KR20000066806A - 광시야각과 협시야각 모드전환이 가능한 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 상세하게는 광시야각과 협시야각 모드를 모두 구현할 수 있고, 상기 광시야각과 협시야각의 모드전환이 가능한 액정표시장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 액정표시장치는 광시야각을 구현할 수 있는 임의의 액정셀과 상·하 두 개의 편광판과, 꼬이지 않고 분자간에 평행한 액정이 투명기판사이에 삽입된 보조 평행배향셀을 상기 상·하의 편광판 사이에 추가로 삽입하는 구성을 하고 있으며, 이러한 구성을 이용하여 협시야각을 구현 하고자 할 경우에는, 상기 보조 평행배향셀에 전압을 인가하여 시야각특성을 낮추어서 협시야각을 구현할 수 있고, 광시야각 모드를 구현하고자 할 경우에는 상기 보조 평행배향셀에 전압을 인가하지 않거나 문턱전압이하의 전압을 인가하여 상기 광시야각 모드의 표시특성이 그대로 표현되도록 함으로써, 광시야각 특성을 구현할 수 있다.

Description

광시야각과 협시야각 모드전환이 가능한 액정표시장치{Liquid Crystal Display having a convertible mode between wide viewing angle and narrow viewing angle}

본 발명은 액정표시장치의 시야각모드에 관한 것으로, 더 상세히 설명하면 광시야각과 협시야각의 모드전환이 자유로운 액정표시장치에 관한 것이다.

일반적인 박막트래지스터 컬러 액정표시장치는 두 개의 글라스기판과, 이 기판사이에 주입된 액정으로 구성되고, 상기 두 개의 기판 중 임의의 한 기판은 어레이 기판으로서 구동소자를 포함하며, 구동소자에 신호를 인가하는 배선이 매트릭스 형태로 구성되어 있고, 또 다른 기판에는 컬러필터가 부착되어 하나의 컬러액정 표시패널을 형성하고 있다.

상기 패널의 상·하부 기판에는 각각 편광판을 붙이게 되는데, 편광판은 여러 방향으로 진동하면서 입사되는 자연광을 한쪽 방향으로만 진동하는 빛(즉 편광)이 되도록 하는 기능을 가지고 있다.

액정표시장치는 액정의 복굴절을 이용하므로, 액정 분자에 입사되는 빛의 진동 방향을 조절한다는 것은 매우 중요한 것이다.

이런 편광판의 기능은 폴리비닐알코올 필름(Poly Vinyl Alcohol Film : PVA Film)을 연신시켜, 요오드(I2)와 이색성 염료의 용액에 담구어, 요오드 분자(I2)와 염료 분자를 연신 방향으로 나란하게 배열시킴으로써 얻어진다

또한, 상기 액정은 여러 가지 타입(Type)으로 존재하며 각각 특징적인 분자배열이 있기 때문에 액정이 가진 굴절률, 유전율, 자화율, 전도도, 점성등의 물성치는 장축 평행한 방향과 직각인 방향에 대하여 상이하며 이방성을 가진다.

상기 액정의 분자배열은 전장, 자장, 응력등의 외부장의 작용에 의해 쉽게 변한다. 또한, 축방향에 평행한 굴절률 η_∥은 축 방향에 직각인 굴절률 η_⊥보다도 크다. 따라서, 굴절률에 의한 속도의 저하가 축 방향에서 적기 때문에 광의 진행은 분자의 축 방향으로 꺽이게 된다.

이러한 성질은 디스플레이의 동적산란방식에 이용되고 있다.

또한, 액정은 구조에 따라 스메틱(Smectic), 콜레스테릭(Cholesteric), 네마틱(Nematic)등의 세 가지 상으로 나눌 수 있다. 이 중 네마틱상의 액정이 주로 액정표시장치에 사용되어진다.

액정표시장치에서 시야각 특성은 매우 중요하며, 넓은 범위에서도 정상적으로 표시될 수 있는 액정패널을 만드는 것이 중요한 인자이다.

따라서, 종래에는 상기 네마틱액정을 이용한 STN액정(Super Twisted Nematic)을 이중구조로 하여 흑·백 구현의 어려움을 해결하였고, 또한 TN액정셀과 보상필름을 사용함으로써 측면 시야각의 나쁨을 해결하여 액정패널의 광시야각을 구현할 수 있었다.

더 자세히 설명하면, 도 1은 이층 구조의 슈퍼 트위스티드 네마틱액정(Double-layer Super Twisted Nematic Liquid Crystal : 이하 "D-STN액정"이라 칭함)을 사용한 액정패널을 개략적으로 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이 D-STN 액정패널은 서로 직각방향인 제 1 편광판(31)과 제 2 편광판(33)사이에 보상셀(35)(compensator cell)과 구동-셀(37)(driven cell)이 구성되며, 상기 보상셀(35)과 구동셀(37)의 배향 방향은 그 접하는 면에서 ψ=90^o를 이룬다.

도 2a 내지 도 2b는 이층구조의 D-STN의 흑백표시모드를 위한 동작특성을 도시한 것으로, 먼저 흑표시를 위해서는 도 2a에 도시한 바와 같이, 상기 구동셀(37)에 전압을 인가하지 않을 경우 백라이트의 빛이 구동셀(37)하부의 제 2 편광판(33)을 통과하여 얻어진 직선편광(29)은 구동셀의 액정층(37')을 통과하면서 타원편광(32)이 되고, 다시 직선편광(34)으로 변하게 되는데 이때, 빛은 보조셀(35)을 통과하면서 산란되어 D-STN의 액정패널의 흑색표시가 가능해 진다.

전술한 경우와는 반대로, 도 2b에 도시한 바와 같이 구동셀에(37)전압을 인가하게 되면 액정은 기판의 하부에서 상부까지 180^o를 이루며 배열되고, 백라이트의 빛이 제 2 편광판(33)을 통과하여 얻어진 직선편광(30)은 구동셀(37)의 액정을 통과하면서 원편광(36)이 되고, 다시 보상셀(35)을 통과하고 제 1 편광판(31)을 통과하고 타원편광(38)으로 변하여 밖으로 나온 빛은 무채색 즉 백색이 된다.

따라서, 전술한 바와 같이, V_off일 경우에는 흑색이 표시되고, V_on일 경우에는 백색이 표시됨으로 전체적으로 흑색바탕에 표시색이 백색이 되어 색 대조가 아주 뚜렷한 액정표시장치를 얻을 수 있었다.

이상과 같이, 뚜렷한 시야각 뿐 아니라, 넓은 시야각을 얻기 위해 또 다른 구성을 제안할 수 있다.

도 3은 트위스티드 네마틱액정(Twisted Nematic Liquid Crystal : 이하 "TN액정"이라 칭함)으로 구성된 액정패널과 일축성필름(uniaxial retardation film)을 사용한 경우이다.

일반적으로 상기 TN-셀을 사용한 액정 디스플레이는 보는 방향의 각도에 따라 화면색의 밝기가 변화하는 시각의존성이라고 하는 문제가 생긴다. 즉, 좌·우방 향에서 본 경우는 정면에서 보여지는 화상과 그다지 변화가 없으나, 위 방향에서 보았을 경우는 화면전체가 흰빛을 띄어 밝게 보이나 아래방향에서 볼 경우 화면 전체가 어둡게 보이며 화상의 검은 부분의 명암이 반전되어 보이는 현상이 나타난다. 또한, 액정에는 굴절률 이방성이 있기 때문에 각 방향의 빛이 받아들이는 굴절율 성분의 차가 생긴다. 이것이 시야각 특성의 원인이 된다.

따라서, 2매의 일축성필름(43)이 제 1 편광판(41)과 TN-셀(45)사이에 위치하는 구조를 채용하여 광학적 보상을 얻는다.

자세히 설명하면, 상기 일축성필름(43)은 폴리비닐알코올 등의 고분자막을 한쪽방향으로 연신시킨 것으로, 그렇게 함으로써 막내에서 분자배열에 방향성이 생기고 연신시킨 방향과 그에 수직방향에서 굴절율의 차가 생긴다. 같은 특성을 가진 일축 필름을 상기와 같이 두 매 준비하고 연신축이 서로 수직이 되도록 중합시킨다.

상기 2매의 일축성필름(43)이 서로 위상차를 없애고 맞닿아 있기 때문에 복굴절작용을 보이지 않는다. 그러나 경사로 비스듬하게 입사하는 빛에 대하여는 각축의 굴절율 투명성분이 작용하게 된다. 그 때문에 입사하는 복굴절 값이 틀려지게 된다.

이와 같은 특성을 가진 상기 직교배치한 위상차필름(43)을 액정패널에 조합시켜 빛을 통과시키면 우선 수직으로 입사한 빛은 위상차필름에 대하여서도 수직으로 입사하기 때문에 어떠한 복굴절 작용도 받지 않고 그대로의 편광상태로 편광판방향으로 나온다.

그러나 경사로 비스듬히 입사한 빛에 대해서는 그 입사각도에 따라 복굴절의 값이 다르기 때문에 편광상태에 변화가 생긴다.

그래서, 미리 위상차필름의 복굴절 값을 액정의 각도 의존성을 보상하는 방향으로 설정하여 두면 액정패널의 시각 의존성은 경감될 수 있게 된다.

따라서, 넓은 범위에서의 시야각 특성을 보장할 수 있게 된다.

일반적인 액정패널장치는 전술한 바와 같이, 광시야각 모드 지향성을 가지고 연구되고 있으나, 임의의 특수한 경우에는 협시야각 모드가 요구될 수 있다.

따라서, 본 발명은 동일한 액정패널에 전술한 바와 같은 종래의 광시야각 모드와 더불어 협시야각 모드를 구현할 수 있고, 상기 광시야각 모드와 협시야각 모드가 자유자재로 전환 가능한 장치를 형성하여 융통성 있는 액정패널장치를 제공 하고자 하는데 그 목적이 있다.

제 1 도는 종래의 흑·백 표시를 위한 이층구조의 STN 액정표시장치를 보여주는 사시도 이고,

도 제 2a 내지 2b는 상기 이층구조의 STN 액정표시장치의 흑 표시와 백 표시 모드일 경우 액정에 대한 광의 변화를 보인 단면도이고,

도 3은 종래의 광시야각 특성을 보여주는 TN 액정표시장치를 보여주는 사시 도이고,

도 4는 본 발명에 따른 협시야각과 광시야각의 모드전환이 가능한 액정표시장치의 사시도이고,

도 5는 광시야각 모드일 경우의 액정표시장치의 시야각과 휘도의 관계를 나타낸 그래프이고,

도 6은 협시야각 모드일 경우의 액정표시장치의 시야각과 휘도의 관계를 나타낸 그래프이다.

＜도면이 속하는 주요부분에 대한 부호 ＞

51 : 제 1 편광판 53 : 보조 평행배향셀

55 : 광시야각 액정셀 57 : 제 2 편광판

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 액정표시장치는 제 1, 제 2 편광판과; 상기 제 1편광판과 제 2 편광판 사이에 위치하고 서로 마주하여 배치된 제 1, 제 2 투명기판과, 상기 제 1 투명기판과 제 2 투명기판 사이에 위치한 액정과, 상기 액정을 구동하는 구동소자를 가지고 광시야각 특성을 보이는 제 1 액정셀과; 상기 제 1 액정셀과 상기 제 1 편광판 또는 제 2 편광판 사이에 평행하게 위치한 제 3 투명기판과 제 4 투명기판과, 상기 제 3 투명기판과 제 4 투명기판 사이에 위치하고 배향 방향이 인접한 제 1 또는 제 2 편광판의 투과축방향과 평행하고, 꼬이지 않고 전체 배열이 서로간에 평행한 액정분자로 구성된 액정과, 상기 액정에 전압을 인가하는 전극을 갖는 제 2 액정셀과, 상기 제 2 액정셀에 전압이 인가되면 액정이 분극되어 협시야각 모드가 되고 상기 제 2 액정셀에 전압이 인가되지 않으면 상기 액정은 분극되지 않아 광시야각 모드가 되는 변환될 수 있는 시야각 모드를 가진다.

바람직하게는, 상기 제 2 액정셀의 액정층의 복굴절과 상기 광시야각 액정셀의 액정층의 복굴절이 같은 것을 특징으로 한다.

바림직하게는, 상기 제 2 액정셀이 상기 제 1 액정셀의 하부에 위치한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제 2 액정셀이 상기 제 1 액정셀의 상부에 위치한 액정표시장치인 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 액정표시장치는 도 4에 도시한 바와 같이, 광시야각 모드 액정셀(55)과 제 1 편광판(51)사이에 보조 평행배향셀(53)을 삽입하는 구조를 채용하였다.

이때, 상기 보조평행배향셀(53)과 상기 광시야각 모드 액정셀(55)의 위치를 바꾸어 구성할 수 있다. 좀더 상세히 설명하면, 본 실시예에 따른 액정표시패널의 구성은 제 1 편광판(51)과 보조 평행배향셀(53)과 광시야각 액정셀(55)과 제 2 편광판(57)으로 구성되어 있다.

상기 보조 평행배향셀(53)과 상기 광시야각 액정셀(55)의 위치는 상호 바꾸어도 무방하다. 단 상기 보조 평행배향셀(53)의 배향방향은 인접한 편광판의 투과축 과 평행하여야 한다.

상기 보조 평행배향셀(53)의 액정은 꼬인 구조가 아닌 전체 액정분자 배열방향이 상호간에 평행한 구성을 하고 있다.

전술한 보조 평행배향셀(53)의 액정은 전장 인가시 액정분자의 경사방위가 평행배열의 방위로 일률적으로 정해지기 때문에 색상의 변화가 명료하며 색번짐이 적은 컬러표시를 얻을 수 있다.

그러나, 상·하·좌·우의 시야각특성은 좋지 않다.

전술한 바와 같은 구성으로 액정패널의 광시야각 모드와 협시야각 모드를 모두 구현할 수 있는데, 먼저 광시야각 모드를 구현하고자 할 경우에는 상기 보조평행배향셀(53)에 전압을 걸지 않거나 문턱전압 이하의 전압을 걸어 주었을 경우에는 상기 보조 평행배향셀(53)은 광시야각 액정셀에 아무런 영향을 미치지 않는다.

왜냐하면, 보조 평행배향셀(53)의 배향방향(53)과 인접한 편광판의 투과축 방향이 평행하기 때문에 하부 광시야각 액정셀을 통하여 나오는 빛의 상은 바로 편광판을 투과하는 것과 같음으로 원래 광시야각일 경우의 빛의 상을 그대로 유지할 수 있기 때문이다.

따라서, 원래의 광시야각 액정패널의 시야각 특성이 그대로 살아나 광시야각 모드가 된다.

도 5는 본 실시예의 액정패널의 구성을 실험한 시야각/휘도 특성을 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이 각 인가전압에 따른 화이트와 블랙상태가 시야각 방향에 따라 거의 변하지 않아서 그레이 인버전이 나타나지 않는 것을 알 수 있다.

본 실시예의 구성을 이용해 전술한 바와 같이 광시야각 모드에 대해 알아보았다. 다음으로 협시야각 모드는 전술한 광시야각 모드와는 다르게 상기 보조 평행배향셀에 3V 이상의 전압(일반적으로 문턱치 이상의 전압)을 걸어주게 되면 보조 평행배향셀의 액정분자가 분극되어 일어서면서 측면 시야각에서의 시야각특성이 나빠진다.

따라서, 액정표시장치는 전체적으로 협시야각 모드가 될 수 있다.

도 6은 본 실시 예의 액정패널의 구성을 실험한 시야각/휘도 특성을 나타낸 것으로 도시한 바와 같이, 상기 전압이 인가된 보조 평행배향셀에 의해 전체액정표시패널은 블랙상태에서 변화가 심하다는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 액정패널은 전술한 바와 같이 협시야각과 광시야각 모드의 전환이 가능함으로, 필요에 따라 융통성 있는 시야각특성을 보일 수 있다.

이때, 상기 광시야각 액정표시장치는 현재 일반화되고 있는 광시야각 액정패널을 모두 채용할 수 있으며, 차후에 설계될 차세대 광시야각 액정패널 또한, 채용 가능하다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 액정패널은 상·하 편광판과 상기 편광판사이에 삽입된 광시야각 액정셀과, 상기 상부기판과 상기 광시야각 액정셀 사이에 액정의 배열이 평행하고 꼬이지 않은 보조 평행배향셀을 삽입함으로써, 상기 보조평행배향셀에 일정치 이상의 전압을 가해줌으로써 상기 보조 평행배향셀의 상·하·좌·우의 시야각 특성이 나빠지는 것을 이용하여 전체 액정표시장치의 협시야각 모드를 유도할 수 있고, 상기 보조 평행배향셀에 전압을 인가하지 않음으로서 상기 광시야각 셀의 원래의 성격을 그대로 구현함으로써, 광시야각 모드를 구현할 수 있기 때문에 필요에 따라 협시야각 모드와 광시야각 모드를 선택적으로 구현할 수 있음으로 융통성 있는 액정표시장치를 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 제 1, 제 2 편광판과 ;

   상기 제 1, 제 2 편광판 사이에 위치하고, 액정이 게재되어 있는 두 장의 유리기판의 마주 보는 면에 칼라필터와 구동 어레이가 각각 형성되고, 광시야각 모드를 가지는 제 1 액정셀과;

   상기 제 1 액정셀과 상기 제 1 편광판 또는 제 2 편광판 사이에 위치하고, 액정이 게재되어 있는 두 장의 유리기판의 마주보는 면에 투명전극이 증착되어 있는 제 2 액정셀과;

   상기 제 2 액정셀의 전압인가에 따라 협시야각 모드 또는 광시야각 모드로 전환이 가능한 액정표시장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 액정셀의 액정은 꼬이지 않고, 액정분자간의 배열이 평행한 액정표시장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 액정셀의 배향방향과 상기 제 1 편광판 또는 제 2 편광판의 투과축 방향이 평행한 액정표시장치