KR100269203B1 - 고분자액정복합막표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 액정 복합막 표시장치에 관한 것으로 93년 특허 출원 9187 및 9280의 개량에 관한 것이다. 본 발명 고분자 분산 액정 표시소자는 광원에 대향하는 전면판과, 상기 전면판과 소정 간격을 유지하는 배면판과, 상기 전면판과 배면판의 사이에 마련되는 것으로 고분자 분산 액정층과 고분자 분산 액정층에 광통과를 위한 구획된 화소를 마련하며 고분자 분산 액정층을 제어하기 위한 전극 및 스위칭 소자를 포함하는 광학적 제어층과, 상기 광원에 대면하는 상기 전면판의 표면에 상기 광학적 제어층의 화소에 대응하는 개구부를 마련하는 광차단층이 마련되어 있다. 이로써 전방 산란광을 효율적으로 차단하여고 콘트라스트 비의 화상을 실현할 수 있다.

Description

고분자 액정 복합막 표시장치

제1도는 종래 고분자 액정 복합막 표시장치의 개략적 단면도,

제2도는 쉬리렌 광학 시스템의 구성도,

제3도는 선출원된 고분자 액정 복합막 표시장치의 개략적 단면도,

제4도는 선출원된 다른 고분자 액정 복합막 표시장치의 개략적 단면도,

제5도는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 투사형 고분자 액정 복합막 표시장치의 개략적 단면도,

제6도는 본 발명에 따른 바람직한 다른 실시예의 투사형 고분자 액정 복합막 표시장치의 개략적 단면도,

제7도는 발명에 따른 또 다른 실시예의 투사형 고분자 액정 복합막 표시장치의 개략적 단면도,

제8도는 본 발명에 투사형 고분자 액정 복합막 표시장치의 콘트라스트를 측정하기 위하여 사용된 마스크의 패턴도.

본 발명은 고분자 액정 복합막 표시장치에 관한 것으로서, 특히 능동적 스위칭 소자를 갖는 박만 트랜지스터 투사형 고분자 액정 복합막 표시장치(Thin Film Transistor-Polymer Dispersed Liquid Crystal Display)에 관한 것이다.

고분자 분산 액정(Polymer Dispersed Liquid Crystal; 이하 PDLC라 칭함)은 고분자계에 액정 분산되어 있는 것으로서, 입사된 광이 산란되는 백탁 상태와 입사된 광이 산란됨없이 통과되는 투명 상태에 의해 화상을 표시하는 것이다. PDLC는 광축 또는 광의 위상을 제어하는 형태가 아닌 산란 모드를 가지기 때문에 일반적인 TNLC(Twist Nematic Liquid Crystal)이나 STNLC(Super Twisted Nematic Liquid Crystal)을 사용한 LCD(Llquid Crystal Display)처럼 화상을 직접 바라볼 수 있는 직시형(直視刑) 디스플레이 장치로서는 부적합하다. 그대신 PDLC는 본 발명 디스플레이 장치와 같이 화상을 생성하는 화상 발생 장치(Imapge Processing Device)로서 PDLCD에 적용되고 있는데 예를 들어 화상 투사 장치에서 일종의 필름으로서 역할을 하게 된다. 이와 같은 PDLCD는 전술한 바와 같이 화상을 직접 바라볼 수 없는 단점이 있기는 하지만 여러가지면에 있어서 유리한 점이 많다. 첫째로 산란 모드의 액정이 적용되기 때문에 액정 배향을 위한 배향막이 불필요하다는 점이다. 이러한 배향막의 불필요성은 제조 가공을 보다 용이하게 하고 제조 단가를 낮춘다. 그리고, 상당한 량의 광을 소모하는 편광판이 불필요하다는 것이다. 결과적으로 광의 이용효율이 높고, 동일조건하에서 기존 타입의 LCD에 비해 휘도가 그 만큼 증가되게 된다. 그리고 세째로 초대형 화면을 구성하는데 용이하다는 것이다. 이러한 점은 투사장치등에서 화상을 생성하는 하나의 모듈로서 사용되며, 사실상 화면의 크기와 PDLCD의 보다 투사광학계의 배율 조정을 통해 자유자재로 확대할 수 있기 때문이다. 이러한 장점에 의해 다양한 형태의 PDLCD가 연구되고 있는데, PDLC가 갖는 빛의 산란 및 투과에 의해 온-오프 특성 때문에 생성된 화상을 광학계를 통해 스크린에 비추었을때, 온-상태 및 오프-상태의 전방으로의 산란광이 다른 상태 즉, 오프 및 온 상태의 위치에 비추어 지는 즉 소위 크로스 토오크의 문제가 스크린상에 나타나기 때문에 화상을 콘트라스트 비를 낮추어 지게 되는 문제가 있어서 이에 대한 다양한 개선안에 제시되고 있다.

종래의 TFT PDLCD는 제1도에 도시된 바와 같이 배면판(20) 위에 능동적 스위칭 소자로서의 박막 트랜지스터와 전하 축적을 위한 축전 캐패시터층을 갖는 능동 회로부(21), 그리고 화소전극(22)이 형성되어 있고, 그리고 배면판(20)에 대향된 전면판(10)에는 상기 화소전극(22)에 대응하는 공통전극(12)과 외부 광학적 에너지에 의한 상기 박막 트랜지스터의 열화를 방지하고 반투명 상태의 박막 트랜지스터를 통과한 빛에 의한 콘트라스트 저하를 방지하기 위한 블랙 마스크(Black Mask;11)가 형성되어 있는 구조를 가진다. 그리고 상기 전면판(10)과 배면판(20)의 사이에는 고분자 분산 액정, 즉 PDLC가 개재되어 있는데, 이것은 겔 상태의 모노머와 액정을 혼합체를 상기 전면판(10)과 배면판(20)의 사이에 주입한 후 자외선등으로 폴리머라이제이션, 즉 경화처리하여 얻어지는 것이다. 이러한 구조의 TFT-PDLCD는 전술한 바와 같이 매트릭스상으로 배열된 화소전극에 대한 전압을 소정 패턴에 대응하게 스위칭(온-오프)하여 광원으로 부터의 빛을 산란-투과시키도록 된 것인데, 이상적으로는 스위칭 동작에 따라 입사광을 각 화소에서 마다 완전 차단 또는 투과하여야 하겠지만, 제1도에 도시된 바와 실제에 있어서는, 입사광이 대부분 평행광이기도 하지만 일부 비평행광이 포함되어 있고,그리고 PDLC자체가 산란 모드형이기 때문에 전 PDLC층에 걸쳐서 일정한 수준의 산란광이 발생되게 되는데, 투과 모드 즉 온 모드(On-mode;하이 영역)의 화소를 통과한 비평행광과 여기에서 발생된 일부의 산란광이 타 화소에 대응되는 영역, 예를 들어 도면에서 로우영역을 통과하게 된다.

PDLC를 통과한 비평행 입사광과 여기에서 간란된 평행 입사광 중 전방으로 진행하는 전방 산란광(비평행광)이 스크린에 도달하기 때문에 큰트라스트 비가 떨어지게 된다. 이러한 원치않는 전방 산란광을 얼마만큼 효과적으로 차단하느냐 하는 것이 콘트라스트 비의 개선에 관건으로 인식되어 있고, 이에 따라 이에 대한 다양한 형태의 개선안이 제시되고 있다.

TFT-PDLCD의 콘트라스트 비의 개선방안은, 현재 TFT-PDLCD 자체 구조의 개선과 이에 부수하는 광학 시스템의 개선으로 주로 나타나고 있다.

TFT-PDLCD 자체의 구조 개선책으로 셀갭(Cell Gap), 즉 빛이 산란되는 액정층의 두께 및 폴리머중에 분산되어 있는 액정방울(Droplet)의 크기의 조절에 의한 것이 제시된 바 있다. 셀갭의 조절은 결국 갭을 증가시켜 빛의 산란량을 키우고자 하는 것이기 때문에 구동전압이 상승이 초래되어 낮은 구동 전압과 적은 소비전력이 요구되는 디스플레이에는 부적합하다. 그리고 액정 방울의 크기 조절은 보다 그 크기를 작게 하는 것인데 이로써 콘트라스트 비가 향상되고 응답시간도 짧아 지지만 이 역시 구동전압이 동반되는 단점을 나타내 보인다(참고문헌:J.H. Erdmann SID 91, p602, 1991, USP4938568). 결과적으로 셀 갭과 액정 방울의 크기를 조절하는 기술에 의한 콘트라스트 개선 방법은 콘트라스트 비, 구동전압 그리고 응답시간등이 서로 상반되게는 문제가 있기 때문에 디스플레이로서의 응용에 연구되는 특성을 동시에 모두 만족할 수 없었다.

한편, 광학 시스템에 의한 콘트라스트 비의 향상 방안도 다각적으로 모색되고 있는데, 대표적으로 제2도에 도시된 바와 같이 쉬리렌 광학 시스템의 응용 기술이다. 이 광학 시스템은 일반적인 투사광학 시스템에 조리개(Aperture)를 설치하여 전방 산란광을 차단하는 광 제어 구조를 가진다(참고 문헌: JP 91-98022). 이를 간단히 살펴보면 PDLCD 전방에서 입사광을 평행광으로 만드는 제1렌즈와, 그리고 그 후방에 평행광을 사출사광으로 만드는 제2렌즈가 마련된다. 그리고 광원(1)과 이에 인접한 제1렌즈(3)의 사이와 , 그리고 상기 제2렌즈(5)와 스크린(8)이 대향하는 투사 렌즈(7)의 사이에 전술한 조리개(2,6)가 마련되어 있다.

이와 같은 쉬리렌 광학 시스템에 의한 PDLCD의 콘트라스트 비를 개선하기 위한 노력이 경주되어 왔지만, 광 효율의 심각한 저하, 설계 및 제작에 있어서의 난제, 그리고 원가 상승에 의한 경제성등의 문제로 인해 실제 응용에 있어서는 효용성이 부족한 것으로 알려지고 있다. 이외에도 평행광을 만들어 주기 위한 반사경의 곡률을 변경한 램프의 사용등으로 이상과 같은 과제를 개선하고자는 연구도 이루어 진 바 있다(Japan Display '92, 113).

,한편 본 출원인은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 PDLCD를 1993년 특허 출원 9187, 9280호로 출원한 바 있다. 여기에 제안된 PDLCD는 제3도와 제4도에 도시된 바와 같이 스크린에 대향하는 PDLCD의 일측에 PDLCD를 투과한 광 중 비평행출사광을 일부 필터링하기 위한 수단을 마련한 것으로서 제3도에 도시된 바와 같이 배면판(20)의 전방에 보조 기판(40)을 소정 간격을 두고 마련하고 이 보조 기판(40)에 PDLCD의 화소들에 대응하는 매트릭스상의 개구영역(42)을 가지고 개구영역(42)의 주위에 블랙 매트리스(41)를 형성하거나, 제4도에 도시된 바와 같이 상기 블랙 매트릭스(41)를 배면판(20)의 표면에 마련한 것이다. 이러한 기술은 전술한 바와 같이 광원으로 부터 전달된 입사광이 고분자 액정 복합막을 투과하면서 전방 산란광을 발생시키고 이를 보조 블랙 마스크로 차단함으로서 스크린상의 콘트라스트를 향상시키는 것이다. 이러한 구조 개선된 PDLCD에 더하여 보다 향상된 콘트라스트 비를 갖는 PDLCD의 연구가 계속되었다.

본 발명은 광원으로 부터 전달된 입사광에 비평행광이 포함되어 있고, 그리고 온-모드의 화소에서도 PDLC와 그 전후 부재에 의한 일부 산란광이 발생되는 점을 고려하여 스크린의 전방에서 불필요한 비평행광을 PDLC층에 입사되기 전에 걸러 내어 콘트라스트 비가 더욱 향상된 PDLCD를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 고분자 액정 분산막 표시 소자는,

광원에 대향하는 전면판과,

상기 전면판과 소정 간격을 유지하는 배면판과,

상기 전면판과 배면판의 사이에 마련되는 것으로, PDLC층과 PDLC층에 광통과를 위한 구획된 화소를 마련하여 PDLC를 제어하기 위한 전극 및 스위칭 소자를 포함하는 광학적 제어층과,

상기 광원에 대면하는 상기 전면판의 표면에 상기 광학적 제어층의 화소에 대응하는 개구부를 마련하는 광차단층이 마련되어 있는 점에 특징이 있다.

본 발명의 구체적인 유형에 있어서, 상기 광차단층은 광원에 대향하는 상기 전면판에 직접 형성되는 소정 패턴의 블랙 마스크에 의해 얻어 질 수 있으며, 필요에 따라 별도로 상기 전면판에 밀접하게 부착되거나 소정 간격을 두고 부착되는 기판과 기판에 소정 패턴으로 형성되는 블랙 마스크에 의해 얻어질 수도 있다.

그리고 보다 발전된 본 발명의 유형에 있어어, 상기 광차단층인 상기 전면판 뿐 아니라 배면판에도 마련될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

제5도는 본 발명의 제1실시예를 보인다.

이를 참조하면, 배면판(200)위에 박막 트랜지스터와 전하 축적을 위한 축전 캐패시터층을 갖는 능동 회로부(210) 및 화소전극(220)으로 형성된 능동적 스위칭 소자가 형성되어 있고, 상기 배면판(200)에 대향된 전면판(100)에는 상기 화소전극(220)에 대응하는 공통전극(120)과 외부 광학적 에너지에 의한 상기 박막 트랜지스터의 열화를 방지하고 반투명상태의 박막 트랜지스터를 통과한 빛에 의한 콘트라스트 저하를 방지하기 위한 블랙 마스크(Black Mask;110)가 형성되어 있는 구조를 가진다. 그리고 상기 전면판(100)과 배면판(200)의 사이에는 고분자 액정 복합막체인 TNLC층(300)이 마련되어 있다. 상기 PDLC층(300)은 모노머와 액정을 혼합하여 이를 경화함에 의해 얻어 진 것으로서, 고분자층에 대한 액정의 분산 상태에 따라 액정이 방울상태로 고분자층에 분산 고립되어 있는 일반적인 형태와 아니면 액정방울이 상호 연계되어 소위 그물망 구조의 네트워크(Network)를 구성하는 구조를 가질 수 있다. 이상의 구조에서 상기 TNLC층(300)과 상기 능동회로부(210) 그리고 화소전극(220) 및 공통전극은 상기 입사된 광을 제어하기 위한 광제어부를 구성한다. 이러한 구조에 더하여 본 발명을 특징지우는 요소가 상기 전면판(100)에 마련되는데, 이것은 광원으로 부터 입사되는 광중 상기 광제어부의 화소영역을 벗어나 영역으로 입사되는 광을 차단하는 광차단층(120)이다. 이 광차단층(120)은 상기 블랙 마스크(100)에 대응하는 형태를 가지며 이와 동일한 소재로 형성될 수 있다. 이러한 광차단층(120)은 필요에 따라 별도의 기판에 형성될 수 있는데, 이 경우 광차단층(120)이 형성된 기판을 상기 전면판(100)의 전면에 밀착시키거나 소정 간격을 두고 고정할 수 있다. 상기 구조의 본 발명에 있어서, 상기 광차단층(120)의 형성되는 전면판이나 별도 기판의 두께 및 기판과 전면판과의 간격을 조절함으로써 광원으로부터의 비평행광의 차단량을 조절할 수 있는데, 이것은 요구되는 설계조건에 따른다. 그리고, 본 발명 PDLCD는 노말 화이트 모드(Normal White Mode) 즉, 액정층에 전계가 인가되지 않은 경우에 빛이 통과하는 형태와, 그리고 노말 블랙 모드(Normal Black Mode) 즉, 전계가 인가되었을 때에 빛이 통과하는 형태에 각각 적용될 수 있다.

이상과 같은 구조를 가지는 본 발명 PDLCD의 동작에 있어서, 노말 블랙 모드형의 경우, 전압이 가해지지 않은 상태에서 PDLC층은 입사광을 산란시켜 투과하지 못하도록 하고, 전압이 인가된 상태에서는 입사광을 산란시키지 않고 그대로 투과시키므로서 전압에 의해 빛의 투과/차단 동작을 나타낸다. 그러나 실제 응용면에서 PDLC층에서의 산란 상태는 매우 불안정하여 입사되는 빛이 일부 전방산란되는 것을 막을 수 없으며, 또한 전압이 인가되어 입사광을 투과시킬 때에는 일부 전방 산란광이 포함되게 된다. 그러므로, 입사광에 비평행광이 포함되어 있으면 자연 전방 산란광의 량이 증대된다. 따라서 전방 산란광을 최소화하기 위하여 기존의 쉬리렌 광학 시스템이 적용될 수 있다. 즉 PDLCD의 전후에 조리개를 두고 그리고 PDLCD의 전방에 쉬리렌 시스템에서의 조리개를 둘수 있고, 그리고 조절된 곡률의 반사경을 갖는 광원을 채택할 수 있다. 그리고 조절된 곡률의 반사경을 갖는 광원을 채택할 수 있다. 그리고 또한 상기 광학적 제어부의 블랙 마스크(110)를 제거하는 것을 고려할 수도 있다. 이와 같은 경우 상기 광차단막(120)은 상기 블랙 마스크(110)가 생략되는 대신에 적용되는 것으로 간주할 수 있는데, 이때 광차단막(120)은 생략된 블랙 마스크(110)의 기능, 즉 광학적 에너지로 부터 스위치 소자를 보호하는 기능을 같이 하게 되며, 기존의 블랙 마스크(110)보다는 광원에 근접하고 그리고 PDLC층(300)으로 부터는 보다 멀어지게 되어 필터링되는 비평행광의 입사각을 보다 줄이게 되어 비평행광을 입사를 줄이게 된다. 따라서 이와 같은 본 발명은 PDLCD는 기존의 PDLCD에서와는 다릴 블랙 마스크가 광원측의 전면판의 표면에 마련되과 전면판의 내면에는 공통전극만이 형성되는 구조 차이를 보이게 된다.

이상과 같은 본 발명 따른 PDLCD에서 광차단막은 전압이 인가되지 않은 상태에서 인접화소에 영향을 주는 입사광 일부의 비평행광을 차단하게 된다. 이러한 비평행광의 차단은 입사광이 PDLCD에 입사되기 전에 이루어 지기 때문에 스크린 전방으로의 산란광 진행을 최대한으로 억제할 수 있다. 입사광 일부의 비평행광 차단의 정도는 상기 광차광막과 PDLCD간의 간격 조절로 가능하게 되는데, 그들 간격이 커지게 되면 필터링되는 비평행광의 입사각이 점차 작아지게 되기 때문에 그 량이 점차 증대된다. 이러한 구조는 전술한 바와 같이 쉬리렌 광학 시스템과 조합을 이루게 되면 보다 PDLCD에 대한 비평행광의 입사를 보다 효율적으로 막을 수 있다. 실험에 의하면, 기종의 투사형 PDLCD와 본 발명 PDLCD에 의한 상대적 콘트라스트 비를 제8도에 도시된 바와 같은 개구패턴을 갖는 마스크를 이용해 측정한 결과, 기존의 PDLCD의 경우 12-15:1 정도의 콘트라스트 비가 나타났으나, 본 발명 PDLCD의 경우 17-23:1의 콘트라스트비를 나타내었다.

이러한 본 발명은 결과적으로 기존의 TN(Twisted Nematic) LCD용 투사광학 시스템을 어떤 보완이나 수정없이 사용하면서도 높은 콘트라스트비의 화상을 실현할 수 있게 된다.

이상과 같은 본 발명 PDLCD는 93년 특허 출원 9187호의 기술을 접목할 수 있는데, 이는 제6도에 도시된 바와 같이 배면판(200)의 전방에 별도의 기판(400)을 마련하고, 상기 기판(400)에 상기 광제어부의 화소패턴에 대응되는 개구부(420)를 제공하는 블랙 마스크(410)가 형성되어 있다. 또한 본 발명 PDLCD는 93년 특허출원 9280호의 기술과도 접목할 수 있는데, 제7도에 도시된 바와 같이 상기 배면판(200)에 상기와 같은 구조의 블랙 마스크(410)를 형성될 수 있다. 이것은 본 발명 특징부인 광차단막이 형성되어 있어도, 완전히 제거되지 않은 비평행광이 입사광에 남아 있고, 그리고 광제어부에서 미소의 전방 산란광이 발생됨을 고려한 것으로서, PDLCD로 부터 소정 거리를 두고 마련됨으로써 PDLCD로 부터 스크린으로 향하는 전방산란광을 충분히 차단하게 된다. 이러한 본 발명의 PDLCD는 구조적으로 복합화되어 다소 가격 상승요인이 내재되어 있으나, 이것은 보다 화상의 품위가 높고 그리고 규모가 큰 대형의 고부가 가치제품에 적용이 가능할 것이다.

Claims (6)

1. 광원에 대향하는 전면판과,

   상기 전면판과 소정 간격을 유지하는 배면판과,

   상기 전면판과 배면판 사이에 마련되는 것으로 PDLC 층과 PDLC층에 광통과를 위한 구획된 화소를 마련하며 PDLC를 제어하기 위한 전극 및 스위칭 소자를 포함하는 광학적 제어층과,

   상기 광원에 대면하는 상기 전면판의 표면에 상기 광학적 제어층의 화소에 대응하는 개구부를 마련하는 광차단층이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 액정 복합막 표시장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전면판의 내면에 상기 광학적 제어층의 화소에 대응하는 개구부를 마련하는 제1블랙 마스크가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 액정 복합막 표시장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배면판의 후방에 상기 광학적 제어층으로 출사된 산란광을 필터링하기 위해 상기 광학적 제어층의 화소에 대응하는 개구부를 마련하는 제2블랙 마스크가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 액정 복합막 표시장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2블랙 마스크는 상기 배면판에 소정간격을 유지하게 고정된 별도의 기판에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 액정 복합막 표시장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 제2블랙 마스크는 상기 배면판의 표면에 직접 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 액정 복합막 표시장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 광차단막은 광학적 제어층과 소정 간격을 둔 별도의 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 액정 복합막 표시장치.