KR100697259B1

KR100697259B1 - 반사형 티에프티 엘시디

Info

Publication number: KR100697259B1
Application number: KR1019990019456A
Authority: KR
Inventors: 장용규
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2007-03-19
Also published as: US20090122251A1; JP2010072666A; KR20000075086A; US8085371B2; JP2001004999A; TWI284218B; US20100157209A1; US7522240B1

Abstract

본 발명은 판넬의 하판 내면에 반사막을 가지는 반사형 TFT LCD에 관한 것으로, 외부광이 입사하는 편광판과 상판 글래스 기판 사이에 위상차판이 구비되고, 상기 위상차판은 550nm 파장의 빛에 대해 Δnd가 파장의 1/2인 A위상차판 및 1/4인 B위상차판의 2개로 이루어지며 각 위상차판은 상기 편광판의 광 투과축과 특정각도를 이루도록 겹쳐서 설치된 것을 특징으로 한다.

따라서, 반사형 TFT LCD에서 위상차판의 제작 및 설치조건의 개선을 통해 종래의 일반적인 위상차판의 설치에 비해 가시광선 대부분의 영역에 대해 파장별 분산의 문제가 없이 반사율과 콘트라스트 비를 개선할 수 있으므로 별다른 비용의 증가가 없이도 LCD 제품의 화질을 개선할 수 있게 된다.

위상차판, 콘트라스트, 반사율, 각도

Description

반사형 티에프티 엘시디{Reflection type TFT LCD}

도1은 위상차판을 사용하여 노말 화이트 모드로 구동하는 기존의 반사형 LCD의 기본 구조를 나타내는 도면이다.

도2는 도1같은 구조에서의 광학적 구동원리를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도3은 본 발명을 도출해내기 위해 고안하여 사용한 광학구조이다.

도4 및 도5는 위상차판을 이루는 각 재료별로 편광판 투광축과 위상차판 slow axis의 각도차 Θ1, Θ2를 변화시키며 얻은 반사율의 시뮬레이션 값이며, Θ2는 도4에서는 Θ1의 값에 2를 곱하고 45도를 더한 값을, 도5에서는 Θ1의 값에 2를 곱하고 45도를 감한 값을 사용한 것이다.

도6은 도3과 같은 광학구조에서 Θ1, Θ2를 각각 15°, 75°로 한 경우의 재료별, 빛의 파장에 따른 반사율 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도7은 실제로 PC 및 ARTON을 사용하여 표1의 조건으로 위상차판을 제작하여 도3의 광학구조에서 실제 측정하는 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.

도8(a),(b)는 본 발명의 LCD 판넬에서 시야각에 따른 콘트라스트 비를 나타내는 도면이다.

도9는 각 파장영역에 대한 본 발명의 재료별 반사율을 스펙트럼 분석기로 측정한 경우를 나타내는 그래프이다.

도10(a),(b)는 정면에서 볼때 종류별 반사도와 콘트라스트비를 나타내며, 도10(c),(d)는 종류별 반사도와 최대 콘트라스트비를 나타내는 도면이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11,37: 편광판 12: 위상차판

13: 상부 글래스 기판 15: 컬러필터층

17: ITO층 19: 액정층

21,35: 반사판 23: 보호막

25: 게이트 절연막 27: 하부 글래스 기판

31: A위상차판 33: B위상차판

본 발명은 위상차판의 특성을 향상시킨 반사형 TFT LCD(Thin film transistor Liquid Crystal Display)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대부분의 가시영역 광선에 대해 위상차판의 기능이 보다 완전하도록 향상시킨 반사형 TFT LCD에 관한 것이다.

화면 표시장치에 있어서 주역이라고 할 수 있는 CRT의 단점을 보완하여 저소비전력화, 경량 박형화가 이루어질 수 있는 LCD가 특성에 따라 CRT를 대체하는 경우가 늘어나고 있다. 근래에 LCD에 요구되는 것 가운데 하나가 실외의 태양광 밑에서도 사용할 수 있는 기능이다.

종래의 초기 TN(Twisted Nematic), STN(Super Twisted Nematic) 형 LCD에서는 반사형이 주류를 이루었다. 따라서 외부 광원이 있는 경우를 전제로 운용되었다. 그러나 이들 LCD는 고화질 멀티미디어 요구에 맞는 화면 표시장치로는 컬러화, 응답속도, 반사율 및 콘트라스트 비 등의 측면에서 특성상 어려움이 많았다. 이 외에도 게스트 호스트 위상변화(PCGH:Phase Change Guest Host) 모드나 PDLC(Polymer dispersed Liquid Crystal), PSCT(Polymer Stabilized Cholesteric Texture) 등의 모드가 개발되었으나 사용 전압이 높고 그레이 스케일(gray scale)표시의 난점 등 다른 문제점들을 가지고 있었다.

이와 같은 표시 모드들에 비해 현재 개발되고 있는 MTN(Mixde Twisted Nematic)모드 TFT LCD는 반사율과 콘트라스트 비(Contrast ratio), 컬러표시 등에서 문제가 없으며, 생산성과 신뢰성 측면에서도 유리하다고 할 수 있다. 그러나 노말 블랙(normaly black) 모드로 운용할 경우 현재와 같은 윈도우(windows) 환경에서는 소비전력의 증가와 셀 갭 균일성(Cell Gap Uniformity)이 떨어진다는 단점들을 갖고 있다. 더욱이 액정의 광학적 특성이 적외선 영역으로 갈수록 감소하는 파장 분산특성을 갖고 있기 때문에 블랙 상태가 특히 좋지 않아 콘트라스트 비가 나빠진다. 이같은 문제를 해결하기 위해 RGB(Red, Green, Blue) 색상별로 화소의 셀 갭을 달리하는 방법도 고려할 수 있으나 공정상 어려움이 있으므로 주로 위상차판을 이용하여 노말 화이트(normaly white) 모드로 운용하는 방법을 사용하게 된다.

도1은 위상차판을 사용하여 노말 화이트 모드로 구동하는 기존의 반사형 LCD의 기본 구조를 나타내며, 도2는 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(12)의 slow axis는 편광판(11)의 투과축에 대해 대개 -45° 각도로 배치되며, 따라서 이 선편광은 위상차판(12)을 통과하면서 양 축 성분 사이에 90°의 위상차를 주어 반시계방향으로 회전하는 원편광이 된다. 그리고 전압이 가해지지 않은 영역이므로 액정층의 실효치 Δnd를 λ/4로 맞추면 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(21)에서 반사된 빛이 액정층(19)을 거치면서 위상은 역으로 90°만틈 돌려져 반시계 방향으로 회전하는 원편광이 되고, 다시 위상차판(12)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 상태에서 노말 화이트(normaly white)로 운영됨을 알 수 있고 이는 앞서 언급한 대로 윈도즈 체계에서 저전력 운용에 유리하며 고콘트라스트비 판넬을 얻을 수 있다. 물론 컬러 필터가 있을 경우 컬러 필터를 거치면서 빛은 화소별로 색조를 뛰게 되지만 여러 화소를 통과하는 비교적 넓은 면적에 대해서는 평균적 효과로 화이트로 나타나게 된다.

다음으로 다크(dark) 부분을 나타내는 경우를 보면, 입사하는 빛의 성질은 동일하다고 할 때 입사하여 위상차판(12)을 통과할 때까지의 경과는 동일하고 반시계 방향으로 회전하는 원편광이 된다. 그리고 이때는 전압이 화소에 인가된 상태이므로 액정은 비틀어지지 않은 평행한 배열을 하고 진행하는 빛의 위상 변화는 없이 원편광 상태를 유지하게 된다. 그리고 반사판(21)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 시계 방향 원편광이 된 상태를 유지하며, 편광판을 지나면서 90°의 위상 변화를 일으켜 y축 방향으로 진동하는 y축 성분을 가진 편광이 된다. 이 편광은 편광판이 x축 방향 투광 축을 가지므로 전체가 통과하지 못하고 반사광은 없게 되므로 외부에서 전압이 인가된 화소를 보면 어둡게 보인다.

그러므로 위상차판이 본래의 기능을 하려면 Δnd 특성은 가시광선의 전 영역(380nm ~780nm)에서 파장의 1/4이 되는 조건을 만족시켜야 한다. 그러나 현존하는 대부분의 위상차판 재질의 파장 분산 특성은 적외선으로 갈수록 Δnd 특성은 작아진다. 따라서 가시광선의 중간 정도의 파장에 촛점을 맞추어 위상차판을 설계하면 특히 자외선쪽 색상의 광선이 화소에 전압이 인가된 다크 조건에서도 일부 반사광을 이루므로 1 매의 위상차판 필름만으로 전영역의 가시광선에서 Δnd를 파장의 1/4로 하는 설계조건을 만족시킬 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 반사판을 사용하는 TFT LCD에서 위상차판을 통해 액정 특유의 파장 분산에 따라 액정 표시장치의 반사율이 낮아지고 콘트라스트 비가 낮아지는 현상을 방지할 수 있도록 개선된 위상차판을 가진 반사형 TFT LCD를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 판넬의 하판 내면에 반사막을 가지는 반사형 TFT LCD에 있어서, 외부광이 입사하는 편광판과 상판 글래스 기판 사이에 위상차판이 구비되고, 상기 위상차판은 특정 파장의 빛에 대해 Δnd가 파장의 1/2인 A위상차판 및 1/4인 B위상차판의 2개가 겹쳐서 이루어지며 각 위상차판은 상기 편광판의 광 투과축과 특정각도를 이루도록 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 특정 파장에 따라 특정 재질 위상차판 두께를 결정하면, 상기 특정각도는 상기 A위상차판과의 각도가 Θ1이라고 하면 B위상차판과의 각도 Θ2는 Θ1에 2를 곱하고 45°를 더하거나 뺀 값으로 하고 이를 통한 반사광 계산값이 각도의 변 화에 따라 변하는 그래프상의 최저점을 형성하는 지점의 Θ1, Θ2가 된다. 이 값은 대개 복수 개로 얻을 수 있다. 가령 파장 550nm의 입사광에 대해 전체 위상차판을 구성하는 개개의 위상차판에 대한 상대 각도 Θ1, Θ2(편광판 투과축 기준 시계방향)는 4가지의 조건쌍으로 이루어지는데 조건 1은 A위상차판 15°, B위상차판 75°, 조건 2는 A위상차판 75°, B위상차판 195°, 조건 3은 A위상차판 105°, B위상차판 165°, 조건 4는 A위상차판 165°, B위상차판 285°의 쌍으로 된다.

본 발명을 이루는 위상차판은 특성이 이론적으로는 Δnd를 통해서만 평가되지만 구체적으로는 위상차판을 형성하는 재질 및 가공방법에 따라 각 가시광선 영역에 대한 분산특성이 달라지는데 일본 합성고무회사(JSR)의 ARTON을 채택하는 것이 특성상 바람직하지만 본 발명에 따르면 흔히 위상차판으로 사용되어온 연신된 PC(Polycarbonate)재질도 대부분의 영역에서 파장의 1/4만큼 위상을 변화시키는 위상차판으로서 역할을 충분히 할 수 있다.

본 발명에서 편광판과 위상차판의 상대 각도는 정확하게는 편광판의 광 투과축과 위상차판의 slow axis를 의미하며 편광판 광투과축과 A위상차판 및 B위상차판 slow axis 사이의 상대 각도(편광판 투과축 기준 시계방향)는 위의 4가지 조건으로 제시한 쌍으로 이루어지는 것이 최적이나 각 위상차판이 정확한 위치에서 10°정도의 차이를 갖는 경우에도 편광판과 위상차판의 상대 각도를 조건지운 효과를 상당부분 누릴 수 있을 것이다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 관하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

도3은 본 발명을 도출해내기 위해 고안하여 사용한 광학구조이다. 종래의 위 상차판에서의 문제점에서 알 수 있듯이 1 매의 위상차판으로는 가시광선 전영역에 대해 파장의 1/4로의 위상변화를 일으킬 수 없으므로 본 발명에서는 2 매의 위상차판을 결합하여 사용하는데 서로 다른 Δnd 특성을 갖는 동일 축선을 갖는 필름을 일정한 각도로 결합하여 사용해야만 한다. 이런 구조에서는 두 필름을 통과한 빛은 주축 자체가 회전되기 때문에 어느 한 값의 광경로차 Δnd로 표현하는 것이 무의미하고 결합된 결과로 얻어지는 실효치 Δnd값을 사용하여야 하므로 도3과 같은 구조를 통해 발명상 조건을 얻어낼 수 있었다. 두 필름을 합성한 실효 광경로차 Δnd가 가시광 전역에서 파장의 1/4라면 반사광이 없는 다크 상태가 되며, 파장의 1/4가 되지 못하는 영역이 있으면 반사광이 있게 된다. 즉, 반사되는 빛의 양은 실제 광경로차 Δnd가 파장의 1/4에서 벗어나는 정도와 비례한다. 따라서 반사율로써 실효 광경로차 Δnd의 값이 파장의 1/4값에 얼마나 근접하였는가를 판단할 수 있고 두 매의 위상차판에 대한 편광판과의 상대 각도값에 대한 최적의 조건을 얻을 수 있도록 한다.

보다 구체적으로는, 반사광에 대한 실제 측정은 황산바륨(BaSO₄)에 대한 비율로서 상대적인 강도를 측정한 것이며, 시뮬레이션에 의한 결과 도출은 A위상차판(31)과 B위상차판(33)의 각각의 Δnd 특성이 파장 550nm에서 각각 파장의 1/2, 1/4 가 되는 180°및 90°에서 편광판(37)의 투과축과 위상차판(31,33)의 slow axis가 Θ1, Θ2의 각도를 이룬다고 한 경우에 각 위상차판, 반사판(35)에 대해서 광학적 위상변화에 사용되는 2×2 존스 매트릭스(Jones Matrix)를 대응시켜 반사된 빛을 계산하고 컴퓨터를 통해 얻은 것이다.

도4 및 도5는 위상차판을 이루는 각 재료별로 편광판 투광축과 위상차판 slow axis의 각도차 Θ1, Θ2를 변화시키며 얻은 반사율의 시뮬레이션 값이며, Θ2는 도4에서는 Θ1의 값에 2를 곱하고 45도를 더한 값을, 도5에서는 Θ1의 값에 2를 곱하고 45도를 감한 값을 사용한 것이다. 결과를 살펴보면 완전한 다크 상태를 이루는 값을 얻을 수는 없지만 현실적으로 이에 대응하는 위상차판의 상대 각도 Θ1, Θ2 실효값을 얻을 수 있으며, 그 값을 정리하여 보면 결과적으로 본 발명의 구성을 이루는 표1의 4가지 조건과 같게 된다.

Θ	550nm파장의 빛에대한Δnd	조건 1	조건 2	조건 3	조건 4
Θ1	λ/2	15°	75°	105°	165°
Θ2	λ/4	75°	195°	165°	285°

표1, 종합적으로 광경로차(Δnd)가 파장의 1/4이 되도록 한 각도 시뮬레이션 결과.

또한 각 결과로 부터 ARTON과 PVA의 반사율이 가장 낮고 이상적인 위상차판에 근접한 재료임을 알 수 있다.

도6은 도3과 같은 광학구조에서 Θ1, Θ2를 각각 15°, 75°로 한 경우의 재료별, 빛의 파장에 따른 반사율 시뮬레이션 결과를 나타내며, 도7은 실제로 PC 및 ARTON을 사용하여 표1의 조건으로 위상차판을 제작하여 도3의 광학구조에서 실제 측정하는 실험의 결과를 나타낸 그래프이다. 두 도면을 비교하면 시뮬레이션의 결과와 실제 실험의 결과가 잘 맞는다는 것을 알 수 있으며, 두 재료에 있어서 모두 480nm보다 짧은 파장을 가진 빛에 대해서는 분산이 많이 일어나 위상차판으로서의 특성이 저하된다는 것을 알 수 있다. 상대적으로 480nm보다 짧은 파장을 자진 빛에 대해 분산특성이 작은 ARTON을 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

본 예에서는 550nm 파장에 대해 언급하였으나 다른 파장에 대해서도 동일 원리를 적용할수 있고 파장에 따른 Δnd가 λ/2·λ/4에서 다소 벗어나도 큰 차이없이 효과를 누릴수 있으므로 일정 범위내의 편차는 동일한 것으로 포함한다. 그리고 시뮬레이션을 통해 얻은 표1의 조건을 적용하여 12.1인치 반사형 TFT LCD에 위상차판을 설치한 경우 종래의 위상차판 부착 방식에 비해 ARTON을 사용한 경우는 수평방향의 경우 화이트 모드에서 반사율이 10% 향상되었고, 다크 모드에서의 특성향상으로 콘트라스트 비는 최고 3.6배(정면 2,8배)까지 향상되었다. 그리고 ARTON 대신 PC를 사용한 경우(조건2) 종래의 PC 위상차판에 비해 콘트라스트 비가 최고 3배(정면 2.1배)정도 향상됨을 볼 수 있다. 그 구체적인 실험치는 황산바륨에 대한 비율로 나타내며 다음의 표2와 같다.

조건	수직				수평
조건	화이트 모드(%)	다크 모드(%)	콘트라스 트비	최대 콘트 라스트비	화이트 모드(%)	다크 모드(%)	콘트라스 트비	최대 콘트 라스트비
PC(종래)	25.08	1.01	24.83	25.06	25.32	1.79	14.15	14.86
PC1(본 발명)	24.23	1.16	20.89	33.35	26.79	0.76	35.25	50.02
PC2(본 발명)	26.44	0.74	35.73	38.12	27.59	0.91	30.32	44.46
PC3(본 발명)	23.29	0.75	31.05	44.26	29.34	1.3	22.57	30.04
PC4(본 발명)	24.32	1.38	17.62	22.19	27.08	0.75	36.11	56.17
ARTON2	27.68	0.75	36.91	37.08	28.00	0.72	38.89	53.50
ARTON4	26.82	0.59	45.46	46.78	28.19	1.19	23.69	25.95

표2, 신규 위상차판을 사용한 12.1인치 반사형 LCD의 광학 특성 비교.

도8(a),(b)는 본 발명의 LCD 판넬에서 시야각에 따른 콘트라스트 비를 나타내는 도면이며, 도9는 각 파장영역에 대한 본 발명의 재료별 반사율을 스펙트럼 분석기로 측정한 경우를 나타내는 그래프이다. 화이트 모드는 재료별 차이가 두드러 지지 않으나 다크 모드에 대해서는 480nm 영역에서 재료간에 큰 차이가 나타남을 알 수 있다. 도9의 원형으로 표시한 짧은 파장 부분에서 PC를 사용한 경우에 시뮬레이션에 따른 예상치와 달리 다크 상태의 반사율이 줄어드는데 이는 액정층을 보하하기 위해 편광판에 UV cutting용 화학처리를 하였기 때문이다.

본 발명에 따르면 반사형 TFT LCD에서 위상차판의 제작 및 설치조건의 개선을 통해 종래의 일반적인 위상차판의 설치에 비해 가시광선 대부분의 영역에 대해 파장별 분산의 문제가 없이 반사율과 콘트라스트 비를 개선할 수 있으므로 별다른 비용의 증가가 없이도 LCD 제품의 화질을 개선할 수 있게 된다.

Claims

판넬의 하판 내면에 반사막을 가지는 반사형 TFT LCD에 있어서,

외부광이 입사하는 편광판과 상판 글래스 기판 사이에 위상차판이 구비되고, 상기 위상차판은 특정 파장의 빛에 대해 Δnd가 파장의 1/2인 A위상차판 및 1/4인 B위상차판의 2개가 겹쳐서 이루어지며 각 위상차판은 상기 편광판의 광 투과축과 특정각도를 이루도록 설치되며, 상기 특정 파장에 따라 상기 특정각도는 상기 A위상차판과의 각도가 Θ1이라고 하면 B위상차판과의 각도 Θ2는 Θ1에 2를 곱하고 45°를 더하거나 뺀 값으로 하고 이를 통한 반사광 계산값이 각도의 변화에 따라 변하는 그래프상의 최저점을 형성하는 지점의 Θ1, Θ2에서 각각 상하로 10°범위가 되는 것임을 특징으로 하는 반사형 TFT LCD.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 특정 파장은 550nm이며, 상기 특정각도는 Θ1, Θ2가 15°및 75°인 것을 특징으로 하는 반사형 TFT LCD.
제 1 항에 있어서,

상기 특정 파장은 550nm이며, 상기 특정각도는 Θ1, Θ2가 75°및 195°인 것을 특징으로 하는 반사형 TFT LCD.
제 1 항에 있어서,

상기 특정 파장은 550nm이며, 상기 특정각도는 Θ1, Θ2가 105°및 165°인 것을 특징으로 하는 반사형 TFT LCD.
제 1 항에 있어서,

상기 특정 파장은 550nm이며, 상기 특정각도는 Θ1, Θ2가 165°및 285°인 것을 특징으로 하는 반사형 TFT LCD.
제 1 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항 가운데 어느 한 항에 있어서,

액정 모드가 MTN(Mixed Twisted Nematic) 모드인 것을 특징으로 하는 반사형 TFT LCD.