KR20030080966A - 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치 구조 - Google Patents

광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치 구조 Download PDF

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Abstract

광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조는 투명한 공통 전극층을 포함하고 있는 상부 기판, 픽셀 전극층을 포함하고 있는 하부 기판, 편광자, 연속적으로 배열된 리타데이션막, 및 두 전극층 사이에 개재되는 균일하게 분포된 액정층을 포함한다. 리타데이션막은 위상 보상판으로서 작용한다. 액정층의 복굴절 특성, 및 상기 편광자, 상기 적어도 하나의 리타데이션막 및 액정층 사이의 최적화된 각도에 의한 단일 원편광 모드는 가시광의 전체 스펙트럼상의 다크 상태에서 광누설을 감소시키는데 이용된다. 액정 표시 장치의 광학적 자기 보상이 달성된다.

Description

광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치 구조{Structure of a reflective optically self-compensated liquid crystal display}
본 발명은 반사형 액정 표시 장치(Reflective liquid crystal display) 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치구조에 관한 것이다.
반사형 액정 표시 장치는 경량, 박막 및 저소비 전력 특성에 의하여 휴대 정보 시스템용 소자로 많이 이용되고 있다. 현재에는 밝거나 어두운 시야 모두에서도 문자 읽음 특성(legibility)이 우수한 반사형 액정 표시 장치가 개발되고 있다. 그러나, 반사형 트위스티드 네마틱(reflective twisted nematic:RTN) 액정 표시 소자용 액정의 신뢰성은 여전히 개선이 요구된다. 일반적으로 반사형 액정 표시 장치는 노말리 화이트 트위스티드 네마틱(normally white twisted nematic) 액정이 이용되기 때문에, 이러한 반사형 액정 표시 장치가 핸드폰, PDA(personal digital assistant) 또는 노트북 컴퓨터와 같은 휴대 제품에 적용되는 경우 낮은 전력 소모를 필요로 한다. 그러므로, 액정 표시 장치를 구동하는 전압은 낮아야 한다. 일반적으로, 반사형 액정 표시 장치, 구동 회로, 시스템 파워 소모, 액정의 동작 전압 및 신뢰성은 설계 사항에 있어서 밀접한 관련이 있다.
일반적으로 이용되는 반사형 액정 표시 장치의 구동 전압은 4 내지 5V이다. 구동 전압을 예를들어, 2.5 또는 3.3V 정도로 더 낮추기 위하여, 반사형 액정 물질의 특성을 개선시킴이 요구된다. 일반적으로 이용되는 반사형 액정은 0.05 내지0.075 정도의 굴절율(Δn)과, 3 내지 7 정도의 유전 상수(Δε)를 갖는다. 반사형 액정 물질의 특성을 개선시키는 방법으로 유전 상수(Δε)를 7 내지 16 까지 상승시키는 방법이 있다. 그러나, 이와같이 유전 상수를 증가시키게 되면, 액정 물질에 불순물이 쉽게 흡착되어, 신뢰성이 저하되는 결과를 초래한다.
일반적으로 이용되는 반사형 액정 표시 장치는 노말리 브라이트 모드(normally bright mode)로 동작된다. 이에따라, 반사형 액정 표시 장치는 완전한 다크 상태(dark state)에 도달하기 위하여, 액정의 파장 분산을 보상할 수 있는 사반파 보상판(quarter-wave compensators)이 요구된다. 그러나, 대부분의 보상판 물질은 단지 단일의 파장(일반적으로, 550nm 파장의 녹색광)에 대하여 사용되므로, 가시광(400 내지 700nm)의 전체 스펙트럼(full spectrum)에 대하여 동작될 수 없다. 그러므로, 다크 상태는 완전한 다크를 이루지 못하고, 액정 표시 장치의 콘스트라스트(contrast) 역시 불충분하다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 반사형 액정 표시 장치의 문제점을 극복하는 것이다.
또한, 본 발명의 주된 목적은 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시예 1에 따른 다크 상태에서 반사형 액정 표시 장치의 픽셀 영역 구조를 보인 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예 1에 따른 브라이트 상태에서 반사형 액정 표시 장치의 픽셀 영역 구조를 보인 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예 2에 따른 평탄한 반사 금속층을 반사 소자로 이용하는 반사형 액정 표시 장치의 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예 3에 따른 반사형 소자의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 반사형 금속층 구조의 세가지 타입을 보여준다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 픽셀 영역내의 반사형 금속층의 개구부 구조의 세가지 형태를 보여준다.
도 5a는 본 발명의 광학적으로 자기 보상된 구조하에서의 액정의 특성에 따라 계산된 문턱 전압 및 구동 전압을 보여준다.
도 5b는 초저 구동 전압용 액정 표시 장치의 구동 전압에 따른 휘도 커브를 시뮬레이션한 결과 도면이다.
도 5c는 본 발명에 따른 초저 구동 전압용 광학적으로 자기 보상된 2.2 인치 반사형 TFT-LCD 패널의 전압에 따른 반사도 커브를 시뮬레이션한 결과 도면이다.
도 6a는 부등식(1)을 만족하는 각도 솔루션 세트(angular solution set)를 보여준다.
도 6b는 부등식(2) 및 (3)을 만족하는 각도 솔루션 세트를 보여준다.
도 6c는 부등식(4)를 만족하는 바람직한 제 2 각도 솔루션 세트를 보여준다.
도 6d는 부등식 (5) 및 (6)을 만족하는 각도 솔루션 세트를 보여준다.
도 6e는 본 발명의 액정 표시 장치의 파장에 대한 반사율을 나타낸다.
도 6f는 본 발명의 반사형 액정 표시 장치의 시야각 특성을 보여준다.
도 7a는 본 발명에 따른 브라이트 상태에서 액정 분자의 등-인텐서티 선의 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 7b는 본 발명에 따른 다크 상태에서 액정 분자의 등-인텐서티 선의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 7c는 본 발명에 따른 액정 분자의 등 콘트라스비 선을 나타낸 도면이다.
도 8은 브라이트 및 다크 상태시 화면의 직각 방향에 대한 각 서브 픽셀당 반사 인텐서티 스펙트럼을 보여준다.
도 9는 그린 서브 픽셀용 그레이 레벨(grey level)에서의 광학적 성능을 보여주는 도면이다.
도 10은 RTN 액정, TN 액정 및 본 발명에 따른 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정들의 구동 전압 및 신뢰성을 비교한 표이다.
본 발명의 광학적 원리는 가시광의 전체 스펙트럼에 대하여 다크 상태에서 광누설을 감소시키기 위하여, 액정층의 복굴절 특성, 및 상기 편광자, 상기 적어도하나의 리타데이션(retardation)막 및 액정층 사이의 최적화된 각도에 의하여 단일 원편광 모드를 제공한다.
광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조는 투명한 공통 전극층을 포함하고 있는 기판, 반사형 소자를 구비하는 픽셀 전극층을 포함하고 있는 기판, 편광자, 하나 또는 그 이상의 리타데이션막, 및 균일하게 분포된 액정층을 포함한다. 어느 하나의 전극은 투명하고, 다른 하나의 전극은 반사 소자이다. 액정층은 두 개의 전극 사이에 개재된다.
편광자와 액정층내 액정 분자들중 평균 지시 방향자가 이루는 각이 0°가 아닌 각을 이룬다. 액정층내의 액정 분자는 구동 전압이 인가되지 않을 때, 수평 배향된다. 또한, 액정층내의 액정 분자의 평균 지시 방향자가 구동 전압이 인가된 후에 프리 틸트된다. 입사광은 편광자를 통과하여 선편광을 형성한다. 그후, 리타데이션막 및 액정층을 통과하여 거의 원형에 가까운 편광이 형성된다. 그후에, 입사광은 반사 금속에 의하여 반사되고, 다시 리타데이션막 및 액정층을 통과한 후에 편광자에 대하여 수직인 거의 선형에 가까운 편광이 형성된다.
본 발명의 반사 소자를 제작하는데 다양한 구조가 이용될 수 있다. 반사 소자에는 (a) 반사 금속층 및 내부 확산층, (b) 평탄한 반사 금속층, 및 (c)산란층, 반사 금속층 및 오버 코팅층 및 ITO(indium tin oxide) 패턴을 포함하는 세가지 실시예가 있다. 반사 금속층의 구조는 반사형, 입사광을 일부 투과 및 일부 반사시키는 형태, 또는 개구부를 갖는 형태일 수 있다. 개구의 형상은 스트라이프 형상, 직사각형, 정사각형, 원형 또는 사각형 및 원형의 조합일 수 있다.
본 발명에 따르면, 광학적 리타데이션막은 노말리 블랙 모드로 구동되는 수평 배열된 액정 셀인 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 설계에 이용된다. 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치는 낮은 구동 전압으로 구동될 수 있으며, 높은 콘트라스트비 뿐만 아니라 광시야각을 갖는다. 더욱이, 0.07 내지 0.15 정도의 굴절율(Δn)과, 5 내지 16 정도의 유전 상수(Δε)를 갖는 일반적인 트위스티드 네마틱 액정을 이용하여, 우수한 신뢰성 및 95% 이상의 편광 효과를 달성할 수 있다.
본 발명의 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조는, 광시야각을 갖는 노말리 블랙 모드의 반사형 박막 트랜지스터-액정 표시 장치(TFT-LCD), 입사광을 일부 투과 및 일부 반사시키는 TFT-LCD, 노말리 블랙 모드 반사형 LCD, 일부 투과 및 일부 반사시키는 LCD 또는 부분적인 반사형 LCD이다. 광학적으로 자기 보상된 반사형 스플레이 모드의 응답 시간은 탄성 계수 효과 때문에, 일반적인 RTN, MTN(mixed twisted nematic) 또는 R-ECB(Reflective-electrode controlled birefringence) 모드와 같은 트위스티드 네마틱 모드의 응답 시간 보다 적어도 100% 이상 빠르다. 일반적으로 스플레이 모드의 탄성 계수는 트위스티드 네마틱 모드 보다 2배 정도 크다.
본 발명의 목적과 더불어 그의 다른 목적 및 신규한 특징은, 본 명세서의 기재 및 첨부 도면에 의하여 명료해질 것이다.
(실시예)
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 브라이트 및 다크 상태에서 반사형 액정표시 장치의 픽셀 영역 구조를 각각 보여주는 단면도이다. 도 1a를 참조하여, 액정 표시 장치는 상부 기판(101), 하부 기판(111), 편광자(105), 적층된 리타데이션막(retardation film:103) 및 균일하게 분포된 액정층(110)을 포함한다. 공통 전극층 및 픽셀 전극층은 기판(101,111)에 각각 형성된다. 어느 하나의 전극층은 투명한 물질로 형성되고, 다른 하나의 전극층은 반사 소자로 형성된다. 액정층(110)은 두 전극층 사이에 형성된다.
본 발명의 제 1 바람직한 실시예에서, 투명한 공통 전극층(107)은 하부 기판(101) 하부에 형성된다. 하나 또는 그 이상의 리타데이션막(103)은 상부 기판(101)에 부착되고, 편광자(105)는 적층된 리타데이션막(103)에 부착된다. 픽셀 전극층(115)은 하부 기판(111)상에 형성된다. 반사 소자는 픽셀 전극층(115)으로서 제작된다. 반사 소자는 하부 기판(111)상에 개재되는 내부 확산층(119)과, 내부 확산층(110)을 덮는 반사형 금속층(117)을 포함한다.
액정 표시 장치의 다크 상태, 즉 구동 전압이 인가되지 않을때에는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 액정층(110)내의 액정 분자는 수평 상태로 배향되고, 편광자와 액정층내의 액정 분자의 평균 지시 방향자(average pointing director) 사이의 각도가 0°를 이루지 않는다. 액정층(110)내 액정 분자의 평균 지시 방향자는 수평하게 배열된다.
브라이트 상태에 있어서, 구동 전압이 인가되면, 입사광은 편광자(105)를 통과하여, 선편광이 형성된다. 그후, 입사광이 리타데이션막(103) 및 액정층(110)을 통과한 후, 거의 원형에 가까운 편광이 형성된다. 그 다음, 입사광은 반사금속층(117)에 의하여 반사되어지고, 액정층(110) 및 리타데이션막(103)을 통과한 후, 편광자(105)에 수직을 이루는 거의 선형에 가까운 편광이 형성된다. 도 1b를 참조하여, 액정층(120)내의 액정 분자의 평균 지시 방향자는 구동 전압이 인가될 때 프리틸트(pre-tilt)된다.
본 발명에 따른 반사 소자는 다양한 형태를 가질 수 있다. 제 1 실시예에 따른 반사 소자는 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다. 도 2a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 평탄한 반사 금속층(215)을 갖는 반사 소자의 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 반사 소자의 단면도이다. 제 3 실시예에서의 반사 소자는 픽셀 전극층이 형성된 기판(111)상의 산란층(221), 산란층상의 반사 금속층(223), 반사 금속층(223) 상부의 오버 코팅층(over coating layer: 225) 및 오버 코팅층(225)상의 ITO(indium tin oxide) 패턴(227)을 포함한다.
본 발명의 제 3 실시예의 반사 소자는 반사 금속층을 모두 포함한다. 본 발명에 따르면, 반사 금속층용 물질은 알루미늄(Al), 은(Ag), 알루미늄 합금, 은 합금, 또는 고 반사형 다층막일 수 있다. 반사 금속층의 구조는 반사 타입, 일부 투과 및 일부 반사 타입(semi-transparent semi-reflective) 또는 개구부를 갖는 타입일 수 있다. 도 3a 내지 도 3c는 반사 금속층 구조의 세가지 타입을 각각 보여준다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제 3 실시예에 따른 일부 투과 및 일부 반사시키는 타입의 반사 금속층은 50Å내지 500Å 두께의 알루미늄 합금 또는 500Å 내지 2000Å 두께의 은 합금일 수 있다.
반사 소자의 개구부 또한 투과 영역이라고 불리워진다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 픽셀 영역내의 반사 금속층의 개구부 형태는 스트라이프(stripe), 직사각형, 정사각형, 원형, 또는 정사각형과 원형의 조합 형태의 그룹 중 선택할 수 있다. 도 4a 내지 도 4c는 픽셀 영역내의 반사 금속층의 개구부의 세가지 형태를 보여준다. 도면에서, 블랭크(blank) 영역은 투과 영역을 나타내고, 사선 영역은 반사 영역을 나타낸다. 도 4a에서와 같이 스트라이프 형태의 개구부의 반사 효율은 T:T+R의 비(반사 면적 R과 투과 면적T의 합에 대한 투과 면적 T의 비)가 5% 내지 30%일 때 더 나아진다.
본 발명에 따르면, 공통 전극 기판은 컬러 필터(color filter)를 포함할 수 있다. 픽셀 전극층은 TFT(thin film transistor) 및 TFD(thin film diode)와 같은 액티브 매트릭스 소자(active matrix device) 또는 스트라이프 형태의 전극을 갖는 패시브 매트릭스 소자(passive matrix device)일 수 있다. 투명 전극층용 물질은 ITO 또는 IZO(indium zinc oxide)일 수 있다. 산란층용 물질은 양성 또는 음성의 포토레지스트 또는 아크릴 레진(acrylic resin)일 수 있다. 리타데이션막용 물질은 거대 분자 폴리머(macromolecular polymer)를 포함할 수 있다. 리타데이션막용 막 두께 범위는 일반적으로 20nm 내지 180nm이다. 리타데이션막은 A 플레이트 또는 C 플레이트와 같은 단축(uni-axial), 이축(bi-axial) 또는 A플레이트 및 O 플레이트의 조합이 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 광학적 원리는 액정층의 복굴절 특성 및 최적화된 각도에 의한 단일 원편광 모드로부터 제공되어, 가시광의 전체 스펙트럼에 대하여 다크 상태에서 광누설을 감소시킨다. 이하, 원편광 모드 및 편광자(105), 리타데이션막(103) 및 액정 분자간의 최적화된 각도에 대하여 상세히 설명한다.
반사 영역에서, 본 발명의 액정 표시 장치의 반사 모드는 적층된 리타데이션막, 수평 배향(homogeneous)된 액정층 및 편광자에 의하여 형성된 단일 원편광을 이용한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, LCD 패널의 상면에 위상 보상판(phase compensator)으로 이용되는 적층된 리타데이션막(103)이 형성된다.
액정 및 리타데이션막의 파장 분산(wavelength dispersion)을 보상하기 위하여, 본 발명은 파라미터의 최적화, 시야각 및 파장 의존도를 통하여, 광시야각을 갖는 우수한 다크 상태를 실현한다. 전계가 인가될 때, 광학적으로 자기 보상된 반사형 모드의 반사율은 다크에서 브라이트 상태로 조절된다.
투과 영역에서, 전압이 인가되지 않을 때, 액정층과 리타데이션막의 적층 구조는 원편광 모드를 형성한다. 이때, 리타데이션막은 광대역 사반파장판과 같이 동작한다. 이는 전계가 인가되지 않을 때, 투과 영역상에서 이상적인 다크 상태가 나타나는 것을 의미한다. 브라이트 상태에서, 액정층의 위상 지연은 이상적인 트위스티드 네마틱 액정 표시 장치에서의 고효율 광 반사도를 얻을 수 있도록 조절된다.
본 발명에 따르면, 액정층의 동적인 위상 지연 범위는 반사형 트위스티드 네마틱 및 혼합된 트위스티드 네마틱 액정 표시 장치에서 초저 구동 전압을 갖는 이상적인 편광 효과를 얻을 수 있도록 설정된다. 도 5a는 2V 이하에서 구동될 수 있는 본 발명의 액정층 조절을 설명한다.
도 5a는 본 발명의 광학적으로 자기 보상된 구조하에서 액정층의 특성에 따라 계산된 문턱 전압(Vth) 및 구동 전압(Vd)을 나타낸다. 시뮬레이션된 세 개의 액정 LC1, LC2 및 LC3은 각각 0.089, 0.093 및 0.10의 굴절율(Δn), 8, 13 및 15의 유전율(Δε), 0.75, 0.7 및 0.64V의 계산된 문턱 전압(Vth) 및 2.1, 1.8 및 1.6V계산된 구동 전압(Vd) 특성을 갖는다.
도 5b는 초저구동 전압용 설계에서 구동 전압에 따른 휘도(luminance) 커브의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 5b에서 세로축은 휘도를 나타내고, 가로축은 구동 전압을 나타낸다. 시뮬레이션된 액정은 LC2이다. 계산된 문턱 전압(Vth)은 1V 이하로 매우 작은 0.7V 이다. 최대 휘도는 1.8V 주변의 구동 전압(Vd)에서 약 0.45이며, 이 값은 종래의 액정 표시 장치의 전력 소모의 1/6에 해당한다. 여기서, 1/6라 함은 약 1.82을 52으로 나눈 값에 해당함을 유념하라.
도 5c는 초저구동 전압용 설계에서 구동 전압에 따른 반사도 커브의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 5c의 세로축은 반사도를 나타내고, 가로축은 2.2" 광학적으로 자기 보상된 반사형 TFT-LCD 패널의 구동 전압을 나타낸다. 반사율이 100%에 달할 때, 구동 전압(Vd)은 종래의 액정 표시 장치의 전력 소모의 1/5 이하에 해당하는 2.1V 정도이다. 여기서, 1/5이라 함은 약 2.12을 52으로 나눈 값에 해당함을 유념하라.
상술한 바와 같이, 액정층내의 복굴절 특성, 및 편광자, 리타데이션막 및 액정 분자들 사이의 최적화된 각도에 의하여, 거의 원형에 가까운 원편광 모드를 이용하므로써, 본 발명의 위상막 및 액정층은 가시광의 전체 스펙트럼에 대하여 다크상태에서 광 누설을 감소시킬 수 있다.
본 발명에서는 가시광의 전체 스펙트럼에 대하여 다크 상태에서 광 누설을 줄이기 위한 실험 결과로부터 2개의 각도 솔루션(solution) 세트(최적화된 2개의 각도 세트)를 얻었다. 여기서, d는 액정층 셀갭(cell gap)이고, R은 리타데이션막들의 위상차이고, θ1은 편광자와 리타데이션막들 사이의 각도, θ2는 편광자와 액정층의 각도, Δn은 굴절율이라 하자.
본 발명의 첫 번째 바람직한 각도 솔루션 세트는 이하에서 설명될 것이다. 액정 및 리타데이션막의 위상차 특성이 다음의 부등식(1)을 가질 때,
0.85 ≤(Δn·d)/2R ≤1.15 (1)
θ1및 θ2각도 솔루션 세트는 다음의 부등식(2) 및 (3)을 만족한다.
θ1-30°≤ 3θ2≤θ1+30° (2)
35°≤θ2≤55°또는 35°≤θ2-90°≤55° (3)
도 6a에서 빗금친 영역은 부등식(1)을 만족하는 솔루션 세트이고, 여기서, 가로축은 Δn과 d의 곱인 액정층의 특성을 나타내고, 세로축은 리타데이션막들의 위상차(R)를 나타낸다. 도 6b의 빗금친 영역은 부등식 (2) 및 (3)을 만족하는 솔루션 세트이다. 도면에서 가로축은 θ2이고, 세로축은 θ1이다. 0.07 내지 0.15 사이의 굴절율(Δn) 및 5와 같거나 큰 유전 상수(Δε) 특성을 갖는 액정은 낮은 문턱 전압 및 구동 전압을 가질 수 있다. 이는 낮은 전력 소모를 의미한다. 그러므로, 본 발명의 첫 번째 바람직한 각도 솔루션은 가시광의 전체 스펙트럼상의 다크 상태에서 광 누설을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 바람직한 각도 솔루션 세트는 다음과 같다. 액정 및 리타데이션막의 위상차 특성이 다음의 부등식(4)을 가질 때,
0.2 ≤(Δn·d)/2R ≤0.33 (4)
θ1및 θ2각도 솔루션 세트는 다음의 부등식(5) 및 (6)을 갖는다.
2θ1+30°≤ θ2≤2θ1+60° (5)
5°≤θ1≤25° (6)
도 6c에서 빗금친 영역은 부등식(4)을 만족하는 솔루션 세트이고, 여기서, 가로축은 Δn과 d의 곱인 액정층의 특성을 나타내고, 세로축은 리타데이션막의 위상차(R)를 나타낸다. 도 6d의 빗금친 영역은 부등식 (5) 및 (6)을 만족하는 솔루션 세트이고, 여기서 가로축 및 세로축은 각각 θ2및 θ1이다. 0.045 내지 0.095 사이의 굴절율(Δn) 및 2.5와 같거나 큰 유전 상수(Δε) 특성을 갖는 액정은 낮은 문턱 전압 및 구동 전압을 가질 수 있다. 이는 낮은 전력 소모를 의미한다. 그러므로, 본 발명의 두 번째 바람직한 각도 솔루션은 가시광의 전체 스펙트럼에 대하여 다크 상태에서 광 누설을 감소시킬 수 있다.
비록 제 1 및 제 2 바람직한 각도 솔루션 세트가 기존의 리타데이션막 물질 특성을 이용한다고 하더라도, 본 발명의 광학 시스템에서의 구조 설계는 기존의 물질로부터 얻어질 수 없는 일부 특별한 특성으로부터 달성된다. 본 발명은 고가의 다층 코팅 또는 스퍼터링 공정이 요구되지 않는다. 이는 낮은 제조 비용 및 대량생산이 용이하다는 장점을 갖는다. 뿐만 아니라, 이러한 설계는 반사형 액정 표시 장치의 광학적 특성에 유용하며, 다크 상태의 광 누설을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 도 6e에서와 같이 실질적으로 콘트라스트비를 증대시킨다.
도 6e를 참조하여, 가로축은 파장을 나타내고, 세로축은 본 발명의 액정 표시 장치의 반사율을 나타낸다. 가시광의 전체 스펙트럼, 즉, 400 nm 내지 700nm 사이의 파장에서의 반사율은 0.001 이하이다. 이는 콘트라스트비가 일반적인 반사형 액정 표시 장치의 녹색광용으로 설계된 콘트라스트비보다 더 큰 1000:1 이상임을 의미한다.
도 6f는 본 발명의 반사형 액정 표시 장치의 시야각 특성을 보여준다. 도 6f의 가로축은 편광자 및 리타데이션막 사이의 각도를 나타내고, 세로축은 반사형 액정 표시 장치의 반사율을 나타낸다. 도면에 보여지는 바와 같이, 본 발명은 여전히 광시야각으로 구동하면서 우수한 다크 상태를 갖는다. 일반적인 반사형 액정 표시 장치의 시야각 특성을 개선한다. 시야각이 상하 좌우 방향에서 약 80°일때, 다크 상태에서 반사율은 0.01 이하이다. 이는 콘트라스트비가 상하좌우 방향에서 50:1 이상 크다는 것을 의미한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 가시광의 전체 스펙트럼에 대한 다크 상태에서 광 누설을 줄이기 위하여, 가시광 전체 스펙트럼 사반파 보상판을 설계할 수 있도록 다층의 리타데이션막 및 적절히 최적화된 각도를 이용한다. 이와같은 반사형 액정 표시 장치는 상하좌우방향에서 실질적으로 높은 콘트라스트비 및 광시야각을 갖는다. 따라서, 본 발명의 반사형 액정 표시 장치는 광학적으로 보상된 특성을 갖는다. 도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 액정 분자의 등인텐서티 선의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 7a는 1.8V가 인가될 때, 브라이트 상태에서 액정 분자의 등-인텐서티 선을 보여준다. 도 7b는 전압이 인가되지 않을 때 다크 상태에서 액정 분자의 등인텐서티 선을 보여준다. 도 7c는 액정 분자의 등콘트라스트비 선을 보여준다. 다크 상태 및 브라이트 상태에서의 탁월한 결과는 도 7a 및 도 7c에서 보여지며, 높은 콘트라스트비 또한 도 7c에서 보여진다. 시야각은 상하좌우 방향에서 매우 넓다.
다크 상태에서의 액정의 방향자(director)는 도 1a에 도시된 바와 같이 기판에 대하여 수평 배향된다. 본 발명의 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치 패널은 노말리 블랙 모드(normally black mode)로 구동된다. 다크 상태는 광대역 파장 산란 및 광시야각 특성으로 완벽한 다크가 된다. 또한, 액정 분자가 위상 지연을 조절하기 위하여 스플레이(splay) 형태로 배열됨에 따라, 인가 전압으로 0.7V의 문턱 전압 이상이 인가될 때, 반사율이 개선된다. 아울러, 반사율은 2V의 전압이 인가되면, 표준 화이트 상태와 비교할 때 거의 80%에 이를 수 있다. 광학적으로 자기 보상된 스플레이 모드의 액정 분자의 응답 시간은 스플레이 모드에서의 탄성 계수가 트위스티드 네마틱 모드에서 보다 두 배 이상 크므로, 종래의 RTN, MTN 또는 R-ECB(Reflective-electrode controlled birefringence) 모드와 같은 트위스티드 네마틱 모드의 응답 시간 보다 두 배 이상 빠를 것이라 예측된다.
도 8은 브라이트 및 다크 상태시 화면의 직각 방향에 대한 본 발명의 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 각 서브 픽셀당 반사 인텐서티 스펙트럼을 보여준다. 여기서, 세로축은 반사 인텐서티를 나타내고, 가로축은 파장을 나타낸다.
도 9는 녹색 서브 픽셀용 그레이 레벨에서 광학적 성능을 보여주며, 세로축은 반사 인텐서티를 나타내고, 가로축은 파장을 나타낸다. 구동 전압은 0, 0.7, 1.0, 1.5, 1.8 및 2.1V 각각 연속적이다.
본 발명의 다른 장점은 액정 물질의 신뢰성이다. 광학적으로 자기 보상된 셀의 구조에 의하여, 본 발명은 매우 높은 신뢰성을 갖는 일반적인 TN의 액정 물질과 동일한 액정 물질을 이용할 수 있다. 도 10은 RTN 액정, TN 액정 및 광학적으로 보상된 본 발명의 반사형 액정들의 문턱 전압 및 신뢰성을 비교하여 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명은 0.07 내지 0.15의 Δn과 5 내지 16의 Δε를 갖는 일반적인 TN 액정을 사용하여, 우수한 신뢰성 뿐만 아니라 1.5 내지 2.5V 정도의 낮은 문턱 전압을 달성한다.
본 발명의 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조는 광시야각을 갖는 노말리 블랙 모드의 반사형 TFT-LCD, 입사광을 일부 투과 및 일부 반사시키는 TFT-LCD, 노말리 블랙 모드 반사형 LCD, 입사광을 일부 투과 및 일부 반사시키는 LCD 및 부분적인 반사 LCD에 이용될 수 있다.
요약하자면, 본 발명의 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치는 낮은 구동 전압에서 동작될 수 있고, 높은 콘트라스트비 뿐만 아니라 광시야각을 갖는다. 아울러, 0.07 내지 0.15의 Δn과 5 내지 16의 Δε를 갖는 일반적인 TN 액정을 이용하여, 탁월한 신뢰성을 얻는다.
이상 본 발명은 어느 정도의 특성에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 범위에서, 본 개시물은 바람직한 실시예의 방법 및 실시예내에서의 다양한 변경에 의하여 제작될 수 있고, 조합 뿐만 아니라 부분적인 변경은 이후에 재현될 수 있다.

Claims (28)

  1. 저면에 투명한 공통 전극층을 포함하고 있는 상부 기판;
    상부 표면에 반사형 소자를 구비하는 픽셀 전극층을 포함하고 있는 하부 기판;
    상기 상부 기판상에 형성되는 적어도 하나의 리타데이션막;
    상기 적어도 하나의 리타데이션막상에 형성되는 편광자; 및
    상기 공통 전극 및 픽셀 전극층 사이에 개재되고, 구동 전압이 인가되지 않을 때 수평 배열되며 상기 편광자와 0°가 아닌 각을 이루는 평균 지시 방향자를 갖는 액정 분자를 포함하는 균일하게 분포된 액정층을 포함하며,
    구동 전압이 인가될 때, 입사광은 상기 편광자를 통과하여 선 편광을 형성한후, 상기 적어도 하나의 리타데이션막 및 상기 액정층을 통과하면서 원에 가까운 편광을 형성하고,
    상기 입사광은 상기 반사 소자로부터 반사되어 상기 적어도 하나의 리타데이션막 및 액정층을 통과함에 따라 상기 편광자와 직교를 이루는 선형에 가까운 편광을 형성하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 기판은 그 상부에 컬러 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 픽셀 전극은 스트라이프 형태의 전극을 갖는 액티브 매트릭스 소자(active matrix device)인 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 액티브 매트릭스 소자는 박막 트랜지스터 또는 박막 다이오드인 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 픽셀 전극층은 스트라이프 형태의 전극을 갖는 패시브 매트릭스 소자(passive matrix device)인 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 공통 전극층 ITO(indium tin oxide) 또는 IZO(indium zinc oxide)를 포함하는 전극층인 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 리타데이션막은 위상 보상판으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 리타데이션막은 거대 분자 폴리머(macromolecular polymers)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 리타데이션막은 20nm 내지 180nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 리타데이션막은 단축 확장 필름, 복축 확장 필름 및 A 플레이트, O 플레이트 및 C 플레이트의 조합층으로 된 그룹중 선택되는 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 표시 장치는 광시야각을 갖는 노말리 블랙 모드의 반사형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치, 입사광을 일부 투과 및 일부 반사시키는 박막 트랜지스터 액정 표시 장치, 노말리 블랙 모드 반사형 액정 표시 장치, 입사광을 일부 투과 및 일부 반사시키는 액정 표시 장치 또는 부분적인 반사형 액정 표시 장치인 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는 알루미늄, 은, 알루미늄 합금, 은 합금 및 고 반사형 다층막 중 선택되는 물질을 포함하는 반사 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는 반사형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는 입사광의 일부를 투과하고 일부를 반사시키는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는 픽셀 영역내에 적어도 하나의 개구부를 갖는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 픽셀 영역내의 적어도 하나의 개구부는 스트라이프, 직사각형, 정사각형, 원형 또는 적어도 정사각형과 원을 조합시킨 그룹중 선택되는 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는 픽셀 영역내에 투과 및 반사 영역을 갖는 구조를 포함하고, 상기 투과 및 반사 영역의 총 면적에 대한 투과 영역의 비는 5% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는 50Å 내지 500Å의 막 두께를 갖는 알루미늄 합금으로 형성된 반사 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는 500Å 내지 2000Å정도의 막 두께를 갖는 은(silver) 합금막으로 형성된 반사형 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는 평탄한 반사 금속층인 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는 상기 하부 기판상에 형성되는 내부 확산층 및 상기 내부 확산층을 덮는 반사 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 소자는,
    상기 하부 기판상에 형성되는 산란층;
    상기 산란층 상에 형성되는 반사 금속층;
    상기 반사 금속층 상에 형성되는 오버 코팅층; 및
    상기 오버 코팅층상에 형성되는 ITO 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 산란층은 양성 포토레지스트, 음성 포토레지스트 및 아크릴 레진의 그룹중 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 액정층의 복굴절 특성, 및 상기 편광자, 상기 적어도 하나의 리타데이션막 및 액정층 사이의 최적화된 각도에 의한 단일 원편광 모드가 가시광의 전체 스펙트럼에 대한 다크 상태에서 광누설을 감소시키는데 이용되는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 편광자, 상기 적어도 하나의 리타데이션막 및 상기 액정층은 0.85 ≤(Δn·d)/2R ≤1.15의 부등식을 만족할 때, 다음의 부등식을 만족하는 θ1및 θ2로 구성되는 각도 솔루션 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조:
    θ1-30°≤ 3θ2≤θ1+30° 및
    35°≤θ2≤55°또는 35°≤θ2-90°≤55°
    여기서, d는 액정층의 갭 높이이고, R은 적어도 하나의 리타데이션막의 위상차이고, θ1은 상기 편광자 및 상기 적어도 하나의 리타데이션막사이의 각도이고, θ2는 상기 편광자와 액정층 사이의 각도이며, Δn은 상기 액정층의 굴절율을 나타낸다.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 액정층은 0.07 내지 0.15 정도의 굴절율(Δn)과, 5와 같거나 큰 유전 상수(Δε)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 편광자, 상기 적어도 하나의 리타데이션막 및 상기 액정층은 0.2 ≤(Δn·d)/2R ≤0.33의 부등식을 만족할 때, 다음의 부등식을 만족하는 θ1및 θ2로 구성되는 각도 솔루션 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조:
    2θ1+30°≤ θ2≤2θ1+60°및
    5°≤θ1≤25°
    여기서, d는 액정층의 갭 높이이고, R은 적어도 하나의 리타데이션막의 위상차이고, θ1은 상기 편광자 및 상기 적어도 하나의 리타데이션막사이의 각도이고, θ2는 상기 편광자와 액정층 사이의 각도이며, Δn은 상기 액정층의 굴절율을 나타낸다.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 액정층은 0.045 내지 0.095 정도의 굴절율(Δn)과, 2.5와 같거나 큰 유전 상수(Δε)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치의 구조.
KR1020020046726A 2002-04-11 2002-08-08 광학적으로 자기 보상된 반사형 액정 표시 장치 구조 KR20030080966A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20010043901A (ko) * 1998-05-28 2001-05-25 모리시타 요이찌 반사형 액정표시소자
KR20020015040A (ko) * 1999-05-15 2002-02-27 마찌다 가쯔히꼬 반사형 액정 장치
KR20020015026A (ko) * 1999-12-21 2002-02-27 요트.게.아. 롤페즈 통합된 보상기를 구비하는 반사성 액정 디스플레이

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