KR102369639B1

KR102369639B1 - 표시 장치

Info

Publication number: KR102369639B1
Application number: KR1020150019405A
Authority: KR
Inventors: 전경환; 변병훈; 이상구
Original assignee: 삼성디스플레이 주식회사
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2022-03-03
Also published as: US20160231620A1; US10108047B2; KR20160098574A

Abstract

표시 품질이 개선된 액정 표시 장치가 제공된다. 액정 표시 장치는 면 광원, 면 광원 상에 배치된 하부 편광판, 하부 편광판 상에 배치된 액정층, 액정층 상에 배치된 위상차층 및 위상차층 상에 배치된 상부 편광판을 포함하며,
하부 편광판은 포지티브 C 위상차 특성을 나타내는 반사형 편광판이고,
위상차층은 포지티브 A 위상차 특성을 나타낸다.

Description

표시 장치 {Display Device}

본 발명은 표시 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 광시야각을 제공하는 액정 표시 장치에 관한 것이다.

액정표시장치(liquid crystal display; LCD)는 대중적인 화상 표시장치로 널리 사용되고 있다. 그러나 여러 우수한 특성에도 불구하고 좁은 시야각이 대표적인 단점으로 지적되고 있다.

개발 초기 액정표시장치는 시야각이 좁아 정면이 아닌 경사면에서는 왜곡된 화상이 보였으나, 현재는 위상차 필름을 적용해 경사면에서도 어느 정도의 화질 구현이 가능하다. 더욱이 횡전계 구동 방식 기술의 발달로 위상차 필름을 사용하지 않아도 어느 정도의 광시야각 기술 구현이 가능한 액정모드가 등장하였으며, 상기 액정모드에 위상차 필름을 사용하는 기술을 조합하여 개발 초기의 액정표시장치와는 비교할 수 없을 정도의 좋은 화질을 구현할 수 있게 되었다.

또한, 액정 표시 장치의 휘도를 더 증가시키려는 시도가 있으며, 이를 위하여 반사형 편광판과 같은 휘도 향상 필름이 액정 표시 장치에 적용된다.

그러나 액정표시장치에 사용되는 광학 소자들의 위상차는 파장에 따라 각각 다른 값을 가지기 때문에 파장 분산성을 고려하지 않고서는 빛샘이 없는 완벽한 암(Black) 상태를 구현하기 어려운 문제가 있으며, 또한 대형화된 액정표시장치에 적용하는 경우에는 화질이 더욱 떨어져 얼룩처럼 보이게 되는 어려움이 있다.

더욱이 휘도 향상을 위하여 반사형 편광판을 적용 시에, 전혀 다른 위상 특성이 발현될 수 있고, 이에 따라 요구되는 위상 특성을 갖기 위하여 액정 표시 장치의 위상차 필름을 재설계될 필요가 있다.

이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 반사형 편광판이 적용되어 고 휘도 특성을 가지면서, 광시야각 확보가 가능한 횡전계 구동 방식 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치는 면 광원; 상기 면 광원 상에 배치된 하부 편광판; 상기 하부 편광판 상에 배치된 액정층; 상기 액정층 상에 배치된 위상차층; 및 상기 위상차층 상에 배치된 상부 편광판을 포함하되, 상기 하부 편광판은 포지티브 C 위상차 특성을 나타내는 반사형 편광판이고, 상기 위상차층은 포지티브 A 위상차 특성을 나타낸다.

한편, 상기 하부 편광판은 Nz > Nx = Ny의 관계식을 만족하며, 이 때, Nz는 두께방향 굴절율이고 Nx 및 Ny는 면상에서 서로 수직하는 방향의 굴절율이다.

한편, 상기 하부 편광판의 두께 방향 위상차(Rth)는 40nm 내지 120nm이다.

한편, 상기 하부 편광판의 두께 방향 위상차(Rth)는 80nm 이다.

한편, 상기 위상차층은 Nx>Ny=Nz의 관계식을 만족하며, 이 때, Nz는 두께방향 굴절율이고, Nx 및 Ny는 면상에서 서로 수직하는 방향의 굴절율이다.

한편, 상기 위상차층의 면상 위상차(Ro)는 20nm 내지 160nm이고, 두께방향 위상차(Rth)는 10nm 내지 80nm이다.

한편, 상기 위상차층의 면상 위상차(Ro)는 54nm 이고, 두께방향 위상차(Rth)는 27nm이다.

한편, 상기 액정층은 대향하는 두 기판 및 상기 대향하는 두 기판 사이에 게재된 액정물질을 포함하고, 상기 액정물질은 대향하는 두 기판에 평행하게 배열된다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과 있다.

즉, 횡전계 구동 방식의 액정 표시장치의 휘도를 향상시키고, 시야각을 넓힐 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치 구조를 예시적으로 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 하부 편광판을 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 위상차층 및 상부 편광판의 적층 구조를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 위상차층의 굴절률을 설명하는 예시도이다.
도 5는 이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 횡전계 구동 방식 액정 표시 장치의 암(BLACK) 상태를 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸 예시도이다.
도 6은 비교예에서 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸 예시도이다.
도 7는 본 발명의 좌표계에서 θ 및 Φ의 정의를 설명하는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 하부 편광판 및 위상차층을 지나는 빛의 푸엥카라 구상의 위상차 변화 특성을 예시적으로 도시하는 예시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서, 동일한 식별 부호는 실질적으로 동일한 구성을 지칭한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치 구조를 예시적으로 도시한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치는 면 광원, 면 광원 상에 배치된 하부 편광판, 하부 편광판 상에 배치된 액정층, 액정층 상에 배치된 위상차층 및 위상차층 상에 배치된 상부 편광판을 포함한다.

면 광원은, 본 명세서에서 백라이트 유닛으로도 지칭되며, 액정 표시 장치에서 화상을 표시하기 위한 백색 광을 제공하는 광원일 수 있다. 예시적으로, 면 광원은 도광판 및 반사판을 포함하는 에지형 광원일 수 있고, 면상에 분산 배치된 복수의 LED 및 확산판을 포함하는 직하형 광원일 수 있다. 또한, 면 광원은 출사되는 광원의 광학적 특성을 개선하기 위한 광학 필름, 예를 들어, 프리즘 시트 또는 확산 시트 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

하부 편광판은 면 광원 상에 배치되고, 면 광원으로부터 백색 광을 제공받을 수 있다. 하부 편광판에 제공되는 백색 광은 선편광, 타원 편광 및 원 편광이 혼재된 빛일 수 있고, 혼재된 빛의 합성 광은 일반적으로 타원 편광된 빛으로 해석될 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 하부 편광판은 반사형 편광판일 수 있다. 즉, 하부 편광판은 면 광원으로부터 제공되는 백색 광 중에서 투과축에 평행한 성분을 통과시키고 투과축에 수직한 성분을 반사시킬 수 있다. 이 때, 반사된 빛은 면 광원으로 재입사되어, 면 관원에 포함된 반사층, 예를 들어, 반사 필름에 반사되어 재생될 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여, 반사형 편광판인 하부 편광판을 더 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 하부 편광판을 예시적으로 도시한 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에서, 하부 편광판은 반사형 편광판일 수 있다.

더욱 구체적으로 하부 편광판은 하나 이상의 반사형 편광 적층체 및 하나 이상의 버퍼층을 포함하는 반사형 편광판일 수 있다.

반사형 편광 적층체는 서로 다른 굴절율을 가지는 두 개 이상의 층이 반복적으로 배치되는 반복 적층 구조일 수 있다. 더욱 구체적으로 반사형 편광 적층체는 제1 방향(x 방향)과 제2 방향(y 방향)의 굴절율이 상이한 제1 반사형 편광층 및 제1 방향(x 방향)과 제2 방향(y 방향)의 굴절율 모두가 제1 반사형 편광층의 제1 방향(x 방향) 굴절율과 동일하고 제1 반사형 편광층의 제2 방향(y 방향) 굴절율이 상이한 제2 반사형 편광층이 반복 적층된 구조체일 수 있다.

이에 따라, 하부 편광판으로 입사되는 빛 중 제1 방향(x 방향)에 평행한 성분은 반사형 편광 적층체를 통과함에 있어서, 제1 반사형 편광층과 제2 반사형 편광층 사이의 계면에서 실질적인 굴절율의 변화를 느낄 수 없어 반사형 편광 적층체를 투과할 것이다. 또한, 하부 편광판으로 입사되는 빛 중 제2 방향(y 방향)에 평행한 성분은 반사형 편광 적층체를 통과함에 있어서, 제1 반사형 편광층과 제2 반사형 편광층 사이의 계면에서 굴절율의 변화를 느낄 수 있고, 이에 따라 일부광은 투과되고 일부광은 반사되는 프레넬 반사가 이루어질 것이다.

하부 편광판이 포함하는 반사형 편광 적층체의 수 또는 반사형 편광 적층체가 포함하는 제1 반사형 편광층 및 제2 반사형 편광층의 수를 증가시킴으로써, 반사되는 빛의 총량을 증가시킬 수 있으며, 하부 편광판을 투과하는 빛은 실질적으로 제1 방향(x 방향)에 평행한 방향으로 진동하는 선 편광된 빛일 수 있다.

반사형 편광판인 하부 편광판에 반사된 빛은 백라이트 유닛으로 제공되고 이후 산란 및 반사되어 반사형 편광판인 하부 편광판에 다시 제공되어 재생될 수 있다.

반사형 편광판의 외측 또는 두 반사형 편광 적층체 사이에 버퍼층이 배치될 수 있다. 버퍼층은 면상 굴절율이 동일한 제2 반사형 편광층과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 버퍼층은 하나 이상의 반사형 편광 적층체를 보호하고, 지지하거나 서로 연결해주는 역할을 수행할 수 있다.

앞서 반사형 편광판의 구조 및 편광 원리를 설명함에 있어서, 반사형 편광 적층체가 면상 굴절율이 상이한 제1 반사형 편광층 및 면상 굴절율이 동일한 제2 반사형 편광층을 포함하는 것에 관련하여 설명하였다. 다만, 본 발명의 일 실시예에서, 반사형 편광판은 면에 수직한 방향(z 방향) 또는 두께 방향으로 굴절율의 편차를 가질 수 있으며, 이에 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 편광판인 하부 편광판은 두께 방향 위상차를 가질 수 있다.

즉, 본 발명에서, 반사형 편광판인 하부 편광판이 포함하는 다수의 층들 중 하나 이상의 층의 면에 수직한 방향(z방향)의 굴절율과 면에 평행한 방향(x 방향 또는 y 방향)의 굴절율을 조절함으로써, 반사형 편광판에 두께 방향 위상차 특성을 부여할 수 있고, 반사형 편광판을 투과한 선편광된 빛은 두께 방향 위상차 특성에 상응하는 위상차를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 반사형 편광판인 하부 편광판은 포지티브 C 위상차 특성을 나타낸다. 또한, 반사형 편광판인 하부 편광판은 Nz > Nx = Ny의 관계식을 만족하며, 이 때, Nz는 두께방향 굴절율이고 Nx 및 Ny는 면상에서 서로 수직하는 방향의 굴절율이다. 또한, 반사형 편광판이 하부 편광판의 두께 방향 위상차(Rth)는 40nm 내지 120nm이고, 더 구체적으로 두께 방향 위상차(Rth)는 80nm일 수 있다.

위상차 특성의 정의 및 포티지트 C 위상차 특성에 관한 자세한 설명은 추후 도 3 및 도 4를 참조하여 설명되는 위상차층에 관한 설명과 함께 기술한다.

다시 도 1을 참조하면, 액정층은 하부 편광판 상에 배치된다.

본 발명의 일 실시예에서, 액정층은 횡전계 구동 방식으로 동작하도록 배열된 액정층일 수 있다. 이 때, 횡전계 구동 방식은 IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(Fringe Field Switching) 모드 또는 PLS(Plane to Line Switching) 모드 일 수 있다.

도시되지 않았으나, 횡전계 구동 방식에서, 액정층은 적어도 대향하는 두 기판(미도시) 사이에서 대향하는 두 기판에 실질적으로 평행한 방향으로 배열될 수 있고, 배열 방향에 수직한 전계에 따라 배열된 평면상에서 회전하는 액정 물질을 포함할 수 있다.

또한, 도시되지 않았으나, 대향하는 두 기판(미도시) 중 적어도 하나의 기판은 액정층에 횡전계를 인가하기 위한 공통 전극 및 화소 전극을 포함할 수 있다.

위상차층은 액정층의 상부에 배치될 수 있고, 상부 편광판은 위상차층의 상부에 배치될 수 있다. 참고로, 본 명세서에서, "하부에" 및 "상부에"는 면 광원으로부터 광이 출사되는 방향을 기준으로하며 더욱 구체적으로, 면 광원으로부터 멀어지는 방향에 위치하는 경우, "상부에" 위치하는 것이라고 하고, 면 광원에 가까워지는 방향에 위치하는 경우, "하부에" 위치하는 것이라고 한다.

위상차층은 액정층을 통과하여 상부 편광판을 향하는 빛의 위상차를 보상하며, 액정 표시 장치에 사용된 여러 광학 필름 또는 광학층에 의해 유발되는 위상차를 보상하여 보상된 빛을 상부 편광판에 제공할 수 있고, 상부 편광판은 제공된 빛 중 투과축에 평행한 성분의 빛을 투과시키고, 투과축에 수직한 성분의 빛을 흡수시킬 수 있다.

위상차층 및 상부 편광판에 관하여 도 3 및 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 위상차층 및 상부 편광판의 적층 구조를 예시적으로 도시한 단면도이다.

도 4는 위상차층의 굴절률을 설명하는 예시도이다.

도 3을 참조하면, 위상차층의 상부에 상부 편관판의 배치되고, 상부 편광판의 상부에 보호층이 배치될 수 있다 보호층은 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 층일 수 있다.

위상차층은 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 정파장 분산성 및 음의 굴절률비(즉, NZ가 음수인 경우)에 대한 등분산성을 나타내고 포지티브 A의 위상차 특성을 나타내는 층 또는 필름일 수 있다.

또한, 위상차층은 Nx>Ny=Nz의 관계식을 만족하며, 이 때, Nz는 두께방향 굴절율이고, Nx 및 Ny는 면상에서 서로 수직하는 방향의 굴절율이다. 또한, 상기 위상차층의 면상 위상차(Ro)는 20nm 내지 160nm이고, 두께방향 위상차(Rth)는 10nm 내지 80nm이고, 더 상세하게 위상차층의 면상 위상차(Ro)는 54nm 이고, 두께방향 위상차(Rth)는 27nm일 수 있다.

본 발명에서 "파장 분산성"은 기준 파장에서의 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)에 대한, 파장 380nm 내지 780nm에서의 굴절률비(NZ) 도는 정면 윗아차값(Ro)의 변화 경향을 의미한다. 즉, 기준 파장에서의 굴절률비(NZ)에 대한 파장 380nm 내지 780nm에서의 굴절률비(NZ)의 변화 경향을 '굴절률비(NZ)에 대한 파장 분산성'이라하고, 기준 파장에서의 정면 위상차값(Ro)에 대한 파장 380nm 내지 780nm에서의 정면 위상차값(Ro)의 변화 경향을 '정면 위상차값(Ro)에 대한 파장 분사성'이라 한다.

파장 분산성에서는 파장이 증가할수록 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)이 감소하는 정파장 분산성(normal dispersion)과 반대로 파장이 증가할수록 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)이 함께 증가하는 역파장 분산성(inverse dispersion)이 있다. 또한 파장 변화에 따라 굴절류비 또는 위상차값의 변화가 없는 경우는 등분산(flat dispersion)이라 한다.

이러한 '파장 분산성'은 380nm 내지 780nm의 입사 파장에 따른 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)을 측정한 후, 입사 파장 중 임의의 2 점 또는 3 점 사이의 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)의 변화량(기울기)으로 표현할 수 있다. 따라서, 기준 파장을 590nm로 보는 경우, 위상차 필름의 정면 위상차값(Ro)에 대한 파장 분산성은 입사 파장 590nm의 정면 위상차값(Ro(590nm))에 대한 입사 파장 380nm에서의 정면 위상차값(Ro(380nm))의 비, 즉, Ro(380nm)/Ro(590nm)로 나타낼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 윗아차 제어에 사용되는 위상차층 또는 위상차 필름의 광학 특성은 가시광선 영역 내의 전 파장에 대해서 하기 수학식 1 내지 3에 의해 정의된다.

일반적으로 위상차 필름의 광학 특성은 광원의 파장에 대한 언급이 없는 경우 가장 쉽게 얻을 수 있는 590nm에 대한 광학특성으로 나타낸다. 이러한 위상차 필름의 광학특성을 굴절률로 정의된다. 도 4는 위상차층의 굴절률을 설명하기 위한 모식도로서, 통상의 경우와 같이 Nx는 면상에서 굴절률이 가장 큰 방향의 굴절이라고 할 때, Ny는 면상에서 Nx에 수직 방향의 굴절률이고, Nz는 두께 방향의 굴절률을 나타낸다.

[수학식 1]

Rth = [(Nx + Ny)/2 -Nz] ? d

(여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny 이며, Nz는 필름의 두께 방향 굴절률이고, d는 필름의 두께를 나타냄)

[수학식 2]

Ro = (Nx - Ny) ? d

(여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny, d는 필름의 두께를 나타냄)

[수학식 3]

NZ = (Nx - Nz) / (Nx - Ny) = Rth / Ro + 0.5

(여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny, Nz는 필름의 두께 방향 굴절률을 나타냄)

상기 수학식 1의 Rth는 면상 평균 굴절률에 대한 두께 방향의 굴절률의 차이를 나타낸 두께 방향 위상차 값이고, 수학식 2의 Ro는 빛이 필름의 법선방향(수직방향)을 통과했을 때의 실질적인 위상차인 정면 위상차 값이다.

또한 수학식 3의 NZ는 굴절률비로서 이에 따라 위상차 필름으로 사용되는 플레이트의 종류가 구별될 수 있다.

이론적으로는 1) 위상차를 갖는 광축이 필름의 면상 방향으로 존재하는 경우는 A 플레이트; 2) 위상차를 갖는 광축이 필름면의 수직방향으로 존재하는 경우는 C 플레이트; 3) 위상차를 갖는 광축이 두 개 존재할 때는 이축성 플레이트라고 한다.

보다 구체적으로는 1) NZ가 1일 경우 구절률은 Nx>Ny=Nz의 관계를 가지고, '포지티브 A 플레이트(POSITIVE A PLATE)'라고 하며; 2) 1<NZ 인 경우 굴절률은 Nx>Ny>Nz를 만족하고 '네가티브 이축성 A 플레이트(NEGATIVE BIAXIAL A PLATE)'라고 하며; 3) 0<NZ<1인 경우 굴절률은 Nx>Nz>Ny의 관계를 가지고 'Z축 배향 필름'이라고 하며; 4) NZ=0인 경우 굴절률은 Nx=Nz>Ny의 관계를 가지고 '네가티브 A 플레이트(NEGATIVE A PLATE)'라고 하며; 5) NZ<0인 경우 굴절률은 Nz>Nx>Ny의 관계를 가지고 '포지티브 이축성 A 플레이트(POSITIVE BIAXIAL A PLATE)'라고 하며; 6) NZ=∞인 경우 굴절률은 Nx=Ny>Nz의 관계를 가지고 '네가티브 C 플레이트(NEGATIVE C PLATE)'라고 하며; 7) NZ=-∞인 경우 굴절률은 Nz>Nx=Ny의 관계를 가지고 '포지티브 C 플레이트(POSITIVE C PLATE)'라고 한다.

본 발명의 일 실시예에서, 위상차층은 Nx>Ny=Nz의 관계를 가지고 있어, NZ=1에 근접하는 포지티브 A 플레이트의 특성을 가진다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 하부 편광판은 NZ>Nx=Ny의 관계를 가지고 있어 포지티브 C 플레이트의 특성을 가진다. 다만, 이 경우, 하부 편광판이 반사형 편광판인 점이 고려되어야 한다. 반사형 편광판에서 면상 굴절율인 Nx 와 Ny는 상이할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 반사형 편광판을 투과하는 빛 중 위상차를 갖는 빛은 반사되어 최종적으로 반사형 편광판의 투과축에 평행한 빛이 투과될 것이므로, 반사형 편광판에서의 면상 굴절률차는 없는 것, 즉, Nx=Ny인 것으로 가정될 수 있다. 반사형 편광판을 투과한 선편광 빛은 두께 방향 굴절률과 면상 굴절률의 차이를 느낄 수 있고, 반사형 편광판의 각각의 층의 굴절률 특성, 물질, 두께 등을 조절하여, 반사형 편광판은 포지티브 C 플레이트의 위상차 특성을 가질 수 있도록 제조될 수 있다.

위상차층은 연신 타입으로 제조될 수 있다.

위상차층 또는 위상차 필름은 보통 보통 연신을 통해서 위상차를 부여하는 데 연신 방향으로 굴절률이 커지는 필름을 '양(+)의 굴절률 특성' 이라 하고 연신 방향으로 굴절률이 작아지는 필름을 '음(-)인 굴절률 특성'이라고 한다. 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 위상차 필름은 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 시클로올레핀폴리머(COP), 시클로올레핀코폴리머(COC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰(PSF) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군에서 선택된 것으로 제조할 수 있다. 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 위상차 필름은 변성폴리스티렌(PS) 또는 변성폴리카보네이트(PC)로 제조할 수 있다.

상기 연신 방법은 고정단 연신과 자유단 연신으로 구분된다. 고정단 연신은 필름의 연신 공정 중 연신하는 방향 이외의 다른 방향의 길이를 고정시키는 방법이고, 자유단 연신은 필름의 연신 공정 중 연신하는 방향 이외의 다른 방향에 자유도를 부여하는 방법이다.

일반적으로 필름은 연신하면 연신 방향 이외의 다른 방향은 수축하게 되나 Z축 배향필름은 연신 공정 이외에 별도의 수축 공정이 요구된다. 연신 공정 시 롤(Roll) 상태의 필름이 풀리는 방향은 MD방향(Machine Direction, 기계방향)이라고 하며, 이에 수직한 방향을 TD방향(Transverse Direction)이라고 한다. 자유단 연신은 MD방향으로 연신하는 것이고, 고정단 연신은 TD방향으로 연신하는 것이다.

이러한 연신방법(단 1차 공정만 적용했을 때)에 따라 NZ 및 플레이트의 종류가 달라지는데 이를 구체적으로 정리하면 다음과 같다. 1) 포지티브 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신하고; 2) 네가티브 이축성 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 고정단 연신하고; 3) Z축 배향필름은 양(+)의 굴절률 특성 또는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신 후 고정단 수축시키고; 4) 네가티브 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신하고; 5) 포지티브 이축성 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 고정단 연신하여 제조할 수 있다.

이외에도 위상차 필름은 상기 1차 연신 이외에 2차 연신 및 첨가물 적용 등의 추가 공정을 적용하여 지상축(Slow Axis)의 방향, 위상차값 및 NZ의 값 등의 광학특성을 제어할 수 있다. 이의 추가 공정은 당 분야에서 일반적으로 적용되는 공정으로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않는다.

또한, 위상차층은 다른 층 또는 필름, 예를 들어, 상부 편광판 상에 형성된 코팅층일 수 있다. 즉, 상부 편광판이 필름 형태인 경우 위상차층은 그 필름을 기재로 그 위에 형성된 코팅층일 수 있다.

코팅층은 반응성 액정 단량체(reactive mesogens) 등의 위상차를 부여할 수 있는 것으로 알려진 재료들을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명에서 반응성 액정 단량체는 중합이 가능한 말단기를 포함한 액정 물질로서 액정성을 발현하는 메조겐(mesogen)과 중합이 가능한 단말기를 포함하여 액정상을 갖게 되는 단량체 분자를 의미하며, 특정한 구조의 반응성 메조겐으로 한정되지 않는다.

예컨대, 반응성 메조겐은 말단의 (메타)아크릴레이트기에 형성된 자유 라디칼에 의해 광중합 반응이 일어나는 구조일 수 있다. 반응성 메조겐 말단의 자유 라디칼(free radical)이 안정화되어 유지되어야 광경화 반응에 유리하다. 반응성 메조겐의 코어 부분이 평면 구조를 가지는 경우, 인접한 반응성 메조겐들이 상대적으로 쉽게 적층되는 구조를 형성할 수 있다. 이에 따라 반응성 메조겐의 페닐 링들 간의 파이-파이 작용이 발생하여 공명이 증가되며 더 많은 광경화 반응이 일어날 수 있다.

반응성 액정 단량체는 코팅액 조성물 중에 예컨대 0.1 내지 5 중량% 포함될 수 있다.

코팅층을 구성하는 조성물에는 반응성 액정 단량체 외에 개시제가 포함될 수 있다. 개시제는 반응성 메조겐(RM)의 경화 반응을 촉진시키기 위해 이용될 수 있다. 개시제는 약 300nm 내지 약 400nm의 UV를 흡수하여 아주 쉽게 라디칼로 분해되어 UV에 의한 광중합반응을 촉진시킨다. 개시제를 포함하는 경우 장파장 UV를 사용하기 때문에 다른 유기재료에 치명적인 단파장 UV를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 개시제는 예컨대 반응성 액정 단량체의 전체 중량에 대해 0.1중량% 내지 5중량% 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 위상차층은 모든 정면 위상차값(Ro)에 대하여 정파장 분산성을 가지고, 음의 굴절률비(NZ)에 대한 등분산성을 나타낸다. 이에 대해서는 하기 수학식 4 내지 6을 참고하여 설명한다.

하기 수학식 4 내지 6은 위상차 필름의 파장 분산성을 나타내는 일례의 방법이다. 각 수학식은 입사 파장과 굴절률비(NZ)의 관계(수학식 4), 입사 파장과 정면 위상차값(Ro)의 관계(수학식 5) 및 입사광의 파장과 두께 방향 위상차값(Rth)의 관계(수학식 6)로 나타낸다.

이때, 입사 파장(λ)은 380nm 내지 780nm이다. 수학식 4 내지 6은 각각 NZ(λ)/NZ(λ0)=λ/λ0, Ro(λ)/Ro(λ0)=λ/λ0, 및 Rth(λ)/Rth(λ0)=λ/λ0인 경우(단, λ0=590nm)의 a, b 및 c를 각각 1로 정의하였다. 상기 정의는 액정이 정파장 분산성일 때 이를 완벽하게 보상하기 위한 위상차 필름의 역파장 분산성을 수식으로 정의한 것이다.

수학식 4 내지 6에서 a, b 및 c는 각각 λ0=590nm에서 Ro(λ)/Ro(λ0)=λ/λ0, Rth(λ)/Rth(λ0)=λ/λ0 및 NZ(λ)/NZ(λ0)=λ/λ0일 때를 기준으로 임의의 입사 파장의 값을 상대적으로 표현한 것이다. 이를 통해 위상차층의 파장분산성이 각각의 경우 a, b, c의 값을 통해 표현될 수 있다.

[수학식 4]

상기 식에서, λ는 380nm 내지 780nm의 입사파장이고, λ0는 590nm의 기준파장이다. 상기 식에서 c=1일 때 [NZ(λ)/NZ(590)]=[λ/590]이다.

수학식 4는 1차 방정식의 일반적인 형태로 보면 NZ(λ) / NZ(λ0) = c[(λ-λ0) / λO]+1으로 NZ(λ)/NZ(λ0)=Y와 (λ-λ0)/λ0=X의 관계로 나타낼 수 있다. 구체적으로 c는 기준파장의 굴절률비[NZ(λ0)]에 대한 입사파장의 굴절률비[NZ(λ)]의 비인 Y와, 기준파장[λ0]에 대한 입사파장과 기준파장의 차이값[(λ-λ0)]의 비인 X의 관계로부터 얻어지는 기울기를 나타낸다. 하기 a 및 b도 유사한 패턴으로 기울기를 나타낸다.

[수학식 5]

상기 식에서, λ는 380nm 내지 780nm의 입사파장이고, λ0는 590nm의 기준파장이다. 상기 식에서 a=1일 때 [Ro(λ)/Ro(590)]=[λ/590]이다.

[수학식 6]

상기 식에서, λ는 380nm 내지 780nm의 입사파장이고, λ0는 590nm의 기준파장이다. 상기 식에서 b=1일 때 [Rth(λ)/Rth(590)]=[λ/590]이다.

본 발명에서, 위상차층의 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 파장분산성이 정파장 분산성을 나타낸다는 것은 상기 수학식 5에서 a가 음수임을 나타내며, 음의 굴절률비(NZ)에 대한 등분산성을 나타낸다는 것은 상기 수학식 4에서 c가 0임을 나타낸다. 본 발명에서 위상차층(21)의 정면 위상차값(Ro)에 대한 파장분산성 기울기(a)는 -0.5 내지 0 사이의 값을 가지며(-0.5≤a<0), 바람직하게는 상기 기울기(a)가 0(등분산)에 가까워지는 경우 더 좋은 특성을 갖는다.

액정 표시 장치의 위상차를 효과적으로 제어하기 위해서 상기 a와 c는 0≤a≤2.2, -1.8≤c≤0의 범위를 만족하는 것이 좋다. 상기 c는 횡전계 구동 방식의 액정 표시 장치에서 상판 편광판의 편광자를 통과하기 직전의 380nm 및 780nm 파장의 각 편광상태가 푸앙카레구 상에서 원점을 기준으로 이루는 각도인 사이각을 0°에 가깝도록 하는 범위를 유지하는 것이 좋다. 상기 c가 작아질수록 사이각의 크기는 작아지게 되나, c가 -1.8 미만으로 감소하는 경우 Rth의 범위가 단파장에서는 양수, 장파장에서는 음수를 갖게 되어 구현이 불가능해지게 된다.

하기의 표 1은 상기 a와 c의 값에 따른 사이각의 변화를 나타낸 것이다.

[표 1]

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 0.0≤a≤2.2 및 -0.4≤c≤0.0, 0.6≤a≤2.2 및 -1.0≤c≤-0.6, 0.6≤a≤2.2 및 -1.4≤c≤-1.2, 또는 0.8≤a≤2.2 및 -1.8≤c≤-1.6 중 하나의 범위를 만족할 경우 상기 사이각은 약 40°이내의 범위를 유지할 수 있게 된다.

또한, 바람직하게는 상기 a와 c의 값은 0.6≤a≤1.6 및 -0.4≤c≤0.0, 0.8≤a≤2.2 및 -1.0≤c≤-0.6, 1.0≤a≤2.2 및 -1.4≤c≤-1.2, 또는 1.2≤a≤2.2 및 -1.8≤c≤-1.6 중 하나의 범위를 만족할 경우 상기 사이각은 약 30°이내의 범위를 유지할 수 있게 된다.

또한, 더욱 바람직하게는 상기 a와 c의 값은 1.2≤a≤1.8 및 -1.0≤c≤-0.6, 1.4≤a≤2.2 및 -1.4≤c≤-1.2, 또는 1.6≤a≤2.2 및 -1.8≤c≤-1.6 중 하나의 범위를 만족할 경우 상기 약 20°이내의 범위를 유지할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 액정표시장치의 파장 분산성을 푸앙카레구상의 편광상태 변화로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 액정표시장치의 파장 분산성을 설명하기 위한 경사각은 도 7에 나타난 반원좌표계에서 θ=60°, Φ=45°방향을 의미하며(이때 z축 방향이 액정표시장치의 정면 방향을 의미함), 이 방향으로 나오는 빛의 편광상태 변화를 전파장에 대해 푸앙카레구상에 표현함으로써 파장 분산성을 확인할 수 있다.

액정표시장치를 경사각(θ=60°, Φ=45°)에서 바라봤을 때 액정표시장치의 380nm와 780nm 파장에서의 편광상태는 푸앙카레구(Poincare Sphere) 표면상에 두 점으로 표현된다. 이때 두 점간의 간격은 파장에 따라 편광상태의 차이를 의미하고, 두 점간의 간격은 상판 편광판의 편광자를 통과하기 직전에 가장 넓게 벌어지게 되어 경사면에서 화질이 떨어진다.

구체적으로 푸앙카레구상에서 파장 380nm에 대한 편광상태는 x, y, z 직교좌표계상, 파장 780nm에 대한 편광상태는 x', y', z' 직교좌표계상으로 표현된다. 푸앙카레구(Poincare Sphere)는 반지름이 1이므로 파장 380nm와

파장 780nm의 편광상태를 나타내는 두 점의 거리의 반(1/2)과, 좌표계의 원점과 두 점을 연결한 사이각의 반(1/2)은 하기 수학식 7과 같이 표현된다. 이때 하기 수학식 8로 표현되는 사이각은 파장 분산의 정도를 나타내는 것으로 각 광학소자를 통과할수록 커지게 되며 상판의 편광자를 통과하기 직전에 최대가 된다.

[수학식 7]

[수학식 8]

상기 380nm와 780nm은 가시광선 영역의 최대 및 최소값에 해당하는 것으로 통상 광학소자의 분산특성을 가장 명확하게 보여주는 파장이다. 380nm와 780nm 파장 사이에 존재하는 임의의 두 파장의 사이각은 380nm와 780nm 파장에서 형성된 사이각 보다 항상 작기 때문에 380nm와 780nm 파장에서 형성된 사이각이 가시광선 범위내의 사이각들 중 최대값이 된다. 따라서 380nm와 780nm에서 사이각만으로 액정표시장치의 광학특성을 명확하게 제시할수 있다.

본 발명에서, 푸앙카레구상에서 380nm와 780nm 파장에서 형성된 사이각은 빛샘 방지 측면에서 0에 가까울수록 좋으나, 적어도 45°이하(0 내지 45°), 바람직하기로는 40°이하를 유지하는 것이 좋다.

이하에서는, 상기 구성에 의한 액정표시장치의 전압 비인가 시 전시야각에서 암상태 구현에 대한 효과를 실시예와 비교예에서 정리하였다. 본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 첨부된 특허청구범위에 의하여 확정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

도 1에 도시된 바와 같이 각 광학필름과 액정셀을 적층하여 반사형 편광판이 적용된 횡전계 구동 방식의 액정 표시 장치를 구성하였다. 반사형 편광판인 하부 편광편은 포지티브 C 플레이트 위상차 특성을 갖는다.

더 구체적으로, 반사형 편광판인 하부 편광판은 앞서 설명한 바와 같이, 투과된 선편광 광의 위상 특성을 기준으로 할 때, Ro가 0에 가깝고, Rth는 80nm에 가까운 값을 갖는다.

위상차층은 포지티브 A 플레이트 위상차 특성을 갖는다.

더 구체적으로, 위상차층의 Ro는 54nm에 가깝고, Rth는 27nm에 가까운 값을 갖는다.

위상차층을 이용하여 상부 편광판에 제공되는 빛의 위상차를 보상함에 있어서, 하나의 위상차층을 통과하여 보상되는 정도는 파장별로 상이할 수 있다. 즉, 위상차층을 통과하는 빛 중 단파장 빛(380nm 파장), 중파장 빛(590nm) 및 장파장 빛(790nm)의 빛에 대하여 위상차층이 위상 지연시키는 정도는 상이할 수 있다. 따라서, 하나의 위상차층을 이용하여 상부 편광판에 제공되는 빛의 전파장에 걸친 위상 보상은 달성되기 어렵고, 두 개 이상의 위상차층을 사용하여 하나의 위상차층에서 파장별로 분산 보상된 빛을 다른 하나의 위상층을 이용하여 파장별로 분산된 위상을 다시 수렴시키는 방식을 사용하는 것이 일반적이며, 이에 따라, 통상의 액정 표시 장치는 상부 편광판의 하부에 적어도 2 매 이상의 위상차 필름을 사용하여 상부 편광판에 전달되는 빛의 위상을 보상한다.

이와 관련하여 도 8을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 하부 편광판 및 위상차층을 지나는 빛의 푸엥카라 구상의 위상차 변화 특성을 예시적으로 도시하는 예시도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 하부 편광판은 포지티브 C 위상차 특성을 갖는 반사형 편광판이 적용되며, 이로써, 하부 편광판을 투과한 빛은 포지티브 C의 위상차를 갖는 빛이 되고, 이 빛은 액정층을 지나 위상차층으로 전달되며, 위상차층은 제공된 빛의 위상을 보상하여 상부 편광판으로 전달할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서, 하부 편광판이 일종의 포지티브 C 위상차층으로도 작용하므로, 상부 편광판의 바로 하부에 포티티브 A 위상 특성을 갖는 하나의 위상차층만으로 파장별 분산이 다시 수렴된 빛을 상부 편광판에 제공할 수 있다. 최초 하부 편광판은 백 라이트 유닛으로부터 제공되는 백색광에 대하여 포지티브 C 플레이트로 작용할 수 있다. 이 때, 포엥카라 구 상에서 파장별로 위상차가 쉬프트되는 정도는 상이할 수 있고 따라서, 파장별로, 예를 들어, 레드, 그린 및 블루 광 별로 특정 위치에서 관찰자가 느끼는 빛의 강도는 상이해 질 수 있다. 이후, 위상차층은 액정층을 제나 제공된 빛의 위상을 보상하여 편광판으로 전달할 수 있고, 이 때, 하부 편광판에서 파장별로 분산되었던 빛은 수렴될 수 있다.

도 5는 이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 횡전계 구동 방식 액정 표시 장치의 암(BLACK) 상태를 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸 예시도이다.

이때, 스케일상의 범위는 투과율 0% 내지 0.2%이다. 중앙의 파랑색의 범위가 넓을수록 넓은 시야각을 나타내는 것으로 실시예의 경우 전 범위에서 투과율의 최대값이 0.03%이며, 파랑색의 범위가 넓은 것을 광시야각의 확보가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

비교예

비교예는 흡수형 편광판인 하부 편광판을 사용하는 횡전계 구동 방식 액정 표시 장치에서, 흡수형 편광판을 본 발명의 일 실시예와 같이 포지티브 C 위상차 특성을 갖는 반사형 편광판을 적용하는 것을 비교예로서 예시한다.

앞서 설명한 바와 같이, 하나의 위상차층 또는 위상차 필름에서 파장별로 위상차가 보상되는 정도가 다를 수 있으므로, 적어도 2 장의 위상차층을 사용하여, 파장별 분상이 재수렴된 위상차 보상을 수행하는 것이 일반적이다.

비교예에서는 횡전계 구동방식의 위상차를 보상하기 위하여, 상부 편광판의 하부에 네가티브 이축성 플레이트(Ro=20nm, Rth=-88nm)인 하나의 위상차 필름 및 그 하부에 포지티브 이축성 플레이트(Ro=100nm, Rth=118nm)인 다른 하나의 위상차 필름이 사용된다.

도 6은 비교예에서 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸 예시도이다. 실시예에 비해 대각선 방향에서 밝게 표시된 부분이 많은 것을 보아 대각 경사면에서의 빛샘이 많은 것을 확인할 수 있다.

100: 상부 편광판 200: 위상차층
300: 액정층 400: 하부 편광판
500: 면 광원

Claims

면 광원;
상기 면 광원 상에 배치된 하부 편광판;
상기 하부 편광판 상에 배치된 액정층;
상기 액정층 상에 배치된 위상차층; 및
상기 위상차층 상에 배치된 상부 편광판을 포함하되,
상기 위상차층은 포지티브 A 위상차 특성을 나타내며,
상기 하부 편광판은 반사형 편광판이고, 제1 반사형 편광 적층체, 제2 반사형 편광 적층체 및 적어도 하나 이상의 버퍼층을 포함하며,
상기 제1 반사형 편광 적층체 및 상기 제2 반사형 편광 적층체는 각각 제1 반사형 편광층 및 제2 반사형 편광층이 반복 적층되고,
상기 제1 반사형 편광층 및 상기 제2 반사형 편광층은 각각 적층 방향에 수직인 평면 상에 놓이는 제1 방향으로 제1 방향 굴절율을 갖고, 상기 적층 방향에 수직인 평면 상에 놓이며 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 제2 방향 굴절율을 갖되,
상기 제1 반사형 편광층의 상기 제1 방향 굴절율과 상기 제1 반사형 편광층의 상기 제2 방향 굴절율은 상이하고,
상기 제2 반사형 편광층의 상기 제1 방향 굴절율 및 상기 제2 반사형 편광층의 상기 제2 방향 굴절율은 상기 제1 반사형 편광층의 상기 제1 방향 굴절율과 동일하며,
상기 제1 반사형 편광 적층체 및 상기 제2 반사형 편광 적층체는 포지티브 C 위상차 특성을 나타내고,
상기 적어도 하나 이상의 버퍼층은 상기 반사형 편광판의 외측 또는 상기 제1 반사형 편광 적층체 및 상기 제2 반사형 편광 적층체 사이에 배치되며, 상기 제2 반사형 편광층과 동일한 물질을 포함하는 액정 표시 장치.
제1 항에 있어서,
상기 하부 편광판은 Nz > Nx = Ny의 관계식을 만족하며, 이 때, Nz는 두께방향 굴절율이고 Nx 및 Ny는 면상에서 서로 수직하는 방향의 굴절율인 액정 표시 장치.
제2 항에 있어서, 상기 하부 편광판의 두께 방향 위상차(Rth)는 40nm 내지 120nm인 액정 표시 장치.
제3 항에 있어서, 상기 하부 편광판의 두께 방향 위상차(Rth)는 80nm 인 액정 표시 장치.
제1 항에 있어서, 상기 위상차층은 Nx>Ny=Nz의 관계식을 만족하며, 이 때, Nz는 두께방향 굴절율이고, Nx 및 Ny는 면상에서 서로 수직하는 방향의 굴절율인 액정 표시 장치.
제5 항에 있어서, 상기 위상차층의 면상 위상차(Ro)는 20nm 내지 160nm이고, 두께방향 위상차(Rth)는 10nm 내지 80nm인 액정 표시 장치.
제6 항에 있어서, 상기 위상차층의 면상 위상차(Ro)는 54nm 이고, 두께방향 위상차(Rth)는 27nm인 액정 표시 장치.
제1 항에 있어서, 상기 액정층은 대향하는 두 기판 및 상기 대향하는 두 기판 사이에 개재된 액정물질을 포함하고, 상기 액정물질은 대향하는 두 기판에 평행하게 배열되는 액정 표시 장치.