KR20020039800A - 필드-시켄셜 디스플레이용 1-판넬 엘코스 엔진 - Google Patents

필드-시켄셜 디스플레이용 1-판넬 엘코스 엔진 Download PDF

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Abstract

본 발명은 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진에 관한 것으로, OCB 모드를 채용한 것을 특징으로 하는 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진을 제공함으로써 액정 판넬의 응답속도 특성을 0.5 ms 이하로 줄일 수 있다.

Description

필드-시켄셜 디스플레이용 1-판넬 엘코스 엔진{A 1-Panel LCoS Engine for FSC display}
[산업상 이용분야]
본 발명은 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 OCB 모드를 채용한 액정 판넬에 있어서 액정 판넬의 응답 속도 특성을 더욱 빨리한 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진에 관한 것이다.
[종래 기술]
종래에 고속 광 게이트는 광 게이트의 턴-온(turn-on), 턴-오프(turn-off) 광학 응답 시간을 줄이기 위한 광학 시스템 내에서 트위스트된 네마틱 액정에 대하여 관심이 집중되고 있다.
그러한 광 게이트는 토비아스(Tobias)에 의해 개시되어 있다(International Handbook of Liquid Crystal Displays, OVUM Ltd., London, England, 1975, paragraph 9.5.3 FIGS F9.19 and F9.20).
이러한 광 게이트 중 액정 소자는 종래 단색 디바이스에 사용되어 왔고, 최근에 칼라 필터를 이용한 색을 구현하도록 개발되었다(Handbook of Liquid Crystal Device(1990), p492. edited by 142th Commission Panel of the Science Council of Japan, published by Nikkan Kogyo Shinbun-sha).
그러나, 상기 컬러 필터를 이용하는 방법은 칼라 필터에 의한 광손실이 많고, 해상도와 구동 회로에서 하나의 영상 요소는 세가지 화소로 구성되므로 세 번의 손실이 있다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 필드 시켄셜 칼라(FSC, Field sequentialcolor) 방법이 개발되었다.
그러나, 상기 FSC 방법에서도 고 응답 속도, 중간 색조 이미지(half-tone image) 및 생산성 등에 있어서 여러 가지 문제점이 있어 현재 구현되지 못하고 있다.
예를 들면, 트위스트된 네마틱 형태(twist nematic type)의 액정은 응답 시간이 20 내지 100 ms로 FSC 방법에 적용될 수 없고, 저속 FSC에 적용되었을 때, 디스플레이의 질이 깜박거림 때문에 매우 저하되기 때문이다.
또한, STN(Super Twist Nematic)을 응답 시간이 50 내지 300 ms로 더욱 늦다는 문제점이 있다.
한편, 페로일렉트릭 액정(ferroelectric liquid crystal)은 응답 시간은 빠르나 중간 색조의 이미지(half-tone image)를 거의 나타낼 수 없고, 셀 간격이 매우 좁아야 하며, 배향시 여러 가지 어려운 점이 있기 때문에 실용화하기 어렵다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 미국 특허 제 6,108,058호에서는 굽게 배향된 액정과 상 보상판(phase compensation plate)을 사용함으로써 상기의 문제점을 해결하려고 하였다.
그러나, 상기 특허도 셀 간격이 8 ㎛로 응답 시간이 2 내지 8 ms로 고해상도 FSC(Field-Sequential Color Dispaly)에는 충분히 적용하기가 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 사용한 액정의 점도가 20 mPaㆍs 이상으로 높으며, OCB 모드 구동 방식은 VC전압이 보통 2 내지 3 V이고, 구동 전압 VH가 보통 6 내지 20 V로 상당히 높기 때문에 구동 부문에서 전압 부담이 크다는 문제점이 있다.
본 발명은 위에서 설명한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 OCB 모드에 간격이 좁고 점도가 낮은 액정 셀을 적용함으로써 응답 시간이 짧고 콘트라스트가 우수한 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 1-판넬 LCoS 엔진의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 전압에 따른 액정 상태의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 전압 변화에 따른 벤드(bend) 상태와 스플레이(splay) 상태의 자유 에너지 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 일정한 구동 전압 하에서 일시적 효과(transient effect)가 0 V가 유지되는 시간인 t0와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 일정하게 인가된 전압 하에서 프리틸트 각(pretilt angle)의 변화에 따따른 라이징 시간(rising time)과 폴링 시간(falling time)의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 인가 전압이 VH= ±4.0 V에서 프리틸트 각에 따른 응답 시간과의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
OCB 모드를 채용한 것을 특징으로 하는 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진을 제공한다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 1-판넬 LCoS 엔진의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 보면, LCoS 엔진의 구성은 보상 필름(5)이 액정 셀(3)의 전면에 배치되고, 지연 필름의 전면에 PBS(Polarizing Beam Splitter)(7) 및 투사 렌즈(projection lens)(9)를 순차적으로 배치한다. 광원(11)은 외부에 설치되어 있다.
상기 액정 셀(3)은 굽게 배향된 액정으로 네마틱 구조의 액정을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 LCoS 엔진의 구동 방법은 광원에서 나오는 빛(백색광)(11)이 PBS(7)를 통해서 액정 셀(bend cell)(3)에 입사되게 된다.
입사된 빛은 광 게이트(light gate) 역할을 하는 액정 셀(3)에 의해 조절되어 실리콘 기판에 부착된 반사 거울(1)에서 다시 반사된 후에 PBS(7)를 통과하여 투사 렌즈(projection lens)(9)를 통해 확대되게 된다.
여기에서 지연 필름(retardation film) 또는 보상 필름(compensation film)(5)은 액정 셀(3)의 위상 보상을 통해 콘트라스트(contrast)를 진한 검정(dark black)으로 만들어 줌으로써 디스플레이의 콘트라스트를 향상시키는 역할을 한다.
상기 지연 필름은 위상차가 20 내지 500 nm인 것이 바람직하다.
1-판넬 LCoS 엔진 개발에 있어서 가장 핵심적인 부분은 필드-시??셜 칼라(FSC, Field-Sequential Color) 구현 방식을 적용하기 때문에 액정 판넬의 응답속도가 1 ms 이하의 고속응답 특성이 필수적이다.
본 발명에서는 이를 위해 액정의 응답속도에 주된 영향을 미치는 요소 중에 셀 간격(cell gap)과 액정의 점도 및 구동방식을 개선함으로써 응답속도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.
응답속도를 개선하기 위해서 셀 간격을 2.0 내지 3.0 ㎛로 줄였으며 액정의 점도를 기존에 사용되는 물질의 1/3 수준인 7.5 내지 8.0 mPaㆍs로 개선된 액정을 사용한다.
하기 식 1은 응답 시간과 셀 간격과 액정 물질의 물성과의 관계를 나타내고 있다.
식 1
상기 식에서 γ는 액정 물질의 점도, d는 셀 간격, v는 구동 전압,v0는 문턱 전압, Δε은 유전성 이방성(dielectric anisotropy), K는 탄성 계수이다.
상기 식에서, 응답 시간 τr은 액정 물질의 점도와 셀 간격에 의존하고 있다. 따라서, 응답 시간을 줄일 수 있는 방법으로는 액정 물질의 점도와 셀 간격을 줄이는 것이다.
또한, 액정의 네마틱 구조에서 도 2에 도시한 바와 같이, 기존의 경우 21의 상태를 OFF 상태로 25의 상태를 ON 상태로 설계하였으나, 본 발명에서는 23의 상태를 OFF 상태로 25의 상태를 ON 상태로 설계한다. 23의 상태가 VC전압으로 0 V를 인가하고, 25의 상태가 구동 전압으로 ±3.0 내지 ±5.0 V를 인가함으로써 액정의 반응 시간을 대폭 개선할 수 있다.
상기 23의 상태는 도 3에 도시한 바와 같이, 전압을 인가하였을 때, 전압의 변화에 따라 벤드 자유 에너지(bend free energy)와 스플레이 자유 에너지(splayfree energy)가 교차하는 곳을 선택하여 바이어스(bias) 상태로 한다.
폴링 시간(falling time)을 줄이기 위해 바이어스 상태의 VC(common voltage) 전압을 0 V로 줌으로써 액정이 릴렉세이션(relaxation)될 때 VC전압에 의한 정지력(stopping force)을 제거하여 릴렉세이션 시간을 줄일 수 있다.
기존에는 액정으로 디플루오로스틸벤(trans-Difluorostilbene; DFS)을 사용하는데 DFS는 점도면에서 우수하여 고속 응답화에 유리하나 트랜스와 시스 형태가 에너지에 따라 연속적으로 변화는 구조로 되어 있어, 광이성화 반응이 일어나 액정 특성에 열화를 가져와 바람직하지 않다.
본 발명에서는 이러한 광이성화 반응에 대하여 DFS의 말단기 일측을 다른 치환기로 치환함으로써 액정 특성 및 내광성을 향상시키거나 DFS 구조내에 페닐기 대신에 사이클로헥산기를 치환함으로써 점도, Tni 및 탄성 계수(K)를 증가시키고, Δn을 낮춤으로써 응답시간을 확보할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 액정은 하기 화학식 1로 표현되는 DFS-F(Difluorostilbene-Fluoride) 또는 하기 화학식 2로 표현되는 DFS-C(Difluorostilbene-Chloride)가 바람직하다.
화학식 1
R1-A-CF=CF-Ph-R2
상기 식에서, R1은 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 펜텐(pentene)기로 이루어진 군에서 선택되는 것이고, A는 페닐기이고, R2는 불소(F)이다.
화학식 2
R1-A-CF=CF-Ph-R2
상기 식에서, R1은 프로필기 또는 펜틸기이고, A는 사이클로헥산, R2는 불소(F) 또는 염소(Cl)이다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 일정한 구동 전압 VH가 인가되었을 때, 상기 액정 셀에서 도 3에서 23의 상태는 0 V 전압이 인가된 경우 시간 t0에 의존한다. 이와 같이 23의 상태를 일시적 효과(transient effect)라고 하며, t0가 액정 셀에서 중단 상태 없이 굽어진 상태가 유지될 수 있는 최대 시간이다.
상기 일시적 상태가 유지될 수 있는 최소의 구동 전압은 ±3.0 내지 5.0 V가 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 ±3.0 V이며, t0는 3 내지 5 ms가 될 수 있다.
아울러 프리틸트(pretilt) 각과 액정의 응답속도와의 관계는 프리틸트(pretilt) 각에 따른 응답속도 변화실험을 통하여 프리틸트(pretilt) 각이 높을수록 응답속도가 빨라진다는 것을 실험적으로 확인할 수 있다.
도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 프리틸트(pretilt) 각이 증가할수록 라이징 시간(rising time), 폴링 시간(falling time)이 모두 빨라짐을 알 수 있다.
라이징 시간(rising time)은 10°이상의 각도에서는 어느 정도 포화되는 경향을 보이는 반면, 폴링 시간(falling time)의 경우 10°이상의 각도에서도 계속빨라진다.
따라서, 프리틸트(pretilt) 각이 높으면 높을수록 액정의 응답속도는 빨라진다.
프리틸트(pretilt) 각이 15°정도인 경우에는 라이징 시간은 80 ㎲이고, 폴링 시간의 경우에는 350 ㎲ 정도로 매우 빠른 응답속도를 얻을 수 있다.
따라서, 액정의 프리틸트(pretilt) 각은 바람직하기로는 8°내지 30°정도가 바람직하다.
또한, 1-판넬 LCoS 엔진의 재생비(refresh rate)는 칼라 브레이크업 문제가 없는 270 Hz(sub-frame time= 1/270 = 3.7 ms) 이상이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 제시한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 더욱 잘 이해하기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Δn이 0.212, Tni가 83.1 ℃, 점도(γ)가 25 ℃에서 7.9 mPaㆍs이고, Δε이 10.2인 일본국 세이미 화학사(SEIMI Chemical Co.) 제품의 액정을 사용하였다. 셀 간격을 2 ㎛으로 하여 설계하였으며, 구동 전압 VH를 ±3.5 V, VC를 0 V로 인가하였다. 광원으로는 He-Ne 레이저를 사용하여 OCB 셀의 프리틸트(pretilt) 각을 5°에서 15°로 변화시키면서 ON(rising), OFF(falling) 시간을 측정하였다. 그 결과를 도 5에 도시하였다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 라이징 시간은 프리틸트(pretilt) 각이 증가함에 따라 감소하다 일정 각도 이상이 되면 포화되는 것을 알 수 있으며, 폴링 시간의 경우 프리틸트(pretilt) 각이 증가함에 따라 계속적으로 감소함을 알 수 있다.
따라서, 프리틸트(pretilt) 각이 증가함에 따라 응답 시간은 감소함을 알 수 있다.
일반적으로 광학계에서 LCoS 엔진의 처리량(throughput)을 계산할 때 사용하는 식은 다음과 같다.
식 1
처리량(throughput) = 광조사 효율 ×개구율 ×거울 반사율 ×액정 모드의 편광 효율
이다.
본 발명의 실시예에 따른 LCoS 엔진의 처리량과 기존의 LCoS 엔진의 처리량을 계산하였다. 그 계산 결과는 다음과 같다(여기에서 개구율은 0.9, 거울 반사율 0.9, 편광 효율을 0.85로 하였다).
본 발명의 실시예에 따른 처리량 = (3.7-0.43)/3.7 ×0.9 ×0.9 ×0.85 = 0.61 (약 61 %),
기존의 경우 처리량 = (3.7-1.5)/3.5 ×0.9 ×0.9 ×0.85 = 0.41 (약 41 %)이다.
상기의 계산에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 1-판넬LCoS 엔진의 경우 처리량은 41 %에서 61 %로 약 50 % 정도 향상됨을 알 수 있었다.
비교예
액정을 다음 표와 같이 사용하여, 응답 속도를 측정하였다. VH = ±3.5 V이고, VC= 0 V, R/F = 100 nm, 프리틸트 각(θ)은 11.5 °이고 셀 간격은 2.0 ㎛로 하였다.
Tni Δn(589 nm) 회전 점도(25 ℃) Δε ε⊥ V10
SSF-2080(세이미케니칼사) 96.0 ℃ 0.218 15.3 mPaㆍs 18.0 4.9 1.64 V
MDA-99-3480(머크 코리아사) 98.5 ℃ 0.200 22.0 mPaㆍs 13.0 4.5 2.25 V
SSF-2080을 사용하였을 때, 라이징 시간은 160 ㎲이고 폴링 시간은 650 ㎲로 응답 시간은 810 ㎲(0.81 ms)이고 MDA-99-3480은 라이징 시간 250 ㎲, 폴링 시간 950 ㎲로 응답 시간 1210 ㎲(1.20 ms)로 본 발명에서 사용되는 액정(응답 시간 320 ㎲)보다 응답 시간이 느리다는 것을 알 수 있었다.
실시예 2
인가 전압을 ±4.0 V로 하여 프리틸트 각에 따른 응답 속도의 변화를 측정하였다. 측정 조건은 OCB-모드, VC= 0 V, R/F = 100 nm, d = 2.0 ㎛이고, 액정은 상품명 SSF-1576(일본 세이미케미칼사)를 사용하였다.
그 결과를 도 6에 도시하였다.
도 6을 참조하면, 인가 전압(VH)이 ±3.5 V일 때에 비해 응답 속도가 빨라지는 것을 볼 수 있는데, 이는 응답 속도 관계식인 상기 식 1에서 알 수 있는 바와같이, 동일한 조건에서 인가 전압을 증가시키면, 액정의 응답속도는 감소함을 알 수 있다.
또한, ±3.5 V의 인가 전압 조건과 마찬가지로 프리틸트 각이 증가함에 따라 응답속도가 빨라지는 것을 알 수 있었다.
실시예 3
VH = ±4.0 V, VC = 0 V, R/F = 160 nm, d = 3.0 ㎛, 액정은 DFS-F 계열인 SSF-1576(일본 세이미케미칼사)을 사용하고, 프리틸트 각은 11.5°로 하여 셀 간격에 따른 응답 속도를 측정하였다.
측정 결과 라이징 시간(τr)은 0.27 ms이고, 폴링 시간(τt)는 0.52 ms이었다.
상기 응답 속도 측정 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 셀 간격을 2.0 ㎛에서 3.0 ㎛로 증가시키게 되면 라이징 시간은 0.1 ms에서 0.27 ms로, 폴링 시간은 0.36 ms에서 0.52 ms로 느려지는 것을 알 수 있었다.
그리고, 2.0 ㎛의 셀 간격에서는 ±3.5 V의 전압만 걸어주어도 벤드 상태를 유지할 수 있었으나 3.0 ㎛의 셀 간격에서는 ±4.0 V의 전압을 걸어주어야만 벤드 상태를 유지할 수 있기 때문에 셀 간격이 증가함에 따라 인가 전압도 올라감을 알 수 있었다.
본 발명에 따른 1-판넬 LCoS 엔진을 사용하는 경우 2.0 ㎛의 셀 간격에서도0.5 ms 이하의 빠른 응답 속도를 나타내기 때문에 응답 속도를 개선하기 위해서 더 이상 셀 간격을 낮출 필요가 없어 충분한 공정 생산성을 확보할 수 있고, 구동 전압이 ±3.0 내지 ±5.0 V로 낮기 때문에 백플랜(backplane)의 구동 안전성이 뛰어나고 또한 VC전압이 0 V이기 때문에 추가로 전압을 걸어줄 필요가 없기 때문에 구동 방식이 간단하다는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. OCB 모드가 채용된 것을 특징으로 하는 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 OCB 모드의 액정 셀 간격이 2 내지 3 ㎛인 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 OCB 모드의 액정의 점도가 7.5 내지 8.0 mPaㆍs인 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 액정은 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 물질인 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진:
    [화학식 1]
    R1-A-CF=CF-Ph-R2
    상기 식에서, R1은 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 펜텐(pentene)기로 이루어진 군에서 선택되는 것이고, A는 페닐기이고, R2는 불소(F)이고,
    [화학식 2]
    R1-A-CF=CF-Ph-R2
    상기 식에서, R1은 프로필기 또는 펜틸기이고, A는 사이클로헥산, R2는 불소(F) 또는 염소(Cl)이다.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 OCB 모드의 VC가 0 V이고, 구동 전압 VH가 ±3.0 내지 5.0 V인 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 1-판넬 LCoS 엔진의 재생(refresh) 비는 270 Hz 이상인 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 OCB 모드의 지연 필름(retardation film)의 위상차가 50 내지 200 nm인 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 OCB 모드의 프리틸트(pretilt) 각이 8°내지 30°인 FSC 디스플레이용1-판넬 LCoS 엔진.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 LCoS 엔진은 1 또는 2-판넬을 더욱 포함하는 FSC 디스플레이용 1-판넬 LCoS 엔진.
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