KR100302220B1 - 표시소자 - Google Patents

Abstract

광 이용율을 개선하고, 고휘도이면서 저소비전력의 반사형 또는 반투과형 표시소자를 얻는다.

편광판(11)과 이에 대치하는 콜레스텔릭 액정 등의 편광반사층(18)의 사이에 입사광의 위상을 λ/4 지연시키는 고정 지연제층(위상차판: 12)과, 입사광을 인가 전압에 따라 λ/2 움직이는 가변 지연제층(수직배향형 액정층: 15)을 사이에 끼운다. 더욱이, 편광반사층(18) 배면에 입사광을 편광반사층(18)에 의해 선택반사되는 반향의 원편광성분으로 변환하는 위상차판(25) 및 편광판(26)을 배치한다.

Description

표시소자

본 발명은 액정표시소자 등의 평판형 표시소자에 관한 것으로, 특히 외광을 이용한 판사형 표시소자에 관한 것이다.

종래의 반사형 액정표시소자는 외광을 이용하기 때문에, 사용환경에 따라서는 조도(照度) 부족으로 인해 표시화면이 어두워지고, 특히 어두운 장소에서는 전혀 이용할 수 없다.

한편, 어두운 환경에서는 투과형 액정표시소자로 이용할 수 있도록 외광을 반사하기 위한 반사판으로서 반투과 반사판(반미러(half mirror))을 이용하고, 이 반투과 반사판의 배면에 백라이트(back light)를 구비한 반투과형 표시소자가 응용되어 왔다. 그러나, 반투과 반사판은 입사광의 이용효율이 최대에서도 50%이기 때문에, 표시화면의 밝기는 투과형 표시소자 또는 반사형 표시소자에 비해 현저히 떨어지다.

최근, 이러한 문제에 대해 반사판에 화소마다 핀홀을 설치하고, 이 핀홀에 대응한 마이크로렌즈를 배치한 반투과형 액정표시소자가 검토되고 있다. 이 반투과형 액정표시소자에 있어서는, 외광 이용시에는 반사판의 핀홀을 제거한 영역으로 반사한 광을 광원으로서 이용하고, 백라이트 사용시에는 핀홀을 투과한 광을 마이크로렌즈에 의해 집광함으로써, 광의 이용효율을 높이고 있다. 그러나, 외광 이용시에는 핀홀분의 광의 손실이 있기 때문에, 결과적으로 투과형으로서의 사용빈도가 높아 소비전력을 증대시키는 것으로 된다. 또한, 반사판의 구조가 복잡하기 때문에 외부부착의 반사판을 이용할 필요가 있고, 그 결과 시차가 생겨 표시성능을 현저히 저하시킨다.

또한, 반사형 액정표시소자의 관찰면측에 도광판을 배치하고, 이 도광판의 측면에 선상(線狀)광원을 배치한 소위 프론트라이트(front light) 방식의 표시소자도 검토되고 있다. 그러나, 프론트라이트 표현에서의 표면반사가 현저하여 콘트레스트(contrast) 등의 표시품위를 현저히 저하시켜 버린다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 종래의 반사형 또는 반투과형 표시소자의 문제점을 새로운 구조로 해결하여 광 이용효율을 비약적으로 높인 표시소자를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예의 동작을 설명하는 개략 단면도로, (a)는 Von의 상태, (b)는 Voff의 상태를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 편광반사층의 동작원리를 나타낸 개략 도면,

도 3은 본 발명의 제1실시예의 구성을 나타낸 일부 평면도,

도 4는 본 발명의 제1실시예의 일부 단면도,

도 5는 본 발명의 제1실시예의 TFT의 단면도,

도 6은 본 발명의 다른 실시예의 일부 단면도,

도 7은 본 발명의 다른 실시예의 TFT의 단면도,

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 설명하는 개략 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11 - 편광판, 12 - λ/4파장판(고정 지연제층),

13,14 - 투명기판, 15 - 수직배향형 액정층(VA층)(가변 지연제층),

16,17 - 투명 전극층, 18 - 콜레스텔릭 액정층(편광반사층),

21 - 배면광원 25 - 위상차판,

26 - 편광판, 51 - 위상차판,

52 - 제2콜레스텔릭 액정필름.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 볼 발명의 표시소자는, 그 관찰면측으로부터 차례로 제1편광판, 가변 지연제(retarder), 편광반사층, 위상차판, 제2편광판을 적층한 구조인 것을 특징으로 한다. 편광반사층은 그 일주면에 도달하는 입사광중 좌원편광(左圓偏光)성분 또는 우원편광(右圓偏光)성분을 선택반사하고, 나머지 성분을 투과하는 기능을 갖는다.

즉, 도 2에 나타낸 바와 같이 편광반사층(18)을 구성하는 콜레스텔릭 액정(19)이 좌회전의 나선구조를 갖는 경우, 그 주면(18f)측으로부터 입사하는 자연광(Lf)중 좌원편광성분은 주면(18f)에서 반사된다. 또한, 입사광중 우원편광성분 (L2)은 다른 주면(18b)측에 투과한다. 한편, 다른 주면(18b)으로부터 입사하는 자연광(Lb)중 진행방향에 대해 좌원편광성분은 주면(18b)에서 반사된 광(L2')으로 된다. 또한, 진행방향에 대해 우원편광성분은 편광반사층(18)을 투과하여 광성분(L1')으로 된다. 상기와 같이, 콜레스텔릭 액정은 이상적으로는 그 나선방향에 따른 회전방향의 원편광성분을 반사하고, 역회전방향의 원편광성분을 투과하지만, 콜레스텔릭 액정을 박막형성하면, 그 나선방향과 동일한 회전방향의 원편광성분중 10%정도를 투과한다. 따라서, 나선방향과 동일한 회전방향의 원편광성분중 나머지 90%정도가 선택적으로 반사된다.

본 발명의 표시소자에 있어서, 관찰면측으로부터 외광이 입사하면, 편광판의 편광축 방향에 따른 진동방향을 갖는 직선편광성분이 취출되어 가변 지연제에 도달한다. 가변 지연제는 이상적으로는 입사광의 특정방향의 진동성분의 위상을 이것에 직교하는 진동성분에 대해 λ/4(λ: 입사광 파장) 지연시키는 고정 지연제층과, 인가전압에 따라 입사광의 특정방향의 진동성분의 위상을 이것에 직교하는 진동성분에 대해 상대적으로 λ/2 지연시키는 가변 지연제층에 의해 구성된다.

고정 지연제층으로서는, 예컨대 주지의 λ/4위상차판을 이용할 수 있고, 그 위상축을 편광판의 편광축에 대해 소정방향으로 45˚의 각도를 이루도록 배치함으로써 편광판을 투과한 직선편광을 특정한 회전방향을 가진 원편광으로 변환한다. 위상차판의 지상축(遲相軸)이 편광판의 편광축에 대해 우회전으로 45˚의 각도를 이루도록 배치된 경우, 출사되는 원편광은 우회전의 극성으로 된다. 역으로 지상축이 편광축에 대해 좌회전으로 45˚의 각도를 이루도록 배치하면, 출사되는 원편광은 좌회전의 극성으로 된다.

가변 지연제층으로서는 전압제어에 의해 위상차를 가변할 수 있는 복굴절률(複屈折率)층이면 좋고, 예컨대 부(負)의 유전이방성(誘電異方性)을 갖는 수직배향 호모지니어스(VA) 액정층을 이용한다. VA층에 임계치 이하의 전압(제1전압)이 인가된 상태, 즉 액정층이 기판에 수직인 초기배열을 유지하고 있는 상태에서는 입사광은 위상변조 되지 않은 채로 출사되기 대문에, 원편광의 극성은 그대로 유지된다. VA층에 포화전압 이상의 전압(제2전압)이 인가되어 기판에 수평방향으로 배열하면, 입사광의 특정방향의 진동성분이 이에 직교하는 방향의 진동성분에 대해 λ/2 지연되고, 그 결과 입사한 원편광의 회전방향이 역전된다.

즉, 본 발명에 있어서 가변 지연제층을 액정으로 구성한 경우, 제1전압 인가시와 제2전압 이가시에서 액정층에 의한 위상지연이 상대적으로 λ/2 발생한다. VA액정을 예로 들면, 제1전압은 액정이 초기배향상태를 나타내는 전압, 제2전압은 액정의 배향이 기판에 평행상태로 되는 것을 가리킨다.

더욱이, 선광능(旋光能)이 높은 액정층에서는 원편광의 회전방향을 제어할 수 없기 때문에, 본 발명의 가변 지연제로서는 광의의 소위 ECB형(Electrically Controlled Birefringence mode) 액정을 사용할 수 있다. 트위스티드 네마틱(TN) 액정에서도 트위스트각을 적당한 값으로 하면, 충분한 복굴절기능이 얻어진다.

일예로서 편광축에 대해 우회전으로 개략 45˚의 각도로 교차하는 지상축을 갖는 제1 λ/4위상차판과, 그 후면에 배치된 수직배향(VA) 액정층, 더욱이 이 VA 액정층의 후면에 배치된 좌측으로 뒤틀린 콜레스텔릭 액정층, 그 후면에 배치된 제2위상차판 및, 제2편광판을 이용하여 본원의 표시소자를 구성한 경우, 우선 표시소자의 전면으로부터 제1위상차판에 도달한 직선편광은 우원편광으로 변환되어 출력된다.

VA액정층이 제2전압 인가시, 즉 온 상태의 경우, 우원편광은 VA액정층에서 좌원편광으로 변환되어 편광반사층에 도달한다. 그리고, 편광반사층은 도 2의 원리에 따라 좌회전의 편광성분을 선택반사한다. 이 좌원편광은 다시 VA액정층에서 우원편광으로 변환되고, 위상차판에 도달하여 입사 직선편광과 동일한 방향으로 진동하는 직선편광으로서 취출된다. 또한, 표시소자의 배면으로부터의 광은 제2편광판 및 제2위상차판에 의해 편광반사층에 선택반사되는 방향의 원편광성분(상기예의 경우 좌회전 원편광)으로 변환된다. 이중 10%는 편광반사층을 투과하고, VA액정층에서 우회전의 원편광으로 변환된다. 그리고, 위상차판에 도달하여 입사 직선편광과 동일한 방향으로 진동하는 직선편광으로서 취출된다.

한편, VA액정층이 제1전압 인가시, 즉 오프 상태의 경우, 표시소자의 전면으로부터 입사하고, 제1위상차판으로부터 출사되는 우원편광은 그 회전방향을 유지하여 편광반사층에 도달하고, 이면(裏面)으로 투과된다.

그리고, 제2위상차판에 의해 직선편광으로 변환되어 제2편광판에 의해 흡수된다. 또한, 표시소자의 배면으로부터의 좌회전의 편광성분중 10%는 편광반사층 및 VA액정층을 투과하고, 제1위상차판에 의해 제1편광판의 편광축과 직교하는 방향으로 진동하는 직선편광으로 되어 제1편광판에 의해 흡수된다.

그리하여 동일구성의 표시소자에 의해 외광(편광판측으로부터의 입사광)을 이용한 반사형 표시와, 배면광원을 이용한 투과형 표시가 동시에 가능해진다.

더욱이, 위상차판의 지상축이 편광축으로부터 좌회전으로 개략 45˚의 각도를 이루도록 배치한 경우, 콜레스텔릭 액정의 트위스트 방향을 우회전 함으로써 동일한 동작을 달성할 수 있다.

배면광원으로서는, 예컨대 아크릴 등의 투광성의 평판으로 이루어진 도광체의 측면에 선상광원을 배치한 면광원을 이용할 수 있다. 도광체의 이면에 산란반사층을 설치함으로써, 편광반사층으로부터 반사된 편광성분은 편광반사층을 투과하기까지 편광반사층과 산란반사층의 사이를 반복하여 반사된다. 따라서, 산란반사층의 흡수분에 의한 손실을 제거하면, 선상광원으로부터의 광의 이용효율을 극히 높일 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 있어서의 표시소자(10)의 구성을 나타낸다. 표시소자의 관찰측에는 편광판(11)이 배치되고, 그 하층에는 λ/4파장판(12)이 배치되어 있다. 그리고, λ/4파장판(12)의 하층에는 2장의 유리기판(13,14)에 의해 사이에 끼워진 수직배향형 액정층(15)을 갖춘 액정소자가 배치되어 있다.

그리고, 하측의 유리기판(14)과 전극층(17)의 사이에는 콜레스텔릭 액정을 폴리머화 한 필름(18)이 피착(被着)형성되어 있다. 도 2는 필름(18)에 의해 투과 또는 반사되는 광의 상태를 나타낸다. 필름(18)에 이용되는 콜레스텔릭 액정은 그 액정분자(19)의 뒤틀림 피치(p)와 평균굴절률(n)을 곱한 값(np)이 입사광 파장(λ)과 동일한 경우를 상정하고 있다. 이 콜레스텔릭 액정의 액정분자가 좌회전의 나선구조로 되어 있는 경우, 입사한 광(Lf)의 좌원편광성분이 선택반사되고, 나머지의 편광성분은 투과한다. 콜레스텔릭 액정은 상기의 값(np)이 입사광 파장(λ)과 동일한 경우, 그 나선방향(좌회전 또는 우회전)과 동일한 방향(좌회전 또는 우호전)의 원편광성분을 이상적으로는 100% 반사하는 기능을 갖지만, 실제로는 10%정도 투과한다. 하측으로부터 입사한 광(Lb)에 대해서도 마찬가지로 좌원편광성분이 선택반사된다.

다시, 도 1을 참조하여 본 실시예의 표시소자(10)의 동작을 설명한다. 도1의 (a)는 수직배향형 액정층(15)에 전원(20)으로부터 전압이 인가된 온 상태, 정확하게는 액정의 드레숄드 레벨 이상의 전압인가상태(Von시)를 나타낸다. 이 경우, 네마틱 액정분자는 상측기판으로부터 하측기판으로 향해 기판에 수평인 방향으로 배열하는 호모지니어스 배향으로 된다.

이 상태에 있어서, 도면 상방의 관찰측으로부터 입사해 오는 광(Lf)은 편광판(11) 및 고정 지연제층인 λ/4위상차판(12)을 매개로 우회전의 원편광으로서 가변 지연제층인 수직배향형 액정층(VA층: 15)으로 입사한다. 그리고, 이 층(15)에서 위상이 λ/2 지연됨으로써, 좌회전의 원편광으로 변환되어 편광반사층인 콜레스텔릭 액정층(18)에 도달한다. 따라서, 상술한 바와 같이 도달한 좌회전의 원편광은 콜레스텔릭 액정층(18)에 의해 반사되고, 다시 VA층(15)에 의해 위상이 λ/2 지연됨으로써 우회전의 원편광으로 변환되어 출력된다. 이 광이 다시 λ/4위상차판(12)을 통과함으로써, 편광판(11)의 편광축에 따른 직선편광으로 되고, 편광판(11)을 통과하여 출력되고, 밝은 상태의 표시가 얻어진다.

도 1의 (b)는 수직배향형 액정층(15)에 임계치 이하의 전압이 인가된 오프상태(영(零)전압을 포함)(Voff시)를 나타낸다. 이 경우, 액정층은 액정분자가 기판에 수직으로 배열하고, 입사광을 위상변조 하지 않은 상태로 된다.

이 상태에 있어서, 도면 상방으로부터 입사해 오는 광(Lf)은 도 1의 (a)의 경우와 마찬가지로, 편광판(11) 및 λ/4위상차판(12)을 매개로 우회전의 원편광으로서 액정층(15)에 입사하지만, 동층(15)에서는 위상변조 되지 않고, 우회전의 원편광 그대로 콜레스텔릭 액정층(18)에 도달한다. 이 우회전의 원편광은 표시소자의 배면으로 향해 투과해 가고, 위상차판(25)에서 편광판(26)의 흡수축에 따른 진동성분을 갖는 직선편광으로 변환된다. 그 결과, 관찰면에는 광은 되돌아 오지 않고, 어두운 상태의 표시가 얻어진다.

다음에, 콜레스텔릭 액정층(18)의 배면에 면광원(21)을 배치한 경우의 동작에 대해 설명한다. 면광원(21)은 아크릴 평판 등에 의해 형성되는 도광판(22)과, 그 측면에 배치된 선상광원(24) 및, 도광판의 배면에 배치된 확산반사층(23)에 의해 구성된다.

도 1의 (a)의 상태, 즉 Von시에는 면광원으로부터 출력되는 광(Lb)은 편광판(26) 및 위상차판(25)에 의해 우회전 원편광으로 되고, 그중 소정 비율의 광(약 10%)이 콜레스텔릭 액정층(18)을 통과하고, 나머지의 광은 반사된다. 그리고, 콜레스텔릭 액정층(18)을 통과한 광은 VA층(15)에 의해 위상변조 되고, 우회전의 원편광으로 변환된다. 그리고, 이 광이 λ/4위상차판(12)을 통과함으로써 편광판(11)의 편광축에 따른 직선편광으로 되고, 편광판(11)을 통과하여 출력되고, 밝은 상태의 표시가 얻어진다.

한편, 도 1의 (b)의 상태, 즉 Voff시에는 콜레스텔릭 액정층(18)을 통과한 좌회전의 원편광은 VA층(15)에 의한 위상변조를 받지않고, 그대로 출력된다. 그리고, 이 광이 λ/4위상차판(12)을 통과함으로써, 편광판(5)의 편광축과 직교하는 진동방향을 갖는 직선편광으로 되고, 편광판(11)에 의해 흡수되어 어두운 상태의 표시가 얻어진다.

이렇게 하여, 동일구조의 표시소자를 이용하고, 외광을 이용할 경우, 광원을 이용할 경우와 함께 극히 광 이용효율이 높은 표시를 얻을 수 있어 밝은 표시가 가능해진다.

또한, 콜레스텔릭 액정층(18)의 편광반사층을 가변 지연제인 VA액정소자의 내부에 형성함으로써, 기판(14) 외면에 편광반사층을 배치한 경우에 비해 기판(14)에 의한 시차는 없어진다. 또한, 편광반사층을, 예컨대 기판(14) 상에 TFT, MIM 소자 등의 액티브소자를 형성한 경우의 절연층으로서 겸용하면, 제조공정을 간략화할 수 있어 비용을 절감할 수 있다.

그리하여, 동일구성의 표시소자에 의해 외광을 이용한 반사형 표시와, 배면광원을 이용한 투과형 표시가 동시에 가능해진다.

더욱이, 상기 실시예에 있어서는 VA액정소자를 가변 지연제로서 이용했지만, 입사광의 위상을 1/2파장 움직이는가 위상변조하지 않는가를 전계에 의해 제어할 수 있는 소자이면 동일한 효과가 얻어지는 것은 말할 것도 없다. 예컨대, 다른 실시예로서 종래 공지의 네마틱 액정을 기판의 방향에 평행하게 배향시킨 수평배향형 네마틱 액정소자를 이용해도 좋고, 또한 네마틱 액정을 트위스트 배향시킨 트위스티드 네마틱 액정소자를 이용해도 좋다.

또한, 본 발명의 표시소자를 칼라 표시소자에 응용하는 것도 물론 가능하다. 즉, 편광판과 네마틱 액정층의 사이에 적, 녹, 청의 3원색 또는 노란색(yellow), 자홍색(magenta), 청록색(cyan)의 보색 3원색의 칼라필터를 배치하고, 매트릭스 형상으로 배치한 화소전극을 이용하여 네마틱 액정층을 화소단위로 전계제어함으로써 가법혼색(加法混色)에 의한 칼라 표시를 행할 수 있고, 이 칼라필터를 가변 지연제의 셀 내부에 구성하는 것도 물론 가능하다.

이러한 본 발명의 표시소자에 이용하는 편광반사층은 가시광영역에 있어서의 모든 파장의 광에 대해 상술한 기능, 작용을 발휘하는 것이 무채색의 백혹 표시나 색 재현성에 우수한 칼라표시를 얻는데 바람직하다. 예컨대, 상기의 각 실시예와 같이 콜레스텔릭 액정층에 의해 편광반사층을 구성한 경우, 그 나선 피치(p)와 콜레스텔릭 액정 폴리머의 평균굴절률(n)을 곱한 값(np)이 가시광 파장의 최단파장으로부터 최장파장까지를 망라하도록 나선 피치가 층 두께방향에 따라 연속적으로 변화한 나선구조로 함으로써, 가시광영역의 모든 파장에 대응한 편광반사 능력을 얻을 수 있다.

콜레스텔릭 액정을 구성하는 봉형상(棒狀) 고분자는 나선구조를 갖고, 나선축에 평행한 광이 입사한 경우, 나선 피치에 동일한 광의 파장을 블랙반사 한다. 즉, 값 np에 동일한 파장의 광을 중심파장으로 하여 굴절률 이방성(△n)과 나선 피치(p)를 곱한 값(△np)과 동일한 밴드폭(파장의 범위)에서 블랙반사를 얻는다. 더욱이, 상기의 굴절률 이방성(△n)은 봉형상의 액정 고분자의 장축방향에 따른 굴절률과 단축방향에 따른 굴절률의 차를 표시하고, 한편 평균굴절률은 장축방향에 따른 굴절률과 단축방향에 따른 굴절률의 2승화의 평방근에 의해 구해진다.

그러나, 콜레스텔릭 액정의 굴절률 이방성(△n)은 0-0.3의 것 밖에 실존하지 않고, 게다가 콜레스텔릭 액정의 평균굴절률(n)도 1.4-1.6의 것 밖에 실존하지 않기 때문에, 상기 블랙반사의 중심파장을 가시광 파장의 중심파장(약 550nm)에 맞추는 것은 곤란하다. 따라서, 상술한 바와 같이 콜레스텔릭 액정의 나선 피치를 층두께방향으로 변화시키는 것이 가시광영역 전체영역에 걸쳐 양호한 편광반사 능력을 얻기 때문에 극히 유효하다.

이와 같은 나선 피치가 변화하는 콜레스텔릭 액정층을 얻는데에는 피치가 다른 2종 이상의 콜레스텔릭 액정 폴리머층을 연속적으로 적층하거나, 콜레스텔릭 액정재료를 기판에 도포하여 고화시킬 경우에, 도포후의 막표면에 콜레스텔릭 액정의 나선 피치를 길게하는 첨가제(예컨대, 나선 피치가 무한대인 네마틱 액정 등)를 코팅하는 방법이 바람직하다.

또한, 상기 예에 있어서는 가변 지연제층에 인가하는 전압으로 Von과 Voff의 중간전압을 인가함으로써, 중간조표시를 시킬 수 있는 것도 물론 가능하다.

이상의 각 실시예에 있어서는, 외광을 이용하여 반사형 표시소자로서 동작시킬 경우, 또한 배면광원을 이용하여 투과형 표시소자로서 동작시킬 경우, 어느쪽의 경우도 높은 광 이용효율을 달성할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2실시예의 반투과형 액정표시장치로서 구성된 TFT 액티브 매트릭스형 액정표시장치이다. 도 4는 주된 구성부분, 도 5는 어레이 기판의 TFT소자 구조를 나타낸다. 또한, 도 5는 도 4의 TFT소자 구조를 설명하는 것으로, 도 4에 대해 상하 반전하여 나타내고 있다. TFT 어레이 기판(13)은 유리 등으로 이루어진 절연기판으로 이루어지고, 도면은 TFT 어레이 기판(13)을 관찰측에 배치하고, 대향기판(14)을 배면광원측에 배치한 칼라필터를 갖춘 수직배향 네마틱형의 소자를 나타낸다. 화면 표시영역에 다수의 화소전극(30)을 매트릭스 형상으로 배치하고, 각 화소전극(30)에 구동 스위칭소자로서 박막트랜지스터(TFT: 31)가 설치된다. 이들의 화소전극간에 신호선(32), 게이트전극(33)을 포함하는 주사선(34), 더욱이 필요에 따라 보조용량전극(도시하지 않았슴)이 설치된다. 이들의 위로부터 열산화막(35), 예컨대 아몰퍼스 실리콘(a-Si)으로 이루어진 반도체막(36)이 순차형성되어 있으며, 반도체막을 덮어 저저항반도체막(37)이 형성되어 있다. TFT소자(31)를 구성하고 있는 부분은 TFT소자를 보호하기 위한 페시베이션막(38)에 의해 덮여져 있다.

이와 같이, 게이트전극(33)이 반도체막(36)의 아래에 배치되는 구조를 하부게이트(bottom gate) 구조라 칭하고, 어레이 기판(13)으로부터 TFT소자(31)로 향해 들어가는 외광은 게이트전극(33)에서 차단되기 대문에 반도체막(36)으로 입사하지 않는다. 그 결과, 표시소자를 실외 사용할 경우의 광에 의해 발생하는 광 누설전류에 의한 표시 콘트레스트비 저하를 방지할 수 있다.

또한, 화소부의 전면에는 칼라필터(39)가 배치되어 있다. 칼라필터에는 10㎛각 정도의 콘택트홀(40)이 설치되어 있다. 칼라필터(39) 상에는, 예컨대 ITO로 이루어진 투명화소전극(30)이 각 화소마다 형성되어 있다. 투명화소전극(30)은 칼라필터(39)에 설치된 콘택트홀(40)을 매개로 TFT의 소스전극(41)에 전기적으로 접속되어 있다.

투명화소전극(30)의 경계부에는 신호선(32), 주사선(34), 보조용량선중 어느것인가의 배선전극이 배치되고, 배면광원에 의한 반투과형 액정표시장치의 투과광사용시에 배면광원의 광이 누설되어 콘트레스트비를 저하시키는 것이 없다. 이 어레이 상에, 더욱이 도시하지 않은 배향막이 소정의 배향축을 구비하여 적층되어 있다.

한편, 대향기판(14)에는 편광반사층(18)이 소정형상으로 형성되어 있다. 여기서, 편광반사층(18)으로서는 콜레스텔릭 액정을 폴리머화 한 필름을 피착형성했다. 편광반사층(18)은, 더욱이 대향전극(17)으로서 예컨대 ITO의 투명 도전막이 소정형상으로 적층되어 있다. ITO는 통상의 마스크 스퍼터의 수단에 의해 성막과 패터닝을 동시에 행하는 것이 바람직하다. 이에 의해, ITO 형성시의 콜레스텔릭 액정층으로의 프로세스 부하는 극히 작다.

더욱이, 도시하지 않은 배향막이 배향처리되어 적층되어 있다. 배향은 액정분작 기판에 수직으로 배향되는 방향으로 되어 있다.

이들의 TFT 어레이 기판(13)과 대향기판(14)이 대향하여 액정셀을 구성하고 있고, 양기판의 둘레부(밀봉(seal)부: 42)는 접착제(밀봉재: 43)에 의해 부착되고, 액정셀에는 VA액정(15)이 봉입(封入)되어 있다. 이 때, 밀봉제는 대향기판(14)의 편광반사층(18)이 형성되어 있지 않은 영역에 도포하는 것이 좋다. 편광반사층(18)상에서는 밀봉제의 부착성이 나쁘고, 1만시간 이상의 장시간의 사용에 대해 기판이 떨어지는 등의 신뢰성 문제를 초래할 우려가 있다. 또는, 편광반사층 상에 밀봉제의 부착성이 좋은 오보코트제를 도포해 두면, 상기 신뢰성 문제는 회피할 수 있다. 오버코트제는, 예컨대 통상 칼라필터에 이용되고 있는 아크릴 수지로 양호하다.

어레이 기판(13)의 외측의 면상에는 1/4파장판(12), 편광판(11)이 이 순서로 적층되어 있다. 대향기판(14)의 액정층과는 반대측의 외면에는 도시하지 않은 배면광원이 배치되어 있다. 또한, 대각(對角)화면 길이가 8인치 이상의 중형으로부터 대형 액정표시장치에서는 광확산 필름을 어레이 기판(1)의 외측의 면에 설치하여 시야각을 확대해도 좋다.

이상과 같이 구성된 본 실시예의 액정표시장치는 접속된 외부회로에 의해 구동되고, 주위에 적당한 광원이 있는 밝은 장소에서는 주위광을 액정표시장치로 입사시켜 그 반사광으로 표시를 행하는 반사형 액정표시장치로서 이용할 수 있다.

또한, 어두운 장소에서는 액정셀 배면의 광원을 점등시켜 그 투과광으로 표시를 행하는 투과형 액정표시장치로서 이용할 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 제3실시예의 반투과형 액정표시장치로서 구성된 TFT방식 액티브 매트릭스형 액정표시장치를 나타낸다.

도 3 내지 도 5에서 설명한 제2실시예와 다른 부분은 다음과 같이 하고, 그 외는 동일한 구성이다.

그 첫번째로, 대향기판(14)의 두께를 가급적 얇게, 실용적인 0.2mm로 얇게 하고, 점착층 부착필름으로서 공급되는 편광반사층(18a)을 대향기판(14)의 투명전극(17)이 형성되는 면과는 반대의 외면에 부착하고 있는 점이다.

여기서, 편광반사층(18a)으로서는 콜레스텔릭 액정을 폴리머화 한 필름을 이용할 수 있다. 편광반사층을 제1실시예와 같이 박막형성할 필요가 없기 때문에, 제1실시예 보다도 제조수율이 더욱 양호하다. 또한, 표시에 있어서는 기판 두께 0.2mm정도의 패럴랙스(parallax)에 의한 영향이 발생하지만, 0.2mm정도에서는 시인성(視認性)을 손상하는 문제를 일으킬 염려는 없다. 더욱이, 0.2mm 두께의 기판(14)에는 0.7mm 유리기판을 얇게 연마하여 사용하던가 플라스틱 기판을 이용한다.

두 번째로, TFT 어레이 기판 상의 TFT소자가 폴리실리콘(poly-Si) TFT소자(31a)인 점이 제1실시예와 다르다. 폴리실리콘 TFT소자의 광 누설전류는 일반적으로 작고, 수만룩스(lx)정도의 외광하에서도 문제되지 않는다.

상술한 편광반사층(18a)은 콜레스텔릭 액정필름에 의해 구성한다. 그 나선 피치(p)와 콜레스텔릭 액정 폴리머의 평균굴절률의 곱 np가 가시광 파장 전부를 망라하도록 나선 피치가 층 두께방향에 따라 연속적으로 변화한 나선구조로 함으로써 편광반사 능력의 파장부산에 의한 채색을 제어할 수 있다.

콜레스텔릭 액정을 구성하는 봉형상 고분자는 나선구조를 갖고, 나선축에 평행한 광이 입사한 경우, 나선 피치와 동일한 광의 파장을 블랙반사 한다. 즉, 곱np의 값과 동일한 파장의 광을 중심파장으로 하여 굴절률 이방성(△n)과 나선 피치의 곱(△np)과 동일한 밴드폭(파장의 범위)에서 블랙반사를 얻는다. 더욱이, 상기의 굴절률 이방성(△n)은 봉형상의 고분자의 장축방향에 따른 굴절률과 단축방향에 따른 굴절률의 차를 표시하고, 한편 평균굴절률은 장축방향에 따른 굴절률과 단축방향에 따른 굴절률의 2승화의 평방근에 의해 구해진다.

이를 실현하기 위해, 콜레스텔릭 액정의 나선 피치를 층 두께방향으로 변화시켜 가시광영역 전체영역에 걸쳐 양호한 편광반사 능력을 얻는다.

도 8은 도 1의 표시소자에 있어서, 더욱이 배면광원광의 광 이용효율을 높이기 위한 광학계를 나타낸다. 즉, 배면광원(21)과 편광판(26)의 사이에 위상차판(51) 및 제2콜레스텔릭 액정필름(52)을 배치한 것이다.

이 광학계는 광원광의 일부를 편광판(260의 앞쪽으로 평광축에 따른 직선평광으로 변환하고, 나머지를 반사하여 리사이클 이용하기 위한 것으로, 본 실시예에 있어서는 제2콜레스텔릭 액정필름(52)은 편광반사층(18)과 동일하게 좌측으로 뒤틀린 나선구조를 갖고, 위상차판(51)은 위상차판(25)의 지상축과 평행한 지상축을 갖는다.

이 구성에 있어서, 광원광중 우회전의 원편광성분은 제2콜레스텔릭 액정필름(52)을 투과하고, 좌회전의 원편광성분은 제2콜레스텔릭 액정필름(52)에 의해 대부분이 반사되지만, 약 10%의 광은 제2콜레스텔릭 액정필름(52)을 투과한다. 그리고, 이 원편광이 위상차판(51)으로 입사하면, 우회전의 원편광성분은 편광판(26)의 편광축과 평행한 진동성분을 갖는 직선편광으로 변환되고, 좌회전의 원편광성분은 편광판(26)의 흡수축과 평행한 진동성분을 갖는 직선편광으로 변환된다. 따라서, 편광반사층(18)에는 편광판(26)을 투과하여 위상차판(25)에 의해 변환된 좌회전의 원편광성분만이 입사한다.

이 좌회전의 원편광성분의 약 90%는 편광반사층(18)에 의해 반사되고, 위상차판(25)에 의해 편광판을 투과하는 직선편광으로 변환되고, 더욱이 위상차판(51)에 의해 제2콜레스텔릭 액정필름(52)을 투과하는 원편광으로 변환된다. 그리고, 배면광원 유닛의 반사판까지 도달하여 편광성분이 분해된다. 이를 반복함으로써, 배면광원으로 향해 반사되는 광을 리사이클 하여 광원광의 이용효율을 높일 수 있다.

더욱이, 이 광학계의 구성은 상기의 구성에 한정되지 않고, 역방향의 뒤틀림을 갖는 콜레스텔릭 액정필름을 이용한 경우는 위상차판(51)의 지상축 방향을 180˚ 회전시킴으로써, 마찬가지의 기능을 갖는 광학계를 구성할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 표시소자에 있어서는 외광을 이용하여 반사형 표시소자로서 동작시킬 경우 및 배면광원을 이용하여 투과형 표시소자로서 동작시킬 경우, 어느 경우에 있어서도 고휘도의 표시화면을 얻을 수 있고, 반사표시시에 배면광원을 보조적으로 사용하거나 투과표시시에 배면광원의 휘도를 높일 필요가 없어지고, 소비전력을 절감할 수 있다.

Claims (18)

1. 직선편광을 그 편광축에 따라 투과하는 제1편광판과,

   상기 제1편광판의 후방에 배치되고, 인가전압에 따라 입사광의 위상을 변조하는 가변 지연제,

   상기 가변 지연제의 후방에 배치되고, 입사광의 소정 방향 회전의 제1원편광성분을 선택적으로 반사하는 편광반사층 및,

   상기 편광반사층의 후방에 차례로 배치되고, 후방으로부터의 광을 상기 소정방향 회전의 원편광성분으로 변환하는 위상차판 및 제2편광판을 갖추고,

   상기 가변 지연제는 상기 제1편광판을 투과한 직선편광을 제1전압 인가시에 상기 제1원편광성분으로 변환하고, 제2전압 인가시에 상기 제1원편광성분과 역회전의 제2원편광성분으로 변환함과 동시에, 상기 제1전압 인가시에 상기 편광반사층으로부터의 반사광 및 투과광을 상기 제1편광판의 편광축에 따른 직선편광으로 변환하며, 상기 제2전압 인가시에 상기 편광반사층으로부터의 투과량을 상기 제1편광판의 편광축과 직교하는 방향의 직선편광으로 변환하는 것을 특징으로 하는 표시소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 편광반사층은 콜레스텔릭 액정층인 것을 특징으로 하는 표시소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 콜레스텔릭 액정층은 그 나선 피치가 층 두께방향에 따라 다른 것을 특징으로 하는 표시소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 가변 지연제는 인가전압에 따라 입사광의 위상을 가변적으로 변조하는 가변 지연제층과, 입사광의 위상을 일정량 변조하는 고정 지연제층을 갖춘 것을 특징으로 하는 표시소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 가변 지연제층은 상기 고정 지연제층 보다도 상기 편광반사층측에 배치되는 것을 특징으로 하는 표시소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 가변 지연제층은 상대하는 전극간에 배치된 액정을 갖고, 상기 제1전압 및 제2전압이 상기 전극에 인가되는 것을 특징으로 하는 표시소자.
7. 제4항에 있어서, 상기 가변 지연제층은 상기 제1전압 인가시에 상기 제2전압 인가시 보다도 입사광의 위상을 λ/2 변화시키는 것을 특징으로 하는 표시소자.
8. 제7항에 있어서, 상기 가변 지연제층은 트위스티드 네마틱 액정소자인 것을 특징으로 하는 표시소자.
9. 제7항에 있어서, 상기 가변 지연제층은 수직배향형 네마틱 액정소자인 것을 특징으로 하는 표시소자.
10. 제7항에 있어서, 상기 가변 지연제층은 수평배향형 네마틱 액정소자인 것을 특징으로 하는 표시소자.
11. 제1항에 있어서, 상기 편광반사층의 다른쪽의 면측에는 면광원이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 표시소자.
12. 제5항에 있어서, 상기 고정 지연제층은 λ/4위상차판으로 이루어지고,

    그 지상축이 상기 제1편광판 전면측으로부터 보았을 때 상기 편광축으로부터 소정 방향으로 개략 45℃를 이루도록 배치되어 입사광의 위상을 변조하는 액정셀을 포함하고, 상기 편광반사층은 콜레스텔릭 액정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표시소자.
13. 제12항에 있어서, 상기 액정층 셀은 상기 액정층과, 그 액정층을 끼운 대향하여 각각의 내면에 전극이 형성된 2장의 전극기판을 갖춘 것을 특징으로 하는 표시소자.
14. 제13항에 있어서, 상기 콜레스텔릭 액정층은 상기 전극기판면에 피착되는 것을 특징으로 하는 표시소자.
15. 제14항에 있어서, 상기 콜레스텔릭 액정층은 상기 전극기판 외면에 피착되어 있는 것을 특징으로 하는 표시소자.
16. 제15항에 있어서, 상기 콜레스텔릭 액정층은 액정 폴리머 필름으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표시소자.
17. 제13항에 있어서, 상기 전극기판의 한쪽은 매트릭스 형상으로 배열된 복수의 화소전극 및 각각의 화소전극을 제어하는 스위칭소자를 갖추고, 다른쪽의 전극기판은 상기 복수의 화소전극에 공통의 대향전극을 갖춘 것을 특징으로 하는 표시소자.
18. 제12항에 있어서, 상기 편광반사층은 콜레스텔릭 액정층으로 이루어지고, 그 뒤틀림 방향이 상기 편광축으로부터 지상축으로의 회전방향과 역방향인 것을 특징으로 하는 표시소자.