KR100259762B1 - 액정표시장치 - Google Patents

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KR100259762B1
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브루스케이.윈커
Iii 윌리암제이.구닝
도날드비.타버
헤일 레오나드지
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존제이. 데인컨
록크웰 인터내셔날 코포레이션
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Abstract

디스플레이에 수직인 수직축에 대해 다양한 각에서 시청하기 위한 액정 디스플레이가 흡수 축을 갖는 편광자 층, 편광자층의 흡수축에 실질적으로 수직인 흡수축을 갖는 분광기층, 편광자층과 분광기 층사이에 배치되고, 수직축에 대해 층을 통해 방위각 트위스트를 나타내는 디렉터를 갖는 액정층, 제 1 전극과 제 2 전극이 이 전극들이 전위원에 접속될 때, 액정층을 통해 전압을 인가하기에 적합한, 액정층의 제 1 주요표면에 근접한 제 1 전극, 액정층의 제 2 주요표면에 근접한 제 2 전극, 및 수직축에 대해 실질적으로 비스듬한 각으로 배향된 주요대칭축을 가지며 편광자층과 분광기 층사이에 배치된 양의 복굴절 0-플레이트 보상기층을 포함하는 보상기를 포함한다.

Description

액정표시장치
제1도는 본 발명의 설명에서 각종 구성요소의 배향을 특정하는데 사용된 규약을 나타내는 좌표계.
제2도는 본 발명에 따라 구성된 투과형이고 노멀리 화이트형의 90°트위스티드 네마틱 액정표시장치(LCD)의 개략 단면도.
제3도는 90°트위스티드 네마틱 액정셀에서의 위치(횡축상에 깊이의 분획(分劃)으로 나타냄)와 디렉터의 경사각(종축상에 도(度)로 나타냄) 사이의 관계를 나타내는 그래프.
제4도는 상기한 액정셀에서의 위치와 액정분자의 트위스트각 사이의 관계를 나타내는 그래프.
제5도는 본 발명에 의해 제공되는 계조(階調) 개선의 이점(利點)이 없는 전형적인 트위스티드 네마틱 표시장치에 있어서 다양한 수평 관찰방향에서의 계산된 휘도 대 전압(BV) 전기광학 곡선을 나타내는 그래프.
제6도는 본 발명에 의해 제공되는 계조 개선의 이점이 없는 전형적인 트위스티드 네마틱 표시장치에 있어서 다양한 수직 관찰방향에서의 계산된 휘도 대 전압(BV) 전기광학 곡선을 나타내는 그래프.
제7도는 관찰자의 여러 시각과 액정의 평균 디렉터 배향과의 관계를 나타내는 도면.
제8도는 본 발명에 따라 구성된 A-O-C-LC-C-O 구조를 갖는 계조 보상기의 개략 도해도.
제9도는 제8도의 보상기 구조에 있어서의 다양한 수평 시야각에서의 BV 특성을 나타내는 전압과 투과된 광의 관계에 대한 그래프.
제10도는 제8도의 보상기 구조에 있어서의 다양한 수직 시야각에서의 BV 특성을 나타내는 전압과 투과된 광의 관계에 대한 그래프.
제11도는 제8도의 보상기 구조에 있어서의 수직 및 수평 시야각에 따른 계산된 이소콘트라스트(isocontrast) 윤곽을 나타내는 도면.
제12도는 본 발명에 따라 구성된 A-O×O-A-LC 구조를 갖는 계조 보상기의 개략 도해도.
제13도는 제12도의 보상기 구조에 있어서의 다양한 수평 시야각에서의 BV 특성을 나타내는 전압과 투과된 광의 관계에 대한 그래프.
제14도는 제12도의 보상기 구조에 있어서의 다양한 수직 시야각에서의 BV 특성을 나타내는 전압과 투과된 광의 관계에 대한 그래프.
제15도는 제12도의 보상기 구조에 있어서의 수직 및 수평 시야각에 따른 계산된 이소콘트라스트 윤곽을 나타내는 도면.
제16도는 본 발명에 따른 구성된 O-A-LC 구조를 갖는 계조 보상기의 개략 도해도.
제17도는 제16도의 보상기 구조에 있어서의 다양한 수평 시야각에서의 BV 특성을 나타내는 전압과 투과된 광의 관계에 대한 그래프.
제18도는 제16도의 보상기 구조에 있어서의 다양한 수직 시야각에서의 BV 특성을 나타내는 전압과 투과된 광의 관계에 대한 그래프.
제19도는 제16도의 보상기 구조에 있어서의 수직 및 수평 시야각에 따른 계산된 이소콘트라스트 윤곽을 나타내는 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
212 : 제1 투명전극 214 : 제2 투명전극
222 : 편광층 224 : 검광층
226 : 액정층 236 : 전원
238, 240 : 유리판 246, 248 : 광선
250, 252 : 보상층
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 구체적으로는, 높은 콘트라스트비를 유지하고, 또한 넓은 범위의 시야각에서의 상대적 그레이 레벨(gray level)의 변동을 최소로 유지함으로써 액정표시장치의 시야를 극대화시키는 기술에 관한 것이다.
액정층을 통과하는 편광이 그 액정층에의 전압인가에 의해 제어될 수 있는 그 액정층의 복굴절에 의해 영향을 받기 때문에, 액정이 전자표시장치에 유용하다. 이러한 효과를 이용함으로써, 주위 광을 포함한 외부 광원으로부터의 광의 투과 또는 반사가, 다른 타입의 표시장치들에서 통상 사용되는 발광물질에 요구되는 것보다 훨씬 적은 전력으로 제어될 수 있다. 그 결과, 디지털 시계, 계산기, 휴대용 컴퓨터 및 많은 다른 타입의 전자장치와 같은 다양한 응용제품에 액정표시장치가 일반적으로 사용되고 있고, 이들 응용제품에서, 매우 낮은 중량 및 낮은 전력소비와 함께 수명이 매우 길다는 이점(利點)을 나타내고 있다.
많은 액정표시장치에 있어서, 정보가, 일정 패턴으로 배열된 다수의 세그멘트 전극들에 의해 발생되는 숫자 또는 문자 열의 형태로 제공된다. 그 전극 세그멘트들은 개개의 도선에 의해 구동장치에 접속되어 있고, 그 구동장치가 적절히 조합된 세그멘트들에 전압을 인가하여, 그 세그멘트들을 통하여 투과되는 광을 제어함으로써 소망의 정보를 표시하도록 한다. 2세트의 수직 도체들 사이의 X-Y 순차 어드레싱(addressing) 구조에 의해 연결되어 있는 화소 매트릭스를 이용함으로써 그래픽 정보 또는 텔레비젼 표시가 달성될 수 있다. 주로 트위스티드 네마틱 액정표시장치에 적용되는 보다 진보된 어드레싱 구조는 박막트랜지스터 어레이를 이용하여 개개의 화소에서의 구동전압을 제어한다.
콘트라스트와 상대적 계조(階調) 농도의 안정성이 액정표시장치의 화질을 결정하는 중요한 특성이다. 액정표시장치에서 이룰 수 있는 콘트라스트를 제한하는 주요 인자는 암(暗) 상태에서 표시장치를 통해 누설되는 광의 양이다. 또한, 액정장치의 콘트라스트비는 시야각에 의해서도 좌우된다. 통상의 액정표시장치에서의 콘트라스트비는 수직 입사각을 중심으로 하여 좁은 시야각내에서만 최대이며, 시야각이 커질수록 저하한다. 이러한 콘트라스트비의 저하는 넓은 시야각에서 암(暗) 상태의 화소를 통한 광누설에 의해 야기된다. 컬러 액정표시장치에서는, 그러한 광누설이 포화색과 계조(階調)색 모두에 대한 심한 색전이(color shift)를 야기하기도 한다. 종래의 전형적인 트위스티드 네마틱 액정표시장치에서의 허용가능한 계조 안정성을 위한 시야 범위는, 암 상태에서의 광누설에 의해 야기되는 색전이외에, 액정분자의 광학적 이방성(anisotropy)이 시야각에 따른 그레이 레벨 투과의 큰 변동, 즉, 휘도-전압(BV) 곡선의 시프트(shift)를 야기하기 때문에 엄격하게 제한된다. 그 변동은 극단의 수직 각도에서는 그레이 레벨의 일부가 그들의 투과 레벨을 역전시키기에 충분히 심하다. 이들 문제는, 주조종사의 좌석위치와 부조종사의 좌석위치 모두로부터 항공전자장치의 표시장치를 관찰하는 것이 중요한 항공전자장치와 같은, 매우 높은 화질의 표시를 요하는 응용분야에서는 특히 중요하다. 그러한 높은 정보 함유량의 표시장치는 상대적 그레이 레벨 투과가 시야각에 대하여 가능한 한 불변일 것을 요한다. 넓은 시야에 걸쳐 양질이고 높은 콘트라스트의 영상을 제공할 수 있는 액정표시장치를 제공하는 것이 당해 기술분야에서 획기적인 개선이 될 것이다.
독특한 배향을 갖는 정(正)복굴절성 0판 보상층을 포함하는 본 발명의 보상기 구조는 넓은 범위의 시야각에 걸쳐 액정표시장치의 계조 특성과 콘트라스트비의 현저한 개선을 가능케 한다. 본 발명에 따르면, 표시장치에 수직인 수직축에 대하여 다양한 각도에서 볼 수 있게 하는 액정표시장치로서, 흡수축을 가진 편광층, 그 편광층의 흡수축에 실질적으로 수직인 흡수축을 가진 검광층, 상기 편광층과 검광층 사이에 배치되고, 상기 수직축에 대하여 방위각 트위스트를 나타내는 디렉터(director)를 가지는 액정층, 전원에 접속된 때 상기 액정층을 가로질러 전압을 인가하도록 상기 액정층의 제1 주표면 및 제2 주표면에 각각 인접하여 배치된 제1 및 제2 전극, 및 주 대칭축이 상기 수직축에 대하여 비스듬한 각도로 배향되어 상기 편광층과 검광층 사이에 배치된 정복굴절성 0판 보상층을 포함하는 보상기를 포함하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치가 제공된다.
보다 특정한 실시형태에 있어서는, 상기 0판 보상층의 주 대칭축은 액정층에 대한 BV 곡선의 계조 전이 영역에서의 전압에서 액정층의 중앙영역의 평균 액정 디렉터의 배향에 대략 수직으로 배향된다. 또다른 실시형태에서는, 상기 0판 보상층의 주 대칭축은 액정층에 대한 BV 곡선의 계조 전이 영역에서의 전압에서 액정층의 중앙영역의 평균 액정 디렉터의 수직축에 대한 배향각과 대략 동일한, 수직축에 대한 각도로 배향되고, 수직축을 중심으로 한 상기 0판 보상층의 주 대칭축의 방위각 배향이 평균 액정 디렉터의 방위각 배향에 대해 대략 180°회전된다.
보상기는 하나 이상의 정복굴절성 A판 보상층을 포함할 수도 있고, 각각의 A판 보상층은 수직 입사에서 보상기를 통과하는 광의 지연이 최소화되도록 그의 광학축이 0판 보상층의 광학축에 대하여 배향된다.
또한, 하나 이상의 부(負)복굴절성 C판 보상층이 보상기에 추가될 수도 있다.
0판 보상층은 수직축에 대해 실질적으로 비스듬한 각도로 배향된 광학축을 갖는 제2의 정복굴절성 0판 보상층과 결합될 수 있고, 제1 및 제2의 0판 보상층들의 방위각이 서로 교차되어, 2개의 0판이 교차된 0판을 구성한다.
직접 보았을 때는, 트위스티드 네마틱 액정표시장치는 고화질의 출력을 제공하지만, 큰 시야각에서는, 영상이 퇴화하고 불량한 콘트라스트와 계조 불균일성을 나타내는 경향이 있다. 이것은, 통과하는 광에 대한 액정재료의 위상 지연 효과가 광의 경사각에 따라 변하여 큰 시야각에서 낮은 화질의 영상을 야기하기 때문에 일어난다. 그러나, 액정셀에 하나 이상의 광학 보상요소를 결합함으로써, 바람직하지 않은 각도 효과를 보정하여, 큰 시야각에서도 높은 콘트라스트와 안정한 상대적 계조 농도를 유지하는 것이 가능하다.
"노멀리 화이트(normally white)"형 표시장치의 구성에 있어서는, 각각의 편광자의 투과축이 편광자에 인접한 액정셀의 영역에 있는 액정분자의 디렉터 배향에 평행하거나 수직이도록 90°트위스티드 네마틱 액정셀이 서로 교차된 편광자들 사이에 배치된다. 노멀리 화이트형 표시장치에서는, "비선택"(전압이 인가되지 않은) 부위가 밝게 보이고, "선택된"(인가된 전압에 의해 활성화된) 부위가 어둡게 보인다. 선택된 부위에서는, 액정분자가 인가된 전계와 정렬되도록 기울어지거나 회전하는 경향이 있다. 이러한 정렬이 완전히 호메오트로픽(homeotropic)인 경우, 셀내의 모든 액정분자는 그들의 장축이 유리기판에 수직으로 배향된다. 트위스티드 네마틱 표시장치에 사용되는 액정은 정(正)의 복굴절성을 나타내기 때문에, 호메오트로픽 구성으로 알려진 이러한 배치는 정복굴절성 C판의 광학적 대칭을 보인다. C판은 그의 이상축(異常軸)(즉, 광학축 또는 C축)이 그 판의 표면에 수직인(수직 입사광의 방향에 평행한) 단일축 복굴절 판이다. 그리하여, 선택된 상태에서, 노멀리 화이트형 표시장치의 액정은, 교차된 편광자들에 의해 차단되는 수직 입사광에 대하여 등방성으로 나타난다.
노멀리 화이트형 표시장치에서 일어나는 시야각의 증가에 따른 콘트라스트 저하의 한가지 이유는, 호메오트로픽 액정층이 비(非)수직 광에 대하여 등방성으로 나타나지 않기 때문이다. 비수직 각도에서 액정층을 통하여 전파(傳播)하는 광은 그 층의 복굴절 때문에 2가지 모드로 나타나고, 위상 지연(phase delay)이 이들 모드 사이에 유도되고, 광의 입사각의 증가에 따라 증가한다. 입사각에 대한 이러한 위상 의존성은 제2 편광자에 의해 불완전하게 소멸되어 광 누설을 일으키는 편광상태에 타원형(ellipticity)을 유도한다. 이러한 효과를 수정하기 위해서는, 광학 보상요소가 C판 대칭과 부(負)(ne〈 no)의 복굴절성을 가져야 한다. 그러한 보상기는 액정층에 의해 야기되는 위상 지연과 부호가 반대인 위상 지연을 유도하여, 원래의 편광상태를 회복시키고, 액정층의 활성화된 부위를 통과하는 광이 출력측 편광자에 의해 더욱 완전하게 차단되게 한다. 그러나, C판 보상은, 본 발명에서 역점을 두고 있는 시야각에 따른 계조의 변동에 영향을 주지 못한다.
제 1 도는 액정의 광학축과 복굴절성 보상기의 광학축의 배향을 설명하는데 사용되는 좌표계를 나타낸다. 광은, x축(106) 및 y축(108)과 함께 우측 좌표계를 형성하는 정(正)의 z방향(104)으로 관찰자(102)쪽으로 전파(傳播)한다. 화살표 112로 나타내는 바와 같이, 부(負)의 z방향으로부터 백라이트(backlight)가 제공된다. 광학축(554)의 경사각(θ)은 분자 광학축과 x-y면 사이의, x-y면으로부터 측정된 각도로서 정의된다. 방위각 또는 트위스트각(Φ)은 x축(106)과 x-y면상에의 광학축(554)의 투영선(110) 사이의, x축으로부터 측정된 각도로서 정의된다.
제 2 도는 본 발명에 따라 구성된 투과형이고 노멀리 화이트형의 트위스티드 네마틱 액정표시장치(LCD)의 개략 단면도이다. 이 표시장치는 편광층(222)과 검광층(224)을 포함하고, 이들 사이에, 네마틱상(相)의 액정재료로 이루어진 액정층(226)이 배치되어 있다. 본 발명의 보상요소를 설명하는데 있어서, 표시장치에 수직인 수직축선(점선(227)으로 나타내어짐)을 참조하는 것이 편리하다. 부호 228(도면의 지면(紙面)에 평행한 편광방향을 나타냄)과 230(도면의 지면에 직각인 편광방향을 나타냄)으로 나타낸 바와 같이, 편광층(222)과 검광층(224)은, 노멀리 화이트형 표시장치의 경우에서와 같이 그들의 편광방향이 서로 90°를 이루도록 배향된다. 액정층(226)의 양 표면에 인접하여 제1 투명전극(212)과 제2 투명전극(214)이 배치되어, 전원(236)에 의해 액정층에 전압을 인가할 수 있게 되어 있다. 액정층은 또한, 한쌍의 유리판(238, 240) 사이에 끼워잡혀 있다. 후술되는 바와 같이, 액정층(226)에 근접한 유리판(238, 240)의 내측면은, 예를 들어, 버핑(buffing) 등에 의해 물리적 또는 화학적으로 처리되어 있다.
LCD 분야에서 잘 알려진 바와 같이(예를 들어, Kahn의 "액정장치의 분자 물리학", Physics Today, 68페이지(1982년 5월) 참조), 액정층(226)의 재료가 네마틱상이고, 유리판(238, 240)의 내측면(즉, 액정층(226)에 인접한 면)들이 폴리이미드와 같은 액정을 정렬시키기 위한 표면처리제로 피복되고, 버핑되고, 그 버핑된 방향이 수직인 상태로 배향되어 있는 경우, 액정재료의 디렉터 n은, 전압이 인가되지 않은 상태에서, 유리판(238, 240)들 각각에 인접한 액정층 영역들에서 상기 버핑된 방향(러빙(rubbing)방향으로 알려짐)과 정렬되는 경향을 갖는다. 또한, 그 디렉터는 유리판(238)에 인접한 제1 주(主) 표면으로부터 유리판(240)에 인접한 제2 주표면까지 액정층(226)내의 경로를 따라 90°의 각도 만큼 수직축선에 대하여 원활하게 꼬인다. 따라서, 인가되는 전계가 없는 경우, 입사하는 편광의 편광방향은 액정층을 통과하면서 90°만큼 회전된다. 부호 228로 나타내어진 편광방향을 가지는 편광층 및 부호 230으로 나타내어진 편광방향을 가지는 검광층과 같은 교차된 편광자들 사이에 유리판들과 액정층이 배치되는 경우, 편광층(222)에 의해 편광되어 표시장치를 횡단하게 되는 광(광선(246)으로 예시된 바와 같은)은 검광층(224)의 편광방향과 정렬되어 그 검광층을 통과하게 된다. 그러나, 투명전극(212, 214)들에 충분한 전압이 인가되는 경우에는, 인가된 전계에 의해 액정재료의 디렉터가 전계에 평행하게 정렬되는 경향을 갖는다. 액정재료가 이 상태에 있을 때, 편광층(222)을 통과한 광(광선(248)으로 예시된 바와 같은)은 검광층(224)에 의해 소멸된다. 그리하여, 전력이 공급된 한쌍의 투명전극들이 표시장치의 암(暗) 영역을 생성하는 한편, 인가된 전계를 받지 않는 표시장치의 영역을 통과하는 광은 발광영역을 생성한다. LCD 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 선택된 조합으로 활성화되는 전극들의 적당한 패턴을 상기와 같은 방식으로 이용하여, 문자 또는 그래픽 정보를 표시할 수 있다. 아래에서 절명되는 바와 같이, 표시장치의 화질을 향상시키기 위해, 보상층(250, 252)과 같은 하나 이상의 보상층이 표시장치에 포함될 수 있다.
제 3 도는 90°트위스티드 네마틱 액정셀에 있어서 액정층(셀 갭이 일정한 것으로 정규화됨)내의 위치와 액정 디렉터 기울기와의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 도면은, 전압이 인가되지 않은 때(곡선 302), 전형적인 선택상태 전압이 인가된 때(곡선 304), 여러가지 그레이 레벨들을 얻도록 선택된 여러가지 중간 전압이 인가된 때(곡선 306, 308, 310, 312, 314, 316)의 분자 경사각들의 전형적인 분포를 나타낸다. 그레이 레벨 곡선들은 액정셀의 중간에서 대략 45°의 경사각 주위에 중앙을 가진다.
제 4 도는 90°트위스티드 네마틱 액정셀에 있어서 액정셀내의 위치와 액정분자의 트위스트각과의 관계를 나타내는 그래프이다. 전압이 인가되지 않은 때, 트위스트는 전체 액정셀에 걸쳐 균일하게 분포된다(직선에 가까운 곡선 402). 충분한 선택상태 전압이 인가된 때는, 트위스트각이 S자 모양 곡선(404)으로 나타내어지는 바와 같이 분포된다. 여러가지 그레이 레벨들에 대한 트위스트 분포는 이들 곡선 사이의 중간 곡선으로 나타내어진다.
제 3 도 및 제 4 도에 나타내어진 바와 같이, 충분히 선택된 전압이 인가된 때, 액정분자들이 겪는 거의 모든 트위스트와 기울기의 상당 부분이 액정셀의 중앙 영역에서 일어난다. 이들 현상 때문에, 액정셀내에서의 분자 배향의 연속적인 변동이 3개의 영역(각각 광학 대칭에 특징이 있는)으로 분리될 수 있다. 따라서, 중앙영역(318(제 3 도); 418(제 4 도))은 C판의 성질에 가까운, 충분한 선택상태에서 명목상 호메오트로픽(nominally homeotropic)으로 간주될 수 있다. 액정셀의 각 표면에 가까운 영역(320, 322(제 3 도); 420, 422(제 4 도))들은, 이상(異常)축이 인접 기판의 러빙 방향과 정렬되는 A판으로서 행동한다. 그 영역(320, 322; 420, 422)들의 분자에서는 본질적으로 트위스트가 없기 때문에, 이들 분자는 액정층의 양측의 러빙 방향과 본질적으로 정렬된다. 또한, 영역(320, 420)에서의 분자의 트위스트각이 영역(322, 422)에서의 분자의 트위스트각에 대하여 수직인 경향이 있기 때문에, 액정셀을 통과하는 광에 대한 이들 두 영역의 영향이 상쇄되어, 중간의 C판 영역으로 하여금 지배적인 영향을 발휘하게 하는 경향이 있다.
부복굴절성의 C판 보상기는 대략 C판과 같은 중앙 영역의 통과에 의해 유도되는 각도 의존적 위상 이동(phase shift)을 교정하도록 설계된다. 그러한 보상기는, 중앙 영역의 광학 대칭이 액정셀의 선택된 상태를 지배하는 정도, 즉, 분자가 인가된 전계와 정렬하는 정도로 효과적이다. 이것은, 호메오트로픽에 보다 밀접하게 하기 때문에 활성화된 상태를 위해 강한 전계가 사용될 때 부복굴절성 C판 보상이 최량으로 작용한다는 것을 의미한다. C판의 사용은 연장된 시야에 걸쳐 암(暗) 상태의 누출을 크게 감소시켜, 콘트라스트를 개선하고, 색채 불포화를 감소시키는 것으로 나타났다.
C판 보상기의 사용이 색채 불포화로 제거하는데 중요하지만, 계조의 발생은 독립적이다. 시야에서의 계조 직선성(linearity)의 문제는, 선택(노멀리 화이트형 표시장치의 경우, 흑(黑)) 상태와 비선택(노멀리 화이트형 표시장치의 경우, 백(白)) 상태 사이에 할당된 레벨에서의 휘도 레벨 변화와 전적으로 관련이 있다. 선택된 흑 상태인 0 레벨로부터 비선택의 백 상태인 7 레벨까지 8가지 그레이 레벨이 할당되는 표시장치에 있어서의 휘도 대 전압(BV) 전기광학 응답 곡선을 고려하면, 선택 전압과 비선택 전압 사이에서 BV 곡선을 따라 휘도기 직선적으로 변하여 있는 1세트의 전압을 할당함으로써, 0과 7 사이의 그레이 레벨이 선택된다.
제 5 도는, 수직 시야각이 0으로 고정된 상태에서 수평 시야각이 0°로부터 50°까지 10°씩 증가하여 변할 때의 노멀리 화이트형 90°트위스티드 네마틱 액정표시장치에 있어서의 계산된 BV 곡선을 나타내는 도면이다(수평각에 따른 BV 곡선의 변화는 수평 벗어남이 왼쪽인지 오른쪽인지에 무관하다). 그레이 레벨이 선택되는 각 곡선의 영역들은 다양한 수평각에 대해 거의 서로 겹친다는 것을 주목해야 한다. 이것은, 0°에서 직선적으로 떨어져 있도록 선택되는 그레이 레벨들이 높은 수평 시야각에서도 거의 직선적으로 유지된다는 것을 의미한다.
계조 직선성의 문제는 수직 시야각이 변할 때 나타난다. 이것이 제 6 도에 나타내어져 있다. 제 6 도는, 수평 시야각이 0°로 고정된 상태에서 수직 시야각이 -30°로부터 +30°까지 변할 때의 노멀리 화이트형 90°트위스티드 네마틱 액정표시장치에 있어서의 BV 곡선을 나타내는 도면이다. 0°이하의 각도(수직으로부터 측정된)의 경우, BV 곡선은 오른쪽(높은 전압쪽)으로 시프트하고, 최대로부터 단조롭게 떨어지지만 0에 도달하지는 않는다.
수직을 넘는 각도의 경우, BV 곡선은 왼쪽으로 시프트하고, 초기의 최소값 후에 반동을 나타낸다. 이들 효과는 제 7 도에 나타낸 바와 같이 수직 위로부터, 수직에서, 수직 아래에서 표시장치를 보는 관찰자의 투시를 고려함으로써 설명될 수 있다. 중요한 특징은, 전압이 증가함에 따른 관찰자 쪽으로 주행하는 광과 액정셀의 중앙에서의 평균 액정 디렉터 경사와 사이의 관계이다.
전압이 증가함에 따라, 액정셀의 중앙에서의 평균 액정 디렉터는 평행한 배향(702)으로부터 호메오트로픽 배향(704)으로 기울어진다. 관찰자에의 수직 입사의 경우, 비선택 상태 전압에서 지연이 최고이고, 선택 상태 전압에서 최저이다. 이방성이 0일 때, 광의 편광상태는 변하지 않고, 검광층에 의해 차단된다. 따라서, 관찰자는 전압의 증가에 따라 0까지의 휘도의 단조로운 감소를 볼 수 있다. 정(正)의 관찰방향(수직 위의 각도로의 관찰자에의 입사)의 경우를 고려한다. 일부 중간 전압에서는, 평균 디렉터(706)가 관찰자 쪽으로 향하고, 지연이 최소이다. 여기서, 관찰자는, 초기에는 감소하지만, 이어서 최소 지연점에서 최소에 도달한 다음, 증가하는 전압에서의 휘도를 볼 수 있다.
부(負)의 관찰방향(수직 아래의 각도로의 관찰자에의 입사)의 경우, 평균 디렉터는 가장 높은 전압에서도 광선에 큰 이방성을 항상 제공한다. 따라서, 관찰자는 휘도의 단조로운 감소를 볼 수 있다. 또한, 평균 액정 디렉터는, 관찰자에의 수직 입사의 경우에서보다 수직 아래의 각도로의 관찰자에의 입사의 경우에 광선에 대하여 더 큰 각도로 항상 배향된다. 따라서, 수직 입사의 경우에서보다 부의 관찰방향에서, 이방성이 더 크고, 휘도 레벨이 항상 더 높다.
수직 시야각에 대한 BV 곡선의 상기한 의존성은 계조 직선성에 대한 깊은 영향을 가진다. 제 6 도에서 0°곡선상의 50% 그레이 레벨을 얻도록 선택되는 전압이 +30°곡선상의 어두운 상태를 제공하고, -30°에서 완전히 밝은 상태를 제공한다.
그레이 레벨의 역전을 제거하고, 그레이 레벨 안정성을 향상시키기 위해, 복굴절성 0판 보상층을 포함하는 보상기를 제공하는 것이 본 발명의 현저한 특징이다. 본 발명의 0판 보상기는, 주 광학축이 표시장치의 면에 대해 실질적으로 비스듬한 각도로 배향된 정(正)복굴절성 재료(이후, "0판"이라 함)를 이용한다. "실질적으로 비스듬한"이란 용어는 0°보다 약간 더 크고 90°보다 작은 각도를 의미한다. 예를 들어, 표시장치의 면에 대한 각도가 35°~ 55°, 전형적으로는, 45°인 0판이 이용되었다. 또한, 일축(一軸) 물질이나 또는 이축(二軸) 물질을 가지는 0판이 이용될 수 있다. 본 발명의 0판은 편광층과 검광층 사이의 다양한 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 계조 보상기는, 보다 구체적인 실시형태에서는, A판 및/또는 부의 C판을 포함할 수 있다. A판은, 이상축(異常軸)(즉, C축)이 층의 표면에 평행하게 배향된 복굴절성 층이다. 따라서, A축이 표면에 수직으로 배향(수직 입사광의 방향에 평행하게)되어, A판이라 불린다. A판은 폴리비닐 알코올과 같은 단일 축방향으로 인장된 중합체 막, 또는 다른 적당히 배향된 유기 복굴절성 물질을 사용하여 제조될 수 있다. C판은, 이상축이 층의 표면에 수직으로(수직 입사광의 방향에 평행하게) 배향된 일축의 복굴절성 층이다. 부복굴절성 C판은, 예를 들어, 단일 축 방향으로 압축된 중합체(예를 들어, Clerc의 미국특허 제4,701,028호 참조), 인장된 중합체 막, 또는 물리적으로 증착된 무기 박막(예를 들어, Yeh 등의 미국특허 제5,196,953호 참조)을 이용함으로써 제조될 수 있다.
물리적 증착에 의한 박막의 비스듬한 퇴적(예를 들어, Motohiro의 "Applied Optics", 28권, 2466~2482페이지 (1989년) 참조)이 0판 요소를 제조하는데 이용될 수 있다. 그러나 구성요소는 그의 자연 이축(nature biaxial)에 의한다. 성장 특성은 현미적 주상(柱狀) 조직을 생성한다. 기둥들의 각도는 증기 흐름의 도달 방향으로 기운다. 예들 들어, 76°의 퇴적각도(수직으로부터 측정하여)는 대략 45°의 기둥 각도를 초래한다. 그 기둥들은 새도잉(shadowing)의 결과로서 타원형 단면을 나타낸다. 이러한 타원형 단면이 막의 이축 특성을 발생시키는 것이다. 크기와 대칭의 복굴절성은 막의 미세구조에 전적으로 기인하고, 형태 복굴절성으로 불린다. 박막에서의 이들 현상이 광범위하게 연구되었고, Macleod의 "Structure-related Optical Properties of Thin Film", J.Vac. Sci, Technol. A, 4권, 3호, 418~422페이지 (1986년)에 기술되어 있다.
일축 0판 요소들이, 일반적으로 월등한 기능을 가지는 수 많은 용액을 유사하게 제공한다. 이들은 적당히 배향된 유기 복굴절성 물질을 사용함으로써 제조될 수 있다. 당업자는 일축 및 이축 0판을 제조하기 위한 다른 수단을 인지할 수 있을 것이다.
본 발명의 보상기에서의 0판은 그의 주 대칭축이 수직에 대하여 실질적으로 비스듬한 각도를 이루는 상태로 배향된다. 특정 실시예에서, 이러한 배향각도는 BV 곡선의 계조 전이영역의 전압에서 액정층의 중앙영역의 평균 액정 디렉터의 배향과 명목상 동일하다. 또한, 특정 실시예에서, 주 대칭축의 방위각 배향은 액정 디렉터의 배향에 대하여 명목상 180°만큼 회전된다. 따라서, 이 실시예에서의 0판 축은 액정셀의 중앙의 평균 액정 디렉터에 대략 수직으로 배향된다. 보상기는 또한, 수직 입사에서 액정셀을 횡단하는 광에 대한 어떤 지연도 유도하지 않도록 구성될 수 있다. 이것은, 정복굴절성 A판과 0판을 그들의 광학축이 명목상 직각을 이루는 상태로 조합함으로써 달성된다. 이들의 지연 및 상대 각도는 수직 입사에서의 지연을 상쇄시키도록 선택된다.
이 계조 보상층의 이용에 의한 계조 역전의 제거는 하기의 방식으로 일어난다. 정의 수직 관찰방향에서, 0판의 지연은 시야각에 따라 증가하고, 액정층의 감소하는 지연을 상쇄시키는 경향이 있다. 관찰자가 평균 액정층 디렉터의 축을 내려다 볼 때, 0판의 존재는 2개의 편광기 사이의 층이 등방성으로 나타나는 것을 방지한다. 그리하여, 제 6 도에 나타낸 BV 곡선의 반동이 감소되어, 계조 전압 범위의 바깥쪽의 고전압으로 시프트한다.
부의 수직 관찰방향에서는, 광학축들이 명목상 직각을 이루는 상태로 0판과 A판을 조합한 것은, 광학축이 O판 및 A판의 축들을 포함한 면에 수직으로 배향된 부복굴절성 지연기(retarder)의 것과 유사한 복굴절 특성을 나타내는 경향이 있다. 이 지연기 축의 방향은 선택 상태와 비선택 상태 사이의 전압으로 구동될 때 액정셀의 중앙영역의 평균 액정의 배향에 명목상 평행하다. 이런 식으로 배향된 0판의 존재는 액정층의 복굴절을 상쇄하여, BV 곡선을 밑으로 또는 등가적으로 당기거나, 저전압의 방향(즉, 왼쪽)으로 시프트하는 경향이 있다. 유사한 효과가 정 및 부의 수평 관찰방향에서도 일어난다.
이런 식으로 본 발명의 0판 보상기를 도입하는 전반적인 효과는 시야각이 부의 수직각으로부터 정의 수직각으로 변화됨에 따라 계조 전압 영역에서의 큰 반동을 제거하고 BV 곡선에서의 왼쪽으로부터 오른쪽으로의 시프트를 감소시키는 것이다. 보상기 광학축의 배향은, 조합된 지연효과가 수직 입사 관찰방향에서 서로 상쇄될 뿐만 아니라 수평 관찰방향에서의 반동을 최소화시키도록 주의깊게 선택된다. 하나 이상의 0판들의 배향이 이들 요건을 만족시키는 한, 그들 0판의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 어떤 구성을 위해서는, 부의 C판들이 종종 계조 직선성의 일부감소와 함께, 넓은 시야에서의 콘트라스트비를 증가시킨다.
액정층, 보상층, 편광층 및 검광층은, 비스듬한 지연기를 이용하는 본 발명의 실시예를 실행함에 있어 서로에 대하여 다양한 배향을 취할 수 있다. 고려되는 가능한 구성들중 일부가 표 1에 나타내여 있으며, 이 표에서, A는 A판를, C는 C판를, O는 O판을, LC는 액정을, O×O는 교차된 O판들을 나타낸다. 교차된 0판들은 그들의 방위각 Φ(제 1 도에서 정의된 바와 같은)이 명목상 교차된 인접한 0판들이며, 그들중 하나는 0°와 90°사이에 배향되고, 다른 하나는 90°와 180°사이에 배향된다.
액정 디렉터에 대한 표시장치의 면상에의 주 축의 투영(投影)은 실시예에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 2개의 0판을 갖는 몇몇 경우, 0판 축 투영은 평균 액정 디렉터에 대하여 45°이고, 다른 경우에는, 0판 축이 액정 디렉터와 평행하다.
A판으로 추가 보상된 O×O(교차된 0판) 구조는 부가적인 설계 융통성을 제공한다. A판 값의 선택은, 그러한 구조가 A판들의 상대적 배향을 변화시킴으로써 조정될 수 있기 때문에 중요하지 않다. 따라서, 상업적으로 입수가능한 A판 지연값을 갖는 소망의 해결책을 얻는 것이 가능하다.
제 8 도~제 19 도는, 대칭, 비대칭, 및 교차된 0판 구성을 포함한 본 발명에 따른 가능한 여러가지 계조 보상구성을 나타낸다. 이들 도면은 각각의 실시예에 대한 구성요소의 구성, 수직 및 수평 시야각에 대한 BV 특성, 및 계산된 이소콘트라스트(isocontrast) 곡선을 나타낸다. 제 8 도~제 11 도는, 액정층의 일 측에 A판, O판, 및 C판 가지고, 반대 측에는 C판 및 0판을 가지는 비대칭 구성(A-O-C-LC-C-O)을 나타내고, 제 12 도~제 15 도는, 액정층의 일 측에 교차된 0판을 사용하는 구성(A-O×O-A-LC)을 나타낸다. 마지막으로, 제 16 도~제19 도는, 액정층의 일 측에 오직 2개의 보상기 구성요소, 즉, 하나의 0판과 하나의 A판을 가지는 단순한 구성(O-A-LC)을 나타낸다.
본 발명의 비스듬한 보상구조가 표시장치 설계자에게 제공하는 융통성에 의해, 특정 표시장치 요건에 맞추어 성능을 조정할 수 있다. 단순한 구성 및 파라미터 변경으로, 예를 들어, 왼쪽 또는 오른쪽 관찰을 위해 최적화된 이소콘트라스트, 수직에서 극단적으로 벗어난 각도에서의 관찰을 위해 최적회된 이소콘트라스트, 또는 수직 위의 큰 왼쪽 및 오른쪽 각도 모두에서 관찰하기 위해 최적화된 이소콘트라스트를 달성하는 것이 가능하다. 또한, 구성 및 파라미터를 조정하여 시야와 계조 직선성 모두를 향상시키거나, 또는 둘 중 하나를 희생하여 다른 하나를 추가로 최적화하는 것도 가능하다. 더욱이, 부복굴절성 A판은 정복굴절성 A판로 대체될 수도 있다. 이 경우, 부복굴절성 A판은 그의 이상축이 정복굴절성 A판에 적절한 배향에 수직인 상태로 배향된다. 부복굴절성 A판이 사용될 때 성능을 최적화하기 위해, 보상기의 다른 구성요소들에 추가 변경이 또한 요구된다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 도시되고 설명되었으나, 그에 대한 변경 및 추가 실시예가 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 표시장치 구조에서 하나 이상의 기판으로서 보상기를 이용하는 다른 실시예도 가능하다. 또한, 본 발명은, 기울어진 디렉터 구성을 통해 계조가 달성되는 한 90°트위스티드 네마틱 이외의 액정표시장치에도 적용가능하다. 본 발명은, 표시장치의 전극 배열에 컬러 필터가 결합되어 있는 컬러 표시장치에도 적용가능하다. 또한, 여기에 도시되고 설명된 것들 대신에 균등한 다른 요소들이 사용될 수 있고, 부품 또는 접속부들이 반대로 되거나 또는 교환될 수 있으며, 본 발명의 어떤 특징들은 다른 특징에 독립적으로 이용될 수 있다. 또한, 액티브 매트릭스 회로와 같은 액정표시장치의 세부 사항들은 액정표시장치의 분야에서 잘 알려져 있기 때문에 도시 및 설명되지 않았다. 따라서, 상기한 실시예들은 총괄적이기 보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
하기의 문헌이 본 발명에서 참조된 문헌들이다.
Clerc의 미국 특허 제4,701,028호.
Clerc의 "Vertically Aligned Liquid-Crystal Displays", SID 91 Digest 758~761페이지(Society for Information Display 1991).
Gooch 등의 "The Optical Properties of Twisted Nematic Liquid Crystal Structures with Twist Angles ≤ 90°", Journal of Physics D, 8권 1575페이지(1975년).
Hatoh 등의 "Viewing Angle Magnification in a TN LCD with an Ultra-Super-Twisted Liquid Crystal Compensator".
Iieda 등의 일본국 공개특허공고 03028822 A2(1991년 2월 7일)의 "Color Compensation Plate for Liquid-Crystal Display".
Kahn의 "The Molecular Physics of Liquid-Crystal Devices", Physics Today 68페이지(1982년 5월).
Macleod의 "Structure-related Optical Properties of Thin Films", J. Vac. Sci. Technol. A. 4권 3호 418~422페이지(1986년).
Motohiro 등의 "Thin Flm Retardation Plate by Oblique Depositon", APPl. OPt., 28권 13호 2466~2482페이지(1989년).
Yamamoto 등의 "Full-Cone Wide-Viewing-Angle Multicolor CSH-LCD", SID 91 Digest 762~765페이지(Society for Information Display 1991).
Yeh 등의 미국특허 제5,196,953호.

Claims (11)

  1. 표시장치에 수직인 수직축에 대하여 다양한 각도에서 보기 위한 트위스티드 네마틱 액정표시장치로서, 흡수축을 가진 편광층과; 그 편광층의 흡수축에 수직인 흡수축을 가진 검광층과; 상기 편광층과 상기 검광층 사이에 배치되고, 상기 수직축에 대하여 방위각 트위스트를 나타내는 디렉터를 가지는 액정층과; 전원에 접속된 때 상기 액정층을 가로질러 전압을 인가하도록 상기 액정층의 제1 주표면 및 제2 주표면에 각각 인접하여 배치된 제1 및 제2 전극; 및 상기 편관층과 상기 검광층 사이에 배치되는 보상기를 포함하는 액정표시장치에 있어서, 상기 보상기가, 주 대칭축이 상기 수직축에 대하여 25°와 65°사이의 비스듬한 각도로 배향되는 상태로 상기 편광층과 상기 검광층 사이에 배치되는 정(正)복굴절성 0판 보상층을 포함하는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 0판 보상층의 상기 주 대칭축이, 상기 액정층에 대한 BV 곡선의 계조 전이 영역에서의 전압에서 상기 액정층의 중앙영역의 평균 액정 디렉터의 배향에 대략 수직으로 배향되는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 0판 보상층의 상기 주 대칭축이, 상기 액정층에 대한 BV 곡선의 계조 전이 영역에서의 전압에서 상기 액정층의 중앙영역의 평균 액정 디렉터의 수직축에 대한 배향각과 대략 동일한, 수직축에 대한 각도로 배향되고, 상기 수직축을 중심으로 한 상기 0판 보상층의 상기 주 대칭축의 방위각 배향이 상기 평균 액정 디렉터의 방위각 배향에 대하여 대략 180°회전된 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 보상기가 상기 편광층과 상기 검광층 사이에 배치되는 정복굴절성 A판 보상층을 더 포함하고, 그 A판 보상층은 그의 광학축이, 수직 입사에서 상기 보상기를 통과하는 광의 지연이 최소화되도록 상기 0판 보상층의 광학축과 관련하여 배향되는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 보상기가 상기 편광층과 상기 검광층 사이에 배치되는 부(負)복굴절성 C판 보상층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 0판 보상층이 제1의 정복굴절성 0판 보상층이고, 상기 보상기가, 광학축이 상기 수직축에 대하여 비스듬한 각도로 배향되는 상태로 상기 편광층과 상기 검광층 사이에 배치되는 제2의 정복굴절성 0판 보상층을 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 정복굴절성 0판 보상층들의 방위각이 서로 교차되는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 보상기가, 상기 편광층과 상기 0판 보상층 사이에 배치되는 제1의 정복굴절성 A판 보상층과, 상기 0판 보상층과 상기 액정층 사이에 배치되는 제2의 정복굴절성 A판 보상층을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 정복굴절성 A판 보상층은 그들의 광학축이, 수직 입사에서 상기 보상기를 통과하는 광의 지연이 최소화되도록 상기 0판 보상층의 광학축과 관련하여 배향되는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 보상기가, 상기 0판 보상층과 상기 액정층 사이에 배치되는 제1의 정복굴절성 A판 보상층과, 상기 액정층과 상기 검광층 사이에 배치되는 제2의 정복굴절성 A판 보상층을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2의 정복굴절성 A판 보상층은 그들의 광학축이, 수직 입사에서 상기 보상기를 통과하는 광의 지연이 최소화되도록 상기 0판 보상층의 광학축과 관련하여 배향되는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 보상기가, 상기 0판 보상층과 상기 액정층 사이에 배치되는 정복굴절성 A판 보상층과, 그 A판 보상층과 상기 액정층 사이에 배치되는 부복굴절성 C판 보상층을 더 포함하고, 상기 정복굴절성 A판 보상층은 그의 광학축이, 수직 입사에서 상기 보상기를 통과하는 광의 지연이 최소화되도록 상기 0판 보상층의 광학축과 관련하여 배향되는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 0판 보상층이, 광학축이 상기 수직축에 대하여 비스듬한 각도로 배향되는 상태로 상기 편광층과 상기 액정층 사이에 배치되는 제1의 정복굴절성 0판 보상층이고, 상기 보상기가, 광학축이 상기 수직축에 대하여 비스듬한 각도로 배향되는 상태로 상기 제1의 정복굴절성 0판 보상층과 상기 액정층 사이에 배치되는 제2의 정복굴절성 0판 보상층과, 상기 편광층과 상기 제1의 정복굴절성 0판 보상층 사이에 배치되는 제1의 정복굴절성 A판 보상층과, 상기 제2의 정복굴절성 0판 보상층과 상기 액정층 사이에 배치되는 제2의 정복굴절성 A판 보상층을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2의 정복굴절성 0판 보상층들의 방위각이 서로 교차되고, 상기 제1 및 제2의 정복굴절성 A판 보상층은 그들의 광학축이, 수직 입사에서 상기 보상기를 통과하는 광의 지연이 최소화되도록 상기 0판 보상층의 광학축과 관련하여 배향되는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 0판 보상층이, 광학축이 상기 수직축에 대하여 비스듬한 각도로 배향되는 상태로 상기 편광층과 상기 액정층 사이에 배치되는 제1의 정복굴절성 0판 보상층이고, 상기 보상기가, 광학축이 상기 수직축에 대하여 비스듬한 각도로 배향되는 상태로 상기 액정층과 상기 검광층 사이에 배치되는 제2의 정복굴절성 0판 보상층과, 상기 편광층과 상기 제1의 정복굴절성 0판 보상층 사이에 배치되는 정복굴절성 A판 보상층과, 상기 제1의 정복굴절성 0판 보상층과 상기 액정층 사이에 배치되는 제1의 부복굴절성 C판 보상층과, 상기 액정층과 상기 제2의 정복굴절성 0판 보상층 사이에 배치되는 제2의 부복굴절성 C판 보상층을 더 포함하고, 상기 정복굴절성 A판 보상층은 그의 광학축이, 수직 입사에서 상기 보상기를 통과하는 광의 지연이 최소화되도록 상기 0판 보상층의 광학축과 관련하여 배향되는 것을 특징으로 하는 트위스티드 네마틱 액정표시장치.
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