KR20020044094A - 편광반사소자와, 이를 구비한 액정표시소자 및,편광반사소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

편광반사소자는, 적층된 복수의 콜레스트릭 액정층을 갖추고, 각 콜레스트릭 액정층은, 폴리머화 되어 있음과 더불어, 나선형상의 액정분자배열로 이루어지고, 거의 법선방향으로 나선축을 갖추고 있다. 액정분자의 비틀림각의 면내 평균치(

Description

편광반사소자와, 이를 구비한 액정표시소자 및, 편광반사소자의 제조방법{POLARIZED LIGHT REFLECTION ELEMENT, LIQUID CRYSTAL DISPLAY ELEMENT HAVING THE SAME, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE POLARIZED LIGHT REFLECTION ELEMENT}

본 발명은, 편광반사소자와, 이 편광반사소자를 이용한 액정표시소자 및, 편광반사소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 나선형상의 분자배열을 갖고, 그 나선축이 거의 법선방향으로 향하고 있는 콜레스트릭(cholestric) 액정막, 또는 카이랄 네마틱(chiral nematic) 액정막은, 원편광 2색성을 나타내는 것이 알려져 있다. 원편광 2색성이라는 것은, 막에 입사하는 광중 특정파장의 특정방향의 원편광을 반사하고, 또한 반사된 원편광과 역방향의 원편광을 투과하는 성질을 말한다.

상기 원편광 2색성의 반사 및 투과특성은, 이용하는 액정의 나선구조에 따라 결정된다. 즉, 반사되는 원편광의 방향은, 액정의 나선의 방향과 동일하고, 그 파장은 나선의 피치(pitch)에 의존한다. 또한, 반사율 및 투과율은, 액정막의 두께에 따라 변하고, 두꺼우면 두꺼울 수록 반사율이 높아진다.

이와 같은 성질을 이용하여, 액정막의 나선의 방향이나 피치 및, 막두께를 제어함으로써, 다양한 편광반사특성을 갖는 편광반사소자를 얻을 수 있다. 상기 편광반사소자는, 원편광을 이용하여 표시를 행하는 투과형 또는 반투과형의 액정표시소자에 적용할 수 있음과 더불어, 광원의 이용효율을 높이기 위한 휘도향상 필름(film) 등으로서 유용하다.

이와 같은 목적에 사용되는 편광반사소자는, 그 성질상, 반사 및 투과하는 광의 원편광도가 중요해지고 있다. 즉, 반사 및 투과하는 광에, 원하는 방향의 원편광과 반사방향의 원편광이 섞이면, 누설광으로 되기 때문에 편광반사소자의 기능을 저하시켜 버린다.

그러나, 종래 이용되고 있는 편광반사소자에서는, 상기 반사 및 투과하는 광의 원편광도가 충분히 높게 되어 있지 않다. 그 때문에, 편광반사소자를 액정표시소자에 적용한 경우에는, 누설광이 많아져 콘트라스트(contrast)가 감소하여 액정표시소자의 표시품위가 저하하고, 또한 휘도향상 필름으로 이용한 경우에는, 광의 이용효율이 저하해 버린다. 따라서, 편광반사소자의 기능이 충분히 생기지 않는다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 반사 및 투과하는 광의 원편광도를 비약적으로 높여, 높은 이용효율을 실현하기 위한 편광반사소자와, 이 편광반사소자를 이용한 액정표시소자 및, 편광반사소자의 제조방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 편광반사소자의 단면도,

도 2는 콜레스트릭 액정층 및 배향층의 굴절률과 편광반사소자의 콘트라스트와의 관계를 나타낸 도면,

도 3은 상기 편광반사소자의 기능을 설명하는 개념도,

도 4는 콜레스트릭 액정분자의 비틀림각과 편광반사소자의 콘트라스트와의 관계를 나타낸 도면,

도 5a는 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시소자의 액정측에 제1전압을 인가한 상태를 모식적으로 나타낸 단면도,

도 5b는 상기 제2실시예에 따른 액정표시소자의 액정측에 제2전압을 인가한 상태를 각각 모식적으로 나타낸 단면도,

도 6은 상기 액정표시소자의 단면도,

도 7은 상기 액정표시소자의 어레이 기판을 확대하여 나타낸 단면도,

도 8은 상기 어레이 기판을 개략적으로 나타낸 평면도,

도 9는 상기 액정표시소자에서의 편광판의 흡수축 각도와 투과율과의 관계를 나타낸 도면,

도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시소자를 나타낸 단면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 --- 투명기판, 2 --- 배향막(배향층),

3,4,5,6 --- 콜레스트릭 액정층, 7 --- 좌원편광판,

8 --- 편광반사소자, 9 --- 판형상 광원,

10 --- 반사판, 11 --- 편광판,

12 --- λ/4 파장판, 13 --- 유리기판(어레이 기판),

14 --- 유리기판(대향기판), 15 --- 액정층,

16 --- 화소전극, 17 --- 대향전극,

18 --- 선택반사층, 20 --- 전원,

21 --- 배면광원, 22 --- 도광체,

23 --- 산란반사층, 24 --- 선형상 광원,

25 --- λ/4 파장판(위상차판), 26 --- 편광판,

31 --- 박막트랜지스터(TFT), 32 --- 신호선,

33 --- 게이트전극, 34 --- 주사선,

35 --- 산화막, 36 --- 반도체막,

37 --- 저저항 반도체막, 38 --- 패시베이션막,

39 --- 드레인전극, 40 --- 콘택트홀,

41 --- 소스전극, 42 --- 기판의 둘레부(밀봉부),

43 --- 밀봉재, 50 --- 칼라필터층,

51 --- λ/4 파장판, 52 --- 편광반사소자,

nc --- 콜레스트릭 액정층의 굴절률, np --- 배향막의 굴절률,

1/CR --- 좌원편광을 입사시킨 경우의 출사광의 좌원편광성분과 우원편광성분의 비,

p --- 나선피치, λ --- 선택반사파장,

nπ --- 콜레스트릭 액정의 비틀림각,

--- 비틀림각의 면내 평균치, Lf --- 입사광,

Lb --- 광원으로부터의 출력광, T --- Voff시의 투과율.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 1실시형태에 따른 편광반사소자는, 나선형상의 액정분자배열을 갖고, 거의 법선방향으로 나선축을 갖춘 폴리머(polymer)화 된 콜레스테릭 액정층, 카이랄 네마틱 액정층, 또는 카이랄 액정층의 적어도 어느 하나의 액정층을 구비하고,

액정분자의 비틀림각의 면내 평균치()가,

nπ-0.05π≤≤nπ+0.05π (n=1,2,3,…)의 범위내에 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 편광반사소자에 의하면, 반사 및 투과하는 광의 원편광도를 비약적으로 높여, 높은 광이용효율을 실현하는 것이 가능해진다.

본 발명의 실시형태에 따른 액정표시소자는, 제1편광판과, 액정셀, 제2편광판 및, 상기 제1편광판과 제2편광판과의 사이에 배치된 편광반사소자를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

더욱이, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 다른 반투과형의 액정표시소자는, 제1편광판과, 액정셀, 제2편광판, 배면광원, 상기 제2편광판과 배면광원과의 사이에 배치된 편광반사소자 및, 상기 제2편광판과 상기 편광반사소자와의 사이에 배치된 λ/4 파장판을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

상기와 같이 구성된 액정표시소자에 의하면, 광이용효율이 높은 상술한 편광반사소자를 이용함으로써, 콘트라스트가 높은 우수한 표시특성을 실현하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 실시형태에 따른 편광반사소자의 제조방법은, 기판 상에 배향막을 형성하는 공정과, 상기 배향막에 액정분자를 면내 1방향으로 제어하는 배향처리를 시행하는 공정, 상기 배항막 상에 나선구조를 갖는 액정층을 형성하는 공정 및, 상기 액정층의 상면의 액정분자를 상기 배항막의 배향처리방향과 거의 동일한 방향으로 배향고화(配向固化)시키는 공정을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

더욱이, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 편광반사소자의 제조방법은, 기판 상에 제1배향막을 형성하는 공정과, 상기 제1배향막에 액정분자를 면내 1방향으로 제어하는 배향처리를 시행하는 공정, 상기 제1배향막 상에 나선구조를 갖는 제1액정층을 형성하는 공정, 상기 제1액정층의 상면부를 상기 제1배향막의 배향처리방향과 거의 동일한 방향으로 배향고화시키는 공정, 상기 제1액정층 상에 제2배향막을 형성하는 공정, 상기 제2배향막에 상기 제1배항막의 배항처리방향과 동일한 방향으로 배향처리를 시행하는 공정, 상기 제2배향막 상에 제2액정층을 형성하는 공정 및, 상기 제2액정층의 상면부를 상기 제1배향막의 배향처리방향과 거의 동일한 방향으로 배향고화시키는 공정을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 편광반사소자의 제조방법은, 제1기판 상에 제1배향막을 형성하는 공정과, 상기 제1배향막에 액정분자를 면내 1방향으로 제어하는 배향처리를 시행하는 공정, 제2기판 상에 제2배향막을 형성하는 공정, 상기 제2배향막 상에 상기 제1배향막의 배향처리방향과 동일한 방향으로 배향처리를 시행하는 공정, 상기 제1기판과 상기 제2기판을 스페이서(spacer)를 매개로 접합시켜 제1셀을 제작하는 공정, 상기 제1셀에 제1액정을 주입하여 고화시키는 공정 및, 상기 제2기판을 박리하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

(실시예)

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 편광반사소자 및 이 편광반사소자를 구비한 액정표시소자에 대해 상세히 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 제1실시예에 따른 편광반사소자(8)는, 투명기판(1)과, 투명기판(1) 상에 배치된 배향막(2), 배향막(2) 상에 적층된 복수의 콜레스테릭 액정층(3,4,5,6)을 구비하고 있다.

이 편광반사소자(8)의 제조방법은 이하와 같다. 우선, 투명기판(1) 상에 폴리이미드(polyimide)를 인쇄하고, 열처리에 의해 고화시킨다. 투명기판(1)으로서는, 여기에서는 유리기판을 이용했지만, 경량화나 내충돌성을 원할 경우에는, 플라스틱(plastic) 기판을 이용할 수도 있다. 또한, 폴리이미드는 콜레스테릭 액정을 배향시키는 것이면 좋고, TFT(Thin Film Transister)나 STN(Super Twisted Nematic) 액정 프로세서(process)에 이용되는 일반적인 폴리이미드를 이용했다.

다음에, 형성된 폴리이미드층에 러빙(rubbing)처리를 시행하여, 배향층(2)으로 한다. 더욱이, 이와 같은 배향처리의 공정은, 러빙법 이외에, 제어방위(制御方位)와 거의 동일한 방위의 직선편광을 조사하는 광배향법, 제어방위와 직교하는 방위, 평행하는 방위의 경사방위로부터 무기재료를 증착하는 사방(斜方)증착법 등의 공정을 이용할 수도 있다.

계속해서, 배향층(2) 상에, 콜레스테릭 액정층(3)을 스핀코트(spin coat)법 또는 인쇄법 등에 의해 도포하고, 열처리에 의해 고화하여 폴리머(polymer)화 한다. 열처리시에는, 배향층(2)의 러빙방향과 동일한 방향으로 질소가스를 내뿜으면서, 서서히 열을 가해 간다. 이에 의해, 콜레스테릭 액정층(3)의 상면부, 즉 최상부의 액정분자는 배향층(2)의 러빙방향, 즉 콜레스테릭 액정층(3)의 최하부의 액정분자와 동일한 방향을 향하게 된다. 따라서, 나선형상의 액정분자배열을 갖고, 거의 법선방향으로 나선축을 갖춘 폴리머화 된 콜레스테릭 액정층(3)이 형성된다.

콜레스테릭 액정층(3)의 최상부의 액정분자의 방향을 결정하는 방법은, 상기에 한정되지 않는다. 즉, 콜레스테릭 액정층(3)을 도포형성 후, 적절한 온도로 반고화된 상태로 러빙처리를 시행하는 방법, 제2기판에 배향막을 형성하여 러빙처리를 시행한 후, 이 제2기판을 콜레스테릭 액정층에 부착하고, 열처리를 시행하고 나서 제2기판을 박리하는 방법, 또는 콜레스테릭 액정을 도포하기 전에, 투명기판(1)과 배향처리가 시행된 제2기판을 스페이서를 매개로 부착하여 셀(cell)을 구성하고, 그 사이에 콜레스테릭 액정을 주입·열처리한 후, 제2기판을 박리하는 방법 등을 이용해도 된다.

계속해서, 동일한 방법에 의해, 콜레스테릭 액정층(3) 상에 콜레스테릭 액정층 4, 5, 6을 순차 형성해 간다. 이렇게 하여 형성된 콜레스테릭 액정층(3~6)은, 각 층의 최상부 및 최하부의 액정분자가, 모두 배향막(2)의 러빙방향과 동일한 방향을 향한 것으로 된다.

더욱이, 콜레스테릭 액정층(3~6)의 나선의 방향은 우회여도 좌회여도 상관없지만, 본 실시예에서는 좌회의 나선구조를 이용했다. 보다 배향을 완전하게 하기 위해서는, 각 콜레스테릭 액정층을 형성한 후에 배향막을 형성하여 러빙하고, 그 위에 다음의 콜레스테릭 액정층을 형성한다는 프로세스를 반복할 수도 있다.

이 경우에는, 각 콜레스테릭 액정층과 배향막과의 굴절률의 차에 의해, 입사광의 계면반사가 일어난다. 이와 같은 계면반사가 일어나면, 출사광의 편광도를 악화시키는 성분이 나타나기 때문에, 계면반사는 작은 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 상기 구성으로 한 경우, 콜레스테릭 액정층(3~6)의 굴절률(nc)과 배향막의 굴절률(np)과의 비와, 좌원편광을 입사시킨 경우의 출사광의 좌원편광성분과 우원편광성분과의 비(1/CR로 표시)의 관계를 도 2에 나타낸다. 이 도면으부터 알 수 있는 바와 같이, np/nc=1로부터 멀어짐에 따라 1/CR의 값이 커져, 표시품위가 악화된다. 특히, np/nc의 값이 0.95 이하 또는 1.05 이상일 때에는, 1/CR＞0.01(CR＜100)으로 되어, 현저하게 편광특성이 악화된다. 따라서, 콜레스테릭 액정층(3)의 굴절률에 대해, 적층하는 각 콜레스테릭 액정층 및 배향막의 굴절률은 95%~105%인 것이 바람직하다.

더욱이, 본 실시예에서는 배향막(2)을 이용했지만, 경우에 따라서는 배향막(2)을 생략한 구성으로 해도 된다. 예컨대, 투명기판(1)의 표면을 직접 러빙함으로써, 콜레스테릭 액정층(3)의 투명기판(1)측의 액정분자에 원하는 배향상태를 줄 수 있을 경우, 배향막(2)을 형성할 필요는 없다.

또한, 최상층의 콜레스테릭 액정층(6) 상에는, 필요에 따라 오버코트(over coat)층을 설치해도 된다.

콜레스테릭 액정은, 나선피치(P)와 굴절률(nc)에 따라 결정되는 특정파장 λ(λ=nc·P)의 광중, 나선방향과 동일한 방향의 원편광만을 선택적으로 반사한다. 나선방향 및 선택반사파장(λ)은, 목적에 따라 적당한 값으로 되도록 설정할 수 있지만, 본 실시예에서는 콜레스테릭 액정층(3~6)을 모두 좌나선구조로 하고, 각각의 선택반사파장 λ3, λ4, λ5, λ6을 각각 λ3=450nm, λ4=510nm, λ5=570nm, λ6=630nm로 되도록 설정했다. 이에 의해, 편광반사소자(8)는 가시광중, 420nm에서 660nm까지의 넓은 범위의 광을 선택반사하는 기능을 가진 편광반사소자가 얻어진다.

또한, 본 실시예에 있어서, 콜레스테릭 액정층은 4층 적층으로 했지만, 층의 수는 이에 한정되지 않고, 편광반사소자(8)를 사용하는 목적에 따라, 1~3층이어도 되고, 또는 5층 이상으로 해도 된다.

또한, 콜레스테릭 액정층의 막두께를 충분히 두껍게 한 경우에는, 선택반사파장 근방의 광중 특정 원편광성분(여기에서는, 좌원편광성분)을 모두 반사하지만, 막두께를 얇게 한 경우에는, 특정 원편광성분의 일부는 투과하게 된다. 이와 같은 반사:투과의 비율은, 편광반사소자(8)의 이용목적이나 환경에 따라 임의로 설정할 수 있다.

특히, 본 실시예에 따른 편광반사소자(8)를 광투과형의 액정표시소자에 이용할 경우, 다양한 외광 하에서 보기쉬움에 관한 조사를 행한 바, 일반적인 반투과형 액정표시소자 보다도 광의 이용효율이 높기 때문에, 반사:투과 비율의 설정 자유도가 높은 것이 확인되었다. 구체적으로는, 반사:투과의 비율이 5:5~9:1인 경우에 사용하기 쉬운 액정표시소자로 되는 것을 알 수 있었다.

반사, 투과의 비율이 5:5 보다도 작을 경우, 반사표시가 충분하지 않아, 맑은날의 옥외에서는 상당히 사용하기 어렵다. 반대로, 반사, 투과의 비율이 9:1 보다도 클 경우에는, 투과표시가 불충분하여, 밤, 형광등 등의 광원의 바로 아래가 아니면 사용할 수 없다.

본 실시예에서는, 콜레스테릭 액정층(3~6)의 반사:투과의 비율이 7:3이 되도록, 각 층의 막두께를 설정했다. 콜레스테릭 액정층(3~6)의 각 층의 액정분자는, 최상부와 최하부에서 동일한 방향을 향하고 있기 때문에, 그 비틀림각은 nπ(n=1,2,3,…)로 되어 있으며, 본 실시예에서는 14π로 되었다.

다음에, 본 실시예의 편광반사소자(8)의 기능에 대해 설명한다. 여기에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 편광반사소자(8)의 한쪽 측, 예컨대 투명기판(1)측에, 좌원편광판(7), 판형상 광원(9), 반사판(10)을 차례로 배치한 구성을 상정하여 설명한다.

이 경우, 좌원편광판(7)측으로부터 입사한 광은, 좌원편광판(7)에 의해, 좌원편광으로 되어 편광반사소자(8)에 도달한다. 이 좌원편광은, 콜레스테릭 액정층(3~6)에 의해, 각각의 선택반사파장 λ3~λ6 근방의 파장영역의 광중 60~70%가선택적으로 반사된다. 한편, 콜레스테릭 액정층(3~6)에서 반사되지 않았던 30~40%의 광은, 그대로 투과하여, 편광반사소자(8)로부터 출사된다.

상술한 바와 같이, 콜레스테릭 액정층(3~6)은, 각각 액정분자의 방향이 최상부와 최하부에서 똑같이 일치하고 있으며, 그 비틀림각이 nπ(n=1,2,3,…)로 되어 있기 때문에, 액정분자의 나선축에 대해 대칭인 구조로 되어 있다. 따라서, 콜레스테릭 액정층(3~6)을 투과하는 좌원편광은, 편광상태를 어지럽히지 않고, 좌원편광 그대로 편광반사소자(8)로부터 출사되게 된다. 그 결과, 편광반사소자(8)로부터 출사되는 광은, 원편광도가 극히 높은 광으로 된다.

한편, 콜레스테릭 액정층(3~6)에서 반사된 광은, 좌원편광판(7)을 통해 광원(9)의 방향으로 되돌아 간다. 광원(9)의 후방에 반사판(10)이 설치되어 있을 경우, 편광반사소자(8)에서 반사된 광은, 이 반사판(10)에 의해 반사되고, 다시 편광반사소자(8)에 좌원편광판(7)을 통해 입사하고, 상술한 바와 같은 과정을 반복하게 된다.

따라서, 상기 편광반사소자(8)를 이용함으로써, 이와 같은 과정을 통해, 광원(9)으로부터 출사된 광의 70% 이상을 좌원편광으로 취출하는 것이 가능해진다.

더욱이, 콜레스테릭 액정층(3~6)의 각 층의 액정분자의 비틀림각은, 상술한 바와 같이 nπ(n=1,2,3,…)로 일치하고 있는 것이 바람직하지만, 실제의 제조에 있어서는, 다소의 오차가 있어도 상관없다.

도 4에, 비틀림각의 면내 평균치()와, 출사광의 우원편광성분과 좌원편광성분과의 비(1/CR)의 관계를 나타낸다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이,평균치()가 π의 정수배일 때, 1/CR은 극소값을 가져 양호한 표시가 실현된다. 또한, 평균치()가 nπ±0.05π(n:정수)의 범위에서 벗어나면, 1/CR은 0.01 이상(콘트라스트비 100 이하)으로 되어, 표시품위가 극히 악화된다. 따라서, 비틀림각의 면내 평균치()는, nπ-0.05π≤≤nπ+0.05π로 설정되는 것이 필요하다.

더욱이, 이상적으로는 각 콜레스테릭 액정층(3~6)의 최상부의 액정분자에 대해 모두 동일한 방향으로 배향처리를 하는 것이 바람직하지만, 반드시 상술한 바와 같은 배향처리를 하지 않아도, 본 실시예의 효과가 발휘될 수 있다. 이 경우에는, 하층의 콜레스테릭 액정층 상에 형성하는 콜레스테릭 액정층은, 그 최하부의 액정분자가, 하층의 콜레스테릭 액정층의 액정분자와 동일한 방향을 향하도록 형성한다. 이와 같이 함으로써, 적층된 콜레스테릭 액정층은, 액정분자의 방향이 연속적으로 이어지고, 전체로서 하나의 매끄러운 나선구조를 갖기 때문에, 출사되는 광의 편광상태의 어지러움을 최소한으로 막을 수 있다.

다음에, 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시소자에 대해 설명한다. 이 액정표시소자는, 상술한 제1실시예에 따른 편광반사소자를 이용한 반투과형의 액정표시소자로 구성되어 있다.

도 5a, 도 5b 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 이 액정표시소자는, 대향배치된 2매의 유리기판(13, 14)간에 액정층(15)을 끼워유지시켜 형성된 액정소자를 구비하고, 이 액정소자의 관찰측, 즉 유리기판(13)의 외면상에는, λ/4 파장판(12) 및, 편광판(11)이 차례로 설치되어 있다. λ/4 파장판(12) 및 편광판(11)은, 함께 우원편광특성을 갖는 우원편광판을 구성하고 있다.

또한, 다른쪽의 유리기판(14)의 외면과 대향하여, λ/4 파장판(25), 편광판(16) 및, 배면광원(21)이 차례로 설치되어 있다. λ/4 파장판(25) 및 편광판(26)은, 함께 좌원편광특성을 갖는 좌원편광판을 구성하고 있다.

액정소자의 관찰측의 유리기판(13)은 어레이(array) 기판을 구성하고, 유리기판(13)의 내면에는, 칼라필터층(50)이 설치되고, 이 칼라필터층 상에 투명한 ITO(Indium Tin Oxide)로부터 다수의 화소전극(16)이 매트릭스(matrix) 형상으로 설치되어 있다.

도 6 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 유리기판(13) 상에는, 신호선(32)과, 게이트전극(33)을 포함하는 주사선(34)이 매트릭스 형상으로 설치되고, 더욱이 필요에 따라 도시하지 않은 보조용량전극이 설치된다. 또한, 신호선(32)과 주사선(34)과의 교차부에는, 스위칭소자로서의 박막트랜지스터(31; 이하, TFT라 칭함)가 설치되고, 각각 화소전극(16)에 접속되어 있다. 신호선(32) 및, 주사선(34)에 겹쳐 산화막(35)이 형성되어 있다.

각 TFT(31)는, 산화막(35)을 매개로 게이트전극(33) 상에 설치된 비결정실리콘(amorphous-Silicon; a-Si)으로 이루어진 반도체막(36), 반도체막 상에 저저항 반도체막(37)을 매개로 설치된 소스전극(41) 및 드레인전극(39)을 구비하고, 패시베이션막(38)에 의해 덮여져 있다.

게이트전극(33)이 반도체막(36)의 아래에 배치된 버텀게이트(bottom gate) 구조의 TFT에 있어서는, 어레이 기판(13)에서 TFT(31)로 향해 들어가는 외광은, 게이트전극(33)에서 차단되기 때문에, 반도체막(36)에 입사하지 않는다. 그 결과, 액정표시장치를 옥외에서 사용할 때의 광에 의해 발생하는 광 누설전류에 기인하는 콘트라스트비의 저하를 방지할 수 있다.

각 화소전극(16)은, 칼라필터층(50)에 형성된 10㎛각 정도의 콘택트홀(40; contact hole)을 매개로 소스전극(41)에 접속되어 있다. 칼라필터층(50)은, 화소부의 전면에 배치되어 있다. 이 칼라필터층(50)은, 적, 녹, 청의 3원색 또는 노랑색(Yellow), 자홍색(Magenta), 청록색(Cyan)의 보색 3원색의 칼라필터층으로 되고, 매트릭스 형상으로 배치된 화소전극(16) 및 대향전극(17)에 의해 액정층(15)을 화소단위로 전해(電解) 제어함으로써 가법혼색(加法混色)에 의한 칼라표시를 행한다. 화소전극(16)의 경계부분에는, 신호선(32), 주사선(34), 보조용량선중 어느 하나의 배선이 배치되고, 배면광원(21)으로부터의 투과광 사용시에, 배면광원으로부터의 광이 누설되어 콘트라스트비를 저하시키는 일이 없다.

한편, 도 6에 나타낸 바와 같이, 액정소자의 배면측의 유리기판(14)은 대향기판을 구성하고 있다. 유리기판(14)의 화소전극(16)과 대향하는 면에, ITO 등의 투명도전막으로 이루어진 대향전극(17)이 거의 전면에 걸쳐 형성되어 있다. 유리기판(14)과 대향전극(17)과의 사이에는, 상술한 제1실시예에서 나타낸 편광반사소자와 동일한 구성을 가진 콜레스테릭 액정층을 적층하여 이루어진 선택반사층(18)이 설치되어 있다.

더욱이, 대향전극(17)은, 통상의 마스크 스퍼터(mask sputter)법에 의해 성막과 패터닝(patterning)을 동시에 행하는 것이 바람직하다. 이 경우,대향전극(17) 형성시, 선택반사층(18)을 구성하는 콜레스테릭 액정층으로의 프로세스 부하를 극히 작게할 수 있다.

또한, 어레이 기판(13) 및 대향기판(14)의 액정층(15)과 접하는 면에는, 각각 도시하지 않은 배향막이 형성되어 있다. 이들 배향막은, 액정층(15)의 액정분자가 기판에 대해 수직으로 배향되는 것과 같은 배향방향을 각각 갖고 있다. 이에 의해, 어레이 기판(13)과 대향기판(14)과의 사이에는, 매트릭스 형상으로 배열된 다수의 액정화소가 형성되어 있다.

또한, 도 8에 나타낸 바와 같이, 어레이 기판(13)과 대향기판(14)은, 양 기판의 둘레부(42; 밀봉부)에 걸쳐 도포된 밀봉재(43)에 의해, 서로 접합되어 있다. 이 경우, 밀봉재(43)를 대향기판(14)의 선택반사층(18) 상에 도포한 경우, 밀봉재의 부착성이 악화되어, 1만시간 이상의 장시간의 사용시에, 기판끼리가 떨어지는 등의 신뢰성 저하를 초래할 우려가 있다.

또는, 선택반사층(18) 상에, 밀봉재에 대해 부착성이 우수한 오버코트제를 도포하고, 이 오버코트제를 매개로 선택반사층(18) 상에 밀봉재를 도포한 경우에는, 신뢰성의 문제를 회피할 수 있다. 오버코트제로서는, 예컨대 통상의 칼라필터에 이용하는 아크릴수지를 사용할 수 있다.

도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 유리기판(14)의 배면측에 설치된 배면광원(21)은, 예컨대 아크릴 등의 투광성의 평판으로 이루어진 도광체(22)와, 도광체의 측면에 배치된 선형상광원(24) 및, 도광체의 이면에 설치된 산란반사층(23)을 구비하고 있다.

더욱이, 본 실시예에서는, a-Si를 이용한 TFT를 이용했지만, 액정을 구동하기 위한 구동소자는 이에 한정하는 것은 아니다. MIM(Metal Insulator Metal) 등의 2단소자를 이용해도 되고, 또는 p-Si(poly-Silicon)를 이용한 소자로 해도 좋다. 또한, 상술한 액티브 매트릭스(active matrix)형에 한정하지 않고, 단순 매트릭스형으로 전극을 형성하는 것도 가능하다.

다음에, 상기와 같이 구성된 액정표시소자의 동작에 대해 설명한다.

도 5a에 나타낸 바와 같이, 수직배향형의 액정층(15)에 전원(20)으로부터 전압이 인가된 온(ON)상태, 정확하게는 액정의 임계치 이상의 전압이 인가된 상태(Von시)에서는, 네마틱 액정분자는 어레이 기판(13)으로부터 대향기판(14)으로 향해 기판에 평행한 방향으로 배열하는 호모지니어스(homogeneous) 배향으로 된다.

이 상태에서, 도면의 윗쪽의 관찰측으로부터 입사해 오는 광(Lf)은, 편광판(11) 및 λ/4 파장판(12)을 통해, 우회의 원편광으로서, 액정층(15)에 입사한다. 그리고, 광은, 액정층(15)에 의해 위상이 λ/2 지연됨으로써, 좌회의 원편광으로 변환되어 선택반사층(18)에 도달한다. 따라서, 도달된 좌회의 원편광은 선택반사층(18)에 의해 반사되고, 다시 액정층(15)에 의해 위상이 λ/2 지연됨으로써, 우회의 원편광으로 변환되어 관찰측으로 출력된다. 이 광은, 다시 λ/4 파장판(12)을 통과함으로써, 편광판(11)의 편광축에 걸친 직선편광으로 되어, 편광판(11)을 통과하여 외부로 출력된다. 이에 의해, 밝은상태의 표시가 얻어진다.

또한, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 액정층(15)에 임계치 이하의 전압이 인가된 오프상태(0(zero)전압을 포함; Voff시)에서, 액정층(15)의 액정분자는 유리기판(13, 14)에 대해 수직으로 배열하고, 입사광을 위상변조하지 않은 상태로 된다.

이 상태에서, 도면의 윗쪽으로부터 입사해 오는 광은, Von시와 마찬가지로, 편광판(11) 및 λ/4 파장판(12)을 통해, 우회의 원편광으로서 액정층(15)에 입사하지만, 이 액정층(15)에서는 위상변조되지 않고, 우회의 원편광 그대로 선택반사층(18)에 도달한다. 그 때문에, 우회의 원편광은, 선택반사층(18)을 배면측으로 향해 투과하고, λ/4 파장판(25)에 의해, 편광판(26)의 흡수축에 걸친 구동성분을 갖는 직선편광으로 변환된다. 그 결과, 입사광(Lf)은 관찰면으로 되돌아 가지 않고, 어두운상태의 표시가 얻어진다.

다음에, 선택반사층(18)의 배면측에 설치된 배면광원(21)을 작동시킨 경우의 동작에 대해 설명한다. 도 5a에 나타낸 Von시, 배면광원(21)으로부터 출력된 광(Lb)은, 편광판(26) 및 λ/4 파장판(25)에 의해 좌회의 원편광으로 되고, 그중 소정 비율의 광(본 실시예에서는 30~40%)은 선택반사층(18)을 투과하고, 나머지는 선택반사층에 의해 반사된다.

선택반사층(18)을 통과한 광은, 액정층(15)에 의해 위상변조되고, 우회의 원편광으로 변환된다. 그리고, 이 광이 λ/4 파장판(12)을 통과함으로써, 편광판(11)의 편광축에 걸친 직선편광으로 되어, 편광판을 통과하여 관찰면측으로 출력된다. 상기 과정에서, 선택반사층(18)을 통과한 광은, 상술한 바와 같이 편광도가 높은 좌원편광이고, 우원편광성분을 거의 포함하고 있지 않다. 따라서,광의 이용효율이 높아, 휘도가 높은 밝은상태의 표시가 얻어진다.

한편, 도 5b에 나타낸 Voff시, 선택반사층(18)을 통과한 좌회의 원편광은, 액정층(15)에 의한 위상변조를 받지 않고, 그대로 관찰측으로 출력된다. 그리고, 이 광은 λ/4 파장판(12)을 통과함으로써, 편광판(11)의 편광축과 직교하는 진동방향을 갖는 직선편광으로 되어, 편광판(11)에 의해 흡수된다. 상술한 이유로, 선택반사층(18)을 통과한 광에는 거의 우원편광성분을 포함하고 있지 않기 때문에, 편광판(11)으로부터 누설되어 출사되는 광은 극히 적다. 따라서, 극히 휘도가 0에 가까운 어두운상태의 표시가 얻어진다.

이상과 같이 구성된 액정표시소자에 의하면, 선택반사층(18)은 제1실시예에서 나타낸 바와 같은 우수한 원편광도가 얻어지기 때문에, 이 선택반사층을 이용한 액정표시소자는, 콘트라스트가 높고, 우수한 표시성능을 발휘할 수 있다.

더욱이, 본 실시예에서는, λ/4 파장판(12 및 25), 편광판(11 및 26)이 완전한 원편광판으로서 기능한 경우에 대해 설명했지만, 실제로는 이들 필름에 다른 파장분산이 있는 것을 사용할 수도 있다. 이 경우, 위상차판(12)과 편광판(11)과의 조합은 우타원편광으로서, 위상차판(25) 및 편광판(26)의 조합은 좌타원편광판으로서 기능한다.

상기 구성에 의하면, 각각의 타원편광판의 광축(타원축)과, 선택반사층(18) 및 액정층(15)의 각각의 층의 액정분자의 방향에 의해, 액정표시소자의 표시성능이 바뀐다. 보다 양호한 콘트라스트를 얻기 위해서는, Voff시에, 상기 우타원편광판 및 좌타원편광판을 회전시켜 투과율 T를 측정하고, 투과율이 최소로 되도록 한 배치로 하면 좋다.

도 9는, 본 실시예에 따른 액정표시소자에서 얻어진 Voff시의 투과율(T)과, 편광판(11)의 흡수축과의 관계를 나타내고 있다. 이 도면으로부터, 본 실시예의 경우, 편광판(11)의 흡수축을 45˚로 한 때에, 투과율(T)이 최소로 되어, 아주 양호한 표시품위로 되는 것을 알 수 있다.

다음에, 본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시소자에 대해 설명한다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 액정표시소자는, 상술한 제2실시예에 따른 액정표시소자에 있어서, 편광판(26)과 배면광원(21)의 사이에, λ/4 파장판(51) 및 편광반사소자(52)를 더 배치한 구성을 갖추고 있다.

편광반사소자(52)는, 상술한 제1실시예와 마찬가지로 제조된 것을 이용할 수 있지만, 바람직하게는 편광반사소자의 특정 원편광성분(여기에서는, 좌원)의 반사:투과의 비율은 10:0에 가까운 쪽이 좋다.

다른 구성은, 제2실시예에 따른 액정표시소자와 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 참조부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 구성된 제3실시예에 따른 액정표시소자에 의하면, 배면광원(21)으로부터 출사된 광중, 우원편광성분은 편광반사소자(52)를 투과하고, 좌원편광성분은 반사되어 배면광원(21)으로 되돌아 간다. 배면광원(21)으로 되돌아 간 광은 산란반사되고, 편광 해소되어 다시 편광반사소자(52)로 입사하기 때문에, 다시 우원편광성분은 투과하고, 좌원편광성분은 반사된다. 이렇게 하여, 편광반사소자(52)와 배면광원(21)의 사이를 광이 복수회 반사하면서, 우원편광성분만이 편광반사소자(52)를 투과한다.

편광반사소자(52)를 투과한 우원편광은, λ/4 파장판(51)에 의해 직선편광으로 되어, 편광판(26)으로 향한다. 이 때, λ/4 파장판(51)을 투과한 직선편광의 방향이, 편광판(26)의 투과축에 맞도록 배치되어 있으면, 거의 모든 광이 편광판(26)을 투과하여, 액정표시소자의 표시에 이용된다.

편광반사소자(52)는, 상술한 바와 같이 상당히 양호한 원편광 2색성을 나타내기 때문에, 상기 구성의 액정표시소자의 광의 이용효율은 상당히 높은 것으로 된다. 편광반사소자(52)가 배치되어 있지 않은 일반적인 액정표시소자에서는, 배면광원(21)으로부터 출사된 광의 50% 이하 밖에 표시에 이용할 수 없는 것에 비해, 본 실시예에 따른 액정표시소자에 의하면, 70% 이상을 이용하는 것이 가능해진다.

특히, 광의 이용효율이 중요해지는 반투과형의 액정표시소자에서는, 본 실시예와 같이, 상술한 제2실시예의 반투과형 액정표시소자에 편광반사소자를 조합에 의해, 비약적으로 표시성능이 향상한다. 종래의 일반적인 반투과형 액정표시소자에 비해, 본 실시예의 반투과형 액정표시소자에서는 광의 이용효율이 약 1.6배로 되었다.

더욱이, 본 발명은 상술한 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 범위내에서 다양하게 변형가능하다. 예컨대, 상술한 실시예에서는, 편광반사소자의 구성요소로서, 폴리머화 된 콜레스테릭 액정층을 이용했지만, 이에 한정하지 않고, 카이랄 네마틱 액정층, 또는 카이랄 액정층을 폴리머화 하여 이용할 수도 있다. 더욱이, 상술한 설명에 있어서, 층은, 막의 개념도 포함한 것으로 기술하고 있다.

또한, 상술한 제2 및 제3실시예에서는 반투과형의 액정표시소자에 대해 설명했지만, 본 발명은 투과형의 액정표시소자에 대해서도 동일한 효과가 얻어진다. 그 경우에도, 종래의 투과형 액정표시소자의 배면광원과 액정패널 이면의 편광판과의 사이에, 본 실시예와 동일한 편광반사소자와 λ/4 파장판을 배치하면 좋다.

이상 기술한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예로 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 목적 및 배경을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 반사 및 투과하는 광의 원편광도를 비약적으로 높여, 높은 이용효율을 실현할 수 있는 편광반사소자와, 이 편광반사소자를 이용한 액정표시소자 및, 편광반사소자의 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims (15)

1. 나선형상의 액정분자배열을 갖고, 거의 법선방향으로 나선축을 갖춘 폴리머화 된 콜레스테릭 액정층, 카이랄 네마틱 액정층, 또는 카이랄 액정층의 적어도 어느 하나의 액정층을 구비하여 구성되고,

   상기 액정분자의 비틀림각의 면내 평균치()는,

   nπ-0.05π≤≤nπ+0.05π (n=1,2,3,…)의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 편광반사소자.
2. 제1항에 있어서, 나선피치가 다른 상기 액정층을 복수적층하여 형성되고, 각 액정층의 계면에서 액정분자의 방향이 연속적으로 이어지고, 전체로서 하나의 매끄러운 나선구조를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 편광반사소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 각 액정층의 액정분자의 비틀림각의 평균치()가, 각각

   nπ-0.05π≤≤nπ+0.05π (n=1,2,3,…)의 범위내인 것을 특징으로 하는 편광반사소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 액정층은, 입사광중, 특정 원편광성분의 광의 일부를반사하고, 상기 특정 원편광성분의 광중 반사되지 않은 광 및, 상기 특정 원편광성분 이외의 광의 거의 모두를 투과하는 나선형상의 액정분자배열 및 두께를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 편광반사소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 특정 원편광성분중, 반사되는 광과 투과하는 광과의 비율이 5:5~9:1인 것을 특징으로 하는 편광반사소자.
6. 제1편광판과,

   액정셀,

   제2편광판 및,

   상기 제1편광판과 제2편광판과의 사이에 배치된 청구항 1에 기재된 편광반사소자를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 반투과형의 액정표시소자.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2편광판은 역회(逆回)의 원편광특성을 갖고,

   상기 편광반사소자와 상기 제1 및 제2편광판은, 상기 편광반사소자의 투과율이, 상기 제1 및 제2편광판의 광축을 각각 회전시켰을 때에 최소로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반투과형의 액정표시소자.
8. 제1편광판과,

   액정셀,

   제2편광판,

   배면광원,

   상기 제2편광판과 배면광원과의 사이에 배치된 청구항 1에 기재된 편광반사소자 및,

   상기 제2편광판과 상기 편광반사소자와의 사이에 배치된 λ/4 파장판을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
9. 기판 상에 배향막을 형성하는 공정과,

   상기 배향막에 액정분자를 면내 1방향으로 제어하는 배향처리를 시행하는 공정,

   상기 배항막 상에 나선구조를 갖는 액정층을 형성하는 공정 및,

   상기 액정층의 상면부의 액정분자를 상기 배항막의 배향처리방향과 거의 동일한 방향으로 배향고화시키는 공정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 편광반사소자의 제조방법.
10. 기판 상에 배향막을 형성하는 공정과,

    상기 배향막에, 액정분자를 면내 1방향으로 제어하는 배향처리를 시행하는 공정,

    상기 배향막 상에 나선구조를 갖는 제1액정층을 형성하는 공정,

    상기 제1액정층의 상면부를 상기 배향막의 배향처리방향과 거의 동일한 방향으로 배향고화시키는 공정,

    상기 제1액정층 상에 나선구조를 갖는 제2액정층을 형성하는 공정 및,

    상기 제2액정층의 상면부를 상기 배향막의 배향처리방향과 거의 동일한 방향으로 배향고화시키는 공정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 편광반사소자의 제조방법.
11. 기판 상에 제1배향막을 형성하는 공정과,

    상기 제1배향막에, 액정분자를 면내 1방향으로 제어하는 배향처리를 시행하는 공정,

    상기 제1배향막 상에 나선구조를 갖는 제1액정층을 형성하는 공정,

    상기 제1액정층의 상면부를 상기 제1배향막의 배향처리방향과 거의 동일한 방향으로 배향고화시키는 공정,

    상기 제1액정층 상에 제2배향막을 형성하는 공정,

    상기 제2배향막에, 상기 제1배항막의 배항처리방향과 동일한 방향으로 배향처리를 시행하는 공정,

    상기 제2배향막 상에 제2액정층을 형성하는 공정 및,

    상기 제2액정층의 상면부를 상기 제1배향막의 배향처리방향과 거의 동일한 방향으로 배향고화시키는 공정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 편광반사소자의 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1배향막, 상기 제2배향막 및 상기 제2액정층을, 그 굴절률이 상기 제1액정층의 굴절률의 95% 내지 105%가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 편광반사소자의 제조방법.
13. 제1기판 상에 제1배향막을 형성하는 공정과,

    상기 제11배향막에, 액정분자를 면내 1방향으로 제어하는 배향처리를 시행하는 공정,

    제2기판 상에 제2배향막을 형성하는 공정,

    상기 제2배향막 상에 상기 제1배향막의 배향처리방향과 동일한 방향으로 배향처리를 시행하는 공정,

    상기 제1기판과 상기 제2기판을 스페이서를 매개로 접합시켜 제1셀을 제작하는 공정,

    상기 제1셀에 제1액정을 주입하여 고화시키는 공정 및,

    상기 제2기판을 박리하는 공정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 편광반사소자의 제조방법.
14. 제13항에 있어서, 제3기판에 제3배향막을 형성하는 공정과,

    상기 제3배향막에 상기 제1배향막의 배향처리방향과 동일한 방향으로 배향처리를 시행하는 공정,

    상기 제1기판과 상기 제3기판을 스페이서를 매개로 접합시켜 제2셀을 제작하는 공정,

    상기 제2셀에 제2액정을 주입하여 고화시키는 공정 및,

    상기 제3기판을 박리하는 공정을 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 편광반사소자의 제조방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 제1액정 상에 제4배향막을 형성하는 공정과,

    상기 제4배향막에 상기 제1배향막의 배향처리방향과 동일한 방향으로 배향처리를 시행하는 공정을 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 편광반사소자의 제조방법.