KR20000065950A - 보상필름을 이용한 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위상차 보상필름을 이용한 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 콜레스테릭 편광막과 컬러필터를 사용할때 광시야각 구현과 시야각에 따른 색변화를 보정하기 위해 콜레스테릭 액정필름과 λ/4 위상차 필름 사이에 보상필름을 삽입함으로써, 시야각에 따른 색변화를 방지하여 광시야각을 갖는 고휘도의 액정필름을 제조하는 것을 특징으로 하는 위상차 보상필름을 이용한 액정표시장치에 관한 것이다.

Description

위상차 보상필름을 이용한 액정표시장치{Appartus for liquid crystal display using phase difference compensation film}
본 발명은 위상차 보상필름을 이용한 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 콜레스테릭 편광막과 컬러필터를 사용할때 광시야각 구현과 시야각에 따른 색변화를 보정하기 위해 콜레스테릭 액정필름과 λ/4 위상차 필름 사이에 보상필름을 삽입함으로써, 시야각에 따른 색변화를 방지하여 광시야각을 갖는 고휘도의 액정필름을 제조하는 것을 특징으로 하는 위상차 보상필름을 이용한 액정표시장치에 관한 것이다.
일반적으로 콜레스테릭 액정을 이용하면 기존 액정표시장치(LCD)의 단점을 크게 개선시켜 고휘도 액정표시장치의 구현이 가능하다.
콜레스테릭 액정은 액정의 나선형 구조의 꼬인 방향과 원편광 방향이 일치하고 파장이 액정의 나선피치와 같은 원평광의 빛만을 반사하는 선택반사특성이 있다.
그리고, 콜레스테릭 액정으로 편광막이나 컬러필터를 제조하면, 선택반사 특성에 의해 반사된 빛을 재활용할 수 있어 고휘도의 액정표시장치 구현이 가능하다.
기존의 USP 5506704, USP 5691789, 한국특허출원 97-38643, 98-498, 98-14214에서는 콜레스테릭 액정을 이용하여 액정표시장치의 휘도를 증가시키는 편광막의 제조방법에 대해 기술하고 있다.
일반적으로 콜레스테릭 액정 편광막은 액정과 λ/4 위상차 필름으로 이루어져 있다.
여기서 λ/4 위상차 필름은 액정표시장치에서 선평광을 이용하기 때문에 콜레스테릭 액정층을 통과한 원평광의 빛을 선편광으로 변환시켜 주기 위해서 사용되었다.
그리고 한국특허출원 98-14213에서는 콜레스테릭 액정으로 제조된 컬러필터를 이용하여 액정표시장치의 광효율을 증가시키는 방법에 대하여 기술하고 있으며, 여기에서도 원편광을 선평광으로 변환시키기 위해 λ/4 위상차 필름을 사용하고 있다.
그러나, 종래의 기술에서는 λ/4 위상차 필름은 원편광을 선편광으로 변환시키기 위한 도구로서만 이용되었을뿐 시야각에 따른 색변화는 전혀 보상해 주지 못했다.
즉, 콜레스테릭 액정은 시야각에 따라 반사 또는 투과되는 빛의 색이 변하는 특성을 가지고 있으므로, 피치가 P인 콜레스테릭 액정에 빛이 입사될때, 입사각(θ)에 따른 빛의 경로차는 P cosθ로 표현되며, Bragg 반사조건에 의해 이 경로차와 일치되는 파장의 빛이 보강간섭되어 강하게 반사된다.
이는 입사각이 커질수록 경로차가 감소하여 짧은 파장의 빛이 반사된다는 것을 의미한다.
따라서, 콜레스테릭 액정으로 제조된 편광막이나 컬러필터를 적용하여 액정표시장치를 제조하면 시야각에 따라 색변화가 발생하게 된다.
그리고, 현재의 액정표시장치는 대형화 추세에 있으며, 대형 액정표시장치에서 광시야각은 필수적으로 요구되고 있다.
그러므로, 시야각에 따라 색변화가 일어나는 콜레스테릭 액정 편광막이나 컬러필터는 광시야각이 요구되는 액정표시장치에는 적용이 불가능한 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결코자 하는 것으로, 콜레스테릭 액정 편광막과 컬러필터의 광시야각 획득과 시야각에 따른 색변화 보상을 위해 콜레스테릭 액정층과 λ/4 위상차 필름 사이에 보상필름을 삽입하여 액정표시장치에 사용가능한 시야각 특성을 구현하였다.
그리고, 보상기능을 겸비한 λ/4 위상차 필름을 제조하여 같은 특성을 구현하였다.
도 1은 콜레스테릭 액정의 시야각에 따른 반사 UV-VIS 스펙트럼.
도 2는 시야각에 따른 위상차 곡선.
도 3은 제조된 액정표시장치의 단면구조.
도 4는 액정표시장치의 일실시예도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 램프 2: 반사판
3: 도광판 4: 확산판
5: 콜레스테릭 액정필름 5a: 콜레스테릭 액정편광막
6: 보상 필름 7: 위상차 필름
8: 선편광막 9: 액정셀
10: 콜레스테릭 액정 컬러필터
이하에서 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
현재 사용되는 액정표시장치는 선편광을 이용하고 있기 때문에, 콜레스테릭 액정 편광막이나 컬러필터의 경우 원편광을 선편광으로 변환시키는 위상차 필름을 사용해야 하며, 액정표시장치내에서 장착 위치는 선편광막 바로 아래가 된다.
콜레스테릭 액정은 나선구조의 규칙성으로 인하여 시야각에 따라 반사 또는 투과되는 빛의 색이 변하는 특성을 가지고 있다.
도 1에 이같은 콜레스테릭 액정의 특성이 나타나 있다.
상기에서 콜레스테릭 액정을 통과한 원편광의 빛을 선편광의 빛으로 변환시키는 λ/4 위상차 필름은 일반적으로 PVA나 PC등의 광투과율이 높은 고분자 필름을 이축연신하여 제조하며, 연신시 x축 방향굴절율(nx)과 y축 방향 굴절율(ny)을 조절하여 중심파장을 맞춘다.
이때 적용되는 수식은 Δnd = λ/4이다.(여기서 Δn은 필름 표면의 복굴절율, d는 필름의 두께, λ는 빛의 파장이다.)
따라서, λ/4 위상차 필름을 제조할때 이축 연신비를 조절하여 원하는 중심파장에 맞추며 필름 두께 방향의 굴절율(nz)은 고려하지 않는다.
이와 같이 제조된 위상차 필름의 경우, 시야각이 증가하게 되면 경로차 Δn'd값(여기서 Δn'은 nx, ny와 nz사이의 복굴절율을 나타낸다.)이 달라지게 되어 사각에서는 원편광이 선편광으로 변환되지 못하고 타원편광으로 변환된다.
타원편광된 빛이 선편광막을 통과시 광손실이 발생하므로 콜레스테릭 액정 편광막의 효율을 저하시키는 결과를 낳는다.
그리고, 색변화를 일으키는 원인은 λ/4 위상차 필름이 어떤 특정한 파장에 대해서만 만족되게 제조되었기 때문에 사각에서 보았을때 타원편광된 빛의 방위각은 파장에 따라 다른값을 가지며, 그 결과 선편광막을 통과하게 되면 파장에 따라 광손실이 다르게 되어 나타나는 색이 변하게 된다.
이러한 현상을 방지하기 위해서는 콜레스테릭 액정 편광막의 위상차 Δn'clcdclc값과 크기는 같고 부호는 반대인 위상차를 가지는 λ/4 위상차 필름을 제조하거나, 보상필름을 사용할 경우는 콜레스테릭 액정 편광막과 보상필름 그리고 λ/4 위상차 필름의 위상차를 합한값이 0이 되도록 보상필름을 제조하면 된다.
즉, Δn'clcdclc+ Δn'λ/4dλ/4= 0
Δn'clcdclc+ Δn'filmdfilm+ Δn'λ/4dλ/4= 0
도면 2에는 nx=1.5851이고, nz=1.5243인 30㎛ 두께의 콜레스테릭 액정 편광막을 사용했을때 보상필름과 λ/4 위상차 필름을 통과한 빛의 최종적인 위상차의 각도에 따른 특성을 나타내고 있다.
도면에서 알 수 있듯이 각도에 따라 위상차의 변화값이 매우 작으며, 이로 인해 각도에 따른 색변화를 보상해줄 수 있다.
그리고, 두개의 곡선은 각각 λ/4 위상차 필름의 x축과 y축으로 관찰할때의 값을 나타낸다.
(실시예 1)
서로 다른 선택반사 파장영역을 갖는 우선성 나선구조의 콜레스테릭 액정필름들을 적층하여 선택반사 파장영역이 가시광선영역을 포함하는 콜레스테릭 액정 필름(5)을 제조한다.
네마틱 액정을 수직배향시켜서 필름 수직방향의 굴절율이 필름 수평방향의 굴절율보다 더 큰 양의 굴절율 이방성을 갖는 보상필름(6)을 제조하여 콜레스테릭 액정 필름(5)의 위쪽면에 합착시킨다.
PVA 필름을 이축연신하여 제조한 중심파장이 460㎚인 위상차 필름(7)을 보상필름(6) 위쪽면에 합착하여 콜레스테릭 액정 편광막을 제조한다.
제조된 콜레스테릭 액정 편광막을 액정표시장치의 확산판(4) 윗면에 아래 선편광막(8) 아래면 사이에 삽입하거나 아래쪽 선편광막(8) 아래면에 합착함에 의해 장착한다.
이렇게 제조된 액정표시장치의 단면구조가 도 3에 나타나 있다.(여기서 미설명부호 1은 램프이고, 2는 반사판이며, 3은 도광판이고, 9는 액정셀이다.)
도면에서 보듯이, 광원에서 나온 비편광(c) 빛이 우선성 나선구조의 콜레스테릭 액정필름(5)을 통과하면 우원편광(b)된 빛은 반사되고 좌원편광(a)된 빛은 투과한다.
투과된 좌원편광된 빛은 위상차 필름(7)을 거쳐 선편광(d)된 빛으로 변환되어 액정셀로 입사하게 된다.
반사된 우원편광된 빛은 반사판에서 반사되어 좌원편광으로 바뀌어 다시 콜레스테릭 액정필름을 투과하게 되므로, 기존의 선편광막만을 사용할때보다 1.5배 이상 휘도가 증가하며 좌우 45도 이상까지 색반전이 발생하지 않는다.
(실시예 2)
좌선성 나선구조를 갖는 콜레스테릭 액정을 이용하여 투과되는 빛의 색이 적색, 녹색, 청색을 나타내도록 컬러필터를 제조한다.
네마틱 액정을 수직 배향시켜서 필름 수직방향의 굴절율이 필름 수평방향의 굴절율보다 더 큰 양의 굴절율 이방성을 갖는 보상필름(6)을 제조하여 콜레스테릭 액정 필름을 위쪽면에 합착시킨다.
여기에 PVA 필름을 이축연신하여 제조한 중심파장이 530㎚인 위상차 필름(7)을 합착하여 콜레스테릭 액정 컬러필터(10)를 제조한다.
그리고, 서로 다른 선택반사 파장영역을 갖는 우선성 나선구조의 콜레스테릭 액정필름들을 적층하여 선택반사 파장영역이 가시광선영역을 포함하는 콜레스테릭 액정편광막(5a)을 제조한다.
제조된 콜레스테릭 액정편광막(5a)을 액정표시장치의 확산판(4) 위쪽면에 접하도록 위치시키고, 콜레스테릭 액정 컬러필터(10)는 아래쪽 선편광막(8)에 합착하여 콜레스테릭 액정 편광막(5a) 위쪽면에 접하도록 위치시킴으로써 장착한다.
이렇게 제조된 액정표시장치의 단면구조가 도 4에 나타나 있다.(여기서 미설명부호 1은 램프이고, 2는 반사판이며, 3은 도광판이고, 9는 액정셀이다.)
콜레스테릭 액정 컬러필터를 사용할 경우, 투과되는 색이 선명하기 위해서는 나선방향이 반대인 콜레스테릭 액정편광막을 함께 사용해야 하며, 기존의 흡수형 컬러필터와는 달리 반사된 빛을 재활용해야 하므로 선편광막 아래쪽에 위치해야 한다.
도면에서 보듯이, 광원에서 나온 비편광(c) 빛이 우선성 나선구조의 콜레스테릭 액정필름을 통과하면 우원편광(b)빛은 반사되고 좌원편광(a) 빛은 투과한다.
투과된 좌원편광 빛은 콜레스테릭 액정 컬러필터에서 투과되지 않은 파장의 빛은 반사판에서 편광방향이 바뀌어 재활용된다.
이때 컬러필터를 통과한 빛은 위상차 필름을 거쳐 선편광으로 변환되어 액정셀로 입사하게 된다.
이와같이 콜레스테릭 액정 컬러필터와 편광막을 함께 사용하면 기존의 흡수형 컬러필터와 선편광막을 사용할때보다 2.5배 이상 휘도가 증가하며 좌우 45도 이상까지 색반전이 발생하지 않는다.
상술한 바와같이 본 발명은 콜레스테릭 액정 편광막과 컬러필터의 광시야각 획득과 시야각에 따른 색변화 보상을 위해 콜레스테릭 액정층과 λ/4 위상차 필름 사이에 보상필름을 삽입하여 액정표시장치에 사용가능한 시야각 특성을 구현할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (7)

  1. 콜레스테릭 편광막을 사용할때 광시야각 구현과 시야각에 따른 색변화를 보정하기 위해 보상필름을 콜레스테릭 액정필름과 λ/4 위상차 필름 사이에 삽입하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    보상필름은 두께 방향의 굴절율이 평면에서의 굴절율보다 큰 양의 복굴절율을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    보상필름은 양의 복굴절율을 구현하기 위해서 네마틱 액정이나 스매틱 액정을 수직 배향시켜 사용한 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 콜레스테릭 컬러필터를 사용할때 광시야각 구현과 시야각에 따른 색변화를 보정하기 위해 보상필름을 콜레스테릭 액정필름과 λ/4 위상차 필름 사이에 삽입하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    보상필름은 두께 방향의 굴절율이 평면에서의 굴절율보다 큰 양의 복굴절율을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    보상필름은 양의 복굴절율을 구현하기 위해서 네마틱 액정이나 스매틱 액정을 수직 배향시켜 사용한 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  7. 콜레스테릭 편광막과 컬러필터를 사용할때 광시야각 구현과 시야각에 따른 색변화를 보정하기 위해 보상기능이 첨가된 λ/4 위상차 필름을 사용하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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