专利名称：液晶显示元件及利用此液晶显示元件的液晶显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及液晶显示元件，特别是涉及通过接收光源发出的光进行图像显示的反射式液晶显示元件。
液晶显示模式，特别是应用于液晶显示投射器的反射式液晶显示元件的模式，有VAN(垂直排列向列型)模式及HFE(混合场效应)模式。
VAN模式是采用具有负介电各向异性的液晶材料、且其中液晶是在稍微向着垂直于基底的方向倾斜的方向上排列的倾斜同向取向的系统。作为液晶显示的液晶取向方法通常广泛采用的是摩擦法，不过摩擦法对于实现倾斜同向取向不太有效，因为若采用摩擦法，摩擦角在其平面内会产生变化，而这将会引起阈值电压的变化。因此，采用一种氧化硅倾斜汽相淀积法作为实现倾斜同向取向的稳定方法。
然而，虽然氧化硅倾斜汽相淀积法可相对均匀地控制平面内的倾斜角，但这一方法作为一种处理过程是不稳定的。在原来应用于一般液晶显示的氧化硅汽相汽相淀积法已经转化为摩擦法的这一趋势中，已表现出摩擦法的优势。
可用摩擦法取向的采用扭曲向列型取向的某些反射式液晶显示模式已经公开。一般采用具有正介电各向异性(p型液晶材料)作为液晶材料。这些模式大致可分为两类，即常黑型及常白型。
常黑型是这样一种显示方式其中黑色是利用低电压显示，反射率根据电压的提高而增加，并且在低电压下可获得最大反射率。与此相反，常白型是这样一种显示方式其中白色是利用高电压显示，反射率根据电压的提高而降低，并且在高电压下可获得最大反射率。
在Opt.Eng.14，p.217(1975)中详细公开了一种常黑型HFE(混合场效应)液晶显示模式。这种显示模式的缺点是色彩电压依赖性大。特别是，当显示灰度等级时，视觉观察是彩色的，并且不同的的色彩还都分别与其层次相关。并且，必须对RGB中的每一种色彩都要使液晶材料或盒间隙最佳化。从批量生产的角度来看这是一个缺点。
根据反射式显示模式，它必定会成为双折射显示模式，并且延迟的绝对量的改变会显著影响亮度的变化。特别是，此影响在暗显示或中间层次显示中表现显著，并且在减小对比度系数或亮度的改变时显示特征受到的影响不理想。
此处所说的延迟指的是液晶层的厚度乘以该液晶材料的折射率各向异性的乘积，并且是生成偏振光的相位相对延迟的物理量。
当采用p型液晶材料时，液晶盒的延迟在电压为0V rms(均方根)时最大，并且通过施加电压使有效延迟变小。即在较低电压侧比在较高电压侧随温度或盒间隙的变化而产生的延迟改变更大，并因而在低电压侧亮度的改变更大。
因此，为了在采用p型液晶材料时获得针对温度或盒间隙的变化而稳定的显示特性，最好是不采用在较低电压侧显示黑色的常黑模式，而最好是采用在较高电压侧显示白色的常白模式。液晶层的必需延迟大到约0.54μm。此值意味着当试图为了实现液晶的快速响应而采用窄到3μm或更小的盒间隙时，需要具有极大的折射率各向异性(Δn＞0.18)的液晶材料，这是不实际的。即液晶材料的延迟对快速响应而言不够充分。
下面对快速响应的重要性予以说明。显示的快速响应是下文中说明的重要因素之一。例如，个人计算机中的图像信号通常是由至少每秒60帧以上的图像信号组成。
因此，当运动图像显示于个人计算机的显示器上时，液晶肯定必须在短于与帧相对应的时间，即1/60秒＝16.7msec(毫秒)，的时间内对信号发出响应才能使所显示的图像跟得上图像信号。如液晶的响应时间变得比与帧相对应的时间长，就可能使所生成的图像变成与应该由图像信号生成的图像不同的图像。
与实际图像信号不同的图像被识别为残留图像，它原本是不可见的，在运动图像的运动方向的后部。残留图像会显著降低图像质量。因此，为了实现具有可取的图像质量的液晶显示，必须选择能够快速响应的液晶显示模式。
另一方面，作为常白型反射式扭曲向列型液晶显示模式已经公开的有TN-ECB(扭曲向列型电控双折射)模式，MTN(混合扭曲向列型)模式及SCTN(自补偿扭曲向列型)模式。SCTN模式是在JP-A-10-070731(1998)中公开的。TN-ECB模式是在Japan Display′89，p.192(1989)中公开的。MTN模式是在Appl.Phys.Lett.68，p.1455(1996)中公开的。
本发明的目的在于提供一种可以利用较低的电压驱动并且快速响应优良的、色彩电压相关性小的反射式液晶显示元件，并提供一种利用此液晶显示元件的液晶显示装置。
根据本发明的液晶显示装置的一个实施方案，夹持在透明电极和反射电极之间的液晶层的扭曲角为90°，并且液晶的取向角为0°至30°，或90°至120°。
具体地，本发明是如下的元件和如下的装置。
液晶元件包括由透明电极和反射电极夹持的液晶层，用于驱动液晶层的多个像素电路以及用于驱动相应的像素电路的外围电路，其中液晶层的扭曲角为90°，并且液晶的取向角为0°至30°，或90°至120°。
液晶的取向角最好是在10°至20°，或100°至110°之间。
另外，液晶元件包括由透明电极和反射电极夹持的液晶层，用于驱动液晶层的多个像素电路以及用于驱动相应的像素电路的外围电路，其中液晶层的扭曲角为90°，液晶的取向角为10°至20°，或100°至110°，并且液晶层的波长归一延迟在0.45至0.55之间。
液晶显示装置包括液晶显示元件，其中入射光经过相位调制，反射并作为图像输出；液晶元件包括由透明电极和反射电极夹持的液晶层，用于驱动液晶层的多个像素电路以及用于驱动相应的像素电路的外围电路；其中液晶层的扭曲角设定为73°至100°，并且通过设定液晶层的波长归一延迟在0.44至0.6之间，液晶层的厚度等于或小于2.4μm，液晶材料的折射率各向异性至少为0.1，并使液晶的响应时间等于或小于16.7ms。
一种利用此液晶显示元件显示图像的方法，该液晶元件包括由透明电极和反射电极夹持的液晶层，用于驱动液晶层的多个像素电路以及用于驱动相应的像素电路的外围电路；其中把液晶层的扭曲角设定为73°至100°，并且用3-6Vrms的驱动电压显示图像。
本发明的上述及其他目的、特点及优点从下面的参考附图所进行的详细说明可以了解得更清楚，其中
图1为用于说明涉及本发明的实施方案的液晶显示元件中的相应光学元件的光轴之间的相对关系的示意图；图2为表示扭曲角与波长归一延迟之间的关系的曲线图；图3为表示扭曲角与液晶取向角之间的关系的曲线图；图4为表示色彩与扭曲角的相关性的曲线图；图5为表示驱动电压与扭曲角的相关性的曲线图；图6为表示光利用效率与扭曲角的相关性的曲线图；图7为表示在施加各种不同电压时反射率与液晶取向角的相关性的曲线图；图8为表示在施加各种不同电压时对比度系数与液晶取向角的相关性的曲线图；图9为用于说明涉及本发明的实施方案的液晶显示元件的剖面构成示意图；图10为用于说明液晶投射器构成的示意图，该液晶投射器是采用本发明的液晶显示元件的投射型液晶显示装置；图11为用于说明色彩变化量的定义的曲线图12为表示波长归一延迟区及液晶响应时间与液晶层的厚度的相关性的曲线图。
在下文中将参考附图对涉及本发明实施方案的液晶显示元件的细节以及利用此液晶显示元件的液晶显示装置进行说明。
(实施方案1)图1为用于说明涉及本发明的实施方案的液晶显示元件中的相应光学元件的光轴之间的相对关系的示意图。为简化起见，图1仅仅示出液晶显示元件中的反射片101和液晶层102。偏振光束分束器103系用作偏振片和光检测器。
对于液晶层102，其靠近反射片101的一侧临时称为下侧，而远离反射片101的一侧称为上侧。表示液晶层102的构成有上侧上液晶取向方向108，下侧液晶取向方向109，上侧和下侧之间的扭转角(扭曲角110)，以及液晶扭曲角111，该液晶扭曲角是由上侧液晶取向方向108和，比如，垂直方向形成的角度。
虽然图中未示出，作为液晶层102的厚度与液晶层102的材料的折射率各向异性的乘积的延迟也是重要参数之一。
偏振光束分束器103的结构中的两个棱镜是粘合于一起，并且其传输或反射光线的特性取决于在两个棱镜粘合界面上的光的偏振分量。只有入射光104的水平分量通过偏振光束分束器传输并进入液晶显示元件。这一光线在通过液晶层102时经相位调制，由反射片101反射并再通过液晶层102传输而返回到偏振光束分束器103。平行于水平偏振光分量107的偏振光分量通过偏振光束分束器103传输并成为返回光105回到光源。
另一方面，与水平偏振光分量107垂直相交的偏振光分量由偏振光束分束器103的粘合界面112反射并成为投射光到达屏幕(图中未示出)。
下面对所希望的液晶盒的参数所取得的结果予以说明。
液晶盒的参数有3个延迟，它是盒间隙即液晶盒厚度与液晶材料的折射率各向异性的乘积、扭曲角110以及液晶扭曲角111。然而，在下面的计算中，采用的是波长归一延迟，其中延迟由波长归一化。
根据下面的方法，对于上述3个参数的条件受到解析的限制，并且相应的各参数针对对比度系数及色彩变化进行细致优化。
不施加电压时的液晶层中的光的传播矩阵可利用分析方法得出。因此，为了对条件进行粗略限制，首先对不施加电压情况下的光学特性进行优化。
已知扭曲向列型液晶层可利用下面的模型描述，此模型中双折射介质的n层是叠加而成的，各层之间光轴移动φ/n。特别是，传播矩阵在n →∞时称为Jones矩阵并由下面的方程(式1)表示J∞=ab-b*a*]]>...(式1)其中a=cosφcosβ+11+α2sinφsinβ-iα1+α2cosφsinβ]]>...(式2)b=-sinφcosβ+11+α2cosφsinβ-iα1+α2sinφsinβ]]>...(式3)α=dΔnπλφ]]>...(式4)β=φ1+α2]]>...(式5)其中φ是扭曲角，d是盒间隙，Δn是折射率各向异性，而λ是波长。
在反射式元件的场合，传播矩阵JR∞可利用下面的方程(式6)表示，因为这一光线两次通过此液晶层。
当使用这些变量时，延迟可表示为dΔn，并且波长归一延迟可表示为dΔn/λ。JR∞＝R(φ)J∞R(-φ)R6J∞...(式6)其中R(φ)是旋转矩阵，并且Re是逆矩阵。利用这些函数，可计算出偏振光装置与Nicol(尼科尔)棱镜垂直相交时的反射率，并且可得出下面的方程(式7)。R=1-(cos2β+1-α21+α2sin2β)2-4α2(sin2βsin2θ1+α2+sinβcosβcos2θ1+α2)2]]>
...(式7)其中θ是液晶取向角。为了使反射率R最大(R＝1)，可使方程7中的各平方项为零。
在采用扭曲角φ和dΔn/λ作为参数时，满足R＝1的解在图2中示出(图2中的实线)。发现了效率变成100％的情况，只有当扭曲角小于73°时才可以存在。另外，还发现如扭曲角φ＜73°，则可将dΔn/λ的优化条件分为两个分支，如图2中的B1和B2所示。
另一方面，在效率变为最大的扭曲角φ＞73°的区域中优化条件可通过解下面的方程(式8)和(式9)而得到。_R/_(dΔn/λ)＝0...(式8)_2R/_(dΔn/λ)2＞0...(式9)满足方程(式8)和(式9)的解在图2中以点线(B3)表示。
图3为表示在图2示出的各种条件下扭曲角与液晶取向角之间的关系的曲线图。图3中的B1，B2和B3分别对应于图2中的B1，B2和B3。这种关系在下面的附图中也是类似。
当采用液晶显示时，通常色彩的许多变化是对应于驱动电压而产生的。它也取决于波长散射和光源的光谱光度特性。然而，必须将色彩的电压相关性抑制到很小的程度以使相应的RGB(红绿蓝)色彩板的规格相同。
图4表示在图2和图3的各种条件下对色彩变化量Δ(u′，v′)的计算结果。色彩变化量Δ(u′，v′)定义为由于施加的电压从V1(等于反射率1％的电压)改变到V99(等于反射率99％的电压)，在入射光位置处在不同电压下色彩在u′-v′比色图上的变化，见图11所示。
入射光的波长在400nm至700nm范围。Δ(u′，v′)最大容许值不能肯定，因为该值在很大程度上取决于投射光学系统的设计。不过通常可以假设在0.07至0.08范围内，这大致与透射式扭曲向列型(TN)的值(0.06)一样。
在基于B1的条件下，Δ(u′，v′)大于0.075，并且色彩的电压相关性很明显。另外，此相关性随着扭曲角的减小而迅速增加。另一方面，在基于B2的条件下，Δ(u′，v′)与扭曲角无关，并且大致恒等于0.075。在基于B3的条件下，Δ(u′，v′)随着扭曲角的增大而减小。
图5示出对驱动电压与扭曲角的相关性的计算结果。此处驱动电压指的是当反射率等于最大反射率的1％(对比度系数＝100∶1)和0.33％(对比度系数＝300∶1)时的电压。已发现在3-4 Vrms范围中的驱动电压可在基于B1和B3的条件下实现，但是在基于B2的条件下，在对比度系数＝100∶1时驱动电压变得至少为4 Vrms，并且在对比度系数＝300∶1时驱动电压变得至少为6.5Vrms。
图6示出对光利用效率与扭曲角的相关性的计算结果。此处光利用效率指的是考虑到在波长范围为400nm-700nm的入射光的可见度的反射率。并且，此数值通过将偏振片和检测器的透射率取作100％而归一化。因此，理想的光利用效率是100％。
在基于B2的条件下，光利用效率与透射式TN一样可以得到。在基于B1的条件下，光利用效率比在基于B2的条件下低的原因在于，波长与反射率的相关性很大。在基于B3的条件下，光利用效率随着扭曲角的增大而减小。在扭曲角为80°时光利用效率为95％，而在90°时为86％。
考虑到上述的计算结果，就可以选择优选条件。在B1的条件下，色彩的变化与透射式TN相比较很大，至少为0.08，而在B2的条件下，驱动电压很高，在对比度系数＝300∶1时至少为6.5Vrms。因此，B1和B2两个条件都不合适。已经发现扭曲角至少为73°的条件B3在平衡各种特性上最为理想。
根据对条件B3的精确研究已经发现，色彩及驱动电压的变化可通过增加扭曲角而得到改善，但是光利用效率确随着扭曲角的增加而显著减小。如扭曲角超过100°，光利用效率变得小于70％，几乎与透射式液晶显示的孔径比一样，并且可能丧失反射式的优越性。因此，扭曲角必须选择为等于或小于100°。
色彩及驱动电压变化与透射式TN相同且可以得到较高的光利用效率的条件，设想扭曲角必须在85°至90°的范围内。此时的波长归一延迟在0.45-0.46范围内。如将此归一化延迟变换为波长550nm的延迟，就变成248nm-253nm。
为了稳定取向，液晶的取向应该使指向矢(液晶的分子轴方向)相对基板平面倾斜1°至10°。由基板平面和液晶的指向矢所形成的角度称为倾斜角。由于存在倾斜角，实际延迟比盒间隙与液晶材料的延迟系数各向异性的乘积为小。因此，dΔn必须设定成为稍大于250nm(250nm-330nm，而作为在波长550nm的波长归一延迟为0.44-0.60)。
随着倾斜角的增加，色彩和驱动电压的变化减小，但光利用效率随着倾斜角的减小而加大。这就意味着这些因素处于一种平衡关系(折衷)。比较优选的倾斜角为85°至90°，在这种情况下色彩、驱动电压及光利用效率可得到所希望的平衡。考虑到上述倾斜角，此时的波长归一延迟在0.45-0.55范围内。
即使液晶取向在平面中在任何方向上转动90°，特性也与液晶不转动时基本相同。
(实施方案2)随着倾斜角的加大，驱动电压减小，并且与同一驱动电压相比较对比度系数增加。色彩变化随着倾斜角的加大而减小。倾斜角为90°的情况是倾斜角在85°至90°范围内时对比度系数最高和色彩变化最小的情况，这一点已经在实施方案1中描述过。此处选择90°作为倾斜角，即认为高对比度系数和小色彩变化的条件是重要因素，并且在下面提出在此场合下的优化条件。
图7示出对在施加各种不同电压时反射率与液晶取向角θ的相关性的计算结果。实验中所采用的液晶盒的盒间隙为2μm，而液晶材料的折射率各向异性Δn为0.149。反射率依液晶的取向角的不同变化很大，即使施加的电压相同。
当施加的电压为0.0Vrms时，在液晶取向角θ＝0°至30°和90°至120°的范围内时可得到高反射率。特别是在液晶取向角θ＝10°至20°和100°至110°的范围内时可得到较高的反射率。在液晶取向角θ＝15°和105°时可得到最高的反射率。
反射率随着施加电压的加大而减小。当施加电压大致等于3.9Vrms时，反射率与液晶取向角的相关性曲线变得大致平坦，但如果施加电压继续增加，则反射率与液晶取向角的相关性又再度出现。反射率在液晶取向角θ＝-10°至20°和90°至115°的范围内时变得很小。
特别是在液晶取向角θ＝0°至10°和95°至110°的范围内时反射率较低。在液晶取向角θ＝5°和105°时得到的反射率最低。
图8示出在施加各种不同电压时对比度系数与液晶取向角的相关性。对比度系数是施加电压为0.0Vrms时的反射率的系数与各种不同施加电压(3.1Vrms-7.0Vrms)下的反射率之比。当采用3.1Vrms驱动时，对比度系数在液晶取向角为30°和-60°时最大。
随着驱动电压的加大，使对比度系数最大的液晶取向角会改变。当驱动电压为3.5Vrms时，在液晶取向角为20°和110°时对比度系数变得最大。当驱动电压为3.9Vrms时，在液晶取向角为15°和105°时对比度系数变得最大。对比度系数绝对值本身会增加。如驱动电压继续增加，对比度系数绝对值将增加，并且使对比度系数变得最大的液晶取向角变化为15°和105°。
如上所述，当驱动电压给定时，相对相应的驱动电压使对比度系数变得最大的液晶取向角可在0°至30°和90°至120°范围内选择。
(液晶显示元件的实施方案)下面参考图9对采用本发明的液晶显示模式的液晶显示元件的实施方案予以说明。
图9为用于说明涉及本发明的实施方案的液晶显示元件的剖面构成示意图。在图9中略去了图1中示出的偏振光束分束器。在本实施方案中，用单晶硅基片作为有源矩阵基片122。
有源矩阵基片122是通过在n型基片123上形成p型阱124，并进一步在其上形成MOS(金属氧化物半导体)晶体管125及延迟电容126而构成的。另外，晶体管之间的连线，绝缘薄膜以及其他等等是在其上叠层构成，并且反射电极127及其保护薄膜130在最上层上形成。
液晶层121封装于具有透明电极128的玻璃基片120和有源矩阵基片122之间。为了使液晶层保持一定的厚度设置有支撑物。因为应用于投射器的液晶显示元件是暴露于高强度光线之中，设置有一个遮光层131来防止光线进入MOS晶体管区域。将液晶层的厚度做成为2μm，可实现在12ms，包括上升时间和下降时间内的快速响应。
图12示出在波长为550nm波长归一延迟为0.44-0.60的区域401，座标平面由液晶层的厚度和液晶材料的折射系数各向异性Δn构成。另外，在图12中示出液晶响应时间与液晶层402的厚度的相关性。
已知液晶的响应时间正比于液晶层厚度的平方(E.Jakeman和E.P.RaynesPhys.Lett.，39A，p.69(19922))。因此，取上述的液晶层厚度为2μm的响应时间12ms作为标准，可计算出要获得短于16.7ms的响应时间(个人计算机通常的帧频的一帧时间)的液晶层必需厚度为小于2.4μm。此处采用的是Δn等于0.149的液晶材料。此时发现液晶材料的折射系数各向异性Δn至少必须是0.1才能满足波长归一延迟在0.44-0.60范围之内。
(投射型液晶显示装置的实施方案)下面参考图10对液晶投射器的实施方案，即采用液晶显示元件的投射型液晶显示装置，予以说明。
图10为用于说明本发明的实施方案的液晶投射器构成的示意图。液晶投射器的构成包括白光光源301，偏振光束分束器302，分色镜303，304，本发明的液晶光球305R，305G，305B，投射透镜306等等。
从白光光源301投射的光线只有垂直于纸面的偏振光分量能够被偏振光束分束器302反射，由分色镜303，304分离为红蓝绿三原色，并且此三原色分别进入液晶显示元件305R，305G，305B。入射光在相应的各液晶显示元件305R，305G，305B中的液晶层上进行相位调制，由像素电极反射，并且再由分色镜303，304进行色彩合成。之后，只有平行于纸面的偏振光分量通过偏振光束分束器302传输，并通过投射透镜306投射到屏幕上(图7中未示出)。因为本发明的液晶显示元件应用于液晶显示元件305R，305G，305B之中，液晶的响应时间快速，并且可以平滑地显示运动图像。
根据本发明的液晶显示元件，色彩的电压相关性小，可利用相对低的电压驱动，并且快速响应优良。因此，利用本发明的液晶显示元件可以通过投射型液晶显示装置平滑显示运动图像。
另外，本发明的液晶显示元件可以低成本供应，因为这种元件可通过稳定的液晶取向工艺进行生产。
权利要求
1.一种液晶显示元件，包括盛装在透明电极和反射电极之间的液晶层，用于驱动所述液晶层的多个像素电路，以及用于驱动所述像素电路的外围电路，其中液晶层的扭曲角为90°，并且液晶的取向角在0°至30°，或90°至120°之间。
2.如权利要求1的液晶显示元件，其中所述液晶的取向角在10°至20°，或100°至110°之间。
3.一种液晶元件，包括盛装在透明电极和反射电极之间的液晶层，用于驱动所述液晶层的多个像素电路，以及用于驱动所述像素电路的外围电路，其中所述液晶层的扭曲角为90°，液晶的取向角在10°至20°，或100°至110°之间，并且所述液晶层的波长归一延迟在0.45至0.55之间。
4.一种液晶显示装置，包括液晶显示元件，其中入射光经过相位调制，反射并作为图像输出，其中所述液晶元件包括盛装在透明电极和反射电极之间的液晶层，用于驱动所述液晶层的多个像素电路，以及用于驱动相应的像素电路的外围电路；其中所述液晶层的扭曲角设定为73°至100°之间，所述液晶层的波长归一延迟设定在0.44至0.6之间，所述液晶层的厚度等于或小于2.4μm，并且液晶材料的折射率各向异性至少为0.1。
5.如权利要求4的液晶显示装置，其中所述液晶的响应时间等于或小于16.7ms。
6.一种利用液晶显示元件显示图像的方法，包括盛装在透明电极和反射电极之间的液晶层，用于驱动所述液晶层的多个像素电路，以及用于驱动所述像素电路的外围电路，其中把液晶层的扭曲角设定为73°至100°之间，并且用3-6 Vrms的驱动电压显示图像。
全文摘要
提供一种反射式液晶显示元件,其色彩电压相关性小,可利用相对低的电压驱动,并且快速响应优良。夹在透明电极和反射电极101之间的液晶层102的扭曲角为90°,并且液晶的取向角在0°至30°,或90°至120°之间。
文档编号G02F1/13GK1270327SQ00106580
公开日2000年10月18日 申请日期2000年4月14日 优先权日1999年4月14日
发明者广田升一, 津村诚, 竹本一八男 申请人:株式会社日立制作所