KR100462018B1

KR100462018B1 - 보상 필름을 이용한 액정 표시 장치

Info

Publication number: KR100462018B1
Application number: KR1019970080216A
Authority: KR
Inventors: 첸지안민; 류재진; 김경현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1997-12-31
Publication date: 2005-06-07
Also published as: KR19990059998A

Abstract

비틀린 네마틱 액정 표시 장치 셀의 바깥쪽 면에 후지 필름 등과 같은 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름을 부착하고 이 셀의 한쪽 또는 양쪽 면에 일축성 보상 a 플레이트 필름을 부착한다. 이 때 하이브리드 타입 보상 필름을 구성하는 원반 모양 분자의 경사 방향은 인접하는 액정 셀 면의 버핑 방향과 동일하게 하고, a 플레이트 보상 필름의 굴절률이 가장 큰 축(slow axis)은 인접하는 편광판의 투과축과 일치하거나 수직하도록 한다. 후지 필름 외에도 이와 같은 효과를 나타낼 수 있는 다수의 일축성 보상 필름의 조합 등을 사용할 수도 있으며 a 플레이트 보상 필름 대신 이축성 보상 필름을 사용할 수도 있다.

Description

보상 필름을 이용한 액정 표시 장치

본 발명은 보상 필름을 이용한 광시야각 액정 표시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 액정 표시 장치는 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 여기에 가하는 전장의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하는 구조로 되어 있다.

비틀린 네마틱(twisted-nematic : TN) 방식의 액정 표시 장치는, 전압을 인가하지 않은 상태에서는 두 기판 사이에 채워진 액정 분자의 장축이 기판에 평행하며 일정한 피치(pitch)를 가지고 나선상으로 꼬여 액정 분자의 장축의 방향이 연속적으로 변화되는 비틀린 구조를 가지며, 전압이 인가되면 액정 분자들은 기판에 대해 수직으로 일어서게 된다.

액정 물질은 분자의 장축 방향과 단축 방향으로의 굴절률이 서로 다른 복굴절성을 갖는데, 이 복굴절성에 의해 액정 표시 장치를 보는 위치에 따라 빛이 느끼는 굴절률이 차이가 생긴다. 따라서, 선형 편광된 빛이 액정을 통과하면서 편광 상태가 바뀌는 비율에 차이가 생겨 정면에서 벗어난 위치에서 볼 때의 빛의 양과 색특성이 정면에서 볼 경우와는 달라진다. 이로 인하여 비틀린 네마틱 구조를 갖는 액정 표시 장치는 시야각에 따라 대비비(contrast ratio)의 변화, 색상 변이(color shift), 계조 반전(gray inversion) 등의 현상이 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 액정층 내에서 생기는 위상차를 반대의 위상차를 갖는 보상 필름을 이용하여 보상하는 방법이 개발되었다. 이 중 후지 필름(Fuji Film)사의 WV 필름이 가장 좋은 보상 결과를 나타내는데, 이는 음의 c 플레이트 보상 효과를 갖는 원반 형태(discotic)의 분자 구조의 화합물을 이용하여 이 원반 형태의 분자들의 광축이 액정 표시 장치 기판의 법선에 대해 순차적으로 점점 큰 각도를 갖도록 하이브리드(hybrid) 배열한 것이다.

도 1은 후지 필름의 구조를 나타내는 단면도이다. 통상 후지 필름은 두 개의 부분으로 나누어지는데, 첫 번째 부분(I)은 TAC(tri-acetyl cellulose) 기판 필름으로 일정한 지연값을 갖는 c 플레이트 일축성 보상 필름이며, 나머지 부분(II)은 경사각이 4도에서 68도로 순차적으로 변화하는 원반형 분자로 이루어진 2μm 정도의 두께를 갖는 필름이다.

도 2에는 후지 필름을 사용해 실험한 액정 표시 장치의 시야각 특성이 나타나 있다.

이 실험에서는 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름을 시뮬레이션하기 위하여 후지 필름 대신 각각 다른 광축(optical axis)을 갖는 5장의 일축성 보상 필름이 사용되었다.

도 3에는 이 때 사용된 일축성 보상 필름의 광축의 방향이 나타나 있다. 액정 셀(1)의 바깥쪽으로부터 첫 번째 일축성 보상 필름(21, 31)의 광축 (θ,φ)는 (90^o, 0^o)이고, 두 번째 필름(22, 32)의 (θ,φ)는 (7.5^o, 225^o), 세 번째 필름(23, 33)의 (θ,φ)는 (22.5^o, 225^o)이고, 네 번째 필름(24, 34)의 (θ,φ)는 (37.5^o, 225^o)이며, 다섯 번째 필름(25, 35)의 (θ,φ)는 (52.5^o, 225^o)이다. 각 필름의 두께는 0.5μm이고, n_o와 n_e는 각각 1.57과 1.52이다. 여기에서 θ와 φ는 각각 액정 표시 장치의 기판과 평행한 평면 내에 x축과 y축이 있다고 하고, 기판과 수직인 방향을 z축으로 할 때, 후지 필름을 구성하는 원반 모양 분자의 장축이 x축 및 z축과 이루는 각을 나타낸다.

도 2에 나타난 바와 같이, 후지 필름을 사용한 경우 보상 효과가 뛰어나 시야각 측면에서는 많은 개선이 있지만 편광판의 투과축과 45도를 이루는 각도(90도, 180도)에서 볼 경우는 여전히 대비비가 낮음을 알 수 있다. 이는 투과축이 서로 수직인 두 장의 편광판을 사용하는 경우에 고유한 빛샘 현상이 일어나기 때문이다.

본 발명의 과제는 액정 표시 장치의 시야각을 넓히는 것이다.

본 발명에 따른 액정 표시 장치에서는 양의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질이 주입되어 있는 액정 셀의 양쪽 면에 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름을 부착하고, 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름과 액정 셀 사이 또는 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름의 바깥쪽의 한쪽 또는 양쪽에 a 플레이트 일축성 보상 필름 또는 이축성 보상 필름을 부착하고, 보상 필름의 바깥쪽에 편광판을 각각 부착한다.

이 때, 편광판의 투과축은 인접하는 액정 셀 면의 버핑 방향과 수직을 이루도록 하고, a 플레이트 보상 필름이나 이축성 보상 필름의 굴절률이 가장 큰 방향(slow axis)은 인접하는 편광판의 투과축과 평행하거나 수직이 되도록 하고, 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름은 보상 필름을 이루는 원반 모양의 분자의 경사 방향을 기판에 투사했을 때 인접하는 면의 버핑 방향과 동일한 방향이 되도록 부착한다.

a 플레이트 보상 필름이나 이축성 보상 필름의 지연값 (nx-ny)*d 의 합은 5에서 150nm가 되도록 하는 것이 바람직하다. 여기서, z축은 액정 셀의 표면과 수직인 방향으로 하고, 액정 셀의 표면과 평행한 평면 내에 있으며 a 플레이트 보상 필름이나 이축성 보상 필름에서 가장 큰 굴절률을 갖는 방향을 x축으로, x축과 동일한 평면 내에 있으며 x축과 수직인 방향을 y축으로 할 때, nx, ny, nz는 각각 보상 필름의 x, y, z축 방향의 굴절률을 나타내며, d는 보상 필름의 두께이다.

이제 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이다. 도 4에 나타난 액정 표시 장치는 편광판의 투과축이 인접하는 배향막의 버핑 방향과 수직을 이루는 o 모드의 경우를 나타내고 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 액정 물질이 주입되어 있는 액정 셀(10)의 양쪽 면(11, 12)에 후지 필름 타입의 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름(21, 22)이 부착되어 있다. 액정 셀의 양쪽 면(11, 12)의 안쪽에는 각각 배향막(도시하지 않음)이 형성되어 있으며 이 배향막은 서로 교차하는 방향으로 한 방향 버핑(buffing)되어 있다. 액정 셀(10)의 양쪽면(11, 12)에 도시되어 있는 화살표가 이 버핑 방향을 나타낸다. 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름(21, 22)은 각각 두 부분으로 이루어져 있는데, 그 하나(211, 221)는 보상 필름을 이루는 원반 모양 분자의 경사각이 순차적으로 변화하도록 하이브리드 배열된 부분이고, 나머지 하나(212, 222)는 TAC 기판으로 -40nm의 지연값을 갖는 c 플레이트 일축성 보상 필름이다. c 플레이트 보상 필름은 nx=ny>nz의 관계를 갖는 보상 필름을 말한다. 보상 필름(21, 22)의 방향은 보상 필름(21, 22)을 이루는 원반 모양의 분자의 경사 방향을 기판에 투사했을 때 인접하는 면(11, 12)의 버핑 방향과 동일한 방향이 되도록 부착되어 있다.

그리고, 액정 셀(10)의 위쪽면(12)에 부착되어 있는 후지 필름 타입의 보상 필름(22) 바깥쪽에는 a 플레이트 일축성 보상 필름(32)이 부착되어 있다. a 플레이트 일축성 보상 필름(32)의 x축(slow axis)은 하이브리드 배열의 보상 필름(22)의 경사 방향과 수직을 이루도록 부착되어 있다.

액정 셀(10)의 아래쪽 면(11)에 부착되어 있는 후지 필름 타입의 보상 필름(21) 바깥쪽과 a 플레이트 일축성 보상 필름(32)의 바깥쪽에 각각 편광판(41, 42)이 부착되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 편광판(41, 42)의 투과축은 액정 셀(10)의 인접한 면(11, 12)의 버핑 방향과 수직을 이루도록 부착되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 시야각 특성이 도 5에 나타나 있다.

시뮬레이션에 사용된 액정 셀의 간격은 4.3㎛이고 기타 액정 셀의 매개 변수들은 표 1에 나타난 바와 같다. 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름을 시뮬레이션하기 위하여 각각 다른 광축(optical axis)과 지연값(retardation value)을 갖는 5장의 일축성 보상 필름이 사용되었으며 이 때 사용된 일축성 보상 필름의 광축 (θ,φ)는 바깥쪽으로부터 차례로 (90^o, 0^o), (7.5^o, 225^o), (22.5^o, 225^o), (37.5^o, 225^o), (52.5^o, 225^o)이다. 각 필름의 두께는 0.5μm이고, n_o와 n_e는 각각 1.57과 1.52이다.

그리고, 이 때 사용된 a 플레이트 보상 필름의 지연값 (nx-ny)*d는 80nm이다. a 플레이트 보상 필름의 지연값은 각각의 경우에 따라 최적화되어야 하지만, 5 - 150nm 정도가 가장 바람직하다.

표 1 광학적 시뮬레이션에 사용된 TN 셀의 매개변수

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탄성 상수(pN) K₁ 11.7

K₂ 5.1

K₃ 16.1

상대 유전율 ε_∥ 10.8

ε_⊥ 3.4

굴절률 n_e 1.5404+0.008591

n_o 1.46+0.005948

셀 간격/피치 d/p 0.033

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도 5에 나타난 바와 같이, 시야각은 모든 각도에서 우수한 것을 알 수 있다. 특히 편광판의 투과축과 45도의 각도를 이루는 방향에서 볼 경우의 계조 표시 성능은 후지 필름만에 의해 보상된 액정 표시 장치에 비해 많이 향상되었음을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 a 플레이트 보상 필름을 사용하였지만, 대신 nx>ny>nz인 이축성 보상 필름을 사용하여도 관계없다.

그리고, 본 발명에 따른 액정 표시 장치는 도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, 여러 가지 다른 구조를 가질 수 있다.

도 6에 나타난 액정 표시 장치에서는 a 플레이트 보상 필름(32)이 하이브리드 배열의 보상 필름(22)과 편광판(42) 사이가 아니라, 액정 셀(10)의 위쪽 면(12)과 하이브리드 배열의 보상 필름(22) 사이에 부착되어 있다.

또한 a 플레이트 보상 필름은 액정 셀의 아래쪽 부분에 부착될 수도 있다.

도 7에 나타난 액정 표시 장치에서는 두 장의 a 플레이트 보상 필름(31, 32)이 액정 셀(10)의 양쪽 면(11, 12)에 부착된 하이브리드 배열의 보상 필름(21, 22)과 편광판(41, 42) 사이에 부착되어 있다. 이 경우 두 a 플레이트 보상 필름(31, 32)의 지연값 (nx-ny)*d는 서로 같을 필요는 없으며, 지연값 (nx-ny)*d의 합이 5 - 150 nm 사이의 값을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 적용되는 보상 필름은 후지 필름이 아니어도 관계없으며, 이와 같은 효과를 나타낼 수 있는 어떤 다른 보상 필름도 사용할 수 있다. 예를 들면 SID'97, Digest, p.687에 개시된 것과 같은 구조의 보상 필름이 사용될 수도 있다. 보상 필름의 지연치 등은 최적화된 값이 아니며, 지연값이나 보상 필름을 이루는 분자들의 배열 방향 등을 최적화한다면 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것임은 명백하다.

상기한 바와 같이, 후지 필름 등과 같은 하이브리드 배열을 갖는 보상 필름과 a 플레이트 보상 필름 또는 이축성 보상 필름을 함께 부착함으로써 넓은 시야각을 갖는 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 후지 보상 필름의 구조를 나타내는 단면도이고,

도 2는 종래 기술에 따른 액정 표시 장치의 시야각 특성을 나타낸 것이고,

도 3은 후지 보상 필름의 시뮬레이션에 사용된 보상 필름을 나타낸 것이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이고,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 시야각 특성을 나타낸 것이고,

도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이다.

Claims

양의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질이 주입되어 있으며, 제1면 및 상기 제1면 반대쪽의 제2면을 가지고 있는 액정 셀,

상기 액정 셀의 제1면과 제2면에 부착되어 있는 제1 및 제2 하이브리드 타입 보상 필름,

상기 제1 및 제2 하이브리드 타입 보상 필름의 바깥쪽 면에 부착된 한 쌍의 편광판,

상기 제1 또는 제2 하이브리드 타입 보상 필름의 안쪽 또는 바깥쪽 면에 부착되어 있는 제1 a 플레이트 보상 필름을 포함하며,

상기 액정 셀의 제1면과 제2면은 서로 다른 방향으로 버핑되어 있는 액정 표시 장치.
제1항에서,

상기 제1 및 제2 하이브리드 타입 보상 필름을 이루는 원반 모양 분자의 광축의 경사 방향을 각각 상기 제1면과 제2면에 투사했을 때 각각 상기 제1면과 제2면의 버핑 방향과 일치하는 액정 표시 장치.
제2항에서,

상기 한 쌍의 편광판의 투과축은 서로 수직을 이루며, 인접하는 상기 제1면 또는 제2면의 버핑 방향과 수직을 이루는 액정 표시 장치.
제3항에서,

상기 제1 a 플레이트 보상 필름의 굴절률이 가장 큰 방향은 인접하는 편광판의 투과축과 평행하거나 수직을 이루는 액정 표시 장치.
제4항에서,

상기 액정 셀의 상기 제1 a 플레이트 보상 필름이 부착되어 있는 쪽과 반대쪽에 부착되어 있는 상기 제1 또는 제2 하이브리드 타입 보상 필름의 안쪽 또는 바깥쪽 면에 부착되어 있는 제2 a 플레이트 보상 필름을 더 포함하는 액정 표시 장치.
제5항에서,

상기 제2 a 플레이트 보상 필름의 굴절률이 가장 큰 방향은 인접하는 편광판의 투과축과 평행하거나 수직을 이루는 액정 표시 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,

상기 액정 셀의 제1면과 평행한 평면 내에 있으며 상기 제1 또는 제2 a 플레이트 보상 필름에서 가장 큰 굴절률을 갖는 방향을 x축으로 하며, 상기 x축과 같은 평면 내에 있으며 상기 x축과 수직인 방향을 y축으로 하고, 상기 제1 또는 제2 a 플레이트 보상 필름의 x축과 y축 방향의 굴절률을 각각 nx, ny라고 하고, 상기 액정 셀의 셀 간격을 d라고 할 때,

상기 제1 a 플레이트 보상 필름만이 부착되어 있는 경우는 상기 제1 a 플레이트 보상 필름의 지연값 (nx-ny)*d 가 5 - 150nm 이고,

상기 제1 및 제2 a 플레이트 보상 필름이 부착되어 있는 경우는 상기 제1 및 제2 a 플레이트 보상 필름의 지연값 (nx-ny)*d 의 합이 5 - 150nm 인 액정 표시 장치.
양의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질이 주입되어 있으며, 제1면 및 상기 제1면 반대쪽의 제2면을 가지고 있는 액정 셀,

상기 액정 셀의 제1면과 제2면에 부착되어 있는 제1 및 제2 하이브리드 타입 보상 필름,

상기 제1 및 제2 하이브리드 타입 보상 필름의 바깥쪽 면에 부착된 한 쌍의 편광판,

상기 제1 또는 제2 하이브리드 타입 보상 필름의 안쪽 또는 바깥쪽 면에 부착되어 있는 제1 이축성 보상 필름을 포함하며,

상기 액정 셀의 제1면과 제2면은 서로 다른 방향으로 버핑되어 있는 액정 표시 장치.
제8항에서,

상기 제1 및 제2 하이브리드 타입 보상 필름을 이루는 원반 모양 분자의 광축의 경사 방향을 각각 상기 제1면과 제2면에 투사했을 때 각각 상기 제1면과 제2면의 버핑 방향과 일치하는 액정 표시 장치.
제9항에서,

상기 한 쌍의 편광판의 투과축은 서로 수직을 이루며, 인접하는 상기 제1면 또는 제2면의 버핑 방향과 수직을 이루는 액정 표시 장치.
제10항에서,

상기 제1 이축성 보상 필름의 굴절률이 가장 큰 방향은 인접하는 편광판의 투과축과 평행하거나 수직을 이루는 액정 표시 장치.
제11항에서,

상기 액정 셀의 상기 제1 이축성 보상 필름이 부착되어 있는 쪽과 반대쪽에 부착되어 있는 상기 제1 또는 제2 하이브리드 타입 보상 필름의 안쪽 또는 바깥쪽 면에 부착되어 있는 제2 이축성 보상 필름을 더 포함하는 액정 표시 장치.
제12항에서,

상기 제2 이축성 보상 필름의 굴절률이 가장 큰 방향은 인접하는 편광판의 투과축과 평행하거나 수직을 이루는 액정 표시 장치.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에서,

상기 액정 셀의 제1면과 평행한 평면 내에 있으며 상기 제1 또는 제2 이축성 보상 필름에서 가장 큰 굴절률을 갖는 방향을 x축으로 하며, 상기 x축과 같은 평면 내에 있으며 상기 x축과 수직인 방향을 y축으로 하고, 상기 제1 또는 제2 이축성 보상 필름의 x축과 y축 방향의 굴절률을 각각 nx, ny라고 하고, 상기 액정 셀의 셀 간격을 d라고 할 때,

상기 제1 이축성 보상 필름만이 부착되어 있는 경우는 상기 제1 이축성 보상 필름의 지연값 (nx-ny)*d 가 5 - 150nm 이고,

상기 제1 및 제2 이축성 보상 필름이 부착되어 있는 경우는 상기 제1 및 제2 이축성 보상 필름의 지연값 (nx-ny)*d 의 합이 5 - 150nm 인 액정 표시 장치.