KR100416333B1 - 액정셀 - Google Patents

Abstract

디스플레이 디바이스는 입력 광을 선택적으로 셔터링하도록 셀들에 배열된 액정 재료의 셔터층과, 이 셔터층상의 커버층(5) 및, 입력 광에 의해 활성화되어 디스플레이 영상을 제공하며, 상기 셀들에 대응하는, 커버층상의 한 세트의 형광체들(7)을 포함한다. 크로스토크를 방지하기 위해, 전극 중첩부들에 의해 정의된 활성 셀 영역(10)들은 대응하는 형광체들보다 작다. 이것은 완전히 콜리메이팅되지않은 입력 광이 이용될 때에도 셀들 사이의 크로스토크를 방지하고, 셀들로 안내하며 저항을 감소시키는 더 두꺼운 및/또는 더 넓은 전극들(12)에 대한 공간 및, TFT들과 같은 다른 구성요소들에 대한 공간을 또한 허용한다.

Description

액정 셀{Liquid crystal cell}

예를 들어, 이러한 타입의 액정 디스플레이들은 스탠리 캔터(Stanley Canter)의 이름으로 US 제 4,668,049 호로부터 원리적으로 알려져 있다. 여기서, 활성광은 자외선광이며, 셀들은 TIR(총 내부 반사(total-internal-reflection)) 기판의 형태인 광도파로상의 산란시키는 셀들(scattering cells on a light guide)이다. 어드레싱되지 않을 때 각각의 셀은 본질적으로 투명하고 자외선광의 통과에 영향을 주지 않으며, 따라서 각각의 셀은 대응하는 형광체가 어둡게 남아있도록 광도파로내에 포함된 채로 있게 된다. 셀이 어드레싱될 때, 셀은 UV광을 산란시키고, 그러므로 그중 몇몇은 TIR 조건들을 벗어나서 형광체들에 도달한다.

이러한 배열은 많은 장점들을 갖는데, 그중 하나는 협대역 또는 단색광이 활성광으로서 이용될 수 있다는 것이며, 이것은 액정들의 파장 의존성 광학 성질들에 의해 발생된 많은 제한들을 피하고, 한편 적절한 형광체들이 이용된다면 칼라 디스플레이들을 완벽하게 가능하게 한다. LC 디스플레이들에 통상적인 시청 각도 문제는 2차 광이 형광체들에 의해 방출되고 액정층을 통과하지 않으므로 제거된다.

이러한 종류의 디스플레이, 즉, 포토루미네슨트 LC 디스플레이 또는 PLLCD에 관련하여 그럼에도 불구하고 남아 있는 문제는, 셔터 평면내의 LC 셀들로 기록된 영상의 형광체 평면에서의 정확한 영상을 생성하는 것이며, 각각의 셔터로부터 나타나는 UV(활성광) 빔은 적절한 형광체상에만 입사해야 한다. 또한, 상기 단계의 UVLCD의 효율을 최대화하기 위해, 최대의 빔 단면이 형광체에(예를들어, 형광체들 사이의 마스크 스크린상에 대향하여) 입사하는 것도 중요하다.

상기에 언급된 US 제 4,668,049 호에 대응하는 EP-A-제 185495 호는 형광체들에 활성광을 향하게 하는 문제를, 즉 상기 출원의 도 5를 언급하는 18 페이지상에서, 다루는 것으로 되어 있다. 그러나, 화소들 사이의 차단층을 포함하고 앞유리(front glass)의 두께를 감소시키는 것과 같은, 다양한 전략들이 언급되었지만, 해결책이 발견되지 않았다는 것은 분명하며: 실행가능한 가장 얇은 유리(예를들면 100 내지 200 μ)로도 그 두께는 고해상도 모니터용의 약 200μ인 형광체들의 간격과 적어도 필적하게 될 것이고; 산란 디바이스에 대해서, 공급된 광은 총 내부 반사가 오프 상태에서 발생하도록 작은 각도로 입사해야 하므로, 인접한 화소들에 부딪히는 산란된 광을 방지하는 것이 불가능하다.

이러한 일반적인 문제를 해결하기 위한 접근법은 WO 제 95/2792O 호(크로스랜드 등(Crossland et al.))에 개시되어 있다. 이것은 광원과 액정사이 또는, 액정과 형광체들사이의 활성광을 콜리메이팅하기 위한 수단(means for collimating theactivating light)을 나타내고 있다. 이러한 접근법은 문재를 해결할 수 있지만 부가적인 구성요소들을 포함한다.

본 발명은 액정 셀 설계들에 관한 것이며, 특히, 디스플레이들을 위해 이용된 액정 셀 설계들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 셀의 후면에서의 빛("활성 광")이, 다소 음극선관과 유사한 액정의 방식으로, 형광체와 같은 2차 에미터에 부딪히도록 액정 셀 셔터들을 통해 향하게 되는 종류의 디바이스에 판한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정 셀의 단면도.

본 발명에 따라, 형광체는, 그에의해 형광체가 액정의 하부 활성 영역을 넘어 연장되는, 경계 또는 중첩 영역을 둘레에 포함한다. 양호하게, 입력 광을 선택적으로 셔터링하도록 셀들에 배열된 액정 재료의 셔터층, 셔터층상의 커버층 및, 입력 광에 의해 활성화되어 디스플레이 영상을 제공하며, 셀들에 대응하는, 커버층상의 형광체들과 같은 한 세트의 출력 요소들을 포함하는 디스플레이 디바이스가 제공되며, 상기 셀들은 형광체들보다 실질적으로 더 작은 영역을 갖는다. 여기서 의미하는 것은 영역들의 비율이 아니며, 평면에 수직으로 보면 형광체들(또는 다른 출력 요소들)은 활성 액정 셀 영역, 즉 전극들에 의해 정의된 영역의 돌출부 둘레에 "경계"를 갖는다는 요구조건이다. 이 경계는 셀을 통과하는 모든 오프-축 입력 광을 잡을 정도로, 커버 유리의 두께에 대하여, 충분히 커야 한다.

이러한 관계는 입력 광을 콜리메이팅하거나 그렇지 않으면 크로스토크를 방지하는 필요를 크게 감소시킨다. 더 적은 입력(활성)광이 형광체들을 통과할 수 있으므로 LC 셀의 크기를 감소시키는 것이 디스플레이의 세기를 감소시키더라도, 이러한 단점은 액정 평면내의 다른 구성요소들에 대한 경계 공간을 이용할 수 있는 것과 같은 다른 장점들에 의해 더 중요하게 되고; 이러한 구성요소들은 셀 전극용의 버스바들(bus bars) 및/또는, 활성 어레이용의 TFT들일 수 있다.

다른 장점들은 본 발명의 실시예의 다음의 서술로부터 분명해질 것이며, 단일한 도면과 연결하여 이것은 그와같은 실시예를 나타내는 액정 셀을 통한 단면을 보여준다.

액정층(1)은 두 개의 유리 기판들(3과 5)사이에 끼워지며, 하부 기판(3)은 기계적 지지부로서 작용하고, 커버로서의 상부(5)는 실질적으로 하부 기판보다 더 얇다. 디스플레이의 영역은 예시되지 않은 종래의 방식으로 다수의 셀들로 분할되고, 하나의 셀은 도시되었으며 액정층의 구간(10)에 대응한다. 각각의 셀은 커버유리(5)의 상부상에 형광체 도트(7)를 더 포함하는데, 각각의 도트는 거의 셀의 경계선으로 연장된다.

개별적인 셀들을 어드레싱하기 위해 전극 스트립들의 어레이가 제공되는데, 상부 스트립들(12)은 도면종이와 수직으로 뻗어 있고, 하부 스트립들(14)은 도면종이의 평면에서 상부 스트립들과 평행하게 뻗어 있다. 전극들은, 잘 알려진 바와같이, 대개 ITO인 투명 재료로 되어 있다.

액정은 본 발명의 목적들을 위해 임의의 형태일 수 있다. 예를 들어, TN 또는 STN 액정이라면, 배열은 또한 일반적으로 두 개의 편광자(polariser)를 LC층의 상하에, 바람직하게는 그 각각의 유리판들의 외부에 포함하며, 애널라이저(analyzer)의 경우에는, 형광체 도트들을 지지한다.

디스플레이는 콜리메이팅되지 않거나, 강하게 콜리메이팅되지 않은 광원으로부터 스크린의 후면으로부터 도달하는 입력(활성)광(20)을 변조함으로써 동작한다. 이 활성광은 양호하게는 예를들어 368 nm의 단일 파장에 있거나, 형광체들(7)을 활성화하기에 적합한 협대역의 파장들에 있다. 입력 광(20)은, 투명 전극들(12,14)에 인가된 전압들에 의존하여, LC 층(1)에 의해 변조된다. LC 셀 구간(10)이 광의 통과를 허용한다면, 광은 대응하는 형광체(7)에 도달하며, 그때 형광체는 대개 소정의 칼라의 가시광인 2차 광을 방출한다. 칼라 디스플레이들에 대해 물론 3개의 셀들이 화소당 이용될 것인데, 하나의 적색, 하나의 청색 및, 하나의 녹색이 이용된다.

도 1로부터 알 수 있듯이, 입사광(20)이 임의의 각도로 인입할 수 있다면, 셀(10)을 통과할 때 인접한 화소(7)에 부딪힐 위험이 있는데, 이는 바람직하지 않다. 이 문제는 크로스토크(crosstalk)로 알려져 있다. US 제 4,830,469호(US 필립스사(US Philips Corp.))에서 제안된 대로, LC 셀 내측에 형광체들을 위치시킴으로써 크로스토크를 감소시키는 것이 가능할 것이지만, 형광체들이 전극들 및 액정 자체와 간섭하기 때문에 실행가능한 디바이스를 구성하는 것은 어렵다. 캔터(Canter)(상기 언급된 US 제 4,668,049 호)는 커버 유리의 두께를 감소시키지만 이것은 상기 문제를 완전히 해결하지는 않는다.

따라서 지금까지, 실행가능한 유일한 해결책은 인입하는 광(20)을 콜리메이행하는 것이었다, 도 1에 도시된 배열에 있어서, 해결책은 액정층(1)의 활성 부분, 즉, 구간(10)을 활성 셀 영역보다 범위나 영역에서 더 작게 만드는 것이다. 한편, 형광체 도트(7)는 거의 전체 셀 또는 화소 영역을 점유할 수 있다. 활성 셀 영역은적합한 파형들이 전극들에 인가될 때 스위칭하는 부분이다. 따라서, 전극들(12,14)의 중첩부에 의해 본질적으로 정의된다.

사실상, 도시된 실시예에서, 상부 전극(12)의 단면은 빗금친 영역(10)으로 도시된 원하는 활성 영역보다 더 크다. 그 이유는 '나머지' 영역이 버스 바(12A)가 전극 저항을 감소시키도록 이용되고 있다는 점이다. 버스 바가 불투명하지 않다면, 셀 전극으로서 작용하는 것이 방지되어야 하며, 이것은 예를 들어 불투명 층(16)으로 코팅함으로써 행해질 수 있다.

한편, 필요하다면, LC층(1)의 비활성 영역은 불투명 층(도시안됨)으로 관련부분들을 단순히 막음으로써 광학장치들(optics)과 간섭하는 것이 방지될 수 있다. 그러나, 많은 광학 효과들로써, 블랭킹-아웃(blanking-out)이 자동적으로 발생하며, 즉 스위칭안된 상태가 오프-상태인 효과들(예를들어, TN상의 병렬 편광자들 또는, 콜레스테릭 미러(cholesteric mirror))로써 발생한다

본 발명에 따른 셀의 레이아웃은 기하학적인 고려들로부터 발생한다. 관심있는 파라미터들은, 형광체 도트 피치(p), 형광체 도트들의 측면 분리(n), LC 셀들의 측면 분리(y), 셀들과 형광체들의 수직 방향에서의 분리(t)이다. 이것으로부터 알수 있듯이, 크로스토크가 없는 경우의 입사광의 최대의 수직에서 벗어난(off-normal) 각도 θ_x는 다음과 같이 주어지고,

θ_x= arctan((y+n)/2t)

100 % 효율을 위한 입사광의 최대의 수직에서 벗어난 각도 θ_c는 다음과 같이 주어진다.

θ_c= arctan((y-n)/2t)

그래서, 최상의 성능을 위해, t를 최소화하고 y를 최대화하며; 또한 설계를 최적화하는 것은 n을 감소시킴으로써 두개의 각도들을 결합시킨다.

이것이 달성될 수 있는 다양한 방식들이 있다. 임의의 경우에, t를 최소화하는 것이 유용하며, 즉, 셀 뒷면 유리(back-glass) 또는 기판이 기계적 지지부를 제공하도록 두꺼운 유리를 이용하고, 그다음에 단순히 액정을 담기 위한 매우 얇은 앞면 유리(front glass)(예를들어, 마이크로스코프 슬립(microscope slip))를 이용하는 것이 유용하다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따라, y를 대안으로 또는 부가적으로 최대화하며, 즉, 활성 LC 셔터들이 표면 영역의 작은 퍼센티지가 되도록 한다. 이것은 다음과 같은 결과적인 장점들 및 단점들을 갖는다.

- ITO 트랙들은 서로 더 넓게 분리될 수 있으며, 따라서 에칭하기가 더욱 용이하고 저렴하다.

- 셔터들 사이의 공간은, 화소당, 불투명한 아이템들을 위해(특히, 상기 언급된 바와같이 ITO 트랙들을 따라서 전달되는 고속 신호들과 연관된 전송 라인 문제를 피하도록 도전성 버스바(conductive busbar)들을 다루기 위해) 기판으로서 이용될 수 있지만,

- 셔터에 입사하는 광의 세기는, 더 작은 영역이 형광체를 통해 게이팅될 것이므로, 대응하여 더 높아야 한다.

임의의 경우에, n을 최소화하는 것이 바람직하며; 시청 화소들(view pixels)의 분리는 ITO 트랙들의 전기적 억제들보다는, 형광체들의 증착에 의해서만 제한된다.

이들 설계 고려사항들을 채택하는 것은, 셀에 입사하는 광이 형광체에서 정확하고 밝은 영상을 이루기 위해 가져야 하는, 콜리메이션(collimation)의 요구되는 레벨을 감소시킨다. 앞면 유리 및 편광자의 두께가 1.1mm인 특정 설계에서, 형광체 분리는 0.1mm이고 화소 피치는 5mm이며, 입력 광은 수직에서 20°내로 콜리메이팅되었다.

크로스토크가 없는 경우에 대한 억제을 적용하면, 다음식을 얻는다.

y= 2t tanθ -n= 0.7mm

이것은 LC 전극들이 4.3mm의 제곱이 되도록 설계되어함을 의미한다.

LC 층의 활성 영역(10)이 형광체(7)의 크기 또는 셀의 크기보다 작게 되면, LC 구간들(10) 사이의 영역은 다른 목적을 위해 이용가능하게 된다. 한가지 매우 유리한 이용은 상기 언급된 바와같은 전극 배열들의 도전성을 증가시키도록 부가적인 도전성 바들을 제공하는 것이고, 또한, 이것들은 이제 불투명할 수 있으며, 이것은 불필요한 빛을 차단하데 도움을 준다. 물론, 2차적인 재료의 이용은 제조 공정을 복잡하게 한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 부가적인 도전성 재료는 사실상 본래의 전극에 인접한 다른 ITO이고, 본래의 전극과 동일한 단계에서 양호하게 형성되며; 이것은 ITO 층의 전극 부분보다 유용하게 더 두꺼을 수 있다. 전극들(12와 14) 모두가 LC 셀 구간들(10)사이에서 유사하게 두께워진다면, 두꺼워진 부분은,액정 재료의 절연 내력(dielectric strength)을 조건으로 하여, LC 층(1)의 두께의 1/2에 근접할 수 있다.

공간의 대안적이거나 부가적인 이용은 활성 디스플레이용의 박막 트랜지스터(TFT)들을 형성하기 위한 것이다. 일반적으로, TET들의 이용은 활성 화소 영역을 희생하는 것을 포함하지만, 본 발명은 희생없이 상기 영역을 이용가능하게 한다. 상기 영역의 다른 유리한 이용은 구동기들과 액정사이의 상호접속들을 위한 것이다. 이것은 LC들이 이음매없이 이어질 수 있게 한다.

Claims (7)

1. 디스플레이 디바이스에 있어서,

   입력 광을 선택적으로 셔터링하도록 셀들에 배열된 액정 재료의 셔터층과,

   상기 셔터링을 발생시키도록 액정을 어드레싱하기 위한 각각의 셀내의 한쌍의 전극들로서, 그들 사이에 활성 영역을 정의하는 상기 한쌍의 전극들(12,14)과,

   상기 셔터층상의 커버 층(5)과,

   상기 입력 광에 의해 활성화되어 디스플레이 영상을 제공하며, 상기 셀들에 대응하는, 상기 커버층상의 한 세트의 출력 요소들(7)을 포함하고,

   수직(normal)으로부터 θ의 각도 범위에 걸쳐 변하는 각도들에서 상기 디바이스에 입력 광(20)이 입사하도록 배열된 광원을 더 포함하며,

   각각의 셀내의 활성 액정 영역(10)은, 셀에 수직으로 보았을 때, 상기 대응하는 출력 요소의 영역내에 있으며, θ는 근사적으로 관계식,

   θ = arctan(y/2t)

   (여기서, y는 인접한 활성 영역들 사이의 간격이고, t는 커버층의 두께)를 만족시키는, 디스플레이 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서,

   다른 능동 또는 수동 구성요소들이 활성 영역들 사이의 공간들에 배열되는, 디스플레이 디바이스.
3. 제 2 항에 있어서,

   각각의 셀내의 전극은 상기 셀내의 액정의 활성 영역을 넘어서 연장되는 부가적 부분들(12A)을 가지며, 이들 부가적 부분들이 셔터링된 광 출력에 기여하는 것을 방지하기 위한 수단(16)이 공급되는, 디스플레이 디바이스.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 전극들은 멀티플렉싱된 방식으로 상기 셀들에 접속되는, 디스플레이 디바이스.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 디바이스는 상기 커버 층(5)보다 실질적으로 더 두꺼운 기판(3)상에서 지지되는, 디스플레이 디바이스.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 구성요소들은 TFT들을 포함하는, 디스플레이 디바이스.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 또는 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

   θ는 근사적으로 20°인, 디스플레이 디바이스.