KR100228811B1 - 액정표시소자 및 광학이방소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시각의존성 특히 콘트래스트비, 표시색의 시각의존성을 개선한 액정표시소자 및 이에 사용되는 광학이방소자에 관한 것으로서, 2장의 편광판(1), (4) 사이에 배치되고 2장의 기판(3a), (3b) 사이에 협지되어 전압무인가시에 꼬인 배향을 하고 있는 액정층(3e)를 가지고 액정의 선광성을 이용하여 광제어하는 구동용액정셀을 구비하는 액정표시소자에 있어서, 편광판과 구동용액정셀 사이에 기판(3a), (3b)의 법선에 대해서 기울어진 방향에서의 선광성이 기판의 법선 방향에서의 선광성 보다도 큰 광학 이방성 물질층(2c)로 이루어진 광학이방성소자(2)를 배치한다.

또한 광학이방소자(2)는 그 광축의 각도가 광학이방소자 표면에 대해서, 광학이방소자의 층 두께방향으로 연속적 또는 단계적으로 변화되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

액정표시소자 및 광학이방소자

제1도는 본 발명의 실시 형태 1의 구성을 나타내는 단면도.

제2도는 본 발명의 실시 형태 1을 설명하는 것으로 제2(a)도는 구성을 나타내는 분해사시도, 제2(b)도는 전기광학특성을 측정하는 좌표계를 설명하는 도면.

제3도는 TN-LCD의 동작원리를 설명하는 도면.

제4도는 TN-LCD의 시각특성의 발생원리를 설명하는 도면.

제5도는 TN-LCD의 시각특성의 발생원리를 설명하는 도면.

제6도는 본 발명의 광학이방소자의 배열상태를 나타내는 도면.

제7도는 본 발명의 광학이방소자를 사용한 경우의 광학보상원리를 설명하는 도면.

제8도는 본 발명에 있어서 스프레이 배열의 광학이방소자를 사용한 경우의 광학보상원리를 설명하는 도면.

제9도는 전압인가시의 구동셀의 굴절율 타원체를 도시한 도면.

제10도는 두께 방향으로 굴절율이방성이 부호(富)인 광학이방소자의 굴절율 타원체를 나타낸 도면.

제11도는 실시형태 1의 액정표시소자의 전자광학특성을 나타내는 도면.

제12도는 종래의 예의 액정표시소자의 전기광학특성을 나타내는 도면.

제13도는 실시형태 2의 구성을 설명하는 도면.

제14도는 비교예의 전기광학특성을 나타낸 도면.

제15도는 실시형태 2의 효과를 설명하는 도면.

제16도는 실시형태 3의 구성을 설명하는 도면.

제17도는 실시형태 3의 효과를 설명하는 도면.

제18도는 실시형태 4의 구성을 설명하는 도면.

제19도는 실시형태 4의 효과를 설명하는 도면.

제20도는 실시형태 5의 효과를 설명하는 도면.

제21도는 실시형태 6의 구성을 설명하는 도면.

제22도는 실시형태 6의 효과를 설명하는 도면.

제23도는 종래의 TN-LCD의 휘도의 시각의존성을 나타내는 곡선도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 4 : 편광판 2 : 광학이방소자

2c : 광학이방성물질층 3 : 구동용액정셀

본 발명은 액정표시소자 및 이에 사용되는 광학이방소자에 관한 것이다.

종래 액정표시소자는 박형경량(薄型輕量)ㆍ저소비전력이라는 큰 이점을 가지기 때문에 손목시계나 전자식 탁상 계산기, 일본어 워드프로세서, 퍼스널컴퓨터등의 디스플레이로서만이 아니고 액정표시소자의 이점을 적극적으로 활용한 신규 구상의 제품에도 활용되고 있다. 그 중에서도 퍼스널컴퓨터등에 사용되는 액정표시소자는 큰 면적, 큰 용량표시화 되어 있고, 표시면의 크기가 대각 10인치, 640480 화소라고 하는 것이 주류가 되어 왔다. 이런 종류의 액정표시소자에 사용되고 있는 표시방식은 크게 2가지로 분류할 수 있다. 한 가지는 단순 매트릭스 방식, 또 한 가지는 액티브매트릭스 방식이다.

단순 매트릭스방식은 액정을 빗형의 투명전극이 부착된 2장의 유리기판에 끼우기만 하는 단순한 구조를 하고 있다. 그 때문에 단순 매트릭스 방식에서는 액정에 높은 성능이 요구된다. 이 성능을 설명하기 전에 액정표시소자의 표시원리에 관해서 설명한다. 액정표시소자의 표시는 액정에 필요한 전압을 변화시키고 액정 분자의 방향을 변화시켜 표시를 실행하고 있다. 일반적으로 큰 콘트래스트비를 얻는 데에는 큰 전압차가 필요하다. 그러나 640480화소의 표시를 실현하기에는 명암의 전압차는 약 1V로 작고, 1V차만으로 액정분자의 큰 상태변화가 요구된다. 이것을 실현하기 위해 많은 연구가 이루어져 왔지만, 1985년 셰퍼등의 연구 그룹은 액정분자의 배열의 꼬임각(트위스트각)을 크게 함으로써 배열의 변화가 전압에 대하여 민감하게 변화하고, 또한 큰 꼬임각으로 안정된 배열을 얻는 데에는 액정분자는 어느 정도의 경사를 가지고 있을 필요가 있다는 것을 발견했다. 이 연구보고 이래, 이것을 실현하기 위한 배향기술이 활발히 실시되어 실용화에 성공했다.

배열 640480화소표시를 실현하기에는 일반적으로 트위스트각은 180이상 필요하고 이와 같이 트위스트각이 크기 때문에, 이 액정을 수퍼트위스트네마틱(STN)으로 불린다. 그러나 초기의 STN디스플레이는 노란색 배경에 녹색의 문자표시등 표시에 색번짐 있어 흑백의 표시가 아니었다. 이것은 트위스트각이 크기 때문이며 이와 같은 표시의 착색을 해소하는 수단으로서 액정층의 배열이 반대 방향으로 꼬인 제2의 액정셀을 편광판과 액정셀의 사이에 배치하므로써 흑백표시를 실현할 수 있는 것이 일본국특공소63-53528호 공보에 공고되어 있다.

이 흑백의 원리는 액정분자가 꼬인 배열로 된 제1의 액정셀을 투과하여 선광분산을 발생한 광을 제1의 액정셀과 대상구조의 제2의 액정셀에 투과시킴으로써 선광분산을 해소했다. 그 결과 광의 선광분산에 기인하는 착색이 해소되고 흑백표시를 실현할 수 있다. 이와 같은 변환을 정확하게 실시하기에는 광학보상판인 제2의 액정셀은, 제1의 액정셀과 리터데이션(retardation)치가 거의 동일하고, 또한 꼬인 방향이 서로 반대이며 그것들의 배치는 서로 가장 근접하는 액정분자의 배향방위가 직교하도록 구성하는 것이 필요하다.

다른 수단으로서는 상술한 제2의 액정셀 대신에 광학이방성 필름을 사용하는 수법도 종종 제안되고 있다. 이것은 광학이방성 필름을 액정셀상에 적층함으로써 제2의 액정셀과 거의 동일한 기능을 가져오는 수법이다.

이상 서술한 광학보상에 의해 STN디스플레이라도 흑백표시가 가능하게 되고 또한 컬러 필터와의 조합에 의해 보다 부가가치가 높은 컬러표시도 실현할 수 있다. 그러나 단순 멀티플렉스방식은 전압평균화법에 기초하는 시간 분할구동을 원리로 하고 있기 때문에 표시 용량을 증대하기 위해서 주사선수를 증가시키면 광을 차단할 때의 전압치와 광을 투과시킬 때의 전압치의 차가 현저하게 감소되고 그 결과 콘트래스트비가 작아지거나 액정의 응답속도가 늦어지는 본질적인 문제가 있다. 또한 이와 같은 종래의 기술은 액정표시소자를 볼 때의 방위나 각도에 의해 표시화상이 반전하여 보이거나 표시화상이 전혀 보이지 않게 되거나 또는 표시가 색번짐이라고 하는 현상으로서 관찰되어, 보다 표시품위가 높은 액정표시소자를 실현할 때 큰 문제가 된다.

한편, 액티브매트릭스방식은 각 표시화소마다 박막트랜지스터나 다이오드로 이루어진 스위칭소자를 구비하고 있기 때문에 주사선의 수에 관계없이 각 화소의 액정층에 임의의 전압비를 설정할 수 있다. 따라서, 단순매트릭스방식의 경우와 같은 특별한 성능은 액정에는 요구되지 않는다. 트위스트각은 STN과 같이 크게 할 필요없이 90로 되어 있다.

트위스트각이 90인 액정셀(TN)은 꼬인 각이 작은 광이 꼬임에 충실하게 따라 선광하기 때문에 선광분산이 적고 무채색으로 고콘트래스트의 표시가 얻어진다. 또한 전압에 대한 응답도 STN보다 빠르다. 액티브매트릭스 방식과 TN을 조합함으로써 대형 표시용량이고 콘트래스트비가 높고 응답속도가 빠른 액정표시소자가 실현될 수 있다. 또한 각 화소마다 트위스트소자가 있기 때문에 중간적 전압을 인가할 수 있어, 이에 의해 중간색조표시도 가능하다. 또한 컬러필터와 조합함으로써 풀컬러표시의 실현도 용이하다,

그러나 액티브매트릭스방식의 경우에도 두 값을 표시한 경우에는 그 정도는 아니지만, 중간색조를 표시했을 때에는 보는 방향에 따라 표시화가 반전하여 보이거나 표시화가 전혀 보이지 않게 되거나 또는 표시가 번지는 현상이 관찰되어, 보다 표시품위가 높은 액정표시소자를 실현할 때 큰 문제가 된다.

이와 같은 표시의 시각(視角)의존성을 감소시키는 수단으로서 일본국특개소 62-21423호 공보에, 2장의 편광판 사이에 액정셀과 광학이방성이 두께 방향으로 부(負)인 폴리머필름인 복굴절층을 배치하는 것이 개시되어 있다. 한편 일본국특개평3-67219호 공보에 나선피치길이와 굴절율의 곱이 400nm이하의 코레스테릭(cholesteric)액정상을 나타내는 액정화합물(또는 고분자액정)으로 이루어진 복굴절층을 액정셀상에 배치하는 것이 개시되어 있다. 이들 2개의 제안은 수직배열(배향기판에 대해서 액정분자가 수직으로 배열된 것)된 액정셀의 경우밖에 고안되어 있지 않고 TN방식이나 STN방식과 같은 꼬인 배열을 한 액정셀의 경우에는 생각되고 있지 않다. 또한 일본국특개평4-349424 공보에 트위스트각 360이상의 배열로 틸트각을 갖는 광학보상소자로 액정표시소자의 시야각을 제어하는 제안도 있지만, 계조표시를 한 경우에는 시야각 확대의 효과가 아직 충분하다고는 할 수 없다.

이상 서술한 액정표시소자의 기본적인 표시원리는 액정에 인가하는 전압에 의해 액정분자의 방향을 변화시키고 액정셀에 광학적인 변화를 발생시켜서 광제어를 실시하는 것에 있다.

따라서 액정표시소자를 기울여 보면 액정분자의 방향이 변화되고 보이는 방향이 변하는 시각의존성이 있고, 특히 미묘한 중간조를 표시하는 경우에는 액정분자의 기운 상태를 세밀히 변화시키므로서 시각의존성이 현저하다.

이와 같은 액정분자의 배열을 보이는 방향의 시각의존성에 의해 표시화가 반전하여 보였다 전혀 식별할 수 없었다 하는 현상이 관찰되고, 특히 컬러필터와 조합하여 풀컬러표시를 실시할 때에는 표시화의 재현성이 현저하게 저하되어 큰 문제가 된다.

본 발명은 상기 좋지 않은 상태를 해결하는 것이고 콘트래스트비 및 표시색의 시각의존성을 개선한 액정표시소자 및 이에 사용되는 광학이방소자를 얻는 것이다.

본 발명은 이하에 나타내는 특징을 갖는 액정표시소자이다.

2장의 편광판과 이들 2장의 편광판 사이에 배치되고 2장의 기판 사이에 협지(挾持)되어 전압무인가시에 꼬인 배향을 하고 있는 액정층을 갖고 액정의 선광성을 이용하여 광제어하는 구동용액정셀을 구비하는 액정표시소자에 있어서, 선광성을 가지고 상기 편광판과 상기 구동용액정셀 사이에 상기 기판의 법선에 대해서 기울어진 방향으로의 선광성이, 상기 기판의 법선의 방향에서의 선광성 보다도 큰 광학이방성물질층으로 이루어진 광학이방소자를 배치한 것을 특징으로 하는 액정표시소자.

광학이방소자의 광축의 각도가 구동용 액정셀의 기판표면에 대해서 상기 광학이방소자의 층 두께 방향으로 연속적 또는 단계적으로 변화되고 있는 것을 특징으로 하는 상기 액정표시소자.

광학이방소자의 광축의 각도가 구동용 액정셀의 기판표면에 거의 평행이고 상기 기판에서 떨어진 쪽에서 거의 상기 기판의 법선을 따르도록 상기 광학이방소자의 층내에서 변화되어 있는 상기의 액정표시소자.

광학이방소자의 광축의 각도가 거의 구동용액정셀의 기판의 법선에 따르고 있고 상기 기판에서 떨어진 쪽에서 상기 기판표면에 거의 평행이 되도록 상기 광학이방소자의 층내에서 변화되어 있는 상기의 액정표시소자.

광학이방소자를 형성하는 광학이방성 단위의 광축의 광학이방소자의 층 두께 방향의 배열이 벤드 배열인 액정표시소자.

광학이방소자를 형성하는 광학이방성 단위의 광축의 광학이방소자의 층 두께 방향의 배열이 스프레이배열인 액정표시소자.

구동용 액정셀기판의 법선방향에서 보았을 때에 광학이방소자의 층내의 각각의 광축의 방향이 단일한 축상에 가지런히 배열된 상기의 액정표시소자.

층을 갖고 광축의 각도가 거의 구동용 액정셀의 기판의 법선을 따르고 있고 상기 기판에서 떨어진 쪽에서 상기 기판표면에 거의 평행이 되도록 층내에서 변화되어 있고, 또한 상기 구동용 액정셀의 기판의 법선방향에서 볼 때 상기 광학이방소자의 광축의 방향이 단일한 축상에 있는 제1광학이방소자와, 층을 갖고 광축의 각도가 구동용 액정셀의 기판표면에 거의 평행이며 상기 기판에서 떨어진 쪽에서 거의 상기 기판의 법선을 따르도록 층내에서 변화되어 있고, 또한 상기 구동용 액정셀의 기판의 법선방향에서 보았을 때 상기 층내의 각각의 광축의 방향이 단일한 축상에 가지런히 배열된 제2의 광학이방소자가 각각 적어도 1개 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 상기의 액정표시소자.

단일한 축이 편광판의 흡수축에 대해서 평행 또는 직교하여 배치되어 있는 상기 액정표시소자.

편광판과 광학이방소자의 사이에 두께 방향에 대해서 광학이방성이 부호(負)인 제2의 광학이방소자를 배치하여 이루어진 상기 액정표시소자.

상기 광학이방성 물질층이 고분자액정을 이루어진 상기의 액정표시소자.

2장의 편광판과 이들 2장의 편광판 사이에 배치되고, 2장의 기판 사이에 협지되어 전압무인가시(無印加詩)에 꼬인 배향을 하고 있는 액정층을 가지며 액정의 선광성을 이용하여 광제어하는 구동용 액정셀을 구비한 액정표시소자에 있어서, 상기 구동용 액정셀이 기판법선을 기준으로 하여 대칭적으로 기울어진 2방향에서 선광성이 큰 제1의 방향과 선광성이 작은 제2의 방향을 갖는 것이고, 상기 편광판과 상기 구동용 액정셀 사이에 상기 기판의 법선에 대해서 기울어진 방향의 선광성이 상기 기판의 법선 방향에서의 선광성 보다도 크고 상기 기판의 법선을 기준으로 하여 대칭적으로 기울어진 상기 2방향에서 선광성이 작은 상기 제1의 방향과 선광성이 큰 상기 제2의 방향을 갖는 광학이방소자를 배치하고 상기 구동용 액정셀의 선광성의 비대칭을 상기 광학이방소자가 보상하여 이루어진 액정표시소자.

또한 본 발명은 이하에 나타내는 특징을 갖는 광학이방소자이다.

광학이방성 물질층으로 이루어진 광학이방소자에 있어서, 상기 광학이방성 물질층이 광학이방소자 표면의 법선에 대해서 기울어진 방향으로의 선광성이 상기 법선의 방향으로의 선광성 보다도 큰 것을 특징으로 하는 광학이방소자.

광학이방소자의 광축의 각도가 광학이방소자 표면에 대해서 상기 광학이방소자의 층 두께 방향에 연속적 또는 단계적으로 변화되어 있는 것을 특징으로 하는 상기의 광학이방소자.

광학이방소자의 광축의 각도가 광학이방소자의 한 방향 쪽의 표면에 거의 평행이고, 거의 상기 광학이방소자의 다른 쪽의 표면의 법선을 따르도록 상기 광학이방소자의 층내에서 변화되고 있는 상기 광학이방소자.

광학이방소자의 광축의 각도가 거의 광학이방소자의 한 쪽의 표면의 법선을 따르고 있고, 상기 광학이방소자의 다른 쪽의 표면에 거의 평행이 되도록 상기 광학이방소자의 층내에서 변화되어 있는 상기 광학이방소자.

광학이방소자의 층내의 각각의 광축의 방향이 상기 광학이방소자 층의 면방향에 단일한 축상에 가지런히 배열된 상기 광학이방소자.

광학이방성 물질층이 고분자 액정으로 이루어진 상기의 광학이방소자.

광학이방소자가 광학이방소자 표면의 법선을 기준으로 하여 대칭적으로 기울어진 2방향에서 선광성이 큰 제1의 방향과 선광성이 작은 제2의 방향을 갖는 상기의 광학이방소자.

여기에서 본 발명에 따른 광학이방성 단위라는 것은 두께가 있는 광학이방소자가 1렬로서 복수의 층의 적층구조인 경우, 이들의 각 층을 말한다. 각 층은 각각이 특정한 방향을 향한 광축을 갖고 있는 단위이고, 이것을 적층한 경우에 광축이 서서히 연속적 또는 단계적으로 그 경사를 변화시키는 구성을 가진다. 본 발명에 있어서는 광학이방소자가 층구조를 갖지 않지만 광축이 두께 방향으로 변화되는 구성도, 광학이방성단위의 광축이 두께 방향으로 나란히 연속하여 변화되는 것으로 정의한다.

본 발명은 상기에 따라 과제를 해결하는 것이고 액정표시소자의 콘트래스트비나 계조표시시의 밝기ㆍ표시색의 시각의존성을 동시에 경감하는, 또는 액정표시소자의 어느 특정한 콘트래스트비가 얻어지는 영역을 어느 특정한 방위, 시각에서 제어하려고 하는 것인데, 그 작용에 관해서 이하에 설명한다.

TN이나 STN 등의 액정표시소자에 있어서 광이 액정표시소자의 표시면에 수직으로 입사하는 경우와 기울어져 입사하는 경우에서는 액정표시소자 내를 전파하는 광의 편광상태는 다르고, 그 편광상태의 상위가 표시화의 반전현상이나 착색현상에 직접 반영된다. 이와 같은 현상은 액정표시소자의 표시면을 보는 각도가 표시면 법선(정면)에서 크게 기울어져 가는 것으로 관측되고, 특히 액정층에 전압을 인가하는 수단을 갖는 액정셀(이하 구동셀이라 부른다.)의 액정층에 전압이 인가되어 있는 화소에서 현저하게 보인다.

제23(a)도 제23(b)도는 종래의 TN액정표시소자의 표시면(기판면) 법선에서 좌우 및 상하방향으로 0에서 60까지 기울어졌을 때의 표시휘도의 각도의존성을 나타내는 도면이다. 1에서 8레벨로 나타나 있는 것은 계조표시의 각 계조번호이고 액정셀에 인가되는 전압이 차례로 다르다. 레벨 1은 0V, 레벨 8은 5V가 액정셀에 인가되어 있다. 예를 들어 상방위의 경우, 디스플레이의 표시면의 법선에서 기울어진 각도(시각)가 0(정면)에서 60로 커짐에 따라 휘도는 점점 커지고 있다. 실제의 표시에서는 표시색이 하얗게 되어 버리는 것으로 관찰된다.

한편 제23(b)도에 나타난 것과 같이 하방위에 관해서 보면 시각을 정면(0)에서 60로 기울여 가면 상방위와는 반대로 휘도는 저하되어 간다. 이 현상은 실제의 표시화에 있어서는 표시색이 어두워진다고 관측된다. 또한 정면에서 무엇보다도 밝은 표시 레벨1과 그것보다 낮은 계조레벨2는 상방위의 시각 35로 대소관계가 역전되어 있고 실제의 표시화에서는 사진의 필름의 네가와 같이 반전된 표시(반전)로서 관측된다. 어느 계조레벨에 관해서 시각변화하여도 투과율이 변화하지 않는 것이 이상적이다. 그러나 실제의 TN이 시각특성은 제23도에 나타난 것과 같이 좌우방위의 특성은 비교적 좋지만 상하방위의 특성이 나쁘다.

이와 같은 현상이 일어나는 것은 상술한 것과 같이 액정표시소자의 시각특성은, 액정표시소자를 입사하는 광의 입사각도에 의해 편광상태가 다른 것에 기인하기 때문이지만, 이에 관해서 TN형을 예로 자세히 설명한다.

제3도에 TN-LCD (TN형 액정소자)의 동작원리를 나타낸다. 제3(a)도는 전극 3c, 3d에 전압무인가시의 TN셀중의 액정분자 LM의 배열상태를 나타내고 있다. 전압V가 인가되고 있지 않을 때에는 액정분자는 기판에 대해서 거의 평행으로 액정층의 두께 방향(도면에서는 Z축의 방향)에 액정분자 끼리 평행이 되어 연속적으로 꼬인 배열을 하고 있다. 액정분자는 분자 장축방향에 광축을 가지고 있고, 액정 분자의 병렬배열이 하나의 광축면을 형성한다. 이 배열에 입사광 LA중 편광자 Pi에 의해 편광된 광 Li가 입사되면, 편광면은 액정분자 LM의 꼬인 배열에 따라서 회전하고 액정층을 나온 지점에서는 편광면은 액정층에 들어가기 전의 편광면에 대해 액정층의 트위스트각만큼 회전한다. 이 회전한 방향에 검광자 Po의 투과축 Pot를 모으면 투과광 Lo가 얻어진다.

제3(b)도는 전압인가시의 TN셀 중의 액정분자의 배열상태를 나타내고 있다. 전압V의 인가에 의해 액정분자 LM은 일어나고 셀의 중앙부근의 액정분자 LMc는 전극근접의 액정분자 LMs보다도 기울어 진다. 전극 3c, 3d 근접의 액정분자 LMs의 경사가 작은 것은 전극-액정분자층계면의 배향규제력(액정을 배열시키기 위해서 필요)이 있기 때문이다. 전압V의 크기에 따라서 액정분자의 경사가 커지고, 이와 동시에 배열도 일그러지고 전압이 더욱 커지면 결국에는 꼬임이 풀어진다. 이와 같은 상태에 편광Li가 입사되면 꼬인 배열이 아니기 때문에, 즉 광축면이 단일한 축상에 있기 때문에, 편광면 Lp는 회전하지 않고 액정층을 진행하여, 액정층을 나온 곳에서 편광면은 액정층에 입사되기 전과 변함이 없다. 따라서 검광자 Po의 투과축Pot는 편광면 Lp와 직교하므로 편광은 투과할 수 없다. 또한 중간조를 표시하기에는 액정층에 인가하는 전압의 크기를 이보다 작게 설정하고 배열의 꼬임 배열을 약간 남기고 액정층을 출사하는 편광면을 약간 회전시켜 중간의 투과광을 얻는다.

이상의 원리에 의해 TN소자는 투과광을 꼬임배열의 일그러짐을 이용하여 제어하고 있다. 다음에 경사 방향의 광에 대해서는 어떤 현상이 일어나는지 설명한다.

제4도는 중간조를 표시할 때의 분자배열 상태에 기울어져 광이 입사하는 상태를 설명하는 도면이다. 제4(a)도는 중간조 표시시의 분자 배열상태 LMint와 2개의 입사광의 방향 L,U의 관계를 나타내는 사시도이고 이것을 보다 알기쉽게 하기 위해 Y축 방향에서 본 도면을 제4(b)도, 제4(c)도로 나타낸다. 여기에 구동용 액정셀 기판의 법선방향을 Z축, 기판면을 XY로 나타내고 있다. 상하 기판의 전극 3c, 3d부근의 액정분자 LMs는 기판면에 대하여 약간의 경사를 가지고 배열되어 있다. 이 경사는 프레틸트(pretilt)로 불리고, 일반적으로 프레틸트라는 것은 기판-액정계면에 따른 액정분자의 경사를 나타내며 그 경사의 각도를 프레틸트각 α0 이라고 한다. 전압무인가시에는 상하의 기판(3a), (3b) 사이에 걸쳐 동일한 각도로 기울어져 있다. 전압V가 인가되는 영역에 걸쳐서 소정의 경사(프레틸트)가 있으면 전압이 인가될 때의 경사 방향이 프레틸트의 방향에 모아지므로 그 결과 균일한 표시를 할 수 있다. 만약 프레틸트가 없는 경우에는 전압이 인가되었을 때에 액정분자의 기울어진 방향이 각기 달라져, 경사 방향이 다른 영역의 경계에 결함선이 발생되어 표시품위를 현저하게 저하시키는 원인이 된다. 따라서 균일한 표시를 얻기에는 프레틸트는 불가결하고 그 각도는 1에서 6가 일반적이다. 액정표시소자에는 모두 프레틸트가 부여되어 있다.

따라서 제4(b)도, 제4(c)도에 나타난 것과 같이 특히 중간조를 표시했을 때에는, 액정분자의 배열상태는 Z축에 대해서 비대칭이 된다. 제4(b)도의 +X축에서 +Z축의 방향으로 대각선으로 입사되는 편광 L에 관해서는 제5도의 LM-L에 나타낸 것과 같이, 배열은 액정분자 LM에 경사가 없는 상태(마치 전압무인가의 배열상태)가 되고 편광면은 크게 회전할 수있다. 그 결과 투과광은 정면에서의 입사광(Z축에 평행한 광)에 대한 출사광의 강도 보다도 커진다. 한편, 제4(c)도와 같이 이것과 반대의 기판법선을 기준으로 하여 대칭적인 방위에서(-X축에서 +Z축의 방향으로 대각선으로)입사하는 편광U에 대해서는 제5도의 LM-U에 나타난 것과 같이 배열은 액정분자 LM이 크게 기울어진 상태(마치 더욱 큰 전압이 인가된 배열상태)가 되고 편광면은 회전할 수 없게 된다. 그 결과 투과광은 정면에서의 입사광(Z축에 평행한 광)에 대한 출사광의 강도보다도 작아 진다. 제23도와의 대응관계는, 제4도의 L의 방위는 제23(b)도의 상방위에, 제4도의 U의 방위는 제23(b)도 하방위에 상당한다.

이상 설명한 것과 같이 중간조에서의 투과광의 방위의존성은 액정분자의 배열의 비대칭성에 기인한다. 이 배열의 비대칭성은 광이 입사하는 방위에 의해 편광면의 회전(선광성)각도가 다르고, 그 결과 투과율에 변화를 발생시킨다. TN-LCD에서는 상방위에서는 선광성이 발생하고 하방위에서는 선광성이 감소하는 경향이 있다고 할 수 있다. 따라서 이것을 개선하는 데에는 상방위에서 선광성이 감소하고 하방위에서는 선광성이 생기는 광학이방소자를 가함으로써 액정표시소자의 시각의존성을 개선할 수 있다. 본 발명의 요지는 어떻게 이와 같은 특성을 갖는 광학이방소자를 제공하는가 라는 점에 있다.

다음으로 구체적으로 본 발명의 광학이방소자에 관해서 설명한다.

우선 광학이방소자에 요구되는 특성을 정리하면, 요구되는 특성은 「상방위와 하방위 사이에서 선광의 회전 방향이 반대」라는 것이 된다. 제6도는 본 발명의 광학이방소자의 광축의 배열상태를 나타내는 도면이고, 제6(a)도는 본 발명의 실시형태의 광학이방소자의 단면도이며, 타원으로 나타나 있는 것은 광학이방소자를 구성하는 광학이방체LD를 나타내고 있고 타원의 장축이 광축OL에 상당한다. 하측의 기판 3d에서 상측의 기판 3c에 걸쳐서 장축의 경사가 연속적으로 변화되어 있고, 하측 기판 3d부근에서는 기판면에 대해 거의 평행이며 상측 기판 3c부근에서는 거의 수직이다(하이브리드(hybrid)배향). 이 배열을 위에서 본 예가 제6(b)도에 나타나고 있다. 도면 중의 타원내의 화살표는 광축의 방향을 나타내고 있다. 층내의 각각의 광축의 방향이 동일 평면상에 있고, 즉 단일한 축상에 가지런히 배열되고 있다. 제6(c)도는 Z축에서 비스듬하게 관측되었을 때의 배열도이다. 경사방향은 도면 중의 XYZ축으로 나타나고 있다. 이와 반대의 대각선 방향에서 본 도면을 제6(d)도에 나타낸다. 제6(c)도, 제6(d)도에서 알 수 있는 것과 같이 제6(a)도의 배열을 Z축으로부터 비스듬하게 관측하면, 제6(c)도에서는 아래에서 위로 진행함에 따라 진행방향에서 보아 왼쪽 꼬임, 제6(d)도에서는 이와 반대인 오른쪽 꼬임으로 배열되어 있다. 이와 같이 비스듬히 배열하고 있는 광학이방소자에 의해 앞서 기술한 「상방위와 하방위 사이에서 선광의 회전방향이 반대」라는 성질이 실현될 수 있다.

다음으로 이와 같은 광학이방소자를 어떻게 구동용 액정셀과 조합하면 양호한 보상효과가 얻어지는가를 설명한다.

제7(a)도는 제3도, 제4도, 제5도에 나타난 구동용 액정셀을 제6도와 같이 화살표를 이용하여 나타낸 도면으로, 부호 Lip가 입사광의 편광축, 부호Lop가 출사광의 편광축을 나타내고 있다. 제7(a)도는 광학이방소자를, 제7(b)도는 중간조에 상당하는 전압을 인가한 구동용 액정셀 (TN)을 Z축에서 본 도면이다. 제7(c)도는 Z축 위에서 +X측으로 쓰려뜨려 보았을 때의 광학이방소자의 광축의 배열을 나타낸 도면이고, 도면 중에 직선편광이 입사한 경우의 선광상태를 나타냈다. 이 방향에서는 광학이방소자는 입사광의 편광면을 왼쪽 방향으로 회전시키는 성질(좌선광능)이 있다. 제7(d)도에 제7(c)도와 동일한 방향에서 보았을 때의 구동셀의 배열상태를 나타내었다. 액정분자는 중간조에 상당하는 전압(액정이 작동하는 임계 전압(스레숄드(threshold)전압)보다 약간 큰 전압)이 인가되어 있기 때문에 비스듬히 기울어져 있고 그 방향에서 보면 액정분자의 장축방향의 길이와 단축방향의 길이가 거의 같아지는 배향부분이 생긴다. 그 때문에 입사편광은 그다지 선광없이 투과하고 출사광의 편광축Lop의 방향은 입사광의 편광축Lip과 거의 변함이 없다. 이것이 표시가 어두워지는 「까맣게 되는 현상」로 불리는 표시이상의 원인이고, 이 경우 왼쪽회전에 편광을 선광시키면 (선광능을 증가시킨다) 이것이 개선된다. 앞서 나타낸 제7(c)도의 광학이방소자가이에 적합하다. 제7(c)도 광학이방소자에는 좌선광능이 있고 구동용 액정셀에서 부족한 선광을 보충한다.

한편 이것과 반대방위에 관해서 제7(e),(f)도를 사용하여 설명한다. 제7(e),(f)도는 제7(a)도의 광학이방소자를 Z축의 방향에서-X축으로 관측했을 때의 광축의 배열을 나타낸 것으로 도면의 입사광에 대해서 오른쪽으로 선회시키는 특성을 갖는다(우선광능). 제7(f)도는 제7(d)도와 같은 중간조의 전압이 인가된 상태이고 이 방향에서는 실제로 액정분자가 기울어 있는 데에도 불구하고 기울어져 있지 않는 것처럼 보이며, 그 때문에 큰 선광능이 나온다. 이것이 표시가 필요 이상으로 밝아진「하얗게 되는 현상」으로 불리는 표시이상의 원인이 되고, 왼쪽회전의 선광을 억제하는 우선광을 적용하면 여분의 선광을 해소할 수 있어「하얗게 되는 현상」이 개선된다. 제7(e)도의 광학이방소자는 우선광능이 있고, 이것을 구동셀과 조합함으로써 특성의 개선이 얻어진다.

이상 광학이방소자표면에 법선에 대해서 기울어진 방향에서의 선광성이 상기 법선의 방향에서의 선광성 보다도 큰 하이브리드 배향의 광학이방소자를 예로하여 시야각확대의 원리설명을 했지만, 하이브리드 배향으로 꼬인 배향을 한 광학이방소자나 상하기판 사이에서 균일하게 틸트 배향된 광학이방소자에서도 하이브리드 배향의 광학이방소자와 유사한 특성이 얻어지고, 그것은 액정표시소자의 설계수단에 따라서 선택할 수 있다.

또한 제8(a)도에 나타낸 것과 같이 표리면 2d, 2e 사이의 층내에 광축OL이 스프레이 배열의 광학이방소자를 사용하면, (b), (c)에서 화살표 TW에 나타나도록 대각선 방향에서 관측되는 배열의 꼬임 각은, 보다 커지고 양호한 보상효과가 얻어진다. 또한 벤드(bend) 배열에 관해서도 동일하다.

또한 TN을 예로 설명했지만 STN에서도 같은 원리를 적용할 수 있으므로 STN의 시각을 개선하는 수단으로서 사용되는 것도 가능하다.

상술한 광학이방소자는 주로 「까맣게 되는 현상」나 「하얗게 되는 현상」의 표시이상에 관하여 큰 개선효과가 있다. 발명자들은 광축이 광학이방소자의 두께 방향에서 광학이방성이 부호의 광학이방소자를 더욱 부가하면 더 좋은 개량효과를 얻는 것을 발견했다. 다음으로 광학이방성이 부호의 광학이방소자를 사용할 때에 시야각 특성이 개선되는 원리에 관해서 설명한다.

구동용 액정셀에 스레숄드전압 이상의 전압이 인가된 상태를 3차원의 굴절율 타원체로 나타내면 제9도에 나타난 것과 같이 된다. Z축은 액정셀의 두께방향에 XY면은 액정셀의 기판면에 상당한다. 복굴절 현상은 이 굴절율 타원체 RA의 중심점을 어떤 방향에서 보았을 때의 관측점과 굴절율 타원체RA의 중심점을 잇는 선의 굴절율 타원체 RA의 중심점상의 법선면이 굴절율 타원체 RA를 절단했을 때에 형성되는 타원형 절단면의 형상(여기에서는 2차원 면내의 굴절율체라고 부른다)에 의해 나타난다. 이 2차원 면내의 굴절율체의 장축과 단축의 길이의 차가 상광(常光)과 이상광의 위상차에 상당하고 액정셀을 끼운 편광판의 투과축이 서로 직교하고 있으면 그 위상차가 0일 때 액정셀의 투과광은 차단되고, 위상차가 0이 아닐 때에는 그 위상차와 입사광의 파장에 따른 투과광이 발생한다.

액정셀의 기판면에 수직으로 광이 입사한 경우(즉 액정셀을 바로 정면에서 보았을 때)에는 2차원면내의 굴절율체 RA4는 원이 되고 상광과 이상광의 위상차는 0이 되지만, 액정셀의 기판면으로부터 기울어진 방향RAI에서 광이 입사한 경우 굴절율체 RA5는 타원이 되고 상광과 이상과의 위상차가 발생하며, 바로 정면방향과 비스듬한 방향에서는 액정셀을 투과하는 광의 편광상태는 다르다.

제9도의 굴절율 타원체 RA를 보는 각도, 즉 시각RA3를 크게 하여 가면 시축 RA1의 2차원면내의 굴절율체RA5는 nRA1의 길이 방향으로 커지고 시축 RA1의 방향에서 보았을 때보다 큰 투과광이 관측된다. 이상적으로는 어떤 방위에서도 시각을 변화시켰을 때 2차원면내의 굴절율체의 형상이 변화되지 않는 것이 바람직하다.

이와 같은 광학적인 보상은 제10도에 나타난 것과 같이 원반상의 굴절율 타원체RB를 제9도의 굴절율 타원체RA의 Z축상에 배치함(즉 액정셀이 위 또는 아래에 인접하여 배치)으로써 실현할 수 있다. 이렇게 하면 시각 RA3를 크게 했을 때 굴절율타원체RA의 2차원면내의 굴절율체 RA5가 nRA1의 길이방향으로 커지는 것에 대해서 굴절율 타원체 RB의 nRA2의 길이방향의 굴절율이 커지고, 그 결과 합성된 2차원면내의 굴절율체는 원이 되며 굴절율 타원체 RA를 광학적으로 보상할 수 있고 시각특성이 향상된다.

실제의 액정표시소자에서는 구동용 액정셀의 굴절율 타원체는, 제9도에 나타난 것과 같이 타원의 장축은 표시면에 대해서 수직이 아니고 약간 기울어져 있다. 따라서 이것을 보상하는 제10도의 광학이방소자의 굴절율 타원체 RB는 이것에 맞추어 원반형상의 단축이 기울어져 있는 것이 바람직하다.

실제로는 제10도에 나타난 것과 같이 굴절율 타원체는 광축이 연속적으로 꼬인 배열을 한 광학이방성 물질로 이루어진 광학이방소자나 두께방향보다도 면내 방향의 굴절율 쪽이 작은 재료로 구성하므로써 실현할 수 있다.

이하에 광축이 연속적으로 꼬인 배열을 한 광학이방성 물질층으로 이루어진 광학이방소자로 광학이방성이 부호인 광학이방소자를 실현하는 방법에 관해서 설명한다.

일반적으로 구동용 액정셀은 액정셀에 인가하는 전압에 의해 가시의 파장영역의 광(일반적으로는 380nm에서 750nm까지의 영역)의 편광방향을 적극적으로 변화시켜서 표시하고 있다.

한편 본 발명의 광학보상용 광학이방소자의 경우, 광학이방성 물질층의 광축이 연속적으로 꼬여 있기 때문에 광학이방소자의 광학조건에 따라서는 선광성이 발생하는 일이 있다. 여기에서 선광성이란 광이 매질안을 진행함에 따라서 그 광의 진동방향이, 진행방향을 축으로 하여 왼쪽 또는 오른쪽으로 선회하는 성질을 나타낸다. 광축이 연속적으로 꼬인 광학이방소자의 리터데이션치를 일정하게 했을 때, 광축의 꼬인 피치가 긴 경우 광은 그 광축의 꼬임에 따라서 그 편광면을 회전시키지만, 광축의 꼬임 피치가 짧은 경우 광은 그 광축의 꼬임에 따라갈 수 없게 되어 선광현상은 일어나지 않는다. 광학이방소자의 선광성이 크면 소자를 투과하는 광의 편광면을 변화시켜 버려, 그 결과 콘트래스트비를 감소시키거나 경우에 따라서는 광의 파장에 의해 편관면이 종종 변화되고 광학이방소자를 투과한 광이 착색되는 등의 문제가 발생한다.

따라서 적어도 광학이방소자의 가시광에 대한 선광성은 구동용 액정셀의 가시광에 대한 선광성에 대해서 작아지게 할 필요가 있다. 선광성은 매질을 투과하는 광의 파장과 광이 투과하는 매질에 의해 크게 의존한다. 선광성의 대소는 광축의 변화에 대한 매질의 리터데이션치의 변화 정도로 나타난다.

따라서 구동용 액정셀의 선광성의 대소는 구동용 액정셀의 액정 상광에 대한 굴절율no와 이상광에 대한 굴절율ne의 차를nl(=ne-no:굴절율이방성), 액정층의 두께를 d1, 액정층의 꼬인 배열의 각도(트위스트각)을 T1이라 하면,

n1ㆍd1/T1=R1/T1 [1.1]

단 R1=n1ㆍd1(리터데이션치)로 나타낸다.

마찬가지로 하여 보상용 광학이방소자의 선광성의 대소는 보상용 광학이방소자의 광학이방성 물질층의 굴절율 이방성을n2, 적층된 광학이방성 물질층의 두께를 d2, 광학이방성 물질층의 광축의 총 꼬임각도를 T2라 하면,

n2ㆍd2/T2=R2/T2 [1.2]

단 R2=n2ㆍd2로 나타낼 수 있다.

따라서 보상용 광학이방소자의 선광성과 구동용 액정셀의 선광성의 대소관계는, (1.1), (1.2)식에서

(R1/T1)>(R2/T2) [1.3]

이 된다.

광학이방성 물질층의 광축이 연속적으로 꼬여 있는 광학이방소자 내의 광의 전파는 다음식에 의해 나타나는 매개변수로 나타난다(C.Z.Van Doorn, Physics Letters 42A, 7(1973)).

f=/(p n) [1.4]

단는 진공중의 광의 파장(가시의 파장범위)

p는 광축의 꼬임 피치길이(p=d/T).

f<<1의 경우에는 광학이방소자 중의 광은 편광면이 광축의 꼬임각에 따라서 변화하고 선광성을 갖는다. 상술한 것과 같이 광학이방소자는 선광성이 작은 것이 바람직하고 광학이방소자는 f>1의 조건을 만족시킬 필요가 있다. 따라서 광학이방소자는 [1.4]식에서

p n<[1.5]

이 성립될 필요가 있다.

그런데 트위스트각이 매우 큰, 즉 나선피치의 길이가 짧은 액정을 코레스테릭액정이라고 일반적으로 칭하지만, 이 액정의 나선피치의 길이 p와 코레스테릭 액정의 평균 굴절율n의 곱 np의 값이 가시의 파장범위(조건에 따라 다르고 단파장 단은 360nm에서 400nm, 장파장 단은 760nm에서 830nm의범위)에 있으면 선택산란을 발생시킨다(J>L>Fergason:Molecular CRystals. 1. 293(1966)). 이와 같은 현상은 코레스테릭 액정셀에만 보이는 현상이 아니고 광학이방체의 광축이 연속적으로 꼬인 광학이방소자에서도 일어날 수 있다. 선택 산란이 발생하면 광학이방소자의 착색현상이 발생하여 표시색이 변화된다. 따라서 광학이방소자를 형성하는 광학이방성 물질층의 평균굴절율n과 광축의 꼬임 피치p의 곱 np가 가시의 파장범위에서 제거되도록 하면 착색 현상을 방지할 수 있다.

또한 광학이방소자는 고분자 필름을 잡아 늘림으로써 광학이방성을 발생시킨 위상차 필름(retardation film)을 적층한 것이나 꼬임 배열시킨 액정셀 및 고분자 액정을 꼬임 배열시킨 박막에 의해 실현될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 구동용 액정셀의 기판의 적어도 어느 쪽인가 한 쪽에 이 고분자층을 도포함으로써 얻어지고, 제조상 용이하게 되어 바람직한 액정표시소자가 얻어진다. 예를 들어 폴리시록산 주사슬로하고 곁사슬에 비페닐벤조에이트등 콜레스테릭기를 적당한 비율로 갖도록한 고분자공중합체등을 사용할 수 있다. 또는 아크릴로릴옥시기 등을 사용한 중합성관능기를 부여한 자외선에 의해 경화되는 액정을 사용해도 본 발명의 광학이방소자를 실현할 수 있다.

이하 본 발명의 액정표시소자의 실시형태를 상세히 설명한다.

[실시형태 1]

제1도 및 제2도에 본 실시형태에 따른 액정표시소자의 단면도를 나타낸다. 액정표시소자는 2장의 편광판(1), (4)(LLC2-92-18:SANRITZ사제)와 이들 사이에 시각보상용의 광학이방소자인 액정셀(2)와 구동용 액정셀(3)을 끼운 구성을 갖고 있다. 편광판(1)은 투명기판(1b)이 내측에 편광막(1a)를 끼워 부착한 것이고 편광판(4)도 동일하게 투명기판(4b)에 편광막(4a)를 부착하여 형성된다.

광학이방소자로서 시각보상용액정셀(2)은 이들의 편광판(1), (4) 사이에 배치되고 투명기판(2a), (2b) 사이에 액정(2c)를 개재시킨 액정셀 구조를 갖는다. 기판 (2a), (2b)는 표면에 SiO₂를 사방(斜方)증착하고, 사이에 꼬인 네마틱(neatic)액정에 카이랄제 S811(E. Merck Co.,ltd제)를 혼입한 액정층인 광학이방성 물질층이 꼬임각이 270로 도입되고 액정분자는 50의 프레틸트각을 유지한 채 하측기판(2b)에서 상측기판(2a)로 반시계방향 회전으로 꼬여 있다(왼쪽 꼬임). 시각보상용액정셀(2)에 사용한 광학이방성 물질층으로서의 액정재료의n은 0.189, 나선피치는 1.33㎛, 층 두께는 1㎛이다.

구동용액정셀(3)은 시각보상용액정셀(2)와 편광판(4) 사이에 배치된다. 2장의 상측기판(3a)와 하측기판(3b)는 각각 투명전극(3c), (3d)를 형성하고 있고, 구동전원(3f)에 접속된다. 기판(3a), (3b) 사이에 정(正)의 유전이방성을 갖는 꼬임 네마틱액정(ZLI-4287, E.Merck Co.Ltd.사제)에 카이랄제 S811(상품명, E. merck Co.Ltd.사제)을 혼입한 것이 꼬인각이 90로 도입되고 구동전원(3f)에서의 인가전압에 따라서 상태가 변화한다. 전압무인가시는 꼬인배열을 유지한다.

구동용액정셀(3)에 사용한 액정의n은 0.093, 액정층의 두께는 5.5㎛이다. 구동용액정셀(3)의 액정분자는 하측기판(3b)에서 상측기판(3b)로 반시계방향회전으로 꼬여 있다(왼쪽 꼬임). 본 셀(3)은 90트위스트각에 TN셀로서 작동하고 선광작용에 의해 광제어한다.

제2(a)도는 본 실시형태에 따른 액정표시소자의 구성을 나타내는 분해사시도이다. (1.1) 및 (4.1)은 2장의 편광판(1) 및 (4)의 투과축이고 이것들은 서로 직교하고 (1.1)은 Y축에 대해서 기판의 법선방향이다. +Z방향에서 보아 반시계방향 회전으로 135에 배치된다.(3.1), (3.2)는 구동용 액정셀(3)의 상측기판(3a)와 하측기판(3b)의 러빙축, 즉 배향처리방향이며 이들은 서로 직교하고 Y축에 대하여 러빙축(3.1)이 이루는 각은 +Z방향에서 보아 반시계방향회전으로 45에 배치된다.

광학이방소자인 시각보상용액정셀(2)의 (2.1), (2.2)은 각각 상측과 하측기판(2a), (2b)의 러빙축으로 이들은 서로 직교하고 시각보상용액정셀(2)는 러빙축(2.2)가 구동용액정셀(3)의 러빙축(3.1)과 평행이 되도록 배치된다. 즉 액정분자 LM의 광축 OL (제6도)는 이들 러빙축을 따라서 배치되고, 액정층이 기판이 러빙 처리된 면에 접하는 쪽에 따른 액정층의 광축이 된다.

편광판(1)은 투과축(1.1)이 시각보상용액정셀(2)의 러빙축(2.1)과 직교하도록 배치했다.

본 구성의 액정표시소자를 제2(b)도의 좌표계로 전기광학특성을 측정했다. 측정시의 전압치(구동전원 (3f)에서 구동용액정셀(3)의 전극(3c)-(3d) 사이에 인가하는 전압)은 1V에서 5V까지 변화되었다. 결과를 제11도에 도시하였다. 제11도는 상하좌우의 4방위의 인가전압-투과율 특성이 각각 나타나 있고, 정면에서 60까지 시각을 30마다 변화시켰을 때의 투과율을 나타내고 있다. 이상적인 것은 어느 시각에서도 정면(시각=0)의 투과율곡선과 동일한 것이다. 정면 방향에서는 어느 전압을 넘기면 전압의 증가와 함께 투과율이 감소한다.

제12도는 종래 기술의 비교예의 TN-LCD의 인가전압-투과율특성도인데, 하방위의 특성은 시각이 커짐에 따라 투과율이 감소한다. 이것은 실제로 계조표시를 한 경우에는 [까맣게 되는 현상]이 발생하는 것에 상당한다. 또한 시각 60에서의 3V부근의 투과율의 재증가는 실제의 표시에서는 [반전]에 상당한다. 상방위에 관해서 보면 3V의 전압으로 시각이 0에서 60으로 커짐에 따라서 투과율은 증가해 간다. 이것은 실제의 표시에서는 [하얗게 되는 현상]에 상당한다.

본 실시형태의 경우 제11도를 보면 하방위의 투과율의 저하 및 3V부근의 투과율의 재증가가 개선되어 있다. 즉 하방위의 까맣게 되는 현상과 반전이 개량되어 있다. 또한 상방위의 하얗게 되는 현상도 약간 개량되어 있는 것이 3에서 5V영역의 시각 30, 60의 투과율의 비교에서 알 수 있다.

실제로 본 구성에서 컬러필터를 액정셀 내에 구비한 화면 사이즈대각 10인치로 이루어진 TFT-LCD를 작성한 바, 방위나 시각을 변화시켜도 표시내용을 식별할 수 있는 양호한 풀컬러표시를 얻었다.

[비교예 1]

실시형태 1에 있어서 시각보상용액정셀(2)가 없는 경우의 전압-투과율특성을 측정했다. 특정결과를 제12도에 나타낸다. 본 비교예에서는 각도에 따라서 상방위에서는 표시가 하얗게 되고, 하방향에서는 표시가 검게 되거나 계조가 반전하는 현상이 보였다.

[비교예 2]

실시형태 1에서 시각보상용액정셀(2)의 배향막으로서 경사(틸트)각이 1인 폴리이미드를 사용하여 제작했다. 그 이외의 조건은 실시형태 1과 완전히 동일하다. 전압-투과율특성의 측정결과를 제14도에 나타낸다. 시각보상용액정셀(2)의 프레틸트각이 작아지고 정면방향으로 투과율이 완전히 내려가지 않고 콘트래스트비의 저하가 발생한다. 또한 경사방향의 특성도 종래예 특성도인 제12도와 비교하면 알 수 있는 것과 같이 상방위를 뺀 방위의 특성이 나빠졌다.

[실시형태 2]

제13도는 본 실시형태에 따른 액정표시소자의 구성을 나타내는 분해사시도이다. 실시형태 1에 있어서 광학이방소자인 시각보상용액정셀(2)는 하측기판(2b)의 액정과 접하는 면쪽에 폴리이미드 AL-1051(니혼고세고무제)가 도포되고, 그 표면에 러빙처리가 되어 있다. 프레틸트각은 1이다. 한편 상측기판(2a)의 액정과 접하는 쪽에는 수직배향처리가 되어 있다. 사용한 액정재료의n은 0.039이고 액정층의 두께는 4.4㎛이다. 액정분자의 광축, 즉 광학이방소자의 광축은 구동용액정셀(3)쪽에서 셀에 평행이고, 층 두께 방향으로 연속적으로 변화되어 액정셀(3)에서 떨어진 쪽에서 거의 셀기판의 법선방향을 따르고 있다. 트위스트각은 0이다.

(1.1) 및 (1.4)은 편광판(1) 및 (4)의 투과축이고 이들은 서로 직교하여 (1.1)은 Y축에 대해 +Z방향에서 보아 반시계방향회전으로 135에 배치된다. (3.1)과 (3.2)는 구동용액정셀(3)의 상측과 하측 기판(3a), (3b)의 러빙축으로 이들은 서로 직교하고, Y축에 대해 러빙축(3.1)과 이루는 각은 +Z방향에서 보아 반시계방향 회전으로 45에 배치된다.

시각보상용액정셀(2)의 광축(2.2)는 하측의 기판(2b)의 러빙축으로 구동용액정셀(3)의 상측기판의 러빙축(3.1)에 직교하고, 하측기판의 러빙축(3.2)와 평행하게 되도록 배치된다.

편광판(1)의 투과축(1.1)은 구동용액정셀(3)의 상측기판의 러빙축(3.1)과 평행이 되도록 배치했다.

본 구성의 액정표시소자를 제2(b)도의 좌표계로 전기광학특성을 측정했다. 측정시의 전압치(구동전원(3f)에서 구동용액정셀(3)의 전극(3c)-(3d) 사이에 인가하는 전압)는 1V에서 5V까지 변화시켰다. 결과를 제15도에 나타낸다. 비교예 1의 전압-투과율특성(제12도)와 비교하면 상하방향, 특히 하방위에 있어서 까맣게 되는 현상과 계조의 반전이 감소하여 시각이 확대되었다. 실제로 본 구성에서 컬러필터를 액정셀 내에 구비한 화면사이즈 대각 10인치로 이루어진 TFT-LCD를 제작하여, 방위나 시각을 변화시켜도 표시내용을 식별할 수 있는 양호한 풀컬러 표시를 얻었다.

[실시형태 3]

본 실시형태의 구성도를 제16도에 나타낸다. 실시형태 1에 있어서, 제1의 광학이방소자인 시각보상용액정셀(2)와 구동용액정셀(3)사이에 광학이방성이 두께방향을 광축으로 했을 때 부호가 되는 제2의 광학이방소자인 광학이방소자(5)를 배치했다. 광학이방소자(5)는 광축(제16도 내에 n_z으로 도시)이 두께 방향의 Z축에 대해 XZ면내에서 60(δ)기울고, 이 광축법선면의 굴절율이 광축방향이 굴절율보다 크다. 리터데이션치는 140nm이다. 본 구성의 액정표시소자를 제2(b)도의 좌표축에서 정의된 방위에서 전기광학특성을 측정한 결과를 제17도에 나타낸다. 비교예 1의 특성도인 제12도와 비교하면 알 수 있듯이 실시형태 1의 상방위의 특성이 더욱 개선되어 있다

[실시형태 4]

본 실시형태의 구성을 제18도에 나타낸다. 실시형태 2에 있어서 제1의 광학이방소자인 시각보상용액정셀(2)와 구동용액정셀(3) 사이에 제2의 광학이방소자로서 부(네거티브)의 광학이방성을 갖는 광학이방소자(5)를 배치했다. 구성을 제18도에 나타낸다. 광학이방소자(5)는 광축(제18도 중에 n_z으로 도시)이 Z축과 평행이고, 이 광축법선면의 굴절율이 광축방향의 굴절율보다 크다. 리터데이션치는 -140nm이다. 본 구성의 액정표시소자를 제2(b)도의 좌표계에서 정의된 방위에서 전기광학특성을 특정한 결과를 제19도에 나타낸다. 비교예 1의 특성 제12도와 비교하면 알 수 있는 것과 같이 실시형태 2의 상방위의 특성이 더욱 개량되었다.

[실시형태 5]

실시형태 2에 있어서 시각보상용액정셀(2)과 구동용액정셀(3)의 사이에 꼬인각 720의 제2의 시각보상용액정셀을 배치했다. 사용한 액정재료의n은 0.039, 피치길이는 3.5㎛이다. 액정층의 두께는 0.7㎛이고 배향은 폴리이미드막을 상하 기판 사이에서 반대 방향으로 러빙함으로써 수평으로 배향되어 있다. 제2의 보상셀은 보상셀의 러빙축이 구동용액정셀(3)의 하측기판의 러빙축과 평행이 되도록 배치했다. 본 구성의 액정표시소자를 제2(b)도의 좌표계에서 정의된 방위에서 전기광학특성을 측정한 결과를 제20도에 나타낸다. 종래의 예인 비교예 1의 특성 제12도와 비교하면 알 수 있는 것과 같이 실시형태 2의 상방위의 특성이 개량되었다.

[실시형태 6]

구성을 제21도에 나타낸 것과 같이 실시형태 2에 있어서 광학이방성 물질층을 액정층에서 형성한 액정셀로 이루어진 광학이방소자인 시각보상용액정셀(2)과 구동용액정셀(3)의 사이에 부(네거티브)의 광학이방성을 갖는 고분자공중합체로 이루어진 광학이방소자(6)를 배치했다. 광학이방소자(6)는 광축(도면 중에 n_z으로 도시)이 Z축과 평행하고, 이 광축법선면의 굴절율 n_x, n_y,가 광축방향의 굴절율 n_z보다 크다. 리터데이션치는 -100nm이다. 시각보상용액정셀(2)의 액정층의 두께는 3.4㎛이다.

구동용액정셀(3)과 편광판(4)의 사이에는 광학이방소자(6)와 동일한 광학이방소자(7)가 구동용액정셀(3)쪽에 배치되고, 시각보상용액정셀(5)은 광학이방소자(7)와 편광판(4)사이에 배치된다. 시각보상용액정셀(5)은 시각보상용액성셀(2)과 동일한 배향막에서 제작되고 상측기판이 (5.1)의 화살표 방향으로 러빙되어 있다. 편광판(4)쪽의 기판의 시각보상용액정셀(5)의 액정에 접하는 쪽의 기판표면에는 수직배향처리가 되어 있다. 러빙축(5.1)은 구동용액정셀(3)의 상측기판의 러빙축(3.1)과 평행이다.

본 구성의 액정표시소자를 제2(b)도의 좌표계에서 정의되는 방위에서 전기광학특성을 측정한 결과를 제22도에 나타낸다. 종래예의 특성을 나타난 제12도와 비교하면 알 수 있는 것과 같이, 상하좌우 모든 방위에 관해서 본 실시형태의 쪽이 실시형태 2보다도 시각특성이 개량되었다.

[실시형태 7]

실시형태 2에 있어서 시각보상용액정셀(2)와 (5)를 폴리실록산 주사슬로 하고, 곁사슬에 비페닐벤조에이트와 콜레스테릭기를 적당한 비로 갖도록한 고분자공중합체로 제작한바, 실시형태 6과 동일한 특성이 얻어졌다. 또한 고분자중합체로 광학이방소자를 제작함으로써, 보다 얇은 형태의 액정표시소자가 실현된다.

본 발명에 따르면 액정표시소자의 콘트래스트, 표시색의 시각특성이 개선되고 시인성(視認性)에 뛰어난 고품위표시의 액정표시소자를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 TFT를 사용한 TN-LCD에 관해서만 다루었는데, MIM등을 사용한 액티브매트릭스 및 STN등의 심플매트릭스 액정표시소자에 응용해도 우수한 효과가 얻어진다.

Claims (19)

1. 2장의 편광판과 이들 2장의 편광판 사이에 배치되고 2장의 기판사이에 협지되어 전압무인가시에 꼬인 배향을 하고 있는 액정층을 갖고 액정의 선광성을 사용하여 광제어하는 구동용액정셀을 구비한 액정표시소자에 있어서, 상기 편광판과 상기 구동용액정셀 사이에 선광성을 갖는 상기 기판의 법선에 대해서 기울어진 방향에서의 선광성이, 상기 기판의 법선의 방향에서의 선광성보다도 큰 광학이방소자를 배치한 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
2. 제1항에 있어서, 광학이방소자의 광학이방성단위의 광축의 각도가 구동용액정셀기판표면에 대해서 상기 광학이방소자의 층두께 방향으로 연속적 또는 단계적으로 변화하고, 또한 광학이방성 단위의 광학이방성이 정호(正)인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학이방소자의 광학이방성단위의 광축의 각도가 구동용액정셀의 기판표면에 거의 평행이고, 상기 기판에서 떨어진 쪽에서 거의 상기 기판의 법선을 따르도록 상기 광학이방소자의 층내에서 변화되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학이방소자의 광학이방성단위의 광축의 각도가 구동용액정셀의 기판의 법선을 따르고 있고, 상기 기판에서 떨어진 쪽에서 상기 기판표면에 거의 평행이 되도록 상기 광학이방소자의 층내에서 변화되고 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학이방소자를 형성하는 광학이방성단위의 광축의 광학이방소자 층두께방향의 배열이 벤드배열인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학이방소자를 형성하는 광학이방성단위의 광축의 광학이방소자 층 두께방향의 배열이 스프레이배열인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 구동용액정셀의 기판의 법선방향에서 보았을 때 광학이방소자 층내의 각각의 광축의 방향이 단일한 축상에 가지런히 배열된 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
8. 제1항에 있어서, 층을 갖고 광축의 각도가 거의 구동용 액정셀의 기판의 법선을 따르고 있고 상기 기판에서 떨어진 쪽에서 상기 기판표면에 거의 평행이 되도록 층내에서 변화되어 있으며, 또한 상기 구동용 액정셀의 기판의 법선방향에서 보았을 때 상기 층내 각각의 광축의 방향이 단일한 축상에 가지런히 배열된 것을 특징으로 하는 제1광학이방소자와, 층을 갖고 광축의 각도가 상기 구동용 액정셀의 기판표면에 거의 평행이고 상기 기판에서 떨어진 쪽에서 거의 상기 기판의 법선을 따르도록 층내에서 변화되어 있으며, 또한 상기 구동용액정셀의 기판의 법선방향에서 보았을 때 상기 층내 각각의 광축의 방향이 단일한 축상에 가지런히 배열된 제2광학이방소자가 각각 적어도 1개 배치되고 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
9. 제1항에 있어서, 단일한 축이 편광판의 흡수축에 대해서 평행 또는 직교하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
10. 제8항에 있어서, 편광판과 광학이방소자의 사이에 두께 방향에 대해서 광학이방성이 부호인 제2의 광학이방소자를 배치하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
11. 제1항에 있어서, 광학이방소자가 고분자액정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
12. 2장의 편광판과 이들 2장의 편광판 사이에 배치되고 2장의 기판 사이에 협지되어 전압무인가시에 꼬인 배향을 하고 있는 액정층을 갖고, 액정의 선광성을 이용하여 광제어하는 구동용액정셀을 구비한 액정표시소자에 있어서, 상기 구동용액정셀이 기판법선을 기준으로 하여 대칭적으로 기울어진 2방향에 있어서 선광성이 큰 제1방향과 선광성이 작은 제2의 방향을 갖는 것이며, 상기 편광판과 상기 구동용액정셀 사이에 상기 기판의 법선에 대해서 기울어진 방향으로의 선광성이 상기 기판의 법선 방향으로의 선광성보다도 크고 상기 기판의 법선을 기준으로 하여 대칭적으로 기울어진 상기 2방향에 있어서 선광성이 작은 상기 제1의 방향과 선광성이 큰 제2의 방향을 갖는 광학이방소자를 배치하고, 상기 구동용액정셀의 선광성의 비대칭을 상기 광학이방소자가 보상하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
13. 광학이방성 물질층으로 이루어진 광학이방소자에 있어서, 상기 광학이방성 물질층이 광학이방소자 표면의 법선에 대해 기울어진 방향에서의 선광성이 상기 법선의 방향에서의 선광성 보다도 큰 것을 특징으로 하는 광학이방소자.
14. 제13항에 있어서, 광학이방소자의 광축의 각도가 광학이방소자표면에 대해서 상기 광학이방소자의 층 두께 방향으로 연속적 또는 단계적으로 변화되고 있는 것을 특징으로 하는 광학이방소자.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 광학이방소자의 광축의 각도가 광학이방소자의 한 쪽의 표면에 거의 평행이고, 거의 상기 광학이방소자의 다른 쪽 표면의 법선을 따르도록 상기 광학이방소자의 층내에서 변화되어 있는 것을 특징으로 하는 광학이방소자.
16. 제13항 또는 제14항에 있어서, 광학이방소자의 광축의 각도가 거의 상기 광학이방소자의 한 쪽 표면 법선을 따르고 있고, 상기 광학이방소자의 다른 표면쪽에 거의 평행이 되도록 상기 광학이방소자의 층내에서 변화되어 있는 것을 특징으로 하는 광학이방소자.
17. 제13항에 있어서, 광학이방소자 광축의 층의 각각의 방향이 상기 광학이방소자 층의 면 방향으로 단일한 축상에 가지런히 배열된 것을 특징으로 하는 광학이방소자.
18. 제13항에 있어서, 광학이방성 물질층이 고분자액정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학이방소자.
19. 제13항에 있어서, 광학이방소자가 광학이방소자 표면의 법선을 기준으로 하여 대칭적으로 기울어진 2방향에 있어서 선광성이 큰 제1의 방향과 선광성이 작은 제2의 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 광학이방소자.