专利名称：半穿透式彩色液晶显示器的制作方法
技术领域：
本发明是有关一种彩色液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)，特别是关于一种同时兼具有在反射模式下具有高反射准及在穿透模式下具有高色纯度(color saturation)的显示效果的半穿透式(transflective mod)彩色液晶显示装置。
携带型电子产品，如手机、PDA等，一般都使用半穿透式的液晶显示器。半穿透式的液晶显示器在室内或暗处、可以借由背光增强亮度，在室外或明亮处，则可关掉背光达到省电的效果；更有甚者，在强光下(如艳阳天的阳光下)半穿透式的液晶显示器保持良好的显示效果，但是穿透式的液晶显示器(如目前常见的笔记型电脑)，往往因为亮度不够而黯然失色。半穿透式的液晶显示器，以省电和阳光下的可读性(sun lightreadable)，稳据携带型电子产品的主流显示技术的地位。
对半穿透式的彩色液晶显示器而言，目前习知技术是在反射模式的反射率与色纯度之间取一折衷的平衡点，往往牺牲色纯度来迁就反射率，结果是反射模式的色纯度勉强可以接受，牺牲最大的是穿透模式下的色纯度，无法突破。高阶的携带型产品，如目前的笔记型电脑，甚至因为现今的半穿透式液晶显示器色纯度无法达到使用者的要求，而无法使用半穿透模式来达成阳光下的可读性。
本发明的主要目的，系在提出一种半穿透式彩色液晶显示器，其系在维持高反射率的显示效果的情况下，同时在使用背光的穿透模式下得到高色纯度的效果。
本发明的另一目的，是在提出一种半穿透式彩色液晶显示器，使其穿透模式下的色纯度显示效果，可以不受反射模式反射率的限制，增加设计自由度。
为达到上述的目的，本发明包括一半穿透式液晶显示面板，其至少由一对彼此相对且其间夹置有液晶层的透明基板所组成，并设有一部份穿透及部分反射作用的半反射层；一背光光源，其至少由红色、绿色及蓝色的窄频光源成分所组成；以及一搭配该背光光源的彩色滤光片，设置于该两透明基板之间且于半反射层上方，此彩色滤光板至少由红色、绿色与蓝色的彩色色块所组成，且每一色块各形成有缺口状的吸收带。
由此，本发明的显著效果就是大幅提高彩色滤光片的穿透率，以提高反射模式的反射率，同时以穿透缺口配合窄频光源，可以大幅提高穿透模式的色纯度(也就是扩大色度座标范围)。本发明所提出的半穿透式彩色液晶显示器，其在维持高反射率的显示效果的情况下，亦可在使用背光模式下得到较高色浓度的功效，以得到一种同时具有高亮度及高色浓度的半透式彩色液晶显示器，使其于反射模式及背光模式的下皆可达到较佳的色彩显示效果。
图号说明10、STN彩色液晶显示器 11、上偏光片12、上补偿片 13、扩散层14、上基板 15、透明电极16、配向层 17、液晶层18、配向层 19、透明电极20、彩色滤光片 21、半反射层22、下基板 23、下补偿片24、下偏光片 25、背光组26、背光光源 27、背光导光板28、色块 29、黑框格30、TFT彩色液晶显示器 31、画素驱动元件
40、入射光 41、反射光42、穿透光 51、红色LED52、绿色LED53、蓝色LED61、习知红色色块光谱 62、本发明红色色块光谱63、习知绿色色块光谱 64、本发明绿色色块光谱65、习知蓝色色块光谱 66、本发明蓝色色块光谱71、吸收蓝光LED的缺口 72、吸收绿光LED的缺口73、吸收蓝光LED的缺口 74、吸收红光LED的缺口75、吸收绿光LED的缺口 76、吸收红光LED的缺口81、本发明彩度座标 82、彩色滤光片彩度座标紧邻液晶层17下方为下基板22的配向层18，其下方为下基板22的透明电极19，再下面为彩色滤光片20，负责产生色彩(亦有将彩色滤光片置于液晶层上方的)，其次为一半反射层21(半反射层亦可置于下基板22之下，或者也可以用内含半反射层的下偏光片24)。一部分的入射光40被半反射层21反射为反射光41，半反射层21同时也能让一部分的背光穿透成为穿透光42。下基板22的外表面贴有下补偿片23(非必要、视设计而定)与下偏光片24(有时内含半反射层21)。最下方为背光组25，通常由背光光源26和背光导光板27组成，背光导光板27将背光光源26的光线均匀分布到整个显示区域；亦可将光源直接置于显示面板下方。
图2为半穿透式薄膜电晶体(TFT)彩色液晶显示器30的简单结构示意图，如图所示，除了画素驱动元件31之外，基本的架构与
图1差异不大。由上而下依序为上偏光片11、上补偿片12、扩散层13(散射作用有时亦可置于半反射层、或是置于彩色滤光片的保护层)、上基板14、彩色滤光片20(亦可置于下基板的半反射层之上以避免组合误差)、透明电极15、配向层16、液晶层17(TFT常用的液晶设计与STN不同)、配向层18、透明电极19、半反射层21以及负责驱动个别画素的画素驱动元件31、然后是下基板22、下补偿片23、下偏光片24、最后是背光组25。
其中，在上述背光组25实施例中所使用的背光光源26是采用红色发光二极体(LED)51、绿色LED52及蓝色LED53，如图3所示，为本发明实施例所使用的红、绿及蓝色发光二极体51、52、53所组成的白色背光光源的波长光谱示意图。依本发明的原理，对光源的波长选择并无限制，但以红色、绿色及蓝色三原色为最佳，也要考虑LED元件发光效率与视觉上的亮度效果等等因素。本发明实施例使用红色、绿色、及蓝色三颗常见的发光二极体，波长峰值分别落于红色615奈米(nm)、绿色525nm以及蓝色470nm。
图4A为比较习知技术与本发明实施例所使用的彩色滤光片的红色色块的穿透光谱。习知所使用的彩色滤光片的红色色块的穿透光谱61，在红色波长有高穿透率(平均约85％)，在红色以外的波长也有不低的穿透率(平均约40％)。本发明实施例红色色块的穿透光谱62，大部分可以沿用现有的穿透光谱，只是在绿色及蓝色LED的发光波长处，需要刻意设计的穿透缺口，加强吸收这两颗发光二极体的发光；吸收蓝光的缺口71，波长谷值落于470nm，吸收绿光的缺口72，波长谷值落于525nm。吸收缺口的波长谷值与发光二极体的波长峰值，并不见得要完全一致；尤其是吸收缺口宽度的设计，应该要比LED发光宽度略宽，容许LED发光波长的量产变异范围。
图4B为比较习知技术与本发明实施例所使用的彩色滤光片的绿色色块的穿透光谱。习知所使用的彩色滤光片的绿色色块的穿透光谱63，在绿色波长有高穿透率(平均约83％)，在绿色以外的波长也有不低的穿透率(平均约35％)。本发明实施例绿色色块的穿透光谱64，大部分可以沿用现有的穿透光谱，只是在红色及蓝色LED的发光波长处，需要刻意设计的穿透缺口，加强吸收这两颗发光二极体的发光；吸收红光的缺口74，波长谷值落于615nm，吸收蓝光的缺口73，波长谷值落于470nm。吸收缺口的波长谷值与发光二极体的波长峰值，并不见得要完全一致；尤其是吸收缺口宽度的设计，应该要比LED发光宽度略宽，容许LED发光波长的量产变异范围。
图4C为比较习知技术与本发明实施例所使用的彩色滤光片的蓝色色块的穿透光谱。习知技术所使用的彩色滤光片的蓝色色块的穿透光谱65，在蓝色波长有高穿透率(平均约80％)，在蓝色以外的波长也有不低的穿透率(平均约30％)。本发明实施例蓝色色块的穿透光谱66，大部分可以沿用现有的穿透光谱，只是在红色及绿色LED的发光波长处，需要刻意设计的穿透缺口，加强吸收这两颗发光二极体的发光；吸收红光的缺口76，波长谷值落于615nm，吸收绿光的缺口75，波长谷值落于525nm。吸收缺口的波长谷值与发光二极体的波长峰值，并不见得要完全一致；尤其是吸收缺口宽度的设计，应该要比LED发光宽度略宽，容许LED发光波长的量产变异范围。
图5为本发明与习知技术的彩度座标(CIE色座标)比较示意图，其中该CIE色座标三角形愈大的表示色纯度愈高。虚线的三角形82即为本发明实施例所揭示(图4)的彩色滤光片的彩度座标范围；实线三角形81即为使用本发明实施例所揭示的背光光源(图3)配合实施例所揭示的彩色滤光片(图4)模拟计算的彩度座标范围。由此可知，本发明在穿透模式下增加色纯度的效果显而易见。
由于液晶显示技术是利用液晶作为控制光线状态的媒介，以达到显示效果的一种技术。而随着科技与资讯的进步，人类对丰富色彩的需求，越来越显得不可或缺，为了能显示丰富的色彩讯息，彩色滤光片(ColorFilter)广泛地使用于彩色液晶显示器上，无论是被动矩阵的STN或是主动矩阵的TFT LCD，彩色显示器的主流技术都是使用彩色滤光片来产生各种颜色。彩色滤光片基本上是由许多红绿蓝三原色的小区块排列组成，如图1及图2的色块28，虽非必要，有时用黑框格29将色块28隔开、提高对比；彩色滤光片是借由吸收不想要的波长来产生想要的颜色红色区块吸收其他波长、只让红色光穿透；绿色区块吸收其他波长、只让绿色光穿透；蓝色区块吸收其他波长，只让蓝色光穿透。每一个小色块28由一个专属的液晶画素来控制穿透率穿透率愈高，该原色的贡献就愈强；由红绿蓝三原色的各种强度的组合，借由眼睛的加成性混色效果，就使我们看到各种颜色的显示。小色块的排列一般有直条状(stripe，如电脑液晶显示器)与马赛克(mosaic，又称delta排列，如数字相机的液晶显示器)两种；习惯上，在直条状排列时我们将红绿蓝三原色一组称为一个画素，而每个小色块称为色点(color dot)。
由于半穿透式的液晶显示器以省电和阳光下的可读性(sun lightreadable)，所以稳据携带型电子产品的主流显示技术的地位。半穿透式彩色液晶显示器具有两种工作模式穿透模式与反射模式。穿透模式为了配合反射模式的光学设计，在半反射层的下方必须使用补偿片，除此之外与一般穿透式液晶显示器的原理相似；当然，其穿透率会受半反射层的影响而降低；在反射模式下，光线经过第一片偏光片与补偿片后，穿过液晶层，再经过彩色滤光片的色块后，部分光线被半反射层反射回来，反射光光线经过同样的彩色滤光月色块、液晶层、补偿片，最后经由第一片偏光片选择作用，只有部分的光线能穿透，其穿透率一样还是被电压、经由液晶分子方向的改变、达到控制明暗的显示功能，光学上的设计虽有不同，基本原理还是一样的。
在反射模式下，因为彩色滤光片的吸收，反射率很低(光线的使用效率很低)，为了提高显示器的反射率，必须提高彩色滤光片的穿透率。而提高彩色滤光片穿透率的方法就是减少对本来不想要穿透的波长的吸收，这样一来色纯度就会降低。换言之，为了提高显示器的反射率，必须刻意降低彩色滤光片的色纯度。彩色滤光片的色纯度降低了，半穿透式彩色液晶显示器的色纯度当然也就降低了，尤有甚者，因为在反射模式下，光线经过彩色滤光片两次，色纯度还差强人意；但是在穿透模式下，光线只经过彩色滤光片一次，色纯度就更差了。
半穿透式的彩色液晶显示器，习知技术即是在反射模式的反射率与色纯度之间取一折衷的平衡点，往往牺牲色纯度来迁就反射率，结果是反射模式的色纯度勉强可以接受，牺牲最大的是穿透模式下的色纯度，无法突破。本发明即在针对上述的缺失，提出一种可以同时兼顾高反射率及穿透模式下的高色纯度的显示效果的半穿透式彩色液晶显示器。
本发明沿用现今的彩色液晶显示器的机构架构与液晶光学设计，创新的地方在于(1)背光光源的组成光谱以及(2)彩色滤光片的穿透光谱，且任何使用背光与彩色滤光片的彩色液晶显示器皆可适用的。
为求解释清楚，以下使用较具体的实例说明。
(1)背光光源的组成光谱—一窄频组合光源可见光的波长大约在400到750nm之间，习知的白色背光光源，都竭尽所能地将光谱做成均匀分布。可是反过来说，窄频光源的色纯度却是最高的；除紫色区之外，整个ICE色座标的边界就是由单频光源所定义的最纯颜色的极限。本发明所使用的背光光源就是由数个窄频光源所组成，譬如普通LCD的色纯度已经是相当高的，本发明是选用红、绿、蓝三颗LED，调整适当的相对强度组成白色光源(参图3所示)。这样的光源配上现今的彩色滤光片，效果其实并不显著；因为，仅是如此，并无法让任何一个单色光源有单独显现的机会。
(2)彩色滤光片的穿透光谱—一含窄频吸收的彩色滤光片为使任何一个单色光源皆有单独显现的机会，彩色滤光片的穿透光谱必须配合修改。以红、绿、蓝三颗LED的光源为例，当欲显示纯红色时，LCD将通过蓝色与绿色色块的光线阻绝，只有对应于红色色块的LCD画素是穿透的。但问题是彩色滤光片的红色色块容许95％的红色LED的红光通过的同时，也对绿色与蓝色LED的绿光与蓝光有大约30％的穿透率。然而此举将使很纯的红色LED的红光被绿光与蓝光冲淡了，而在本发明之中，因为冲淡红光的绿光与蓝光是两个窄频光源，所以只要修改彩色滤光片的红色色块的光谱，使其针对绿光与蓝光LED的波长加强吸收，如将穿透率降至5％以下。因为本发明中使用的是窄频光源，只对特定波长吸收，也只需要在特定波长做窄频吸收。窄频吸收在彩色滤光片的穿透光谱上造成缺口状的吸收带，对彩色滤光片整体的穿透率，影响不大，换句话说，穿透模式下的色纯度大幅提升的同时，还能保持反射模式下的高反射率。
上面所述仅就红色光谱举例说明，依此可以类推为了要能够显示高纯度的绿色，所以必须修改彩色滤光片的绿色色块的光谱，使其针对红光与蓝光LED的波长加强吸收。同理，为了要能够显示高纯度的蓝色，所以必须修改彩色滤光片的蓝色色块的光谱，使其针对红光与绿光LED的波长加强吸收。
以更具体的实施例来说，在图3中，本发明所使用的红、绿、蓝三颗LED的波长分别为470、525、615nm，都是常见的LED波长。至于彩色滤光片的部分，也以现有的彩色滤光片的穿透光谱为出发点，为了方便说明，我们仅做必要的修改。图4A的虚线为习知技术红色色块的穿透光谱61，本发明将穿透光谱作一修改使得红色色块对绿色与蓝色LED加强选择性吸收，穿透光谱成为图4A的实线62所示，穿透光谱在绿色与蓝色呈缺口状71、72，波长谷值分别落于470与525nm，也就是彩色与蓝色LED发光光谱的波长峰值。其实，吸收的谷值并不需要刚好落在LED的峰值上，只要能对绿色与蓝色LED加强吸收，就能获得增强红色色纯度的功效。
同理，图4B的虚线为习知技术绿色色块的穿透光谱63，本发明将穿透光谱作一修改使得绿色色块对红色与蓝色LED加强选择性吸收，穿透光谱为图4B的实线64所示，穿透光谱在蓝色与红色呈缺口状73、74，波长谷值分别落于470与615nm，也就是蓝色与红色LED发光光谱的波长峰值。当然，吸收的谷值并不需要刚好落在LED的峰值上，只要能对蓝色与红色LED加强吸收，就能获得增强绿色色纯度的功效。图4C的虚线为习知技术蓝色色块的穿透光谱65，本发明将穿透光谱作一修改使得蓝色色块对红色与绿色LED加强选择性吸收，穿透光谱为图4C的实线66所示，穿透光谱在绿色与红色呈缺口状75、76，波长谷值分别落于525与615nm，也就是绿色与红色LED发光光谱的波长峰值。同样的，吸收的谷值并不需要刚好落在LED的峰值上，只要能对红色与绿色LED加强吸收，就能获得增强蓝色色纯度的功效。
图5的虚线三角形82为上述本发明彩色滤光片在D65标准光源下的色度座标示意图，图5的实线三角形81为同样的彩色滤光片配合上述红、绿、蓝三颗LED的背光光源之后的色度座标示意图，由此即可清楚看出本发明增强色纯度的效果。此外，上述实施例中彩色滤光片的光谱，以现有的彩色滤光片的穿透光谱为出发点，为了方便说明，本发明仅做必要的修改；实际上彩色滤光片还可以再作更多修改，达到更显著的效果。特别地是，本发明可以在保持吸收缺口的条件下，增高各个色块的平均穿透率，其效果是提高彩色滤光片的穿透率，同时也会缩小虚线三角形的范围，这也就是习知的穿透率与色纯度的择衷妥协，如果是用习知技术，在穿透模式下的色纯度也就被妥协降低了，但是本发明却能保持实线三角形的范围不变。
换言之，本发明能将彩色滤光片本身的色度座标与穿透模式下的色度座标独立设计。穿透模式下的色度座标的设计，是窄频光源与彩色滤光片穿透缺口来决定的；反射模式下的色度座标的设计，是由彩色滤光片本身的色度座标与穿透率的择衷妥协来决定的，穿透缺口因为是对窄频光源的选择性吸收，对整体的色度座标与穿透率，影响很小，不会造成真正的限制。本发明主要目的就是大幅提高彩色滤光片的穿透率，以提高反射模式的反射率，同时以穿透缺口配合窄频光源，可以大幅提高穿透模式的色纯度(也就是扩大色度座标范围)。
因此，本发明所提出的半穿透式彩色液晶显示器，其在维持高反射率的显示效果的情况下，亦可在使用背光模式下得到较高色浓度的功效，以得到一种同时具有高亮度及高色浓度的半透式彩色液晶显示器，使其于反射模式及背光模式的下皆可达到较佳的色彩显示效果。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。
权利要求
1.一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于包括一半穿透式液晶显示面板，至少由一对彼此相对且其间夹置有液晶层的透明基板所组成，并设有一部份穿透及部分反射作用的半反射层；一背光光源，在可见光区域内的光谱的主要构成成分，至少由分别为红色、绿色与蓝色的窄频光源成分所组成，其中(a)该红色的窄频光源成分的波长峰值落在590-750奈米之间、波长半高全宽(Wr)小于80奈米；(b)该绿色的窄频光源成分的波长峰值落在500-560奈米之间、波长半高全宽(Wg)小于80奈米；及(c)该蓝色的窄频光源成分的波长峰值落在400-480奈米之间、波长半高全宽(Wb)小于80奈米；以及一搭配该背光光源的彩色滤光片，设置于该两透明基板之间，且于该半反射层上方，至少由分别为红色、绿色与蓝色的彩色色块所组成，其中(a)该红色色块的穿透光谱在红色波长区域的平均穿透率至少为80％，对其他可见光波长的平均穿透率为Rr，Rr＞20％，且对该绿色与蓝色窄频光源成分呈选择性吸收，使得红色色块对绿色与蓝色窄频光源成分的透过率分别不超过(0.75×Rr)；(b)该绿色色块的穿透光谱在绿色波长区域的平均穿透率至少为80％，对其他可见光波长的平均穿透率为Rg，Rg＞20％，且对该红色与蓝色窄频光源成分呈选择性吸收，使得绿色色块对红色与蓝色窄频光源成分的透过率分别不超过(0.75×Rg)；及(c)该蓝色色块的穿透光谱在蓝色波长区域的平均穿透率至少为80％，对其他可见光波长的平均穿透率为Rb，Rb＞20％，且对该绿色与红色窄频光源成分呈选择性吸收，使得蓝色色块对绿色与红色窄频光源成分的透过率分别不超过(0.75×Rb)。
2.根据权利要求1所述的一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于该液晶显示面板的至少一片透明基板上，设有用以驱动个别画素的二极体或场效应电晶体元件。
3.根据权利要求1所述的一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于该液晶显示面板使用超扭绞丝状(STN)模式，并以多工扫描的方式驱动；及该液晶显示面板另可使用扭绞丝状(TN)模式。
4.根据权利要求1所述的一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于该背光光源经组合成为白色，其CIE色座标(x，y)满足下列公式(x-0.316)^2+(y-0.320)^2＜(0.08)^2。
5.根据权利要求1所述的一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于该背光光源选自发光二极体、有机发光二极体、冷阴极萤光发光装置及电致发光装置(EL electro-luminescence)所组成的群组。
6.根据权利要求1所述的一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于该半反射层位于该液晶层与其下方透明基板之间；以及该半反射层亦可设置于该下方透明基板之下。
7.根据权利要求1所述的一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于该背光光源的主要构成成分的75％以上由红色、绿色及蓝色的窄频光源所组成。
8.根据权利要求1所述的一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于该红色波长区域的波长在600-700奈米之间，而该其他可见光波长在400-580奈米之间。
9.根据权利要求1所述的一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于该绿色波长区域的波长在500-570奈米之间，而该其他可见光波长在400-480奈米之间以及580-700奈米之间。
10.根据权利要求1所述的一种半穿透式彩色液晶显示器，其特征在于该蓝色波长区域的波长在430-490奈米之间，而该其他可见光波长在500-700奈米之间。
全文摘要
本发明揭露一种半穿透式彩色液晶显示器，其白色背光源采用数个窄频宽的单色光源组合而成，而用以显示色彩的彩色滤光片配合各该单色光源的波长设计，使各该彩色滤光片得以对该色的单色光源穿透、同时对其他色的单色光源的波长做选择性吸收；本发明可在维持高反射率的同时，也在使用背光时得到高色纯度的效果。
文档编号G02F1/1335GK1435716SQ0210326
公开日2003年8月13日 申请日期2002年2月1日 优先权日2002年2月1日
发明者张平, 林昶伸 申请人:凌巨科技股份有限公司