专利名称：反射式液晶光阀结构的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种应用于投射型显示器(projection display)的反射式液晶光阀(reflective liquid crystal light valve)结构，特别是有关于一种采用特别偏振角度(polarization angle)的液晶光阀结构，而能够降低驱动电压与增加对比。
背景技术：
反射式液晶光阀是经常被使用于前面投射型显示器(front projector)或背面投射型显示器(rear projector)中。由于在高分辨率的投射显示器中，每一像素的尺寸大抵等于液晶层间隙厚度(cell gap)，所以相邻像素之间的边界电场(fringing field)会影响液晶分子方向的定位，因而降低影像对比以及降低显示亮度。因此为了要降低边界电场效应，则必须降低驱动电压来提升影像对比以及显示亮度。
为了要得到低驱动电压，在美国专利第5490003号中，Sprang有揭示一种具有偏光板的反射式液晶显示器，该反射式液晶显示器是采用具有扭转角度(twisted angle)的正介电率异方向性液晶材料，而该偏光板的偏振方向是上述扭转角度的中分线(bisector)。另外，在美国专利第5936697号中，Yang有揭示一种自我补偿扭转向列模式(SCTN mode)的反射式液晶光阀，是采用具有扭转角度的负介电率异方向性液晶材料，其中该反射式液晶光阀的偏光板的偏振方向是上述扭转角度的中分线。在此，吾人可将上述文献技术的效应归类于一种扭转向列型液晶盒的中分线效应(the bisector effect ofa TN cell)。
然而，本案发明是改良现有的中分线效应，而提出能够得到更低驱动电压与高对比的偏光板的偏振方向。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种反射式液晶光阀结构，该结构具有一偏光组件，该偏光组件的偏振方向不同于液晶扭转角度的中分线。
本发明的另一目的，在于提供一种具有低驱动电压的反射式液晶光阀结构。
本发明的再一目的，在于提供一种具有高对比的反射式液晶光阀结构。
为达上述目的，本发明提供一种反射式液晶光阀结构，包括一透明基板，其上具有第一配向方向的一第一配向层；一反射基板，其上具有第二配向方向的一第二配向层，该反射基板是对向于该透明基板，其中该第一配向方向与该第二配向方向之间有一夹角Φ；一扭转向列型液晶材料，填充于该透明基板与该反射基板之间；以及一偏光组件，位于该透明基板外侧而用以提供具有一偏振方向的入射光，其中该第一配向方向与该偏振方向之间有一夹角β，且符合下列关系式Φ/2＜β＜Φ/2+30°或π/2+Φ/2＜β＜π/2+Φ/2+30°。
与现有反射式液晶光阀结构相比较，本发明反射式液晶光阀结构中的偏光组件的偏振方向并不是该第一配向方向与该第二配向方向之间的中分线，而是往该第二配向方向偏移一既定角度。本案发明者等经由许多光学仿真结果，证明本案特征能够使本案液晶光闸得到更低驱动电压与高对比。
图1A是显示采用向列型液晶的反射式液晶光阀的操作原理示意图；图1B是显示本发明的反射式液晶光阀结构的剖面示意图；图2是显示本发明的偏光组件的偏振方向与各配向膜的配向方向的相对定位图；图3A是显示60°TN液晶盒在均匀扭转模式与两层模式下，本征模式1的方位角与残留延迟的关系图；图3B是显示60°TN液晶盒在均匀扭转模式与两层模式下，本征模式2的方位角与残留延迟的关系图；图4A是显示图3A的局部放大图；图4B是显示图3B的局部放大图；图5是显示具有延迟值(dΔn)是350nm的60°TN液晶盒在不同施加电压下的残留延迟曲线图；图6A是显示根据第一实施例条件的60°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图；图6B是显示图6A的局部(即暗态部分)放大图；图7A是显示根据第二实施例条件的57°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图；图7B是显示图7A的局部(即暗态部分)放大图；图8A是显示根据第三实施例条件的55°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图；图8B是显示图8A的局部(即暗态部分)放大图；图9A是显示根据第四实施例条件的50°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图；图9B是显示图9A的局部(即暗态部分)放大图；图10A是显示根据第五实施例条件的45°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图；
图10B是显示图10A的局部(即暗态部分)放大图；图11A是显示根据第六实施例条件的40°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图；图11B是显示图11A的局部(即暗态部分)放大图；图12A是显示根据第七实施例条件的65°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图；图12B是显示图12A的局部(即暗态部分)放大图；图13A是显示根据第八实施例条件的70°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图；以及图13B是显示图13A的局部(即暗态部分)放大图。
符号说明1～前基板；2～后基板；3～第一配向方向；4～第二配向方向；5～向列型液晶材料(液晶层)；6～未偏极化的入射光；7～偏光组件(例如偏光束分离器，PBS)；8～入射的偏极光；9～反射的偏极光；10～投影光；11～玻璃基板；12～透明电极；13～第一配向膜；21～硅基板；22～金属电极；
23～第二配向膜；25～中分线；71～偏光组件7的偏振方向；100～向列型液晶盒。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下以下，本发明的反射式液晶光闸结构设计虽以应用于投射型显示器(projection display)为例，然并非限定本发明的应用范围。
首先，利用图1A与图1B来说明反射式液晶光阀的结构与操作模式。请参阅图1A，一未偏极化的入射光6在经过一偏光束分离器(polarizing beamsplitter，简称PBS)7偏极化与90°反射之后，变成一线性偏极光(linearly-polarized light)8，在此将这线性偏极光8定义为p波(p-wave)8。该入射的p波8会照射在一反射式扭转向列型液晶盒(reflective TN type LC cell)100上。其中该向列型液晶盒100包括一透明的前基板1、一反射的后基板2以及一扭转向列(TN)型液晶材料5夹于前、后基板1、2之间而构成液晶层5。
请参阅图1B，该前基板1例如是包含有一透明电极12的玻璃基板11，在该透明电极12上形成具有第一配向方向3的一第一配向层13。而该后基板2例如是包含有一反射的金属电极22(例如是铝电极)的硅基板21，在该金属电极22上形成具有第二配向方向4的一第二配向层23。还有夹于配向层13、23之间的该扭转向列型液晶材料5例如是正介电率异方性(Δε＞0)液晶分子，而靠近配向层13、23的液晶分子会沿着配向方向3、4而排列着。
请再参阅图1A，当施加于液晶盒100中的两电极12、22的电压低于临界电压(threshold voltage)时，液晶盒100中的扭转向列型液晶材料5就会像图1A中所示般地具有旋光性，所以入射的偏极光8(p波8)就会被液晶盒100反射成线性偏极的反射光9(在此定义成s波)。该s波9的偏振方向是大抵垂直于该p波8。然后，该反射光9(s波)会直接穿越该偏光束分离器7而定义成投影光10的一s波10，而后经过投射镜(projection lens，未图示)而投射在一显示屏幕(screen，未图标)上。上述状态称为反射式液晶光阀的亮态(bright state)。
然而，当施加于液晶盒100中的两电极12、22的外加电压大于一既定电压(在此定义为饱和电压)时，液晶盒100中的扭转向列型液晶材料5便成为一光学等向性介质(optical isotropic medium)而不具旋光性，所以入射的偏极光8(p波8)就会被液晶盒100反射维持相同偏极方向的p波。然后，这反射的p波会被该偏光束分离器7传导至对向于入射光6，因而不能投射在显示屏幕(screen，未图标)上。上述状态称为反射式液晶光阀的暗态(darkstate)。所以，为了要使反射式TN型液晶盒达成高对比的目的，入射的线性偏极状态必须是本征模式(eigenmode)。
接着，发明者要介绍两种不同模式-(1).均匀扭转模式(uniform-twistmodel)与(2).两层模式(two-layer model)来叙述反射式TN型液晶盒中的本征模式(eigenmode)。在本实施例中是以采用正介电率异方性(Δε＞0)液晶分子为例，而位于与基板边界(substrate boundary)处的液晶的预倾角(pretilt angle)通常是小角度(约3～5°)。当上述的外加电压小于临界电压时，该液晶分子是以均匀扭转的排列方式贯穿于液晶盒中。当上述的外加电压大于2倍临界电压时，位于液晶盒中间部分的液晶分子几乎是平行于电场方向来排列。然而，靠近前、后基板1、2表面界面的边界层(boundarylayers)的液晶分子，却由于强的表面固定(surface anchoring)作用而不易随着电场方向排列。所以，可将当外加电压小于临界电压时的TN型液晶称做「均匀扭转模式」，而将当外加电压大于2倍临界电压时的TN型液晶称做「两层模式」。
在上述均匀扭转模式(uniform-twist model)中，对于TN型液晶盒有两种本征模式，而且这两种本征模式都是线性偏极而且互相垂直。这两种本征模式的线性偏极状态的方位角(azimuthal angle)是定义为“θ”，其符合下列关系式tanθ=-cosX±1-(ΓsinX2X)2φsinXX]]>............式(1)其中，Γ＝2πdΔn/λ，Γ是均匀扭转的TN型液晶的相(phase)，X=φ2+(Γ2)2,]]>其中d是液晶层的间隙宽度，Δn是液晶材料的复屈折率(birefringence)，λ是光的波长，Φ是液晶材料的扭转角(即该第一配向方向3与该第二配向方向4之间的夹角Φ)。在本实施例中，将往逆时针方向扭转的角度定义为正角度(亦即往左旋的角度定义为正角度)，将往顺时针方向扭转的角度定义为负角度(亦即往右旋的角度定义为负角度)。例如在图2中所示的第一配向方向3与第二配向方向4之间的夹角Φ是一正角度。还有，图2中的符号25是表示夹角Φ的中分线。
在上述两层模式(two-layer model)中，上述的每一边界层几乎可视为具有残留相位(residual phase)ψ＝2πα/λ的未扭转的单轴层，其中α是每一边界层的延迟值(retardation)。当施加电压变大时，延迟值α就会减少。同样地，在两层模式中，发明者亦发现对于TN型液晶盒有两种本征模式，而且这两种本征模式都是线性偏极而且互相垂直。这两种本征模式的线性偏极状态的方位角(azimuthal angle)是定义为“θ”，其符合下列关系式tanθ=-cosψcosφ±cos2φcos2ψ+sin2φsinφ]]>............式(2)另外，当外加电压居于临界电压与2倍临界电压之间的状态时，由于这状态相当复杂而没有近似值可以推算，但是这状态下的本征模式的方位角是位于上述「均匀扭转模式」与「两层模式」之间。
在此举一例，请参阅图3A、图3B，其显示扭转角Φ是60°的TN液晶盒(以下简称60°TN液晶盒)在上述两种模式下，各本征模式的方位角θ与残留延迟(residual retardation)的关系图。而图4A、图4B是显示图3A、图3B的局部放大图。从该等图可发现，当残留延迟变小时，各本征模式的方位角是逐渐地达到扭转角的中分线25(Φ/2，即30°)或垂直于扭转角的中分线25(π/2+Φ/2，即120°)。这就是现有技术(美国专利第5490003号与第5936697号)能够得到好的暗态的原因。
然而，当施加电压是三倍于临界电压时，现有技术的残留延迟仍然大于0，各本征模式的方位角并不会完全的平行或垂直中分线。图5是显示具有延迟值(dΔn)是350nm的60°TN液晶盒在不同施加电压下的残留延迟曲线。以下各模拟实验中所采用的液晶材料参数是如表1所示。从图5中可发现，即使施加电压是5Vrms时，残留延迟值仍然有50nm。之后再从图4A、图4B中可发现，残留延迟值是50nm时，方位角是比中分线25大0.5°(即30.5°或120.5°)。
表1
由于投射型显示器非常希望降低驱动电压来减少边界电场效应。因为各本征模式的方位角是偏离中分线的方向(或垂直中分线的方向)，所以只要根据所想要的驱动电压来定位(orient)偏光束分离器(PBS)7的偏振方向平行或垂直于TN液晶盒的各本征模式的方位角。在此，提供一例子来说明本发明的观念。假设要在驱动电压3.5Vrms得到好的暗态，从图5中可发现其对应的残留延迟值约是75nm，然后再从图4A、图4B中发现残留延迟值是75nm时的方位角是比中分线约大1.5°(即31.5°或121.5°)。因此，可以得知偏光束分离器(PBS)7的偏振方向71与第一配向方向3之间的夹角β为Φ/2+1.5°或π/2+Φ/2+1.5°，而如图2所示，因此在上述环境下的最佳暗态是发生于驱动电压3.5Vrms。
另外，从图4A、图4B与图5的关联性可以得知，当驱动电压增加时残留延迟值会降低，因而造成各本征模式的相对方位角也跟着改变。所以在此提出一论点，请参阅图1B与图2，若反射式液晶光阀结构要得到高对比与低操作电压，则位于透明基板1外侧而用以提供具有偏振方向71的入射光的偏光组件7(例如PBS)，其中第一配向方向3与偏振方向71之间有一夹角β，必须符合下列关系式Φ/2＜β＜Φ/2+30°或π/2+Φ/2＜β＜π/2+Φ/2+30°。也就是说，本发明特征的偏光组件7的偏振方向71，并不位于配向方向3、4的中分线25。
这里要提醒的是，此处的TN液晶盒是以逆时针方向旋转(即左旋)为例，实际上若采用顺时针旋转的TN液晶盒时，当然必须符合下列关系式-Φ/2＞β＞-Φ/2-30°或π/2-Φ/2＞β＞π/2-Φ/2-30°。
还有，上述所有角度皆以透明基板1上的第一配向方向3为基准，并且以逆时针方向代表正角度方向。
以下提供一些实施例来证明本发明的偏光组件的偏振方向可以达成高对比与低操作电压的目的。
第一实施例第一实施例是采用具有延迟值(dΔn)是350nm的左旋的60°TN液晶盒，并使用绿光(波长λ＝550nm)来进行如图1A所示的液晶光阀结构的仿真实验。图6A是显示根据第一实施例条件的60°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图。图6B是显示图6A的局部(即反射率接近0的暗态部分)放大图。图中的实线β＝Φ/2＝30°是表示现有技术所教导的中分线(bisector)。
因为PBS7具有一有限的消光比(extinction ratio，ER＝1000)，所以整个液晶光阀系统的对比值(CR)会被PBS7的消光比所影响，而CR=1(1/ER)+R,]]>其中R是图中所示的标准化的反射率(normalized reflectante)。例如，当R＝0.00005时，液晶光阀系统的对比值为CR＝1/(0.001+0.00005)＝952∶1。从图6B中可发现，若采用β＝30°的现有技术的话，则操作电压需要5Vrms。在本发明中，由于本发明有将边界层纳入考量，所以本实施例最佳的β角度是31.5°。而且，在此条件下的暗态操作电压是掉至3.5Vrms。这表示本发明只要3.5Vrms的操作电压就能够达到对比值为CR＝952∶1，而比现有需要的操作电压(5Vrms)省能源。
从另一个角度来看，若现有技术采用3.5Vrms的操作电压的话，则现有技术只能够得到对比值为CR＝1/(0.001+0.0012)＝455∶1。因此，可知本发明在3.5Vrms的操作电压下能够达到更高的对比值为CR＝952∶1。
所以证明本发明的偏光组件最佳的偏振角度β＝Φ/2+1～3°，而最好是β＝Φ/2+1.5°。
第二实施例第二实施例是采用具有延迟值(dΔn)是350nm的左旋的57°TN液晶盒，并使用绿光(波长λ＝550nm)来进行如图1A所示的液晶光阀结构的仿真实验。图7A是显示根据第二实施例条件的57°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图。图7B是显示图7A的局部(即暗态部分)放大图。图中的实线β＝Φ/2＝28.5°是表示现有技术所教导的中分线。
从图7B中可发现，若采用操作电压4.8Vrms时的β＝28.5°的现有技术的话，则对比值为CR＝1/(0.001+0.0001)＝909∶1。然而根据本发明将β设定为Φ/2+1.5°＝30°，则操作电压降至3.4Vrms就能得到与现有相同的对比值为(CR＝909∶1)。
第三实施例第三实施例是采用具有延迟值(dΔn)是350nm的左旋的55°TN液晶盒，并使用绿光(波长λ＝550nm)来进行如图1A所示的液晶光阀结构的仿真实验。图8A是显示根据第三实施例条件的55°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图。图8B是显示图8A的局部(即暗态部分)放大图。图中的实线β＝Φ/2＝27.5°是表示现有技术所教导的中分线。
从图8B中可发现，若采用操作电压4.8Vrms时的β＝27.5°的现有技术的话，则对比值为CR＝1/(0.001+0.0001)＝909∶1。然而根据本发明将β设定为Φ/2+1.5°＝29°，则操作电压降至3.4Vrms就能得到与现有相同的对比值为(CR＝909∶1)。
第四实施例第四实施例是采用具有延迟值(dΔn)是350nm的左旋的50°TN液晶盒，并使用绿光(波长λ＝550nm)来进行如图1A所示的液晶光阀结构的仿真实验。图9A是显示根据第四实施例条件的50°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图。图9B是显示图9A的局部(即暗态部分)放大图。图中的实线β＝Φ/2＝25°是表示现有技术所教导的中分线。
从图9B中可发现，若采用操作电压5Vrms时的β＝25°的现有技术的话，则对比值为CR＝1/(0.001+0.0001)＝909∶1。然而根据本发明将β设定为Φ/2+1.5°＝26.5°，则操作电压降至3.4Vrms就能得到与现有相同的对比值为(CR＝909∶1)。
第五实施例第五实施例是采用具有延迟值(dΔn)是355nm的左旋的45°TN液晶盒，并使用绿光(波长入＝550nm)来进行如图1A所示的液晶光阀结构的仿真实验。图10A是显示根据第五实施例条件的45°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图。图10B是显示图10A的局部(即暗态部分)放大图。图中的实线β＝Φ/2＝22.5°是表示现有技术所教导的中分线。
从图10B中可发现，若采用操作电压4.7Vrms时的β＝22.5°的现有技术的话，则对比值为CR＝1/(0.001+0.0002)＝833∶1。然而根据本发明将β设定为Φ/2+1.5°＝24°，则操作电压降至3.4Vrms就能得到与现有相同的对比值为(CR＝833∶1)。
第六～八实施例第六实施例是采用具有延迟值(dΔn)是365nm的左旋的40°TN液晶盒，并使用绿光(波长λ＝550nm)来进行如图1A所示的液晶光阀结构的仿真实验。图11A是显示根据第六实施例条件的40°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图。图11B是显示图11A的局部(即暗态部分)放大图。图中的实线β＝Φ/2＝20°是表示现有技术所教导的中分线。
第七实施例是采用具有延迟值(dΔn)是345nm的左旋的65°TN液晶盒，并使用绿光(波长λ＝550nm)来进行如图1A所示的液晶光阀结构的仿真实验。图12A是显示根据第七实施例条件的65°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图。图12B是显示图12A的局部(即暗态部分)放大图。图中的实线β＝Φ/2＝32.5°是表示现有技术所教导的中分线。
第八实施例是采用具有延迟值(dΔn值)是345nm的左旋的70°TN液晶盒，并使用绿光(波长λ＝550nm)来进行如图1A所示的液晶光阀结构的仿真实验。图13A是显示根据第八实施例条件的70°TN液晶盒在不同施加电压下，采用不同偏振角度β时的全区反射率曲线图。图13B是显示图13A的局部(即暗态部分)放大图。图中的实线β＝Φ/2＝35°是表示现有技术所教导的中分线。
与上述实施例相同般地，根据本发明将β设定为Φ/2+1.5°，则能够以较低的操作电压降来得到与现有相同的对比。从另一个角度来看，若本发明采用与现有一样的操作电压的话，则能够得到更高的对比。
本发明的特征与优点根据本发明所教导的偏光片的偏振角度的设计，藉由使偏光片的偏振方向71偏离TN型液晶盒100的扭转角Φ的中分线25，而使本发明的反射式液晶光阀能在低驱动电压下得到高对比。
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后附的申请专利范围所界定者为准。
权利要求
1.一种反射式液晶光阀结构，包括一透明基板，其上具有第一配向方向的一第一配向层；一反射基板，其上具有第二配向方向的一第二配向层，该反射基板是对向于该透明基板，其中该第一配向方向与该第二配向方向之间有一夹角Ф；一扭转向列型液晶材料，填充于该透明基板与该反射基板之间；以及一偏光组件，位于该透明基板外侧而用以提供具有一偏振方向的入射光，其中该第一配向方向与该偏振方向之间有一夹角β，且符合下列关系式Ф/2＜β＜Ф/2+30°或π/2+Ф/2＜β＜π/2+Ф/2+30°。
2.根据权利要求1所述的反射式液晶光阀结构，其中该夹角β是Ф/2+1～3°。
3.根据权利要求2所述的反射式液晶光阀结构，其中该夹角β是Ф/2+1.5°。
4.根据权利要求1所述的反射式液晶光阀结构，其中该夹角Ф是40～70°。
5.根据权利要求1所述的反射式液晶光阀结构，其中该透明基板是包含有一透明电极的一玻璃基板。
6.根据权利要求5所述的反射式液晶光阀结构，其中该透明电极的材质是铟锡氧化物或铟锌氧化物。
7.根据权利要求1所述的反射式液晶光阀结构，其中该反射基板是包含一金属电极的一硅基板。
8.根据权利要求7所述的反射式液晶光阀结构，其中该金属电极是一铝电极。
9.根据权利要求1所述的反射式液晶光阀结构，其中该扭转向列型液晶材料是正介电率异方性液晶分子。
10.根据权利要求1所述的反射式液晶光阀结构，是应用于一液晶显示投影装置。
全文摘要
本发明提供一种反射式液晶光阀结构，包括一透明基板，其上具有第一配向方向的一第一配向层；一反射基板，其上具有第二配向方向的一第二配向层，反射基板是对向于透明基板，其中第一配向方向与第二配向方向之间有一夹角Φ；一扭转向列型(TN mode)液晶材料，填充于透明基板与反射基板之间；一偏光组件，位于透明基板外侧而用以提供具有一偏振方向的入射光，其中第一配向方向与偏振方向之间有一夹角β，且符合下列关系式Φ/2＜β＜Φ/2+30°或π/2+Φ/2＜β＜π/2+Φ/2+30°。
文档编号G02F1/13GK1696806SQ200410008599
公开日2005年11月16日 申请日期2004年5月13日 优先权日2004年5月13日
发明者朱新羽, 吴诗聪 申请人:统宝光电股份有限公司