TWI282012B - Liquid crystal display of low driving voltage - Google Patents

Description

1282012 九、發明說明： 【發明之領域】 本么月係知:供一種製作具廣視角及低驅動電壓液晶顯示器的 方法。 【背景說明】 液晶顯示器具有外型輕薄、耗電量少以及無輻射污染等特 性，已被廣泛地應用在筆記型電腦(n〇teb〇〇k)、個人數位助理(pDA) 等攜帶式資訊產品上，甚至已有逐漸取代傳統桌上型電腦之crt 監視器的趨勢。液晶分子在不同排列狀態下，對光線具有不同的 偏振或折射效果’液晶顯示器即是液晶分子此鋪性來控制 光線的穿透1，進而使液晶顯示||產生豐富的影像。然而，傳統 液晶顯示H的視角會受到液晶分子結構與光學特性的影響，因此 有必要發展-麵型結翻液晶顯示II，以提供較佳歸的視角。 請參考圖-A與圖-B，圖一A為習知扭轉線狀(論【顏咖， TN)液晶顯示㈣之亮態的示意圖，圖—BV|知扭轉線狀液晶顯 示器ίο之暗態的示意圖。如圖—A所示，f知瓜咖iq包含有一 第-基板12 —第二基板14與第—基板辦行相對、一第一電極 1282012 16設於第一基板12的下方、一第二電極18設於第二基板14的上 方、一弟一偏光片2〇、一第二偏光片（polarizer)22分別設於第一基 板12的上方與弟二基板14的下方、以及複數個具正介電常數非等 向性(positive dielectric constant anisotropy)之液晶分子24填充於第 一基板12與第二基板14之間。第一偏光片2〇的偏振吸收 (polarizating absorption)的吸收軸方向ρ〗係平行於紙面，第二偏光 片22的偏振吸收的吸收軸方向P2係垂直於紙面，而液晶分子以的 排列方向由上至下逐漸由平行於紙面的方向轉換輕直於紙面的 方向。 如圖一A所示，當液晶顯示器1〇的第一電極16與第二電極18 未施加電壓時’液晶分子24未受電場影響而分別與第一偏光片 20、第二偏光片22平行。-光線(未顯示）自下方射人，經由第二偏 光片22而產生偏振，使得垂直紙面的偏振光得以穿過第二基板 14。接著偏振光射入液晶分子24，而產生折射的現象。入射統 隨液晶分子24的排财向，㈣偏振紋收方向由垂直紙面的方 向逐漸轉為平行紙面的方向。最後，偏振光欲透過第—基板η時， 由於偏振光的行進方向與第—偏光㈣的偏振纽收方向平行， 此即為TN-LCD10的亮態。 如圖-B所示’當在第一電極16與第二電極斷間施加一電廢 1282012 時，而在第一基板12與第二基板14之間產生一電場。由於具正介 電系數的正液晶分子其長軸會傾向以平行電場方向26來排列，因 此液晶分子24將會以垂直於第―、第二基仙、14的方向排列。 因此’光線的行進方向與第—偏光板2G垂直，光線無法通過第一- 偏光片20。因此’位於第—基板12上方的觀察者看不到任何光線， 此即為TN-LCD 1 〇的暗態。 為了降低TN-LCD 10的起始電壓(thresh〇ld v〇ltage)，並使液晶| 刀子24更令易叉電場影響而轉動，圖一A中的液晶分子％通常與第 -基板12或第二基板η夾有一預傾角(未顯示）。然而，此種麵角‘ 部造成液晶分子24在暗態時的不對稱，使得觀察者在不同角度所. 看到的光線強度並不相同，使得TN.LCD 1G在顯示時的視角受到 限制。且細科，由於液晶分子24與第—、第二基板12、刚 附著力’實際上僅有第-、第二基板u、刚中央部份的液晶分 子24會與轉至與第―、第二基板12、Μ完全垂直，而鄰近第一、I 第二基板12、14的液晶分子24則會與第―、第二基板12、14保有 -夾角(未顯示）。此外，再一併考慮前述麵角的效應，使暗態時 的液晶分子24並不是如圖二般均勻_，因此暗驗果不佳，對 比下降。此外，TN-LCD 10的視角也因此受到相當大的限制，甚 至有上下視角不同的現象產生。因此，如何能有效降低tn_lcd ι〇 的起始電壓，並使液晶分子24能夠加速働，科加大視角，即 1282012 成為TN-LCD 10必須突破的一大課題。 有不少改善視角的技術已經開發出來，其中之一應用在顯示 器上即為平面扭轉型(IPS，In_plane Switching m〇de)液晶顯示器，其 結構如圖二所示。習知IPS_LCD 5〇包含有一第一基板52、一第二 基板54 ’其與第一基板52平行相對、一第一電極56與一第二電極 58没於第二_54上、一第一偏光片5如與一第二偏光片训分別 :又於第基板52的上方與第二基板54的下方、以及複數個具正介 私㈣非等向性(p〇sltlve dielectric c〇nst_ 卿力之液晶分子 7真充於第-基板52與第二基板54之間。其操作原理可見於美國 專抑8 6綱，25()巾’在此不再贅述。朗平面扭轉型液晶顯示器 雖可枝傳統扭轉型液晶顯示器的視㈣題，但仍無法有效降低 厂、^的啟動電壓。此外’第—電極56與第二電極58均為不透明 金屬電極，將降健晶顯示H的透光率。 t本&明之主要目的在於提供—種具有低鶴龍的平面 扭轉型液晶顯示器。 【电明之詳細說明】 >考圖—圖―為本發明具有低驅動賴之液晶顯示器％ 1282012 的示意圖。如圖二所示，本發明液晶顯示器3〇包含有一具有一第 一表面102之第一基板100以及一具有一第二表面2〇2之第二基板 200 ’第二表面202與第-表面搬平行相對，且第二表面2〇2上係 定義有一像素區域(未顯示）。第一基板1〇〇可為一上基板或一下基 板’相對的，第二基板200即為一下基板或一上基板。在本發明中， 僅介紹第-基板1GG為-上基板’而第二基板2⑻為―下基板的結 構，但是本發明的概念仍可應用在兩基板1〇〇、2⑻上下相反的結 構上。 如圖三所示，第一基板100的第一表面102上設有一第一電極 104，而與弟一表面102相對之另一側的表面則設有一第一偏光片 112。第一基板200的第二表面202上則依序設有一第二電極、一絕 緣層(isolation layer) 206以及一第三電極。第二電極208用來當作像 素(pixel)電極208，且第二電極208係設於第二基板2〇〇之像素區域 中。絕緣層206係平行地設於第二基板200表面並覆蓋於第二電極 208之上。弟二電極210係用來當作下共用(comm〇n)電極21〇，其設 於絕緣層206表面並位於該像素區域中。其中，像素電極2〇8以及 下共用電極210係含有沿第一方向114延伸之近似長條形的第一缺 口（slit)218以及第二缺口216，第一缺口與第二缺口係交錯設置， 因此像素電極208以及下共用電極210在第二基板2〇〇之水平表面 上的投影位置亦呈互相交錯配置。第一電極1〇4、像素電極2〇8以 10 1282012 及下共用電極210均可由一透明導電材料_成，可增加液晶顯示 器的開口率與透光率。此外，第二基板2〇〇上與第二表面逝相對 之另一表面另設有一第二偏光片212。 請參考圖四八與圖灿，其為圖三之液晶顯示器％的上視圖。. 如圖四A所示，第二基板勘上設有複數個第一與第二缺口 2i8、2i6 沿第一方向114各設於像素電極2〇8與下共用電極训之上。第一基 板100與第二基板200之間填充有複數個具負介電常數非等向性| (negatwe dielectric constant anis〇tr〇py)的液晶分子4〇，均勾分散於 第一電極104與下共用電極210之間。 ‘ 當未施加電場時，液晶分子40長轴係沿一第二方向214水平排 列於第-電極104與下制電極21()之間，且第二方向214與第—方 向114之間夾有一夾角0卜其中，第二方向214為第二偏光片212 的偏光吸收方向214，且第一偏光片112的偏光吸收方向為第三方| 向115第一方向115係與第二方向214垂直。此外，液晶顯示器3〇 在第-基板100的第-表面1〇2上或是在第二基板2〇〇的第二表面 202上5又有-開關几件（未顯示），例如一薄膜電晶體卿fihn transistor)，用來控制液晶顯示器3〇的開啟動作。 如圖四A所示，當開關元件未開啟時，亦即第一電極104與像 11 1282012 素電極208之間未施加一電壓而造成任何電場，此時液晶分子係依 第二方向214制’且與第一偏光片112的偏光吸收方向115垂直， 因而造成光線無法通過第一偏光片112，因此觀察者將看不到任何 光線自液晶顯不H3G中射出，此即為液晶顯示器3G的暗態。而且， 由於液晶分子的排列方向完全與第一偏光片112的偏光吸收方向. 115垂直’因此’本發明液晶顯示器在未加電場時所得的暗態為十 分完美(prefec⑽暗態。請再參考圖灿，當開關元件開啟時，液 晶分子受到電場的影響，由原來的第二方向214逐漸轉向至平行第| :缺口2丨8制方向之第—方向114，_造成液晶顯示器的亮 態，詳細的制將在®五巾介紹，在此僅作鱗照比較之用。 請再參考圖邮與圖_，其顯示另—種缺口分布的方式。如 圖四C所示，第二基板勘上設有複數個第一與第二缺口 沿第-方向114各設於像素電獅8與下共料極加之上，同時轨 有複數個第三與第四細19、217沿細方向ιΐ6各設於像素電^ 娜與下制雜⑽之上。當未施加電場時，液晶分糾長輛係 沿第二方向2M水平制於第—電極刚與下共用電極加之間 二方向別與第-方向114之間夾有夾角〜第四方向丨触第二 方向2M之間夾有夾角Θ2。當_耕開啟時，如_所 晶分子受到電場的影響，由原來的第二方向214分別轉向至第 一、第三缺口218、219排列方向之第一、第四方向114、116，因 12 1282012 而造成液晶顯示器的亮態。 此外，第一偏光片m與第二偏光片犯亦可互換，也就是， 未施加電壓時液晶的排列不—定平行第二偏光片犯的偏光吸收 方向214 ’也有可能是以平行第—偏光片ιΐ2的偏光吸收方向⑴來 排列。 明參考圖五’圖五為圖三之液晶顯示腳沿第二方向別的剖 面不思圖’當關兀件被·時，—外加壓降便會存在於第一電 極陶4像素電極之間，而此時第一電極刚與下共用電極則 等電位，故第-電極1G4與像素電極細之間會形成—偏向電場 120。且下共用電極21〇與像素電極之間，會有另一個偏向電場 220產生纟下制電極2_第二缺口 2刪近產生的偏向電場 120會在曰鄰近第二缺口 216附近產生一垂直於第一方向ιΐ4之第一 欠平包❹里12G1，而負液晶分子伽傾向以垂直電場的方向排 列’因此，施加電壓後，鄰近下共用電極21〇之第二缺口2職近 的液晶分子4〇3會由絲的第二方向214逐漸轉向至平行第二缺口 216制方向的第一方向114。再者，鄰近第二缺口216附近也會產 垂直第_基板2〇味面之電場分量⑽h而該電場分量1观均 垂直液晶分子4G之長軸，錄晶分子卿持侧定的平社轉動。 13 1282012 、直此外，偏向電場12()於_第—電刪4處並無水平偏向電場 使鄰近4第-電極1()4之液晶分子4Gi長軸轉在第二方 向2H。所以’介於第1極舰與下共用電極第二缺口加之間的 液晶分子係由第二方向214逐漸轉向至第—方向m，而產生類似 =知技藝中扭轉型(Twist Nematie; TNm晶未施加電壓時的亮 態。也就是，當液晶分子4〇轉向之後，光線由第二偏光片212通過 之後，隨著液晶分子的排列方向，由第二方向214逐漸轉成第一方 向114。由於液晶分子的排列方向已經不是完全垂直第一偏光片的 偏光吸收方向115 ’因此光線可通過第—偏光片112，而到達觀察 者的眼中，此即為液晶顯示器30的亮態。 換句活説，偏向電場12〇會在第一基板1〇〇與第二基板2〇〇之 間，產生-垂直於第-方向114之垂直電場分量蘭，使液晶分子 40維持在固定平面躺，以及-水平電場分#12()2，使液晶分子 40逐漸轉向至平行下共用電極之第二缺口216排列。因此，在加入 下共用(common)電極210時，由於另一個偏向電場22〇同時產生， 該偏向電場220可提供另一水平電場分量(未圖示)來加強使液晶分 子轉動的水平電場分量1202，使接近缺口的液晶分子更容易被轉 動。至於電場220之垂直電場(未顯示)分量，因作用亦為使液晶分 子40維持在固定平面轉動，故在此不做詳細討論與說明。 14 1282012 本發明液晶顯示器30的特點是在第二基板2〇〇的第二表面2〇2 上多加入一個下共用電極210，以較強的橫向電場，推動接近缺口 處的液晶分子，使液晶分子40的轉動更加容易，進而降低液晶顯 示器30的驅動電壓。其次，形成於下共用電極21〇與像素電極2〇8 、 之間的絕緣層206，亦多提供了另一層的隔離保護，以使像素電極 · 208和第-電極1〇4 (亦即第-基板100的共用電極)發生短路的機 會變小。而且，如前所述，形成於液晶顯示器3〇上的第一電極1〇4、 像素電極2〇8以及下共用電極210都是由一透明導電材料所構成(當I 然亦可視液晶顯示器30的導電性需求，而部分選用一非透明材 料）’因此液晶顯示窃30的透光率增大，而像素電極以及下共用. 電極210的尺寸也可相對縮小來增大液晶顯示器3〇的開口率。 _ w參考圖六，圖六為本發明液晶顯示器3〇之第二實施例的剖 面不意圖。前述圖三至圖五之實施例中的上基板1〇〇係為一個平整 的板狀結構，第二實施例則是於第一基板1〇〇的第一表面1〇2上形$ 成複數個突起物122結構。如圖六所示，第一基板1〇〇的第一表面 102上包含有複數個突起物122，複數個突起物122係設置於第一電 極上之訊號線(data line,未顯示）區域内，而第一電極1〇4即全面設 置於第一基板1〇〇上，且覆蓋於突起物122表面，第一電極1〇4會第 二基板200表面的下共用電極21〇相接觸，當於第一電極刚與像素 電極208之間被施加以一電壓降時，第一電極1〇4與下共用電極加 15 1282012 形成等電位。 上述結構設計的優點在於可降低共用訊號延遲(c〇mm〇n signal delay)的現象，也因此可縮小訊號線與下共用電極2ι〇的寬、 度。當下共用電極210寬度縮小時，則開口率可相對增大。同時，_ 第一電極刚上所儲存的靜電荷，可透過第-電極1G4與下共用電 極210的電連接而釋放掉，故可防止靜電放電。此外，由於下共用 電極210與像素電極細十分靠近，故下制電極21()與像素電極| 208之間將存在有一較強的電場22〇，此電場亦包含一個如前一實 _所述之水平電場(未顯示），使得液晶分子4〇加速轉向而成為亮， 態的狀態，減少驅動時的延遲。另外，在此第二實施例中，突起~ 物122的結構更可用來控制第一基板丨〇〇與第二基板2⑻的間隙_ gap)’故可避免習知液晶顯示器中，因使用球形填充物為間距物而 衍生出的水波紋以及漏光等缺點。

I 相較於習知平面扭轉型〉夜晶顯示器(IPS_LCD)，本發明之液晶 顯示器30所需的驅動電壓較小，因此所消耗之電力更少。而且如 圖七所揭路之第二實施例而言，當所有上、下共用電極相連時， =即第:電極刚與下共用電極21〇相連時，下共用電極21〇線寬減· 二’更_小了配線面積，增加開口面積，進而提供一高晝質以及 门速驅動的解决方案，並節省了製造過程巾填充驗和製造導線 16 1282012 的成本。此外，本發明結構中之絕緣層，更可防止電極短路，以 解決螢幕上不正常的亮點問題。 以上所述僅本發明之較佳實酬，凡依本發明申請專利範圍 所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專例之涵蓋範圍。

【圖示之簡單說明】 圖-A與® -B分別為f知扭轉線狀液晶顯示器之亮態與暗 態的示意圖。 圖二為習知平面扭轉魏晶顯示ϋ之結構示意圖。 圖一為本發明具有低驅動電壓之液晶顯示器的示意圖。 圖四八為液晶顯不器之長條型缺口與液晶分子於暗態條件下之 上視圖。 圖四Β為液晶顯抑之長條型缺口與液晶分子於亮態條件下 之上視圖。 圖四C為液晶顯示器之另 件下之上視圖。 圖四D為液晶顯示器之另 件下之上視圖。 一長條型缺口與液晶分子於暗態條 一長條型缺口與液晶分子於亮態條 17 1282012 圖五為圖三之液晶顯示器沿第二方向的剖面示意圖。 圖六為本發明液晶顯示器之第二實施例的剖面示意圖。 【圖示之符號說明】 10、50 液晶顯不裔 12、52第一基板 14、54 第二基板 16、56第一電極 18、58 第二電極 20、53a 第一偏光片 22、53b 第二偏光片 24、57液晶分子 26 電場方向 30 液晶顯不器 100 第一基板 200 第二基板 102 第一表面 202 第二表面 104 第一電極 206 絕緣層 208 像素電極 210 下共用電極 112 第一偏光片 212 第二偏光片 114 第一方向 214 第二方向 216 第二缺口 217 第四缺口 218 第一缺口 219 第三缺口 115 第三方向 122 突起物 120 > 220 偏向電場 121 電場方向 18 1282012 1201 1202 40、401 水平電場分量 垂直電場分量 403 液晶分子

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Claims (1)

1. 修正 年月日> ‘胤2」4 12820网 十1^申諝寻利士圍 一種液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)，其包含有： 一第一基板，其包含有一第一表面； 一第—基板，其包含有一第二表面，該第二表面與該第一基 板之第一表面平行相對，且該第二表面上定義有一像素區域； 一第一電極(electrode)，設於該第一基板之第一表面上； 第一電極，设於該第二基板之像素區域上，且該第二電極 上具有一沿一第一方向延伸之近似長條形的第一缺口(slit); 一絕緣層(isolation layer)，平行地設於該第二基板表面並覆蓋 於该弟二電極之L ; 一第二電極，設於該絕緣層表面並位於該像素區域上方，且 該第三電極上具有-沿該第-方岐伸之近似長條形的第二缺 口，且該第一缺口與該第二缺口交錯設置；以及 複數個負介電常數非等向性(negative dieleetrie ^ustant anisotropy)之液晶分子充填於該第一電極與該第三電極之間，且該 液晶分子長㈣沿-第二方向水平排顺該第—電極與該第三電 極之間，而該第二方向與該第一方向之間具有一第一夾角； 其中當外加—電壓在該第-電極與卿三電極之間時1第 ，電減該第三電極之間會形成—偏向電場，_該偏向電場於 鄰近該第二缺口處具有一第一水平偏向電場分量，且該第一水平 20 ；1282012 偏向電場分量係、垂直於該第一方向 ，而使鄰近該第二缺口之液晶 分子長軸轉向平行該第一方向，（b)而該偏向電場於鄰近該第一電 極處並無水平偏向電場分量，而使鄰近該第一電極之液晶分子長 軸維持在该第二方向，（c)而介於該第一電極與該第二缺口處之間 的液晶分子係由該第二方向逐漸轉向至該第一方向。 2·如中料利範圍第丨項之液晶顯示器，其巾練晶顯示器之第 偏光片，a又置於第一基板之表面上，用以遮蔽一部分欲穿透該 第-基板之光線，以及一第二偏光片，設置於第二基板之表面上， 用以遮蔽一部分欲穿透該第二基板之光線。 3·如申請專利範圍第丨項之液晶顯示器，其中該第二電極係為— 透明之像素電極。 4·如申#專利㈣第1項之液晶顯示器，其中該第三電極係為— 透明之下共用(common)電極。 #' 5.如申請專利範圍第丨項之液晶顯示器，其中該第二電極與該第 三電極之間所產生之橫向電場_來加速推動液晶分子的轉動， 進而降低該液晶顯示器的驅動電壓。 Ϊ282012 =·如申料觀圍幻項之液晶顯示器，射該第二電極與該第 二電極之間的該絕緣層係用來隔離該第二電極與該第三電極，以 避免该第二電極與該第三電極發生短路。 ^如申料利麵第丨項之減顯示^，料含有—突起物設於 該第-基板之第-表面下側，峨鱗1極得城由該且該突 起物來電連接該第三，並使該第—電極無第三雜等電位。 ^如專财魏圍第7項之減顯示||，其巾該第—雜係藉由 該且該突起齡電賴該第三，以敵蝴__)訊號延 遲的時間。 9. 如專利申請範賺奴減顯示器，其巾該第—細系藉由 該且該突_來電連接該第三電極，以縮小該下制電極的寬 度，故開口率可增大。 、 10. 如專利申請範圍第7項之液晶顯示器，其中該第一電極係 該突起物來電連接鱗三電極，_放該第—雜上所儲存料 電荷。 野 11.如專利中凊錢第7項之液晶顯示器，其中該突起物係用來調 22 ：I282012 參 整該第一基板以及該第二基板之基板間隙(cell gap)的大小。 十一、圖式： 23 1282012 七、指定代表圖： 無 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的 化學式：