KR100890752B1 - 반투과형 액정 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 한 쌍의 기판, 한 쌍의 기판 사이에 배치된 액정 재료를 포함하는 반투과형 액정 디스플레이 소자에 관한 것이다. 액정 재료는 가변 복굴절 시스템을 제공할 수 있는 편광-차폐 시멕틱 액정 재료이고 액정층의 굴절률의 비등방성의 크기는 액정층에 인가된 전기장의 강도에 의해 제어될 수 있다.
반투과형 액정 디스플레이 소자

Description

반투과형 액정 소자{Transflective liquid crystal device}
본 발명은 반투과형 액정 디스플레이 소자에 관한 것이다.
종래의 소위 "스탠드얼론 장비(standalone equipment)"이외에, 소형 휴대용 장비 분야에서 무선 또는 라디오 통신과 같은 기반시설의 발전에 따라, 인터넷 연결을 포함하는 네트워크 연결 장비로서의 기능 및 예를 들어, 텔레비전 신호를 수신하기 위한 고품질 및 고영상 품질의 휴대용 또는 모바일 단말기 장비로서의 기능과 같은 일부 기능들이 요구되고 있다. 특히, 통신 성능과 휴대성에서의 간편함 때문에, 휴대 전화(이동 전화)는 종래의 단순한 휴대 전화의 용도로부터 상품 구입 결재용 단말기 및 사람이 철도의 자동 티켓 게이트를 통과하기 위한 단말기와 같은 일상 생활의 여러 분야에서의 용도로 그 용도가 확대되고 있다.
사용 시간의 현저한 증가로 휴대용 단말기가 필요하게 되었고, 중요한 문제들을 해결하기 위해서 상기한 광범위한 응용분야에서 사용되고 있다. 이런 문제는 고영상 품질에 대한 필요와 전력 소비의 문제이다. 텔레비전 영상의 디스플레이는 통신의 기반시설의 관점에서는 가능하나, 한편, 이동 전화용인 종래의 디스플레이와 비교해서 디스플레이 픽셀의 필요한 숫자는 훨씬 더 많고, 휘도는 더 높다. 또한, 고선명 디스플레이와 고휘도 디스플레이가 필요하고, 배터리 작동이 전제가 되 는 휴대용 단말기의 경우에, 더 높은 수준의 전력 절약이 요구된다.
상기 상반된 기능 요구를 만족시키고 만들어지는 진보된 통신 기반시설을 사용하기 위해서, 고영상 품질과 전력 절약을 동시에 만족시킬 수 있는 새로운 디스플레이 시스템이 빠르게 만들어져야 한다.
이런 요구들을 만족시키려는 시도들이 이미 이루어졌고, 특정 단계의 기능이 제공될 수 있다. 이것이 소위 "반투과형 디스플레이(transfelctive or semi-transmissive display)" 로 공지된 액정 디스플레이(LCD)이다.
주로 야외에서 사용되는 휴대용 단말기의 경우에, 강한 외부 빛이 있는 환경에서, 주위 빛이 반사 디스플레이로서의 용도로 사용될 때, 디스플레이용 백라이트의 전력 소비는 감소할 수 있다. 특히, 고 영상 품질 디스플레이 LCDs에서, 백라이트의 사용 효율은 일반적으로 픽셀의 숫자가 증가함에 따라 감소하고, 백라이트를 사용하지 않는 디스플레이는 전력 절약에 매우 중요하다.
한편, 저녁 시간 동안 LCDs의 사용 또는 실내 사용에서, 백라이트를 사용하여 디스플레이에 만족할 만한 휘도를 제공하는 것이 필요하다. 반투과형 LCDs에서, 최적의 영상 품질은 이런 방식으로 사용되는 조명 환경에 따라 항상 선택될 수 있고, 동시에, 전력 소비는 소량으로 감소시킬 수 있다. 따라서, 반투과형 LCDs는 고성능 휴대용 단말기를 위한 디스플레이 소자로서 이상적인 디스플레이가 될 수 있다. 이것에 관하여, 발광 디스플레이의 경우에, 매우 밝은 디스플레이는 어두운 조명 환경하에서 제공될 수 있다. 한편, 맑은 날씨의 야외 환경과 같은 조명 환경하에서, 휘도는 비교적 부족하게 된다. 더 높은 수준의 휘도를 제공하기 위해서, 예 를 들어, 조명 환경을 탐지하여 휘도를 자동으로 증가시키는 추가 기능이 필요하다.
반투과형 LCDs는 상기 디스플레이로서 이상적인 디스플레이를 고성능 휴대용 단말기에 제공할 수 있으나, 다음 문제들이 해결되지 않고 있다.
즉, 동일한 디스플레이 패널에서, 그 이름에서 나타내듯이, 반투과형 LCDs는 조명의 환경에 따라 투과형 LCD 또는 반사형 LCD로 사용되어야 한다. 일반적으로, LCD는 빛의 편광을 제어하는 소위 "복굴절 제어형"이다. 따라서, 광학 특성의 결정에서, 지연, 즉, 광학 매질로서 액정 재료의 굴절률(Δn)의 비등방성 및 LCD에 입사하여 최종적으로 LCD로부터 빠져나오는 빛의 광행로 길이(d)의 곱은 소정의 값이어야 한다.
일반적으로, TN으로 나타낸 종래의 액정 디스플레이 시스템에서, Δn은 액정 재료의 재료 상수로 지정된다. 따라서, 지연의 설정은 광행로 길이, 즉, 액정 디스플레이 패널의 셀 갭에 의해 주로 설계된다. LCD의 광학 설계는 가시 광선의 중심 파장 560nm(녹색)의 경우, Δn x d의 값은 π/2가 되도록 가장 중요하게 수행된다. 예를 들어, 사용된 액정 결정 재료의 Δn 값이 0.07일 때, 빛(백라이트 또는 외부 주위 빛)의 사용 효율을 최대화하기 위해서, (0.07 x d)/0.56㎛(560nm)를 만족하는 "d"의 값, 즉 4㎛가 선택되어야 한다.
여기서, 투과형 LCD와 반사형 LCD 사이의 광행로 길이의 차이를 주의해야 한다. 도 1(a) 및 도 1(b)는 투과형 LCD의 광행로 길이 및 반사형 LCD의 광행로 길이를 개략적으로 각각 도시한다. 도 1(a) 및 도 1(b)로부터 볼 수 있듯이, 반사형 LCD의 광행로 길이는 투과형 LCD의 두 배이다. 즉, 투과형 LCD에서, 백라이트로부터 방출된 빛은 액정 재료층을 1회 통과하는 반면, 반사형 LCD는 액정 재료 층을 2회 통과하여 Δn x 2d의 광행로 길이를 제공한다.
소위 "원 픽셀-투 셀 갭(one pixel-two cell gap)" 시스템은 반투과형 LCD에서 광행로 길이의 문제를 극복하는 방법으로 고안되었다. 도 2는 원 픽셀 투 셀 갭 시스템을 도시하는 개략도이다. 도 2에 도시된 대로, 투과 및 반사 모두에 대한 지연은 하나의 픽셀이 적어도 두 개의 부분으로 나뉘고 하나의 픽셀에서 셀 갭은 투과에 대해 "d"로 설정되는 반면 다른 픽셀에서 셀 갭은 d/2로 설정된다.
이 방법은 투과형 디스플레이와 반사형 디스플레이 모두를 효과적으로 만족시키는 매우 효과적이다. 그러나, 반면에, 두 개의 셀 갭은 하나의 픽셀에 만들어져야 한다. 이것이 고해상 고밀도 디스플레이에 일반적으로 요구되는 휴대용 단말기용 LCD의 생산에서 매우 심각한 문제를 일으킨다. 특히, 상기한 대로, 미래의 TV영상 디스플레이와 같은 고 영상 품질 디스플레이를 제공하기 위해 고선명 디스플레이가 필요하고, 픽셀 크기의 추가 감소와 해상도의 증가가 필요하다. 이것이 만족스러운 LCDs를 생산하는 것을 더욱 어렵게 한다.
따라서, 소형 고선명 디스플레이의 개발이 이전보다 더욱 필요한 상황에서, 고 영상 품질 디스플레이 및 저 전력 소비 디스플레이뿐만 아니라 만족스러운 높은 생산성을 가진 고성능 고선명 디스플레이가 요구된다.
본 발명의 목적은 종래기술의 상기 문제점을 극복할 수 있는 반투과형 액정 디스플레이 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 우수한 디스플레이 성능과 전력 감소 디스플레이를 할 수 있는 반투과 디스플레이를 기본적으로 제공할 수 있는 반투과형 액정 디스플레이 소자를 제공하는 것이다.
성실한 연구 결과로, 본 발명의 발명자는 종래의 반투과형 액정 디스플레이 소자의 경우와 같이 이의 광 두께를 양분하기 위해 반투과형 액정 디스플레이 소자에 대한 반사 위치에 거울을 교체하는 대신, 광 두께를 양분하도록 전압을 제어하여 복굴절률을 양분하는 상기 목적을 얻는데 매우 효과적이라는 것을 발견하였다.
본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자는 상기 발견을 기초로 한다. 보다 구체적으로, 액정 디스플레이 소자는 적어도 한 쌍의 기판 및 한 쌍의 기판 사이에 배치된 액정 재료를 포함하며; 액정 재료는 가변 복굴절 시스템을 제공할 수 있는 편광-차폐 스멕틱 액정 재료(polarization-shield semctic liquid crystal material)이고 액정층의 굴절률은 액정층에 인가되는 전기장의 강도에 의해 조절될 수 있다.
상기 구성을 갖는 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자에서, 우수한 디스플레이 성능과 전력 감소 디스플레이를 할 수 있는 반투과형 디스플레이의 생산성을 현저하게 향상시키기 위해서, 매우 복잡하고 제어하기 어려운 하나의 픽셀-두 개의 셀 갭 시스템은 제거될 수 있고 종래 LCD에서와 같은 원 픽셀-원 셀 갭 시스템에서 반투과형 디스플레이로 만족하게 작동할 수 있고 높은 생산성을 가진 디스플레이 시스템이 제공될 수 있다. 또한, 본 발명에서, 고선명, 고밀도 디스플레이는 하나의 원 픽셀-원 셀 갭 시스템을 사용하여 더 낮은 전력 소비로 제공될 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 소자에서 액정 디스플레이의 메커니즘을 기술할 것이다.
보다 구체적으로, 투과형 LCD 및 반사형 LCD에 필요한 다른 광행로 길이, 구체적으로 반사형 LCD에 필요한 (투과형 LCD과 비교하여) 두 배의 광행로 길이를 위한 하나의 셀 갭에서 빛의 사용 효율을 최대화하기 위해서, 물리적으로 허용가능한 해결책은 투과형 LCD의 셀 갭이 "d"일 때, 반사형 LCD에서 액정 재료의 굴절률(Δn)의 비등방성은 (Δn)/2가 되는 것을 만족하는 것뿐이다. 이런 조건을 만족하기 위해서, 사용되는 액정층의 굴절률의 비등방성은 투과형 모드의 경우 Δn이고 반사형 모드의 경우 (Δn)/2이어야 한다.
도 1과 2에 도시된 대로, 밝은 주위 상태하에서 백라이트의 전력을 감소시키기 위해서, 반투과형 LCD가 사용되었다. 이런 소자에서, 어두운 곳에서, 백라이트는 두께 "d"를 직접 통과해 투과하는 반면, 밝은 곳에서, 반사광이 사용되고 두께 "2d"를 통과하여 투과된다(도 1). 따라서, 두께 "d"를 가진 곳 및 두께 "2d"를 가진 곳이 하나의 픽셀에 제공된다. 보다 구체적으로, 도 2에 도시된 소자 구조는 공지되어 있다. 즉, 종래 소자에서, 거울은 광 두께를 양분하기 위해서 빛의 반사가 필요한 곳에 배치되었다.
한편, TN-LCD로 나타낸 종래 LCD에서, 사용된 액정 재료의 굴절률의 비등방성은 본질적으로 액정 재료의 재료 상수로 정의되기 때문에, 빛의 사용 효율을 최대화하는데 효과적인 것으로 인식될 수 있는 방법은 각각 투과형 및 반사형에 적합한 셀 갭을 제공하는 것이다. "가변 복굴절 시스템"이라 불리는 디스플레이 시스템이 있고 네마틱 액정 재료(nemactic liquid crystal)는 소위 "혼성" 방향으로 배열되고 복굴절의 크기는 이에 인가된 전기장의 강도에 의해 연속적으로 제어된다.
이런 시스템에서, 액정 재료층의 복굴절의 크기는 이에 인가된 전기장의 강도에 따라 연속적으로 변화될 수 있기 때문에, 이 시스템은 본 발명의 목적에 도달할 수 있는 가능성이 있다. 그러나, 이 가변 복굴절 시스템은 굴절률의 비등방성의 제어 범위는 너무 넓어서 이의 성능은 컬러링을 수행하기 위해 입사 직선 편광이 타원형 편광되게 함으로써 나타난다. 즉, 이런 시스템에서, 어떠한 컬러 필터를 사용하지 않은 색 현상은 인가된 전기장의 강도에 의한 굴절률의 비등방성의 제어 범위가 상기한 요건, 즉, 가시광선의 중심 파장의 반으로부터 현저하게 벗어나는 현상을 이용하여 의도된다. 반면에, 종래의 가변 굴절률 시스템에서, 인가된 전기장의 강도에 의해 반투과형 디스플레이에 필요한 범위에서 복굴절의 제어가 제공될 수 있다. 따라서, 종래의 가변 복굴절 시스템과 함께 전기장의 강도에 따라 굴절률의 비등방성을 기본적으로 나타내는 시스템을 만들 필요가 있었고, 또한, 굴절률의 비등방성의 제어 범위는 가시 광선의 중심 파장의 1/4 내에 있다.
상기한 대로, 종래의 가변 복굴절 시스템과 TN-LCD 시스템에서, 빛의 온-오프 작업과 색 현상은 입사 직선 편광의 경우에, 편광의 방향이 액정 재료 분자의 배향을 연속적으로 변화시킴으로 변화되는 방식 또는 직선 편광이 타원형 편광으로 변환된 후에 빠져나오는 방식으로 수행된다. 반면에, 본 발명자는 본 발명자에 의해 개발된 편광-차폐 시멕틱 액정 디스플레이에 주목하였고 인가된 전기장의 강도에 의존하는 굴절률의 비등방성을 제어하는데 성공하였다. 이것이 본 발명의 완성에 이르게 하였다.
본 발명의 다른 응용분야는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 상세한 설명과 구체적인 실시예는, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내지만, 단지 설명을 위해 주어진 것이고, 본 발명의 취지와 범위 내에서 다양한 변화와 변형은 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백할 것이다.
도 1은 반투과형 액정 디스플레이 소자의 종래의 작동 원리를 도시하는 개략적 투시도이다.
도 2는 종래의 반투과형 액정 디스플레이 소자(AM-LCD)의 픽셀 구조를 도시하는 개략적 단면도와 개략면 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자의 작동 원리(PSS-LCD의 복굴절 작용에서 전압 제어)의 한 실시예를 도시하는 개략적 투과도이다. PSS-LCD는 "전압 제어 복굴절" 시스템으로 작동한다.
도 4는 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자의 작동 원리(반투과형으로 사용될 때)의 한 실시예를 도시하는 개략적 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자의 작동 원리의 한 실시예를 도시하는 개략적 투시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자 구조 한 실시예를 도 시하는 개략적 단면도와 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자에 의해 얻은 전압과 투과율 사이의 관계의 한 실시예(투과형으로 사용될 때)를 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자에 의해 얻은 전압과 반사율 사이의 관계의 한 실시예(반투과형으로 사용될 때)를 도시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자의 작동 원리(반사형으로 사용될 때)의 한 실시예를 도시하는 개략적인 투시도이다. 동적 범위(Dynamic Range)는 낮은 구동 전압에 의한 제한된 분자 경사각 때문에 이 구조에서 제한된다.
도 10은 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자 구조의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 단면도 및 평면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자의 작동 원리의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 12는 실시예에서 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자 구조의 한 실시예를 도시하는 개략적 투시도이다.
도 13은 아래 실시예에서 제조된 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자를 작동하기 위한 셋업의 한 실시예를 도시하는 개략적인 투시도이다.
도 14는 아래 실시예에서 제조된 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자에 의해 얻은 전압과 투과율 사이의 관계의 한 실시예(투과형으로 사용될 때)를 도시하는 그래프이다.
도 15는 아래 실시예에서 제조된 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자를 작동시키기 위한 셋업(반사형으로 사용될 때)의 한 실시예를 도시하는 개략적인 투시도이다.
도 16은 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자에 의해 얻은 전압과 반사율 사이의 관계의 한 실시예(반사형으로 사용될 때)를 도시하는 그래프이다.
도 17은 아래 실시예에서 제조된 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자에 의해 얻은 전압과 투과율 사이의 한 실시예(투과형으로 사용될 때)를 도시하는 그래프이다.
도 18은 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자에 의해 얻은 전압과 반사율 사이의 한 실시예(반사형으로 사용될 때)를 도시하는 그래프이다.
도 19는 아래 실시예에서 제조된 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자에 의해 얻은 전압과 투과율 사이의 한 실시예(반사형으로 사용될 때)를 도시하는 그래프이다.
도 20은 본 발명에 따른 반투과형 액정 디스플레이 소자에 의해 얻은 전압과 반사율 사이의 한 실시예(반사형으로 사용될 때)를 도시하는 그래프이다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다. 다음 설명에서, 정량적 비율 또는 비를 나타내는 "%" 및 "부"는 달리 나타내지 않는 한 질량을 기초로 하는 것이다.
(액정 디스플레이 소자)
본 발명에 따른 액정 디스플레이 소자는 적어도 한 쌍의 기판, 및 한 쌍의 기판 사이에 배치된 액정 재료를 포함한다. 본 발명에서, 액정층은 가변 복굴절 시스템을 제공할 수 있는 편광-차폐 시멕틱 액정층이 되는 것을 특징으로 하며 굴절률의 비등방성의 크기는 액정층에 인가된 전기장의 강도에 의해 제어될 수 있다.
(액정 디스플레이의 메카니즘)
도 3은 본 발명에 따른 편광-차폐 시멕틱 액정 디스플레이에 의해 액정 재료 패널의 지연에서의 변화를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 편광-차폐 시멕틱 액정 디스플레이의 특징들의 하나는 액정 디스플레이의 셀 갭이 고정될 때, 지연은 인가된 전기장의 강도에 따라 변한다는 것이다. 또한, 액정 재료층이 가진 굴절률(Δn)의 비등방성이 소위 "제 1 최소 요구조건"을 만족하는 한, 전기장의 강도가 변화되어 지연의 크기를 연속적으로 변화시키는 경우에도, 가시 광선 영역에서 파장 분산은 무시해도 좋고 파장 분산에 의한 소위 "색분산"은 발생하지 않는다. 그 결과, 높은 색순도를 가진 연속된 색조 디스플레이가 제공될 수 있다. 또한, 종래의 LCD와 비교했을 때, 편광-차폐 시멕틱 액정 디스플레이는 더 훨씬 높은 반응성과 더 넓은 시야각을 가진다. 따라서, 반투과형 디스플레이가 단일 셀 갭에서 가능하다면, 고 영상 품질과 고성능 디스플레이는 종래 디스플레이의 생산 비용보다 더 낮은 생산 비용으로 제공할 수 있다.
(단일 셀 갭의 실시예)
본 발명에 따른 단일 셀 갭의 일부 실시예에서 편광-차폐 시멕틱 액정 디스플레이에서 투과형 디스플레이와 반사형 디스플레이의 원리를 설명할 것이다.
복굴절 상태를 고려하면, 기본 디스플레이 시스템은 도 4에 도시한 투과형인 것으로 생각된다. 따라서, 개략적 시멕틱 액정 재료의 Δn(굴절률의 비등방성)은 본 실시예에서 0.14로 정해진다. 이때에, 광 사용 효율을 최대화하기 위한 제 1 최소 조건은 등식(1)으로 주어진다:
I = I0sin22θsin2(πΔnd/λ) (1)
등식(1)에서 변수를 고려하면, 도 5에 도시된 대로, I는 액정 재료층을 통과하는 빛의 강도를 나타내고; I0는 액정 재료층에 입사하는 빛의 강도를 나타내고; θ는 액정 재료 분자의 광축에 대한 입사광의 각도를 나타내고; Δn은 액정층의 굴절률의 비등방성을 나타내고; "d"는 액정 재료층(셀 갭)의 두께를 나타내고; λ는 입사광의 파장(예를 들어, 가시 광선의 중심 파장인 560nm이 사용된다)을 나타낸다.
등식(1)로부터, 광재료층으로서 액정 재료 패널로부터 빠져나온 빛의 양, I는 최대가 될 수 있는데, 즉, 광 사용 효율은 θ를 45도로 하고 Δnd/λ의 값을 1/2로 함으로써 최대화될 수 있다. 물론 단지 수학식을 고려할 때, Δnd/λ의 값은 3/2, 5/2 등으로 할 수 있다. 그러나, 이런 경우들은 제 1 최소 조건 이외의 최소 조건에 상응하기 때문에, 매우 높은 정확도는 셀 갭의 균일성을 필요로 하게 된다. 불리하게도, 이것이 패널 생산 창을 현저하게 좁게 만들어 패널을 비실용적으로 만든다. 동시에, 셀 갭 "d"은 현저하게 크게 되어, 인가된 전압을 상승시키는 위험을 일으킨다.
등식(1)에서, 본 발명과 직접 관련된 용어는 sin2(πΔnd/λ)의 일부인 것은 물론이다. 상기한 대로, 혼성 배열을 가진 종래의 가변 복굴절 시스템의 경우에, 인가된 전압에 의한 Δn에서의 변화 수준은 너무 커서 Δn은 불이익하고 현저하게 제 1 최소 조건(색채 상태)을 제공하지 않는다. 한편, 본 발명에 따른 편광-차폐 시멕틱 액정 디스플레이의 경우, Δn은 인가된 전압에 의해 실질적으로 변하기 때문에, 등식(1)은 등식(2)로 다시 쓸 수 있다.
I = I0sin22θsin2(πΔn(E)d/λ) (2)
등식(2)에서, Δn(E)은 액정층의 굴절률(Δn)의 비등방성은 액정 재료층에 인가된 전기장 강도(E)의 함수라는 것을 나타낸다. 일반적으로, 특정한 범위가 인가된 전기장 강도의 범위 및 액정 재료층의 굴절률의 비등방성의 범위에 대해 벗어나는 가능성이 있고, 이 가능성은 전기장 강도에 따라 변하며, 등식(2)가 만들어진다.
본 발명의 목적을 고려할 때, 등식(2)를 유효하게 하는 인가된 전기장 강도는 편광-차폐 시멕틱 액정 디스플레이가 투과형 디스플레이로 사용되는 경우 제로부터 최대 인가된 전기장 강도로 변하며, 인가된 전기장 강도에 따라 변하는 Δn의 최대 범위는 Δn(E: max) = Δn(max)이다.
상기 가정을 기초로 하여, 본 발명의 원리를 더 상세하게 설명할 것이다.
(본 발명의 원리)
본 발명이 적용된 액정 디스플레이(LCD)의 구조의 한 구체적인 실시예는 도 6에 도시된다.
도 6에 도시된 실시예에서, 종래의 반투과형 디스플레이와 달리, 픽셀의 경우, 동일한 셀 갭(d)이 사용될 수 있다. 동일한 갭에서 한 픽셀은 도 6에 도시된 적어도 두 개의 영역으로 나뉜다. 도 6에서, 영역(1)은 투과형 디스플레이에 사용되는 부분이고, 영역(2)는 반사형 디스플레이에 사용된 부분이다. 도 6에 도시된 실시예에서, 액정 재료 드라이브용 박막 트랜지스터는 영역(1) 부분과 영역(2) 부분에 공통된다. 반면에, 반대편 상에 있는 소위 "공통 전극"은 영역(1)과 영역(2)에서 전기적으로 분리되어 있다.
투과형 디스플레이로 사용하기 위해서, 영역(1)만이 사용되며, 도 7에 도시된 전압은 액정 재료를 구동하기 위해 영역(1)에 인가된다. 반면에, 반사형 디스플레이로 사용하기 위해서, 영역(2)만이 사용되며, 도 8에 도시된 전압은 액정 재료를 구동하기 위해 영역(2)에 인가된다. 영역(2)에서 투과형 디스플레이로 사용하기 위해서, 백라이트로부터의 빛은 도 6에 도시된 반사 전극층에 의해 차폐되고, 따라서 디스플레이에 대한 영향이 없다. 반면에, 영역(1)에서 반사형 디스플레이로 사용하기 위해서, 외부광의 반사가 만족스럽게 일어나지 않기 때문에, 디스플레이는 어두어지고 실질적으로 디스플레이에 대한 영향이 발생하지 않는다.
투과형 디스플레이로 사용하기 위해서, 도 7에 도시된 전압은 액정 재료층에 인가되며, 편광-차폐 시멕틱 액정 재료의 분자 광축의 경사각은 전압에 따라 특정되며, 결과적으로 패널을 통해 투과된 빛의 양은 모호하지 않게 결정된다. 이런 경우에, 액정 재료층에 의해 나타난 굴절률의 최대 비등방성(Δn)은 도 7에 도시된 인가된 전압이 포화 전압에 도달할 때 전압(5.8V)으로 주어진다. 이때에, 반사형 디스플레이 부분(도 6에서 영역(2))에서 액정 재료에 실질적으로 전압이 인가되지 않아서, 외부 조명광이 영역(2) 부분에 들어가더라도, 빛은 도 6의 출광면 상의 편광판에 의해 차폐된다. 또한, 반사형 디스플레이 부분이 투과 부분에서 전압을 기록함으로써 구동되는 경우에도, 투과된 빛의 조도는 외부 주위 광보다 훨씬 더 강하고 투과형 디스플레이에 대한 영향은 매우 작고 거의 무시할 정도이다.
반사형 디스플레이로 사용하기 위해서, 도 8에 도시된 전압은 액정 재료층에 인가되고, 편광-차폐 시멕틱 액정 재료의 분자 광축의 경사각은 전압에 따라 특정되며, 결과적으로 액정 재료층의 하부 부분 상에 위치한 반사층으로부터 반사된 빛의 양은 모호하지 않게 결정된다. 이것은 도 9에 도시된다. 이런 경우에, 액정 재료층에 의해 나타난 굴절률의 최대 비등방성(Δn)은 도 8에 도시된 인가된 전압이 포화 전압의 약 절반에 도달할 때 전압(약 1.4V)으로 주어진다. 이때에, 투과형 디스플레이 부분(도 6에서 영역(1))의 액정 재료에 인가된 전압은 디스플레이가 투과형인 경우의 최대에서의 단지 1/4이고, 대부분의 경우에, 영역(1)에서 액정 재료층은 투과율에 현저한 변화를 일으키지 않는다. 따라서, 반사형 디스플레이에 대한 영향이 없다. 또한, 광투과율에 약간의 영향이 있는 경우라도, 외부 주위광은 반사형 디스플레이에 사용되기 때문에, 외부광의 반사는 반사층이 없는 영역(1)에서 무시할 정도이다. 따라서, 디스플레이에 대한 영향은 무시할 정도이다.
(제 2 실시예)
기본 개념이 제 1 실시예와 동일하나 픽셀 구조에서 제 1 실시예와 다른 본 발명의 한 실시예(제 2 실시예)를 설명할 것이다.
도 10은 다른 픽셀 구조를 가진 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도 10에 도시된 픽셀 구조에서, 도 6에 도시된 구조와 가장 실질적으로 다른 것은, 도 6에 도시된 구조와 달리, 도 10에 도시된 구조에서, 픽셀은 분할되지 않는다는 것이다. 도 10에 도시된 구조는 픽셀이 분할되지 않는 것을 특징으로 하며, 산화 금속막의 다층이 픽셀의 하부 전극면에 제공되며, 전극의 하부 부분으로부터 수직으로 주입에 의해 발생한 백라이트는 투과되고, 동시에 외부 주위광은 금속 산화막의 다층 표면층으로부터 반사되고 투과되지 않는다. 이런 구조에서, 일반적인 투과형 디스플레이와 반사형 디스플레이를 어떻게 작동하는 지는 상기한 것과 기본적으로 동일하다. 일반적으로, 이런 구조에서 사용된 다층 금속 산화막은 카메라 렌즈 등의 표면에서 사용된 반사방지막과 동일할 수 있다. 예를 들어, SiO2 및 CeO2의 15개 층의 박층막이 사용될 수 있다. 이런 구조에서, 하나의 픽셀을 분할할 필요가 없기 때문에, 특히, 반사형 디스플레이에서, 더 넓은 픽셀 영역에서 광반사가 가능하고 더 밝은 디스플레이가 제공될 수 있다.
(제 2 실시예의 작동)
제 2 실시예에서 소자의 작동을 설명할 것이다.
단일 픽셀에서 투과형 디스플레이 내지 반사형 디스플레이로 전환하기 위해서, 두 가지 중요한 인자가 만족 되어야 한다. 두 인자들 중 하나는 본 발명의 기본 원리인 인가된 전압의 제어에 의한 굴절률의 비등방성의 선택적 제어이다. 다른 인자는 주위 조도에 따른 투과형 디스플레이와 반사형 디스플레이 사이의 전환이다. 전자 인자는 이미 설명하였다. 후자 인자의 개념은 아래에서 설명할 것이다.
일반적으로, 빛을 흡수하지 않은 막(예를 들어, 가시광선을 흡수하지 않는 금속)의 경우에, 도 11에 도시된 n0/n1의 계면 또는 n1/n2의 계면에서 광 반사 계수 r1, r2 및 광 투과 계수 t1, t2는 전기장의 스펙트럼이 입사광에 평행한 빛에 대해 다음 식(3) 및 (4)로 주어진다.
(r1)// = (n1cosφ0 - n0cosφ1)/(n1cosφ0 + n0cosφ1) (3)
(t1)// = 2n1cosφ1/(n1cosφ0 + n0cosφ1) (4)
전기장의 스펙트럼이 입사광과 수직인 빛에 대해서는, 광 반사 계수 r1, r2 및 광 투과 계수 t1, t2는 다음 식(5) 및 (6)으로 주어진다.
(r1)⊥ = (n1cosφ1 - n0cosφ0)/(n1cosφ1 + n0cosφ0) (5)
(t1)⊥ = 2n1cosφ1/(n1cosφ1 + n0cosφ0) (6)
상기 식(3) 내지 (6)은 반사광(r)과 투과광(t)의 입사면에 평행한 구성요소 및 반사광(r)과 투과광(t)의 입사면에 수직인 구성요소의 프레넬 계수를 나타낸다. 상기 식들로부터, 반사광과 투과광이 막에서 상변화를 고려하여 첨가될 때(δ1 = 2πνn1cosφ 여기서 ν는 빛이 파장을 나타내고, t는 막의 두께 등을 나타낸다), 반사광과 투과광의 강도(R 및 T)(에너지)는 다음과 같이 정해진다. 그러나, 이와 관 련하여, 다음 두 개의 식, (7) 및 (8)에서, 막은 등방성인 것으로 생각된다.
R = (r1 2 + 2r1r2cos2δ1 + r2 2) / (1 + 2r1r2cos2δ1 + r1 2r2 2) (7)
T = (n2t1 2t2 2) / {n0(1 + 2r1r2cos2δ1 + r1 2r2 2) (8)
식 (7) 및 (8)로부터, 약 100%의 반사율과 약 100%의 투과율은 소정의 두께와 굴절률을 갖는 막을 다층화함으로써 소정의 파장(파장 영역)에 대해 제공될 수 있다. 사실, "매직 거울"이라 불리는 반투과막들은 식 (7) 및 (8)에 따라 SiO2, CeO2, MgF2 등의 금속 산화막의 박층 형태로 판매된다. 소위 "매직 거울"은 거울의 전면이 거울의 후면보다 더 높은 조도를 가질 때 반사막으로 작용한다. 반대로, 거울의 전면이 거울의 후면보다 더 어두우면, 매직 거울은 투과막으로 작용한다.
따라서, 상기 개념을 기초로 한 다층막이 투명 전극의 하부 부분(또는 상부 부분: 도 10 참조)에 증착될 때, 주위 조도에 따라 투과형 디스플레이와 반사형 디스플레이 사이의 전환이 가능하고 하나의 픽셀과 하나의 패널 갭에 반투과형 디스플레이가 제공될 수 있다.
이하에서, 본 발명은 구체적인 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 기술할 것이다.
실시예 1
본 발명의 개념을 설명하기 위해서, 35mm x 35mm x 0.7mm 크기를 가진 유리 기판을 제공하였고, 도 12에 도시된 대로, 투명 기판(ITO)을 패턴화하여 디스플레 이 영역(1)과 디스플레이 영역(2)을 제공하였다. 디스플레이 영역(1)에서, ITO를 사용하였다. 반면에, 디스플레이 영역(2)에서, 알루미늄을 ITO에 기상 증착하였고 어셈블리를 반사 전극으로 사용하였다. 반대쪽에, 공통 전극 유리로서 ITO 전극을 가진 패턴화되지 않은 유리를 사용하였다. 반대쪽에 있는 유리의 크기는 패턴화된 유리 기판의 크기와 동일하였고, 도 12에 도시된 대로 서로에 대해 박층화되었다. 두 개의 유리 기판을 서로 대면하게 놓고 1.8㎛의 입자 지름을 가진 실리카 스페이서를 사용하여 액정 재료층에 소정의 크기의 갭(상기한 d)을 제공하였다. 폴리이미드를 두 개의 유리 기판의 표면상에 코팅하였고 코팅제를 베이크하였다. 그런 후에, 서로 평행한 방향으로 러빙을 수행하였다. 그런 후에, 에탄올에 확산된 상기 스페이서를 mm2 당 50 입자의 양으로 분산하였다. 2 성분 에폭시 수지를 유리 주위의 부분에 충전시켜 빈 셀을 제조하였다. 편광-차폐 시멕틱 액정 재료를 이 셀에 넣어 PSS-LCD를 제조하였다.
도 12에 도시된 대로, 전극을 초음파 납땜으로 부착하였고 전원에 연결하였다. 위에서 제조한 액정 재료 패널의 평균 셀 갭은 반복된 반사 간섭을 이용하여 측정하여 2.0인 것을 발견하였다. 560nm에서 부은 액정 재료의 굴절률의 비등방성은 0.14이다. 흰색 광원과 광분산막을 포함하는 포토뷰어를 투과광원으로 사용하였다. 사용된 포토뷰어의 확산판에서 휘도는 1,800nit이었다. 통상의 공간 천장에 장착된 형광 램프를 반사 디스플레이로 사용하였다. 이때에, 이 실시예에서 액정 재료 패널 면에서의 조도는 3,000 lux이었다.
디스플레이 영역(1)에서, 투과형 디스플레이를 실행하기 위해서, 최대 인가 전압을 6V로 만들어 인가된 전기장의 강도에 따라 투과된 빛의 강도의 연속된 변화를 결정하였다. 인가된 전압의 강도에 따른 투과된 빛의 강도는 도 13에 도시된 것과 같은 셋업하에서 광증폭기로 투과된 빛의 강도를 탐지하여 측정하였다. 측정 결과는 도 14에 도시하였다. 이때에, 투과된 빛의 디스플레이는 투과 광원으로 사용한 포토뷰어에서의 디스플레이와 동일한 흰색으로부터 검은색으로 변하는 무색 디스플레이이었다. 디스플레이 영역(2)에서, 반사형 디스플레이를 실행하기 위해서, 최대 인가 전압을 3V로 만들어 인가된 전기장의 강도에 따라 반사된 빛의 강도의 연속된 변화를 결정하였다.
인가된 전압의 강도에 따른 반사된 빛의 강도는 도 15에 도시된 것과 같은 셋업하에서 광증폭기로 투과된 빛의 강도를 탐지하여 측정하였다. 측정 결과는 도 16에 도시하였다. 이때에, 반사된 빛의 디스플레이는 주위 빛으로 천장에서 형광 램프에서의 디스플레이와 동일한 흰색으로부터 검은색으로 변하는 무색 디스플레이이었다.
도 14 및 16에 도시된 것과 같은 측정 결과로부터 발견한 것과 같이, 동일한 픽셀내에서, 투과형 디스플레이와 반사형 디스플레이 모두는 단일 패널 갭을 통해 인가된 전압을 단순히 변화시킴으로써 채색 없이 연속된 톤이 가능하다는 것을 확인하였다.
실시예 2
본 발명에 따라 색 디스플레이 기능을 나타내기 위해서, 실시예 1과 동일한 방식으로, 35mm x 35mm x 0.7mm 크기를 가진 유리 기판을 제공하였고, 도 12에 도시한 대로, 투명 전극(ITO)을 패턴화하여 디스플레이 영역(1)과 디스플레이 영역(2)을 제공하였다. 반면에, 디스플레이 영역(2)에서, 알루미늄을 ITO에 기상 증착하였고 어셈블리를 반사 전극으로 사용하였다. 반대쪽에, 공통 전극으로 ITO 전극을 가진 패턴화되지 않은 유리를 ITO 전극 상에 제공하였고, 적색 착색 물질로 침지한 아크릴 염기 폴리머를 포함하는 컬러 필터를 사용하였다. 유사하게, 개개의 반대 유리 기판상에, 청색 컬러 필터와 녹색 컬러 필터를 개별적으로 ITO 상에 제공하였다. 반대쪽에 있는 유리의 크기는 패턴화된 유리 기판의 크기와 동일하였고, 도 12에 도시된 대로 서로에 대해 박층화되었다. 두 개의 유리 기판을 서로 대면하게 놓고 1.8㎛의 입자 지름을 가진 실리카 스페이서를 사용하여 액정 재료층에 소정의 크기의 갭(상기한 d)을 제공하였다. 폴리이미드를 두 개의 유리 기판의 표면상에 코팅하였고 코팅제를 베이크하였다. 그런 후에, 서로 평행한 방향으로 러빙을 수행하였다. 그런 후에, 에탄올에 확산된 상기 스페이서를 mm2 당 50 입자의 양으로 분산하였다. 2 성분 에폭시 수지를 유리 주위의 부분에 충전시켜 빈 셀을 제조하였다. 편광-차폐 시멕틱 액정 재료를 이 셀에 넣어 PSS-LCD를 제조하였다.
도 12에 도시된 대로, 전극을 초음파 납땜으로 부착하였고 전원에 연결하였다. 위에서 제조한 액정 재료 패널의 평균 셀 갭은 반복된 반사 간섭을 이용하여 측정하여 2.0인 것을 발견하였다. 560nm에서 부은 액정 재료의 굴절률의 비등방성은 0.14이다. 흰색 광원과 광분산막을 포함하는 포토뷰어를 투과광원으로 사용하였 다. 사용된 포토뷰어의 확산판에서 휘도는 1,800nit이었다. 통상의 공간 천장에 장착된 형광 램프를 반사 디스플레이로 사용하였다. 이때에, 이 실시예에서 액정 재료 패널 면에서의 조도는 3,000lux이었다.
디스플레이 영역(1)에서, 투과형 디스플레이를 실행하기 위해서, 최대 인가 전압을 6.3V로 만들어 인가된 전기장의 강도에 따라 투과된 빛의 강도의 연속된 변화를 결정하였다. 인가된 전압의 강도에 따른 투과된 빛의 강도는 도 13에 도시된 것과 같은 셋업하에서 광증폭기로 투과된 빛의 강도를 탐지하여 측정하였다. 측정 결과는 도 17에 도시하였다. 이때에, 투과된 빛의 디스플레이는 투과 광원으로 사용한 포토뷰어에서의 디스플레이와 동일한 흰색으로부터 검은색으로 변하는 무색 디스플레이이었다. 디스플레이 영역(2)에서, 반사형 디스플레이를 실행하기 위해서, 최대 인가 전압을 3.2V로 만들어 인가된 전기장의 강도에 따라 반사된 빛의 강도의 연속된 변화를 결정하였다.
인가된 전압의 강도에 따른 반사된 빛의 강도는 도 15에 도시된 것과 같은 셋업하에서 광증폭기로 투과된 빛의 강도를 탐지하여 측정하였다. 측정 결과는 도 18에 도시하였다. 이때에, 반사된 빛의 디스플레이는 주위 빛으로 천장에서 형광 램프에서의 디스플레이와 동일한 흰색으로부터 검은색으로 변하는 무색 디스플레이이었다.
도 17 및 18에 도시된 것과 같은 측정 결과로부터 발견한 것과 같이, 동일한 픽셀내에서, 투과형 디스플레이와 반사형 디스플레이 모두는 단일 패널 갭을 통해 인가된 전압을 단순히 변화시킴으로써 채색 없이 연속된 톤이 가능하다는 것을 확 인하였다.
실시예 3
본 발명에 따른 다른 구조의 기능을 나타내기 위해서, 실시예 1과 동일한 방식으로, 35mm x 35mm x 0.7mm 크기를 가진 유리 기판을 제공하였고, 도 12에 도시한 대로, 투명 전극(ITO)을 패턴화하였다. 또한, 기판들 중 하나에 관해서, 다층막을 SiO2와 CeO2를 적층하여 ITO 상에 형성하였고 반투과막을 제공하였다. 반대쪽의 기판상에, 공통 전극 유리로서 ITO 전극으로 패턴화되지 않은 유리를 사용하였다. 반대쪽에 있는 유리의 크기는 패턴화된 유리 기판의 크기와 동일하였고, 도 12에 도시된 대로 서로에 대해 박층화되었다. 두 개의 유리 기판을 서로 대면하게 놓고 1.8㎛의 입자 지름을 가진 실리카 스페이서를 사용하여 액정 재료층에 소정의 크기의 갭(상기한 d)을 제공하였다. 폴리이미드를 두 개의 유리 기판의 표면상에 코팅하였고 코팅제를 베이크하였다. 그런 후에, 서로 평행한 방향으로 러빙을 수행하였다. 그런 후에, 에탄올에 확산된 상기 스페이서를 mm2 당 50 입자의 양으로 분산하였다. 2 성분 에폭시 수지를 유리 주위의 부분에 충전시켜 빈 셀을 제조하였다. 편광-차폐 시멕틱 액정 재료를 이 셀에 넣어 PSS-LCD를 제조하였다.
도 12에 도시된 대로, 전극을 초음파 납땜으로 부착하였고 전원에 연결하였다. 위에서 제조한 액정 재료 패널의 평균 셀 갭은 반복된 반사 간섭을 이용하여 측정하여 2.0인 것을 발견하였다. 560nm에서 부은 액정 재료의 굴절률의 비등방성은 0.14이다. 흰색 광원과 광분산막을 포함하는 포토뷰어를 투과광원으로 사용하였 다. 사용된 포토뷰어의 확산판에서 휘도는 1,800nit이었다. 통상의 공간 천장에 장착된 형광 램프를 반사 디스플레이로 사용하였다. 이때에, 이 실시예에서 액정 재료 패널 면에서의 조도는 3,000lux이었다.
투과형 디스플레이를 실행하기 위해서, 상기 포토뷰어 광원을 사용하였고, 액정 재료 패널에 인가된 최대 인가 전압을 6.5V로 만들어 인가된 전기장의 강도에 따라 투과된 빛의 강도의 연속된 변화를 결정하였다. 인가된 전압의 강도에 따른 투과된 빛의 강도는 도 13에 도시된 것과 같은 셋업하에서 광증폭기로 투과된 빛의 강도를 탐지하여 측정하였다. 측정 결과는 도 19에 도시하였다. 이때에, 투과된 빛의 디스플레이는 투과 광원으로 사용한 포토뷰어에서의 디스플레이와 동일한 흰색으로부터 검은색으로 변하는 무색 디스플레이이었다.
반사형 디스플레이를 실행하기 위해서, 상기 포토뷰어의 광원을 닫았고, 실내 환경 조도하에서, 최대 인가 전압을 3.5V로 만들어 인가된 전기장의 강도에 따라 반사된 빛의 강도의 연속된 변화를 결정하였다. 인가된 전압의 강도에 따른 반사된 빛의 강도는 도 15에 도시된 것과 같은 셋업하에서 광증폭기로 투과된 빛의 강도를 탐지하여 측정하였다. 측정 결과는 도 20에 도시하였다. 이때에, 반사된 빛의 디스플레이는 주위 빛으로 천장에서 형광 램프에서의 디스플레이와 동일한 흰색으로부터 검은색으로 변하는 무색 디스플레이이었다.
도 19 및 20에 도시된 것과 같은 측정 결과로부터 발견한 것과 같이, 동일한 픽셀내에서, 투과형 디스플레이와 반사형 디스플레이 모두는 단일 패널 갭을 통해 인가된 전압을 단순히 변화시킴으로써 채색 없이 연속된 톤이 가능하다는 것을 확 인하였다.
상기한 발명으로부터, 본 발명은 많은 방식으로 변화될 수 있다는 것이 분명할 것이다. 이런 변화는 본 발명의 취지와 범위로부터 벗어나는 것으로 생각되지 않고, 당업자에게 명백한 이런 모든 변형들은 다음 청구항의 범위 내에 포함된다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있음

Claims (8)

  1. 한 쌍의 기판, 한 쌍의 기판 사이에 배치된 액정 재료를 포함하는 반투과형 액정 디스플레이 소자에 있어서,
    상기 액정 재료는 가변 복굴절 시스템을 제공할 수 있는 편광-차폐 시멕틱 액정 재료이고 액정층의 굴절률의 비등방성의 크기는 액정층에 인가된 전기장의 강도에 의해 제어될 수 있는 반투과형 액정 디스플레이 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단일 패널 갭을 사용하는 동일한 픽셀에 투과형 LCD와 반사형 LCD를 포함하는 반투과형 액정 디스플레이 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각 픽셀은 투과형 디스플레이 및 반사형 디스플레이의 경우에 단일 패널 갭을 가진 반투과형 액정 디스플레이 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    투과형 디스플레이 및 반사형 디스플레이의 경우에 동일한 초기 배향을 가진 액정을 사용하는 반투과형 액정 디스플레이 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    투과형 디스플레이의 경우에 액정 재료층에 인가된 전압이 반사형 디스플레이의 경우에 액정 재료층에 인가된 전압과 다른 반투과형 액정 디스플레이 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    투과형 디스플레이 및 반사형 디스플레이의 경우에 동일한 초기 배향을 가진 편광-차폐 시멕틱 액정 재료를 사용하는 반투과형 액정 디스플레이 소자.
  7. 제 2 항에 있어서,
    액정 재료층에 인가되는 전압을 증가 또는 감소시킴으로써 투과형 디스플레이 또는 반사형 디스플레이를 선택할 수 있는 단일 패널 갭을 사용하는 반투과형 액정 디스플레이 소자.
  8. 제 2 항에 있어서,
    동일한 픽셀 내에서, 투과형 디스플레이의 경우에 사용된 유효 디스플레이 부분과 반사형 디스플레이의 경우에 사용된 유효 디스플레이 부분이 다르고 금속 산화물의 다층 박막을 포함하는 반사층이 반사형 디스플레이 부분에 제공되는 반투과형 액정 디스플레이 소자.
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