KR19990069450A - 홀로그래픽 광학소자를 이용한 반사형 액정 표시 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀로그래픽 광학소자를 이용한 반사형 액정 표시 소자(reflective liquid crystal display by using holographic optical element)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반사형 액정 표시 소자는 박막트랜지스터 및 캐패시터로 이루어진 능동회로부 및 ITO 투명 전극이 구비된 제1기판, 이 제1기판과 대향하도록 배치되고, 칼라필터 및 ITO 투명전극이 구비된 제2기판 및 제1 및 제2기판 사이에 액정이 개재된 반사형 액정표시소자에서, 제2기판의 외측에 가운데 부분이 오목 렌즈로 형성되고 바깥쪽은 볼록렌즈로 형성된 홀로그래픽 광학계를 장착하되, 칼라필터를 입사광은 통과하지 않고 반사광만 통과하도록 하는 크기 및 모양으로 제작하여 장착함으로써, 입사광 및 반사광의 경로를 최적으로 제어하여 광효율을 극대화하고, 풀 칼라 표시를 한다.

Description

홀로그래픽 광학소자를 이용한 반사형 액정 표시 소자

본 발명은 반사형 액정표시소자(reflective liquid crystal display device: 이하 RLCD)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 홀로그라픽 광학소자를 이용한 반사형

액정 표시 소자(reflective liquid crystal display by using holographic optical element, 이하 HOE-RLCD로 칭함)에 관한 것이다.

일반적으로 액정(Liquid Crystal)이란 액체의 유동성과 결정의 광학적 성질

을 겸비한 액체와 고체의 중간적 성질을 갖는 물질로서, 전계 또는 열에 의해 그 광학적 이방성이 변화될 수 있다. 이러한 성질을 이용한 것이 액정표시소자로서 플

라즈마 표시 패널(plasma displsy panel; PDP)와 더불어 대표적인 평판 표시 장치로 알려져 있다. 액정표시소자는 CRT(Cathod Ray Tube)를 비롯한 여타의 표시 장치에 비해 소비 전력이 매우 작으며 저전압으로 구동될 뿐 아니라 초박형화, 초경량화가 가능하기 때문에 최근들어 평판 디스플레이로서 각광을 받고 있으며, 기존의 CRT 방식에 의해 점유되어 왔던 디스플레이 시장이 재편되고 있음을 확연히 느낄 수 있을 정도로 짧은 시간에 비약적으로 발전하고 있다.

기존의 액정 표시 소자는 주로 반사형이 아닌 투과형으로서, 표시 소자로서 역할을 하기 위해서는 별도의 광원이 필요한 수광 소자 이다. 즉, 별도의 광원인 백 라이트(back light)를 기존 액정 표시 소자에 사용함으로써, 소비전력이 매우 커져서 휴대형 디스플레이로 사용하는데 커다란 문제가 되고 있다. 즉, 일정시간 이상 작동을 위해서 상당한 중량의 배터리를 장착해야 하고, 더욱이 사용시간은 고작 2시간 내외로 짧다. 또 하나의 큰 문제점은 옥외에서 사용시 상대 휘도가 극히 낮다는 것이다. 옥내에서는 주변광의 밝기가 한계가 있어서 기존 액정 표시 소자의 휘도가 주변 광에 비해서 높기 때문에 사용하는데 문제가 없으나, 옥외에서 사용시 매우 강한 태양광의 밝기로 인하여 백라이트를 통하여 나오는 광으로 디스플레이 되는 액정 표시 소자의 화상은 거의 볼수가 없게 된다. 이와 같은 근본적인 문제를 해결하기 위한 최선책이 주변광을 광원으로 이용하는 반사형 액정 표시 소자 이다. 반사형 액정 표시 소자의 액정셀의 구조는, 도 1에 도시된 바와 같이, 2장의 서로 대향하는 유지 기판(1)들 사이에 액정(3)이 주입되고, 두 유리 기판(1)의 외측에 각각 편광판(2)을 배치하고, 그 중 일측 편광판(2)에 반사판(4)를 배치한 구조로 되어 있다. 즉, TN(twested nematic) LCD, STN(super twested nematic) LCD 셀의 뒷면에 편광판(3) 및 반사판(4)을 두는 간단한 방식으로 흑백, 혹은 단색을 표시하도록 실용화 되었다. 현재 주로 연구되고 있는 반사형 디스플레이는 밝기 특성에 유리한 고분자액정 복합막을 이용하는 방식, 고분자 분산형 액정을 이용하는 방식, 콜레스테릭 액정 겔을 이용하는 방식, 콜레스테릭-네마틱 상전이형 액정을 이용하는 방식 등이 보고되어 있다. 그러나 아직 본격적인 칼라화는 되어 있지 않고, 4색(적자색, 녹색, 흑색, 힌색) 정도의 칼라화가 되어 있다.

기본적인 4색 반사형 액정 표시 소자의 구조는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 4색 반사형 액정 표시 소자는 서로 대향하는두 장의 유리 기판(110) 사이에 투명 전극(120), 마이크로 칼라필터(130), 블랙셔터로서의 액정(140) 및 배면전극으로서의 기능을 병행하는 반사판(150)을 포함한다. 반사형 칼라 액정 표시 소자를 실현하기 위한 열쇠는 빛의 이용 효율을 극한까지 높여서 밝은 디스플레이를 구성할 수 있는가 하는 것과 어떤 방법으로 풀(full) 칼라화를 이룩할 것인가 하는것이 모든 이 분야 개발자의 관심사이다. 그러나 현재 발표된 반사형 액정 표시 소자 방식으로는 위에서 언급한 고 휘도와 풀 칼라를 동시에 만족하는 기술은 아직 발표되지 않고 있다. 현재 기술로는 세이코 엡슨이 MIM(metal insulator metal) 구조로 4096색 표시, 콘트라스트 10:1를 구현했고, 마쓰시다 전기는 STN방식으로 4096색 표현이 가능한 7.8" 반사형 STN 을 개발 했고, 옵트렉스는 4색 표시 가능한 셀룰라와 PDA(personal digital assistance)를 융합한 반사형 액정 표시 소자를 개발했다. 또한, 도시바는 도 3에 도시된 바와 같은 색소를 함유한 3층의 액정층에 광의 투과를 제어하여 칼라를 표시하는 3원색(시안, 마젠타, 옐로우) 적층구조를 채용한 반사형 칼라 액정기술을 발표했다. 가장 최근에 개발되고 있는 도시바의 경우 3색이 적층의 액정층으로 되어 있어서 각 색의 깊이감이 크게 달라서 실제 상품화하는데는 큰 어려움이 있을 것으로 보인다. 그러나 이 모든 반사형 액정 표시 소자들이 휘도가 떨어지고, 칼라가 흐리고, 또한 풀 칼라를 재현하지는 못했다. 그 이유는 기존 투과형 액정 표시 소자 형태의 칼라 필터를 사용할 경우 입사된 광이 1차로 칼라필터를 통과하고 반사판에서 반사되어 되돌아 나올시 또 다시 칼라 필터를 통과해야 하기 때문에 입사 광량이 크게 저하된다. 평균적으로 칼라 필터를 1회 통과시 입사광 대비 25%만이 투과하므로, 출사광은 2회 투과 되는 방식에서 총 입사광량의 6.25% 정도로 광 이용 효율이 매우 낮음을 알 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 홀로그래픽 소자를 이용하여 광 효율이 우수해서 휘도가 높고, 풀 칼라의 색표현이 가능한 반사형 액정표시소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 반사형 액정 표시 소자의 셀 구조를 설명하기 위한 개략적 수직 단면도이고,

도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 반사형 액정 표시 소자의 수직 단면도 및 칼라필터의 평면적 배치관계를 개략적으로 나타내는 도면이며,

도 3은 종래의 플칼라 표시를 위한 반사형 액정 표시 소자의 수직 단면도이며,

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 반사형 액정 표시 소자의 수직 단면도 및 칼라필터의 평면적 배치관계를 개략적으로 나타내는 도면,

도 5a는 도 4a의 액정 표시 소자에서 홀로그래픽 광학계를 제외한 부분으로, 편광판 1매가 적용된 TFT LCD에서 온 상태 및 오프 상태에서의 액정 배열 상태 및 그에 따른 반사광의 유무를 보여주는 도면이고,

도 5b는 도 5a에서 반사광의 유무가 편광판 및 액정 배열 상태에 따라 결정되는 과정을 편광 방향을 중심으로 보여주는 도면,

도 6a는 도 4a의 액정 표시 소자에서 홀로그래픽 광학계를 제외한 부분으로, 편광판 2매가 적용된 TFT LCD에서 온 상태 및 오프 상태에서의 액정 배열 상태 및 그에 따른 반사광의 유무를 보여주는 도면,

그리고 도 6b는 도 6a에서 반사광의 유무가 편광판 및 액정 배열 상태에 따라 결정되는 과정을 편광 방향을 중심으로 보여주는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 유리 기판 2. 액정

3. 편광판 4. 반사판

11. 제1유리기판 12. 반사전극

13. 액정 14. 칼라필터

15. ITO 전극 16. 제2유리기판

17. λ/4 파장판 18. 편광판

19. 홀로그래픽 광학계

21. TFT 22. 절연막

31. 제1유리기판 32. 반사전극

33. 액정 34. 칼라필터

35. ITO 전극 36. 제2유리기판

37. 제1편광판 38. 홀로그래픽 광학계

39. 제2편광판

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반사형 액정디스플레이는, 박막트랜지스터 및 캐패시터로 이루어진 능동회로부 및 반사 전극이 구비된 제1기판과, 상기 제1기판과 대향하도록 배치되고, 칼라필터 및 ITO 투명전극이 구비된 제2기판, 상기 제2기판 외측 상면에 배치된 편광판 및 상기 제1 및 제2기판 사이에 액정이 개재된 반사형 액정표시소자에 있어서, 상기 제2기판의 외측에 가운데 부분이 오목 렌즈로 형성되고 바깥쪽은 볼록렌즈로 형성된 홀로그래픽 광학계를 장착한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 홀로그래픽 광학계의 오목 렌즈는 상기 제2기판의 칼라필터와 반대측면 상에 상기 칼라필터와 동일 크기를 갖도록 형성되거나, 상기 가운데 부분이 평탄한 형태를 갖는 볼록 렌즈로 형성된 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 반사형 액정 표시 소자를 상세하게 설명한다.

본 발명은 볼록 렌즈와 오목 렌즈가 동시에 형성되어 있는 독특한 홀로그래픽 광학계 즉, 중앙부는 오목렌즈로 형성되고 바깥쪽은 볼록렌즈로 구성된 광학계를 칼라필터의 대향면에 채용한 점에 특징이 있다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 반사형 액정 표시 소자는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 박막트랜지스터(TFT)와 캐패시터로 이루어진 능동회로부(미도시, 도 5a 참조) 및 Al 반사전극(12)이 구비된 제1기판(11), 칼라 필터(14)와 ITO 투명전극(15)이 구비된 제2기판(16) 및 제1기판(11)과 제2기판(16) 사이에 개재된 액정(13)을 포함하는 반사형 액정 표시 소자의 제2기판(16) 외측면 상에 λ/4 파장판(17)과 편광판(18) 1매를 부착한 다음, 그 위에 반대면의 칼라필터(14) 및 투명전극(15)에 대응하는 가장자리가 볼록렌즈로 되어 있고 가운데가 오목렌즈로 되어 있는 홀로그래픽 광학계(19)를 적층한 구조를 갖는다. 여기서, 칼라필터(14)는 홀로그래픽 광학계(19)의 오목 렌즈와 대칭되는 위치의 제2기판(16) 반대면에 오목렌즈와 동일 크기로 제작하되, 볼록 렌즈 하단 부분에는 칼라필터(14)가 형성되지 않도록 한다. 이와 같이 함으로써, 칼라필터(14)를 벗어나는 입사광은 볼록렌즈에 의해 집속되어 제2유리기판(16)을 통과한 다음 반사전극(12)에 의해 반사되어 칼라 필터(14)를 통과하게 된다. 즉, 이와 같은 구성의 반사형 액정 표시 소자는, 도 4a에 도시된 바와 같은 광 경로를 이용하여 입사광을 효율적으로 반사전극(12)으로 보내고, 반사된 빛이 칼라필터(14)를 통과하게 함으로써, 동작 중 칼라필터를 벗어나는 입사광은 1회만 칼라필터(14)를 통과하게 되므로 광효율을 2배로 높일 수 있다. 더욱이, 칼라필터(14)를 통과한 광은 오목렌즈에서 확대되어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 화소와 화소 사이 및 칼라 필터와 칼라필터 사이의 공간을 메꾸어 주므로 부드러운 색 표현이 가능하게 된다. 여기서, 편광판(18)을 홀로그래픽 광학계(19) 위에 배치하여도 무방하다.

또한, 이상과 같은 구성의 액정 표시 소자는 다음과 같이 동작한다.

도 5a는 도 4a의 액정 표시 소자에서 홀로그래픽 광학계(19)를 제외한 부분을 도시한 도면으로, 실제의 편광판 1매를 사용한 TFT LCD에서 온 상태 및 오프 상태에서의 액정 배열 상태 및 그에 따른 반사광의 유무를 보여준다. 또한, 도 5b는 도 5a에서 반사광의 유무가 편광판 및 액정 배열 상태에 따라 결정되는 과정을 편광 방향을 중심으로 보여주는 도면으로, 온 상태 및 오프 상태일 때 편광판, λ/4파장판 및 액정에서의 편광 방향에 따른 광의 통과 유무를 보다 상세하게 보여준다.

먼저, 전계가 인가되지 않았을 경우(오프 상태)에는 액정분자들이 꼬여있게 된다. 즉, 이들 액정 분자들은 박막 트랜지스터(21)에 의해서 제어된 전압이 반사전극(12)과 투명전극(15) 사이에 인가될 때(온 상태)에만, 셀내에서 바로서는 운동 즉, 트위스트 운동을 한다. 이와 같이 오프 상태에서 꼬여있는 액정 분자들은, 외부 광이 오목/볼록 렌즈를 통과하여 집속되고 편광판(18)을 통과하여 편광된 다음, 이 편광이 λ/4 파장판(17)에서 λ/4 지연되어 액정층(13)에 입사되면, 지연 편광은 액정분자들의 꼬임 방향을 따라 진행하여 반사판(12)에 도달한다. 반사판(12)에 도달한 편광은 반사되어 재차 액정 분자들에 의해 꼬인 방향을 따라 진행하여 칼라필터(14)를 통과한 다음, λ/4 파장판(17)에서 λ/4 재차 지연되고 편광판(18)을 통과하여 외부로 방출되므로 칼라를 볼 수 있게 된다. 이 때 반사된 편광이 편광판(18)을 통과하는 이유는 반사된 편광의 편광 방향이 편광판(18)의 편광 방향과 일치하기 때문이다. 이 편광판(18)을 통하여 방출되는 광은 오목 렌즈에 의해서 실제의 칼라필터의 크기 보다 확대되어 보인다.

또한, 액정에 전계가 인가되었을 경우(온 상태)에는 액정 분자들이 인가된 전계의 영향으로 배향이 깨어져서 수직으로 배열한다. 따라서, 외부 광이 오목/볼록 렌즈를 통과하여 집속되고 편광판(18)을 통과하여 편광된 다음, 이 편광이 λ/4 파장판(17)에서 λ/4 지연되어 액정층(13)에 입사되면, 지연 편광은 액정분자들이 전계에 의해 나란하게 배열되어 있으므로 꼬임 없이 진행하여 반사판(12)에 도달한다. 반사판(12)에 도달한 편광은 반사되어 재차 액정 분자들을 진행하여 칼라필터(14)를 통과한 다음, λ/4 파장판(17)에서 λ/4 재차 지연된다. 그러나 재차 지연된 편광은 편광판(18)을 통과하지 못하므로 외부로 방출되지 못한다. 따라서, 칼라를 볼 수 없다. 반사된 편광이 편광판(18)을 통과하지 못하는 이유는 반사된 편광의 편광 방향이 편광판(18)의 편광 방향과 불일치하기 때문이다.

이와 같이 전계를 인가하거나 인가하지 않거나 함으로써 반사형 풀 칼라 디스플레이를 구동한다.

또한, 도 6a는 제2실시예로서 편광판 1매를 사용하는 도 4a의 액정 표시 소자와은 달리 편광판 2매가 적용된 TFT LCD가 사용되는 점에서 앞의 실시예와 차이가 있다. 즉, 박막트랜지스터(TFT)와 캐패시터로 이루어진 능동회로부(미도시, 도 5a의 21 참조), Al 반사전극(32) 및 제1편광판(39)이 구비된 제1기판(31), 칼라 필터(34)와 ITO 투명전극(35)이 구비된 제2기판(36) 및 제1기판(31)과 제2기판(36) 사이에 개재된 액정(33)을 포함하는 반사형 액정 표시 소자의 제2기판(36) 외측면 상에 제2편광판(37)을 부착한 다음, 그 위에 반대면의 칼라필터(34) 및 투명전극(35)에 대응하는 가장자리가 볼록렌즈로 되어 있고 가운데가 오목렌즈로 되어 있는 홀로그래픽 광학계(38)를 적층한 구조를 갖는다. 여기서 제1실시예와 마찬가지로, 칼라필터(34)는 홀로그래픽 광학계(38)의 오목 렌즈와 대칭되는 위치의 제2기판(36) 반대면에 오목렌즈와 동일 크기로 제작하되, 볼록 렌즈 하단 부분에는 칼라필터(34)가 형성되지 않도록 하며, 제2편광판(37)을 홀로그래픽 광학계(38) 위에 배치하여도 무방하다.

이와 같은 구조의 액정표시소자에서 반사광의 유무가 편광판 및 액정 배열 상태에 따라 결정되는 과정이 도 6b에 도시된다. 도 6b는 편광 방향을 중심으로 제2실시예가 온 상태 및 오프 상태일 때 편광판 및 액정에서의 편광 방향에 따른 광의 통과 유무를 보다 상세하게 보여준다.

먼저, 전계가 인가되지 않았을 경우(오프 상태)에는 액정분자들이 꼬여있게 된다. 꼬여있는 액정 분자들은 통과하는 빛의 편광 방향을 꼬이도록하므로, 외부 광은 오목/볼록 렌즈를 통과하여 집속된 다음 제2편광판(37)을 통과하면서 편광되고, 이 편광이 액정층(33)에 입사되면 편광은 액정분자들의 꼬임 방향을 따라 진행하여 편광 방향이 꼬이게 되므로, 제2편광판(37)과 수직하게 놓여있는 제1편광판(39)을 통과하여 반사판(32)에 도달한다. 이 편광은 반사판(32)에 반사되어 재차 액정 분자들에 의해 꼬인 방향을 따라 진행하여 칼라필터(34)를 통과한 다음, 제1편광판(38)을 통과하여 오목/볼록 렌즈를 거쳐 외부로 방출되므로 칼라를 볼 수 있게 된다. 이 때 반사된 편광이 제1편광판(37)을 통과하는 이유는 반사된 편광의 편광 방향이 제1편광판(37)의 편광 방향과 일치하기 때문이다. 이 편광판(37)을 통하여 방출되는 광은 오목 렌즈에 의해서 실제의 칼라필터의 크기 보다 확대되어 보인다.

또한, 액정에 전계가 인가되었을 경우에는 액정들이 가해진 전계의 영향으로 배향이 깨어져서 수직으로 배열한다. 따라서, 외부 광이 오목/볼록 렌즈(홀로그래픽 광학계)를 통과하여 집속되고 제2편광판(37)을 통과하여 편광된 다음 액정층(33)에 입사되면, 편광은 전계에 의해 수직 배열된 액정분자들에 의해 꼬임 없이 진행하여 제2편광판(39)에 도달한다. 제2편광판(39)은 제1편광판(37)과 비교하여 직교하도록 놓여 있으므로 제2편광판(39)에 도달한 편광들은 제2편광판(39)을 통과하지 못한다. 따라서, 반사판(32)에는 아무런 빛도 도달하지 못하므로, 반사광은 전혀 발생하지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반사형 액정 표시 소자는 박막트랜지스터 및 캐패시터로 이루어진 능동회로부 및 ITO 투명 전극이 구비된 제1기판, 이 제1기판과 대향하도록 배치되고, 칼라필터 및 ITO 투명전극이 구비된 제2기판 및 제1 및 제2기판 사이에 액정이 개재된 반사형 액정표시소자에서, 제2기판의 외측에 가운데 부분이 오목 렌즈로 형성되고 바깥쪽은 볼록렌즈로 형성된 홀로그래픽 광학계를 장착하되, 칼라필터를 입사광은 통과하지 않고 반사광만 통과하도록 하는 크기 및 모양으로 제작하여 장착함으로써, 입사광 및 반사광의 경로를 최적으로 제어하여 반사형 액정 표시 소자에서 최대 문제점이었던 광이용 효율을 극대화 할 수 있고, 풀 칼라 표시가 가능하게 된다.

Claims (5)

1. 박막트랜지스터 및 캐패시터로 이루어진 능동회로부 및 반사 전극이 구비된 제1기판과, 상기 제1기판과 대향하도록 배치되고, 칼라필터 및 ITO 투명전극이 구비된 제2기판, 상기 제2기판 외측 상면에 배치된 편광판 및 상기 제1 및 제2기판 사이에 액정이 개재된 반사형 액정표시소자에 있어서,

   상기 제2기판의 외측에 가운데 부분이 오목 렌즈로 형성되고 바깥쪽은 볼록렌즈로 형성된 홀로그래픽 광학계를 장착한 것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 편광판은 상기 홀로그래픽 광학계 외측 상면에 배치된 것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 홀로그래픽 광학계의 오목 렌즈는 상기 제2기판의 칼라필터와 반대측면 상에 상기 칼라필터와 동일 크기를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 반사 전극과 상기 액정층 사이에 편광판을 더 구비한 것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 홀로그래픽 광학계는 상기 가운데 부분이 평탄한 형태를 갖는 볼록 렌즈로 형성된 것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시 소자.