KR100962302B1

KR100962302B1 - 컬러필터 없는 액정표시장치

Info

Publication number: KR100962302B1
Application number: KR1020080074206A
Authority: KR
Inventors: 권진혁
Original assignee: 영남대학교 산학협력단
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-06-15
Also published as: KR20100012682A

Abstract

본 발명에 따르면, 적색, 녹색, 청색의 광에 각각 대응하는 다수의 액정하위픽셀을 포함하고 컬러필터가 없는 액정패널; 이러한 액정패널의 하부에 배치되며, 적색, 녹색, 청색의 광을 조사하는 다수의 3색광원을 포함하는 백라이트유닛; 및 다수의 액정하위픽셀과 동일한 간격으로 설치되어, 3색광원으로부터 조사된 적색, 녹색, 청색의 광을 내부전반사를 통해 유도하면서 다수의 액정하위픽셀로 수직 분기하며 서로 나란하게 설치되는 다수의 광도파로를 포함하는 광도파로어레이를 구비하는 컬러필터 없는 액정표시장치가 제공된다.

위와 같은 본 발명의 컬러필터 없는 액정표시장치에 의하면, 광도파로어레이를 사용하여 컬러필터를 제거함으로써 전력소모를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 컬러필터 및 백라이트유닛의 제조비를 절감할 수 있으며, 3색 광원으로 각 색에 대응하는 LED를 사용하여 넓어진 색영역을 구현할 수 있기 때문에 향상된 화질을 달성할 수 있다.

컬러필터, 광도파로, 광혼합기, 렌티큘러 렌즈

Description

컬러필터 없는 액정표시장치 {Liquid Crystal Display without color filter}

본 발명은 액정표시장치(LCD;Liquid Crystal Display)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컬러필터가 없이도 고해상도의 컬러영상을 구현할 수 있는 컬러필터 없는 액정표시장치에 관한 것이다.

일반적으로 액정표시장치란 LCD(Liquid Crystal Display) 인가전압에 따른 액정의 투과도의 변화를 이용하여 각종 장치에서 발생되는 여러 가지 전기적인 정보를 시각정보로 변화시켜 디스플레이를 구현한 장치를 말한다.

도 1에는 종래 직하형 액정 디스플레이 장치의 일례를 나타낸 단면도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 종래 LCD(Liquid Crystal Display)는, 빛의 투과도를 조절하여 광 밸브 역할을 하는 액정픽셀(23)이 들어 있는 액정패널(20)과, 이 액정패널(20)에 빛을 공급하는 백라이트유닛(10)을 구비한다.

상기 백라이트유닛(10)은 CCFL(Cold Cathode Fluorescence Lamp;11a), 혹은 EEFL(External Electrode Fluorescence Lamp), 혹은 백색광 LED(Light Emitting Diode), 혹은 R, G, B의 삼색을 내는 LED 등이 포함되는 광원어셈블리(11) 부분과, 상기 광원에서 나오는 광을 광원 아래에 위치한 반사체(11b)에서 반사시키거나 광 시트를 통하여 골고루 혼합하여 다수의 액정픽셀(23)로 뿌려주는 광 시트들로 구성되어 있다. 여기서 R, G, B는 각각 Red, Green, Blue의 약자이고, 이후에는 별도의 표시 없이도 R, G, B는 적색, 녹색, 청색을 의미한다.

상기 광 시트는, 기본적으로 확산판(12), 확산시트(13), 집광시트(14), 반사형 편광시트(15), 그리고 보호필름(16) 등으로 구성되어 시야각과 휘도를 적절하게 조정한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 액정패널(20)은, 후면 유리기판(22), 전면 유리기판(25), 후면 유리기판(22)과 전면 유리기판(25) 사이에 설치되는 다수의 액정픽셀(23), 전면 유리기판(25)의 내부에 설치되는 R, G, B 컬러필터(24), 후면 유리기판(22)에 부착되는 편광시트A(21), 전면 유리기판(25)에 부착되는 편광시트B(26) 등이 주요한 광학적 역할을 담당한다. 각각의 액정픽셀(23)은 R, G, B 3색의 영상을 구현하는 R, G, B 액정하위픽셀로 구성되며, 각각의 R, G, B 액정하위픽셀 전면부에는 R, G, B 광을 투과시키는 R, G, B 컬러필터(24; 24a, 24b, 24c)가 설치되어 있다.

또한 서로 이웃한 컬러필터(24) 사이의 경계선에는 블랙 매트릭스(Black matrix; 24d)가 설치되어 있어서 서로 이웃한 하위픽셀 사이의 색 혼신(Color crosstalk)을 제거하는 역할을 한다.

위와 같은 종래의 LCD에서 컬러 영상을 구현하는 방법은, 화소의 최소단위가 되는 하나의 액정픽셀 속에 R, G, B 삼색의 영상을 구현하는 R, G, B 하위픽셀을 설치하고, 각각의 하위픽셀 전면부에 R, G, B 컬러필터를 설치하여 백라이트유닛에서 들어오는 백색광 가운데 각각의 하위픽셀 별로 R, G, B 광만 통과하도록 함으로써 이루어진다.

종래의 LCD에서는 백라이트유닛(10)에서 나오는 백색광의 파워가 액정픽셀(23)의 앞과 뒤에 설치되어 있는 편광 시트(21,26), 컬러필터(24), 그리고 액정픽셀(23)의 개구율에 의해서 대부분 소실되고 약 5%에서 10% 사이의 광만이 LCD 밖으로 빠져나오기 때문에 LCD의 광 에너지 효율은 다른 평면 디스플레이 장치에 비하여 상당히 낮은 문제점이 있었다. 따라서 LCD의 광 에너지 효율 개선은 LCD의 경쟁력 강화와 에너지 절약에 중요한 과제이다.

상기 컬러필터(24)는 컬러 영상을 구현하는 핵심적인 소자이지만, 백색광이 컬러필터(24)를 통과하면서 약 30% 는 투과되고, 약 70%는 흡수되어 손실되기 때문에 LCD에서 발생하는 광 에너지의 손실 중에서 가장 많은 부분을 차지한다.

LCD의 광 에너지 손실은 편광시트(21,26)에서 약 50%, 액정픽셀(23)의 개구율에서 약 30% ~ 50%, 컬러필터(24)에서 약 70%에 달하여 전체적으로 90% 이상의 광 손실이 발생하여 LCD의 높은 전력 소모를 유발한다. 컬러필터(24)는 컬러 영상을 구현하는 핵심 소자이지만, 흡수로 인한 많은 광 손실을 유발하는 문제점이 있었다.

그러한 문제점 때문에 LCD의 광 에너지 효율을 증대시키기 위하여 개발되고 있는 기술 중의 하나가 FSC(Field Sequential Color) 기술이다. 이 기술은 광 에너 지 손실에 큰 부분을 차지하고 있는 컬러필터를 없애기 위해서 고안된 것으로서, R, G, B 삼색의 LED를 백라이트의 광원으로 사용하고, 화면 영상 신호를 R, G, B 삼색의 영상 신호로 분리한 후, R-LED를 켜는 동안에는 R 영상 신호를 액정패널에 보내고, G-LED를 켜는 동안에는 G 영상 신호를 액정패널에 보내며, B-LED를 켜는 동안에는 B 영상 신호를 액정패널에 순차적으로 빠른 속도로 뿌려줌으로써 관찰자가 컬러 영상을 느끼도록 하는 기술이다.

상기 FSC LCD 기술은 상당한 기술의 진보를 달성하고 있지만, 기존의 일반 LCD에 비해서 영상을 조절하는 회로의 속도가 약 6배 정도 되어야 하고, 깜박임(flickering), 움직이는 영상의 색분리현상(Color Break-Up) 등의 문제가 있어서 아직 실용화되지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 상기한 FSC 기술과 달리 액정 구동 회로와 영상 처리 장치에 별도의 고속 구동회로를 설치하지 않고 종래의 액정패널 구조와 구동회로를 그대로 사용하면서, 액정패널에 설치된 컬러필터를 제거함으로써 광 에너지의 손실을 줄이고 LCD의 전력 소모량을 줄일 수 있는 컬러필터 없는 액정표시장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 컬러필터 없는 액정표시장치는, 적색, 녹색, 청색의 광에 각각 대응하는 다수의 액정하위픽셀을 포함하고 컬러필터가 없는 액정 패널; 상기 액정패널의 하부에 배치되며, 적색, 녹색, 청색의 광을 조사하는 다수의 3색광원을 포함하는 백라이트유닛; 및 상기 다수의 액정하위픽셀과 동일한 간격으로 설치되어 상기 3색광원으로부터 조사된 적색, 녹색, 청색의 광을 내부전반사를 통해 유도하면서 상기 다수의 액정하위픽셀로 분기하며 서로 나란하게 설치되는 다수의 광도파로를 포함하는 광도파로어레이를 구비한다.

여기서 상기 액정표시장치는 상기 3색광원으로부터 조사된 적색, 녹색, 청색의 광을 각 색에 대응하여 상기 광도파로어레이의 각 광도파로에 전달하는 다수의 광섬유가 포함된 광섬유어레이를 더 구비할 수 있다.

또한 상기 광섬유는 1개의 입력단과 다수의 출력단을 갖는 분기형 광섬유일 수 있다.

또한 상기 액정표시장치는 상기 광섬유어레이의 광섬유의 입구단에 설치되어, 상기 다수의 3색광원으로부터 나오는 적색, 녹색, 청색의 광을 각 색별로 균일하게 혼합하여 상기 광섬유 쪽으로 균등하게 분배하는 다수의 광혼합기를 더 구비할 수 있다.

또한 상기 액정표시장치는, 그 상면에 상기 광도파로어레이 및 상기 광섬유어레이의 광섬유가 고정되고, 하부에 상기 3색광원이 배치되는 후면판을 더 구비할 수 있다. 여기서 상기 후면판은, 상기 광섬유어레이의 광섬유의 출구단을 상면 가장자리에 고정하는 광섬유고정자를 포함하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 광섬유고정자에는 상기 각 광섬유의 출구단에 대응하는 다수의 고정홈이 형성된 것이 바람직하다.

또한 상기 액정표시장치는 상기 액정하위픽셀과 동일한 간격으로 배치된 다수의 렌티큘러렌즈를 포함하는 렌티큘러렌즈어레이시트를 더 구비할 수 있다. 여기서 상기 각 색의 광에 대응하는 액정하위픽셀 사이의 광혼합을 방지하는 기능을 향상시키기 위하여, 상기 렌티큘러렌즈어레이시트에 포함되는 다수의 렌티큘러렌즈 사이에 배치되어 광을 흡수하는 차광막과, 상기 렌티큘러렌즈와 렌티큘러렌즈 사이의 경계면 내부에 수직한 방향으로 설치되어 광을 흡수하는 차단벽이 추가로 설치될 수 있다.

또한 상기 광도파로어레이는. 상기 각 광도파로의 하부에 배치되고, 그 상면에 음각 또는 양각으로 복수의 반사프리즘이 주기적으로 형성된 다수의 광도파로기판을 더 구비할 수 있다.

또한 상기 광도파로어레이의 광도파로는, 그 하부의 폭과 길이가 상기 각 광도파로와 같도록 상기 각 광도파로의 상면에 설치되고 볼록한 형상을 갖는 다수의 렌티큘러렌즈부를 더 포함하며, 상기 광도파로의 높이와 상기 렌티큘러렌즈부의 초점거리가 동일하여 상기 반사프리즘에서 반사하여 수직으로 올라가는 각 광이 서로 나란하게 평행한 것이 바람직하다.

또한 상기 광도파로어레이의 광도파로는, 그 상부에 음각 또는 양각으로 복수의 오목프리즘이 주기적으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치에 의하면, 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 적색, 녹색, 청색에 각각 대응하는 광도파로를 이용하여 적색, 녹색, 청색에 각각 대응하는 액정하위픽셀에 직접 적색, 녹색, 청색의 광을 뿌려줌으로써 액정패널의 컬러필터를 제거할 수 있기 때문에 광에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

둘째, 컬러필터가 제거됨으로써, 광의 에너지 효율이 높아져서 컬러필터가 있는 종래의 액정표시장치에 비해서 사용되는 3색 광원, 즉 LED의 수를 크게 줄일 수 있다.

셋째, 종래 액정표시장치의 백라이트유닛에서 사용되는 확산판, 확산시트, 프리즘시트, 반사형 편광시트 등을 제거할 수 있어서 제작단가를 대폭 낮출 수 있다.

다섯째, 3색 광원으로 각 색에 대응하는 LED를 사용함으로써, 넓어진 색영역을 구현할 수 있기 때문에 향상된 화질을 달성할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치를 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치를 나타낸 구조도, 도 4는 도 3에 나타낸 3색광원, 광섬유어레이, 광혼합기 및 광도파로어레이의 배치도, 도 5는 도 3에 나타낸 광혼합기의 구조 및 작용을 설명하기 위한 평면도, 도 6a 및 도 6b는 도 5의 측면도로서, 광섬유의 상하배열 수에 따른 각각의 실시예를 나타낸 도면들, 도 7a 및 도 7b는 도 3에 나타낸 광섬유를 광혼합기의 광출력단에 배치하는 방법에 대한 각각의 실시예를 나타낸 도면들, 도 8은 도 3에 나타낸 광섬유의 출력단에서의 고정방법을 도시한 도면, 도 9는 도 3에 나타낸 3색광원, 광섬유어레이, 광혼합기 및 광도파로어레이의 광학적 연결상태를 나타낸 개념도이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치는, 액정패널(200)과, 백라이트유닛(300)과, 광도파로어레이(100)를 구비한다.

상기 액정패널(200)은, 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)에 각각 대응하는 다수의 액정하위픽셀(210;210R,210G,210B)을 포함한다. 상기 액정패널(200)에서는, 도 1 및 도 2에 도시된 종래 컬러필터(24;도 1 및 도 2 참조)가 제거된다. 여기서 종래기술에 언급된 구성요소와 동일한 상기 액정패널(200)의 구성요소에 대해서는 반 복적인 설명을 생략하도록 한다. 다만 컬러필터(24) 사이에 설치되는 블랙매트릭스(24d; 도 1 및 도 2 참조)는 액정하위픽셀(210;210R,210G,210B) 사이의 색혼신을 제거하고 콘트라스트(Contrast)를 높이기 위하여 존재할 수 있다.

상기 백라이트유닛(300)은 액정패널(200)의 하부에 배치되며, 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)을 조사하는 다수의 3색광원(310;310R,310G,310B)을 포함한다. 이러한 3색광원(310)으로는 적색, 녹색, 청색의 LED를 사용할 수 있다.

상기 광도파로어레이(100)는, 서로 나란하게 설치되는 다수의 광도파로(110;110R,110G,110B)를 포함한다. 상기 각 광도파로(110;110R,110G,110B)는 대응하는 각 액정하위픽셀(210)과 동일한 간격으로 서로 나란하게 설치되어 3색광원(310)으로부터 조사된 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)을 각 색에 대응하는 액정하위픽셀(210) 쪽으로 각각 분기하는 분기구조를 갖는다.

상기한 바와 같은 본 발명의 제1실시예에서, 상기 액정표시장치는, 다수의 3색광원(310)으로부터 나오는 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)을 내부 전반사와 광의 진행 효과에 의해 각 색별로 균일하게 혼합하여 각 색별로 상기 광도파로어레이(100), 보다 상세하게는 각 광도파로(110) 쪽으로 균등하게 분배하는 다수의 광혼합기(400;400R,400G,400B)를 더 구비할 수 있다. 이러한 광혼합기(400)는 투명한 재질로 제작되며 육면체 구조를 가질 수 있다. 또한 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)에 각각 대응하는 광혼합기(400R,400G,400B)는 기본적으로 최소 한 대씩 있으며, 액정표시장치의 크기가 커짐에 따라 추가로 설치될 수 있다.

또한 상기 액정표시장치는, 광섬유어레이(500)를 더 구비할 수 있다. 이러한 광섬유어레이(500)는 다수의 광섬유(510;510R,510G,510B)를 포함한다. 각 광섬유(510;510R,510G,510B)는 3색광원(310)으로부터 조사된 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)을 각 색에 대응하여 상기 광도파로어레이(100)의 각 광도파로(110)에 전달한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 광혼합기(400; 400R,400G,400B)는 상기 광섬유어레이(500; 510R,510G,510B)의 광섬유(510)의 입구단에 설치되는 것이 바람직하다. 이렇게 설치된 광혼합기(400)는 다수의 3색광원(310)으로부터 나오는 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)을 각 색별로 균일하게 혼합하여 상기 다수의 광섬유(510) 쪽으로 균등하게 분배하는 역할을 수행한다. 그리고 도 5에 도시된 것과 같이, 광입력 효율을 높이기 위해서 광혼합기(400)의 광입력면은 무반사 코팅처리가 될 수 있고, 광입력면의 표면을 평면 대신에 폭 수 마이크론에서 수 밀리미터를 갖는 프리즘 어레이, 혹은 직경 수 마이크론에서 수 밀리미터의 마이크로 렌즈 어레이, 혹은 직경 수 마이크론에서 수 밀리미터의 렌티큘러 렌즈 어레이 등을 설치하여 광혼합 효과를 증대시킬 수도 있다.

상기 광혼합기(400)의 광출력면 앞에 배치하는 광섬유(510)는 도 6a에 도시된 바와 같이 한 줄로 배열하거나, 도 6b에 도시된 바와 같이 두 줄로 배열할 수 있으며, 나아가 세 줄 이상으로 배열할 수도 있다. 또한 광의 손실을 최소화하기 위하여 최대한 광섬유(510)는 서로 가까이 근접하도록 배치하여야 한다. 이를 위해 혼합기(140)의 광출력면 가까이 설치되는 광섬유(510)는, 도 7a 에서와 같이 일렬로 설치되거나(1 x N개), 도 7b에서와 같이 2열로 설치될 수 있다(2 x N 개). 이를 일반화 하면 M 열로 설치할 수 있다(M x N 개). 고화질 TV(Full HD TV)의 경우, 수평방향의 픽셀 수가 1920개이므로 M x N = 1,920의 관계가 성립한다. 예를 들어서, M=2이고, 광섬유(510)의 직경이 0.1mm 이면, 수평방향의 광섬유(510)의 수 N=960이 되어 광혼합기(400)의 출력면의 가로 폭은 96mm가 된다. 광섬유(510)의 직경은 액정표시장치의 액정하위픽셀(210) 바로 아래에 설치되는 광도파로(110)의 폭보다 같거나 약간 작아야 한다.

그리고 상기 광섬유(510)는, 도시되지는 않았지만 1개의 입력단과 다수의 출력단을 갖는 분기형 광섬유일 수 있다. 하나의 광섬유(510)를 분기하여 다수의 광섬유로 나눌 경우 광혼합기의 광출력면 앞에 배치되는 광섬유의 직경은 광도파로(110)의 폭보다 커질 수도 있다. 다만 이 경우에도 다수로 분기되어 광도파로(110) 속으로 광을 넣는 광섬유(510)의 끝단의 직경은 광 결합의 손실을 줄이기 위해서 반드시 광도파로(110)의 입력단의 폭보다 작아야 한다. 광섬유를 분기하는 방법은 하나의 입력단을 갖는 광섬유로부터 가지를 나누어 다수의 출력단을 갖는 형태가 가능하고, 다수의 출력단에서 나오는 광의 세기는 모두 동일하여야 한다.

한편, 상기 액정표시장치는, 상기 광도파로어레이(100)의 광도파로(110), 3색광원(310) 및 광섬유어레이(500)의 광섬유(510)를 설치하기 위하여, 후면판(600)을 더 구비할 수 있다. 이러한 후면판(600)은, 그 상면에 상기 광도파로 어레이(110)의 광도파로 및 광섬유어레이(500)의 광섬유(510)를 고정시키고, 그 하부에 상기 3색광원(310)과 광혼합기(400)가 배치되도록 한다.

그리고 상기 후면판(600)은 광섬유고정자(610)를 구비하여, 광섬유어레 이(500)의 광섬유(510)의 출구단이 고정되도록 할 수 있다. 이를 위해 상기 광섬유고정자(610)에는, 도 8에 도시된 바와 같이 각 광섬유(510)의 출구단에 대응하는 다수의 고정홈(610a)이 형성된 것이 바람직하다. 상기 고정홈(610a)은 V 자 혹은 U 자 형태를 가지고 광도파로 어레이(110) 및 액정하위픽셀과 동일한 간격으로 형성된다. 상기 광섬유(510)의출구단은 하부의 광섬유고정자(610)에 형성된 고정홈(610a) 속에 배치된 상태에서 상부의 광섬유고정자(610)가 광섬유(510)를 고정시킴으로써 , 그 이탈이나 이동이 방지될 수 있다.

이하 지금까지 상술된 본 발명의 제1실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치의 작용에 대해 도 9를 참조하여 설명하도록 한다. 여기서 상기 3색광원(310)으로는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 LED가 사용될 수 있는데, 각각 서로 다른 색의 LED를 이용하여 구현하는 원리가 동일하므로, 설명의 편의를 위해 적색(R) LED에서 나오는 적색광을 이용해서 본 발명의 제1실시예에 따른 작용을 설명하도록 한다.

상기 후면판(600)의 하면(600a)에 설치된 다수의 R-LED(310R)에서 나오는 적색광은 R-광혼합기(400R)로 들어가서 골고루 혼합되어 반대방향에 위치한 광출력면으로 나와서 다수의 R-광섬유(510R) 속으로 들어간다. 이 때 상기 광혼합기(400)를 사용함으로써 광섬유(510) 속으로 들어가는 광을 균일하게 배분할 수 있으며, 각각의 LED가 갖는 밝기차이, 파장차이, 수명변화차이 등의 광학적 특성의 차이를 평균화할 수 있다.

상기 R-광섬유(510R) 속에서 내부 전반사에 의하여 유도되는 적색광은 후면 판(600)의 상면(600b)에 설치된 R-광도파로(110R) 속으로 들어가고, 다시 R-광도파로(110R) 속에서 내부 전반사에 의해서 유도되는 적색광은 R-광도파로(110R)의 하면 혹은 상면에 주기적으로 설치된 광분기 구조(예 : 반사프리즘;121)에 의하여 수직으로 분기되어서 액정패널(200)의 다수의 R-액정하위픽셀(210R) 속으로 입사한다.

같은 방법으로, G-LED(310G)에서 나온 광은 G-광혼합기(400G)에서 혼합된 후, G-광섬유(510G)를 거쳐 G-광도파로(110G) 속으로 유도되어 G-액정하위픽셀(210G) 속으로 입사하고, B-LED(310B)에서 나온 광도 동일한 과정을 거쳐 B-액정하위픽셀(210B)로 입사한다.

이와 같이, R, G, B-LED(310R,310G,310B)에서 나온 적색, 녹색, 청색광은, 도 9에 도시된 바와 같이 각각 순서대로 R, G, B-광혼합기(400R,400G,400B), R, G, B-광섬유(500R,500G,500B), R, G, B-광도파로(110R,110G,110B)를 순차적으로 거쳐 R, G, B-액정하위픽셀(210R,210G,210B)로 입사하여 컬러필터 없이도 컬러영상을 구현할 수 있다. 또한 R, G, B-광도파로(110R,110G,110B)에서 분기된 광이 직접 R, G, B-액정하위픽셀(210R,210G,210B)로 들어가므로 종래에 필요로 하던 다양한 광 시트들도 필요 없게 된다.

이하 본 발명의 제2실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치에 대해 설명하도록 한다.

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치를 나타낸 구조도이고, 도 11은 도 10에 나타낸 컬러필터 없는 액정표시장치의 측단면도이 다. 다만, 여기에서 도 3 내지 도 9에 나타낸 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 구성을 갖고 및 동일한 작용을 하는 동일부재를 나타내므로, 반복적인 설명은 생략하도록 한다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치도, 액정패널(200)과, 백라이트유닛(300)과, 광도파로어레이(100)를 구비하며, 아울러 광혼합기(400)와, 광섬유어레이(500)와, 후면판(600)을 선택적으로 더 구비할 수 있다.

또한 상기 액정표시장치는 각 색의 광에 대응하는 액정하위픽셀(210) 사이의 광혼합을 방지하는 렌티큘러렌즈어레이시트(700)를 더 구비할 수 있다.

상기 렌티큘러렌즈어레이시트(700)에 포함되는 각 렌티큘러렌즈(710)는 광도파로(110R,110G,110B) 및 액정하위픽셀(210)과 동일한 간격으로 배치된다. 상기 렌티큘러렌즈어레이시트(700)에는 다수의 렌티큘러렌즈(710)이외에 차광막(720)과, 차단벽(730)을 더 포함할 수 있다. 상기 차광막(720)은 상기 렌티큘러렌즈(710) 사이에 배치되어 불필요한 광을 흡수하는 역할을 수행하고, 상기 차단벽(730)은 렌티큘러렌즈(710)의 경계면 내부에 수직한 방향으로 설치되어 광을 흡수하는 역할을 한다.

위와 같은 본 발명의 제2실시예에서 상기 광도파로어레이(100)는. 각 색에 대응하는 광의 분기를 위하여 광도파로기판(120)을 더 구비할 수 있다. 이러한 광도파로기판(120)은 각 광도파로(110)의 하부에 배치되고, 그 상면에 음각 또는 양각으로 복수의 반사프리즘(121)이 주기적으로 형성되어 있다. 그리고 상기 광도파 로기판(120)은 후면판(600) 표면의 거칠기나 광학적 특성이 광의 도파에 부적절할 경우에 대비하여 각 광도파로(110)를 구성하는 재질보다 광학적 굴절률이 높고 표면의 평면도가 우수한 유전체 물질이나, 가시광 영역에서 반사율이 높은 알루미늄, 은, 구리, 금 등 금속 혹은 금속 박막으로 만들어진 것이 바람직하다. 한편 광도파로(110) 내부를 진행하는 광이 광도파로기판(120)으로 빠져나가지 않도록 광도파로기판(120)에 광 반사층(122)을 설치할 수 있다.

여기서 상기 광도파로어레이(100)의 광도파로(110)는, 그 하부의 폭과 길이가 상기 각 광도파로(110)와 같도록 상기 각 광도파로(110)의 상면에 설치되고 볼록한 형상을 갖는 다수의 렌티큘러렌즈부(130)를 더 포함할 수 있다. 이 때 상기 광도파로(110)의 높이(H)와 상기 렌티큘러렌즈부(130)의 초점거리(f)는 동일한 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 상기 반사프리즘(121)에서 반사하여 수직으로 올라가는 각 광이 서로 나란하게 평행해질 수가 있다.

이하 본 발명의 제2실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치에 대한 작용을 설명하도록 한다. 여기서도, 본 발명의 제1실시예에서 설명된 내용과 중복되는 내용의 반복적인 설명은 생략하도록 한다. 또한 설명의 편의를 위해, 적색(R) LED에서 나오는 적색광을 이용해서 본 발명의 제2실시예에 따른 작용을 설명하도록 한다.

도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, R-광섬유(510R)를 따라 유도되어 온 적색광(R)은 후면판(600)의 상면에 설치된 R-광도파(110R)로 속으로 전달되고, R-광도파로(110R) 속으로 유도되는 적색광(R)은 R-광도파로(110R)의 하부에 구비된 광 도파로기판(120)의 상면에 주기적으로 형성된 반사프리즘(121)과 같은 광 분기구조에 의해서 수직 상방으로 분기되어 R-액정하위픽셀(210R) 속으로 들어간다.

여기서 상기 R-광도파로(110R)의 상면은 렌티큘러렌즈부(130)가 일체형으로 설치되어 있기 때문에 광은 옆으로 확산되지 않고 평행광이 되어 수직으로 올라가서 R-액정하위픽셀(210R) 속으로만 들어가게 된다.

좀 더 부연하여, 내부 전반사에 의해 광도파로(110) 내부를 진행하는 광의 분기방법에 대하여 설명하도록 한다. 입력된 광은 광도파로(110) 속에서 내부 전반사에 의해서 진행하는 동안 광도파로(110) 하부에 설치된 광도파로기판(120)의 상면에 양각 또는 음각 형태로 형성된 반사프리즘(121)에 의해서 반사하여 수직 상방으로 분기하여 나온다. 이때 광도파로(110)의 입력면에서 멀어짐에 따라 광의 세기가 약해지므로 반사프리즘 단면의 넓이(s)와 높이(d)를 점차 크게 하거나, 반사프리즘의 수를 점점 많게 함으로써 수직으로 분기되는 광의 비율을 점차 확대하여 전체적으로 수직으로 분기되는 광의 균일성을 달성할 수 있다. 반사프리즘(121)의 구조는 좌우 대칭인 형태 혹은 비대칭인 형태로 할 수 있으며, 반사된 광이 수직 상방으로 나올 수 있도록 입사하는 광이 반사프리즘(121)의 한쪽 면에서만 반사하도록 하여야 한다. 반사프리즘(121)에서 광이 반사하는 면의 경사각도는 수직방향의 반사광이 많이 발생하도록 10도에서 45도 사이에서 결정된다. 상기 반사프리즘(121)에서 수직상방으로 분기한 광은 광도파로(110)의 상면에 일체형으로 설치된 렌티큘러렌즈부(130)에 의하여 평행광이 되어서 액정하위픽셀(210)을 통과하여 시야각이 줄어들므로 액정패널(200)의 전면유리기판의 외부에 확산시트를 부착하여 필요한 시야각을 확보할 수 있다.

또한 상기 광도파로(110)의 폭 W는 액정하위픽셀(210)의 폭과 동일하거나, 약간 작게 만들어 주어야 좌우로 퍼지는 광이 이웃한 액정하위픽셀(210)로 들어가서 발생할 수 있는 색혼신을 충분히 방지할 수 있다. 색혼신을 방지하기 위하여서는 광도파로(110)에서 액정패널(200)로 분기하는 광이 가능한 한 평행광에 가깝도록 하여 광의 발산각을 줄여야 한다. 이 목적을 달성할 수 있는 광도파로의 구조는, 광도파로의 높이 H를 광도파로 윗면에 광도파로와 일체형으로 설치된 렌티큘러렌즈부(130)의 초점거리(f)와 일치시킴으로써 가능하다. 예를 들어, 광도파로의 굴절률을 n이라고 하고, 곡률 반경을 r이라고 할 때, 상기 렌티큘러 렌즈(130)의 초점거리(f)는

이 된다. 여기서 굴절률의 값을 n=1.5 로 가정하면, f = 3r이 되는데, 바로 이 값이 광도파로의 높이 H와 같다. 실제 제작되는 광도파로의 높이는 H = 3r 보다 다소 작거나 커질 수 있다. 렌티큘러렌즈부(130)의 곡률반경은 광도파로(110) 폭(W)의 반에 해당되므로 W = 2r이 된다. 예를 들어서, W = 0.1mm이면, r = 0.05 mm가 된다. 50 인치 급의 액정표시장치는 액정하위픽셀의 폭이 약 0.15mm 정도이므로, 광도파로(110) 폭(W)은 이 값보다 작아야 하며, 약 0.05mm ~ 0.15mm 정도의 값이 허용된다.

한편, 액정하위픽셀(210R,210G,210B)을 통과한 광은 전면유리기판 외부에 부착된 확산시트에 의하여 확산되어 필요한 휘도와 시야각을 형성하게 된다. 이때, 광도파로(110) 상면에 설치된 렌티큘러렌즈부(130)의 집광 능력이 충분하지 않을 경우가 발생할 수 있다. 위와 같은 경우 상기 렌티큘러렌즈어레이시트(700)에 구비되고 액정하위픽셀(210)과 동일한 간격으로 설치된 다수의 렌티큘러렌즈(710)는 집광 성능을 개선할 수 있다. 또한 렌티큘러렌즈(710)의 과대한 수차로 인하여 경사진 각도로 진행하는 광을 제거함으로써 액정하위픽셀(210) 사이의 색혼신을 최소화하고 콘트라스트를 향상시키기 위하여 렌티큘러렌즈(710) 사이에 차단벽(730)을 설치하고 차광막(720)을 설치하는 것도 가능하다.

이하 본 발명의 제3실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치에 대해 설명하도록 한다.

도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치를 나타낸 구조도이다. 다만, 여기에서도 도 3 내지 도 11에 나타낸 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 구성을 갖고 및 동일한 작용을 하는 동일부재를 나타내므로, 반복적인 설명은 생략하도록 한다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치도, 액정패널(200)과, 백라이트유닛(300)과, 광도파로어레이(100), 렌티큘러렌즈어레이시트(700)를 구비하며, 아울러 광혼합기(400)와, 광섬유어레이(500)와, 후면판(600)을 선택적으로 더 구비할 수 있다.

위와 같은 본 발명의 제3실시예에서, 상기 광도파로어레이(100)의 광도파로(110)에는, 그 상부에 음각 또는 양각으로 복수의 오목프리즘(140)이 주기적으로 형성된다.

오목프리즘(140)의 크기(s2 x d2)는 광도파로(110)의 입구로부터 멀어질수록 커지도록 하거나, 하나의 액정하위픽셀(210)에 대응하는 오목프리즘(140)의 수를 증가시킴으로써 액정하위픽셀(210)로 분기되는 광의 세기를 균등하게 할 수 있다. 다만 오목프리즘(140)을 사용할 경우, 분기되는 광의 좌우 발산각(e)이 커져서 이웃한 액정하위픽셀(210) 사이의 색혼신이 발생할 가능성이 있으며, 렌티큘러렌즈어레이시트(700)를 설치함으로써 평행광을 만들어 색혼신을 제거할 수 있다.

지금까지 본 발명의 제1, 제2,제3실시예에서 살펴본 바와 같이, 광도파로(110) 내부로 진행되는 광을 액정패널(200) 쪽으로 분기하기 위한 광분기구조로는 상기 반사프리즘(121)과 오목프리즘(140)의 구조가 있다. 다만, 이러한 구조 이외에도 실린더 형태의 반사면, 마이크로 렌즈 어레이, 표면이 산란 반사 처리된 평면 페인트 닷(Paint dots), 엠보싱(Embossing) 면 등의 다양한 형태가 가능하다.

다만, 상기 광분기구조물 가운데 어느 것을 설치함에 있어서도 반드시 분기되는 광의 세기가 균일하도록 광도파로(110)를 따라서 각각의 액정하위픽셀(210)에 해당하는 광분기 구조의 면적이 점차 커지도록 하여야 한다. 이렇게 하기 위해서는 각각의 액정하위픽셀(210) 아래에 위치한 해당 광도파로(110)의 단면적을 "A" 라고 하고, n 번째 액정하위픽셀(210) 밑의 광분기 구조의 단면적을 S_n 라고 하면, 광을 균일하게 액정하위픽셀(210)로 분기하기 위한 조건은 대략

의 관계식을 만족시켜야 한다. 여기서 N은 광도파로 방향을 따른 총 액정하위픽셀(210)의 개수이고, D는 비례상수이다. 즉, 광분기 구조의 면적과 위치(n)은 대략적 반비례 관계에 있다.

끝으로, 도 13 에는 Light Tools 광학설계 프로그램을 사용하여 설계된 단일 광도파로 내부에서 P=0.5mm 의 등간격으로 배치된 반사프리즘에서 수직으로 분기된 광에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 광도파로(110) 바로 위에 설치되는 액정패널(200)의 위치에서 액정하위픽셀(210)과 동일한 등 간격 P = 0.5mm 으로 광이 분기되어 나오는 조도 분포를 보여주고 있다. 또한 각 액정하위픽셀(210) 위치에서 균등한 크기로 분기되고 있음이 나타나 있다. 더욱이 조도분포의 좌우방향의 폭이 0.1mm 정도이며, 이 값은 액정 하위픽셀의 폭 0.15mm보다 작아서 이웃한 다른 색의 액정하위픽셀과의 색혼신에 문제가 없음을 나타내고 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 종래 직하형 액정 디스플레이 장치의 일례를 나타낸 구조도,

도 2는 일반적인 컬러필터의 구조를 나타낸 평면도,

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치를 나타낸 구조도,

도 4는 도 3에 나타낸 3색광원, 광섬유어레이, 광혼합기 및 광도파로어레이의 배치도,

도 5는 도 3에 나타낸 광혼합기의 구조 및 작용을 설명하기 위한 평면도,

도 6a 및 도 6b는 도 5의 측면도로서, 광섬유의 상하배열 수에 따른 각각의 실시예를 나타낸 도면들,

도 7a 및 도 7b는 도 3에 나타낸 광섬유의 광 출력단에서의 배치방법에 대한 각각의 실시예를 나타낸 도면들,

도 8은 도 3에 나타낸 광섬유의 출력단에서의 고정방법을 도시한 도면,

도 9는 도 3에 나타낸 3색광원, 광섬유어레이, 광혼합기 및 광도파로어레이의 광학적 연결상태를 나타낸 개념도,

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치를 나타낸 구조도,

도 11은 도 10에 나타낸 컬러필터 없는 액정표시장치의 측단면도,

도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 컬러필터 없는 액정표시장치를 나타낸 구조도,

도 13은 단일 광도파로에서의 광분기 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100...광도파로에레이 110...광도파로

120...광도파로기판 121...반사프리즘

130...렌티큘러렌즈부 140...오목프리즘

200...액정패널 210...액정하위픽셀

300...백라이트유닛 310...3색광원

400...광혼합기 500...광섬유어레이

510...광섬유 600...후면판

610...광섬유고정자 700...렌티큘러렌즈어레이시트

710...렌티큘러렌즈 720...차광막

730...차단벽

Claims

적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)에 각각 대응하는 다수의 액정하위픽셀(210;210R,210G,210B)을 포함하고 컬러필터가 없는 액정패널(200);

상기 액정패널(200)의 하부에 배치되며, 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)을 조사하는 다수의 3색광원(310;310R,310G,310B)을 포함하는 백라이트유닛(300); 및

상기 다수의 액정하위픽셀(210)과 동일한 간격으로 설치되어, 상기 3색광원(310)으로부터 조사된 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)을 내부전반사를 통해 유도하면서 상기 다수의 액정하위픽셀(210)로 수직 분기하며 서로 나란하게 설치되는 다수의 광도파로 (110;110R,110G,110B)를 포함하는 광도파로어레이(100)를 구비하며,

상기 광도파로어레이(100)는. 상기 각 광도파로(110)의 하부에 배치되고, 그 상면에 음각 또는 양각으로 복수의 반사프리즘(121)이 주기적으로 형성된 다수의 광도파로기판(120)을 더 구비하는 컬러필터 없는 액정표시장치.
제1항에 있어서,

상기 3색광원(310)으로부터 조사된 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)을 각 색에 대응하여 상기 광도파로어레이(100)의 각 광도파로(110)에 전달하는 다수의 광섬유(510;510R,510G,510B)가 포함된 광섬유어레이(500)를 더 구비하는 컬러필터 없는 액정표시장치.
제 2항에 있어서, 상기 광섬유(510)는,

1개의 입력단과 다수의 출력단을 갖는 분기형 광섬유인 것을 특징으로 하는 컬러필터 없는 액정표시장치.
제2항에 있어서,

상기 광섬유어레이(500)의 광섬유(510)의 입구단에 설치되어, 상기 다수의 3색광원(310)으로부터 나오는 적색, 녹색, 청색의 광(R,G,B)을 각 색별로 균일하게 혼합하여 상기 광섬유(510) 쪽으로 균등하게 분배하는 다수의 광혼합기(400)를 더 구비하는 컬러필터 없는 액정표시장치.
제2항에 있어서,

그 상면에 상기 광도파로어레이(100) 및 광섬유어레이(500)의 광섬유(510)가 고정되고, 하부에 상기 3색광원(310)이 배치되는 후면판(600)을 더 구비하는 컬러필터 없는 액정표시장치
제5항에 있어서, 상기 후면판(600)은,

상기 광섬유어레이(500)의 광섬유(510)의 출구단을 상면 가장자리에 고정하는 광섬유고정자(610)를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러필터 없는 액정표시장치.
제6항에 있어서, 상기 광섬유고정자(610)에는

상기 각 광섬유(510)의 출구단에 대응하는 다수의 고정홈(610a)이 형성된 것 을 특징으로 하는 컬러필터 없는 액정표시장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 액정하위픽셀(210)과 동일한 간격으로 배치된 다수의 렌티큘러렌즈(710)를 포함하는 렌티큘러렌즈어레이시트(700)를 더 구비하는 컬러필터 없는 액정표시장치.
삭제
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광도파로어레이(100)의 광도파로(110)는,

그 하부의 폭과 길이가 상기 각 광도파로(110)와 같도록 상기 각 광도파로(110)의 상면에 설치되고 볼록한 형상을 갖는 다수의 렌티큘러렌즈부(130)를 더 포함하며, 상기 광도파로(110)의 높이(H)와 상기 렌티큘러렌즈부(130)의 초점거리(f)가 동일하여 상기 반사프리즘(121)에서 반사하여 수직으로 올라가는 각 광이 서로 나란하게 평행한 것을 특징으로 하는 컬러필터 없는 액정표시장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광도파로어레이(100)의 광 도파로(110)에는, 그 상부에 음각 또는 양각으로 복수의 오목프리즘(140)이 주기적으로 형성된 것을 특징으로 하는 컬러필터 없는 액정표시장치.