KR20010102148A - 투과형 액정 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직선형 또는 면형의 조명 광원을 이용한 경우라도, 컬러 필터를 이용하지 않는 액정 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 직선형 또는 면형의 광원과, 상기 조명 광원으로부터 조사되는 빛이 입사되는 쐐기형 도광체와, 상기 쐐기형 도광체로부터 경사 방향으로 또한 대략 평행하게 출사되는 빛을 복수의 파장 영역의 빛으로 분리하는 파장 분리 수단과, 상기 파장 분리 수단에 의해 분리되는 빛을 수광하여 소정의 서브 화소에 소정의 파장 영역의 빛을 집광하는 집광 수단과, 서브 화소마다 제어 가능한 액정층으로 이루어지는 투과형 액정 표시 장치에 관한 것이다. 집광 수단으로서는 원통형 렌즈 어레이가 바람직하다. 본 발명의 쐐기형 도광체는 출사면의 반대면에 있어서 빛이 정반사하는 것이며, 금속 표면경(metal reflector)을 갖는 것이라도 좋고, 0.1°내지 3°, 더욱 바람직하게는 0.3°내지 1°의 꼭지각을 갖는다.

Description

투과형 액정 표시 장치{TRANSMISSION LIQUID CRYSTAL DISPLAY}

컬러 액정 표시 장치는 수십만에서 백수십만개의 화소로 이루어지고, 각 화소는 RGB의 서브 화소로 이루어져 있다. 서브 화소마다 RGB를 표시하기 위해서 RGB의 컬러 필터가 이용되고, 이들 서브 화소의 표시를 조합시켜 풀 컬러 화상을 얻을 수 있다. 이 경우, 각 서브 화소에 있어서는 컬러 필터에서 빛의 2/3는 흡수되어 버리기 때문에, 이론상 1/3의 빛밖에 이용하지 못하게 된다.

컬러 필터를 이용하지 않고서 컬러 표시를 행하는 방법으로서, 빛을 복수 파장 영역의 빛으로 분리하여, 각 파장 영역의 빛마다 집광하는 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 액정 프로젝터로서, 각 화소마다, 즉 3개의 서브 화소마다 하나의 마이크로렌즈를 배치하고, 마이크로렌즈에서 분리된 빛을 색 선택성을 갖는 반사경(reflector)을 이용하여 다른 방향으로 반사시켜, 각각의 색에 대응하는 서브 화소마다 빛의 투과 또는 차단을 액정층에 의해 제어하는 방법이 제안되어 있다(SID 심포지움 1996년, 제911면). 또 마찬가지로 액정 프로젝터로서, 아크 램프광을 회절 격자 표면에서 반사시켜 RGB의 빛으로 분리하고, 마이크로렌즈 어레이로 집광하여, 서브 화소마다 액정층에서 빛의 투과를 제어하는 방법이 제안되어 있다(SID 심포지움 1998년, 제199면). 이들 프로젝터에서는 마이크로렌즈 어레이에 있어서의 빛의 분리가 비교적 용이하다. 그 이유로는 프로젝터에서는 광량이 높은 메탈할라이드 램프(metal halide lamp) 등의 점 광원을 이용하는 경우가 많은데, 점 광원 램프는 빛 자체의 지향성이 높기 때문에, 마이크로렌즈 어레이로 소정 파장 영역의 빛을 소정의 서브 화소에 집광하는 것도 용이하기 때문이다.

그런데, 직선형 또는 면형의 조명 광원을 사용하는 경우에는 빛의 지향성도 충분하지 않고 RGB의 빛이 완전히는 분리되기 어렵기 때문에, 컬러 필터를 이용하지 않고서 마이크로렌즈 어레이와 같은 광 분리 수단을 이용하는 액정 표시 장치를 얻기가 어려웠다. 본 출원인은 충분히 검토한 결과, 다음과 같은 방법에 의해, 직선형 또는 면형의 조명 광원을 이용하는 경우라도 소정 파장의 빛을 소정의 서브 화소에 입사시킬 수 있는, 컬러 필터를 이용하지 않는 컬러 액정 표시 장치를 완성하였다.

본 발명은 컬러 필터를 이용하지 않더라도 풀 컬러 표시가 가능한 투과형 액정 표시 장치, 특히 직시형(direct-view type)의 투과형 액정 표시 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 일례를 도시하는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 있어서 사용되는 형광등의 파장 특성을 도시하는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 액정 표시 장치에 있어서의 화소를 모식적으로 도시하는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 회절 격자에 있어서의 빛의 입사 및 출사를 도시하는 도면이다.

도 5는 본 발명의 백라이트 유닛을 도시하는 도면이다.

도 6은 본 발명에 있어서의 액정 표시 장치를 도시하는 단면도이다.

도 7은 본 발명에 있어서의 회절 격자의 일례를 도시하는 도면이다.

본 발명은 직선형 또는 면형의 광원과, 상기 조명 광원으로부터 조사되는 빛이 입사되는 쇄기형(wedge-shape) 도광체와, 상기 쐐기형 도광체로부터 비스듬히 또한 대략 평행하게 출사되는 빛을 복수의 파장 영역의 빛으로 분리하는 파장 분리 수단과, 상기 파장 분리 수단에 의해 분리되는 빛을 수광하여 소정의 서브 화소에 소정의 파장 영역의 빛을 집광하는 집광 수단과, 서브 화소마다 제어 가능한 액정층으로 이루어지는 투과형 액정 표시 장치에 관한 것이다.

본 발명의 광원은 형광등이 바람직하다. 본 발명의 집광 수단은 마이크로렌즈 어레이, 예컨대 원통형(cylindrical) 렌즈 어레이가 바람직하다. 본 발명의 쐐기형 도광체는 이 도광체의 출사면의 반대면에서 빛을 정반사하는 것으로, 금속 표면경(metal reflector)을 갖는 것이라도 좋고, 0.1° 내지 3°, 더욱 바람직하게는 0.3° 내지 1°의 꼭지각(vertical angle)을 갖는다. 본 발명의 파장 분리 수단은 회절 격자이다. 회절 격자는 입사면에서 입사광의 일부가 정반사하는 것으로, 출사면이 톱니 형상(sawtooth shape)을 갖고, 톱니 형상에 있어서 조명 광원에 대하여 먼 쪽의 변이 출사면의 수직 방향에 대하여 5° 내지 20°, 더욱 바람직하게는 10° 내지 15°의 각도를 이루는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 투과형 액정 표시 장치는 확산판이 배치되어 있더라도 좋다.

도 1은 본 발명에 따른 투과형 액정 표시 장치의 단면도를 도시하고 있다. 본 발명에 따른 액정 표시 장치는 액정 표시 유닛(1)과 백라이트 유닛(2)으로 구성되어 있다. 액정 표시 유닛(1)은 두 장의 유리 기판(26)과, 그 사이에 삽입되는 액정층(30)으로 이루어져 있다. 하측의 유리 기판(26)의 외측에는 원통형 렌즈 어레이(20)가 설치되어 있고, 편광판(18)이 설치되더라도 좋다. 상측의 유리 기판(26)의 외측에는 편광판(18)과 확산판(28)이 설치되어 있더라도 좋다. 백라이트 유닛(2)은 형광등(3), 도광체(4) 및 회절 격자(16)로 이루어져 있다. 도광체(4)는 금속 반사판(6)을 갖고 있더라도 좋다.

직선형의 형광등(3)으로부터 조사되는 빛은 도광체(4)에 입사되고, 빛(12)은 도광체의 하면(8)과 상면(10)에서 반사를 반복하면서 서서히 각도가 급경사지게 된다. 상면(10)에 있어서 빛(12)의 방향이 임계각을 초과하면, 도광체 상면에서부터 빛(14)이 출사된다. 임계각을 초과하여 처음으로 출사되게 되기 때문에, 빛(14)은 대략 평행 광으로 되어 있다. 빛(14)은 회절 격자(16)에 있어서 RGB의 빛으로 분리된다. 분리된 RGB의 빛은 원통형 렌즈 어레이(20)에 입사된다. 원통형 렌즈 어레이(20)는 복수의 원통형 렌즈(22, 24) 등으로 이루어진다. 하나의 원통형 렌즈가 1화소에 대응하도록 설계하더라도 좋고, 하나의 원통형 렌즈가 복수의 화소에 대응하도록 설계하더라도 좋다. 원통형 렌즈(22)는 화소(32)에 대응하는 것으로,화소(32)는 32R, 32G 및 32B 3개의 서브 화소로 이루어져 있다. 원통형 렌즈(22)에 입사되는 빛은 R의 빛이 서브 화소(32R)에, G의 빛이 서브 화소(32G)에, B의 빛이 서브 화소(32B)에 입사되고, 각 서브 화소마다 빛의 투과 또는 차단이 제어된다. 액정으로서는 투과율을 제어할 수 있는 방식이라면 어떠한 방식의 것을 이용하더라도 좋다. 편광 상태를 변화시킴으로써 투과율을 제어하는 방식인 경우에는 도 1에 도시한 바와 같이 편광판을 배치하는 것이 필요하게 되지만, 그 밖의 방식을 이용하는 경우에는 편광판은 필요하지 않다.

도 2는 본 발명에서 사용하는 형광등(2)의 조사광의 분광 특성을 나타내고 있다. 본 발명에서는 회절 격자 등에 의해 빛을 분리하는 것이 필요하게 되지만, 회절광의 출사각은 입사광 파장의 영향을 받으므로, 동일하게 연속적인 분광 특성을 지닌 빛보다도, 몇 개의 강한 피크를 갖는 불연속 광을 이용하는 쪽이 빛의 분리가 용이하다. 예를 들면, 대표적인 청·녹·적의 파장은 445 nm, 530 nm 및 615 nm이며, 도 2에 도시된 형광등의 피크에 대응하는 파장 영역의 빛을 분리함으로써, 청·녹·적의 빛을 분리하는 것이 가능해진다.

본 발명에 있어서는, 액정층의 소정의 서브 화소에 분리된 RGB 중 소정의 빛을 통과시킬 필요가 있다. 예를 들면, 도 1에서는 적색광(16R), 녹색광(16G) 및 청색광(16B)의 빛이 각각 서브 화소(32R, 32G, 32B)를 통과할 필요가 있게 된다. 도 3은 화소(32)의 영역을 확대하여 모식적으로 도시한 것이다. 적색광(16R)이 서브 화소(32R)에 입사되고, 녹색광(16G)이 서브 화소(32G)에 입사되는 모습을 도시하고 있다. a는 빛이 원통형 렌즈(22)에 입사하는 지점에서 액정층까지의 거리를 나타내고, b는 서브 화소의 피치를 나타내고 있다. 적색광(16R)과 녹색광(16G)이 이루는 각이 어느 정도의 각도인지는 다음과 같은 식으로 구할 수 있다. 예를 들면, a는 널리 이용되고 있는 유리의 두께가 0.5 내지 0.7 mm이므로, 이것보다 약간 큰 값을 취한다. b는 직시형에서는 0.04 내지 0.1 mm이며, 예를 들어, 대각(diagonal) 13.3 inch의 XGA 액정 패널(해상도 1024×768)인 경우, 0.088 mm이다. 이 결과, tanθ=b/a는 13.3 inch의 XGA 액정 패널로, 0.088/0.9 전후가 되며, θ는 겨우 5.5°정도이다. 매우 거친 구식의 액정 패널이었다고 하여도 θ는 8°정도일 뿐이다. 이것을 달성하기 위해서는 RGB의 빛의 지향성이 매우 높게 되지 않으면 안되는 것을 알 수 있다. 그것을 위해서는, 광원으로부터의 빛의 지향성도 매우 높은 것이 아니면 안되는 것도 알 수 있다.

도 4는 회절 격자에 의한 빛의 회절 현상을 도시하는 것이다. 파장(λ)의 빛이 입사광(θ_i)으로 굴절율(n)의 매질로 이루어지고 피치(d)의 격자 간격을 갖는 투과형의 회절 격자에 입사되고, 출사각(θ_o)으로 출사된다. 회절 격자가 공기중에 존재하는 경우에는 수학식 1의 관계가 있다.

상기 수학식 1로부터, θ_i가 충분히 큰(90°에 가까움) 경우에는 θ_i값에 다소 변동이 있어도 sinθ_i값의 변화가 적으므로, θ_o의 변화도 그다지 커지지 않음을 알수 있다. 즉, 회절 격자에 입사하는 빛이 회절 격자에 대하여 평행에 가까운 각도로 입사하면 할수록, 입사광이 다소 지향성이 낮은 빛이라도, 회절 격자로부터 출사되는 빛은 지향성이 높아짐을 알 수 있다. 또, θ_i가 80°인 입사광으로, 녹색광(530 nm)의 파장 성분이 바로 위로 출사되도록 d의 값을 결정하면, d=530/sin80°=538 nm이 된다.

도 8은 입사각(θ_i)이 70°, 80°및 90°인 경우의 출사각(θ_o)을 도시하고 있다. 이 도면으로부터, 중심 입사각 80°이고, 범위가 ±10°인 입사광을 이용하여, 녹색광이 바로 위에 출사되도록 하면, 4°미만의 지향성을 갖는 출사광를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 도 8에서는 d=548.5 nm의 값을 이용하여 계산하고 있다. 도 9는 마찬가지로 중심 입사각 60°이고, d=612 nm이며, 도 10은 중심 입사각 50°이고, d=691 nm에서의 계산 결과를 도시하고 있다. 중심 입사각이 작아질수록, 출사광의 지향성이 저하하고 있음을 알 수 있다.

한편, 입사각을 더욱 크게 하여 90°에 가깝게 하면, 회절 격자 표면에 있어서의 입사광의 반사율이 지나치게 높아져, 입사광의 광 파워가 회절 격자 내에 도입되지 않는 문제가 생긴다. 도 11은 입사각(θ_i)을 크게 하고 있을 때의 투과율을 도시하고 있다. 회절 격자의 굴절율은 1.5이다. 투과율이 높은 쪽의 편광이라도 80°의 입사로 76%이고, 85°의 입사로 50%의 투과율밖에 안됨을 알 수 있다. 투과하지 않은 빛은 여러 가지 부품에 도달하여 난반사되는 결과, 소위 미광(迷光: stray light)이 되어 색 분리 특성을 저하시킨다.

이상으로부터, 80° 전후의 입사각으로 ±10° 정도의 범위를 갖는 빛을 회절 격자에 도달시킴으로써, 본 발명의 투과형 액정 표시 장치를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 도 5는 본 발명에 있어서 유용한 도광체의 일례이다. 이 전반사형의 도광체는 0.1° 내지 3°, 더욱 바람직하게는 0.3° 내지 1°의 매우 작은 꼭지각을 갖는 쐐기형의 투명 도광체이다. 도광체는 이면에 금속 반사판(6)을 갖고 있는 것이 바람직하다. 도광체의 상면과 하면이 이루는 각이 이러한 각으로 되어 있으면 충분하며, 도 5와 같이 3각형의 단면을 갖고 있더라도 좋고, 도 1과 같이 4각형의 단면을 갖고 있더라도 좋다. 이러한 도광체에 형광등으로부터의 빛을 유도하면, 빛은 우선 표면에서 전반사되어 도광체 내부로 복귀된다. 이러한 전반사 때마다 입사광이 꼭지각의 크기만큼 작아지고, 결국에는 입사광이 전반사 조건을 만족하지 않게 되어 일부의 빛이 외부로 출사된다. 하면에서는 금속 반사판(6)에 의해 빛은 전반사된다. 상면에서 출사되지 않은 성분은 도광체 내부로 복귀되어 하면에서 전반사되고, 꼭지각의 2 배만큼 입사각이 작아져 상면의 경계면에 재차 입사된다. 입사각이 작아진만큼 투과율이 늘어나기 때문에, 일부가 출사되고 나머지가 다시 도광체 내부로 복귀된다. 이후 마찬가지의 것이 반복된다. 출사될 때마다 나머지 빛의 강도가 저하하기 때문에, 현실적으로는 4 내지 5회 반복됨으로써 실질적으로는 대부분의 광 파워가 출사되어 버린다.

도 10은 꼭지각 0.5°이고, 굴절율 1.5의 쐐기형 도광체를 이용했을 때의 출사각에 대한 강도 분포를 시뮬레이션에 의해 구한 것이다. 중심 출사각이 약 80°로, 지향성이 높고 충분한 강도를 갖는 출사광을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이와같이 지향성이 높은 빛을 80°라는 큰 각도로 회절 격자에 입사시킴으로써, 매우 지향성이 높은 분리광을 얻을 수 있다.

회절 격자에 입사시키는 각도를 크게 하기 위해서만이라면, 도광체로부터의 출사각이 본 발명보다도 작은 도광체를 이용하여, 도광체의 상면과 회절 격자의 하면을 경사지게 배치하고, 상대적으로 회절 격자에 입사하는 각도를, 예를 들어 80° 전후로 하는 것도 불가능하지 않다. 그러나, 도광체와 회절 격자를 평행하게 배치했을 때에는 회절 격자의 하면에서 반사하여 도광체 상면으로 복귀되는 빛도 다시 이용할 수 있기 때문에 유리하다. 도 6은 회절 격자(16)의 하면에서 반사하여 도광체(4)의 상면으로 복귀되는 반사광(42)이 다시 이용되는 모습을 도시하고 있다. 본 발명에서는 회절 격자(16)로의 입사광(40)은 큰 입사각(θ)을 갖고 있기 때문에, 회절 격자(16)의 아래쪽 표면에서 반사되어 회절 격자에 의해 분리되지 않는 반사광(42)이 생기는 경우도 많다. 도광체의 상면과 회절 격자 시트는 평행인 경우, 반사광(42)은 도광체(4)의 표면에서 전반사하여 재입사광(44)이 된다. 재입사광(44)은 동일한 입사각(θ)으로 회절 격자(16)에 입사되어, 다시 이용되게 된다. 도광체(4)와 회절 격자(16)는 적절한 간격, 예컨대 1 ㎛ 내지 2 mm의 간격으로 배치한다. 회절 격자 표면의 반사광을 유효하게 다시 이용하기 위해서도 도광체(4)의 상면과 회절 격자(16)의 하면은 평활면인 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 있어서의 회절 격자(16)의 일례를 도시하는 단면도이다. 회절 격자(16)의 하면(52)은 평활면으로 되어 있고, 상면은 톱니 형상을 갖고 있다. 상면의 톱니 형상은 광학적인 굴절율 변조 구조이며, 일정한 피치로 단면이 삼각형 ABC의 형상으로 이루어지는 줄무늬형(streaky)의 삼각 돌기[50: triangular protrusion]로 이루어진다. 이러한 굴절율 변조 구조의 주기로서는 0.2 내지 2 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.4 ㎛ 내지 0.71 ㎛ 또는 0.9 내지 1.3 ㎛인 것이 바람직하다. 인접하는 삼각 돌기끼리는 연속하여 형성되어 있더라도 좋고, 도 7과 같이 인접하는 삼각 돌기 사이에, 하면(52)과 평행한 면이 있더라도 좋다. 회절 격자(16)의 구조에 있어서 중요한 것은 삼각 돌기에 있어서, 조명 광원에 대하여 먼 쪽의 면, 즉 도 7에서는 AB가 이루는 각(α)이다. 다만, 여기서는 조명 광원은 도 1과 같이 도면의 우측에 위치하는 것을 전제로 하고 있다. 회절 격자에 입사되는 빛의 대부분은 AB 면에서부터 RGB의 분광으로서 출사된다. 액정 표시 장치의 설계상, 녹색광이 거의 바로 위에 오도록 설계하는 것이 바람직하고, 또한 형광등의 파장 특성도 고려하여, 녹색광은 적색측에 1°내지 4°정도 기울어져 있더라도 좋다. 녹색광의 출사 각도를 이러한 범위로 하기 위해서 바람직한 각(α)은 5°내지 20°, 더욱 바람직하게는 10°내지 15°이다. BC면은 빛의 분리에는 그다지 기여하지 않기 때문에, 도 7에 도시한 구조가 아니라 기타 여러 가지의 구조를 사용할 수 있다.

본 발명에서는 RGB 마다 빛의 지향성이 매우 높기 때문에, 보는 방향에 따라 색이 변해 보인다고 하는 직시형 액정 장치 특유의 단점을 발생시키는 경우도 있다. 따라서 본 발명에서는, 도 1에 도시한 바와 같이 확산판(28)을 설치하더라도 좋다. 확산판(28)은 편광 특성을 변화시키는 것이면, 도 1과 같이 편광판의 외측에 두는 것이 바람직하다. 다만, 외측에 두면, RGB 광의 경로가 길어지기 때문에, 그 만큼 정밀도가 떨어진다. 편광 특성을 변화시키지 않는 확산판이라면, 편광판의 내측에 둘 수도 있다.

이상, 본 발명의 내용을 구체예에 기초하여 설명하였지만, 본 발명의 내용은 이들 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지의 범위 내에서 어떠한 변경이나 변형을 하더라도 좋다.

본 발명에 있어서는 극히 지향성이 높은 RGB 광을 액정층에 입사시킬 수 있기 때문에, 컬러 필터를 이용하지 않는 직시형의 투과형 액정 표시 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.

Claims (12)

1. 직선형 또는 면형의 광원과;

   상기 조명 광원으로부터 조사되는 빛이 입사되는 쐐기형(wedge-shape) 도광체와;

   상기 쐐기형 도광체로부터 비스듬히 또한 대략 평행하게 출사된 빛을 복수의 파장 영역의 빛으로 분리하는 파장 분리 수단과;

   상기 파장 분리 수단에 의해 분리되는 빛을 수광하여 소정의 서브 화소에 소정 파장 영역의 빛을 집광하는 집광 수단과;

   서브 화소마다 제어 가능한 액정층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광원은 형광등인 것인 투과형 액정 표시 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 집광 수단은 원통형 렌즈 어레이인 것인 투과형 액정 표시 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 쐐기형 도광체는 출사면의 반대면에서 빛이 정반사하는 것인 투과형 액정 표시 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 쐐기형 도광체는 0.1°내지 3°의 꼭지각(vertical angle)을 갖는 것인 투과형 액정 표시 장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 쐐기형 도광체는 0.3°내지 1°의 꼭지각을 갖는 것인 투과형 액정 표시 장치.
7. 제4항에 있어서, 상기 쐐기형 도광체는 출사면의 반대면에 금속 표면경(metal reflector)을 구비하는 것인 투과형 액정 표시 장치.
8. 제3항에 있어서, 상기 파장 분리 수단은 회절 격자인 것인 투과형 액정 표시 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 회절 격자는 입사면에서 입사광의 일부가 정반사하는 것인 투과형 액정 표시 장치.
10. 제8항에 있어서, 상기 회절 격자는 출사면이 톱니 형상을 갖고, 상기 톱니 형상에서 조명 광원에 대하여 먼 쪽의 변이 출사면의 수직 방향에 대하여 5°내지 20°의 각도를 이루는 것인 투과형 액청 표시 장치.
11. 제8항에 있어서, 상기 회절 격자는 출사면이 톱니 형상을 갖고, 상기 톱니형상에서 조명 광원에 대하여 먼 쪽의 변이 출사면의 수직 방향에 대하여 10°내지 15°의 각도를 이루는 것인 투과형 액정 표시 장치.
12. 제3항에 있어서, 상기 투과형 액정 표시 장치는 확산판이 더 배치되어 있는 것인 투과형 액정 표시 장치.