KR100693245B1 - 광대역 가시광선에 대해 감소된 분산 특성을 가지는반사형 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사형 액정표시장치에 관한 것으로서, 편광판, 반사판 및 2개의 위상변화층들을 구비하여 이루어지는 반사형 액정표시장치에 있어서, 상기 위상변화층들은 상기 편광판과 상기 반사판 사이에 위치하며, 상기 위상변화층들의 정상상태에서 Δnd값은 특정 파장의 가시광선에 대해 각각 λ/4 와 λ/2가 되며, 상기 위상변화층들 가운데 하나는 액정층으로 이루어져 상기 Δnd값이 액정층에 인가되는 전계에 따라 0으로 변화될 수 있음을 특징으로 한다.

따라서, 반사형 액정표시장치에서 종래의 일반적인 위상차판의 설치에 비해 가시광선 대부분의 영역에 대해 파장별 분산의 문제가 없이 반사율과 콘트라스트 비를 개선할 수 있으므로 화질을 개량할 수 있게 된다.

Description

광대역 가시광선에 대해 감소된 분산 특성을 가지는 반사형 액정표시장치 {Reflective type LCD with reduced dispersion character for wide band visible light}

도1은 위상차판을 사용하여 노말 화이트 모드로 구동하는 기존의 반사형 액정표시장치의 기본 구조 및 광학적 구동원리를 나타내는 구성단면도,

도2는 일반적인 재질의 단일 위상차판의 파장별 분산 특성을 나타내는 그래프,

도3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 편광판, 위상변화층들, 반사판의 배치와 투광축 및 장축 방향을 나타내는 구성도,

도4는 서로 다른 위상차판에 대한 파장 분산 특성을 나타내는 그래프,

도5는 액정표시장치 화면의 상대적 밝기를 측정하기 위한 광학 장치의 단면 구조도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,11: 편광판 2,41: 반사판

4: 반파장 위상차판 5: 1/4파장 위상변화층

6: 투광축 8: 반파장 위상차판 장축

9: 1/4파장 위상변화층 장축 13: 위상차판

19: 액정층

본 발명은 반사형 액정표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광대역의 가시광선에 대해 감소된 분산 특성을 가지는 반사형 액정표시장치에 관한 것이다.

종래의 화면 표시장치에 있어서 주역이라고 할 수 있는 CRT의 단점을 보완하여 저소비전력화, 경량 박형화가 이루어질 수 있는 LCD가 CRT를 대체하는 경우가 늘어나고 있다. 근래에는 개인 정보 단말기와 같은 휴대용 표시 장치를 위해 태양광이 있는 밝은 실외에서 사용될 수 있는 액정표시장치에 대한 요구가 늘어 초기 반사형 액정표시장치에 이어 새롭게 반사형 액정표시장치가 부각되고 있다. .

이런 요구에 대한 충족을 위해 초기 액정표시장치에 사용되던 반사형 액정표시장치가 향상된 성능을 가지도록 개발되고 있다. 투과형 액정표시장치의 경우에도 화면의 밝기가 중요하지만 반사형의 경우에도 화면의 밝기가 액정표시장치의 품위의 중요한 척도가 되며, 특히, 액정이나 위상차판, 편광판 등의 재질상의 특성때문에 밖으로 나가는 빛을 완전히 차폐하지 못하는 이유로 화면의 콘트라스트 비(contrast ratio)를 높이는 것이 액정표시장치의 중요한 과제가 되고 있다.

도1은 위상차판을 사용하여 노말 화이트 모드로 구동하는 기존의 반사형 LCD의 기본 구조 및 그 광학적 구동원리를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이 도면들을 통해 LCD 각 구성요소의 기능과 경로상의 빛의 성질 변화를 살펴보기로 한다.

외부에서 입사되는 빛의 진행방향을 z축으로 하면 양방향 화살표로 나타낸 도면의 좌우축은 x축, 동심원으로 나타낸 도면을 앞뒤로 통과하는 축은 y축이 된다. 그리고 z축 방향으로 입사된 외부광은 xy평면을 무작위로 진동하는, 편광되지 않은 빛이 된다. 우선 화이트로 나타나는 경우를 보면, 편광판(11)을 거쳐 LCD 판넬에 입사된 외부광은 편광판(11)의 작용으로 투과축인 x축에 대해 평행하게 진동하는 선편광이 된다. 위상차판(13)의 slow axis는 편광판(11)의 투과축에 대해 대개 -45° 각도로 배치되며, 따라서 이 선편광은 위상차판(13)을 통과하면서 양 축 성분 사이에 90°의 위상차를 주어 반시계방향으로 회전하는 원편광이 된다. 그리고 전압이 가해지지 않은 영역이므로 액정은 피치(pitch)의 1/4만큼 비틀려 있으며 x축과 y축 성분에 다시 90°만큼의 위상차를 주어 y축으로 진동하는 성분만 있는 선편광이 된다. 이 y축 성분 선편광은 반사된 경우에도 y축으로 진동하는 선편광을 이루며 반사판(41)에서 반사된 빛이 액정층(19)을 거치면서 위상은 역으로 90°만틈 돌려져 반시계 방향으로 회전하는 원편광이 되고, 다시 위상차판(13)을 거치면서 위상이 90°만큼 돌려져 x축으로 진동하는 x축 성분 선편광이 된다. 그리고 편광판(11)의 투광 축이 x축 방향이므로 그대로 편광판을 통과하여 반사광이 되므로 화면은 화이트의 밝은 영역이 된다. 따라서 이 부분을 보면 LCD 판넬이 전압을 걸지 않은 정상상태에서 밝은 화면(normaly white)으로 운영됨을 알 수 있다.

다음으로 다크(dark) 부분을 나타내는 경우를 보면, 입사하는 빛의 성질은 동일하다고 할 때 입사하여 위상차판(13)을 통과할 때까지의 경과는 동일하고 반시계 방향으로 회전하는 원편광이 된다. 그리고 이때는 전압이 화소에 인가된 상태이 므로 액정은 비틀어지지 않은 평행한 배열을 하고 진행하는 빛의 위상 변화는 없이 원편광 상태를 유지하게 된다. 그리고 반사판(41)에서 반사된 빛은 원편광 상태에서 위상의 변화를 일으켜 반사판에 들어오는 빛과 직교(orthogonal) 상태가 된다. 즉, 회전방향이 바뀐 시계 방향으로 회전하는 원편광이 된다. 그리고 반사되는 과정에서도 액정층(19)을 지나면서 위상이 변화되지 않으므로 반시계 방향 원편광이 된 상태를 유지하며, 위상차판(13)을 지나면서 90°의 위상 변화를 일으켜 y축 방향으로 진동하는 y축 성분을 가진 편광이 된다. 이 편광은 편광판(11)이 x축 방향 투광 축을 가지므로 전체가 통과하지 못하고 반사광은 없게 되므로 외부에서 전압이 인가된 화소를 보면 어둡게 보인다.

그런데, 백열 광원 등 넓은 파장 대역에 걸치는 빛을 방출하는 대부분의 광원에 대해 위상차판이 본래의 기능을 하려면 방향에 따른 굴절율의 차이와 층두께를 곱한 값인 Δnd의 값은 가시광선의 전 영역(380nm ~780nm)에서 파장의 1/4이 되는 조건을 만족시켜야 한다. 그러나, 현존하는 대부분의 위상차판 재질의 파장 분산 값, Δnd 특성은 적외선으로 갈수록 작아진다. 도2는 이러한 일반적 위상차판의 파장 분산 특성을 나타내는 그래프이다. 550nm 파장의 빛에 대한 축방향에 따른 굴절율의 차이를 기준으로 할 때의 파장 변화에 따른 굴절율 차는 위상차판의 두께(d)가 일정하므로 파장 분산이 일어나지 않게 하려면 이상적인 위상차판의 경우 그래프 상의 정비례하는 직선과 같은 형태를 나타내어야 하지만 실제 물질로 이루어진 위상차판들은 나머지 선들과 같이 오히려 반비례의 형태를 나타내고 있다. 따라서 가시광선의 중간 정도의 파장에 촛점을 맞추어 편광판을 설계하면 특히 자 외선쪽 색상의 광선이 화소에 전압이 인가된 다크 조건에서도 일부 반사광을 이루므로 1 매의 위상차판 필름만으로 전영역의 가시광선에서 Δnd를 파장의 1/4로 하는 설계조건을 만족시킬 수 없어 문제가 될 수 있다.

예를 들면, 전술한 콘트라스트 비와 관련하여 위상차판을 특정 파장에 대해 통과되는 편광의 위상차가 90°가 되도록 하고 액정층의 Δnd값이 λ/4가 되도록 한다면 다른 파장의 빛에 대해서는 위상차판에 의한 위상변화 값이 90°에서 벗어나고 액정층의 Δnd값이 λ/4에서 벗어나게 된다. 그 결과, 화상을 나타내기 위해 빛이 방출되는 기판측에 설치된, 검광판 역할을 하는 편광판에서 편광판의 투광축과 빛의 진동방향이 정확히 일치하거나 정확히 직각을 이루어 빛이 전부 통과하거나, 전부 통과하지 않는 상태를 이룰 수 없게 된다. 즉, 밝게 표시될 부분에서는 방출되는 빛의 일부는 통과하지 못하고, 어둡게 표시될 부분에서는 차단되어야 할 빛의 일부가 통과하는 상태가 된다. 그리고 이런 상태는 액정표시장치에 있어서 어두운 상태에서의 방출되는 빛의 세기에 대한 밝은 상태에서의 방출되는 빛의 세기 비율인 콘트라스트 비를 매우 감소시키고 밝은 상태에서의 화면 밝기를 떨어뜨려 화질을 저하시킨다.

콘트라스트 비를 높이기 위해서는 일정 파장의 광원을 사용하고 당해 파장에 적합하도록 액정 판넬의 각 부분을 조절 배치하면 될 것이나 일정 파장의 광원을 형성하고 사용하는 것은 부가적인 비용을 매우 높이고 오히려 전체적인 광 효율을 떨어뜨리게 되어 적합하지 않다.

그리고, 다른 방법으로 광대역 파장의 광원에 적합하도록 조절된 광대역 위 상차판 같은 판넬 구성용 부품을 사용하는 방법이 있다. 그러나 비용이 증가하고 광효율도 감소되는 경향이 있으며, 그 특성에 있어서도 한계를 가지는 경우가 많다.

본 발명은 반사판을 사용하는 반사형 액정표시장치에서, 판넬을 구성하는 광학적 구조물들 특유의 파장 분산 특성에 따라 액정표시장치의 화면 밝기가 저하되고 콘트라스트 비가 낮아지는 현상을 방지할 수 있는, 광대역 가시광선에 대해 감소된 분산 특성을 가지는 반사형 액정표시장치 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 편광판, 반사판 및 2개의 위상변화층들을 구비하여 이루어지는 반사형 액정표시장치에 있어서, 상기 위상변화층들은 상기 편광판과 상기 반사판 사이에 위치하며, 상기 위상변화층들의 정상상태에서 Δnd값은 특정 파장의 가시광선에 대해 각각 λ/4 와 λ/2가 되며, 상기 위상변화층들 가운데 하나는 액정층으로 이루어져 상기 Δnd값이 액정층에 인가되는 전계에 따라 0으로 변화될 수 있음을 특징으로 한다.

본 발명에서 바람직하게는 Δnd값이 λ/2인 위상변화층이 λ/4인 위상변화층보다 더 편광판에 가깝게 설치된다. 그리고 이때 Δnd값이 λ/4인 위상변화층이 액정층으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 편광판의 투광축과 상기 편광판에 상대적으로 인접한 위상변화층의 장축(slow axis)이 특정 각도 Θ1을 이룰 때 상기 편광판의 투광 축과, 상기 편광판에 상대적으로 먼 위상변화층의 장축은 2×Θ1에서 45°작거나 혹은 큰 Θ2의 각도를 이루도록 설치되는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명에서 상기 특정 파장의 가시광선은 해당 단위 대역에 빛의 세기가 가장 강하고 시각적으로 잘 인식되는 파장 5500Å의 가시광선으로 하고, 이때 특정 각도 Θ1는 15°를 중심으로 상하 5°의 여유를 가지도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, Δnd값이 λ/2인 위상변화층이 λ/4인 위상변화층보다 더 편광판에 가깝게 설치되고, Δnd값이 λ/4인 위상변화층이 액정층으로 이루어질 때 액정층의 장축이 편광판과 이루는 각도는 75°로 하고 이 각도를 중심으로 상하 5°의 여유도를 가지도록 한다. 특정각도 Θ1의 값으로 상기 각도 외에 다른 각도를 들 수 있으나 액정층이 가지기 쉬운 장축의 각도를 고려하면 Θ1을 15°로 하는 것이 적합하다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 자세히 살펴보기로 한다.

도3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 편광판, 위상변화층들, 반사판의 배치 및 투광축, 장축(slow axis) 방향을 나타내는 도면이다. 편광판(1)을 통과하여 입사한 빛이 반파장 위상차판(halfwave phase plate:4)을 통과하고, 다음으로 1/4파장 위상변화층(5)인 액정층을 통과하도록 액정표시장치의 구성요소들이 설치되어 있다. 액정층은 전계가 인가되지 않은 정상상태로 일종의 위상차판 역할을 하게 된다. 일반적인 백색광이 편광판에 입사되면 빛은 평면편광으로 되고 반파장 위상차판(4)을 거친 후에도 결과적으로 평면편광으로 남게 된다. 단, 광축은 편광판 의 투광축과 위상차판의 장축(8)이 0만큼 차이가 나므로 위상차판의 특성에 의해 20만큼 회전되어 있다. 그리고 액정층을 통과하는 과정에서 위상변화에 따라 회전하는 원편광이 된다. 이를 위해서는 반파장 위상차판(4)을 거친 평면편광이 액정층이 형성하는 1/4파장 위상변화층(5)의 장축(slow axis:9)에 45°의 각도를 이루도록 설치되어야 한다.

위상차판을 통과하는 평면편광의 광축은 편광과 위상차판의 장축이 이루는 교차각만큼 더 회전되므로 본 예에서 편광판(1)의 투광축(6)과 반파장 위상차판(4)의 장축(8)이 서로 Θ1이라는 각도를 이룰 경우에는 반파장 위상차판(4)을 통과한 편광은 투광축(6)에 대해 2×Θ1이라는 각도를 이루게 된다. 그리고, 액정층이 이루는 1/4파장 위상변화층(5) 장축(9)을 2×Θ1에 45°가 더해지거나 감해지도록 형성하면 평면편광과 1/4 위상변화층(5) 장축(9)이 서로 45°의 교차각을 이루므로 평면편광은 원편광을 이루게 된다.

이런 형태의 설치가 가능한 것으로 액정층은 Δnd값이 λ/4값을 가지며 0°뒤틀림각(twist angle)을 가지거나 쌍안정성 TN(Twisted Nematic)인 모든 액정으로 형성될 수 있으며, 따라서, IPS(In Plane Switching) LCD, FFS LCD, FLCD, AFLCD, VA(Vertical Aligned) LCD, ECB LCD, OCB LCD 등으로 불리는 액정표시장치에 적용될 수 있다.

원편광은 반사판(2)에서 반사되면서 상호 수직을 이루는 반대방향으로 회전하는 원편광의 상태가 되며, 반사되면서 이루는 경로에서 액정층과 반파장 위상차판(4)을 차례로 지나면서 평면편광, 투광축(6)과 수직방향으로 진동하는 평면편광 으로 변화하고 최초에 입사된 편광판(1)을 통해 출사하게 된다. 그러나 출사할 때 최초의 편광의 방향과 수직방향의 평면편광 상태를 이루고 있으므로 실제로 빛은 차단되고 어두운 정상상태(normally black)를 이루게 된다.

이때 반파장 위상차판(4)이나 1/4파장 위상변화층(5)은 특정 파장의 가시광선에 대해서 Δnd 값이 가지는 길이와 비교되는 개념으로 다른 파장의 빛에 대해서는 반파장 위상차판, 1/4파장 위상차판이 아니므로 엄밀히 계산하면 이상의 논의는 조금씩 벗어난다. 그러나 위상변화층을 겹쳐서 사용하고 이들을 편광판과 각각 일정 각도를 이루도록 배치함으로써 위상차 변화 및 교차각이 상호보완적인 작용을 하여 자외선 부근의 일부 가시광선 영역을 제외한 대부분의 가시광선에 대해 결과적으로 이들 위상변화층 배열이 편광에 대해 45° 엇갈린 1/4파장 위상차판의 역할을 하도록 하고 정상상태의 밝기를 0에 가깝게 할 수 있다.

한편, 이상과 같은 배치에서 액정층에 전계가 인가되어 액정층의 배열이 위상변화를 유도하지 못하는 상태의 경우를 살펴보면, 반파장 위상차판을 통과하여 원래의 평면편광과 수직을 이루게 되는 평면편광은 변화없이 액정층을 통과하고, 실질적인 변화없이 동일 축상을 진동하는 평면편광으로 반사판에서 반사되고 다시 변화없이 액정층을 통과한다. 반사광이 반파장 위상차판을 만나면 진동축이 수직방향으로 변화되므로 원래의 평면편광 방향으로 복구되고 편광판을 통해 밖으로 나갈 때는 진동축이 편광판의 투광축과 같으므로 그대로 통과하고 밝은 상태(white mood)가 된다.

이런 경우에 반파장 위상차판과 액정층은 가시광선의 중간 대역을 중심으로 한 광대역 가시광선에 대한 전체적 보상의 역할을 할 수 없다. 결국, 파장의 크기에 따라 일부 광선은 편광판을 투과하지 못하고 전체적인 밝기를 떨어뜨리는 결과를 가져온다. 그러나 반파장 위상차판은 1/4파장 위상차판에 비해 파장 분산 특성이 낮으므로 1/4파장 위상차판을 사용하는 경우의 밝은 상태에 비해 더 밝은 상태를 유지한다. 이는 Δnd를 파장의 1/2, 1/4, 3/2, 3/4 등 서로 다르게 설계한 위상차판의 파장에 따른 Δnd값을 그래프로 나타낸 도4를 통해 비교할 수 있다.

본 발명에서 가장 중요한 개선효과를 가지는 것은 콘트라스트비의 증가이다. 콘트라스트비는 밝은 상태에서의 밝기의 증가에 의해서보다 어두운상태에서의 밝기의 감소에 의해 더 향상될 수 있는 것이므로 본 발명의 효과에는 어두운 상태의 밝기를 낮출 수 있다는 점이 더 큰 기여를 하게 된다.

액정층의 광축을 결정하기 위해서는 기판의 내면처리를 통해 프레틸트각이나 러빙을 조절하고 적합한 특성을 가진 액정을 사용하도록 한다. 그러나 액정층의 광축을 조절하는 것은 고정 위상차판의 설치에 비해서는 어려움이 많이 있다.

반사광의 밝기에 대한 실제 측정은 반사율이 좋은 재료를 사용한 반사판에 대해 도5와 같은 장치를 하고 동일한 세기의 입사광에 대한 반사광의 상대적인 강도를 측정하는 방법 등으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면 액정표시장치 위상차판의 제작 및 설치조건의 개선을 통해 광대역 위상차판의 사용 없이도 가시광선 대부분의 영역에 대해 파장별 분산의 문제를 줄일 수 있고, 액정층의 위상변화 역할을 감안하여 반사율과 콘트라스트 비를 보다 더 개선하여 LCD 제품의 화질을 개량할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 편광판;

   반사판; 및

   상기 편광판과 반사판 사이에 배치되며, 고정 위상변화층 및 가변 위상변화층을 갖는 위상 변화층들을 포함하며,

   상기 위상변화층들의 정상상태에서의 Δnd값은 특정 파장 λ의 가시광선에 대해 λ/2 및 λ/4가 되고,

   상기 가변 위상변화층은 액정이 배열된 액정층을 포함하며 상기 액정층에 소정의 전계가 인가될 때 상기 Δnd값이 0이 되는 것을 특징으로 하는 반사형 액정표시장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 위상변화층들은 상기 편광판과 상기 반사판 사이에 Δnd값이 λ/2인 제 1 위상변화층, Δnd값이 λ/4인 제 2 위상변화층의 순서로 배치되고, 상기 제 1 위상변화층의 장축(Slow axis)이 상기 편광판의 광투과축과 Θ1의 교차각을 이룰 때, 상기 제 2 위상변화층의 장축은 상기 편광판의 광투과축과 Θ1에 2를 곱한 것과 45°차이를 가지는 Θ2의 교차각을 이루는 것을 특징으로 하는 반사형 액정표시장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 특정 파장은 550nm이며, 상기 특정각도는 Θ1, Θ2가 15°및 75°인 것을 특징으로 하는 반사형 액정표시장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 2 위상변화층이 상기 가변 위상변화층인 것을 특징으로 하는 반사형 액정표시장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 액정층은 뒤틀림각(twisted angle)이 0°인 액정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 액정표시장치.
6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 액정층은 쌍안정성 트위스티드 네마틱 액정(Bistable Twisted Nematic Liquid Crystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 액정표시장치.

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