所構成’且具有彳員層2 5和2 6共同提供的功能。

550419 -麵 87117Μ1·_年月 a 修正_ 五、發明說明（26) " ^曰曰層20的非等向性折射率Δη等於〇· 〇67，而非等向性折 j率ΔΝ與液晶層2〇厚度d的乘積Δι1 d係等於3〇2nm。包含雙轴性雙折射介質之單層補償層具有由nzF = 1. 512〇7、 nsF-1· 51140、和nf卜丨· 51〇73所定義之主折射率，並且具有厚度為1〇〇。調整相關於主折射率之光軸ns以垂直ς 液晶層2 0的起始方位角。第25Α和25Β圖繪示色度變化執跡的模擬結果，係在例子%之液晶顯示裝置中當觀測方向的極化角固定在μ度，且觀測方向的方位角從〇度到36〇度變化時所取得者。第 25A#圖係顯示在介於明暗狀態之間的中間狀態時色度變化的杈擬結果，而第25Β圖則係顯示明亮狀態下色度變化的模擬結果。第26圖繪示電壓-穿透度特性的模擬結果，其係為例子5之液晶顯示裝置在觀測角度變換時所獲得的。根據實施例5的液晶顯示裝置，可在視角變換時抑制顯示之影像暈染上色彩。並且，當顯示黑色影像時（所施加的電壓介於〇和2 ν之間），即使是在傾斜的視角下也發生光線散失的問題。曰例子6 與第1圖所示習知的平面切換式液晶顯示裝置類似，例子6的平面切換式液晶顯示裝置包括：一對極化層；一對玻璃基板11和丨2 ; —包夾於玻璃基板丨丨和丨2之間的液曰層20 ;和一形成於玻璃基底丨丨上的梳形電極7〇。該梳== 極70具有複數互相嚅合的凹陷梳狀物。 L y “ 液晶層20中的液晶分子21具有75度的起始方位角必

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__案號87117695__年月日 H 五、發明說明（27) LC0，位於玻璃基板1 1和1 2外側的極化板分別具有方位角 0 P為7 5度和0 A為- 1 5度的透光軸。液晶層2 〇的非等向性折射率Δη等於0· 06 7，而非等向性折射率Λη與液晶層2〇尽度d的乘積△ n F係等於3 0 2 n m。梳形電極7 〇之凹陷梳狀物的厚度為3 // m，且彼此以1 0 // m的距離分開。例子6的平面切換式液晶顯示裝置更包括一單層補償層。此一單層補償層具有與例子5中所使用補償層相同的特性。詳言之，該單層補償層由雙軸性雙折射介質所構成丄具有由 nzF = 1.5 1 207、nsF=1.51140、和 nfF = 1:51〇73 :定義之主折射率’並且具有厚度為100/zm。該補償層係二=^基板1 2與上基板1 2外側的極化層中間，藉此使相關於主折射率之光軸ns有-15度的起始方位角。愛”艮广面切換式液晶顯示裝置，即使在顯示 Π的視角觀察也不會發生光線散失，並且在顯不白色影像時避免所顯示的影像例子7 丁工巴杉。在例子7中土助矩陣式液晶顯示尸吓顯不的極化層15和16 ;第一和第二基板，均和第二基板i2之間。包失於第二極化板1

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^第一基板11係一主動距陣式基板，其上表面形成有一薄膜電晶體54、一閘極匯流排線55、一汲極匯流排線56、及一共用匯流排線75。連接至薄膜電晶體54 一汲極的像素電極與連接至共用匯流排線75的共用電極互相結合，藉此形成一具有互相嚅合之凹陷梳狀物的電極對，以對應於一像素。〜第一基板1 2係一濾色基板，在其下表面形成紅（R)、綠（G\、和藍（B)層，以及黑色陣列防止光線通過。第和第一極化板1 5和1 6、液晶層2 〇、及第一補償芦 25具有與例子6者相同的條件。曰、根據例子7的液晶顯示裝置，可在寬廣的視角範圍内避免發生漸層反轉，並避免所顯示的影像暈染上色彩。雖然本發明已以若干較佳實施例揭露如上，本發明所提：的優點在⑨，以補償層的雙折射率變化量消除液晶層的雙折射率變化量，藉此使顯示的影像較少泛彩(less tinged Wlth c〇i〇rs)，即便是在視角變換時。

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Claims

550419 修正六、申請專利範圍 I 修正 I 30 i· 一種平面切換式液晶顯示裝秦龙I為補充 (a )相對且互相分離之第一和第二極化板； .(b )—位於第一和第二極化板之間的液晶層，其藉一平行於基板之電場而改變該液晶層的方位角（〇 r i e n t a t i ο η azimuth); (c) 一位於第一和第二極化板之間的第一補償層，其具有正的單軸性光學非等向性，且具有一延伸垂直於該基板的光軸（〇P t i ca 1 ax i s )，該第一補償層變化自身的雙折射罝（birefringence)，藉此補償因變化視角而造成該液日日層之雙折射量的變動（fluctuati〇n); 其中該第一補償層之非等向性折射率1 ( △ ；F^ZFi^'； nyF1)^^#^Fl^^^AnFlxdFl，乘積^xd的-ί 非寺向性折射率~與其厚度d之 2 ·如申請專利範圍第1項裝置，其中該第一補償層係包括八平面切換式液晶顯示液晶層的兩側。匕分開的兩層，分別位於該 3 ·如申睛專利範圍第丨項裝置’其中該第一補償層係由1之平面切換式液晶顯示 4. 如申請專利範圍第丨蜀—層所構成。裝置，#中該帛—補償層係由述之+面切換式》夜晶顯示 5. 如申請專利範圍第丨項旻數疊層所構成。裝置’其中該第—補償層係蛊迷*之平面切換式液晶顯示合形成。 ^^ ~和第二極化層之一整 2134-2218-PF2.ptc 第33頁

2003. 04. 30. 034 550419

、申請專利範圍 6. 一種平面切換式液晶顯示 ~ (a) 相對且互相分離之第一和^罝，包括：其藉 (b) —位於第一和第二極化^第二極化板；平行於基板之電場而改變今 s 間的液晶層 (C) -位於第-和第二具有正的單軸性光學非等向性， 3的第一補償層，其板的光軸，該第一補償層變化自^具有一延伸垂直於該基因變化視角而造成該液晶層之雔的雙折射量，藉此補償 (d) —位於第一和第二極化^斤射量的變動；以及具有正的單軸性光學非等向性，之間的第二補償層，其板而垂直於該液晶層起始方向的U有-延伸平行於該基其中纟亥弟一補償層之非蓉6 ^ nFl=nZFl-nXFl，nyFl)與其厚二斤射率 Δηη (△ 係實質上等於該液晶層之非#二之乘積AnF 1 x dF 1，乘積^xd的一半；非寺向性折射率&與其厚度d之其中該第二補償層之非等向性折射率 nF2 = nzF2-nxF2, nyF2)^j： m ^ avo ^ ^ 、 ”再；度#2之乘積AnF2 x dF2，係約等於該液晶層之非等向性折射率&與其厚度4之乘積 △ nxd的四分之一。 7 ·如申請專利範圍第6項所述之平面切換式液晶顯示裝置，其中該第一和第二補償層係彼此相鄰設置的。 8 ·如申請專利範圍第6項所述之平面切換式液晶顯示裝置，其中該第二補償層係由位於該第一和第二極化層之間的複數分離層所構成。

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9 ·如申請專利範圍第6項所述之平面切換式液晶顯条 4置，其中該第一補償層係由分別位於该液晶層兩側的、個分離層所構成。兩 1 〇 ·如申請專利範圍第6項所述之平面切換式液晶_广裝置’其中該第一和第二補償層奚少有一個係由單獨〜= 所構成。層士 1 1 ·如申請專利範圍第6項戶斤述之平面切換式液晶顯斤裝置’其中該第一和第二補償層I少有一個係由複數疊' 所構成。 ^ ^ 1 2·如申請專利範圍第6項所述之平面切換式液晶顯示

裝置’其中該第一和第二補償層i少有一個係與該第一和第二極化層之一整合形成。狀1 3 ·如申請專利範圍第6項所述之平面切換式液晶顯示裝置，其中係限定該液晶層之养等向性折射率Δη與其厚度4之乘積Δη X d、該第一補償層之非等向性折射率AnFl 與其厚度dFl之乘積Αηρι x dF1、以及該第二補償層之非專向性折射率△nFZ與其厚度(JF2之乘積，以符合下列方程式（A)。

Anxd ： AnFlxdFl ： AnF2xdF2 ^ 1 ：0·5 1 0 · 2 5 (A) 1 4 ·如申請專利範圍第丨3項所述之平面切換式液晶顯示裝置，包括該乘積x dF2係設成小於符合該方程式 (A)之乘積者。 1 5 ·如申請專利範圍第丨3項所述之肀面切換式液晶顯

2134-2218-PF2.ptc 第35頁 2003. 04. 30. 036 550419 __案號 87117695 __ 年月曰一-_ 六、申請專利範圍示裝置，包括該乘積ΑηΡΖχίΙΡ〗係設成大於符合該方程式 (Α)之乘積者。 1 6 · —種平面切換式液晶顯示裝置，包括： (a) 相對且互相分離之第一和第二極化板； (b) —位於第一和第二極化板之間的液晶層，其藉一平行於基板之電場而改變該液晶層的方位角；以及 (c) 一包含雙軸性雙折射介質（biaxial birefringence medium)的補償層，其垂直於基板的主折射率（principal indices of regracti〇n)大於平行於該基板的主折射率；其中，垂直基板之該補償層之非等向性折射率i (AnF 卜 nzFl-nxF1，nyFl )與其厚度dn 之乘積 AnFi X dFl，係實質上等於該液晶層之非等向性折射率心與度d之乘積Ληχι!的一半。 ’…、

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