板内切换模式液晶显示器件及其制造方法和驱动方法 本申请要求要求享有2004年3月29日在韩国递交的韩国专利申请No.P2004-21127和2004年3月31日在韩国递交的韩国专利申请No.P2004-21985的权益，在此引用作为参考。
【技术领域】
本发明涉及一种板内切换模式液晶显示器件及其制造方法和驱动方法，尤其涉及一种能够提高孔径比、减少漏光并且不具有补偿膜的板内切换模式液晶显示器件及其制造方法和驱动方法。
背景技术
现有技术的液晶显示(LCD)器件控制施加到液晶单元的电场并且调节入射到液晶单元的光以显示图像。注入到液晶显示器件中的液晶材料介于固态和液态之间，并且具有流动性和弹性。
目前，最常用的液晶显示器件的液晶模式是扭曲向列(TN)模式，其由垂直电场方式驱动。TN模式具有相对高的孔径比。但是，由于观察者按照视角感觉到的液晶材料的折射率有实质性差别，所以很难实现宽视角。另外，液晶材料的响应速度慢。
板内切换(IPS)模式是水平电场方式的代表。按照IPS模式，电场形成在一基板上形成的电极之间，并且通过该电场驱动液晶分子。
图1示出了现有技术板内切换模式液晶显示板的截面图。
参照图1，现有技术的板内切换模式液晶显示板包括通过密封剂(未示出)结合的上基板12和下基板18，以及分别位于上基板12和下基板18后表面的上偏振板11和下偏振板19。
在上基板12上形成滤色片和黑矩阵等，在下基板上形成平行的象素电极16和公共电极15，并且通过施加在电极15和16之间的电压差形成水平方向的电场20。液晶分子14通过电场20在基板的表面方向内旋转，以调节透过液晶层的光的偏振分量。
如图2A和2B所示，上、下偏振板11和19的透光轴彼此垂直交叉。也就是说，如果透过液晶层地光被改变为线偏振光，则该光穿过上偏振板11以朝向观察者前进。另一方面，如果当光通过液晶层时光的偏振分量不改变，则该光不能穿过上偏振板11。
上偏振板11具有在第一和第二保护层11a和11c之间堆叠有偏振器11b的结构。下偏振板19具有在第一和第二保护层19a和19c之间堆叠有偏振器19b的结构。
偏振器11b和19b通过拉伸聚乙烯醇膜(poly vinyl alcohol film)并且在碘和二色性染料(dichroic dye)溶液中浸泡，以沿拉伸方向平行排列碘分子。
第一和第二保护层11a、11c、19a和19c由三醋酸基纤维素TAC等形成。第一和第二保护层11a、11c、19a和19c用于防止定向的偏振器11b和19b皱缩并且保护偏振器11b和19b。
当图1所示的液晶板为全黑时，由下偏振板19线性偏振的光不被上偏振板11充分吸收，使得从液晶显示器件的前面以外位置，即从侧面位置，所见的光量和颜色与从液晶显示器件的前面所见的光量和颜色不同。具体地说，如图3和图4所示，当视角为±70°时，透光率很高。因此，在这些区域会出现大量漏光。这是因为上偏振板11的第一和第二保护层11a和11c共轴并且具有改变上偏振板11的偏振方向的规则的延迟值。
为了减少漏光，如图5所示，例如是A-板、正(positive)C-板、双轴膜等补偿膜7和9粘结到包括有偏振板的各上下基板12和18的后表面上。如图3和图6所示，通过使用补偿膜7和9，可以减少漏光。
但是，如图5所示的液晶板存在的问题是由于附加的补偿膜7和9增加了制造成本。另外，对于大尺寸基板，在拉伸补偿膜7和9时，在补偿膜7和9的整个区域上的拉伸密度会不均匀。
而且，在现有技术的IPS模式液晶显示器件中，由于施加到液晶分子14的电场在象素电极16和公共电极15上弯曲，在电极15和16上不能进行正常的光变换。这样，该IPS模式液晶显示器件具有低的孔径比。
【发明内容】
本发明提供了一种具有提高的孔径比并且减少漏光并且不具有补偿膜的板内切换液晶显示器件及其制造方法和驱动方法。
按照一实施例，一种板内切换模式液晶显示器件包括相对的基板；形成在该基板上的相对电极；以及设置在该电极之间的多层液晶层，该多层液晶层包括具有第一类型液晶分子的相对层以及夹在相对层之间并具有第二类型液晶分子的中间层。
按照另一实施例一种液晶显示器件的驱动方法包括使用相对电极向所述相对层施加电场；以及通过允许相对层中之一响应所述电场，板内驱动所述中间层中的液晶分子。
按照再一实施例，一种板内切换模式液晶显示器件的制造方法包括在各第一和第二基板上形成电极和第一液晶层；将所述各第一液晶层暴露到极性或者非极性介质；使所述暴露的第一液晶层稳定在单稳态(mono-stable state)；并且在所述稳定的第一液晶层之间提供第二液晶层。
按照上面的任一实施例，下面的一点或者几点是正确的：所述相对层包括铁电液晶分子，该铁电液晶分子包括手性近晶C相(chiral smetic C phase)液晶分子，所述中间层包括向列相液晶分子，所述相对层具有不同的自发极化方向(spontaneous polarization direction)，相对层中的液晶分子响应通过相对电极形成的电场以在中间层中产生液晶分子的板内驱动，各相对层的相差值为10nm到150nm，在基板上形成相对的定向膜，各相对的定向膜包括极性介质或非极性介质，各相对层的自发极化方向朝向最接近或者最远离该相对层的定向膜，只有相对层中之一响应施加的电场，该相对层响应不同极性的电场，相对层在半V-切换(half V-switching)模式下驱动，各第一液晶层的相变使得稳定，在第二液晶层设置在第一液晶层之间之前，各第一液晶层经过了多次相变，所述稳定在没有外部电场施加到任一第一液晶层时发生，液晶材料和有机溶剂的混合物施加到各基板并且加热该基板到足够高的温度以蒸发有机溶剂，和/或在蒸发有机溶剂后冷却该液晶材料以在液晶材料中产生相变(从各向同性相到手性近晶C相，在其间可能还会有手性向列相)。
【附图说明】
参照附图可以更详细描述本发明的实施例，其中：
图1示出了现有技术板内切换模式液晶板的示意性截面图；
图2A和2B示出了图l所示的上/下偏振板的平面图；
图3示出了使用现有技术补偿膜之前和之后的视角特性图；
图4示出了图1所示的液晶显示板的视角特性结构图；
图5示出了现有技术具有补偿膜的液晶显示板的截面图；
图6示出了图5所示的液晶显示板的视角特性结构图；
图7示出了按照本发明一实施例的板内切换模式液晶显示器件的方框图；
图8示出了图7所示的板内切换模式液晶显示器件的截面图；
图9示出了不同于图8所示的板内切换模式液晶显示器件的另一类型液晶显示器件的截面图；
图10示出了用于解释图7和图8所示的铁电液晶层的相差值的结构；
图11A到11D顺序示出了图9所示的板内切换模式液晶显示器件的制造方法截面图；
图12示出了在图11A到11D的相变过程中稳定在单稳态的铁电液晶材料的结构；
图13A到13D顺序示出了图8所示的板内切换模式液晶显示板的制造方法截面图；
图14示出了在图13A到13D的相变过程中稳定在单稳态的铁电液晶材料的结构；
图15A和15B示出了图9所示的铁电液晶材料和向列系(nematic system)液晶材料的板内切换模式下运动的详细结构；
图16示出了由点反转系统驱动的其中注入有半V-切换模式的铁电液晶层的液晶板结构；
图17示出了由点反转系统驱动的在图8或图9所示的半V-切换模式的铁电液晶层之间设置有向列系液晶材料的液晶板结构；
图18A和18B分别示出了图16和图17所示的由点反转系统驱动的液晶板的透光率图；
图19A和19B分别示出了按照本发明一实施例的普通扭曲向列模式液晶显示板和板内切换模式液晶显示板的结构；
图20A和20B示出了普通扭曲向列模式液晶显示板的灰度级反转(graylevel inversion)的图；以及
图21示出了按照本发明一实施例的板内切换模式液晶显示器件的彩色坐标图。
【具体实施方式】
下面参照附图具体描述本发明的优选实施例。
下面参照图7到图21描述本发明的优选实施例。
图7示出了按照本发明一实施例的板内切换模式液晶显示器件的方框图。
参照图7，按照本发明一实施例的板内切换模式液晶显示器件包括：液晶显示板64，其中在铁电液晶层之间设置有向列相液晶材料；数据驱动器62，用于驱动液晶显示板64的数据线D；栅驱动器63，用于驱动液晶显示板64的栅线G；时序控制器61，用于控制数据驱动器62和栅驱动器63；以及公共电压发生器65，用于向液晶显示板64的公共电极施加公共电压Vcom。
时序控制器61将来自外部的象素数据信号R、G、B施加到数据驱动器62。另外，时序控制器61响应来自外部的控制信号H(水平周期)、V(垂直周期)、DE和CLK(系统时钟)产生栅控制信号GDC和数据控制信号DDC。这里，栅控制信号GDC用于控制栅驱动器63并且数据控制信号DDC用于控制数据驱动器62。
栅控制信号GDC包括栅起始信号GSP、栅移位时钟脉冲GSC、栅输出使能信号GOE等。数据控制信号DDC包括源起始脉冲SSP、源移位时钟信号SSC、源输出使能信号SOE、极性控制信号POL等。
栅驱动器63响应来自时序控制器61的栅控制信号GDC将高栅电压VGH顺序施加到栅线G1到Gm。因此，栅驱动器63允许连接到栅线G1到Gm的薄膜晶体管TFT由栅线G单元驱动。
数据驱动器62响应来自时序控制器61的数据信号DDC将用于各水平线的象素信号在每一水平周期(H1、H2、......)施加到数据线D1到Dn。具体地说，数据驱动器62使用来自伽玛发生器(未示出)的伽玛电压将来自时序控制器61的数字象素数据R、G和B转换为模拟象素信号。
如图8和图9所示，液晶显示板64包括：上板100和下板110，其通过密封剂(未示出)结合在一起；分别形成在上板100和下板110上的第一和第二铁电液晶层24和34；以及位于第一和第二铁电液晶层24和34之间的向列相液晶材料50。
上板100包括：上基板21；实现色彩的滤色片(未示出)；防止漏光的黑矩阵(未示出)；施加由公共电压发生器65产生的公共电压Vcom的公共电极22；以及施加到公共电极22用于排列铁电液晶分子24的上定向膜23。
下板110包括：施加数据信号的数据线(D1-Dn)；施加栅信号的栅线(G1-Gm)；位于数据线和栅线交叉点处用于转换液晶单元的薄膜晶体管(TFT)；连接到薄膜晶体管TFT以驱动液晶单元的象素电极32；以及施加到象素电极32用于排列第二层铁电液晶分子34的下定向膜33。
透光轴彼此交叉的偏振器(未示出)分别粘结在下基板31的入射光表面和上基板21的出射光表面。
第一和第二铁电液晶层24和34按照半V-切换模式被驱动并且其自发极化方向彼此不同。
例如，如图8所示，当第一铁电液晶层24具有与负极性电场方向相同的自发极化方向时，第二铁电液晶层34具有与正极性电场方向相同的自发极化方向。此时，第一铁电液晶层24响应正极性电场，使得当第一铁电液晶材料24的自发极化方向改变到与正极性电场方向相同时，第一铁电液晶层24以共面变换方式被驱动。另一方面，第二铁电液晶层34响应负极性电场，使得当第二铁电液晶材料34的自发极化方向改变到与负极性电场方向相同时，以共面变换方式驱动第二铁电液晶层34。
或者，如图9所示，当第一铁电液晶层24具有与正极性电场方向相同的自发极化方向时，第二铁电液晶层34具有与负极性电场方向相同的自发极化方向。此时，第一铁电液晶层24响应负极性电场，因此当第一铁电液晶材料24的自发极化方向改变到与负极性电场方向相同时，以共面变换方式驱动第一铁电液晶层24。另一方面，第二铁电液晶层34响应正极性电场，使得当第二铁电液晶材料34的自发极化方向改变到与正极性电场方向相同时，以共面变换方式驱动第二铁电液晶层34。
同时，如图10所示，形成第一和第二铁电液晶层24和34以具有与现有技术的补偿膜相同的相差值。例如，各第一和第二铁电液晶层24和34的相差值Δnd大约为10nm到150nm。这里，Δn代表各第一和第二铁电液晶分子的折射率的各向异性，并且d代表各第一和第二铁电液晶层24和34的厚度。
向列相液晶层50具有90°的变换角(switching angle)并且与第一和第二铁电液晶层24和34形成接触面。当向列相液晶层50的自发极化方向改变到与电场方向相同时，通过第一或者第二铁电液晶层24和34以共面变换方式驱动向列相液晶层50。
图11A到11D顺序示出了该板内切换模式液晶显示板的制造方法截面图。这里，图8中的上板和下板通过图11A到11D所示的方法制造。
如图11A所示，电极52和极性定向膜53形成在基板51上。电极52由例如是氧化铟锡(ITO)的透明导电材料形成。由于例如聚酰胺酸或者聚酰亚胺的极性定向膜53具有电负性，极性定向膜53具有电学上所称的极性并且由能够排列液晶材料的有机定向材料形成。研磨定向膜53以设置铁电液晶分子的排列方向。
然后，将铁电液晶和有机溶剂均匀混合的混合物施加到基板51上，使得基板51暴露到几乎不具有电极性的非极性介质，并且将基板51的温度增加到140℃到160℃之间以蒸发有机溶剂。这样，在基板51上形成各向同性相的铁电液晶层54。这里，非极性介质可以选自例如是空气或者氮气N2的气体。
接着，如图11C所示，将基板51的温度下降到110℃到85℃之间以允许铁电液晶层54从各向同性相到手性向列相(N*)的相变。而且，如图11D所示，为了允许铁电液晶层54从手性向列相到手性近晶C相(Sm C*)的相变，将玻璃基板51的温度进一步下降到80℃到50℃之间。此时，如图12所示，在相变为手性近晶C相(Sm C*)的相变过程中，铁电液晶层54的液晶分子中产生自发极化Ps，并且自发极化Ps的方向朝向极性定向膜53。换句话说，当铁电液晶层54的液晶分子经受手性近晶C相(Sm C*)的相变时，自发极化Ps的方向在没有外部电场的作用下均匀排列为单稳态。
图13A到图13D顺序示出了按照本发明另一实施例的板内切换模式液晶显示板的截面图。这里，图9中的上板和下板通过图13A到图13D所示的方法制造。
如图13A所示，在基板51上形成电极52和定向膜53。电极52由例如是氧化铟锡(ITO)的透明导电材料形成。定向膜53由例如是聚酰胺酸或者聚酰亚胺的有机定向材料形成，并且研磨定向膜53以设置铁电液晶分子的排列方向。
然后，将铁电液晶和有机溶剂均匀混合的混合物施加到暴露在例如是H2O或者O2气体的非极性介质的基板51，该非极性介质与图13B所示的定向膜53相比具有高的电负性(即，高极性)，并且将基板51的温度增加到140℃到160℃之间以蒸发有机溶剂。这样，在基板51上形成各向同性相的铁电液晶层54。
为了产生如图13C所示的从各向同性到手性向列相(N*)的相变，将基板51的温度下降到110℃到85℃之间。另外，，为了在铁电液晶层54中产生从如图13C所示的手性向列相(N*)到如图13D所示的手性近晶C相(Sm C*)的相变，将基板51的温度进一步下降到80℃到50℃之间。此时，如图14所示，在转变到手性近晶C相(Sm C*)的相变过程中，铁电液晶层54的液晶分子中产生自发极化Ps，并且自发极化Ps的方向朝向与定向膜53相对的极性介质。这是因为，与定向膜53相对的极性介质具有比定向膜53更高的电负性。换句话说，当铁电液晶层54的液晶分子经受手性近晶C相(Sm C*)的相变时，自发极化Ps的方向在没有外部电场的作用下均匀排列为单稳态。
图15A和图15B示出了说明按照本发明一实施例的液晶显示器件的驱动方法的截面图。例如，图15A和15B表示当分别为正极性和负极性的外部电场(E(+))和(E(-))施加到沿对应于负极性电场(E(-))的方向排列的半V-切换模式铁电液晶分子排列时该半V-切换模式铁电液晶分子排列的变化。
如图15A所示，当正极性电场施加到具有第一和第二铁电液晶材料24和34以及向列相液晶材料的液晶显示板时，第一铁电液晶材料24的自发极化方向变化为与正极性电场方向相同。然后，第一铁电液晶材料24在共面方向中被驱动并且与第一铁电液晶材料24相邻的向列相液晶材料以共面变换方式被下驱动。另外，具有与正极性电场相同的自发极化方向的第二铁电液晶材料34不响应该电场并且保持初始排列状态。此时，当向列相液晶材料50仅通过第一铁电液晶材料24在共面内被变换时，向列相液晶50沿垂直方向扭曲。
另外，如图15B所示，当负极性电场施加到具有第一和第二铁电液晶材料24和34以及向列相液晶材料的液晶显示板时，第二铁电液晶材料的自发极化方向变化为与负极性电场方向相同。然后，第二铁电液晶材料34在共面方向中被驱动并且与第二铁电液晶材料34相邻的向列相液晶材料以共面变换方式被驱动。另外，具有与负极性电场方向相同的自发极化方向的第一铁电液晶材料24不响应该电场并且保持初始排列状态。此时，当向列相液晶材料50仅通过第二铁电液晶材料34以共面方式被驱动时，向列相液晶50沿垂直方向扭曲。
板内切换模式液晶显示器件由于向列相液晶50的共面驱动保证实现宽视角，以及通过以垂直电场方式向液晶50施加电场，保证孔径比的退化最小化。另外，由于向列相液晶50通过铁电液晶材料24和34快速运动，因此可以提高向列相液晶50的响应速度。
图16示出了通过点反转驱动半V-切换模式铁电液晶层的液晶板的结构，并且图17示出了通过点反转驱动如图8和图9所示的向列相液晶层位于半V-切换模式铁电液晶层之间的液晶板的结构。
如图16所示，如果具有由负极性电场排列的半V-切换模式铁电液晶单元的液晶显示器件通过点反转驱动，则由于铁电液晶单元只在正极性电场中透光所以铁电液晶单元逐个交替透光。换句话说，奇数水平线的奇数液晶单元和偶数水平线的偶数液晶单元在奇数帧中响应正极性电场(+)而透光以及在偶数帧中响应负极性电场(-)而遮光。奇数水平线的偶数液晶单元和偶数水平线的奇数铁电液晶单元在奇数帧中响应负极性电场(-)而遮光和在偶数帧中响应正极性电场(+)而透光。此时，如图18A所示，60Hz数据，即极性被逐帧反转的电场施加到液晶单元。该液晶单元只在施加正极性电场的奇数帧周期(1Fr，3Fr，5Fr)透光。因此，如果半V-切换模式铁电液晶单元在贯穿整板的电场下均匀排列并且按照反转系统驱动，则由于观察者在各帧期间周期性地感觉到光，显示图像的亮度降低并且会出现闪烁。
另一方面，如图17所示，如果向列相液晶层位于第一和第二铁电液晶层之间的半V-切换模式液晶显示板通过点反转驱动时，则第一或者第二铁电液晶层之一在正极性电场中板内切换而另一个铁电液晶层在负极性电场中板内切换。例如，第一铁电液晶层在正极性电场中被在共面内变换而第二铁电液晶层在负极性电场中被共面内变换。
换句话说，奇数水平线的奇数液晶单元和偶数水平线的偶数铁电液晶单元在奇数帧中响应正极性电场(+)而透光以及在偶数帧中响应负极性电场(-)而透光。奇数水平线的偶数液晶单元和偶数水平线的奇数铁电液晶单元在奇数帧中响应负极性电场(-)而透光以及在偶数帧中响应正极性电场(+)而透光。此时，如图18B所示，60Hz数据，即极性被逐帧反换的电场施加到液晶单元。该液晶单元在施加正极性电场的奇数帧周期(1Fr，3Fr，5Fr)透光并且在施加负极性电场的偶数帧周期(2Fr，4Fr，6Fr)透光。因此，即使半V-切换模式铁电液晶单元在贯穿整板的电场下均匀排列并且按照反转系统驱动，由于观察者在每帧期间周期性地感觉到光，显示图像的亮度提高。
图19A和19B分别示出了扭曲向列模式普通液晶显示板和按照本发明的板内切换模式液晶显示板的视角布局。在图19A和19B中，90°、270°、180°和0°的方位角分别代表了上/下/左/右视角。同心圆周表示从显示表面到倾斜角的倾斜角度。
如图19A所示，普通扭曲向列模式的液晶显示器件在方位角为45°、135°、225°和315°和倾斜角为10°时能够获得100的对比度，并且在倾斜角高于50°时能够获得0到10的对比度，换句话说，在普通扭曲向列模式液晶显示器件中，能够获得高对比度的视角范围相对很窄。
另外，普通扭曲向列模式液晶显示器件的上/下/左/右方向的视角的亮度可以通过施加电压而增加。但是，当发生灰度级反转(gray level inversion)时，即使增加施加电压亮度也会降低。例如，如图20A所示，在左/右方向大于50°附近，“0”灰度级的亮度比“95”灰度级的亮度增加得多。而且，如图20B所示，在上/下方向大约20°到30°附近，“255”灰度级的亮度比“223”灰度级的亮度减少得多，并且“191”灰度级的亮度比“63”灰度级亮度减少得多。
如图19B所示，按照本发明的板内切换模式液晶显示器件在方位角为45°、135°、225°和315°和倾斜角为40°时能够获得100的对比度，并且在倾斜角为70°时能够获得10的对比度。另外，由于视角在上/下/左/右方向对称，上/下/左/右视角的范围加宽。换句话说，本发明的板内切换模式液晶显示器件与普通的扭曲向列模式液晶显示器件相比具有相对宽的视角和相对高的对比度。此外，由于板内切换模式液晶显示器件的色度坐标位于图21所示的标准白光坐标(【x，y】＝【0.329，0.333】)附近，所以很容易调整白平衡。
如上所述，在板内切换液晶显示器件及其制造方法和驱动方法中，分别形成在上下基板中的各第一和第二铁电液晶层响应相反极性的电场，使得向列相液晶层的液晶分子在板内切换模式下驱动。如上所述，第一和第二铁电液晶层响应相反极性的电场，从而无论施加到其上的电压极性如何而允许在整帧内显示图像。另外，向列相液晶材料通过铁电液晶层被板内切换并且铁电液晶层的相差与补偿膜的相同。因此，可以不使用补偿膜而防止在偏振板侧面出现的漏光。
尽管对本发明已经参照上述附图进行了详细描述，应该理解，对于本领域的技术人员来说，本发明并不局限于这些实施例，而在不脱离本发明精神下可以对其做出各种各样的修改和变化。因此，本发明的范围由所附的权利要求书及其等同物限定。