视角补偿片及其制造方法和由其构成的显示装置

摘要

本发明公开了视角补偿片及其制造方法和由其构成的显示装置。视角补偿片具有第一保护膜、偏振膜、第二保护膜和液晶层。在该第一保护膜上形成该偏振膜，并在该偏振膜上形成该第二保护膜。在该第二保护膜上形成该液晶层。该第二保护膜具有基本上与该第一保护膜相同的热膨胀和收缩率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种视角补偿片和含有该补偿片的液晶显示板。

背景技术

液晶显示器在使用中具有优于阴极射线管型显示器的宽幅收视范围。液晶显示器以低电压和低功耗工作，具有很轻的重量和很小的物理尺寸，并且液晶显示器的工作电路和周边电路相对简单。常规液晶显示器的例子有吸收型或散射型液晶显示装置，如宾主液晶显示装置、聚合物扩散的液晶(PDLC)显示装置或聚合物稳定的胆甾型(PSTC)显示装置。常规液晶显示装置的另一个例子是偏振液晶显示装置、如扭转向列型液晶显示装置。吸收型或散射型液晶显示装置具有很宽的视角，但有较低的对比度。另一方面，偏振液晶显示装置具有良好的对比度，但有较窄的视角。偏振液晶显示装置具有很窄的视角，因为透过液晶层的光的相变依赖于光路的方向而变化，并且不垂直于偏振片的光在透过检偏片时不能完全消除。

液晶显示装置通常用作台式监视器，并且因而需要较宽的视角。已经开发了如多畴技术、共面切换(IPS)技术、垂直排列技术、光路调节技术和视角补偿技术等技术来实现较宽的视角。

在多畴技术中，一个像素被分成多块，并且每块中的液晶分子以不同的方式排列。像素中块的平均特征代表像素的总特征，由此扩大视角。但不同方向上每块液晶分子的排列过程很复杂。而且在两块之间的边界处不能调节液晶分子的排列，导致漏光。因此需要黑色矩阵或薄膜晶体管的布线来阻挡光泄漏。另外，因为最终的视角表示成各个方向上的视角平均，所以最终的视角在有较窄视角的方向上加宽。但最终的视角在有较宽视角的方向上变窄。

在共面切换技术(in-plane switching)中，液晶的排列在平行于配向膜(alignment film)的平面上被横向电场扭转，由此加宽视角。采用共面切换技术的液晶显示器通常用在17寸台式监视器中以达到较宽的视角。但采用共面切换技术的液晶显示装置有低的孔径比、长的响应时间和较高的工作电压。

在垂直排列模式技术中，通过利用垂直排列剂、具有负介电各向异性的液晶和相位片扩大视角。垂直排列模式的液晶显示装置中碟状(discotic)液晶的分布比90°扭转向列型液晶显示装置的简单。在垂直排列模式的液晶显示装置中相位片附着到液晶层的一侧，而在90°扭转向列型液晶显示装置中在液晶层的上下形成相位片。因此，垂直排列模式的液晶显示装置的制造成本低于90°扭转向列型液晶显示装置。典型的做法是将上述多畴技术与垂直排列技术结合使用。

在光路调节技术中，从背光组件辐射的光在垂直方向穿过液晶板，并且透过偏振片的光被散射，由此加宽了视角。可以利用可从Allied Signal Inc.获得的频谱观察膜散射已经透过偏振片的光。一般地，光在透过一个光学部件时大约被吸收10％或更多。因此，在光路调节技术中光的透射率降低。而且利用微光刻技术(microlithography)替代注模技术形成图案，由此提高了制造成本。由Sumitomo Chemical Company Limited制造的光控膜(LCF)可以通过在偏振片和液晶层之间设置具有各种折射率的衍射光栅以调节散射度来提供宽视角。但光路调节技术显示出很有限的效果，并且此项技术的研究也有限。

在视角补偿技术中，利用视角补偿片补偿穿过液晶层的光波间的相位差。常规补偿片中膜的厚度彼此不同。因此膜的热膨胀或收缩率也不同，并且由于膜之间界面处的应力差致使光轴和延迟值有所变化，由此产生图1所示的斑纹。

图1是示出由包含常规视角补偿片的液晶显示装置产生的有斑纹图像的部分的平面图。

参见图1，当把具有不同厚度的膜的常规视角补偿片连结到液晶显示装置中时，在图像1的“R”区中产生斑纹。斑纹降低了液晶显示装置的显示质量。

发明内容

根据本发明实施例的视角补偿片包括第一保护膜、形成在第一保护膜之上的偏振膜和形成在偏振膜之上的第二保护膜。第二保护膜具有基本上与第一保护膜相同的热膨胀和收缩率。液晶层形成在第二保护膜之上。

根据本发明实施例的液晶板包括阵列基底、形成在阵列基底之上的彩色滤光片基底、设置在阵列基底和彩色滤光片基底之间的第一液晶层、以及至少一个形成液晶显示板的外层的视角补偿片。视角补偿片包括第一保护膜、形成在第一保护膜之上的偏振膜和形成在偏振膜之上的第二保护膜。第二保护膜具有基本上与第一保护膜相同的热膨胀和收缩率。第二液晶层形成在第二保护膜之上。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明将变得更加清晰，其中：

图1是平面图，示出包含常规视角补偿片的液晶显示装置产生的图像的有斑纹的部分；

图2A是说明向列型液晶关于X、Y和Z轴的折射率的图解；

图2B是说明碟状(discotic)液晶关于X、Y和Z轴的折射率的图解；

图2C是图解，说明根据本发明实施例，通过联合图2A的向列型液晶和图2B的碟状液晶来补偿光波之间的相位差的过程；

图3A是根据本发明实施例的贴附在90°扭转向列型液晶层上的视角补偿片的示意性截面图；

图3B是根据本发明另一实施例的贴附在垂直排列液晶层上的包括碟状液晶的视角补偿片的示意性截面图；

图4是根据本发明实施例的贴附到玻璃基底上的视角补偿片的局部截面透视图；

图5A是示意性透视图，示出当视角补偿片的第一保护膜和第二保护膜具有不同热膨胀或收缩率时视角补偿片的弯曲；

图5B是沿图5A的A-A’线截取的截面图；

图5C是沿图5A的B-B’线截取的截面图；

图6是曲线图，示出沿图5A中A-A’截面测得的延迟值；以及

图7是根据本发明实施例的包含视角补偿片的液晶显示装置的示意性截面图。

具体实施方式

下面参考附图详细描述本发明的示例性实施例。

图2A是说明向列型液晶关于X、Y和Z轴的折射率的图解，图2B是说明碟状(discotic)液晶关于X、Y和Z轴的折射率的图解。

参见图2A，随着相对于向列型液晶101的指向矢(director)具有入射角(θ)的光增加，液晶层中对初级(primary)(P)波的折射率也增大(Δn_p/Δθ＞0)。此处，X方向上的折射率“n_x”和Y方向上的折射率“n_y”基本上相同，每个都小于Z方向上的折射率“n_z”(n_z＞n_x，n_y)。

参见图2B，随着相对于碟状液晶102的指向矢具有入射角(θ)的光增加，在视角补偿片中对初级(P)波的折射率减小(Δn_p/Δθ＜0)。此处，X方向上的折射率“n_x”与Y方向上的折射率“n_y”基本上相同，每个都大于Z方向上的折射率“n_z”(n_z＜n_x，n_y)。在图2A和2B中，“S”代表次级波(secondary wave)。

图2C是示出根据本发明实施例，通过联合图2A的向列型液晶和图2B的碟状液晶来补偿光波之间相位差的过程的图解。

参见图2C，当向列型液晶101的指向矢平行于碟状液晶102的径向轴(radial axis)时，光的方向上的相位差或多或少地得到补偿。这是因为Z方向上的折射率“n_z”在液晶层中具有最大值，且在补偿片中具有最小值，如图2A和2B所示。

图3A是根据本发明实施例的贴附到90°扭转向列型液晶层上的视角补偿片的示意性截面图。

参见图3A，在液晶层201的顶部形成第一视角补偿片202，在液晶显示装置的液晶层201底部形成第二视角补偿片203。第一和第二视角补偿片202和203补偿光波之间的相位差。在图3A中，虽然只表示了液晶，但应该理解，在本发明的不同示例性实施例中，视角补偿片202和203每个均可以包括若干层膜。

参见图3A，在液晶层201的上部和下部附近，向列型液晶分子101以角度θ₁预倾斜。两部分处的倾斜方向彼此相反，即顶部处的液晶分子101向下倾斜，底部处的液晶分子101向上倾斜。在液晶层201的中部，向列型液晶分子101基本上相对于视角补偿片202垂直排列。

液晶层201中的向列型液晶分子101分布成使Helmholtz(亥姆霍兹)自由能减为最小。液晶层201中向列型液晶分子101的Helmholtz自由能密度是向列型液晶分子101弹性能量密度与施加到向列型液晶分子101上的电磁场导致的能量密度之和。当液晶倾斜、扭转或弯曲时产生弹性能量密度(elastic energy density)。总弹性能量密度加上电磁场能量密度(1/2(ε₀E²+μ₀H²)，此处ε₀是介电常数，E是电场强度，μ₀是磁导率，H是磁场强度)给出Helmholtz自由能密度。在静电场中，可以忽略磁场。

Helmholtz自由能密度在全部液晶层占据的空间的积分给出Helmholtz自由能。利用变分法(variation method)建立Euler-Lagrange(欧拉-拉格朗日)方程。Euler-Lagrange方程给出了Helmholtz自由能具有最小值的条件。

根据Euler-Lagrange方程，当向列型液晶分子101在液晶层201的上部和下部的预倾角相同，并且关于液晶层201的中部对称排列时，Helmholtz自由能具有最小值。

把液晶层201与视角补偿片202和203的边界附近排列的向列型液晶分子101的预倾角值θ₁(0＜θ₁＜90)代入Euler-Lagrange方程。θ₁值代入Euler-Lagrange方程导致液晶层201中向列型液晶分子101的一总体排列，其具有与图2C所示布局相同的效果。即，第一和第二视角补偿片202和203中碟状液晶分子102的指向矢平行于液晶层201中向列型液晶分子101的径向轴，由此减小了相位差并增大了视角，如图2C所示。应该理解，虽然向列型液晶分子101在图3A中未被显示成扭转的，但实际上向列型液晶分子101在边界条件下扭转90°。

图3B是根据本发明另一实施例的贴附到垂直排列液晶层上的包括碟状液晶的视角补偿片的示意性截面图。应该理解，虽然图3B中只示出了该液晶，但视角补偿片302可以包括若干层膜。

参见图3B，向列型液晶分子101在垂直排列模式的液晶显示装置的液晶层301中垂直排列。

如上所述，将预倾角90°代入Euler-Lagrange方程作为边界条件。实现Euler-Lagrange方程的结果，向列型液晶分子101如图3B所示地排列。包括视角补偿片302的垂直排列模式液晶显示装置具有比图3A所示的包括视角补偿片202和203的90°扭转模式液晶显示装置短的响应时间。另外，包含视角补偿片302的垂直排列模式液晶显示装置的总体结构比较简单，因为它只需一个视角补偿片并且碟状液晶分子102具有相同的排列。可以把视角补偿片302贴附到垂直排列模式液晶显示装置的彩色滤光片基底或阵列基底上。

图4是根据本发明实施例的贴附到玻璃基底上的视角补偿片的局部截面透视图。

在图4中，示出了贴附到图3A的90°扭转向列型液晶层上的视角补偿片。贴附到图3B的垂直排列模式液晶显示装置的液晶层上的视角补偿片具有与90°扭转向列型液晶显示装置的相同的结构，除了液晶的方向外。因此，不再详细说明贴附到垂直排列模式液晶显示装置的液晶层上的视角补偿片。

参见图4，视角补偿片202包括第一保护膜405、偏振膜404、第二保护膜403和形成在第二保护膜403之上的碟状液晶层402。第一和第二保护膜405和403可以包括三乙酰纤维素(triacetyl cellulose)(TAC)，并且偏振膜404可以包括聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)(PVA)。

粘接到偏振膜404上的第一保护膜405和第二保护膜403保护并支撑偏振膜404。虽然视角补偿片202可以只有一个保护膜，但优选包括两个保护膜403和405以防止偏振膜404的两侧被损坏。

在沿一个方向拉伸包括聚乙烯醇的膜，然后把碘或历时色素(diachronicpigment)吸收到该聚乙烯醇膜中之后制造偏振膜404。拉伸的方向对应于偏振片的吸收轴的方向。

通过对第二保护膜403施加包含碟状液晶分子102的溶剂并蒸发该溶剂而制备液晶层402。

碟状液晶层402中的碟状液晶分子102通过摩擦过程倾斜，以制备视角补偿片202。

通过粘合剂400将视角补偿片202粘结到玻璃基底410上。

应该理解，虽然在图4中为了清楚起见放大了碟状液晶层402的厚度，但碟状液晶层402实际上比其它膜薄。在常规的视角补偿片中，碟状液晶层具有大约2μm～3μm的厚度，第二保护膜具有大约110μm的厚度，偏振膜具有大约25μm的厚度，并且第一保护膜具有大约80μm的厚度。

保护偏振膜404的第二保护膜403和第一保护膜405的厚度影响液晶显示装置的显示质量。具体地，第二保护膜403和第一保护膜405之间的厚度差是图1所示斑纹的主要致因。下面将详细描述第二保护膜403和第一保护膜405的厚度造成斑纹的机制。

图5A是示意性透视图，说明当第一保护膜和第二保护膜具有不同热膨胀或收缩率时，视角补偿片的弯曲。图5B是沿图5A的A-A’线截取的截面图。图5C是沿图5A的B-B’线截取的截面图。

一般地，液晶显示装置包括液晶显示板和背光组件。液晶显示板根据图像信号调节液晶的排列，并控制光的透射率。背光组件为液晶显示板提供光。液晶显示板中的视角补偿片由于背光组件中产生的热而热收缩。

当第一保护膜405和第二保护膜403具有不同的热膨胀或收缩率时，视角补偿片202变得弯曲，如图5A所示。

当视角补偿片202弯曲时，形成在视角补偿片202上的碟状液晶分子102的排列发生变化。当液晶分子102的排列改变时，碟状液晶102的径向轴不与向列型液晶101的指向矢保持平行。因而，出现图1所示的斑纹。

因此，优选的是，第二保护膜403和第一保护膜405的热膨胀或收缩率基本上相同。在此情况下不会发生基底的弯曲并减少了斑纹的产生。

图6是沿图5A中A-A’截面测得的延迟值曲线。

参见图6，在视角补偿片的端部延迟值增大，在视角补偿片的中部延迟值减小。

延迟值(retardation value)代表偏振且穿过光学各向异性介质的光波的光程差。当采用视角补偿片时，延迟值被设置在与向列型液晶的方向相反的方向上的碟状液晶减小。如图6所示，因为在视角补偿片202的边缘部分出现最大偏转，所以接近边缘部分的延迟值增大，因此造成图1所示的斑纹。

根据视角补偿片202中第一和第二保护膜405和403的厚度的斑纹的产生示于下面的表1中。

表1

    层常规视角  补偿片样品1样品2样品3样品4粘接剂                            25μm第二保护膜  110μm  110μm  60μm  60μm  60μm偏振膜                            25μm第一保护膜  80μm  40μm  40μm  60μm  80μm斑纹的产生    ×    ××    △    ○    ○

每个样品中的视角补偿片在70℃下保持4小时、8小时和24小时。考察斑纹的产生。

在表1中，“××”代表很多斑纹，“×”代表一些斑纹，“△”代表斑纹的减少，“○”代表斑纹大量地减少。关于显示质量，“○”代表优秀，“△”代表良好，“×”代表差。每个样品中粘接剂和偏振膜的厚度为25μm。

在常规的视角补偿片中，第二保护膜的厚度约为110μm，第一保护膜的厚度约为80μm。如表1所示，当使用常规的视角补偿片时在显示器上出现斑纹。

样品1中，第二保护膜的厚度为110μm，第一保护膜的厚度为40μm。当第一保护膜做得较薄时，热膨胀或收缩率增大。因此，如表1所示，利用样品1的视角补偿片产生更多的斑纹。

样品3中，第二保护膜厚度约为60μm，第一保护膜的厚度约为60μm。如表1所示，斑纹的产生大大地减少并且显示质量优秀。当第一保护膜和第二保护膜具有基本上相同的厚度时，第一和第二保护膜的膨胀或收缩程度也基本上相同。因此，不会发生视角补偿片的弯曲，并且液晶的排列不会很大地改变，由此减少了斑纹。

样品4中，第二保护膜的厚度约为60μm，第一保护膜的厚度约为80μm。虽然如同样品2中一样第一保护膜的厚度不同于第二保护膜的厚度，但显示质量仍然良好，因为液晶层和粘接剂形成在第二保护膜上。

样品2中，第二保护膜的厚度约为60μm，第一保护膜的厚度约为40μm。虽然样品2的第一保护膜厚度远薄于样品1中常规视角补偿片的第一保护膜厚度，但由于粘接剂的存在，样品2的液晶显示装置的显示质量与常规视角补偿片相比得到提高。

特别是如图4所示，视角补偿片通过粘接剂粘结到玻璃基底。视角补偿片具有大于玻璃基底的热膨胀或收缩率。因此，视角补偿片的膨胀或收缩远大于玻璃基底。粘结到玻璃基底上的视角补偿片的膨胀或收缩小于未粘结到玻璃基底的视角补偿片。

视角补偿片膨胀或收缩所需的力正比于视角补偿片的厚度。膨胀或收缩所需的力是所有分子膨胀或收缩所需的力的总合，并且分子数量正比于膨胀或收缩方向上的截面积。此概念也解释了粗弹簧具有大于细弹簧的张力的现象。

当视角补偿片的厚度减小时，膨胀或收缩的力减弱。因而视角补偿片越薄，粘接剂可以更多地减小视角补偿片膨胀或收缩的力。结果，由热收缩造成的弯曲也大大减小。

总之，当视角补偿片的弯曲的发生减少时，斑纹的产生也减少。

图7是根据本发明一实施例的包含视角补偿片的液晶显示装置的示意性截面图。

参见图7，液晶显示装置包括液晶显示板800和背光组件(未示出)。背光组件向液晶显示板800提供光。

液晶显示板800具有彩色滤光片基底700、阵列基底810和夹在彩色滤光片基底700和阵列基底810之间的液晶层201。

背光组件设置在液晶显示板800的下方。背光组件向液晶显示板800提供光。

背光组件有一光导板、灯和光扩散片(light diffusion sheet)。灯从光导板的侧部或下部向光导板提供光线。光扩散片控制出射到光导板的光的亮度。

彩色滤光片基底700包括第一玻璃基底701、彩色滤光片702、平坦化膜(planarizing film)703和公共电极704。

彩色滤光片702包括红色滤光片R、绿色滤光片G和蓝色滤光片B。彩色滤光片702形成在第一玻璃基底701上。平坦化膜703形成在彩色滤光片702上。

第一视角补偿片202a通过粘接剂层400粘结到彩色滤光片基底700上。

视角补偿片202a包括第一保护膜405、偏振膜404、第二保护膜403和包括碟状液晶的液晶层402。第一保护膜405和第二保护膜403的热膨胀或收缩率基本上相同。第一保护膜405和第二保护膜403以同样的比率膨胀或收缩。于是，由自背光组件产生的光转换的热不会导致视角补偿片202a的弯曲。因此，视角补偿片202a的边缘部分不会与彩色滤光片基底700分离，并且液晶层402中碟状液晶的分子排列不会改变。

阵列基底810包括第二玻璃基底705、薄膜晶体管(TFT)709、透明电极710、栅极工作电路712、数据工作电路(未示出)、反射电极707和连接线713。

阵列基底810被分成显示区(DR)和周边区(PR)。薄膜晶体管709、透明电极710和反射电极707设置在显示区。工作电路408和数据工作电路(未示出)设置在周边区。

在第二玻璃基底705上形成多个薄膜晶体管709。这些薄膜晶体管709以矩阵形式分布在第二玻璃基底705上。透明电极710是像素电极，并形成在薄膜晶体管709和第二玻璃基底705的一部分上。因而薄膜晶体管709电连接到第二玻璃基底705。

在第二玻璃基底705的一部分上形成有机绝缘层708，在该部分中，薄膜晶体管709和透明电极710彼此接触。对整个基底施加有机绝缘层708，然后蚀刻以暴露部分透明电极710。

有机绝缘层708的表面上有多个凹槽。反射电极707覆盖有机绝缘层708并具有均匀的厚度。因此，反射电极707的表面也有凹槽。

凹槽增强了反射电极707的反射率。反射电极707包括高反射材料，如铝(Al)、银(Ag)或铬(Cr)。反射电极707反射从液晶显示板800辐射的光，甚至当背光组件不对液晶显示板800提供光时也是如此。

在阵列基底810的周边区中形成栅极工作电路712和连接线713。栅极工作电路712经连接线713电连接到薄膜晶体管709的栅极电极。

薄膜晶体管709包括栅极电极、漏极电极和源极电极。如上所述，栅极电极电连接到连接线713。漏极电极电连接到透明电极710，并且源极电极电连接到数据工作电路(未示出)。

第二视角补偿片202b通过粘接剂层400粘结到阵列基底810的下部上。如上所述，视角补偿片202b还包括第一保护膜405、偏振膜404、第二保护膜403和包含碟状液晶的液晶层402。

第一保护膜405和第二保护膜403的热膨胀或收缩率基本上相同。第一保护膜405和第二保护膜403以同样的比例膨胀或收缩。因此，由背光组件产生的光转变而来的热不会造成第一保护膜405和第二保护膜403的弯曲。因此，视角补偿片202b的边缘部分不与彩色滤光片基底700分开，并且液晶层402中碟状液晶的分子排列不改变。

彩色滤光片基底700通过密封剂(sealant)711与阵列基底810结合。密封剂711位于彩色滤光片基底700和阵列基底810的周边区(PR)中。

在公共电极704上形成间隔物(spacer)706以维持彩色滤光片基底700和阵列基底810之间的间隔。

液晶层201包括向列型液晶。第一液晶层201对应于图3A的液晶层201。

施加到公共电极704与反射电极707或透明电极710之间的液晶上的电场改变液晶的分子排列。因此，出射到液晶显示板800上的光量被改变。

对公共电极704施加公共电压(接地电压)。当栅极工作电路712中向以矩阵形式布置的薄膜晶体管709中的一个施加栅极工作电压时，薄膜晶体管709导通。当数据工作电路(未示出)中向薄膜晶体管709的源极电极施加图像信号电压时，该电压则经漏极电极施加到透明电极710和反射电极707上。于是，改变第一透明电极704与反射电极707或透明电极710之间的向列型液晶的排列。

背光组件产生的光在经过阵列基底810上的第二视角补偿片202b时被偏振。随着光经过阵列基底810和彩色滤光片基底700之间的液晶层201的向列型液晶时，光的透射率被改变。具有特定波长的光透过彩色滤光片基底700的彩色滤光片702，从而显示出颜色。光在经过彩色滤光片基底700上的第一视角补偿片202a时被偏振，然后显示图像。由液晶层202a中向列型液晶造成的相位差通过第一视角补偿片202a和第二视角补偿片202b中的碟状液晶减小。由此，液晶显示装置具有改进的视角。

根据本发明各个实施例的视角补偿片不因液晶显示装置产生的热而弯曲，由此减少了斑纹。

作为示例，已经说明了采用90°扭转向列型液晶的透射反射(transflective)液晶显示装置。本领域技术人员将会理解，视角补偿片202也可以用在垂直排列模式液晶显示装置、以及透射式液晶显示装置中。在垂直排列模式LCD中，如上所述，只采用一个视角补偿片。

当根据本发明各个示例性实施例的视角补偿片由于液晶显示装置的背光组件产生的热而膨胀或收缩时，视角补偿片的第一保护膜和第二保护膜的热膨胀或收缩率基本上相同。因此视角补偿片不会弯曲，并且斑纹的产生被减少。结果，包含视角补偿片的液晶显示装置的显示质量得到提高。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了详细描述，但应当了解，本发明不限于这些公开的实施例，相反，本发明将包含所有处于权利要求的精神和范围之内的各种改型和等同配置。