KR20000002667A - 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치에 관한 것으로, 백판 상부에 전극과 반사판의 역할을 동시에 수행하는 서로 평행한 띠 모양의 금속전극과, 상기 금속전극 상부에 컬러필터와, 상기 백판 상부에 구비된 제1배향막 등으로 형성된 하부기판과, 투명기판 상부에 상기 금속전극과 수직방향으로 형성된 투명전극과, 상기 투명전극 상부에 형성된 제2배향막으로 형성된 상부기판과, 상기 상부전극과 하부전극 사이에 구비되어 셀갭을 유지하는 스페이서와, 상기 셀갭에 주입되는 AFLC 와, 상기 상부기판과 하부기판의 접합된 액정표시장치 상부에 위상지연박막과 편광자가 구비되어 고대비비를 가지며, 시야각이 넓으며, 외광을 이용하기 때문에 액정표시장치 후면에 백라이트를 설치할 필요가 없어 전력소비가 투과형에 비해 매우 작으며 중량을 감소시킬 수 있AFLC 의 빠른 응답속도로 인해 동영상이 가능한 휴대용 액정표시소자를 형성할 수 있도록 하는 기술이다.

Description

반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치

본 발명은 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치에 관한 것으로, 반강유전성 액정의 빠른 동작 속도로 인해 대면적 제작시 동영상이 가능하고 시야각이 넓으며 소비전력과 중량이 적게 나가 휴대형으로 사용가능한 액정표시장치를 형성하는 기술에 관한 것이다.

기존의 반사형 액정 디스플레이에 사용되는 액정은 주로 네마틱 액정으로 이에 관련된 여러 가지 모드가 있으나 이러한 반사형 액정 디스플레이는 반응 속도가 느리고 시야각이 협소하다는 단점을 지니고 있다.

최근 대면적 액정 디스플레이로의 가능성을 지닌 반강유전성 액정 디스플레이가 공개되었으며 이는 시야각이 넓고 빠른 응답 속도를 보이나 액정 디스플레이 후면에 백라이트를 설치해야하는 투과형으로 전력소비가 반사형에 비해 매우 커서 휴대용 표시소자로서는 적합하지 못하다.

종래기술에 따른 반사형 액정 디스플레이와 투과형 반강유전성 액정 디스플레이 장치는 다음과 같다.

최근 각광받고 있는 반사형 컬러 액정 디스플레이 장치는, 백라이트가 후면에 접합된 기존의 투과형 액정 디스플레이 장치와는 달리 후면에 반사판, 즉 거울을 접합하여 백라이트대신 주위의 외광을 이용하기 때문에 백라이트로 인한 전력소모가 없으며 중량이 가볍기 때문에 휴대용 개인정보단말기 디스플레이에 적합하다. 이러한 반사형 컬러 액정 표시 장치의 요건으로는 고휘도, 고해상도, 고대비비와 우수한 계조 표시 특성 및 동영상이 가능한 빠른 응답시간을 지녀야 한다.

그러나, 초기의 반사형 액정 표시 장치는 두 장의 편광자를 사용하기 때문에 저휘도이며 대비비가 낮았다. 또한 반사판, 즉 거울이 액정표시장치 후면에 접합된 구조로 인해 액정층과 반사판 사이의 간격이 생기며 이로 인해 입사광과 반사광이 다른 화소를 통과하게 되는 수차가 발생하게 된다. 이는 컬러 액정표시장치의 경우 해상도와 색순도에 치명적인 영향을 주게된다.

따라서, 편광자 한 장을 사용하며 내부 금속반사판과 산란 박막, 위상지연박막 등으로 구성된 새로운 반사형 컬러 액정표시장치가 개발되고 있다.

그러나, 상기 반사형 액정표시장치는 어느정도 휘도와 대비비가 향상되었지만 광투과특성이 파장, 인가 전압, 시야각에 크게 좌우되며, 좁은 시야각과 느린 응답 속도로 인하여 그 한계가 드러나는 문제점이 있다.

상기한 반사형 액정표시장치의 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 콜레스테릭 액정보다 넓은 시야각과 빠른 응답속도를 갖는 투사형 반강유전성 액정 ( Anti-Ferroelectric Liquid Crystal, 이하에서 AFLC 라 함 ) 패널을 최근 일본에서 개발중이다.

상기 AFLC 의 응답속도는 수십 ㎲ 로 짧은 반면 TFT-LCD 의 응답속도는 수십 ms 이고, STN-LCD의 응답 속도는 수백 ms 이다. 수백 ms 의 응답 속도로는 동영상의 표시가 불가능하다.

그러나, 빠른 응답속도의 반강유전성 액정을 이용하면 동영상 표시가 가능하다. 또한, 반강유전성 액정은 메모리 특성을 지니고 있다. 이러한 특성을 사용하면 단순 매트릭스 드라이브 방식이 가능하다. TFT 를 사용하지 않으므로 양산 원가는 TFT-LCD보다 낮다는 장점이 있다.

이러한 단순 매트릭스 방식의 반강유전성 액정 패널의 특징은, 단순 매트릭스 방식을 같이 사용하는 STN-LCD 패널보다 놓은 대비비와 화질을 제공한다. 상기 대비비는 30:1 ∼ 50:1 로서, STN-LCD 의 10:1 ∼ 21:1 과 대비된다. 이는 AFLC 의 메모리 특성을 사용함으로써 가능하다. 그리고, 전압이 액정층에 인가되면 ON 상태, 즉 밝은 상태가 되며, 전압이 상당이 많이 낮아져도 메모리 특성에 의해 ON 상태가 유지된다. 기존의 TN-LCD와 STN-LCD 패널은 전압이 내려가면 상태가 바뀌는 문제가 있다. 예를들어, 인가전압이 OFF 에서 어두운 상태, ON 에서 밝은 상태인 경우, 밝은 상태는 시간이 흐르면서 점차 어두운 상태에 가까워 진다. 이 특성 때문에 높은 대비비를 얻기는 불가능하다.

그리고, 단순 매트릭스 방식의 반강유전성 액정 패널은, 메모리 특성에도 불구하고 계조 표시를 하기가 어려우며 단점이 있으나, 이는 최근 안정 상태의 강유전상과 반강유전상이 공존하는 중간의 계조상태가 유지될 수 있는 방법을 발견하였다. 따라서, 이 방법으로 메모리 효과와 계조 표시의 장점을 동시에 활용할 수 있게 되었다.

상기 반강유전성 액정의 가장 중요한 장점 중의 하나는, 약 160 도 정도로 넓은 시야각을 가지고 있어, 40 도와 100 도 사이의 현재의 수준과 비교해 볼 때 놀라운 수준이다. 이것은 유리 기판과 수평면에 배치한 액정 분자를 회전시켜 ON/OFF 상태를 만들기 때문에 가능하다.

이러한 반강유전성 액정 디스플레이는 기존의 액정 디스플레이의 단점을 극복하는 뛰어난 특성에도 불구하고 앞에서 언급한 바와 같이 액정 디스플레이 후면에 백라이트를 설치해야 하는 투과형을 채택하고 있기 때문에 소비 전력과 중량이 많이 나가는 점이 휴대형 액정 디스플레이 장치로는 적합하지 않다.

상기한 바와같이 종래기술에 따른 액정표시장치중에서, 반사형 액정표시장치는, 광투과특성이 파장, 인가 전압, 시야각에 크게 좌우되며, 좁은 시야각과 느린 응답 속도로 인하여 그 한계가 드러나고, 반강유전성 액정표시장치는 액정 디스플레이 후면에 백라이트를 설치해야 하는 투과형을 채택하고 있기 때문에 소비 전력과 중량이 많이 나가는 점이 휴대형 액정 디스플레이 장치로 사용하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 반사형 액정 디스플레이 장치와 반강유전성 액정 디스플레이 장치의 장점을 결합한 반사형 반강유전성 컬러 액정표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 는 본 발명에 따른 반강유전성 액정의 광학 특성을 도시한 개략도.

도 2 는 본 발명에 따른 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치를 도시한 개략도.

도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치에 위상지연박막이 구비된 경우와 구비되지않은 경우, AFLC 의 액정배열상태에 따른 반사율의 상태 ( R = 0, 1 ) 를 도시한 개략도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11 : 백판 13,45,57 : 금속전극

15 : 컬러필터 17 : 스페이서

19 : 제1배향막 21,43,55 : AFLC

23 : 제2배향막 25 : 투명전극

27 : 투명기판 29,53 : 위상지연박막

31,41,51 : 편광자

이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치는,

반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치에 있어서,

백판 상부에 서로 평행한 띠 모양의 전극과 반사판의 역할을 동시에 수행하는 금속전극과,

상기 금속전극 상부에 컬러필터와,

상기 백판 상부에 구비된 제1배향막 등으로 형성된 하부기판과,

투명기판 상부에 상기 금속전극과 수직방향으로 형성된 투명전극과,

상기 투명전극 상부에 형성된 제2배향막으로 형성된 상부기판과,

상기 상부전극과 하부전극 사이에 구비되어 셀갭을 유지하는 스페이서와,

상기 셀갭에 주입되는 AFLC 와,

상기 상부기판과 하부기판의 접합된 액정표시장치 상부에 위상지연박막과 편광자가 구비되는 것을 특징으로한다.

이하 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

도 1 은 반강유전성 액정의 동작특성에 따른 투과특성을 도시한 개략도이다.

도 1 을 참조하면, 반강유전성 액정의 특성인 전기장 유도 강유전상-반강유전상 전이를 디스플레이에서의 광학 스위칭으로 사용한다. 러빙된 배향막에 의해서 액정 분자는 유리 기판에서 수평으로 정렬하여 유리기판과 러빙방향과 수직한 평면 위에 스멕틱 층을 형성한다.

이때 각 분자는 기판에 수직인 자발분극이 존재한다. 전압이 인가되지 않으면, 모든 스메틱 층에서 자발 분극은 각 층마다 번갈아 가며 반전된다.

결국, 자발 분극은 거시적으로 상쇄되며, 광축은 스멕틱 층과 수직이 된다. 이 상태를 반강유전상이라고 하며, 서로 직교하는 편광자 사이에 러빙 방향과 일치하게 액정 시편이 설치되는 경우 패널은 어둡게 된다.

그리고, 전압이 인가되면, 자발 분극은 인가된 전압과 같은 방향으로 정렬되어 액정 분자는 안정적이고 균일하게 배열된다. 이 상태에서 광축은 직교 편광자 사이에 위치하게 되며 복굴절 효과로 인하여 빛이 투과함으로써 패널은 밝게 된다.

이때, 액정 분자들은 유리 기판과 수평면을 유지하면서 회전하여 ON/OFF, 즉 밝고 어우둔 상태를 만들기 때문에 약 160 도의 정도의 넓은 시야각을 가진다. 또한, 인가된 전기장의 세기가 작아져도 그 상태를 유지하기 때문에 대비비가 우수하며 인가된 전기장과 자발 분극과의 상호작용으로 스위칭이 이루어지기 때문에 응답 속도는 수십 로 빠르다. (도 1)

도 2 는 본 발명에 따라 형성된 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치를 도시한 단면도이다.

도 2 를 참조하면, 휘도와 대비비를 높이기 위하여 편광자(31)를 한 장만 사용했다. 발명된 구조를 살펴보면 먼저 디스플레이 후면에 금속 전극(13)이 서로 평행한 띠 모양으로 배열, 증착되어 있으며 그 위에 컬러 필터(15)가 각각 부착되어있다.

그 위에 액정을 배열하기 위한 배향막인 폴리이미드(19)가 코팅되어있다. 여기서, 상기 금속 전극(13)은 전극의 역할과 동시에 반사판의 역할을 하며, 상기 컬러 필터(15)와 더불어 액정 바로 밑에 위치하기 때문에 수차를 방지할 수 있다.

상기 액정표시장치의 후면은 금속 전극(13) 이외 지역에 입사한 빛의 반사를 방지하기 위하여 흡수율이 높은 절연체를 사용하여 백판 ( back plate ) 을 형성한다.

그리고, 상기 액정표시장치의 전면은 그림과 같이 편광자(31)와 위상 지연 박막(29)이 차례로 부착되어 있으며, 투명 전극(25)은 후면의 금속전극(13)과 수직이 되게 띠 모양으로 코팅되어 있다. 그리고, 액정(21)을 배열하기 위해 폴리이미드(23)가 코팅되어 있으며 앞면과 후면은 스페이서(17)로 간격을 유지된다.

그리고, 반강유전성 액정(21)은 완성된 기판의 후면과 전면 사이에 주입된다.(도 2)

도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 형성된 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치의 광학특성을 도시한 개략도로서, 상기 도 3 은 위상지연박막이 구비되지않은 경우를 도시한 것이고 상기 도 4 는 λ/4 위상지연박막이 구비된 경우를 도시한 것이다.

도 3 를 참조하면, 반강유전성 액정의 분자 경사각이 45 도인 경우는 그림 3과 같이 편광자(41)와 액정(43), 거울 즉 금속전극(45)이 차례로 배열되어 있다. 반강유전성 액정에 전기장이 인가되지 않을 때 광축이 편광자와 일치하도록 편광자 방향으로 배향막을 러빙한다. (도 3a)

이때, 액정의 광축과 편광자 사이의 각 θ는 0 도 이다. 편광자를 통해 입사한 빛이 액정을 통과하여 거울에 반사한 후 다시 액정과 편광자를 투과하여 나온 소자의 반사율(R)을 존스 행렬 방법을 이용하여 이론적으로 계산하면 R=1이다.

이는 액정의 광축과 편광자의 방향이 일치하기 때문에 편광자를 통해 입사된 선형편광된 빛이 액정을 통과하고 거울에 반사하여 다시 액정을 통과하는 동안 편광상태가 변화하지 않기 때문이다.

반강유전성 액정에 전기장을 인가하게 되면 도 3b 액정의 광축이 편광자와 45도를 이루게 되고 입사된 선형편광된 빛은 액정의 복굴절로 인해 원형편광 또는 타원편광 상태로 변화하게 된다. 이때의 반사율을 이론적으로 계산하면 다음과 같다.

R = cos²Γ. Γ = 2πdΔｎ / λ

여기서 d 는 액정 층의 두께이고, λ 는 입사한 빛의 파장이고, Δｎ 은 복굴절율이다. Γ/2 는 두께가 d 인 액정층으로 인한 위상지연이다. 따라tj, Γ 는 입사한 빛이 액정층을 지나 반사판에 반사되어 다시 액정층을 통과할 경우, 총 위상지연이 된다. Γ = nπ + π/2 인 조건 ( n 은 정수 ) 을 만족하는 경우에 반사율은 0이 된다.

dΔｎ = λ/2 ( n + 1/2 )

인 조건이 되도록 적절한 복굴절을 Δｎ 을 가진 액정을 선택하고 액정 층의 두께 d 를 조절하면 반사율 0을 얻을 수 있다.

이러한 조건은 두께가 d 인 액정층이 λ/4 위상지연박막 ( n=0 일때 ) 이 되도록 하여 마치 액정층과 반사판이 선형 편광된 빛을 90 도 회전시키는 λ/2 의 위상지연박막 ( n=0 일때 ) 과 같은 역할을 하는 것이다.

즉, 편광자를 통해 입사한 선형 편광된 빛이 액정 층을 통과하고 반사판에 반사되어 다시 액정 층을 통하는 동안 선형 편광 상태가 90 도 회전하여 입사편광자를 통과하지 못하기 때문에 방출되는 빛의 양이 0 ( 반사율이 1 ) 이 된다.

예를 들면 Δｎ 이 0.15 인 반강유전성 액정을 사용하는 경우, 입사하는 빛의 파장이 550 nm ( 녹색 ) 일 때 액정층의 두께는 0.917 ㎛ ( n=0 ) 또는 2.750 ㎛ ( n=1 ) 가 되어야 반사율이 0 이 된다. 이와같이 전기장을 인가하고 또는 인가하지 않음에 따라 ON/OFF 상태, 즉 반사율이 1 또는 0 인 상태를 만들어 낸다.

그리고, 상기 AFLC 의 분자 경사각이 45 도 미만인 경우도 유사한 방법으로 액정의 선정과 액정 층의 두께를 조절함으로써 가능하다.

한 번 결정된 액정층의 두께와 액정의 복굴절율을 가진 액정표시장치에 대해 다른 파장의 빛, 예를들어 650 ㎚ 의 적색 또는 45 ㎚ 의 청색이 입사하는 경우 전기장이 인가되어 액정분자가 편광자 사이에 정렬하는 오프 상태에서 반사율이 0 이 되지 않고 새어나가는 빛이 존재하게 된다. ( R = cos²Γ ≠ 0 )

따라서, 입사하는 빛의 파장에 따른 대비비가 상당히 변화할수 있다. 여기서, 상기 대비비는 반사광의 최대값을 반사광의 최소값으로 나눈 값으로 정의한다. 일반적으로, 외광은 백색광이며 컬러 필터가 구비된 컬러 반사형 액정표시장치는 이와 같은 현상에 의해 RGB 에 따라 대비비가 차이가 난다. 따라서, 이와같은 인가전압이 0 일때 밝은 백색모드 ( white mode ) 보다 인가전압이 0 일때 어두운 흑색모드 ( black mode ) 가 대비비의 변화가 적으로 고대비비를 얻을 수 있다. (도 3)

도 4를 참조하면, 흑색모드인 반사형 액정표시장치를 발명하기 위해서 액정(55)과 편광자(51) 사이에 λ/4 의 위상지연박막(53)을 설치하고 도 3 의 경우와 마찬가지로 편광자의 방향과 러빙방향을 일치시켰다.

이때, 상기 λ/4 의 위상지연박막의 광축 ( fast axis ) 는 편광자와 45도를 이루도록 하였다. 마찬가지로 반사율을 이론적으로 계산하면 다음과 같다.

R = sin²Γsin²2θ. Γ = 2πdΔｎ / λ

이 식에서 보는 바와 같이 반사율은, AFLC 의 분자 경사각 θ , 액정층의 두께 d , 입사한 빛의 파장 λ , 복굴절율 Δｎ 의 함수이다. 여기서, 액정의 광축과 편광자 사이의 각도는 θ 이다.

도 4a 와 같이 인가된 전기장이 0일 때, 액정의 광축은 편광자 방향과 일치하며 ( θ=0 ), 위의 식으로부터 반사율은 0 이 됨을 알 수 있다.

그리고, 도 4b 와 같이 전기장이 인가된 경우, 광축은 분자경사가 θ만큼 이동한다. 이때 위와 같은 식의 반사율 R 을 얻게 된다. 앞의 경우와 유사하게 분자경사각 45 도 이고, Γ = nπ + π/2 인 조건 ( n 은 정수 ) 애서 반사율은 1 이 된다.

그리고, 분자경사각 θ가 45 도 미만인 경우는, R = sin²2θ로 반사율이 떨어지게 된다. 따라서, 분자경사각 θ 가 45 도인 경우가 가장 이상적이다. 위의 경우와 마찬가지로

Γ = nπ + π/2 , dΔｎ = λ/2 ( n + 1/2 )

인 조건을 만족하도록 적절한 복굴절율을 가진 액정의 선택과 액정 층의 두께를 조절하면 디스플레이의 특성을 최대로 향상시킬 수 있다.

이러한 구조의 반사형 액정표시장치는, 한 번 결정된 액정측의 두께와 복굴절율에 대해 다른 파장의 빛이 입사함에 따라 밝은 상태, 즉 전기장이 인가될때의 반사율은 조금 변화하나 어두운 상태, 즉 전기장이 인가되지않을때의 반사율은 입사광의 파장과 무관하게 0 이므로 앞에서 정의한 대비비의 차이는 거의 없다.

따라서 이와 같은 흑색모드가 고대비비의 컬러 반사형 액정표시장치에 적합함으 알수 있다. 그리고, 반강유전성 액정의 분자경사각이 45도인 물질이 가장 이상적이나 45도 보다 작은 경우도 가능하다. (도 4)

본 발명에 따른 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치는, 반응 속도가 빠르고, 고대비비를 가지며, 시야각이 넓으며, 외광을 이용하기 때문에 액정표시장치 후면에 백라이트를 설치할 필요가 없어 전력소비가 투과형에 비해 매우 작으며 중량을 감소시킬 수 있어 휴대용 액정표시소자를 형성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치에 있어서,

   백판 상부에 서로 평행한 띠 모양의 금속전극과,

   상기 금속전극 상부에 컬러필터와,

   상기 백판 상부에 구비된 제1배향막 등으로 형성된 하부기판과,

   투명기판 상부에 상기 금속전극과 수직방향으로 형성된 투명전극과,

   상기 투명전극 상부에 형성된 제2배향막으로 형성된 상부기판과,

   상기 상부전극과 하부전극 사이에 구비되어 셀갭을 유지하는 스페이서와,

   상기 셀갭에 주입되는 AFLC 와,

   상기 상부기판과 하부기판의 접합된 액정표시장치 상부에 위상지연박막과 편광자가 구비되는 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 위상지연박막은 λ/4 의 위상지연박막인 것을 특징으로하는 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 백판은 광흡수율이 높은 절연체나 유전체로 구비되는 것을 특징으로하는 반사형 컬러 반강유전성 액정표시장치.