KR100976676B1 - 광 보상 필름 및 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

TN형 액정 디스플레이의 시각을 특히 수직 관찰 방향에서 개선하는 광 보상 필름이 개시된다. 상기 광 보상 필름은 필름 평면에 대해 수직인 평면에서 광축이 기울어진 상태로 배향된 양의 복굴절 물질을 포함하며, (ne - no)d로 정의된 위상 지연 값은 파장 550㎚에서 100 ±20㎚이며, 여기서 ne 및 no는 각각 비정상 굴절률 및 정상 굴절률이고 d는 복굴절 물질의 두께이며, 필름 평면에 대해 평균 경사각은 10 ±5°이다.

Description

광 보상 필름 및 디스플레이{COMPENSATION FILMS FOR LCDS}
본 발명은 TN형 액정 디스플레이(twisted nematic liquid crystal display)에 적용되는 광학 보상 필름에 관한 것이다. 이 보상 필름은 특히 수직 방향의 시각(viewing angle)을 개선한다. 또한, 낮은 평균 경사각과 큰 지연 값 및 두께를 갖고 있어서, 용이한 제작을 가능하게 한다.
다음의 용어는 이하에 진술된 바와 같이 정의된다.
본 명세서에서의 광축(optic axis)은 전파광이 복굴절(birefringence)되지 않는 방향을 지칭한다.
본 명세서에서의 A-평면, C-평면 및 O-평면은, 각각, 광축이 평판의 평면에 있고, 평판 표면에 수직이며, 평판의 평면에 대해 기울어진 평면이다.
본 명세서에서의 편광자(polarizer) 및 검광자(analyzer)는 전자파를 편광하는 소자를 지칭한다. 광원에 더 가까운 소자는 일반적으로 편광자라고 호칭되는 반면, 관찰자(viewer)에게 더 가까운 소자는 검광자라고 호칭된다.
본 명세서에서의 관찰 방향(viewing direction)은 액정 디스플레이(101)와 관련하여 도 1에 도시한 바와 같이, 극성(polar) 시각 α와 방위(azimuthal) 시각 β의 집합으로서 정의된다. 극성 시각 α는 디스플레이 법선 방향(103)으로부터 측정되고, 방위 시각 β는 디스플레이 표면(107)의 평면에 있는 적절한 기준 방향(105)과, 디스플레이 표면(107)으로 향하는 화살표(109)의 투영(108) 사이에서 측정된다. 콘트라스트 비(contrast ratio), 컬러 및 광도(brightness)와 같은 다양한 디스플레이 화상 특성은 각도 α와 β의 함수이다.
방위각 θ 및 경사각 φ는 본 명세서에서 광축의 방향을 나타내는 데 사용된다. 편광자 및 검광자의 투과축에 대해, 그들의 경사각이 0일 때에는 방위각만이 사용된다. 도 2는 x-y-z 좌표계(203)에 대한 광축(201)의 방향을 나타내는 방위각 φ 및 경사각 θ의 정의를 도시한다. x-y 평면은 디스플레이 표면(107)에 평행하며, z-축은 디스플레이 법선 방향(103)에 평행하다. 방위각 φ는 x-축과, 광축(201)의 x-y 평면 상의 투영 사이의 각도이다. 경사각 θ는 광축(201)과 x-y 평면 사이의 각도이다.
본 명세서에서의 ON(OFF) 상태는 액정 디스플레이(101)에 전계가 인가된(인가되지 않은) 상태를 지칭한다.
본 명세서에서 아이소콘트라스트 플롯(isocontrast plot)은 상이한 관찰 방향에서의 콘트라스트 비의 변화를 나타낸다. 콘트라스트 비가 일정(예를 들어, 10, 50, 100)한 아이소콘트라스트 라인은, 극성 형태로 플롯된다. 동심원은 극성 시각 α= 20°, 40°, 60° 및 80°(가장 바깥쪽의 원)에 대응하고, 반경 방향의 라인은 방위 시각 β= 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° 및 315°를 나타낸다.
액정은 전자 디스플레이에 널리 사용된다. 이들 디스플레이 시스템에서, 액정 셀은 전형적으로 편광자 및 검광자 쌍 사이에 위치한다. 편광자에 의해 편광된 입사광은 액정 셀을 통과하여, 셀에 걸리는 전압의 인가에 의해 변경될 수 있는 액정의 분자 배향에 의한 영향을 받는다. 변경된 빛은 검광자에 들어간다. 이 원리를 이용하여, 주위광(ambient light)을 포함한 외부 광원으로부터의 광의 투과를 제어할 수 있다. 이 제어를 달성하는 데 필요한 에너지는 음극선관(CRT)과 같은 다른 디스플레이 유형에 사용되는 발광성 물질에 필요한 것보다 일반적으로 훨씬 적다. 따라서 액정 기술은, 경량, 저전력 소비 및 긴 작동 수명이 중요한 특징이 되는 디지털시계, 계산기, 휴대용 컴퓨터, 전자 게임을 포함하되 이러한 것으로 제한되는 것은 아닌 다수의 전자 이미지화 장치에 사용된다.
콘트라스트, 컬러 재생 및 안정한 그레이 스케일 강도는 액정 기술을 이용하는 전자 디스플레이에 중요한 품질 특성이다. 액정 디스플레이(LCD)의 콘트라스트를 제한하는 주요 요인은 액정 성분 또는 셀을 통해 빛이 "누광(leak)"되는 성향으로서, 이 액정 성분 또는 셀은 어둡거나 "흑색"인 화소 상태에 있다. 또한, 누광 및 이로 인한 액정 디스플레이의 콘트라스트는 디스플레이 화면이 보이는 각도에도 의존한다. 전형적으로 최적의 콘트라스트는 디스플레이에 대한 법선 입사(α= 0°)를 중심으로 하는 좁은 시각 내에서만 관찰되며, 시각이 증가하면 급속히 떨어진다. 컬러 디스플레이에 있어서, 누광 문제는 콘트라스트를 열화시킬 뿐 아니라 컬러 또는 색조(hue) 변화 및 관련된 컬러 재생 열화를 유발한다.
LCD는 데스크탑 컴퓨터 및 그 밖의 사무용 또는 가정용 전기 제품의 모니터로서 급속히 CRT를 대체하고 있다. 가까운 미래에는 더 넓은 화면 크기를 갖는 LCD 텔레비전 모니터의 수가 급격히 증가할 것이라는 점도 예상된다. 그러나 착색(coloration), 콘트라스트 열화 및 광도의 반전(inversion)과 같은 시각 의존성에 대한 문제가 해결되지 않는다면, 전통적인 CRT의 대체품으로서 LCD의 이용은 제한될 것이다.
각종 LCD 모드 중에서, TN(Twisted Nematic)형 LCD는 가장 보편적인 것들이다. 도 3a는 TN-LCD(313)의 개략도이다. 액정 셀(301)은 편광자(303)와 검광자(305) 사이에 위치한다. 그들의 투과축(307, 309)은 교차되는 것으로, 이는 편광자 및 검광자의 투과축(또는, 동일하게, 흡수축)이 각도 90 ±10°를 형성한다는 것을 의미한다. 액정 셀 내부에서, 액정의 광축은 OFF 상태에서 셀 두께 방향에 대해 90°의 방위 회전을 나타낸다. 도 3a에서는, 셀 표면에 있는 액정 광축(311)의 방향이 단일 헤드 화살표(single head arrow)로 표시된다. 표면에서, 액정 광축(311)은 셀 표면에 대해 작은 경사각 θs를 형성함으로써, 역방향 트위스트(reverse twist)를 방지한다. 즉, 기울기는 셀 두께 방향에서의 액정 광축의 방위 회전 방향(시계 방향 또는 반시계 방향)과 일치한다. 편광되지 않은 입사광이 편광자(303)에 의해 직선으로 편광되며, 그 편광광의 편광면은 액정 셀(301)을 통과하면서 90° 회전한다. 셀(301)로부터의 사출광의 편광면은 검광자(305)의 투과축(309)에 평행하며 검광자(305)를 투과할 것이다. 충분히 높은 전압이 인가되면, 액정은 경계 평면의 인접한 곳을 제외한 셀 평면에 대해 수직이 된다. 이 ON 상태에서, 분광된 입사광이 필수적으로 복굴절을 보이는 것은 아니며, 이에 따라 검광자에 의해 차단된다. 이 모드(밝은 OFF 상태 및 어두운 ON 상태)는 NW-TN-LCD(Normally White Twisted Nematic Liquid Crystal Display) 모드라고 호칭된다.
디스플레이 법선 관찰 방향(α= 0°)에서, ON 상태와 OFF 상태 사이에서 높은 콘트라스트를 얻을 수 있다. 그러나 디스플레이를 사선 방향으로부터 볼 때, 전파광은 ON 상태에서 복굴절을 보이게 되어, 검광자에 의해 완전히 차단되지는 않는다. 이 누광은 사선 방향에서 낮은 콘트라스트 비를 제공한다. 당 분야에 잘 알려져 있는 바와 같이, 누광으로 인한 콘트라스트 비의 열화는 TN-LCD에서 수평 방향(β= 0°, 180°)에서보다는 수직 관찰 방향(방위각 β= 90°, 270°)에서 더욱 현저하다. 방위각 β는, 편광자(303) 및 검광자(305)의 투과축(307, 309)에 대해 45°에 있도록 선택된 기준 방향(205)(도 1에 도시함)으로부터 측정된다. 디스플레이(313)의 아이소콘트라스트 플롯이 도 3b에 도시된다. 라인(315, 317, 319)은 각각 콘트라스트 비 10, 50 및 100에 대한 아이소콘트라스트 비 라인이다. 디스플레이는 많은 용도에서 요구되는 범위에서 콘트라스트 비를 10으로 또는 더 높게 유지하지 못한다. 콘트라스트 비는 관찰 방향이 법선 방향으로부터 벗어나면 급격히 열화된다. 이 열화는 상측의 수직 관찰 방향(β= 90°)에서 특히 현저하다.
TN-LCD의 시각 특성을 개선하기 위한 보편적인 방법 중의 하나는 보상 필름을 사용하는 것이다. 몇몇 경우, 보상 필름은 기판 상에 놓인 광 이방성 층으로 구성된다. 기판은 트리아세틸 셀룰로오스와 같은 가요성 필름 또는 유리와 같은 고체일 수 있다. 광 이방성 층은 일반적으로 액정 폴리머로 만들어진다. (이방성 층을 A, C 또는 O-평면으로 만드는) 희망 방향으로 액정 폴리머의 광축을 정렬하는 것은 필수적이기 때문에, 흔히 광 이방성 층과 기판 사이, 또는 2개의 광 이방성 층들 사이에 정렬층이 배치된다. 이방성 층의 두께는 이방성 층의 구성 물질과 그 구성 물질이 사용된 LCD의 성질에 의존한다. 보상 필름은 전형적으로 액정 셀과 편광자들 사이의 임의의 장소에 삽입된다. 일반적으로, 보상 필름의 기능은, 액정 셀을 통과하는 동안, 전파광에 의해 받는 위상 지연을 원 상태로 돌려놓는 것이다. NW-TN-LCD의 ON 상태에서 보상 필름을 사용함으로써, 사선으로 전파광에 의해 받는 복굴절이 필름에 의해 제거된다. 이것은 균일한 어두운 상태를 제공하여, 시각 특성이 개선된다.
다양한 보상 방법이 제안되고 있다. 미국 특허 제 5,619,352호는 O-평면의 조합의 사용을 개시한다. 기본적인 생각은 ON 상태 액정 셀의 유사하거나 또는 상보적인 광 대칭성을 갖는 O-평면의 적층에 의해 TN-LCD의 ON 상태를 보상하는 것이다. 이것은 3개의 대표적인 부분(셀 경계 평면에 근접한 2개의 영역 및 셀 중앙부)에 의해 TN-LCD의 ON 상태를 근사화함으로써 수행되었다. 셀의 중앙에서, 액정 광축은 셀 평면에 거의 수직이며, 액정 광축의 방위각이 크게 변한다. 경계 평면에 인접한 곳에서 액정 광축의 기울기는 작고 방위각은 거의 고정되어 있다. 이전의 보상 기술에 비해, 시각 특성뿐 아니라 그레이 스케일의 안정성이 개선되었다.
첸(Chen) 등은 NW-TN-LCD의 어두운 상태를 보상하기 위해, 교차된 O-평면의 사용을 제안했다(SID99, pp. 98-101 “Wide-viewing-angle photo-aligned plastic films for TN-LCDs”). 경사각 θ= 20°를 갖는 O-평면이 사용된다. 도 4a는 O-평면(403)(광 이방성 층이라 지칭되기도 함)을 갖는 TN-LCD(441)의 구조를 나타낸다. 액정 셀(401) 이외에도, 교차된 편광자(411)와 검광자(413) 사이에 4개의 O-평면이 배치된다. O-평면의 광축(415)은 평면에 대해 20° 기울어진다. 편광자 및 검광자의 광축 및 투과축의 방위각은 괄호 안에 주어진다. O-평면의 방위각은 편광자(411) 또는 검광자(413)의 투과축(423, 425)의 방위각과 같다. 도 4b는 디스플레이(441)의 아이소콘트라스트 플롯을 도시한다. 라인(427, 429, 431)은 각각 콘트라스트 비 10, 50 및 100의 아이소콘트라스트 라인이다. O-평면 보상으로, 시각 특성이 개선되었다. 10 또는 더 높은 콘트라스트 비를 갖는 영역은 도 3b에 비해 현저히 확대되었다.
O-평면을 이용하는 종래기술의 보상기는 ON 상태에서 누광을 감소시킴으로써 시각 특성을 개선했다. 그러나 수직 관찰 방향에서의 시각 특성은 만족스럽지 못하다. 예를 들어, 콘트라스트 비는 도 4a에 도시한 디스플레이(441)를 이용하면 넓은 시각 범위 60°≤β≤120° 및 50 °≤α에 대해 10보다 작게 된다. 넓은 범위에서의 이 낮은 시각 특성은 LCD의 용도를 제한한다. 종래기술은 20° 이상의 경사각 θ를 요구한다. 그러나 제조 프로세스에서 높은 경사각을 생성할 때의 반복성이 제한된다는 것은 당 분야에 잘 알려져 있다. 종래기술은 또한 보상 필름으로부터 60㎚의 작은 위상 지연 값을 요구한다. 물질의 복굴절이 0.1인 경우, 하나의 광 이방성 층의 두께는 0.6㎛일 것이다. 그러나, 생산의 관점에서 볼 때, 기판상의 이방성 층의 균일한 코팅은, 코팅 두께가 더 작은 경우에, 기술적으로 더 어렵다. 그 결과, 마이크론 단위 미만의 두께를 요구하는 종래기술의 O-평면 보상은 균일한 코팅을 극도로 어렵게 만든다. 따라서 광 이방성 층에 더 작은 경사각 및 더 큰 코팅 두께를 갖는 더 양호한 시각 특성을 제공하는 새로운 보상 필름에 대한 필요성이 강하다.
이 보상 필름은 특히 수직 관찰 방향에서 TN형 액정 디스플레이의 시각을 개선한다. 또한, 그것은 낮은 평균 경사각과, 큰 지연 값 및 두께를 갖고 있어서, 제조를 용이하게 한다.
본 발명의 목적 중의 하나는, 특히 수직 관찰 방향에서 시각 특성을 개선하기 위해 TN형 액정 디스플레이와 결합하여 사용될 수 있는 보상 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적 중의 다른 하나는, 큰 두께를 갖고 있으며, 이에 따라 더 간단한 공정으로 제작될 수 있는 보상 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적 중의 또 다른 하나는, 낮은 평균 경사각을 갖고 있으며, 이에 따라 필름 성능의 반복성을 증가시키는 보상 필름을 제공하는 것이다.
본 명세서는 본 발명의 주제를 구체적으로 지적하여 명백하게 주장하는 청구범위에서 결론내었지만, 이것은 첨부한 도면과 관련하여 다음의 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이라고 생각된다.
도 1은 시각 방향의 정의를 나타낸 도면,
도 2는 광축의 방향을 나타낸 경사각 및 방위각의 정의를 나타낸 도면,
도 3a는 보상이 없는 종래기술의 TN-LCD를 나타낸 도면,
도 3b는 도 3a에 도시한 종래기술의 TN-LCD의 아이소콘트라스트 플롯도,
도 4a는 O-평면 보상 필름(20° 기울기 및 60㎚)을 구비한 종래기술의 TN-LCD를 나타낸 도면,
도 4b는 도 4a에 도시한 종래기술의 TN-LCD의 아이소콘트라스트 플롯도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 보상 필름의 횡단면 개략도,
도 6a 및 도 6b는 각각 광축의 기울기가 일정하며 두께 방향을 따라 변화하는 본 발명의 보상 필름의 구조를 나타낸 도면,
도 7a는 본 발명에 따른 보상 필름(10° 기울기 및 100㎚)을 구비한 TN-LCD를 나타낸 도면,
도 7b는 본 발명에 따른 보상 필름(10° 기울기 및 100㎚)을 구비한 TN-LCD의 아이소콘트라스트 플롯도,
도 8은 광 이방성 층의 다양한 경사각에 대한 위상 지연(phase retardation) 범위를 나타낸 도면이다. 음영 영역 내에 파라미터를 갖는 보상 필름은 방위 시각 β= 0°, 90°, 180° 및 270°에 대해 극성 시각 α= 55° 또는 더 높게 연장되는 콘트라스트 비 10 라인을 가능하게 한다.
도 9a는 보상 필름(10° 기울기 및 60㎚)을 구비한 TN-LCD의 아이소콘트라스트 플롯도,
도 9b는 보상 필름(20° 기울기 및 100㎚)을 구비한 TN-LCD의 아이소콘트라스트 플롯도이다.
이제, 본 발명의 각종 소자에 참조번호를 부여하고 당업자가 본 발명을 제작하고 사용할 수 있도록 본 발명을 설명하는 도면을 참조한다. 구체적으로 도시하거나 설명하지 않은 소자들이 당업자에게 잘 알려진 형태를 취할 수도 있음이 이해될 것이다.
도 5a는 본 발명에 따른 광학 보상 필름(500)의 횡단면도를 나타낸 것으로, 필름 면에 수직인 평면에서 광축이 기울어진 상태로 배향된 양의 복굴절 물질(positively birefringent material)을 포함한다. 2개의 복굴절 물질층, 즉 광 이방성 층(501, 503)이 기판(509) 상에 배치되어, 필름 면에 평행하게 된다. 각각의 광 이방성 층은 550㎚의 파장에서 (ne-no)d로 정의된 위상 지연 값 100 ±20㎚을 갖는 것으로, 이 때의 ne 및 no는 각각 물질의 비정상 굴절률 및 정상 굴절률이고, d는 복굴절 물질층, 즉, 광 이방성 층의 두께이다. 필름 면에 대한 양의 복굴절 물질의 광축의 평균 경사각 θ는 10 ±5°이다. 평균 경사각은 두께 전체에 대한 경사각의 평균값, 즉,
Figure 112008056440876-pct00001
으로서, 이 때의 θ(z)는 높이 z에서의 경사각이다. 대부분의 경우, 평균 경사각은 광 이방성 층의 양 측면에서의 산술적인 평균 경사각과 거의 동일하다.
당 분야에 잘 알려진 바와 같이, 광학 물질은 최대 3개의 상이한 주요 굴절률을 가질 수 있으며, 이들 굴절률의 관계에 근거하여 등방성과 이방성 중 어느 하나로 분류될 수 있다. 그 3개의 주요 굴절률이 모두 같은 경우, 물질은 등방성인 것으로 간주된다. 이방성인 경우, 물질은 단축(uniaxial) 또는 쌍축(biaxial) 중의 어느 하나일 수 있다. 2개의 주요 굴절률이 같은 경우, 물질은 단축인 것으로 간주된다. 단축(uniaxial) 물질은 no로 나타내어지는 정상 굴절률, 비정상 굴절률 ne, 및 그 광축, 즉 ne의 축의 배향을 나타내는 2개의 각도를 갖는 것으로 고유하게 특징지어진다. ne가 no보다 더 큰 경우, 단축 물질은 양의 복굴절이다. ne가 no보다 작은 경우, 단축 물질은 음의 복굴절이다. 복굴절 작용을 제어하는 것은 광학 필름의 제작 및 사용에 특히 유용하다. 3개의 주요 복굴절 물질이 모두 상이한 경우, 물질은 쌍축인 것으로 간주되며, 그 주요 굴절률 nx0, ny0, nz0와 3개의 배향각에 의해 고유하게 특정된다. 쌍축 물질 중의 일부는 그들의 3개의 주요 굴절률 중의 2개가 매우 가깝다는 것을 의미하는 약한 쌍축성을 나타내며, 이는 흔히 단축 물질에 대한 정상 굴절률과 동일하게 간주된다. 이하에서는,“광 이방성 층”이 복굴절 물질층 을 나타내는 데 사용된다.
계속하여 5a를 참조하면, 기판(509)은 기계적 지지대의 기능을 갖는다. 기판용 물질은 폴리머, 또는 유리 등의 광학적으로 투명한 다른 물질일 수 있다. 바람직하게도, 기판용 물질은 필름의 평면에서 0 또는 보다 작은 복굴절을 갖는다. 기계적으로, 기판용 물질은, 제조 프로세스 및 실제 적용에 있어 충분한 강도를 갖는 한, 가요(flexible) 상태 또는 고체 상태를 취할 수 있다. 폴리머의 예는, 트리아세틸 셀룰로오스, 폴리카보네이트 및 폴리에틸렌이다. 유리는 소다 석회 실리케이트, 보로 실리케이트 유리 및 디스플레이에 부착하기 위한 기타 표준 유리로부터 취할 수 있다. 정렬층(505, 507)은 광 이방성 층(501, 503)에서의 광축의 소정 방위각 φ 및 경사각 θ을 실행한다. 전형적인 경우, 정렬 방향은 정렬층의 표면을 기계적으로 연마함으로써 생성된다. 일반적으로, 정렬층은 폴리비닐 알콜 또는 폴리마이드와 같은 폴리머 물질이다. 연마 속도, 연마 압력 및 그 밖의 제어 가능한 파라미터를 변화시킴으로써, 광 이방성 층(501, 503)에서의 광축의 규정 각도를 형성할 수 있다. 또한, 정렬층 또는 광 정렬 방법의 전자기 복사(electromagnetic radiation)는 광축의 특정 배향을 형성하는 것으로 알려져 있다. 이 경우, 광 이방성 층에서의 광축의 방향은 정렬층의 물질, 노출량, 복사 파장, 정렬층의 두께 및 그 밖의 가능한 파라미터에 의해 제어된다. 정렬층은 복사 파장에 대해 민감할 필요가 있다. 전형적으로, 자외선 영역의 복사선은 신나메이트(cinnamate)기와 같은 UV에 대해 감수성의 기능기를 함유하는 폴리머 정렬층에 사용된다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 정렬층(505, 507)이 없는 보상 필름도 또한 가능하다. 광 이방성 층(501, 503)에서의 광축 방향은 전계, 자계 또는 외부 전단 흐름력(shear flow forces)과 같은 외부적인 힘에 의해 제어된다. 그러면 외부장이 인가되고 있는 동안, 광축 방향은, 예를 들어, 광 이방성 층의 중합 또는 급냉(quenching)에 의해 동결된다.
광 이방성 층은 굴절률, 두께(또는 위상 지연) 및 광축 방향에 의해 특징지어진다. 광축 방향은 그 경사각 θ 및 방위각 φ로 특정된다. 도 6a 및 도 6b는 필름(500)의 구조를 개략적으로 도시한다. 제 1 광 이방성 층(601)의 광축은 제 1 평면(608)에서 기울어지고, 제 2 광 이방성 층(603)의 광축은 제 2 평면(607)에서 기울어진다. 제 1 평면(607) 및 제 2 평면(608)은 양쪽 모두 필름 평면 또는 기판(609)에 대해 수직이다. 제 1 평면(607)과 제 2 평면(608) 사이에 형성된 각도는 90 ±10°이다. 2개의 광 이방성 층들의 방위 방향은 도면에 도시한 바와 같이 서로에 대해 수직이다. 이것은, 2개의 방위 방향 사이에 형성된 각도가 90 ±10°라는 것을 의미한다. 2개의 광 이방성 층(601, 603)은 정렬층(605) 상에 배치된다. 기판(609)은 전체 구조를 지지한다. 화살표는 광 이방성 층에서의 광축의 방향을 나타낸다. 광 이방성 층의 광축은 액정 셀 평면에 및 기판(609) 평면에 수직인 평면에서 기울어진다. 경사각 θ는 θ1로서 일정하게 유지(도 6a)되거나, 광 이방성 층의 두께를 θ2에서 θ3으로 변화(도 6b)시킬 수도 있다. 층(601, 603)에서의 광축의 방위각은 그것의 층에서 일정한 것이 바람직하지만, ±10° 내에서 변화할 수 있다. 제 1 층(601) 및 제 2 층(603)의 광축들 사이의 방위각은 90 ±10°이다.
도 5a 내지 도 6b에 도시한 바와 같이, 유사한 구조를 갖는 보상 필름이 잘 알려져 있으나, 본 발명에 따른 보상 필름(500)의 고유의 광학 특성은 10°의 희망 평균 경사각 θ 및 100㎚의 위상 지연 값을 갖는 것으로, 이는 TN-LCD의 시각 성능을 개선한다. 일정한 경우, 경사각은 바람직하게는 5°< θ1 < 15°, 더욱 바람직하게는 7.5°< θ1 < 13°의 범위에 있다. 변화하는 경사각에는, 2개의 경우가 있는데, 하나는 경사각이 증가하는 경우(θ2 > θ3)이고 다른 하나는 경사각이 감소하는 경우(θ2 < θ3)이다. 두 경우 모두, 경사각의 산술적 평균은 바람직하게는 5°< (θ2 + θ3)/2 < 15°, 더욱 바람직하게는 7.5°< (θ2 + θ3)/2 < 13°이다. 제 1 광 이방성 층(601)에서 증가하는 기울기 및 제 2 광 이방성 층(603)에서의 일정한 기울기와 같은 다양한 경사각의 조합이 보상 필름과 동일하게 기능할 수 있다.
하나의 광 이방성 층의 위상 지연 값은 (ne - no)d로 주어진다. 본 발명에 따른 위상 지연 값의 바람직한 값은 550㎚의 파장에서 100 ±20㎚이다. 따라서 복굴절 ne - no이 0.1인 경우, 하나의 광 이방성 층의 두께는 1 ±0.2㎛ 즉 1000 ±200㎚이다. 이 두께 1㎛는 종래기술의 보상 필름보다 약 67%(대략 0.6㎛) 더 두껍다. 복굴절 ne - no이 0.11인 경우, 하나의 광 이방성 층의 두께는 909 ±182㎚이다.
도 7a는 본 발명에 따른 보상 필름(500)을 구비한 NW-TN-LCD(751)의 개략도이다. 광 이방성 층(701)(도 6a 및 도 6b의 층(601, 603)에 대응함)이 개별적으로 도시되어 있으며, 기판 및 정렬층은 도 7a에 도시되어 있지 않다. TN 액정 셀(709)은 2쌍의 광 이방성 층(701) 사이에 배치된다. 화살표(719)는 셀 표면에서의 액정 광축의 방향을 나타낸다. 광 이방성 층의 광축 방향은 화살표(711)로 표시된다. 도면에서, 광 이방성 층의 광축 경사각은 상수 θ = 10°로서 도시된다. 그러나 전술한 바와 같이, 광축 경사각은 또한 변할 수 있다. 이 경우, 각도 θ는 경사각 θ2 및 θ3(도 6b 참조)의 평균으로 대체된다. 이중 화살표(723, 725)는 편광자(731) 및 검광자(733)의 투과축을 나타내는 것으로, 각각 135°(또는 315°) 및 45°(또는 225°)의 방위각 φ을 갖는다. 광축 및 투과축의 방위각은 괄호 안에 주어져 있다. 광 이방성 층(701)의 광축은 편광자 또는 검광자의 투과축으로서 동일한 방위각 φ(15° 또는 135° 중의 하나)를 갖는다. 광 이방성 층의 위상 지연 (ne - no)d는 100㎚이다.
도 7b는 도 7a에 도시한 디스플레이(751)에 대응하는 아이소콘트라스트 플롯이다. 라인(735, 737, 739)은 각각 콘트라스트 비 10, 50 및 100을 갖는 아이소콘트라스트 비이다.
이에 비해, 도 4b는 경사각 θ= 20° 및 60㎚의 위상 지연 값을 갖는 광 이방성 층(403)에 있는 종래기술의 보상 필름을 구비한 디스플레이(441)(도 4a에 도시함)의 아이소콘트라스트 플롯을 나타낸다. 라인(427, 429, 431)은 각각 콘트라스트 비 10, 50 및 100에 대한 아이소콘트라스트 라인이다.
아이소콘트라스트 라인으로 둘러싸인 영역, 예를 들어 콘트라스트 비 100에 대응하는 라인(739)(도 7b)은 그 대응부(431)로 둘러싸인 영역보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 콘트라스트 비 50에서의 라인(737) 대비 라인(429)과 콘트라스트 비 10에서의 라인(735) 대비 라인(427)은 동일한 경향을 발생한다.
본 발명에 따른 디스플레이(751)와 종래 기술의 디스플레이(441)의 수직 시각 및 평균 시각은 표 1 및 표 2에서 구체적으로 비교된다. 수직 시각은, 방위 시각이 β= 90° 또는 270°일 때 극성 시각 α를 나타낸다. 유사하게, 수평 시각은, 방위 시각 β= 0° 또는 180°일 때 극성 시각 α이다. 평균 시각은 주어진 콘트라스트 비에서의 수직 및 수평 시각의 평균이다. 표 1은 종래기술의 보상 필름(403) 및 본 발명에 따른 보상 필름(701)의 사용 시에 콘트라스트 비 10, 50 및 100에 대한 수직 시각을 나타낸다. 콘트라스트 비 10에서, 본 발명의 수직 시각은 종래기술의 보상 필름이 사용될 때의 52°에 비해 62°이다. 유사하게, 본 발명에 따른 보상 필름을 이용한 수직 시각은 종래기술의 보상 필름을 사용한 것에 비해 50 및 100과 같은 다른 콘트라스트 비에서 상당한 개선을 보인다.
표 2는 특정 콘트라스트 비(10, 50, 100, 200)에 대응하는 평균 시각(β= 0°, 90°, 180°, 270°에서의 극성 시각 α의 평균 값)를 나타낸다. 더 양호한 시각 특성을 갖는 디스플레이는 동일한 콘트라스트 비에서 더 큰 평균 시각 α를 갖는다. 본 발명의 디스플레이(751)가 종래기술의 디스플레이(441)에 비해 동일한 콘트라스트 비에 대해 더 넓은 시각 범위를 갖는다는 것이 입증된다. 예를 들어, 10 또는 더 높은 콘트라스트를 갖는 평균 시각 범위가 54°로부터 60°로 확장된다.
Figure 112008056440876-pct00020
Figure 112008056440876-pct00021
도 8은 광 이방성 층(예를 들어 층(501, 503, 601, 603 또는 701))의 광축의 위상 지연 값 (ne - no)d 및 평균 경사각 θ의 파라미터 범위를 나타낸다. 도면에서 음영 영역 내에 특정된 파라미터를 갖는 보상 필름은 수직(β= 0°, 180°) 관찰 방향 및 수평(β= 90°, 270°) 관찰 방향 모두에서 극성 시각 55°로 연장된 콘트라스트 비 10의 라인을 갖는다.
도 8은 보상 필름의 지연 값 및 경사각이 동시에 최적화될 필요가 있다는 것을 밝히고 있다. 경사각이 변화할 때, 필름 위상 지연 값은 그 범위를 변경한다. 예를 들어 위상 지연은 8°의 경사각에서, 75㎚ ~ 110㎚이고, 반면 경사가 22°일 때는 대략 55㎚~80㎚ 사이에서 변화한다. 이것은 도 4b, 도 7b, 도 9a 및 도 9b의 아이소콘트라스트 플롯을 비교하면 더욱 잘 이해될 수 있다. 앞에서 논의한 바와 같이, 도 4b는 Chen 등(SID99, pp. 98-101 “Wide-viewing-angle photo-aligned plastic films for TN-LCDs”)에 따라, 20°의 경사 및 60㎚의 위상 지연 값을 갖는 최적화된 보상 필름을 구비한 NW-TN-LCD의 아이소콘트라스트 플롯을 나타낸다. 비교로서, 도 9a에서 보상 필름의 위상 지연 값은 60㎚에서 100㎚로 변하고 경사각은 20°로 동일하게 유지되는 반면, 도 9b에서 경사각은 20°에서 10°로 변하고 위상 지연 값은 60㎚에서 고정된다. 도 9a는 20°의 경사 및 100㎚의 위상 지연 값을 갖는 보상 필름을 구비한 NW-TN-LCD의 아이소콘트라스트 플롯이다. 도 9b에 도시한 아이소콘트라스트 플롯을 갖는 NW-TN-LCD에 있어서 경사각 θ는 10°이고 위상 지연은 60㎚이다. 양 도면에서, 라인(735, 737, 739)은 각각 콘트라스트 비 10, 50 및 100에 대한 아이소콘트라스트 라인이다. 도 9a 및 도 9b 모두에서 콘트라스트 비 100에 대응하는 아이소콘트라스트 라인(739)으로 둘러싸인 영역은 도 4b에서 동일한 콘트라스트 비 100에 대응하는 라인(431)으로 둘러싸인 영역보다 더 작으며, 일련의 최적화된 파라미터 주위의 필름 파라미터(지연 값 및 기울기) 중의 하나만을 변화시키는 것이 바람직하지 않다는 것을 나타낸다. 도 7b는 보상 필름이 그 위상 지연 값을 60㎚에서 100㎚로 변화하고 동시에 기울기가 20°에서 10°로 변화할 때 더 넓은 시각 성능이 달성된다는 것을 나타낸다.
종래기술의 보상 필름 설계는 작은 위상 지연(또는 작은 두께)을 선호하며, 따라서 경사각 θ= 20° 및 위상 지연 값 60㎚를 갖는 보상 필름이 Chen 등(SID99, pp. 98-101 “Wide-viewing-angle photo-aligned plastic films for TN-LCDs”)에 의해 발견되었다는 것을 놀라운 것이 아니다. 25°와 65° 사이의 심지어 더 높은 경사각을 갖는 보상 필름도 미국 특허 제 5,619,352호에 개시되었다. 도 8은 또한 종래기술 설계(경사각 θ= 20° 및 위상 지연 값 60㎚)에 가까운 두 파라미터(경사각 및 위상 지연 값) 중의 하나 또는 모두를 약간만 조정할 때, 시각 특성은 실질적으로 열화된다. 그러나 위상 지연 값(또는 동일하게 두께)이 대략 67%만큼 증가하고 경사각 θ가 20°에서 10°로 절반으로 작아질 때, 보상 필름이 수 LCD에 대해 더 우수한 시각 성능을, 특히 수직 관찰 방향으로 제공한다는 것은 놀라운 결과이다. 도 8은 경사각이 10°일 때 본 발명에 따른 보상 필름의 추가적인 이득이 위상 지연 값의 축에서 광대역(대략 70㎚에서 120㎚)에 의해 증거가 되는 위상 지연 값에 대한 큰 공차(tolerance)라는 것을 나타낸다. 이것은 필름 두께에 대한 큰 공차를 의미한다. 본 발명은 더 낮은 경사각 및 더 큰 위상 지연 값을 갖는 광 이방성 층을 구비한 TN-LCD에 대해 더 우수한 시각 성능을 가능하게 한다. 따라서 TN-LCD의 제조가 용이해진다.
본 발명은, 광 보상 필름이 광 정렬 방법에 의해 배향을 가능하게 하는 데 적합한 성분을 포함하는 정렬층을 포함하며, 광축의 방위각이 ±10° 내에서 일정하고, a) TN형 액정 셀과, b) 적어도 하나의 분광 평면, 및 c) 필름 평면에 수직인 평면에서 광축이 기울어진 상태로 배향된 양의 복굴절 물질을 포함하는 광 보상 필름을 포함하는 디스플레이를 포함하며, ne 및 no가 각각 비정상 굴절률 및 정상 굴절률이고 d가 복굴절 물질 및 디스플레이의 두께인 경우에 (ne - no)d로 정의된 지연 값이 파장 550㎚에서 100 ±20㎚이고 필름 평면에 대한 평균 경사각이 10 ±5°이며, 광 보상 필름이 기판 상에 배치된 제 1 및 제 2 양의 복굴절 물질을 포함하고 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이의 광축 사이의 방위각이 90 ±10°인 실시예를 포함한다.
이 명세서에서 언급된 특허 및 다른 특허의 전체 내용은 참조로서 본 명세서에 수록된다.

Claims (10)

  1. 광 보상 필름으로서,
    필름 평면에 대해 수직인 제 1 평면에서 광축이 기울어진 상태로 배향된 제 1 양(正)의 복굴절 물질과, 필름 평면에 대해 수직인 제 2 평면에서 광축이 기울어진 상태로 배향된 제 2 양(正)의 복굴절 물질을 포함하며,
    (ne - no)d로 정의된 상기 제 1 및 제 2 양의 복굴절 물질 각각의 지연 값은 파장 550㎚에서 100 ±20㎚이고, 여기서 ne 및 no은 각각 비정상 굴절률 및 정상 굴절률이고 d는 복굴절 물질의 두께이며,
    상기 제 1 및 제 2 양의 복굴절 물질의 광축은, 상기 제 1 평면 및 상기 제 2 평면 각각에서, 경사각 10 ±5°로 기울어진
    광 보상 필름.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 양의 복굴절 물질은 기판 상에 배치되는
    광 보상 필름.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제 1 양의 복굴절 물질 사이에는 정렬층이 배치되는
    광 보상 필름.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 정렬층은 폴리머 물질을 포함하는
    광 보상 필름.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광축의 경사각은 변화하는
    광 보상 필름.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광축의 경사각은 일정한
    광 보상 필름.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 평면과 상기 제 2 평면 사이의 각도는 90 ±10°인
    광 보상 필름.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 양의 복굴절 물질과 상기 제 2 양의 복굴절 물질 사이에는 정렬층이 배치되는
    광 보상 필름.
  10. 청구항 1의 보상 필름이 TN형 액정 셀의 양 측면에 배치되는
    디스플레이.
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