KR100956347B1 - 액정 표시 장치 - Google Patents

Abstract

서로 대향하고 있는 제1 및 제2 기판, 제1 및 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정층, 제1 기판 아래에 설치되어 있는 콜레스테릭 액정 필름, 제2 기판 위에 설치되어 있는 편광판, 콜레스테릭 액정 필름 아래에 장착되어 있는 백라이트 장치를 포함하고, 액정층에 포함되어 있는 액정은 음의 유전율 이방성을 가지며 액정은 그 장축이 상기 제1 및 제2 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있는 액정 표시 장치.

콜레스테릭액정, VA 모드

Description

액정 표시 장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY}

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 OFF 상태의 개략적인 설명도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 ON 상태 중 블랙 상태의 개략적인 설명도이고,

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 ON 상태 중 화이트 상태의 개략적인 설명도이고,

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치에 인가된 전압(Voltage)에 대한 투과율(Transmittance)의 관계곡선을 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 하부 기판 2 : 상부 기판

3 : 액정층 22 : 편광판

23 : 보상 필름 60 : 콜레스테릭 액정 필름

340 : 백라이트 장치

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 특히 VA 모드의 액정 표시 장치에 관한 것이다.

액정 표시 장치는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치 중 하나로서, 전계 생성 전극이 형성되어 있는 두 장의 표시판과 그 사이에 삽입되어 있는 액정층으로 이루어져, 전극에 전압을 인가하여 액정층의 액정 분자들을 재배열시킴으로써 액정층을 통과하는 빛의 투과율을 조절하는 표시 장치이다.

액정 표시 장치 중에서도 현재 주로 사용되는 것은 전계 생성 전극이 두 표시판에 각각 구비되어 있는 것이다. 이중에서도 한 표시판에는 복수의 화소 전극이 행렬의 형태로 배열되어 있고 다른 표시판에는 하나의 공통 전극이 표시판 전면을 덮고 있는 구조의 액정 표시 장치가 주류이다. 이 액정 표시 장치에서의 화상의 표시는 각 화소 전극에 별도의 전압을 인가함으로써 이루어진다. 이를 위해서 화소 전극에 인가되는 전압을 스위칭하기 위한 삼단자 소자인 박막 트랜지스터를 각 화소 전극에 연결하고 이 박막 트랜지스터를 제어하기 위한 신호를 전달하는 게이트선과 화소 전극에 인가될 전압을 전달하는 데이터선을 표시판에 설치한다.

빛은 전자기파로서 진동 방향은 이동 방향에 수직이며, 이러한 진동 방향은 방향성이 없어서 어느 방향으로든 같은 확률로 존재한다. 그러나, 액정 표시 장치에서 빛의 투과율을 조절하여 화상을 표현하기 위해서는 편광된 빛이 유용하다. 따라서, 편광판이 액정 표시 장치의 상부 및 하부 기판의 외측에 형성되어 특정한 방향으로 진동하는 빛을 만든다.

즉, 유전율 이방성 및 굴절율 이방성을 갖는 액정에 전기장을 가하여 편광상 태를 변화시킴으로써 편광판을 투과하는 빛의 양을 조절하는 액정 표시 장치에서 편광판은 필수적으로 사용되고 있다.

그러나, 이러한 편광판은 한쪽 방향으로 진동하는 광은 흡수하고 다른 한쪽으로 진동하는 광만을 통과시켜 선편광을 만든다. 즉, 백라이트 장치에서 발생한 광원을 흡수하여 선편광을 얻는 방식이기 때문에 편광판을 투과하면서 50% 이상의 빛이 흡수된다. 따라서, 투과 효율이 감소된다는 단점이 있다.

본 발명의 기술적 과제는 하부 편광판을 사용하지 않고 콜레스테릭 액정 필름을 사용함으로써 투과 효율을 향상시키는 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 액정 표시 장치는 서로 대향하고 있는 제1 및 제2 기판, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정층, 상기 제1 기판 아래에 설치되어 있는 콜레스테릭 액정 필름, 상기 제2 기판 위에 설치되어 있는 편광판, 상기 콜레스테릭 액정 필름 아래에 장착되어 있는 백라이트 장치를 포함하고, 상기 액정층에 포함되어 있는 액정은 음의 유전율 이방성을 가지며 상기 액정은 그 장축이 상기 제1 및 제2 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 기판 및 편광판 사이에는 보상 필름이 더 설치되어 있는 것이 바람직하다.

그러면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명의 바람직한 한 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 OFF 상태의 개략적인 설명도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 ON 상태 중 블랙 상태의 개략적인 설명도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 ON 상태 중 화이트 상태의 개략적인 설명도다. OFF 상태는 전압이 인가되지 않은 상태를 나타내고, ON 상태는 전압이 인가된 상태를 나타내며, 블랙 상태는 ON상태 중 광 투과율이 최저치가 되는 상태이며, 화이트 상태는 ON 상태 중 광 투과율이 최고치가 되는 상태이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 아래서부터 차례로 백라이트 장치(340), 콜레스테릭 액정 필름(60), 하부 기판(1), 액정층(3), 상부 기판(2), 보상 필름(23) 및 편광판(22)이 적층되어 있는 구조를 가지고 있다.

구체적으로 설명하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 두 개의 투명한 기판(1, 2) 사이에 액정층(3)이 개재되어 이루어진 액정 표시 패널(30)이 있고, 액정 표시 패널(30)의 두 기판(1, 2) 중 하부 기판(2) 아래에 콜레스테릭 액정 필름(60)이 설치되어 있으며, 콜레스테릭 액정 필름(60) 아래에는 백라이트 장치(340)가 장착되어 있다.

그리고, 액정 표시 패널(30)의 두 기판(1, 2) 중 상부 기판(2) 위에는 보상 필름(23) 및 편광판(22)이 장착되어 있다.

액정 표시 패널(30)의 액정층(3)은 VA 모드(Vertical aligned mode)의 액정(3a)으로 구성되는데, VA 모드(Vertical aligned mode)의 액정(3a)은 음의 유전율 이방성을 가지며 액정(3a)은 그 장축이 상부 및 하부 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있다.

콜레스테릭 액정 필름(60)을 구성하는 콜레스테릭 액정(Cholesteric Liquid Crystal, CLC)은 나선 구조를 가지는데, 그 방향과 피치가 일치하는 빛을 반사하는 특성을 가진다.

예를 들어, 콜레스테릭 액정 필름(60)이 좌선성 성질을 가지고 있고, 나선 구조의 피치가 p인 콜레스테릭 액정으로 형성할 때, n은 콜레스테릭 액정의 나선축에 직교하는 평면내에서의 평균 굴절율 즉,

이라고 하면,

콜레스테릭 액정의 나선 방향과 동일한 방향을 지닌 원편광이 선택적으로 산란 반사되어지는 최대 파장은 아래와 같다.

λ= nㆍp

이러한 콜레스테릭 액정 필름(60)은 λ와 동일한 파장을 가지는 우원 편광(51)을 투과시키고, λ와 동일한 파장을 가지는 좌원 편광(52)을 반사시킨다. 물론, λ와 다른 파장을 가지는 우원 편광(51) 및 좌원 편광(52)은 모두 투과시킨다.

이 때, 콜레스테릭 액정 필름(60)을 단일 피치가 아니라 광대역 피치를 가지는 콜레스테릭 액정을 이용하여 형성한다면, 가시광선과 적외선 일부까지도 포함한 파장대에서 콜레스테릭 액정의 나선 방향과 일치하는 원편광을 반사시킬 수 있다.

이와 같은 특징을 가지는 콜레스테릭 액정 필름(60)은 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 백 라이트 장치(50)와 액정 표시 패널(30)의 하부 기판 사이에 개재한다면, 백 라이트 장치(50)로부터 나오는 광은 좌선성을 가지는 콜레스테릭 액정 필름(60)에서 우원 편광(51)은 모두 투과하고 좌원 편광(52)은 모두 반사된다. 이 반사된 좌원 편광(52)은 백 라이트 장치(50)로부터 다시 반사되면서 우원 편광(51)으로 변환되고, 이 우원 편광(51)은 콜레스테릭 액정 필름(60)을 투과하게 된다. 이로써, 콜레스테릭 액정 필름(60)을 사용함으로써 백 라이트 장치(50)로부터 나오는 광을 이론적으로는 100% 사용할 수 있게 된다.

도 4에는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치에 인가된 전압(Voltage)에 대한 투과율(Transmittance)의 관계곡선, 즉, V-T 곡선이 도시되어 있다.

그러면, 이러한 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 작용을 도 1 내지 도 4를 이용하여 설명한다.

우선, 액정 표시 장치에 전압이 인가되지 않은 OFF 상태에서의 액정 표시 장치의 작용을 도 1 및 도 4를 참조하여 설명한다. 이 경우, 액정 표시 패널(30)의 VA 모드(Vertical aligned mode)의 액정(3a)은 그 장축이 상부 및 하부 기판(2, 1)에 대하여 수직으로 배향되어 있다.

백 라이트 장치(50)로부터 나온 비편광된 광이 좌선성의 콜레스테릭 액정 필름(60)에 입사되면, 콜레스테릭 액정 필름(60)에 입사된 광 중, 우원 편광(51)은 모두 콜레스테릭 액정 필름(60)을 통과하여 액정 표시 패널(30)에 입사되고, 좌원 편광(52)은 모두 콜레스테릭 액정 필름(60)에서 반사된다. 이 후, 좌원 편광(52)은 백 라이트 장치(50)에서 반사되면서 우원 편광(51)으로 변환되어 콜레스테릭 액정 필름(60)을 투과하여 액정 표시 패널(30)에 입사한다. 이로써, 백 라이트 장치(50)로부터 나온 광은 모두 콜레스테릭 액정 필름(60)을 투과하여 액정 표시 패널(30)의 하부 기판(1)으로 입사하게 된다.

액정 표시 패널(30)의 하부 기판(1)에 입사된 우원 편광(51)은 수직 배향되어 있는 액정(3a)을 우원 편광(51)인 체로 그대로 통과하여 상부 기판(2)을 통과한다.

그리고, 이러한 우원 편광(51)은 편광판(22)의 투과축과 평행한 광만이 즉, 일부의 광만이 상부 기판(2) 위의 편광판(22)을 통과하면서 광이 조망된다.

즉, 도 4에서 인가 전압이 0인 경우에 액정 표시 장치는 중간 정도의 계조 밝기를 나타내고 있다.

그리고, 상부 기판(2)과 편광판(22) 사이에는 보상필름(23)이 개재되어 있어서 시야각 확보나 색조 반전의 문제점 등을 해소한다.

다음으로, 액정 표시 장치에 전압이 인가된 ON 상태 중 블랙 상태에서의 액정 표시 장치의 작용을 도 2 및 도 4를 참조하여 설명한다.

백 라이트 장치(50)로부터 나온 비편광된 광이 좌선성의 콜레스테릭 액정 필름(60)에 입사되면, 콜레스테릭 액정 필름(60)에 입사된 광 중, 우원 편광(51)은 모두 콜레스테릭 액정 필름(60)을 통과하여 액정 표시 패널(30)에 입사되고, 좌원 편광(52)은 모두 콜레스테릭 액정 필름(60)에서 반사된다. 이 후, 좌원 편광(52)은 백 라이트 장치(50)에서 반사되어 우원 편광(51)으로 변환되어 콜레스테릭 액정 필름(60)을 투과하여 액정 표시 패널(30)의 하부 기판(1)에 입사한다. 이로써, 백 라이트 장치(50)로부터 나온 광은 모두 콜레스테릭 액정 필름(60)을 투과하여 액정 표시 패널(30)에 입사하게 된다.

전압이 인가되면 상부 기판 및 하부 기판 사이에 전계가 형성되며, 액정 표시 패널(30)의 액정(3a)은 수직 배향에서 그 장축이 상부 및 하부 기판에 경사지게 배향된다.

그리고, 인가되는 전압의 크기가 점점 커질수록 경사배향의 각도가 커지며 액정의 경사 배향의 각도가 소정각도가 되는 어느 시점에서 도 4에 도시된 바와 같이, 광 투과율이 최저치가 된다.

즉, 이러한 최저치의 광 투과율을 구현하는 전압이 인가되는 경우에 액정 표시 패널(30)에 입사된 우원 편광(51)은 액정 표시 패널(30)의 경사 배향된 액정(3a)을 통과하면서 선편광(53)으로 변환된다. 이러한 선편광(53)은 편광판(10)의 투과축과 일치하지 않아 편광판(10)을 통과하지 못하게 되어 흑색 표시가 조망된다.

다음으로, 액정 표시 장치에 전압이 인가된 ON 상태 중 화이트 상태에서의 액정 표시 장치의 작용을 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 광 투과율이 최저치가 되는 전압보다 더 큰 전압을 인가하면 경사배향의 각도가 커지며 광 투과율이 점점 증가하기 시작한다. 그리고, 액정의 경사 배향의 각도가 소정각도가 되는 어느 시점에서 광 투과율이 최고치가 된다.

즉, 이러한 최고치의 광 투과율을 구현하는 전압이 인가되는 경우에 액정 표시 패널(30)에 입사된 우원 편광(51)은 액정 표시 패널(30)의 경사 배향된 액정(3a)을 통과하면서 선편광(53)으로 변환된다. 이러한 선편광(53)은 편광판(10)의 투과축과 일치하므로 편광판(10)을 통과하여 백색 표시가 조망된다.

그리고, 상부 기판(2)과 편광판(1) 사이에는 보상필름(23)이 개재되어 있어서 시야각 확보나 색조 반전의 문제점 등을 해소한다.

이하에서 액정 표시 장치에 전압이 인가된 ON 상태에서의 광 투과율의 변화 를 상세히 설명한다.

VA 모드의 액정 표시 장치에서는 액정의 유전율 이방성이 음(-)의 값을 가지는 액정이 이용된다. 액정의 유전율 이방성이 음(-)의 값을 가지는 경우에 문턱 전압 이상의 전압이 인가되면 수직 방향으로 배향하고 있던 액정 분자의 장축이 전계의 방향과 수직하게 되도록 재배열된다.

도 4에서 V는 구동 전압이고, V_TH 는 액정의 문턱 전압을 나타낸다. 문턱 전압(V_TH )이란 처음 전압을 인가하기 시작해서 광 투과율의 변화가 본격적으로 일어나기 시작하는 지점의 전압을 말한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 문턱 전압(V_TH )이상의 전압을 인가하면 액정 표시 장치의 광 투과율은 점점 저하되어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)마다 광 투과율이 최저치가 되며, 전압을 더 증가시키면 광 투과율이 다시 상승하여 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)마다 최고치의 광 투과율에 도달한다.

광 투과율이 최저치가 되는 상태는 문턱 전압 이상의 전압을 인가함에 따라 수직 배향되어 있던 액정(3a)이 액정의 유전율 이방성에 의해 경사 배향됨으로써 구현된다. 즉, 경사 배향된 액정(3a)을 우원 편광(51)이 통과함으로써 선편광(53)으로 변환되며, 이 경우 선편광(53)의 진동축이 편광판(22)의 투과축과 수직이 되도록 액정(3a)의 경사각이 조절된다. 따라서, 그 진동축이 편광판(22)의 투과축과 수직이 되는 선편광(53)은 편광판(22)을 통과하지 못함으로써 광 투과율이 최저치가 된다.

그리고, 광 투과율이 최고치가 되는 상태는 전압을 더 인가함에 따라 경사 배향되어 있던 액정(3a)이 그 경사각이 변화됨으로써 구현된다. 즉, 경사각이 변화된 액정(3a)을 우원 편광(51)이 통과함으로써 선편광(53)으로 변환되며, 이 경우 선편광(53)의 진동축이 편광판(22)의 투과축과 수평이 되도록 액정(3a)의 경사각이 조절된다. 따라서, 그 진동축이 편광판(22)의 투과축과 수평이 되는 선편광(53)은 편광판(22)을 모두 통과함으로써 광 투과율이 최고치가 된다.

이 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 광 투과율이 최저치가 되는 상태의 전압인 블랙 전압은 액정(3a)의 파장 분산성에 의해 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)마다 각각 다르게 된다.

따라서, R, G 및 B 색마다 서로 다른 블랙 전압을 인가하여 R, G, B 색 모두 광 투과율이 최저치가 되게 함으로써 전체적으로 블랙 상태를 구현한다.

이를 위해 R, G 및 B 파장대가 매우 샤프(sharp)한 백라이트 장치(340) 예컨대, LED와 같은 백라이트 장치(340)를 사용하여 블랙 상태를 구현함으로써 높은 대비비를 가지는 액정 표시 장치를 제조할 수 있다.

또한, R, G 및 B 모든 색에서 동일한 블랙 전압 하에서 블랙 상태를 구현하기 위해서는 R, G 및 B 영역마다 셀갭을 서로 다르게 되도록 설정하는 것도 바람직하다. 이를 위해 역분산성이 높은 액정층을 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 액정(3a)들은 화소 영역 내에서 균일한 방위각(Azimuth Angle) 및 극각( Polar Angle)을 가지는 것이 바람직하며, 액정(3a)의 장축이 편광판(22)의 투과축과 45도를 이루도록 하는 것이 바람직하다.

종래의 VA 모드의 액정 표시 장치는 하부 편광판과 그 아래에 DBEF(Dual bright enhanced film)을 사용하고 있었다. DBEF는 선편광된 빛을 리사이클링하는 기능성 필름으로서 광 투과율을 향상시키기 위해 사용하고 있다.

그러나, 본 발명에서는 하부 편광판을 사용하지 않고 콜레스테릭 액정 필름을 사용함으로써 백 라이트 장치로부터 나온 광을 모두 액정 표시 패널에 전달하여 광 투과율을 향상시키고 제조 원가를 낮출 수 있다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치에서는 블랙 상태에서 이미 액정이 경사각을 가지고 있으므로 응답 속도가 향상된다는 장점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따른 액정 표시 장치는 백라이트 장치와 제2 기판 사이에 하부 편광판 대신에 콜레스테릭 액정 필름을 개재함으로써 백라이트 장치의 광을 모두 투과시킬 수 있으므로 투과 효율이 높아진다.

Claims (4)

1. 서로 대향하고 있는 제1 및 제2 기판,

   상기 제1 및 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정층,

   상기 제1 기판 아래에 설치되어 있는 콜레스테릭 액정 필름,

   상기 제2 기판 위에 설치되어 있는 편광판,

   상기 콜레스테릭 액정 필름 아래에 장착되어 있는 백라이트 장치를 포함하고,

   상기 액정층에 포함되어 있는 액정은 음의 유전율 이방성을 가지며 상기 액정은 그 장축이 상기 제1 및 제2 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있고,

   광 투과율이 최저치가 되는 상태인 블랙 상태에서 상기 액정의 장축은 상기 제1 및 제2 기판에 대하여 경사 배향되는 액정 표시 장치.
2. 제1항에서,

   상기 제2 기판 및 편광판 사이에는 보상 필름이 더 설치되어 있는 액정 표시 장치.
3. 제1항에서,

   상기 블랙 상태를 이루는 블랙 전압은 적색, 녹색 및 청색마다 다른 액정 표시 장치.
4. 제1항 또는 제3항에서,

   상기 액정의 장축은 상기 편광판의 투과축과 45도의 방위각을 이루는 액정 표시 장치.

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