KR0144469B1

KR0144469B1 - 액정 표시장치

Info

Publication number: KR0144469B1
Application number: KR1019860008343A
Authority: KR
Inventors: 윌리암 노스커 리차드
Original assignee: 글렌 에이취. 브루스틀; 알 씨 에이 코오포레이숀
Priority date: 1985-10-07
Filing date: 1986-10-06
Publication date: 1998-07-15
Also published as: FI87495C; EP0221680B1; US4721366A; FI87495B; FI863953A0; ES2023815B3; EP0221680A1; DE3680460D1; CA1260640A; JPS6291919A; HK123996A; KR870004293A; FI863953A; ATE65618T1

Abstract

내용없음

Description

액정 표시 장치

제1도는 액정 표시 장치의 블록도.

제2도는 액정 셀의 단면도.

제3도는 액정 셀 내의 디렉터(director)의 배향을 도시하는 액정 셀의 사시도.

제4도는 액정 셀 조며 수단의 단면도.

제5도는 액정 셀에 의해 투과된 광선의 배향을 제3도의 좌표계와 관련하여 도시한 그래프.

제6도는 제1굿츠-테리(Gooch-Tarry) 최소값과 일치하는 셀 두께에 대해 주관찰면에 수직인 평면에서의 광전 곡선을 여러 가지 시각에서 도시한 그래프.

제7도는 제1 굿츠-테리 최소값과 일치하는 셀 두께에 대해 주관찰면에서의 광전 곡선을 여러 가지 시각에서 도시한 그래프.

제8도는 제2 굿츠-테리 최소값과 일치하는 셀 두께에 대해 주관찰면에 수직인 평면에서 광전 곡선을 여러 가지 시각에서 도시한 그래프

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:액정표시 장치 12:액정 셀

14:셀 조명 수단 20:제1기관

26:제2기관

본 발명은 큰 시각(視角; viewing angle)을 제공하도록 액정 표시 장치 내의 액정 셀을 조명하기 위한 개선된 장치 및 방법에 관한 것이다.

액정 표시 장치에는 액정 셀과 이 액정 셀을 조명하는 셀 조명 수단이 포함된다. 일반적으로, 액정 셀은 한 쌍의 광투과 기판과 그 기판 사이에 있는 광학적으로 이방성인 액정 물질을 포함한다. 상기 액정 물질과 접하는 각 기관의 표면에는 그 위에 패턴화된 광투과 전극을 가지며, 또한 이들 표면을 일반적으로 연마법 또는 유전성 물질의 사면 기화법(slant evaporation)에 의해 처리함으로서 그 표면에 인접한 액정 물질이 선택적으로 정렬된다.

장거리 배열(long range order)을 갖는 액정 물질의 특성은 단축 결정(uniaxial crystal)의 특성과 유사하며, 분자의 국부 평균 방향이라고 정의되는 단위 벡터인 디렉터(director)에 의해 묘사된다. 처리된 표면에 인접한 디렉터는 대개 연마 방향으로 배향(orientation)되어 있거나 기화원(evaporation source) 쪽으로 배향되어 있다. 또한, 디렉터는 경사 바이어스(tilt bias), 즉 배향시키는 데 사용된 기술에 따라 디렉터와 기판 표면 사이에 각을 가질 수 있다.

비틀림 네마틱 셀에 있어서, 기판과 네마틱 액정은 두 개의 표면에 인접한 디렉터들이 서로에 대해 0(제로)이 아닌 각, 바람직하게는 직각을 이루도록 배치된다. 이어서 상기 기판들 사이에 있는 액정은 디렉터가 하나의 표면에서의 배향 상태에서 다른 표면에서의 배향 상태로 균일하게 회전하도록 조정된다. 하나의 표면에서 상기 디렉터에 대해 평행이거나 또는 수직인 편광(偏光)은 비틀림각 만큼 회전되는 편광면을 가진 액정을 통화할 때 광학적인 회전을 일으킨다. 이 때, 각 기판 표면 위에서 디렉터의 투영면에 대하여 평행하게 배향된 평면 편광자는 입자 편광을 실질적으로 완전하게 투과시킨다. 전극들간에 역치 전압(threshold voltage)보다도 큰 전압을 인가하면, 디렉터는 기판 표면에 수직인 방향으로 기울어지게 되고[호메오트로픽 정렬(homeotropic alignment)], 그에 따라 광학적 회전이 감소되고, 이상적인 경우에 광투과율이 0으로 감소된다. 이러한 편광자의 배열이 반대인 경우, 즉 평행한 편광자는 인가되는 전압에 따라 투과광을 증가시킨다.

면적이 작은 것, 주로 개인용 표시 장치에 대해서는 필요로 하는 시각이 작다. 그러나, 텔레비전 표시 장치와 같은 대면적의 표시 장치에 있어서는 정상적인 디스플레이에 대해 수직면과 수평면, 특히 수평면에서의 시각이 넓은 것이 바람직하다. 그러나, 공지의 기술에 따르면, 광선들이 서로 다른 각도로 액정 셀을 통과하여 각기 다른 복굴절을 하기 때문에 유용한 시각의 범위는 제한된다. 특히, 인가된 전압의 함수로서 투과광의 변화를 나타내는 광전 곡선(electro-optic curve)은 시각에 따라 변화된다. 화소를 통한 광투과율과 그에 따른 그레이 스케일도 시각에 따라 변화된다. 극단적인 경우에는 변화하는 시각에 따라 콘트라스트 반전이 나타나기도 한다.

넓은 시각을 제공하기 위한 한 가지 방법은 수직면 및 수평면에서 액정 셀을 고도의 시준광(collimated light)으로 조명하는 것이다. 이 때, 미국 특허 제 4,171,874 호에 기술된 바와 같이, 투과된 시준광을 확산시키기 위해 이차원 확산기가 액정 셀과 관찰자간에 배치된다. 이 방법은 광원이 조명도가 낮고 에너지 소비가 높은 점광원이어야 하기 때문에 여러 가지 응용면에서 바람직하지 않다. 다른 방법으로서, 하나의 평면에는 점광원을 제공하고, 수직 평면에는 미시준의 람베르트 광원(Lambertian source)을 제공하는 형광관과 같은 선광원이 사용되어 왔다. 이러한 광원은 밝은 조명을 제공하고 하나의 평면 내에서 시준될 수 있다. 액정 셀은 일반적으로 광입사면에서는 디렉터에 대해 평행한 편광에 의하여, 수직면 내에서는 시준광에 의하여, 그리고 수평면 내에서는 미시준광에 의하여 조명된다. 그러나, 이 액정 셀에 표시된 영상은 전술한 복굴절 효과 때문에 시준되지 않은 조명을 받는 평면에서 제한된 각도 범위에서만 관찰될 수 있다.

따라서, 특히 수평면에서 현재 유용한 각도보다 더 큰 넓은 시각을 갖는 액정 표시 장치가 요구되고 있다.

본 발명은 주관찰면에 수직인 평면에서의 시각 범위를 크게 증대시키는 개선된 액정 셀 조명용 장치를 제공한다. 상기 주관찰면은 액정의 중간점에서 광입사면에 대해 직각인 디렉터를 포함하는 평면으로서 정의된다. 본 발명의 개선점은 주관찰면 내에는 시준 비임(collimated beam; 평행 비임)을 갖고, 직교면 내에는 미시준 비임(uncollimated beam)을 갖는 액정 셀 조명 수단을 포함하는 것이다. 또한 셀의 액정 두께는 제1 굿츠-테리 최소값과 일치하는 것이 좋다.

또한, 본 발명은 액정 표시 장치에 넓은 시각을 부여하는 방법을 제공하는데, 이 방법은 주관찰면은 시준 광 비임으로, 직교면은 미시준 광 비임으로 액정 셀을 조명하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 실시에를 첨부 도면에 따라 설명하겠다. 각 도면에서 동일한 부호는 동일한 소자를 가르킨다.

제1도에 도시된 액정 표시 장치(10)에는 액정 셀(12)이 포함되는데, 이 액정 셀에 인접 배치된 수단(14)은 투과광 확산 수단(17)을 통해 관찰자(16)에게 투광시키게끔 상기 액정 셀을 조명하는 수단이다. 표시할 영상에 해당하는 투과광을 변조시키기 위한 일정 패턴의 전기 신호를 공급하는 수단(18)이 상기 액정 셀(12)에 접속된다.

제2도에 도시된 액정 셀(12)에는 각각 제1 및 제2 주표면(22, 24)이 있는 제1 기관(20)과, 각각 제1 및 제2 주표면(28, 30)이 있는 제2 기판(26)이 포함된다. 제1 전극 구조체(32)는 제1 기판(20)의 제1 주표면(22) 위에 배치되고, 제1 정렬층(34)이 상기 제1 전극 구조체(32) 위에 형성딘다. 제2 전극 구조체(36)는 제2 기관(26)의 제1 주표면(28) 위에 배치되고, 제2 정렬층(38)이 상기 제2 전극 구조체(36) 위에 형성된다. 액정 (40)에 의해 정렬층 (34, 38) 사이의 공간의 채워지고, 그 액정은 봉착제(42)에 의해 기관(20, 26) 사이에 봉합된다. 제1 기관(20)의 제2 표면(24)에서 입사광을 편광시키는 수단(44)과, 제2 기판(26)을 통해 투과되는 편광을 검광(劍光)하는 수단(46)은 제2 주표면(24, 30)에 각각 부착된다. 상기 편광 수단(44)과 검광 수단(46)은 일반적으로 시트형 편광자이다. 상기 기판들간의 간격을 균일하게 유지하기 위해 통상적으로 스페이서(도시되지 않음)가 사용된다.

제3도에 도시된 두 개의 기판(20, 26) 사이에서의 디렉터의 배향은 제2 주표면(30)에 대해 수직선 (52)과 동일선상에 있는 광학축(50)을 따라 변화한다. 통상, 제1 기관(20)과 제2 기관(26)에 인접한 디렉터(54, 56)는 각각 서로 90。로 배향되고, 중간 디렉터(58)는 상기 기관에 인접한 디렉터(54, 56)의 배향 사이에 중간에서 배향된다. 주관찰면은 중간 디렉터(58)와 수직선 (52)을 포함하는 평면으로 정의된다. 광전 응답이 일정한 평면은 주관찰면에 수직이며 상기 수직선(52)과 상기 중간 디렉터(58) 및 수직선(52)의 양쪽에 수직한 선을 포함하는 평면으로 정의된다. 조명 수단(14)은 제2 주표면(24)의 입사광이 주관찰면에서는 시준되고 광전 응답이 일정한 평면에서는 시준되지 않도록 배치된다. 제2 주표면(24)의 입사광은 제1 기판(20)에 인접한 디렉터(54)에 평행하거나 직각으로 편광되는 것이 좋고, 검광 수단(46)은 입사광의 편광에 대해 0°또는 90°로 편광된 광을 투광시키도록 배향하는 것이 좋다.

일반적으로, 기판(20, 26)은 가시 파장 스펙트럼 내에서 실질적으로 투명한 유리와 같은 재료로 구성된다. 전극 구조체(32, 36)는 당업계의 기술 분야에서 이미 알려져 있으며, 일반적으로 가시 파장 스펙트럼에서 투명하고 기화 증착법, 스퍼터링 증착법 또는 화학 증착법애 의해 증착될 수 있는 약 100 nm 두께의 주석산화물 또는 인듐 주석 산화물로 구성된다. 상기 층들은 개별 픽셀(pixel)의 전극을 형성하도록 패턴화된다. 전극 구조체(32. 36)는 개별 픽셀들을 어드레스하는데 필요한 도전성 라인들을 포함하며, 예컨대 마오(Mao)의 미국 특허 제3.653.745호와 말로위(Marlowe) 등의 미국 특허 제3,654,606호에 기재된 바와 같이, 픽셀의 액티브 어드레싱에 사용되는 다이오드, 트랜지스터 및 커패시터와 같은 능동 소자를 포함할 수도 있다. 표시 장치의 높은 광학 투과율을 유지하려면 상기 능동 소자들은 소형인 것이 바람직하다. 제1 및 제2 전극 구조체(32, 36)는 인가된 일정 패턴의 전기 신호에 응답하여 액정(40)의 투과율을 변조시키는 수단을 구비한다. 정렬층(34, 38)은 스핀 코팅과 이에 후속되는 열경화에 의해 증착된 약 100nm 두께의 폴리이미드 재료로 구성되는 것이 좋다. 이 재료는 통상 소정의 정렬 방향으로 직포에 의해 연마 처리된다.

상기 액정은 통상 포지티브 유전체 이방성이 있으며 균일한 비틀림을 보장하기 위해 소량의 콜레스테르 액정을 함유하는 일반적으로 네마틱 물질이다. 바람직하게는 독일이 이. 머어크사(E. Merck, Inc.)에서 생산하는 ZLI-1800-000형 또는 ZLI-2293형의 네마틱 물질과 같은 재료가 사용된다. 액정은 셀 내부에 채워지고, 기판 표면에 인접한 디렉터는 종래의 기술을 사용하여 정렬시킨다.

예를 들면, 구치(Gooch)등이 문헌[Electronics Letters, 10, 2(1974)]에서 설명한 바와 같이. 비틀림각이 90°이고 평행 편광자가 구비된 셀을 통과하는 투과율(T)은 다음과 같다.

여기서, x=2dΔn/λ이고, d는 재료의 두께이며, Δn은 주 굴절율간의 차이이고, λ는 파장이다. 셀의 투과율은 액정 두께의 진동 함수이다. 통상, 상기 두께는 상기 셀을 통과하는 광의 투과율의 최소값과 일치하도록 선택된다. 특히, 본 발명자는 투과율에 있어서 제1 굿츠-테리 최소값과 일치하는 두께가 바람직하다는 것을 알게 되었다. 바람직한 두께 d 는 0.87λ/Δn이다. 통상, 상기 두께는 400nm 와 700 nm 사이의 파자에 대해 상기 제1 최소값과 일치하도록 선택된다. 두께 결정을 위해서는 소정 대역의 파장으로 조명할 수 있도록 상기 대역의 대략 중앙값을 갖는 파장을 사용하는 것이 좋다. 다른 방법으로서, 여러 가지 원색에 대응하는 여러 가지 픽셀 소자가 특정 원색의 파장에서 제1 굿츠-테리 최소값과 일치하는 상이한 두께를 가질 수도 있다.

상기 액정 셀(12)의 조명 수단은 실질적으로 시준되어 하나의 평면에서는 발산 반각(divergence half-angle)이 약 30°이하, 양호하게는 15°이하인 광 비임 및 직교면에서는 실질적으로 시준되지 아니하여 발산 반각이 약 45°이상으로서 바람직하게는 람베르트 분포에 근접하는 광 비임을 제공한다. 상기 발산 반각은 광비임의 대칭 중심으로부터 그 광비임의 밀도가 절반되는 지점가지의 각도라고 정의된다. 제4도에 있어서, 액정 셀(12)의 조명 수단(14)은 포물면 반사기(64)에 장차된 광원(62)을 포함한다. 상기 광원(62)은 통상 형광관과 같은 선광원(線源)이다. 포물면 반사기(64)는 방출된 광이 제4도의 평면에서는 시준되고, 직각인 평면에서는 시준되지 않도록 하는 형상을 이루고 있다.

주관찰면 내에서 실질적인 시준광을 발산시키는 수단(17)은 약 50 ㎛ 의 피치와 완전한 반원 깊이를 갖는 원통형 렌티큘러(lenticular) 스크린이다. 이 스크린이 상기 액정 셀(12)에 가깝게 놓일수록 표시 장치(10)의 해상도의 감쇠량은 그 만큼 더 적어지게 된다.

제3도와 관련하여 설명한 바와 같이. 본 발명자는 입사광이 주관찰면에서는 시준되고 직교면에서는 시준되지 않을 때, 광전 곡선은 직교면의 꽤 넓은 시각 범위에서 거의 일정하다는 사실을 알게 되었다. 제5도에 있어서, 광선(70)에 대한 시각(θ 및 ø)은 수직선(52)과 중간 디렉터(58)의 배향과 관련하여 정의된다. 주관찰면에서 시준된 광 비임은 광입사면에 대해 실질적으로 수직인 것이 좋지만, 어떤 임의의 각도로 될 수도 있다. 직각이 아닌 입사의 효과는 전압측의 광전 곡선을 이동시킨다는 것이다.

광전 곡선은 비틀림각 90°에서의 이방성 굴절율이 Δn=0.08이며, 파장 550 nm에서 제1 및 제2 굿츠-테리 최소값들과 각각 거의 일치하는 두께가 6 또는 13.5 ㎛인 Merck ZLI-1800-000 네마틱 액정 셀에서 측정된 것이다. 교차된 백열 광원의 편광자를 통과하는 투과율은 각분해능(角分解能)이 ±2°이하인 검출기를 이용하여 여러 가지 시각에서 측정된 것이다.

제6도에 도시된 직교면(ø는 제5도에서 정의한 바와 같이 90°와 270°이 다)의 광전 곡선은 두께가 6㎛인 셀에 대하여 약 45°의 극각(極角; polar angle)(θ)까지 실질적으로 동일하다. 60°와 70°의 극각(θ)에서는 곡선들이 전압을 약간 낮추도록 변위된다. 모든 시각에 있어서, 상기 광전 곡선은 주관찰면에 대하여 대칭을 이룬다. 제7도에 도시된 바와 같이, 주관찰면(ø는 제5도에서 정의된 바와 같이 0°와 180°이다)에서의 동일한 셀에 대한 광전 곡선은 극각(θ)에 따라 현저한 변화를 보여서, 직교면에서 생성된 70°변화보다 극각(θ)에서의 15°변화에 대하여 더 큰 변화를 나타내며, 또한 직교면에 대하여 비대칭으로 된다.

제8도에 도시된 두께가 13.5㎛인 액정 셀에 대한 광전 곡선은 극각(θ)에 따른 변화를 보이고 있는데, 이 변화는 직각 방향에서의 제1 최소 셀에 대한 변화 보다는 훨씬 크지만, 주관찰면에서 제1 굿츠-테리 최소 셀에 대해 관찰된 변화보다는 여전히 훨씬 작다.

이상 특정한 실시예를 통해 본 발명의 기본 원리를 설명하였지만, 본 발명이 상기 실시에에만 한정되는 것은 아니다. 특히, 본 발명의 원리는 비틀림각이 90°가 아니고, 편광자 배향이 광입사 표면에 인접한 디렉터에 대해 평행 또는 수직이 아닌 경우에도 적용될 수 있다. 예컨대, 디렉터에 대하여 편광자가 45°로 배향되고 비틀림각이 0°인 액정 셀에도 적용될 수 있다.

Claims

액정 셀(12)과 셀 조명 수단(14)을 포함하고, 상기 액정 셀(12)은 제1 주표면(22, 28) 및 제2 주표면(24, 30)을 각각 가지며, 상기 제1 주표면들이 서로 대향되고 제1 기판의 상기 제2 표면이 액정 셀의 조명을 위한 광입사 표면으로 되도록 배치되어 있는 제1 및 제2 광투과 기판(20, 26)과, 상기 제1 주표면상의 전극 구조체(32, 36)와, 상기 기판들 사이에 배치되고, 제1 기판에 인접하여 하나의 방향으로 배향된 디렉터 및 제2 표면에 인접하여 직교 방향으로 배향된 디렉터를 갖는 비틀림 네마틱 물질로 이루어진 액정(40)을 구비하며, 중간 디렉터(58) 및 상기 제2 주표면들 중의 하나에 대한 수직선(52)을 포함하는 주관찰면을 가지며, 상기 기판들 사이의 두께가 약 400∼700 나노메터(nm)의 파장에서 상기 액정 셀에 대한 제1 굿츠-테리 최소값과 일치하는 두께로 된 액정 표시 장치(10)에 있어서, 상기 셀 조명 수단(14)은 상기 제1 기판(30)을 통해 상기 비틀림 네마틱 액정(40)을 조명하도록 배치된 광원(62)을 포함하고, 이 광원은 상기 액정 셀의 상기 주관찰면에서는 방사광을 실질적으로 시준시키고, 상기 주관찰면에 수직이고 상기 액정 셀의 상기 수직선(52)을 포함하는 직교면에서는 상기 방사광을 실질적으로 시준시키지 않도록 반사 수단(64)과 결합된 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
제1항에 있어서, 직교면에서의 미시준광의 각도 분포는 람베르트 분포값인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
제2항에 있어서, 상기 셀 조명 수단(14)은 상기 제1 기관(20)에 입사되는 광의 편광 수단(44)과, 상기 액정 셀을 통해 투과되는 편광의 검광 수단(46)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
제3항에 있어서, 상기 액정 셀(12)을 통과하도록 상기 주관찰면에서 상기 시준된 광비임의 확산 수단(17)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
제1항, 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 표시될 영상에 대응하는 일정 패턴의 전기 신호를 상기 전극 구조제 (32, 36)에 인가하는 수단(18)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
제1 및 제2 기판(20, 26)의 각 표면(22, 28)의 전극 구조체(32, 36) 사이에 배치되고, 상기 제1 기판(20)에 인접하여 하나의 방향으로 배향되고 제2 기판26)에 인접하여 직교 방향으로 배향된 디렉터를 갖는 비틀림 네마틱 물질로 이루어진 액정(40)을 포함하고, 이 액정 내의 중간 디렉터(58) 및 상기 기판들 중 하나의 주표면에 수직한 수직선 (52)이 포함된 주관찰면을 가지며, 약 400∼700 나노메터의 파장에서 액정 셀에 대한 제1 굿츠-테리 최소값에 대응하는 두께를 갖는 액정 셀(12)을 조명하는 방법에 있어서, 상기 주관찰면에서는 시준되고, 상기 주관찰면에 수직이고 상기 수직선(52)을 포함하는 직교면에서는 시준되지 않는 광 비임으로 상기 액정 셀(12)을 조명하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 셀 조명 방법.