KR100803221B1 - 반사영역을 가지는 액정표시장치 - Google Patents

반사영역을 가지는 액정표시장치 Download PDF

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Abstract

배면 기판과 전면 기판 사이에 위치된 액정층과, 배면 기판쪽의 액정층을 향하는 면의 적어도 일부 영역에 외부 광을 반사시켜 액정층을 조명하도록 하는 반사영역;을 구비하며, 반사영역은, 배면 기판쪽의 상기 전면 기판쪽을 향하는 쪽에 적어도 일부 영역이 전면 기판에 대해 평행하지 않도록 형성된 복수의 반사면 어레이와; 반사면 상에 평평한 면을 가지도록 형성된 제1굴절율을 가지는 제1매질층과; 제1매질층 상에 제1매질층보다 작은 제2굴절율을 가지는 제2매질층과; 제2매질층상에 제2매질층보다 큰 제3굴절율을 가지는 제3매질층;을 포함하며, 제1매질층과 제2매질층의 경계면에서 배면 기판쪽에서 진행하는 광의 일부를 내부 전반사시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 액정표시장치가 개시되어 있다.

Description

반사영역을 가지는 액정표시장치{Liquid crystal display having reflecting region}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치를 보인 것으로, 반사투과형 액정표시장치를 보여준다.
도 2는 도 1의 반사영역의 확대도이다.
도 3 내지 도 5는 도 1의 반사면 어레이가 오목 포물면 형태의 오목 반사곡면으로 이루어지고, 그 초점에 위치되는 산란자의 다양한 실시예를 보여준다.
도 6 내지 도 12는 본 발명에 따른 액정표시장치에 적용되는 반사영역을 이루는 산란자를 내포하는 오목 반사곡면 배치 및 스페이서의 형성에 대한 다양한 실시예들을 보여준다.
도 13은 본 발명에 따른 액정표시장치에서 복수의 반사면 어레이 및 내부 전반사를 통한 재순환이 가능하도록 하는 적층 구조를 가지는 반사영역을 한 픽셀 또는 서브 픽셀 단위로 감싸도록 형성된 반사 블록을 도시한다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 액정표시장치를 보인 것으로, 산란자가 특정 색광만을 반사시키도록 된 경우의 반사투과형 액정표시장치의 실시예들을 보여준다.
도 16은 본 발명에 따른 액정표시장치의 또 다른 실시예로, 반사형 액정표시 장치로 구성되는 예를 보여준다.
도 17은 본 발명에 따른 액정표시장치가 산란자 없이 반사영역의 반사면 어레이로 오목 반사곡면 어레이를 구비하는 경우의 반사영역의 실시예를 보여준다.
도 18은 본 발명에 따른 액정표시장치가 산란자 없이 반사영역의 반사면 어레이로 볼록 반사곡면 어레이를 구비하는 경우의 반사영역의 실시예를 보여준다.
도 19는 초점 길이가 p이고, 높이가 yh=p인 파라볼릭 오목 반사면을 도시한다.
도 20은 전자기적인 산란 측정을 위한 장치를 보여준다.
도 21은 검출 각도 δ를 결정하는 것에 대해 보여준다.
도 22는 높이 yh=p인 파라볼릭 오목면의 초점에 산란자가 존재하고, 내부 전반사를 사용하지 않을 때의 허비되는 산란광을 보여준다.
도 23은 내부 전반사 원리를 보여준다.
도 24는 산란 파워 손실을 줄이기 위해 내부 전반사를 이용하는 본 발명을 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 임계각 Ωc 및 θc를 결정하는데 사용되는 개략도이다.
도 26은 FDTD 시뮬레이션을 위한 샘플 디바이스를 개략적으로 보여준다.
도 27은 도 26의 샘플 디바이스 및 비교예에 대해 도 20의 검출기에 의해 수집된 산란 파워를 보여준다.
도 28은 비교예에 대한 본 발명의 성능을 보여준다.
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액정 패널 내부에 외부 광을 반사시킬 수 있는 반사영역을 가지는 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치(LCD)는 박형의 칼라 또는 단색 픽셀의 어레이로 만들어진 평판표시장치이다. 저 전력 소비에 기인하여, 액정표시장치는 저 전력 소비가 중요한 배터리로부터 전력을 공급받는 전자기기의 디스플레이로 가장 널리 사용되고 있다.
액정표시장치는 액정을 조명하기 위한 광원의 위치에 따라, 투과형, 반사형 또는 반사투과형으로 분류된다. 투과형 액정표시장치에 있어서, 액정은 패널 뒤에 있는 백라이트 유닛(BLU)에 의해 조명된다.
이러한 액정표시장치는 평판 디스플레이, 텔레비전, 개인 휴대 단말기(PDA) 또는 고 휘도 레벨을 요구하는 휴대전화기와 같은 제품에 사용된다.
투과형 액정표시장치의 주요한 단점 중의 하나는 조명 광원으로서 시스템에 주요한 전력 소비를 발생시키는 백라이트 유닛에 의존한다는 것이다.
반사형 액정표시장치에서는, 외부 광이 액정을 조명하기 위한 조명원으로 사용된다. 외부 광은 액정층의 뒤에 위치된 반사기에 의해 반사된다. 반사형 액정표시장치에 있어서, 투과형 액정표시장치에서의 백라이트 유닛과 같은 능동적인 조명 광원의 부재는 시스템의 전체 전력 소모를 크게 감소시켜, 반사형 액정표시장치를 저전력 소모가 특히 중요한 몇몇 디지털 시계 및 계산기와 같은 제품에 적용하는 것을 가능하게 한다.
그러나 반사형 액정표시장치가 완벽한 것은 아니다. 반사형 액정표시장치가 조명을 위해 백라이트 유닛과 같은 조명 광원을 가지지 않기 때문에, 이들은 외부 광원으로 둘러싸여지지 않은 장소 즉, 외부 광이 없는 장소에서는 사용될 수 없다. 또한, 반사형 액정표시장치에서는, 광이 액정층을 두 번 통과해야 하기 때문에, 투과형 액정표시장치에 비해 콘트라스트비(contrast ratio)가 낮다.
저전력 소비 및 고화질 둘 다가 중요한, PDA 나 휴대전화기와 같은 많은 상업적으로 이용할 수 있는 기기들은 반사형 및 투과형 액정표시장치 기술 둘 다를 단일 패키지로 조합함으로써 이들 둘 다로부터 이점을 취하는데, 이 기술은 반사투과형 액정표시장치(transreflective LCD)로 알려져 있다. 반사투과형 액정표시장치는, 외부 환경의 에워싼 광원 조건에 따라 반사형 액정표시장치와 투과형 액정표시장치 사이의 스위칭 모드에 의해 작동한다. 낮 동안이나 충분히 에워싼 광원이 존재하는 장소에서는, 반사형 액정표시장치 모드가 활성화되고, 밤 동안이나 어두운 환경에서는, 투과형 액정표시장치 모드가 활성화되게 된다.
반사투과형 액정표시장치 기술이 완벽한 해결책인 것처럼 보인다 할지라도, 저전력 소비에 대한 필요성과 고도의 영상 디스플레이 품질(high image displaying quality) 사이의 적절한 균형을 위해, 여전히 훨씬 더 미세한 조율이 요구된다. 이러한 기술은 단지 앞에서의 두 버전(versions) 즉, 반사형 및 투과형 액정표시장치 기술을 조합하는 것이기 때문에, 반사형 및 투과형 액정표시장치 기술에서 나타나는 문제들이 반사투과형 액정표시장치 기술에서도 나타난다. 반사투과형 액정표시 장치 기술을 이용하는 디바이스들에서의 주요한 단점 중 하나는, 반사형 액정표시장치 기술을 따라가는 나쁜 콘트라스트비 성능 특성이다.
이러한 단점은 반사형 액정표시장치에서는 광이 액정층을 두 번 통과해야한다는 점과, 반사기에서 반사되는 외부 광선의 작은 부분만이 단지 액정층의 조명에 기여한다는 점에 기인한다. 반사형 액정표시장치에서, 광이 액정층을 두 번 통과하는 것은 필수적인 것이기 때문에, 위의 두가지 원인 중 개선 가능한 것은 후자이다.
반사기에서 반사되는 광선 중 우수한 콘트라스트비 성능을 나타낼 수 있도록 액정층의 조명에 실질적으로 기여하는 것은, 반사기에서 반사된 후 액정층을 수직으로 통과하는 성분의 광선이다.
따라서, 콘트라스트비 성능을 개선하기 위해서는, 반사기에서 반사되는 광선의 액정층의 조명에 실질적으로 기여하는 비율을 높이기 위해, 액정층을 수직으로 통과하는 성분을 증대시킬 필요가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 외부로부터 액정 패널내로 입사되어 반사영역에서 반사된 광의 수직 성분 비율을 크게 할 수 있도록 개선된 액정 패널내에 반사영역을 가지는 액정표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 액정표시장치는, 배면 기판 및 전면 기판과; 상 기 배면 기판과 전면 기판 사이에 위치된 액정층과; 상기 배면 기판쪽의 상기 액정층을 향하는 면의 적어도 일부 영역에 외부 광을 반사시켜 상기 액정층을 조명하도록 하는 반사영역;을 구비하며, 상기 반사영역은, 상기 배면 기판쪽의 상기 전면 기판쪽을 향하는 쪽에 적어도 일부 영역이 상기 전면 기판에 대해 평행하지 않도록 형성된 복수의 반사면 어레이와; 상기 반사면 상에 평평한 면을 가지도록 형성된 제1굴절율을 가지는 제1매질층과; 상기 제1매질층 상에 상기 제1매질층보다 작은 제2굴절율을 가지는 제2매질층과; 상기 제2매질층상에 상기 제2매질층보다 큰 제3굴절율을 가지는 제3매질층;을 포함하며, 상기 제1매질층과 제2매질층의 경계면에서 상기 배면 기판쪽에서 진행하는 광의 일부를 내부 전반사시키도록 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 반사면은 오목 반사곡면일 수 있다.
이때, 상기 오목 반사곡면으로부터 상기 전면 기판쪽으로 이격되게 상기 제1매질층 내에 위치된 산란자;를 더 포함하며, 상기 제1매질층은 상기 오목 반사곡면에 대해 상기 산란자를 고정시킬 수 있다.
상기 오목 반사곡면은 그 단면이 포물선을 이루며, 상기 산란자는 상기 오목 반사곡면의 초점이나 그에 근접된 곳에 위치되는 것이 바람직하다.
상기 산란자는 단일의 구형 산란자, 코어-셀 구조의 구형 산란자 및 산란 입자들이 클러스터를 이루어 유효 구형 구조를 이루는 산란자 중 어느 하나일 수 있다.
상기 산란 입자는 코어-셀 구조의 구형 산란 입자 및 구형 산란 입자 중 어 느 하나일 수 있다.
상기 산란자는 복수 종류의 색광이나 특정한 단일 색광을 산란시키도록 마련될 수 있다.
상기 배면 기판 뒤쪽에 백라이트 유닛과; 상기 백라이트 유닛으로부터의 조명광을 상기 액정층쪽으로 통과시키는 투과영역;을 더 구비하는 반사투과형일 수 있다.
이때, 상기 전면 기판쪽에 칼라 필터;를 더 구비하며, 상기 산란자는 복수 종류의 색광을 산란시키도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 산란자는 특정 색광을 산란시키도록 마련되어, 상기 반사영역은 특정 색광에 대한 유효 칼라 필터 요소로서 작용하며, 상기 투과 영역에 대응하는 위치에는 상기 특정 색광과 동일 색광만을 통과시키는 칼라 필터 요소;를 더 구비할 수도 있다.
상기 액정표시장치는 반사형일 수 있다.
이때, 상기 전면 기판쪽에 칼라 필터;를 더 구비하며, 상기 산란자는 복수 종류의 색광을 산란시키도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 산란자는 특정 색광을 산란시키도록 마련되어, 상기 반사영역은 특정 색광에 대한 유효 칼라 필터 요소로서 작용하여, 칼라 필터가 불필요하도록 마련될 수도 있다.
상기 오목 반사곡면은 그 단면이 포물선을 이루도록 구성될 수 있다.
상기 반사면은 볼록 반사곡면일 수도 있다.
이때, 상기 볼록 반사곡면은 그 단면이 포물선을 이루도록 된 것이 바람직하다.
한 픽셀 또는 서브 픽셀의 경계에는 상기 제1 및 제2매질층의 경계에서 내부 전반사된 광이 인접한 픽셀 또는 서브 픽셀로 진행하는 것을 반사에 의해 차단하는 반사블록;를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 및 제3매질층은, 투명 유전체 물질로 이루어지고, 상기 제2매질층은 진공이나 공기 갭으로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 반사면 어레이는 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 제2매질층에는 제1매질층에 대해 제3매질층을 지지하기 위한 스페이서;를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 반사면들은 서로 접촉하지 않도록 이격되거나 서로 접촉하도록 규칙적으로 배치되고, 상기 스페이서는, 상기 반사면들 사이의 전체 영역, 일부 반사면들 사이의 영역 전체 및 적어도 일부 반사면들 사이의 영역 일부에 위치하는 형태 중 어느 한 형태로 위치될 수 있다.
또한, 상기 반사면들은 서로 접촉 및/또는 이격되는 형태로 불규칙적으로 배치되고, 상기 스페이서는, 상기 반사면들 사이의 전체 영역, 일부 반사면들 사이의 영역 전체 및 적어도 일부 반사면들 사이의 영역 일부에 위치하는 형태 중 어느 한 형태로 위치될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 반사영역을 가지는 액정표시장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치를 보인 것으로, 반사투과형 액정표시장치를 보여주며, 도 2는 도 1의 반사영역의 확대도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 액정표시장치는, 배면 기판(101) 및 전면 기판(110)과, 상기 배면 기판(101)과 전면 기판(110) 사이에 위치된 액정층(107)과, 상기 배면 기판(101)쪽에 외부에서 입사되는 광을 반사시켜 상기 액정층(107)을 조명하며 반사된 광의 수직 성분(도 1에서는 y축 방향을 따르는 성분 즉, 액정표시장치의 두께 방향을 따르는 성분)을 증진시킬 수 있도록 형성된 반사영역(120)을 구비한다. 도 1 및 도 2에서는 배면 기판(101)쪽에 박막트랜지스터(TFT:115)가 형성되고, 전면 기판(110) 쪽에 공통전극(108)이 형성된 경우를 보여준다.
상기 배면 기판(101) 상에는 TFT(115)를 부분적으로 노출시키기 위한 콘택홀(116)을 가지는 버퍼층(102)이 형성되어 있다. 상기 버퍼층(102)은 투명한 절연물질로 이루어질 수 있다. 상기 버퍼층(102) 상의 적어도 일부 영역에 상기 반사영역(120)이 형성된다. 상기 버퍼층(102) 상에는 매질층(121)이 형성되어 있다.
도 1에서 50a는 외부 광선, 50st는 입사된 외부 광선(50a)이 반사영역(120)에 의해 반사된 광선, 50stx는 광선 50st의 x축을 따르는 성분, 50sty는 광선 50st의 y축을 따르는 성분, 50BLU는 백라이트 유닛(100)으로부터 제공되는 광선(50 BLU)을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 상기 반사영역(120)은 매질층(121)의 전면 기판(110) 쪽을 향하는 쪽에 적어도 일부 영역이 상기 전면 기판(110)에 대해 평행하지 않도록 형성된 복수의 반사면 어레이 예컨대, 오목 반사곡면(123) 어레이를 가진다. 상기 오 목 반사곡면(123) 어레이 상에는 이 오목 반사곡면(123)에서 반사된 광의 일부를 내부 전반사시키도록 적층 구조가 형성된다. 적층 구조는, 오목 반사곡면(123) 어레이 상에 평평한 면을 가지도록 형성된 제1굴절율을 가지는 제1매질층(122), 그 위에 제1매질층(122)보다 작은 제2굴절율을 가지는 제2매질층(126), 그 위에 제2매질층(126)보다 큰 제3굴절율을 가지는 제3매질층(127)으로 이루어질 수 있다. 상기 제3매질층(127) 상에는 상기 콘택홀(116)을 통하여 TFT(115)와 전기적으로 연결되도록 형성되어 전극으로서 역할을 하는 얇은 투명 도체 층(129) 예컨대, ITO 층이 형성되어 있다.
상기 매질층(121)의 전면 기판(110)쪽을 향하는 면에는 반사면 어레이 예컨대, 오목 반사곡면(123) 어레이가 형성된다. 이때, 이 오목 반사곡면(123)이 입사되는 광을 반사시키도록, 매질층(121)은 금속 물질 예컨대, 알루미늄, 구리 은 및 금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 매질층(121)은 상기 투명 도체층(129)과 마찬가지로 콘택홀(116)을 통해 TFT(115)와 전기적으로 연결되게 형성되어, 반사전극으로서 역할을 할 수도 있다.
상기 오목 반사곡면(123)으로부터 전면 기판(110)쪽으로 이격된 위치에는 상기 제1매질층(122) 내에 위치하도록 산란자(125)를 더 구비할 수 있다. 이 산란자(125)는 상기 제1매질층(122)에 의해 오목 반사곡면(123)에 대해 위치가 고정된다.
상기 오목 반사곡면(123)은 도 3 내지 도 5에 보인 바와 같이, 그 단면이 포물선(parabola)을 이루도록 오목한 포물면 형태로 형성된 것이 바람직하며, 상기 산란자(125)는 그 단면이 포물선을 이루도록 된 오목 반사곡면(123)의 초점에 위치되거나 그 초점에 근접된 위치에 중심을 두도록 위치되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 오목 반사곡면(123)은 그 높이(yh)가 상기 오목 반사곡면(123)의 초점길이(p)가 되도록 형성되거나, 이보다 크거나 작게 형성될 수 있다. 도 3에서는 산란자(125)가 오목 반사곡면(123)의 초점에 위치되고, 오목 반사곡면(123)의 높이(yh)가 초점길이(p)가 되도록 형성된 예를 보여준다. 도 3 내지 도 5에서 50ag, 50ap, 50st는 광선을 나타낸다.
상기와 같이 포물면 형태인 오목 반사곡면(123)의 초점에 산란자(125)를 배치하면, 그렇지 않는 경우에 비해 오목 반사곡면(123)에서 반사된 광이 액정층(107)의 조명에 실질적으로 기여하는 비율을 크게 높일 수 있다. 이는 외부 광이 산란자(125)로 입사되면, 산란자(125)는 후술하는 바와 같이 사방으로 퍼지는 유도 방출을 하게 되며, 포물면 형태인 오목 반사곡면(123)은 그 초점에서 출발하여 이 오목 반사곡면(123)로 입사되는 광을 반사시켜 그 수직 방향 축(y축)에 평행하게 진행시키기 때문이다.
한편, 도 3에서는 각 산란자(125)가 반경이 r인 단일의 구형 산란자(125a)로 이루어진 예를 보여주는데, 구형 산란자(125a)는 단일 크기 대신에 칼라 화상을 구현하는데 필요한 각각의 색광을 산란시키는 다앙한 크기로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 산란자(125)는 도 4에서와 같이 서로 다른 여러 색광 각각을 산란시키는 복수의 매질이 다층 구조로 형성되거나 속이 빈 형태로 단일 매질층 또는 복수 매질층으로 형성되어 이루어진 구형의 코어-셀(core-shell) 구조의 산란자(125b)로 이루어지거나, 도 5에서와 같이, 산란 입자들이 클러스터(cluster)를 이루어 유효 구형 산란자(125c)를 이루는 구조로 이루어질 수도 있다. 상기 구형의 코어-셀 구조의 산란자(125b)에서의 층수는 도 4에 한정되는 것이 아니라 다양한 층수를 가질 수 있다. 산란 입자의 클러스터로 된 유효 구형 산란자(125c)에서 산란 입자들은 똑같은 타입의 입자들에 한정되지 않으며, 많은 다른 타입의 입자들로 구성될 수 있다. 또한, 산란 입자들은 똑같은 크기로 한정되지 않으며, 다양한 크기를 가질 수 있다. 또한, 상기 산란 입자는 구형 산란 입자 또는 구형의 코어-셀 구조의 산란 입자일 수도 있다.
여기서, 도 3 내지 도 5에서는 산란자(125)의 실질적인 외형이 기하학적인 구형을 이루는 경우를 보여주는데, 산란자(125)의 형상이 반드시 기하학적인 구형으로 한정되는 것은 아니며, 그 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
도 1에서의 산란자(125)로 상기 구형 산란자(125a), 코어-셀 구조의 산란자(125b), 유효 구형 산란자(125c) 중 어느 하나가 적용될 때, 적용되는 구형 산란자(125a), 코어-셀 구조의 산란자(125b) 또는 유효 구형 산란자(125c)는 칼라 화상 구현을 위한 복수 종류의 색광을 산란시키도록 구성된다. 이 경우, 후술하는 바와 같이 칼라 구현을 위해 전면 기판(110)쪽에 칼라 필터(109)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
다른 예로서, 상기 반사영역(120)은 특정 파장 또는 색광만을 반사하도록 설계될 수 있다. 이러한 반사영역(120)을 형성하기 위해, 산란자(125)로 적용되는 구형 산란자(125a), 코어-셀 구조의 산란자(125b) 또는 유효 구형 산란자(125c)는 특 정 파장 또는 색광 예컨대, 적색광(R), 그린 색광(G) 및 청색광(B) 중 어느 한 색광만을 산란시키도록 마련될 수 있다. 이때, 구형 산란자(125a)는 특정 색광만을 산란시키도록 그 크기 등이 정해질 수 있다. 코어-셀 구조의 산란자(125b)는 특정 색광만을 산란시키도록 그 층의 수나 크기 등이 정해질 수 있다. 또한, 상기 유효 구형 산란자(125c)는 특정 색광만을 산란시키도록 산란 입자의 크기 등이 정해질 수 있다. 이와 같이 산란자(125)가 특정 색광만을 산란시키도록 된 경우, 반사영역(120)은 특정 색광에 대한 유효 칼라 필터 요소로서 작용하여, 칼라 필터가 불필요하게 되는데, 이 경우에 대한 본 발명에 따른 액정표시장치의 실시예들에 대해서는 후술한다.
한편, 상기 제1매질층(122)과 제3매질층(127)은 투명 유전체 물질 예컨대, SiO2로 이루어질 수 있다. 이 제1매질층(122)은 도 1에서와 같이 산란자(125)를 완전히 덮도록 형성될 수 있다.
상기 제2매질층(126)은 제1매질층(122)과의 경계면(126a)에서 제1매질층(122)으로부터 제2매질층(126)으로 진행하는 일부 광을 내부 전반사시켜 상기 오목 반사곡면(123) 어레이쪽으로 재순환시키도록, 제1매질층(122)보다 굴절율이 작으면서, 그 굴절율 차가 비교적 큰 매체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2매질층(126)은 진공 또는 공기 갭일 수 있다. 이 경우, 제2매질층(126)은 대략 unity의 굴절율을 갖게 된다.
이와 같이, 상기 제1 및 제2매질층(122)(126)은 그 제1 및 제2매질 층(122)(126)의 경계면(126a)에서 제1매질층(122)으로부터 제2매질층(126)으로 진행하는 광의 일부를 내부 전반사시키도록 형성된다.
제1매질층(122)로부터 제2매질층(126)으로 진행시 내부 전반사되는 광은 실질적으로 제1매질층(122)로부터 제2매질층(126)으로 입사되는 각도가 커서 액정층(107)의 조명에 기여하는 수직 성분이 작은 광이다. 이때, 내부 전반사가 이루어지는 입사 각도 한계는 제1 및 재2매질층(122)(126)의 굴절율 차이에 의해 정해진다.
따라서, 상기와 같은 내부 전반사 과정을 통해 광을 재순환(recycling)시키면, 그 광의 수직 성분을 증진시킬 수 있기 때문에, 내부 전반사를 통한 광 재순환을 전혀 이용하지 않는 경우에 비해, 액정층(107)의 조명에 실질적으로 기여하는 광의 비율을 크게 높일 수 있다.
여기서, 제1매질층(122)로부터 제2매질층(126)으로 진행시 내부 전반사되는 광은 외부 광 중 산란자(125)를 거치지 않고, 바로 오목 반사곡면(123)에 입사된 후 반사되어 임계각 이상의 입사 각도로 상기 경계면(126a)으로 입사되는 광, 산란자(125)에 의해 산란된 광 중 상기 오목 반사곡면(123)으로 진행하는 광을 제외한 광 중, 임계각 이상의 입사 각도로 상기 경계면(126a)으로 입사되는 광 등이다.
상기와 같이 구성된 반사영역(120)에 의해 액정층(107)의 조명에 실질적으로 기여하는 광의 수직 성분이 크게 증진될 수 있다.
한편, 다시 도 1을 참조하면, 제2매질층(126)이 진공 또는 공기 갭으로 형성되는 경우, 본 발명에 따른 액정표시장치는, 제2매질층(126)에 제1매질층(122)에 대해 제3매질층(127) 등을 이격된 상태로 지지하기 위한 스페이서(128)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 스페이서(128)는 도 6 내지 도 12에 보여진 바와 같이, 반사면들 사이의 전체 영역, 일부 반사면들 사이의 영역 전체 및 적어도 일부 반사면들 사이의 영역 일부에 위치하는 형태 중 어느 한 형태로 위치될 수 있다.
도 6 내지 도 12는 본 발명에 따른 액정표시장치에 적용되는 반사영역(120)을 이루는 산란자(125)를 내포하는 오목 반사곡면(123) 배치 및 스페이서(128)의 형성에 대한 다양한 실시예들을 보여준다. 도 6 내지 도 12에서 120BEV는 반사영역(120)의 평면도를 나타낸다.
본 발명에 따른 액정표시장치에 있어서, 반사영역(120)을 이루는 산란자(125)를 가지는 오목 반사곡면(123)은 도 6, 도 7, 도 10, 도 11, 도 12에 보여진 바와 같이, 규칙적으로 배열되거나, 도 8 및 도 9에 보여진 바와 같이 불규칙적으로 배치될 수 있다. 도 6 및 도 7은 오목 반사곡면들(123)이 서로 접촉하지 않도록 이격되게 규칙적으로 배열된 예를 보여준다. 도 10 내지 도 12는 오목 반사곡면들(123)이 서로 접촉하도록 규칙적으로 배열된 예를 보여준다. 도 8 및 도 9는 오목 반사곡면들(123)이 서로 접촉하고 이격되는 다양한 형태로 불규칙적으로 배치된 예를 보여준다.
스페이서(128)는, 도 6, 도 8, 도 10에서와 같이 오목 반사곡면들(123) 사이의 전체 영역에 위치하는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 스페이서(128)는, 도 7, 도 9, 도 12에서와 같이, 적어도 일부 오목 반사곡면들(123) 사이의 영역 일부에 위치하는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 스페이서(128)는, 도 11에서와 같이, 일부 오목 반사곡면들(123) 사이의 영역 전체에 위치하는 형태로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 액정표시장치는, 도 13에 보인 바와 같이, 복수의 반사면 어레이 및 내부 전반사를 통한 재순환이 가능하도록 하는 적층 구조를 가지는 상기한 구조의 반사영역(120)을 한 픽셀 또는 서브 픽셀 단위로 감싸도록 형성된 반사 블록(124)을 더 구비할 수 있다. 도 1에서는 편의상 반사 블록(124)의 도시를 생략하였으며, 도 2에서는 세 개의 오목 반사곡면(123)이 형성된 영역 주변에 반사 블록(124)이 형성되는 것으로 예시적으로 나타내었다.
내부 전반사된 광선이 한 픽셀 또는 서브 픽셀의 종단부(terminating ends: EBU, EBD, EBR, EBL)로부터 벗어나는 것을 막기 위하여, 각 종단부는 도 2 및 도 13에 예시한 바와 같이, 반사 블록(124)으로 차폐된다. 이 반사 블록(124)은 광선들을 예컨대, 한 픽셀 또는 서브 픽셀 단위 내의 반사영역(120)으로 되돌리도록 반사하여 그 광선들이 내부 전반사의 다른 일주(round)를 경험하도록 만들기 위한 것이다. 상기 반사 블록(124)은 알루미늄, 은 등과 같은 고 반사성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 반사 블록(124)은 스페이서(128)와 동일 재질로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 액정표시장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 칼라영상을 표시할 수 있도록, 칼라 필터(109)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 칼라 필터(109)는 도 1에서와 같이 전면 기판(110)쪽에 마련될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 칼라 필터(109)는 반사영역(120)과 액정 층(107) 사이에 위치하도록 마련될 수도 있다. 단색용으로 사용하는 경우에는, 상기 칼라 필터(109)는 배제된다.
도 1에서는 본 발명에 따른 액정표시장치가 반사투과형이 되도록, 배면 기판(101)의 뒤쪽에 백라이트 유닛(BLU:100)을 더 구비하며, 상기 반사영역(120)은 부분적으로 형성되고, 백라이트 유닛(100)으로부터의 조명광을 통과시키는 투과영역(130)이 더 형성된 예를 보여준다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 투과영역(130)은 예를 들어, TFT(115)가 없는 부분의 일부 영역에 형성될 수 있다. 상기 투명 도체 층(129)은 반사영역(120) 뿐만 아니라 투과영역(130)상에도 형성된다. 여기서, 반사영역(120)의 반사면 어레이가 반사전극으로서 역할을 하도록 된 경우, 상기 투과영역(130)도 실질적으로 투명전극으로서 역할을 하도록, 반사영역의 매질층(121)과 전기적으로 연결되게 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치는, 충분한 조도의 외부 광원이 존재하거나, 광량이 충분한 낮 동안에는, 백라이트 유닛(100)을 작동시키지 않고, 외부로부터 입사된 광(50a)만이 반사영역(120)에 의해 반사되어 액정층(107)을 조명하므로, 반사형 액정표시장치로서 사용된다.
충분한 조도의 외부 광원이 존재하지 않거나 밤 동안에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치는, 백라이트 유닛(100)을 작동시켜, 백라이트 유닛(100)으로부터의 광(50BLU)으로 액정층(107)을 조명한다. 이때, 외부 광이 일부라도 존재한다면, 백라이트 유닛(100)으로부터의 광(50BLU)과 함께 외부 입사 광(50a)도 조명광으로 사용된다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 액정표시장치를 보인 것으로, 산란자(125)가 특정 색광만을 반사시키도록 된 경우의 반사투과형 액정표시장치의 실시예들을 보여준다. 여기서, 도 1에서와 동일 구성요소는 동일 참조부호로 표기하고, 그 반복적인 설명을 가능한 한 생략한다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 산란자(125)가 특정 색광만을 산란시키도록 된 경우, 이에 의해 반사영역(120)은 특정 파장 또는 파장 범위의 색광만을 반사시키게 되므로, 실질적으로 반사영역(120)은 특정 색광에 대한 유효 칼라 필터요소로서 작용을 하게 된다. 이 경우, 도 14 및 도 15에 도시된 부분은 액정표시장치의 한 픽셀(단위 픽셀)을 이루는 복수의 서브 픽셀(sub-pixel) 중 어느 하나를 나타내게 된다.
예를 들어, 상기 반사영역(120)은 산란자(125)의 산란에 의해 적색광, 그린 색광, 및 청색광 중 어느 한 색광을 반사시키도록 형성된다. 따라서, 액정표시장치는 적색광, 그린 색광, 청색광을 각각 반사시키도록 마련된 세 개의 반사영역(120) 유니트의 2차원 어레이 배열을 가지게 된다.
상기와 같이 반사영역(120)이 특정 색광만을 반사시키도록 된 경우, 도 1에서의 칼라 필터(109)가 불필요하다.
대신에, 투과영역(130)에 대응하는 영역에 도 14에서와 같이 백라이트 유닛(100)으로부터의 조명광 중 반사영역(120)에서 반사되는 특정 색광과 동일 색광만을 통과시키도록 적색, 그린 또는 청색 칼라 필터 요소(109')를 형성시키면 된 다. 도 14에서는 칼라 필터 요소(109')가 투과영역(130)상의 액정층(107)에 인접한 면에 형성된 예를 보여준다. 도 15에서는 칼라 필터 요소(109')가 도 1에서의 칼라 필터(109) 위치에 형성되고, 그 주변은 투명 재질층(109")으로 형성한 예를 보여준다.
여기서, 산란자(125)가 복수의 색광을 산란시키도록 된 도 1의 경우에는, 도면에 도시된 부분은 액정표시장치의 한 픽셀에 해당하거나, 한 픽셀을 이루는 복수의 서브 픽셀 중 어느 하나에 해당할 수 있다.
도 16은 본 발명에 따른 액정표시장치의 또 다른 실시예로, 반사형 액정표시장치로 구성되는 예를 보여준다.
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액정표시장치는 도 1, 도 14 및 도 15에서의 백라이트 유닛(100) 및 투과영역(130)을 가지지 않고, 반사영역(120)만을 구비할 수도 있다. 이 경우, 반사영역(120)은 TFT(115)와 전기적인 연결을 위한 콘택홀(116) 부분을 제외하고 배면 기판(101) 전면에 걸쳐 형성될 수 있다.
또한, 도 16에서는 도 1에 대응되는 구조를 나타내었는데, 반사형 액정표시장치는 도 14 또는 도 15에 대응되는 구조를 가질 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 반사형 액정표시장치에 있어서, 산란자(125)를 특정 색광만을 산란시키도록 형성하여, 반사영역(120)을 특정 색광에 대한 유효 칼라 필터 요소로서 작용하도록 마련하고, 칼라 필터(109)를 배제하는 것도 가능하다. 이에 대해서는 이상의 다양한 실시예들에 대한 설명 및 도시로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 그 도시를 생략한다.
한편, 이상에서는 본 발명에 따른 액정표시장치가 반사영역(120)의 반사면 어레이로 오목 반사곡면(123) 어레이를 구비하며, 오목 반사곡면(123)의 초점 위치에 산란자(125)를 구비하는 경우를 설명 및 도시하였는데, 본 발명에 따른 액정표시장치는 반사영역(120)의 반사면 어레이로 도 17에서와 같이 오목 반사곡면(123) 어레이 예컨대, 단면이 오목 포물면 형태인 오목 반사곡면 어레이를 구비하거나 도 18에서와 같이 볼록 반사곡면(223) 어레이 예컨대, 단면이 볼록 포물면 형태인 볼록 반사곡면 어레이를 구비하면서, 산란자가 없는 구조를 가질 수도 있다.
이때, 도 17에서의 오목 반사곡면(123) 어레이 또는 도 18에서의 볼록 반사곡면(223) 어레이의 배치 및 스페이서(128)의 배치 및 형상은 도 6 내지 도 12에서의 산란자(125)를 가지는 오목 반사곡면(123) 어레이의 경우와 같이 다양한 배치 구조를 가질 수 있다.
산란자(125) 없이 도 17에서와 같이 오목 반사곡면(123) 어레이만을 구비하는 액정표시장치 및 도 18에서와 같이 볼록 반사곡면(223) 어레이만을 구비하는 액정표시장치에 대해서는 도 1의 액정표시장치와 도 17 및 도 18의 반사영역(120)의 다른 실시예들로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 이에 대한 도시는 생략한다.
한편, 이상의 다양한 실시예들에서는 본 발명에 따른 액정표시장치가 배면 기판(101)쪽에 TFT(115)를 구비하고, 전면 기판(110)쪽에 투명한 공통 전극(108)층을 구비하는 것으로 설명 및 도시하였는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, TFT(115)를 전면 기판(110)쪽에 형성하고, 공통전극(108) 층을 배면 기판(101)쪽에 형성할 수도 있다. 이 경우에는, 배면 기판(101)쪽에 콘택홀(116)을 형성하지 않고, 배면 기판(101) 전체에 버퍼층(102)을 형성하고 그 위에 공통 전극(108)층을 형성한다. 이러한 변형예에 대해서는 이상의 설명으로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 그 도시를 생략한다.
이상에서는 본 발명에 따른 액정표시장치가 TFT(115)를 구비하는 구조인 것으로 설명 및 도시하였는데 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 가능하다.
이하에서는, 본 발명에서와 같이 반사영역(120)을 구비함에 의해 외부에서 입사되어 그 반사영역(120)에서 반사된 광의 수직 성분을 증진시킬 수 있는 근거에 대해 도 2의 반사영역(120)의 구조를 예를 들어 설명한다.
반사형 액정표시장치 기술의 중점적인 원리는 액정층(107)의 뒤에 반사층을 추가함으로써 액정표시장치에서 액정층(107)을 조명하도록 에워싼 광원 즉, 외부 광원으로부터의 광을 가이드 함으로써, 백라이트 유닛(100)에 대한 필요성을 제거하는 것이다. 이상적인 반사형 액정표시장치에서는, 반사층이, 임의의 입사각으로 에워싼 광원으로부터의 모든 입사광이 액정층(107) 방향으로 완전히 반사되는 특질을 가진다.
즉, 도 1을 참조로 설명하면, 이상적인 반사형 액정표시장치에서는, 외부에서 입사되어 반사영역(120)에 의해 반사된 도 1에서의 광선(50st)가 백라이트 유닛(100)으로부터 제공되는 광선(50 BLU)과 동일해질 수 있는데, 이는 광선 50st가 y축을 따르는 성분 즉, 수직 성분만을 가지는 것을 의미한다.
반사 광선(50st)의 수직 성분을 극대화시키기 위해서는, 반사 광선(50st)의 y축을 따르는 성분 50sty는 최대화하고 x축을 따르는 성분 50stx는 최소화하도록 반사영역(120)을 개선시켜야 한다.
전술한 바와 같이 구성된 반사영역(120)을 갖는 본 발명에 따른 액정표시장치에서의 지향 반사(directed reflectance) 성능을 설명하는데 참조로서 사용되도록, 먼저, 초점에 산란자를 가지는 오목 포물 반사면(paraboloidal reflective concave) 윤곽을 분석한다. 가능한 한 간결하고 구체적인 분석을 유지하기 위해, 오목 포물면(paraboloidal concave)의 단면만이 고려된다. 이하에서는, 오목 포물면의 단면을 파라볼릭 오목(parabolical concave)으로 나타낸다.
도 19에서 p는 초점 길이이다. 도 19에서는 파라볼릭 오목 반사면(123a)의 높이가 yh=p인 경우를 보여준다.
도 19에 도시된 파라볼릭 오목 반사면(123a)은 아래의 수학식 1에 의해 정의된 단면이다.
Figure 112007005068314-pat00001
반사기의 성능을 결정할 때, 검출기는 반사기로부터 얼마만큼 떨어진 거리에 위치되는데, 반사기로부터 반사되어 검출기에 도달할 수 있는 실제 광선수는 반사기의 성능을 반영한다.
본 발명의 연구를 위해 사용될 전자기적인 산란 측정을 위한 장치가 도 20에 보여진다. 입사 광선(50a)은 입사각 Ω로 반사 구조에 입사된다. 그리고 입사 광(50a)은 반사기(123u)에 의해 반사되어 결과적인 반사 광선은 50st가 된다. 파라볼릭 축 및 반사기(123u)로부터 y축 방향을 따라 어딘가에 위치된 검출기는, δ°보다 작거나 같은 반사각도 범위내로 반사된 광선(50st)만을 검출하도록 한정된다.
예를 들어, 도 21에 나타낸 바와 같이, 검출기가 인간의 눈이라면, δ°는 인간 눈의 크기와 관계된 요소일 수 있다. 도 20 및 도 21에서의 파라볼릭 오목 타입 반사면(123a)을 보이는 확대도는 단지 도시의 목적으로 추가된 것이다.
검출 각도 δ는 다음 수학식 2의 형식으로 표현될 수 있다.
Figure 112007005068314-pat00002
여기서, 도 21에 나타낸 바와 같이, ζ는 반사기와 검출기 사이의 거리, γ는 도시된 검출기의 폭이다. 인간의 눈동자를 물리적인 검출기로 고려한다면, 상기 폭 γ ~ 1 cm가 된다. 산란자로부터 1 미터 떨어져 위치된 검출기에 대해, ζ=1 m 즉, γ << ζ가 된다. 좋은 정확도를 위한 검출 각도 δ는 대략적으로 다음의 수학식 3과 같다.
Figure 112007005068314-pat00003
검출기가 반사기(123u)로부터 대강 인간의 팔의 길이인 0.5미터 떨어져 있다면, 검출 각도 δ는
Figure 112007005068314-pat00004
의 차수가 될 것이다. 검출 각도 δ에 대한 이러한 작은 값은 반사 광선에 있어서 x축 성분이 아주 작은 광선만이 검출기에 도달하게 될 것이라는 것을 함축한다.
파라볼릭 오목 반사면(123a)의 초점에 산란자(125)를 놓으면, 지향 반사 성능이 크게 개선될 수 있다. 이러한 지향 반사 성능 개선을 위해 산란자에 의한 "유도 방사(induced radiation)"를 이용한다.
전자기파의 입사빔이 금속 구형 입자와 같은 산란자와 상호작용할 때, 산란자에 분극이 유도된다. 유도 분극은 입사되는 전기장에 대해 반응하는 산란자 상의 전하들에 기인한다. 광과 같은 전자기파는 시간 및 공간에서 진동하기 때문에, 산란자 내에서의 유도 분극 또한 입사하는 전자기파와 똑같은 주파수로 진동한다. 전기 역학은, 분극이 진동할 때, 얕은 파라볼릭 오목의 초점에 위치된 구형 산란자가 방출하는 방사를 초래한다는 것을 말해준다. 파라볼릭 오목 반사면에 대해서는, 그 초점에 근원을 둔 광선이 그 면에서 반사되어 파라볼릭 축에 평행하게 진행한다는 것이 잘 알려져 있다. 유도된 광선들이 파라볼릭 오목의 초점에 위치된 구형 산란자에 근원을 두고 있기 때문에, 모든 유도된 광선들은 파라볼릭 오목 반사면(123)에 의해 반사되고 파라볼릭 축에 평행하게 진행하여, 결국 그 방향을 따라 어딘가에 위치된 검출기에 의해 수집된다.
도 19에 보여진 파라볼릭 오목 반사면(123)의 초점에 산란자(125)를 가지는 구조의 지향 반사 성능은 산란자 없는 단순한 파라볼릭 오목 타입 반사면에 대해 괄목할만한 개선이 이루어진다. 그렇다할지라도, 여전히 개선에 대한 많은 여지가 있다. 시간에 따라 변하는 분극 필드(polarization field)가 산란자(125)에 유도되어 방사가 시작될 때, 방출광선은 모든 방향으로 진행한다. 이들 방출 광선 중, 도 22의 50G1 및 50G2와 같은 δ°내에 제한된 방출광선 및 50G3 및 50G4와 같은 파라볼릭 오목 반사면(123a)에 의해 반사된 방출 광선이 검출기에 수집되고 지향 반사 성능 향상에 기여한다. 그러나, 50R1 및 50R2와 같이 90-δ°내에 제한된 이들 방출 광선들은 검출기에 의해 수집될 수 없어 허비될 뿐이다. 이는 물론 검출기의 한정된 크기 즉, 상기되는 절반의 윈도우 폭 δ에 기인한다. 본 발명에서는, 내부 전반사로서 알려진 영향의 이점을 취함으로써 지향 반사 성능을 보다 개선한다.
도 23에 보여진 바와 같이, 광이 굴절율 nb인 매체로부터 굴절율 na인 매체로 진행한다고 할 때, 굴절 및 입사 광선은 스넬 법칙에 의해 다음의 수학식 4와 같은 관계가 있다.
Figure 112007005068314-pat00005
여기서, 도 23에 도시한 바와 같이, Φsi는 입사 각도이고, Φsr은 굴절 각도이다. nb > na이고, 광이 nb 매체 측에서 na 쪽으로 입사하는 경우에, 입사각도 Φsi가 아래의 수학식 5에 표현되는 임계 각도 θc보다 클 때, 내부 전반사 현상이 일어난다.
Figure 112007005068314-pat00006
여기서, 도 23에 보여진 광선 50T는 내부 전반사 광선이다.
도 22에서 50R1 및 50R2와 같은 허비되는 광선이 내부 전반사가 되도록 만들어질 수 있다면, 결과적으로 내부 전반사 광선들은 이웃하는 산란자(125)에 분극을 유도하는데 사용될 수 있다. 이웃하는 산란자(125)의 결과적인 여분의 유도 광선 일부는 파라볼릭 오목 반사면(123a)의 축에 평행한 방향으로 방출되는데, 이는 지향 반사 성능을 보다 향상시킨다.
도 24는 산란 파워 손실을 줄이기 위해 내부 전반사를 이용하는 본 발명을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 액정표시장치에 있어서, 액정층의 조명에 실질적으로 기여하는 광의 증대는, 반사영역의 성능 평가시, 검출기에서 검출되는 광량 증가를 도출하는 지향 반사 성능 향상에 해당한다. 도 24에서는 굴절율 n2를 가지는 층은 제1매질층(122)과 제3매질층(127)에 해당하며, 굴절율이 n3인 층은 제2매질층(126) 예컨대, 진공 또는 공기 갭에 해당하며, 굴절율이 n1인 층은 액정층(107)이 될 수 있다.
도 24를 참조하면, n3 < n2 을 선택하면, 물론, n2 및 n3에 대한 적절한 값을 가정할 때,90-δ°내의 방출 광선이 내부 반사를 하도록 만들어질 수 있다. 50T와 같은 내부 전반사 광선은 유도 방사되어 출사되는 광선을 도출하도록 이웃하는 산란자(125)를 여기시켜, 그 출사 광선 중 일부가 파라볼릭 오목의 축을 따라 어딘가에 위치된 검출기에 의해 수집되도록 한다. 검출기에 의해 수집된 여분의 반사 광선은 지향 반사 성능을 증가시킨다.
내부 전반사에 의한 지향 반사 성능 향상을 최대화하기 위해, 도 23에서의 내부 전반사가 이루어지는 임계 각도 θc를 가능한 한 작게 만드는 것이 요구된다. 이는, 도 20 및 도 21에 보인, 검출기를 위한 절반의 폭 윈도우인 δ에 대한 작은 값에 기인한다. 작은 δ는 허비되는 반사 광선을 내포하는 영역인 90 - δ°에 대한 큰 값을 의미하며, 이는 θc를 가능한 한 작게 하는 것이 요구되는 이유이다. 즉각적으로 이용할 수 있으며 n3를 위한 가장 작은 값을 가지는 매체는 진공 즉, 텅빈 공간이다. 진짜 진공은 불가능하지는 않지만, 얻기가 매우 어렵다. 그러므로, 굴절율 굴절율이 n3 = 1.0을 가지는 텅빈 공간을 채우는 공기와 같은 진공에 가까운 매체를 끼워 넣는다. n1 = 1.50, n2 = 1.47, n3 = 1.00을 선택한다면 (예를 들어, n1은 액정으로 채워진 매질, n2는 SiO2로 채워진 매질, n3는 공기로 채워진 매질), 입사 광선 50a에 대한 특정 입사각도 Ωc는 임계각도 θc를 도출할 것이며, 그 관계는 도 25으로부터 다음의 수학식 6과 같이 주어진다.
Figure 112007005068314-pat00007
상기 관계를 간단히 하면 다음의 수학식 7과 같다.
Figure 112007005068314-pat00008
Ωc에 대해 상기 관계를 풀면, 다음의 수학식 8을 얻을 수 있다.
Figure 112007005068314-pat00009
또는, n0에 대해 공기가 선택되어, n0 = 1.00 및 n2= 1.47일 때, 다음의 수학식 9과 같다.
Figure 112007005068314-pat00010
도 25를 참조하면, 디바이스에 부딪히는 외부 환경의 에워싼 광원의 광선 즉, 외부 광선은, 도 25에 도시된 것과 같은 층들을 통과할 때, BN12 및 BN23에 의해 표시된 경계면에서 내부 전반사를 경험할 수 있다. BN23에서 내부 전반사를 일으키는 임계 입사 각도가 Ωc라면, Ω > Ωc 인 입사 각도를 가지는 어떤 광선은 BN23 경계면에서 내부 전반사를 경험할 수 있다. (n1-n2) < (n2-n3)이기 때문에, BN12에서 내부 전반사 발생은 BN23에서의 내부 전반사가 발생하도록 한다.
n1=1.50 및 n2=1.47에 대해, 경계면 BN12에서의 내부 전반사는 다음의 수학식 10 또는, 도(degrees)로 환산한 수학식 11을 만족할 때 발생할 수 있다.
Figure 112007005068314-pat00011
Figure 112007005068314-pat00012
이는 경계면 BN12에서 내부 전반사를 경험하는 외부 입사 광선에 대한 입사각도 Ω가 다음의 수학식 12의 각도를 가져한다는 것을 의미한다.
Figure 112007005068314-pat00013
여기서, Ω는 1.57의 실수 부분과 -0.93의 허수 부분을 가지는 복소수가 된다. 위의 결과는 Ω가 도(degrees)에 있어서, 90°보다 커야한다는 것을 의미하며, 이 조건은 Ω가 0°≤Ω≤90°이 되도록 제한되기 때문에 만족될 수 없다. 그러므로, 굴절율이 n1=1.50 및 n2=1.47인 특별한 경우에 대해, 도 25에서의 경계면 BN12(즉, 액정층(107)과 제3매질층(127)의 경계면)에서 내부 전반사는 결코 발생할 수 없으며, 외부 입사 광선에 대해 내부 전반사가 가능한 유일한 경계면은 BN23(즉, 제3매질층(127)과 진공 또는 공기 갭으로 된 제2매질층(126))이다.
n2=1.47 및 n3=1.00을 가지는 경계면 BN23에서, 내부 전반사에 대한 기준(criteria)은 다음의 수학식 13 또는, 도(degrees)로 수학식 14와 같이 주어진다.
Figure 112007005068314-pat00014
Figure 112007005068314-pat00015
θc에 대한 가까스로 발견된 값을 사용하여, 외부 입사 광선에 대한 임계 입사 각도 Ωc는 수학식 15 또는, 도(degrees)로 수학식 16과 같이 나타내질 수 있다.
Figure 112007005068314-pat00016
Figure 112007005068314-pat00017
수학식 16에 보여진 결과는 도(degrees)에 있어서 입사각 Ω가 89.84°보다 작은 한, 도 25에서의 입사 광선 50ar은 경계면 BN23에서 내부 전반사 없이 산란자(125)에 항상 도달할 것이라는 것을 의미한다. 입사 각도가 Ω≥ 89.84°인 외부 광원의 입사 광선 50ab 만이 경계면 BN23에서 내부 전반사될 것이며, 산란자(125)에 의해 유도 방출을 도출할 수 없을 것이다.
입사각도 Ω가 0°≤Ω≤90°로 한정되기 때문에, 산란자(125)까지 도달하지 못하는 외부 광선의 입사각도가 Ω≥ 89.84°인 사실을 고려하면, 외부광원으로부터의 입사광선 대부분은 도 25의 산란자(125)에 도달하여 방사를 유도한다. 유도된 광선의 일부는 도 24에서의 90-δ°로 한정된 영역에 속하게 될 것이며, 나머지는 도 24의 δ°로 한정된 영역에 속할 것이다. 도 25에 보여진 예시에서, 그 입사각 이 θc°=42.87°보다 큰 유도 광선 50SCT는 경계면 BN32에서 내부 전반사될 것이다. 이 내부 전반사되는 광선 50SCT는 더 많은 광선들을 유도하도록 이웃하는 산란자(125)로 진행할 것이다. 이러한 계속되는 과정에서, 도 22에서의 δ°에 의해 한정되는 영역에 속하는 50SC(도 25 참조)와 같은 더 많은 유도된 광선들이 생성될 것이며, 이에 의해 지향 반사 성능이 증대될 것이다.
내부 전반사를 통한 지향 반사 성능 향상 배후의 작동 원리를 간단히 표현하기 위해, 본 발명의 실행(implementation)에 대해 간단히 논의한다. 내부 전반사가 착수되는 임계각도 θc를 가능한 한 작게 만들기 위해, 도 24에 보여진 예시의 제2매질층(126)인 n3 층을 텅빈 공간 예컨대, 작은 양의 공기를 내포하는 공간으로 선택했다. 어떤 두 샌드위치를 이루는 층들(예를 들어, 바닥의 한층과 공기 갭 또는 공간(void)의 상측에 있는 다른 층) 사이에 공간(void)(또는 공기 갭)을 생성하기를 원한다면, 스페이서(128)가 공간(void)(또는 공기 갭)에 도입되어야 한다.
스페이서(128)는 공간(void)(또는 공기 갭)에 위치되어 상방 층들을 지지한다. 공간(void)(또는 공기 갭)에 위치된 스페이서(128)는 어떤 숫자만큼일 수 있으며, 스페이서(128)들은 어떤 물질로 만들어질 수 있다. 그러나, 시뮬레이션을 위해, 편의상 스페이서(128)로 알루미늄이 선택되었다.
간략히 하기 위해, 세 개의 유니트로 된 반사 구조로 한정하였으며, 여기서 한 유니트는 그 초점에 구형 산란자를 가지는 파라볼릭 오목 유니트이다. 내부 전반사된 광선이 두 종단부(terminating ends)로부터 벗어나는 것을 막기 위하여, 각 종단부는 도 2에 예시한 바와 같이, 반사 블록(124)로 차폐하였다. 반사 블록(124)의 목적은 광선들을 시스템으로 되돌리도록 반사하여 그 광선들이 내부 전반사의 다른 일주(round)를 경험하도록 만들기 위한 것이다. 반사블록(124)을 위한 적절한 물질의 선택은 알루미늄, 은 등과 같은 고 반사성을 가지는 물질일 수 있다.
요약하면, 본 발명 배후의 주요 아이디어는, 도 22에서의 90-δ°와 동일한 방향으로 산란된 어떤 반사 광선을 재순환(recycle)시키도록 하는 것이다. 재순환은 도 24, 도 25, 도 2, 도 14에 예시한 것과 같은 층들의 채용을 통한 내부 전반사에 의해 행해진다. 내부 전반사를 통한 이러한 지향 반사 특성 향상은 파라볼릭 오목이 그 초점에 산란자를 가지는 경우에 한정되지 않는다.
이러한 지향 반사 특성 향상 기술 즉, 내부 전반사를 통한 지향 반사 특성 향상 기술은 구형 산란자를 가지지 않은 단순한 파라볼릭 오목에 적용될 수 있으며, 이 경우에도 지향 반사의 적당한 성능 향상이 도출된다. 이러한 아이디어는 광선의 일부가 계속적으로 내부 전반사를 경험할 것이며, 이들 광선들 중에서 결국에는 도 22에서 δ°와 동일한 방향을 통해 탈출하는 조건을 만족하는 광선이 있을 것이다. 도 22에서 δ°와 동일한 방향으로 산란되는 어떤 광선이 검출기에 의해 수집될 것이라는 선결 조건(postulation) 때문에, 지향 반사 성능 향상이 도출된다. 같은 논지의 이유로, 내부 전반사를 통한 지향 반사 특성 향상 기술이 파라볼릭 볼록 반사기의 경우에 똑같이 적용될 수 있다.
본 발명의 정량적인 분석을 위한 FDTD(Finite Difference Time Domain) 시뮬레이션을 수행했다. FDTD 계산은 Lumerical Solutions, Inc.,(Suite 660-789 West Pender Street, Vancouver, British Columbia, V6C1H2, Canada)로부터 소프트웨어를 사용하였으며, FDTD 시뮬레이션을 위한 샘플 디바이스는 도 26에 보여진다. FDTD 시뮬레이션을 위한 샘플에서, 얇은 도체 층(129)은, 이 층이 액정층(107)이 TFT(115)와 접촉하도록 단지 필요하기 때문에 생략된다.
알루미늄이 반사면(123)을 위해 선택되었으며, 각 층에 대한 굴절율 값들은 다음 값으로 주어졌다: n1 = 1.50, n2 = 1.47 및 n3 = 1.00. 굴절율을 위한 알고리즘은 Lumerical FDTD 소프트웨어에 내포된다. 굴절율 n1에 의해 정의된 층은 액정층(107)을 내포하므로, n1=1.50의 값이 선택된다. 굴절율 n2에 의해 정의된 층은 SiO2 층 즉, 제3매질층(127) 및 제1매질층(122)이고, 따라서, 배당된 값은 n2=1.47이다. 굴절율 n3로 정의된 층은 제2매질층(126)에 해당하는 텅빈 공간 층으로, 굴절율 n3=1.00의 값을 가진다. 특히, 진짜 텅빈 공간을 생성하기가 매우 어렵지만, 보통 "공기(air)"라는 용어로 주어진 작은 양의 입자들의 존재가 굴절율 n3을 unity로부터 바꾸지는 않는다. 그러므로, n3로 정의된 층에 대한 텅빈 공간 조건은 어떤 공기를 어쩌면 내포할 수도 있는 경우까지 완벽하게 포함한다.
시뮬레이션을 위해, 알루미늄이 양단의 두 차폐 반사블록(124)를 위해 선택된다. 구형 산란자(125a:SC)의 반경은 250nm로 정했으며, 이 구형 산란자(125a)를 위해 선택된 물질은 알루미늄이었다. 파라볼릭 오목 반사곡면(123)의 높이 yh는 yh=p=2000nm로 정해졌다. 여기서, p는 초점 길이이다. 도 26에 예시한 바와 같은 파라볼릭 오목 반사곡면의 단면도에 대한 수학식은 y = 0.25x2/p로 주어진다. 도 26에 L1, L2. L3 및 L4로 표기된 각 층의 두께 또는 깊이는, 간단히 L1=709.68nm, L2=748.30nm, L3=1100nm, L4 =1122.45nm로 선택했다. L1, L2. L3 및 L4 대한 이들 값들은 단순히 편의를 위해 선택된 것이며, 이층들에 대한 두께 또는 깊이 값들은 미세한 조율(fine tuning)을 위해 변화될 수 있다. 사용된 파원의 타입은 단위 진폭을 가지는 550nm 자유 공간 파장의 평면파이다. 평면 파원의 편광은 TE(transverse electric mode) 모드로 정했다. 원거리장에서의 산란 파워의 계산에 있어서, 검출기는 파라볼릭 오목의 축을 따라 산란자라로부터 1미터 떨어져 위치된 것으로 가정했다. 도 20 및 도 21에 예시된 검출기의 반폭 δ에 대해, 그 값은 도(degrees)로, δ = 2.5°가 되도록 정했다.
도 27에서의 예시는, 파라볼릭 오목의 y^ 축을 따라 산란자로부터 1미터 떨여져 위치된 검출기에 의해 수집된 산란 파워이다. 도 27에서의 내부 전반사 향상(TIR enhanced) 버전은 도 26에 보여진 샘플 디바이스를 시뮬레이션함으로써 얻어진 결과이며, 비향상된(Unenhanced) 버전은 n3=n2=1.47로 수정된 굴절율 n3을 가지는 똑같은 샘플 디바이스를 시뮬레이션함으로써 얻어진 결과이다. 비향상 버전에서, 내부 전반사에 기인한 지향 반사 특성 향상 기여는 초기에 텅빈 공간이었던 굴절율 n3로 정의된 층을 SiO2로 채움으로써 제거될 수 있다. 도 28에서의 예시는 비향상 버전(비교예)에 대한 내부 전반사 향상 버전(본 발명)의 지향 반사 성능 증진 을 백분율로 나타낸 것이다. 도 28에 보여진 바와 같이, 내부 전반사를 통한 지향 반사 특성 향상을 이용함으로써, 도(degrees)로 나타낸 입사각 Ω가 0°에서 46°, 2°에서 46°, 4°에서 46° 및 10°에서 46°까지 변하는 각각의 경우에 대해, 지향 반사에 있어서의 성능이, 비향상 버전에 대해 67%, 54%,49% 및 57% 만큼 개선되었다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 액정표시장치에 따르면, 배면 기판쪽의 전면 기판쪽을 향하는 쪽에 적어도 일부 영역이 전면 기판에 대해 평행하지 않도록 형성된 복수의 반사면 어레이와, 배면 기판쪽에 전면 기판쪽으로 진행하는 광의 일부를 내부 전반사시키도록 형성된 적층 구조를 가지는 반사영역을 구비함에 의해, 외부로부터 액정 패널내로 입사되어 반사영역에서 반사된 광의 수직 성분 비율을 크게 할 수 있어 액정층의 조명에 실질적으로 기여하는 비율을 높일 수 있다.
더욱이, 반사영역의 반사면 어레이로 오목 반사곡면을 구비하고, 오목 반사곡면 내측에 산란자를 더 구비하여, 유도 방출을 이용하면, 액정층의 조명에 실질적으로 기여하는 비율을 보다 높일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 액정표시장치에 따르면, 콘트라스트비 성능을 크게 개선할 수 있다.

Claims (24)

  1. 배면 기판 및 전면 기판과;
    상기 배면 기판과 전면 기판 사이에 위치된 액정층과;
    상기 배면 기판쪽의 상기 액정층을 향하는 면의 적어도 일부 영역에 외부 광을 반사시켜 상기 액정층을 조명하도록 하는 반사영역;을 구비하며,
    상기 반사영역은,
    상기 배면 기판쪽의 상기 전면 기판쪽을 향하는 쪽에 적어도 일부 영역이 상기 전면 기판에 대해 평행하지 않도록 형성된 복수의 반사면 어레이와;
    상기 반사면 상에 평평한 면을 가지도록 형성된 제1굴절율을 가지는 제1매질층과;
    상기 제1매질층 상에 상기 제1매질층보다 작은 제2굴절율을 가지는 제2매질층과;
    상기 제2매질층상에 상기 제2매질층보다 큰 제3굴절율을 가지는 제3매질층;을 포함하며, 상기 제1매질층과 제2매질층의 경계면에서 상기 배면 기판쪽에서 진행하는 광의 일부를 내부 전반사시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 오목 반사곡면인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 오목 반사곡면으로부터 상기 전면 기판쪽으로 이격되게 상기 제1매질층 내에 위치된 산란자;를 더 포함하며, 상기 제1매질층은 상기 오목 반사곡면에 대해 상기 산란자를 고정시키는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 오목 반사곡면은 그 단면이 포물선을 이루며,
    상기 산란자는 상기 오목 반사곡면의 초점이나 그에 근접된 곳에 위치되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 산란자는 단일의 구형 산란자, 코어-셀 구조의 구형 산란자 및 산란 입자들이 클러스터를 이루어 유효 구형 구조를 이루는 산란자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 산란 입자는 코어-셀 구조의 구형 산란 입자 및 구형 산란 입자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 산란자는 복수 종류의 색광이나 특정한 단일 색광을 산란시키도록 마련된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 배면 기판 뒤쪽에 백라이트 유닛과;
    상기 백라이트 유닛으로부터의 조명광을 상기 액정층쪽으로 통과시키는 투과영역;을 더 구비하는 반사투과형인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전면 기판쪽에 칼라 필터;를 더 구비하며,
    상기 산란자는 복수 종류의 색광을 산란시키도록 마련된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 산란자는 특정 색광을 산란시키도록 마련되어, 상기 반사영역은 특정 색광에 대한 유효 칼라 필터 요소로서 작용하며,
    상기 투과 영역에 대응하는 위치에는 상기 특정 색광과 동일 색광만을 통과시키는 칼라 필터 요소;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  11. 제3항에 있어서, 반사형인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전면 기판쪽에 칼라 필터;를 더 구비하며,
    상기 산란자는 복수 종류의 색광을 산란시키도록 마련된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 산란자는 특정 색광을 산란시키도록 마련되어, 상기 반사영역은 특정 색광에 대한 유효 칼라 필터 요소로서 작용하여, 칼라 필터가 불 필요하도록 된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  14. 제2항에 있어서, 상기 오목 반사곡면은 그 단면이 포물선을 이루도록 된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 볼록 반사곡면인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 볼록 반사곡면은 그 단면이 포물선을 이루도록 된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 배면 기판 뒤쪽에 백라이트 유닛과;
    상기 백라이트 유닛으로부터의 조명광을 상기 액정층쪽으로 통과시키는 투과영역;을 더 구비하는 반사투과형인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전면 기판쪽에 칼라 필터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  19. 제1항에 있어서, 한 픽셀 또는 서브 픽셀의 경계에는 상기 제1 및 제2매질층의 경계에서 내부 전반사된 광이 인접한 픽셀 또는 서브 픽셀로 진행하는 것을 반 사에 의해 차단하는 반사블록;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제3매질층은, 투명 유전체 물질로 이루어지고,
    상기 제2매질층은 진공이나 공기 갭으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 반사면 어레이는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 제2매질층에는 제1매질층에 대해 제3매질층을 지지하기 위한 스페이서;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 반사면들은 서로 접촉하지 않도록 이격되거나 서로 접촉하도록 규칙적으로 배치되고,
    상기 스페이서는, 상기 반사면들 사이의 전체 영역, 일부 반사면들 사이의 영역 전체 및 적어도 일부 반사면들 사이의 영역 일부에 위치하는 형태 중 어느 한 형태로 위치되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 반사면들은 서로 접촉 및/또는 이격되는 형태로 불규 칙적으로 배치되고,
    상기 스페이서는, 상기 반사면들 사이의 전체 영역, 일부 반사면들 사이의 영역 전체 및 적어도 일부 반사면들 사이의 영역 일부에 위치하는 형태 중 어느 한 형태로 위치되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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