专利名称：垂直配向彩色液晶显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及彩色液晶显示器。
背景技术：
彩色液晶显示器(LCD)通常的制造方法是在独立的像素上安装滤色器。这些滤色器是具有彩色色素的树脂。通过红、绿、蓝三原色的组合可制造全彩色的显示器。这种配色方案是目前在主动式矩阵(active matrix)液晶显示器及被动式矩阵(passive matrix)液晶显示器中使用的主要技术。这样可以产生出许多颜色。
在许多应用场合中，使用几种颜色就已足够，而无需显示全部的颜色。在无需显示全部颜色的低价产品中更是如此。目前已有一些无需应用滤色器即可生成彩色效果的方案。无需滤色器就可产生出色彩的优点很多，最重要的是费用低廉，易于制造。山口(Yamaguchi)等及杨等人首先提出了在液晶显示器中增加双折射薄膜(birefringent film)来产生色彩的方法。双折射彩色(birefringence color)是由于液晶单元透射的干涉效应(interference effect)和色散效应(dispersion effect)形成的。人们大部分的注意力都集中于扭曲角(twist angle)超过180°的超扭曲(supertwisted nematic，STN)液晶显示器，但仍有必要针对较小的扭曲角开发类似的技术。
发明内容
本发明，至少是其优选的形式，可以在低扭曲液晶显示器中应用垂直配向(vertically aligned)液晶单元以取得鲜明的色彩而无需使用滤色镜。垂直配向可使液晶显示器在无电压的情况下也很明亮。它也可根据偏振角(polarizer angle)而产生颜色。施以外加电压，显示器就可显示不同的颜色。在仅需几种颜色而无灰度要求的情况下，这种显示器有很多的用途。例如在可改变颜色、进行电子游戏的钟表中进行应用。本发明既可以是反射式，也可以是透反射式的，而且易于制造。
这里，通过举例并参考附图的形式对本发明的几个实施例进行说明，其中图1是透射式液晶显示器单元(transmittive LCD cell)的示意图，图2是透反射式液晶显示器单元(transflective LCD cell)的示意图，图3是反射式液晶显示器单元(reflective LCD cell)的示意图，图4是液晶显示器单元投射在x-y平面上的各个方向和矢量的示意图，图5所示为本发明的第一个和第三个优选的实施例的透射光谱，图6所示为本发明的第二个和第四个优选的实施例的透射光谱。
具体实施例方式
液晶显示器包括液晶层3和前偏振片1。液晶层固定于两片玻璃2和4之间。具有导电性能的透明电极，配向层及其它制造显示器所必要的薄层都位于这些玻璃上。对于透射式显示器，如图1所示，增加一个后偏振片5。对于透反射式显示器，还需如图2所示，增加漫反射片6。对于单偏振片的反射式显示器，如图3所示，去除后偏振片5。这时就必须应用一个不产生任何消偏振作用的特殊的反射片7。
液晶显示器的透射性能或反射性能完全由以下因素决定输入偏振角(input polarizer angle)α，液晶单元间隙(cell gap)d-双折射率(birefringence)Δn的乘积dΔn，液晶的扭曲角(twist angle)φ和输出偏振角(output polarizer angle)γ。所有这些角度都是相对于液晶单元的输入取向而测得，后者定义为x轴。图4中显示了液晶单元内部的各个方向。扭曲角φ为输入取向和输出取向间的夹角。输入偏振片和输出偏振片相对于输入取向成某一角度。
在无偏压v＝0时，通过改变数据集合(α，γ，φ，dΔn)就能在显示器上显示出任何颜色。只需通过计算琼斯矩阵(Jones matrix)就能给出透射光谱
这里 以及A=cosφcosχ+φχsinφsinχ---(3)]]>B=δχcosφsinχ---(4)]]>C=sinφcosχ-φχcosφsinχ---(5)]]>D=δχsinφsinχ---(6)]]>以及x＝(δ2+φ2)1/2(7)δ＝πdΔn/λ (8)Δn＝ne(θ)-no(9)这里λ是波长。
为了在液晶显示器上显示颜色，需要将液晶显示器的透射光谱或反射光谱作为液晶单元外加电压的函数进行计算。这就需要对欧拉-拉格朗日方程(Euler-Lagrange equation)进行求解以计算出液晶取向排列的变形2k1θ··+dk1(θ)dθθ·2-dk2(θ)dθφ·2-dk3dθφ·-D2ddθ(1ϵZZ(θ))=0]]> 这里θ和φ为定义液晶分子取向的角度，而D按以下方程与液晶显示器外加电压V相关V=-D∫0ddzϵzz(θ(z))]]>为了无需应用滤色器就能保持液晶显示器的状态以获得最佳的色彩和对比度，需要对液晶显示器的活动作大量的计算。最重要的一类液晶显示器是垂直配向的VAN模式。这种模式的特性是，当无外加电压时，液晶单元的延迟很少或没有延迟，这样，如能将输入偏振片和输出偏振片进行适当的配向，液晶就会很亮。同样，也可通过适当地调整偏振角，以选择液晶显示器的背景颜色。
在最优化过程中，将液晶配向的变形作为外加电压的函数进行计算。然后，将透射光谱作为外加电压的函数进行计算。结果用其颜色表达。最终，就可记录到几种模式，在这些模式下就可清晰地显示作为外加电压函数的颜色变化。
对于单偏振片的反射式显示器，反射率为 这里变换矩阵R为 与透射式显示器一样，可采用改变(α，φ，dΔn)以找到最佳颜色的最适组合这一同样的流程。对于反射式显示器，因为减少了一个变量，寻找的过程更加简单。有关(α，φ，dΔn)的所有新的组合均作为我们的发明记录于此。
在本发明优选的实施例中，为透射式显示器提供了(α，γ，φ，dΔn)的几种组合，同样为反射式显示器提供了(α，φ，dΔn)的几种组合。这些组合可为液晶显示器提供颜色而无需任何滤色器。这些颜色可通过向液晶单元施加适当的电压而进行调节。
优选的实施例是无需应用滤色器而能显示鲜明颜色的液晶显示器的(α，γ，φ，dΔn)数值。在本发明的这些实施例中，液晶具有负的各向异性且垂直配向，这样当受到一定外加电压时，双折射率增加。然而，对涂布于玻璃2和4上的配向层进行处理，液晶层3会出现一定程度的预倾。预倾角使液晶分子的配向出现一个82°-88°的角度，而不是垂直的90°。另外，预倾使液晶分子在水平面上有一定的方向。当具有负的各向异性的液晶受到某一外加电压时，这种预倾的方向决定了扭曲角一般的规律是 γ～αφ可为任意值dΔn～1.9μm这里，N可为-1，0或1。
在本发明的第一个优选的实施例中，扭曲角设为5°。偏振角设为45°。将透射光谱作为外加电压的函数对该显示器进行计算。图5显示了该第一个优选的实施例的透射光谱。在该图中，将外加电压与该显示器显现的颜色一同显示。同时也一同显示了CIE颜色坐标。可以看到能获得多种颜色。显示器的背景是白色或灰色。因而本显示器的对比度很好。
在本发明的第二个优选的实施例中，扭曲角设为90°。偏振角设为0°。图6显示了该第二个优选的实施例的透射光谱。将透射光谱作为外加电压的函数对该显示器进行计算。在该图中，将外加电压与该显示器显现的颜色一同显示。同时也一同显示了CIE颜色坐标。可以看到能获得多种颜色。显示器的背景是白色或灰色。因而本显示器的对比度很好。
在本发明的第三个优选的实施例中，该显示器是反射式的，且只具有一个偏振片。设置如图4所示。除了液晶单元间隙-双折射率的乘积减小一半，为0.95μm以外，各个参数的数值与第一个优选的实施例相同。除了因液晶间隙较小，外加电压应该略小以外，与第一个实施例的情况相类似，将输出光谱作为外加电压的函数。
在本发明的第四个优选的实施例中，该显示器是反射式的，且只具有一个偏振片。设置如图4所示。除了液晶单元间隙-双折射率的乘积减小一半，为0.95μm以外，各个参数的数值与第二个优选的实施例相同。除了因液晶间隙较小，外加电压应该略小以外，与第一个实施例的情况相类似，将输出光谱作为外加电压的函数。
权利要求
1.一种液晶显示器，其包括一个输入偏振片，一个输出偏振片，和一个位于上述的输入偏振片和输出偏振片之间的液晶单元，其特征在于液晶的扭曲角，单元厚度和双折射率，使其满足以下条件1)液晶具有负的介电各向异性，2)在电压为零时，液晶的配向主要为垂直方向的，且与液晶单元相垂直，3)液晶单元经过处理，这样，靠近单元表面的液晶分子有一个偏离垂直方向的预倾角，因而在液晶单元平面(x-y平面)上存在一个矢量分量，4)在x-y平面上观察，液晶分子的上述预倾角产生一个优选的扭曲角，其值为φ，这里φ可为任意值，5)在x-y平面上，相对于上述液晶单元的输入取向的倾斜方向，输入偏振角α的值为ξ-φ/2+Nπ/2，这里ξ取值为35°和55°之间，且N取值为-1，0或1，6)在x-y平面上，输出偏振角γ的取值为α-10°和α+10°之间，及7)液晶单元间隙d和双折射率Δn的乘积的取值为1.0和2.2微米之间。
2.一种液晶显示器，其包括一个输入偏振片，一个输出偏振片，和一个位于上述的输入偏振片和输出偏振片之间的液晶单元，其特征在于液晶的扭曲角，单元厚度和双折射率，使其满足以下条件1)液晶具有负的介电各向异性，2)在电压为零时，液晶的配向主要为垂直方向的，且与液晶单元相垂直，3)液晶单元经过处理，这样，靠近单元表面的液晶分子有一个偏离垂直方向的预倾角，因而在液晶单元平面(x-y平面)上存在一个矢量分量，4)在x-y平面上观察，液晶分子的上述预倾角产生一个优选的扭曲角，其值小于45°，5)在x-y平面上，相对于上述液晶单元的输入取向的倾斜方向，输入偏振角α的取值为35°和55°之间，6)在x-y平面上，相对于上述液晶单元的输入取向的倾斜方向，输出偏振角γ的取值为35°和55°之间，及7)液晶单元间隙d和双折射率Δn的乘积的取值为1.0和2.2微米之间。
3.如权利要求2所述的液晶显示器，其中扭曲角取值为-10°和10°之间。
4.一种液晶显示器，其包括一个输入偏振片，一个输出偏振片，和一个位于上述的输入偏振片和输出偏振片之间的液晶单元，其特征在于液晶的扭曲角，单元厚度和双折射率，使其满足以下条件1)液晶具有负的介电各向异性，2)在电压为零时，液晶的配向主要为垂直方向的，且与液晶单元相垂直，3)液晶单元经过处理，这样，靠近单元表面的液晶分子有一个偏离垂直方向的预倾角，因而在液晶单元平面(x-y平面)上存在一个矢量分量，4)在x-y平面上观察，液晶分子的预倾角产生一个优选的扭曲角，其值大于45°，5)在x-y平面上，相对于上述液晶单元的输入取向的倾斜方向，输入偏振角α的取值为-10°和10°之间，6)在x-y平面上，相对于上述液晶单元的输入取向的倾斜方向，输出偏振角γ的取值为-10°和10°之间，及7)液晶单元间隙d和双折射率Δn的乘积的取值为1.0和2.2微米之间。
5.如权利要求4所述的液晶显示器，其中扭曲角取值为80°和100°之间。
6.一种液晶显示器，其包括一个输入偏振片，一个后反射片，和一个位于上述的输入偏振片和后反射片之间的液晶单元，其特征在于液晶的扭曲角，单元厚度和双折射率，使其满足以下条件1)所用的液晶具有负的介电各向异性，2)在电压为零时，液晶的配向主要为垂直方向的，且与液晶单元相垂直，3)液晶单元经过处理，这样，靠近单元表面的液晶分子有一个偏离垂直方向的预倾角，因而在液晶单元平面(x-y平面)上存在一个矢量分量，4)在x-y平面上观察，液晶分子的预倾角产生一个优选的扭曲角，其值小于45°，5)在x-y平面上，相对于上述液晶单元的输入取向的倾斜方向，输入偏振角α的取值为35°和55°之间，及6)液晶单元间隙d和双折射率Δn的乘积的取值为0.5和1.1微米之间。
7.如权利要求6所述的液晶显示器，其中扭曲角取值为-10°和10°之间。
8.一种液晶显示器，其包括一个输入偏振片，一个后反射片，和一个位于上述的输入偏振片和后反射片之间的液晶单元，其特征在于液晶的扭曲角，单元厚度和双折射率，使其满足以下条件1)所用的液晶具有负的介电各向异性，2)在电压为零时，液晶的配向主要为垂直方向的，且与液晶单元相垂直，3)液晶单元经过处理，这样，靠近单元表面的液晶分子有一个偏离垂直方向的预倾角，因而在液晶单元平面(x-y平面)上存在一个矢量分量，4)在x-y平面上观察，液晶分子的预倾角产生一个优选的扭曲角，其值大于45°，5)在x-y平面上，相对于上述液晶单元的输入取向的倾斜方向，输入偏振角α的取值为-10°和10°之间，及6)液晶单元间隙d和双折射率Δn的乘积的取值为0.5和1.1微米之间。
9.如权利要求8所述的液晶显示器，其中扭曲角取值为80°和100°之间。
全文摘要
本发明涉及无需应用滤色器的彩色液晶显示器。通过使用垂直配向的液晶显示单元，就有可能将颜色作为工作电压的函数，而在显示器上显示鲜明的颜色，并具有明亮的灰色或其它颜色的背景。
文档编号G02F1/139GK1621911SQ200410047929
公开日2005年6月1日 申请日期2004年6月9日 优先权日2003年11月28日
发明者郭海成, 于兴杰 申请人:香港科技大学