KR20050071581A - 컬러필터 및 이러한 컬러필터를 포함하는 액정 표시장치 - Google Patents

컬러필터 및 이러한 컬러필터를 포함하는 액정 표시장치 Download PDF

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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

컬러필터는 제 1 색, 예를 들어 적색, 제 2 색, 예를 들어 녹색, 제 3 색, 예를 들어 푸른색의 편광된 색을 공급하기 위한 제 1, 제 2 및 제 3 영역을 각각 포함한다. 편광된 색을 공급하기 위하여 각 영역은 제 1, 제 2 또는 제 3 색을 선택적으로 투과시키는 등방성 착색제, 단일축으로 배열된 베이스 물질 및 등방성 착색제에 의해 선택적으로 투과된 색을 흡수하기 위한 단일축으로 배열된 베이스 물질에 나란히 배열된 이색성 착색제를 포함한다. 이러한 컬러필터를 포함하는 액정 표시장치 내에 편광자를 설치할 수 있으며, 이에 따라 보다 간단하고 가격적인 면에서 효율적이고 단단한 표시장치 제조가 가능하다.

Description

컬러필터 및 이러한 컬러필터를 포함하는 액정 표시장치{COLOR FILTER AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE COMPRISING SUCH FILTER}
본 발명은 컬러필터 및 이러한 컬러필터를 포함하는 액정 표시장치에 관한 것이다.
컬러필터는, 예를 들어, 완전-컬러 액정 표시장치(LCD)에 사용된다. 미국특허 제 5,096,520호에 컬러필터를 포함하는 완전-컬러 LCD가 개시되어 있다. 상기 특허에 개시된 LCD는 개별적으로 어드레싱될 수 있는 픽셀을 포함하는 표시 셀을 가진다. 완전-컬러 기능을 구현하기 위해 LCD는 상기 픽셀에 대향하여 배열된 적색, 녹색 및 청색 영역을 가진 컬러필터를 포함한다. 관측자에게 가시적인 픽셀을 스위칭함으로써 전기 광학 효과를 발생시키기 위해서 표시장치는 2개의 편광자를 포함한다. 편광자 중 하나는 표시장치 외부에 배열된다. 주위에 노출시 편광자는 쉽게 손상되므로, 외부 편광자 때문에 표시장치의 내마모성, 기계적 강도 및 환경 노화성이 더욱 나빠지게 된다. 편광자는 또한 비싸며 표시장치를 두껍게 한다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 상기에 언급된 단점들을 최소한 부분적으로 또는 전부 제거하려는 데에 있다. 특히 본 발명의 목적은, 무엇보다도, 액정 표시장치에 사용시 액정 표시장치는 구조가 단순하고 얇으면서도 그 제조에 있어서 비용 효과적일 수 있는 컬러필터를 제공하고자 함에 있다. 더욱이, 표시장치에 있어서 컬러필터를 사용하여 내마모성, 기계적 강도 및 환경 노화성을 더욱 개선할 수 있다.
상기의 목적은, 서로 인접하게 위치한 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역을 포함하며, 제 1 영역은 단일축으로 배열된 제 1 베이스 물질, 필터 입사광에 대해 제 1 색의 광을 선택적으로 투과시키도록 채용된 제 1 등방성 착색제, 및 제 1 베이스 물질에 의해 단일축으로 배열되고 제 1 색의 광을 흡수하도록 채용된 제 1 이색성 착색제를 포함하고, 제 2 영역은 단일축으로 배열된 제 2 베이스 물질, 필터 입사광에 대해 제 2 색의 광을 선택적으로 투과시키도록 채용된 제 2 등방성 착색제 및 제 2 베이스 물질에 의해 단일축으로 배열되고 제 2 색의 광을 흡수하도록 채용된 제 2 이색성 착색제를 포함하고, 제 3 영역은 단일축으로 배열된 제 3 베이스 물질 필터 입사광에 대해 제 3 색의 광을 선택적으로 투과시키도록 채용된 제 3 등방성 착색제, 및 제 3 베이스 물질에 의해 단일축으로 배열되고 제 3 색의 광을 흡수하도록 채용된 제 3 이색성 착색제를 포함하는 컬러 필터, 특히 편광-선택성 컬러필터에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 컬러필터는 편광 선택적이며 이는 컬러필터가 한편으로는 광을 여과하여 바람직한 제 1, 제 2 및 제 3 색을 생산하는 기능을 제공한다는 것을 의미하며 다르게는 필터에 입사하는 편광되지 않은 광으로부터 편광된 광을 발생시킨다는 것을 의미한다.
배열이 평면 단일축 배열일때, 필터의 광 도입면에의 수직 입사광에 대한 컬러필터의 편광 선택성은 최대가 될 것이며 입사각이 커질수록 그 선택성은 감소한다. 배열이 수직 배향 단일축이라면 수직 입사광에 대한 편광 선택성은 발생하지 않으며 입사각(광 도입면에 수직인 곳으로부터 측정된 각)이 증가할수록 편광-선택성이 증가한다. "평면 단일축 배열"에 있어서 "평면"이란 단일축 배열의 배향자가 컬러필터의 광-도입면에 평행하거나, 경우에 따라, 국부적으로 평행한 것을 지칭하는 반면, "수직 배향"이란 배향자가 컬러필터의 광-도입면에 수직하거나, 경우에 따라, 국부적으로 수직인 것을 지칭한다. 일반적으로, 컬러필터는 주면 중 한 면이 도입면인 층의 형태로 제공된다.
종래의 액정 표시장치에서 컬러 필터링(여과) 및 편광작업은 별개의 장치인 컬러필터와 편광자를 통해 각각 행해졌다. 따라서, 액정 표시장치에 사용하는 경우 본 발명에 따른 편광-선택성 컬러필터는 하나의 편광자가 덜 필요하므로 적은 부품을 적재한다는 점에서 단순화된 구조의 액정 표시장치를 생성한다. 편광자 하나를 덜 사용하는 만큼 비용 효과적이며, 편광자는 두께에 크게 기여하므로, 표시장치의 두께를 상당히 줄일 수 있는 것이다.
본 발명에 따라 컬러필터를 액정 표시장치 셀의 내부에 배열함에 따라, 컬러필터를 그 내부에 사용하는 한편 액정 표시장치 셀의 외부에 통상 배열되는 편광자를 사용하지 않아도 되어 표시장치는 그 내마모성, 기계적 강도 및 환경 노화성이 더욱 개선된다. 전술한 바와 같이, 편광자는 환경의 영향하에 마모, 기계적 접촉 및 노화에 의해 손상되기 쉬운 취약한 요소이다. 본 발명에서 제안된 바와 같이 편광자 기능을 컬러필터로 일체화시키는 경우 편광자 기능을 집어넣어 표시장치 셀의 기재에 의해 보호되는 액정 셀 안으로 견인하고 주위에 노출된 통상 유리인 단단한 기재 물질을 남긴다.
더군다나, 편광자 및 컬러필터가 별도의 요소로서 제공되면 각각 어느정도 과대-치수화되는(over-dimensioned) 경향이 있고 이는 필요한 양보다 많은 광량을 흡수하는 것을 의미한다. 결과적으로, 편광자와 색 기능을 한 요소에 일체화시킴으로서, 이들 기능은 균일하게 최적화되어 명도를 개선시킬 수 있다. 실제 작동시 편광-선택성 컬러필터 입사광은 컬러필터의 영역을 투과하는 바, 등방성 착색제가 선택적으로 투과시킬 색에 해당되지 않는 색을 흡수한다. 즉, 흡수된 색의 색은 투과된 색의 색에 보색관계(complementary)에 놓이며, 여기서 "보색관계"라 함은 필터 입사광을 기준점으로 하여 정한 보색관계를 지칭한다. 통상적으로, 순백색을 기준점으로 하며 색이 서로 보색관계인지를 정한다. 따라서, 본 발명에 있어서의 "보색관계"의 정의는 필터 입사광이 순백색이라면 통상적인 "보색관계"의 정의와 일치한다. 따라서, 원하는 색을 선별할 수 있기 위해서는, 필터 입사광이 선택적으로 투과될 색의 색을 요소로서 포함하여야 한다. 등방성 착색제에 있어 "등방성"이라 함은 등방성 착색제의 광 흡수가 편광에 민감하지 않음을 의미한다. 편광-선택성 컬러필터 내 이색성 착색제는 등방성 착색제에 의해 선택적으로 투과된 색을 투과될 편광에 수직방향의 편광을 가진 요소를 흡수하는 방법으로 편광한다. 특히, 이색성 착색제는 선형 편광된 색을 선택적으로 흡수한다. 등방성 및 이색성 착색제를 결합한 효과는 바라는 색, 즉 관심 영역에 따라 제 1 색, 제 2 색 및 제 3 색인 원하는 색의 편광된 광을 공급하는 것이다.
이색성 착색제의 편광은 그것이 베이스 물질에 단일축으로 배열되어 있는바 색을 선택적으로 흡수한다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 이색성 착색제를 비-이색성(등방성) 착색제와 구별짓는 특징은 이색성 착색제의 발색단에서의 흡수 전이 쌍극 모멘트와 전장 벡터가 나란히 배열된 색 만이 흡수되어 그 흡수 스펙트럼이 편광 선택적이라는 것이다. 그러나, 이러한 편광 선택성은 착색제의 분자 또는 입자, 더욱 특정하여서는 전이 쌍극 모멘트가 어느정도 비슷한 방향으로 배열되어 있어야만 관측된다. 이색성 분자 또는 입자의 배향이 마구잡이로 되어있다면 편광 선택은 일어나지 않는다.
액정 표시장치에 사용되는 편광-선택 컬러필터는 예를 들어, WO99/42896 및 JP 10-300932의 영문 요약서에 그대로 알려져 있다. WO99/42896의 컬러필터는 e-비임 방사선을 이용하여 유리판에 압축되어 있으며, 단일축으로 배열된 베이스 물질 및 거기에 배열된 이색성 착색제에 대해서는 언급되어 있지 않다. e-beam 방사선의 경우 비싸고 번거롭다. JP 10-300932의 경우 단일축으로 배열된 베이스 물질 옆에 배열된 이색성 착색제를 가진 컬러필터에 대해 언급하지 않는다.
본 발명의 특정한 실시 양태에 있어서, 영역 내 베이스 물질은 전기적으로 스위칭 가능한 컬러필터를 구현할 수 있게 해주는 액정이다. 컬러필터가 전기적으로 스위칭될 수 있게 하면 컬러필터를, 예를 들어, 표시장치의 능동적인 광 변조 요소가 되게 할 수 있다. 이러한 컬러필터를 포함하는 표시장치는 종래의 표시장치에 비해 편광자를 덜 가지고 있으며 이에 따라 보다 단순하고, 얇으며 비용 효과적인 표시장치를 만들 수 있다.
이러한 스위칭 가능한 컬러필터의 특정한 실시 양태에 있어서, 컬러필터는 뒤틀린 또는 아주 뒤틀린(super twisted) 단일축 배열 상태를 포함하는 (국부적으로) 평면 단일축으로 배열된 상태와 수직 배향으로 배열된 상태인 액정으로 서로 스위칭 가능한 액정을 포함한다. 평면 단일축 배향된 상태에서, 본 발명에 따른 스위칭 가능한 컬러필터는 편광-선택적이며 따라서 흡수 축이 액정의 평면 단일축 배열과 나란히 되는 단일 선형 흡수 편광자 및 이색성 착색제만이 암상태를 획득할 것을 필요로 한다. 이러한 스위칭 가능한 컬러필터의 더욱더 특정한 실시 양태에 있어서, 컬러필터는 베이스 물질로서 수직 배향으로 배열된 액정 및 수직 배향으로 배열된 젤 전반에 걸쳐서 잠긴 교차 액정의 중합 네트워크를 포함하는 비등방성 젤, 등방성 착색제 및 단일축 배열된 액정에 배열된 이색성 착색제를 포함하는 영역(픽셀)을 포함한다. 비등방성 젤로는 예를 들어 US 5188760이 알려져 있다. 이러한 컬러필터를 포함하는 표시장치는 따라서 편광자가 필요 없다는 분명한 장점이 있으며, 따라서 보다 단순하고, 얇으며 단단한 표시장치를 만들 수 있다.
바람직한 실시양태에 있어서, 컬러필터는 백색광을 여과하는 필터이고 제 1, 제 2 및 제 3 색은 각각 적색, 녹색 및 청색이다. 원칙적으로는 제 1, 제 2 및 제 3 색의 선택 및 컬러필터가 여과하여야 하는 색에 제한은 없으나, 많은 경우에, 예를 들어 완전-컬러 액정 표시장치와 같은 경우에 있어 백색광으로 입력하여 필터를 작동시킬 것과 적색, 녹색 및 청색이 선택 투과되어 사용될 것을 요한다. 적색, 녹색 및 청색 영역을 투과하는 광량을 변화시켜 각각의 광선이 섞여 인간의 눈에 의해 감지될 때 적색, 녹색, 청색의 색 삼각형 내에 있는 어떠한 색이라도 만들어 낼 수 있으며, 적색, 녹색 및 청색 영역의 크기를 인간의 눈으로는 해상(resolve)할 수 없을 정도로 작게 하여 이러한 색 섞임을 쉽게 달성할 수 있다. 백색광을 여과하기 위한 컬러필터의 대체적인 실시양태에 있어서는, 제 1, 제 2 및 제 3 색은 각각 청록색, 자홍색 및 노란색이다. 이러한 컬러필터는 프로젝션 표시장치와 같이 높은 명도를 제공하여야 하는 표시장치에 특히 유용하다.
표시 성능이라는 면에 있어서는 3개보다 많은 영역을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 어떤 특정 실시예는 제 4 영역을 포함하는 컬러필터에 관련되며, 제 4 영역은 단일축으로 배열된 제 4 베이스 물질, 필터 입사광에 대해 제 4 색의 광을 선택적으로 투과시키도록 채용된 제 4 등방성 착색제, 및 제 4 베이스 물질과 단일축으로 배열되고 제 4 색의 색을 흡수하도록 채용된 제 4 이색성 착색제를 포함한다. 예를 들어 시안, 마젠타 및 노란색 필터에 별개의 흑영역을 사용하여 CMYK 색 조합(color scheme)을 얻을 수 있다.
바람직한 실시양태에 있어서는, 제 1 및/또는 제 2 및/또는 제 3 및/또는, 포함한다면, 제 4 베이스 물질이 하나의 동일한 같은 물질이다. 비록 원칙적으로는 제 1 및/또는 제 2 및/또는 제 3 및/또는, 존재하는 경우, 제 4 베이스 물질이 서로 다른 물질이어서 이색성 착색제의 배열 및 등방성 착색제의 분산을 최적화하기 위해 좀더 많은 선택권이 주어진다는 이점이 있게 할 수 있으나 각 영역의 베이스 물질을 같게 함으로써 컬러필터를 더욱 간단히 제조할 수 있다. 특히, 베이스 물질에 하나의 동일한 물질을 사용함으로서 제 1, 제 2, 제 3 영역의 베이스 물질을 한 침착 단계로 제조할 수 있다는 가능성을 열어둔다.
본 발명에 따른 컬러필터의 특정 양태는 액정 또는 중합체 베이스 물질을 포함한다.
이색성 염료를 배열할 수 있도록 단일축 배열된 상태에서 베이스 물질을 제공한다. "단일축"이란 용어는 "2축"이란 의미를 포함한다. 이러한 베이스 물질은 당업계에 잘 알려져 있으며, 주된 예로는 액정, 특히 네마틱 액정 및 단일축으로 배열된 중합체를 들 수 있다. 액정을 사용하여 동적인, 다시 말해 전기적으로 스위칭 가능한 컬러필터를 제조할 수 있다. 인장을 통해 얻은 단일축으로 배열된 중합체, 또는 (광)중합성 또는 (광)가교-결합성(cross-linkable) 액정 조성물로부터 얻어진 중합체가 사용 가능하며 이들 모두 당업계에 그 자체로 잘 알려져 있다. 본 발명에 따른 컬러필터의 다른 특정 실시양태에서 등방성 및/또는 이색성 착색제가 염료 또는 안료이다. 사용에 적합한 등방성 및 이색성 착색제의 선택에 있어 특별한 제한은 없으며 특히 한편으로는 바라는 영역의 색, 다르게는 컬러필터가 작동되길 바라는 필터 입사광의 스펙트럼에 따라 좌우된다.
등방성 착색제로서 통상적인 흡수 컬러필터에 사용되는 염료 및 안료가 적절히 사용될 수 있다. 등방성 착색제는 유기성 또는 무기성일 수 있다. 특히, 등방성 착색제는 베이스 물질에 무작위로 배열된 이색성 착색제일 수 있다.
등방성 및/또는 이색성 착색제는 하나의 광 흡수 화합물로 구성될 수 있으나 특정 흡수 조건을 만족시키기 위해 광 흡수 화합물 여러 개의 조합물로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 백색광이 입사되는 경우 착색제가 적색을 선택적으로 투과시키려 한다면, 녹색광 흡수 화합물 및 청색광 흡수 화합물의 조합물이 사용 가능하다.
이색성 착색제는 각 입자가 편광 선택적인 흡수를 하는 안료일 수 있다. 각 입자가, 예를 들어, 장방형 형태(oblong shape)를 가지면 쉽게 안료 입자를 베이스 물질 내에서 단일축으로 배열할 수 있으며, 이 경우 흡수의 전이 모멘트가 편광-선택 흡수를 달성하도록 같은 방향으로 배열되게 된다. 이러한 베이스 물질 및 이색성 착색제의 조합물의 예로는 INSPEC AN 6670199의 Dirix 등에서 제공된다. 대체적으로는, 이색성 착색제는 방향에 의한 흡수를 가지는 발색단을 가지고 이에 따라 편광-선택적인 각 분자가 베이스 물질 내에 분산된 염료가 될 수 있다. 각 분자를, 예를 들어, 장방형 형태를 갖게 하여 쉽게 거의 같은 방향으로 단일축 배열함에 따라, 흡수의 전이 모멘트가 편광-선택성 흡수능을 달성하도록 같은 방향으로 배열되게 된다. 대부분의 염료가 장방형 형태는 아닐지라도 구형이 아닌 분자를 가지고 있는 관계로 본 발명에 따라 컬러필터에 적절히 사용될 수 있는 다양한 이색성 착색제를 선택할 수 있다. US 6,133,973에 적절한 예가 개시되어 있다.
이색성 착색제는 베이스 물질과 별도로 분자로 영역 내에 분산될 수 있으나 배열을 쉽게 하기 위해 베이스 물질의 일부로서도 분자로 영역 내에 분산될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 컬러필터의 특정양태에서는 이색성 착색제 및 베이스 물질이 결합된 하나의 단일축 배향된 이색성 베이스 물질의 영역을 포함하며, 상기 영역 내의 등방성 착색제에 의해 선택적으로 투과된 색을 흡수하도록 상기 영역이 채용된다. 바람직하게는 제 1 색 및/또는 제 2 및/또는 제 3 색의 모든 영역이 이러한 특성을 가진다.
이색성 착색제의 흡수 스펙트럼은 등방성 착색제의 투과 스펙트럼과 부합하도록(즉, 이색성 착색제가 등방성 염료가 선택적으로 투과시키는 색을 선택적으로 흡수한다) 조절할 수 있으나, 이것은 필수적인 것은 아니고 그 대역 너비(bandwidth)가 넓어도 무방하다. 이색성 착색제의 대역 너비는 컬러필터가 여과하도록 설계된 색의 전 스펙트럼을 덮을(cover) 수 있도록 넓게 선택된다. 이것은 제 1, 제 2 또는 제 3 영역 각자에 같은 이색성 착색제를 사용할 수 있다는 점에서 유리하다. 따라서, 특정한 실시양태에 있어서, 본 발명에 따른 컬러필터는 제 1, 제 2 및 제 3 영역에서 각각 제 1, 제 2 및 제 3 색을 흡수하도록 채용된 공통의 이색성 착색제를 포함한다.
바람직한 실시양태에 있어, 본 발명은 제 1 기재, 제 2 기재 및 제 1 기재와 제 2 기재 사이에 배치된 본 발명에 따른 컬러필터를 포함하는 액정 표시장치 셀이다. 본 발명에 따른 컬러필터는 집약된 편광자능이 기재들 사이에 놓여 이에 따라 보호되어 편광자가 외부에 배열된 것에 비해 손상을 덜 입는 표시 셀을 가능하게 한다.
편광 콘트라스트(Contrast; 효율)이 특정 용도에 있어 부족한 경우에는, 컬러필터를 종래의 선형 흡수 편광자에 결합하여 그 편광 콘트라스트를 개선시킬 수 있다. 이러한 종래의 편광자가 받아들이는 색은 이미 상당한 정도로 편광되어 있는바, 상대적으로 얇은 편광자를 사용해도 무방하다.
하지만, 표시장치 셀의 바람직한 실시양태에 있어서, 편광자는 기재 사이에 위치하게 된다. 당업계에서 셀 내부 편광자(in-cell polarizer)라고도 알려진 이러한 편광자는 그 자체로 당업계에 잘 알려져 있다. 이러한 셀 내부 편광자와 본 발명의 컬러필터의 조합물은 셀 내부 편광자의 편광 콘트라스트가 표시장치 LCD 셀의 외부에 사용되는 통상의 편광자에 비해 일반적으로 낮다는 데에 특히 이점이 있다.
수직 배향으로 배열된 이색성 착색제를 사용하여 수직 입사광에 대해 최적으로 작동되도록 설계된 통상의 선형 흡수 편광자의 시인각(viewing angle) 의존성을 개선시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정한 실시예는 베이스 물질이 본 발명의 컬러필터의 제 1, 제 2 및 제 3 영역에 각각 대향되도록 배치된 제 1, 제 2 및 제 3 영역을 포함하는 평면 단일축으로 배열되고 수직 배향으로 배열된 층인 본 발명의 컬러필터의 조합에 관련되며, 여기서 수직 배향으로 배열된 층의 제 1 영역은 수직 배향으로 배열된 제 1 베이스 물질 및 제 1 베이스 물질에 의해 수직 배향으로 배열된 제 1 이색성 착색제를 포함하고, 상기 제 1 이색성 착색제는 컬러필터의 제 1 영역의 제 1 이색성 착색제와 동일하며, 수직 배향으로 배열된 층의 제 2 영역은 수직 배향으로 배열된 제 2 베이스 물질 및 제 2 베이스 물질에 의해 수직 배향으로 배열된 제 2 이색성 착색제를 포함하고, 상기 제 2 이색성 착색제는 컬러필터의 제 2 영역의 제 2 이색성 착색제와 동일하며, 수직 배향으로 배열된 층의 제 3 영역은 수직 배향으로 배열된 제 3 베이스 물질 및 제 3 베이스 물질에 의해 수직 배향으로 배열된 제 3 이색성 착색제를 포함하고, 상기 제 3 이색성 착색제는 컬러필터의 제 3 영역의 제 3 이색성 착색제와 동일하다.
컬러 필터는 표시장치, 사진 및 광학분야와 같이 다양한 분야에서 적용이 가능하다. 컬러필터는 특히 액정 표시장치에서 완전-컬러를 구현시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 특히 본 발명의 컬러필터를 포함하는 액정 표시장치에 관련된다. 더욱 특정하게는, 제 1 및 제 2 기재를 포함하고 그 사이에 본 발명에 따른 컬러필터가 제공되는 표시장치 셀을 포함하는 액정 표시장치에 관련된다. 컬러필터를 포함하는 표시장치는 투과성 표시장치, 반사성 표시장치 또는 투과반사성(transflective) 표시장치일 수 있다.
발명자들이 본원에서 발명을 개시한 바와 같이, 당업자라면 그 용도에 따라 컬러필터가 제 1, 제 2 및 제 3 영역으로 뚜렷이 나눌 필요가 없고, 다른 아무 개수의 영역을 이용하여 완전-컬러 표시장치 외의 분야에 유용한 컬러필터를 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.
따라서, 넓은 의미에서 보아, 본 발명은 단일축으로 배열된 베이스 물질, 필터 입사광에서 제 1 색의 색을 선택적으로 투과시키도록 채용된 등방성 착색제 및 베이스 물질에 단일축으로 배열되고 제 1 색을 흡수하도록 채용된 등방성 착색제를 포함하는 영역을 하나 이상 포함하는 입사광 여과용 편광-선택 컬러필터에 관련된다. 본 발명은 하기와 같은 첨부된 도면과 함께 본 발명의 다양한 양태에 대한 하기 상세한 설명을 고려함으로서 완전히 이해될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 컬러필터를 포함하는 완전-컬러 액정 표시장치를 모식적으로 나타낸 단면도이고;
도 2는 본 발명에 따른 컬러필터의 영역을 모식적으로 나타낸 단면도이고;
도 3은 본 발명에 따른 전기적으로 전환이 가능한 컬러필터를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 컬러필터를 포함하는 완전-컬러 액정 표시장치를 모식적으로 나타내는 단면도이며, 특히 본 발명의 컬러필터를 포함하는 투과성 활성 매트릭스완전-컬러 액정 표시장치이다.
표시장치(1)는 예를 들어 인듐 주석 산화물(ITO)로 만들어진 투명 전극(6)을 포함하는 활성 전환 요소(4) 및 유리, 합성 수지 또는 다른 적당한 재료로 만들어진 제 1 투명 기재(2)를 포함하는 능동판(8)을 포함한다. 수동판(10)은 투명 기재(12), 본 발명의 편광-선택성 컬러필터(14) 및 투명 반대전극(16)을 포함한다. 능동판(8) 및 수동판(10)사이에 (초)뒤틀림 네마틱 액정 층(18)이 끼어있다. LC층(18)에 관련된 전기-광학 효과가 본 발명의 컬러필터에 의해 공급되는 편광 선택성의 사용을 요구하는 한 액정층의 종류나 효과는 본 발명에 있어 필수 불가결한 요소는 아니다. LC층(18)의 뒤틀림 네마틱 배향을 얻기 위해 명확성 이유로 도 1에서 생략된 배열층을 사용한다. LC의 종류 및 효과는 통상적인 것을 사용한다.
활성 매트릭스 전환요소(4)는 전극(6)이 각각 대응될 수 있도록 하여준다. 각 전극(6)은 그 옆에 위치한 LC층(18)의 일부를 전환할 수 있도록 해주어 각각 대응될 수 있는 픽셀을 가지는 표시장치를 얻을 수 있도록 해준다. LC층(18) 전환이 관측자에게 시인될 수 있도록 하기 위해, 표시장치 1은 본 실시양태에서 능동판(8)에 들어 있는 (선형, 흡수성) 편광자(20)를 포함한다. 편광자(20)는 표시장치 셀(22)의 외부에 위치한 통상적인 편광자면 되나 그 안쪽, 즉 기재들(12, 4) 사이에 배치할 수도 있다. 제 2 편광 수단이 편광-선택성 컬러필터(14)에 결합된다. 본 실시예에서 뒤틀림 네마틱 LC층(18)이 사용되는 바, 편광자(20)의 전달 축 및 컬러필터(14)의 전달 축은 서로에 대해 직각이다.
대체적으로는, 편광자(20)를 수동판(10) 위에 배열할 수 있고 컬러필터(14)를 능동판(8) 위에 배열할 수 있다.
편광-선택성 컬러필터(14)는, 각 전극(6)에 대향되도록, 선택적으로 적색을 투과시키기 위하여 제 1 영역(14R)을 가지며, 선택적으로 녹색을 투과시키기 위하여 제 2 영역(14G)을 가지며, 선택적으로 청색을 투과시키기 위하여 제 3 영역(14B)을 가진다. 각기 14R 영역, 14G 영역 및 14 B 영역으로 구성되는 영역들은 하나로 모아 RGB 3중대(triplets)의 배열을 형성한다(도 2에서 생략).
다른 색으로 된 영역의 수는 반드시 3개는 아니고 컬러필터의 특정 용도에 따라 더 많을 수도 있고 더 적을 수도 있다. 예를 들어, 적, 녹 및 청색의 영역에서 나오는 색을 혼합하여 원하는 순백색을 얻을 수 없다면 투명하며 어떠한 입사광도 흡수하지 않는 제 4 영역을 컬러필터에 추가로 포함할 수 있다. 또한, 전극에 대향하도록 배열된 영역을 둘러싸는 매트릭스로서 흑 영역(black region)을 제공하여 콘트라스트를 높일 수도 있다. 본 실시양태에 있어서 모든 영역은 같은 방향으로 단일축배열을 가진다 본다. 하지만, 이것이 필수 불가결한 요소인 것은 아니다. 특히, 예를 들어 시인각 의존성을 최적화하기 위해 준 픽셀화(sub-pixelation)를 이용할 경우, 각 준 픽셀(sub-pixel)마다 배열의 방향을 달리하여 준 지역(sub-region)이 준 픽셀의 배열과 같은 단일축의 배열방향을 같도록 하는 것이 관심사항일 수 있다.
본 실시양태에 있어, 완전-컬러 기능성을 확보하기 위해 적, 녹 및 청색의 영역을 사용하고 필터(14)는 백색광을 여과하도록 설계된다. 다른 색 조합 역시 가능하며 예를 들어 청록 자홍 노랑(CMY) 또는 청록 자홍 노랑 흑(CMYK) 색조합이 있다. 적당한 착색제를 선택함으로서, 컬러필터는 어떠한 가시 스펙트럼에 대해서도 작동될 수 있게 된다는 것은 분명하다. 스펙트럼의 적외선 또는 자외선 영역도 이용이 가능하다.
컬러필터의 두께는 통상적으로 50 nm 내지 100 ㎛, 바람직하게는 100 nm 내지 10 ㎛이다. 필름의 두께는 착색제의 흡수력에 따라 정한다.
실제 작동 시, 광원(24)으로부터의 백색광은 편광자(20)에 의해 편광되어 선형 편광된 색을 생산한다. 픽셀이 꺼져 있을 시, 즉 픽셀에 아무런 전압이 가해지지 않았을 시, 색의 편광은 LC층(18)에 의해 90°또는 그 홀수배만큼 회전한다. 컬러필터(14)의 전달 축이 편광자(20)의 전달 축에 직각방향으로 있는바, 색을 컬러필터를 투과 여과시켜 편광상태를 변화시키지 않은 채로 원하는 색을 만든다. 반면, 픽셀이 켜진 상태에서는, LC 층(18)은 입사광의 편광을 회전시키지 않으며 따라서 그 픽셀에 해당되는 컬러필터(14)영역에서 흡수된다.
도 2는 본 발명에 따른 컬러필터의 영역을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
컬러필터(14)의 영역(예를 들어, 영역(14R)이 도 2에 나타난다)은 베이스 물질(14a), 제 1 등방성 광 흡수 물질(14b) 및 제 2 등방성 광 흡수 물질(14c)을 포함하며 제 1 및 제 2 광 흡수 물질함께 등방성 착색제(14bc) 및 이색성 착색제(14d)를 형성한다.
본 실시양태에서, 베이스 물질(14a)는 고체, 특히 중합체로 본다. 하지만 이는 필수 불가결한 것은 아니고 액체, 특히 액정 베이스 물질 역시 사용이 가능하며 이는 컬러필터가 전환 가능케 하려할 때 특히 유용하다.
베이스 물질은 영역 내 등방성 및 이색성 착색제의 균질 분산을 가능케 하는 기능이 있다. 베이스 물질은 이 베이스 물질에 분산된 이색성 착색제의 단일축 배열을 불러일으키는 기능도 가지고 있다. 이러한 기능을 부여하기 위해 베이스 물질(14a)은 단일축으로 배열된다. 도 1 및 도 2에 나타난 컬러필터에서, 베이스 물질은 평면 단일축 배열, 즉 단일축의 연장선이 광도입면(15)에 거의 평행하게 되어 있다. 베이스 물질, 즉 이색성 착색제의 평면 단일축 배열을 통해, 편광-선택이 수직 입사광에 대해 최적화되고, 입사각(수직방향에서 측정한 각)이 증가할수록 편광-선택성이 줄어든다. 대체적으로는, 단일축 배열은 수직일 수 있으며 이 경우 이색 착색제가 광-도입면(15)에 수직방향으로 배향되게 된다. 이색성 착색제가 이렇게 배열되면, 편광 선택은 수직 입사일 때 가장 나쁘고 입사각이 증가할수록 개선된다.
이색성 염료를 배열할 수 있도록, 도입되어 단일축 배열상태를 유지할 수 있는 베이스 물질은 당업계에 알려져 있으며, 주된 예로는 액정, 특히 네마틱 액정 및 단일축 배열된 중합체를 들 수 있다. 인장시켜 얻은 단일축 배열 중합체를 사용할 수 있다. 이러한 중합체는 그 자체로서 당업계에 알려져 있다. 예로서 인장 폴리에틸렌, 폴리에틸렌나프탈렌(PEN), 폴리비닐알코올 및 폴리에틸렌테레프탈레이트, 그리고 US 6,133,973에 개시된 다른 중합체를 포함한다.
단일축으로 배열된 중합체를 얻기 위해 (광)중합성 및/또는 (광)가교-결합성 액정 조성물로부터 얻어진 중합체를 사용할 수도 있다. 이러한 중합체는 그 자체로 당업계에 알려져 있다 (가령 WO 88/000227 참조). 중합가능 및/또는 교차결합가능 액정은 (메타)아크릴레이트, 비닐에테르, 비닐, 옥세탄 또는 에폭사이드 그룹과 같은 중합가능 그룹 하나 이상과 함께 제공되는 메소제닉 물질이다. 타이올-엔(계) 역시 사용 가능하다. 이전에 침착된 가교-결합 영역이 저항, 특히 영역을 추가로 침착하는데 있어서 요구되는 처리에 대한 특정 용매 저항에 있어서의 저항을 개선하므로 교차결합이 가능한 액정 조성물은 컬러필터의 다른 색의 영역이 각각 별도의 연속 단계로 침착되면 특히 매력적이다.
영역 내 베이스 물질은 일반적으로 95 중량%를 초과하지 않으며, 특히 90 중량%를 초과하지 않는다. 바람직하게는, 층 내 고체 물질의 무게 기준으로 약 20% 내지 약 90%의 양으로 존재한다. 더욱 바람직하게는 약 30% 내지 약 70%이고 가장 바람직하게는 약 35% 내지 약 65%이다.
비록, 제 1, 제 2 및 제 3, 포함한다면 제 4 영역의 베이스 물질이, 예를 들어 이색성 착색제의 배열 및 등방성 착색제의 분산을 최적화하는데 있어 원칙적으로는 다를 수 있으나, 각 영역에 같은 베이스 물질을 사용하면 컬러필터의 제조는 더욱 간단해진다. 특히 하나의 같은 물질을 사용함으로서 제 1, 제 2 및 제 3 영역의 베이스 물질을 한 침착 단계로 제공할 수 있는 가능성을 열어준다.
본 발명에 따른 컬러필터의 14R 영역은 등방성 착색제를 포함한다. 본 발명에서 사용된바 등방성이라 함은 선택적으로 투과된 색의 색이 입사광의 편광방향에 좌우되지 않는다는 것을 의미한다. 구체적으로는, 필터에 입사한 색의 입사각의 범위 내에서는 색의 의존성을 찾아볼 수 없다. 착색제는 단일 종류의 광 흡수 물질로 구성될 수 있으나 또한 도 2에 나타난 바와 같이 복수개의 광 흡수 물질로 구성될 수도 있다.
등방성 착색제는 당업계에 잘 알려져 있다. 특히 액정 표시장치용 흡수 컬러필터에 통상적으로 사용되는 착색제는 본 발명의 컬러필터에 적절히 사용될 수 있다.
착색제는 각 안료 입자를 포함하는 안료이거나 각 분자를 포함하는 염료일 수 있다. 착색제는 유기성 또는 무기성일 수 있다. 각 안료 입자 또는 각 염료 분자들은 균질하게 베이스 물질 내에 분산된다. 방향적으로 독립적인 색을 제공하기 위하여, 착색제는 베이스 물질 내에 등방적으로 분산되어야 한다. 이는, 도 2의 등방성 착색제(14b)에 나타난 바와 같이, 입자 또는 분자가 대략 구형인 착색제를 사용하는 방법으로 달성될 수 있다. 구형인 염료 분자는 당업계에 그리 많이 알려져 있지 않으나, 안료 입자는 특정 배향을 가지고 있지 않다는 점에서 종종 구형이다. 대체적 또는 보통 추가적으로는, 도 2의 등방성 광 흡수 물질(14c)에 나타난 바와 같이 베이스 물질 내에서 각 염료 분자 또는 안료 입자가 마구잡이 배향으로 분산된다면 비대칭적으로 형성된 분자 또는 입자를 가진 착색제가 사용가능하다. 안료를 선택할 시, 액정 매질의 배향을 최대한 덜 간섭하기 위해 입자 크기는 바람직하게는 작으며, 가령 100 nm보다 작은 것을 택한다.
도 2에서 2개의 별개 등방성 착색제(14b, 14c)가 사용되어 적색을 선택적으로 투과시키는 조합 효과를 나타낸다. 예를 들어, 등방성 착색제(14b)는 녹색을 흡수할 수 있으며 등방성 착색제(14c)는 표시장치에 입사하는 백색광의 청색 부분을 흡수할 수 있다. 하지만, 하나는 녹색이고 하나는 청색인 두 개의 발색단 또는 단일의 광대역 발색단 역시 사용 가능하다. 대체적으로는, 등방성 착색제를 베이스 물질과 결합시켜 바라는 색의 색을 선택적으로 투과시키는 등방성 단일축 배열 베이스 물질을 형성할 수 있다. 베이스 물질의 분자를 등방성 염료 분자에 공유 결합시킴으로서 이것이 달성될 수 있다.
본 발명에서 이용 가능한 몇몇 상업적으로 이용가능한 비배타적 예로는: 벤지딘 옐로우 G(C.I. 21090), 벤지딘 옐로우 Gr(C.I. 21100), 퍼마넌트 옐로우 DHG(Hoeschst AG 사 제품), 브릴리언트 카마인 6B(C.I. 15850), 로다민 6G 레이크(C.I. 45160), 로다민 B 레이크(C.I. 45170), 프탈로시아닌 블루 non-크리스탈(C.I. 74160), 프탈로시아닌 그린(C.I. 74260), 카본 블랙, 팻 옐로우 5G, 팻 옐로우 3G, 팻 옐로우 G, 팻 레드 HRR, 팻 레드 5B, 팻 플랙 HB, 재폰(Zapon) 패스트 블랙 RE, 재폰 패스트 블랙 G, 재폰 패스트 블랙 HFL, 재폰 패스트 레드 BB, 재폰 패스트 레드 GE, 재폰 패스트 옐로우 G 및 퀴나크리돈 레드(C.I. 46500)를 들 수 있다.
등방성 착색제는 컬러필터의 영역에 균일하게 색을 입힐 수 있기에 충분한 양으로 바람직하게는 존재한다. 바람직하게는 그 양은 층 내의 고체의 무게 기준으로 약 5% 내지 약 50%이다. 더욱더 바람직하게는 약 10% 내지 약 40%이고 가장 바람직하게는 약 15% 내지 약 35%이다.
본 발명의 컬러필터의 영역은 이색성 착색제, 특히 베이스 물질에 단일축 배열된 이색성 착색제를 포함한다. 도 2에서 이색성 착색제(14e)는 적색을 흡수한다. 더욱 특정하게는, 이색성 착색제(14e)가 단일축 배열되어 있는바 그 흡수가 편광-선택적이다.
도 2에서, 단 하나의 염료 또는 안료가 사용되나 일반적으로 이색성 착색제는 복수개의 안료 및/또는 염료를 포함한다.
이색성 착색제는 각 입자가 편광 선택적인 흡수성을 가지는 안료일 수 있다. 각 입자가 장방형 형태를 가지면 안료 입자를 베이스 물질 내에서 단일축 배열하는 것이 용이해지며, 이 경우 전이 모멘트가 같은 방향으로 배열되어 편광-선택적인 흡수를 제공한다. 대부분의 염료가 장방형 형태는 아닐지라도 구형이 아닌 분자를 가지고 있는 관계로 본 발명에 따라 컬러필터에 적절히 사용될 수 있는 다양한 이색성 착색제를 선택할 수 있다. 이의 예는 INSPECAN 6670199에서 드릭스(Dirix) 등으로 제공된다.
또한 이색성 착색제는 개별적인 분자가 베이스 물질 중에 균일하게 분산되어 있고 그 개별적인 분자가 방향 의존성이고 따라서 편광 선택성인 흡수능을 갖는 발색단을 갖는 염료6일 수 있다. 개별적인 분자들을 분자가 장방형을 갖는 경우 편리하게 달성되는 동일 방향에서 단일축으로 배열함으로써 전이 모멘트는 동일 방향에서 배열되어 편광 선택성 흡수능을 제공한다. 대부분의 염료는 장방형이 아닌 경우에는 최소한 비구형인 분자를 갖고 따라서 방향 의존성인 전이 모멘트를 갖는 흡수능을 보유하므로 이색성 착색제의 광범위한 선택이 유용하다. 적당한 예가 US 6,133,973에 개시되어 있다. 특히 적당한 이색성 염료는 하기 화학식의 염료들이다:
이색성 착색제는 바람직하게는 등방성 착색제에 의해 선택적으로 투과된 광에서 하나의 편광성 요소를 흡수하기에 충분한 양으로 존재한다. 그 양은 바람직하게는 층의 고체 무게 기준으로 약 5% 내지 약 50%이다. 더욱 바람직하게는 약 10% 내지 약 40%이고, 가장 바람직하게는 약 15% 내지 약 35%이다.
이색성 착색제는 베이스 물질과 별도의 분자로 영역 내에 분산될 수 있으나 베이스 물질의 분자의 일부일수도 있으며, 이때 배열이 쉽게 되고 컬러필터의 영역을 구성하는 요소의 수가 감소한다. 예를 들어 이색성 염료 분자를 베이스 물질의 분자와 공유 결합시켜 단일축 배열된 이색성 베이스 물질을 형성하는 방법 등으로 이색성 착색제와 베이스 물질을 결합할 수 있다.
이색성 착색제의 흡수스펙트럼은 등방성 착색제의 전이 스펙트럼과 최대한 가깝게 일치하도록 될 수 있다(즉, 등방성 염료가 선택적으로 투과시키는 색을 선택적으로 흡수할 수 있다). 하지만 이는 필수 불가결한 요소는 아니며 그 대역 너비가 더 넓을 수 있다. 이색성 착색제의 대역 너비는 컬러필터가 여과하도록 목표한 색의 전체 스펙트럼을 다룰 수 있을 정도로 넓게 설계될 수 있다. 이것은 제 1, 제 2 또는 제 3 각 영역에 대해 같은 이색성 착색제를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 컬러필터의 제 1, 제 2 및 제 3 영역은 바람직하게는 각각 제 1, 제 2 및 제 3 색을 흡수하도록 채용된 공통의 이색성 착색제를 포함한다.
도 2에 나타나 있듯이 등방성 및 이색성 착색제를 조합함으로서 편광된 적색 광의 효과가 제공된다. 편광된 녹색 및 청색 광을 제공하는 영역도 마찬가지 방법으로 제공될 수 있다.
도 1에 나타난 필터는 각각 적색, 녹색 및 청색광을 제공하는 영역을 포함한다. 대체적으로는, 청록(C), 자홍(M) 및 노랑(Y) 영역을 포함하는 편광-선택성 컬러필터가 사용될 수 있다. 이러한 CMY 필터는 예를 들어 적색 등방성 착색제 및 녹색, 청색 이색성 착색제를 포함하는 제 1 영역, 녹색 등방성 착색제 및 적색, 청색 이색성 착색제를 포함하는 제 2 영역, 청색 등방성 착색제 및 적색, 녹색 이색성 착색제를 포함하는 제 3 영역을 통해 형성될 수 있다.
다양한 방법으로 본 발명의 컬러필터를 제조할 수 있다.
제 1 방법에서는, 적당한 기재 위에 제 1, 제 2 및 제 3 영역이 제 1, 제 2 및 제 3 패턴화 단계(patterning step)를 통해 차례로 형성되며, 제 1, 제 2 및 제 3 패턴화 단계는 베이스 물질, 등방성 착색제 및 이방성 착색제를 포함하는 필름-형성 조성물의 침착, 침착된 필름-형성 조성물 내 베이스 물질 및 따라서 이색성 착색제의 단일축 배열, 그리고 존재한다면 용매와 같이 필름-형성을 가능케 하기 위해 첨가된 하나 이상의 요소들을 침착된 필름-형성 조성물로부터 제거하여 제 1, 제 2 및 제 3 영역을 형성하는 것에 관련된다.
착색제 및 베이스 물질은 또한 별개의 단계에서 침착될 수 있다. 따라서, 제 2 방법은 단일축 배열된 베이스 물질의 연속적이고 패턴화된 층을 적당한 기재 위에 침착하여 복수개의 구별되는 영역들을 포함하도록 하고, 제 1, 제 2 및 제 3 등방성 및 이색성 착색제를 베이스 물질의 층으로 연속적인 패턴화 단계를 통해 확산시키는 것을 포함한다.
제 2 방법에 있어서 모든 영역에 공통인 이색성 착색제를 사용한다면 이색성 착색제와 베이스 물질은 함께 침착될 수 있다.
베이스 물질은 그 최종 형태로 바로 침착이 가능하며 베이스 물질이 액정이나 인장 중합체 필름이라면 편리하다. 베이스 물질은 또한 전구체의 형태로 침착이 가능하며 침착이 되고 난 후에 그 최종 형태로 전환될 수 있다. 이러한 전구체 물질의 예로는 (광)중합가능 또는, 바람직하게는 (광)가교결합가능 액정 물질을 들 수 있으며 단일축 배열된 후 (광)중합 또는 가교-결합되어 단일축 배열 중합 또는 교차결합 베이스 물질을 형성한다.
침착된 베이스 물질을 착색제 증기 또는 착색제를 함유하는 용액에 노출시켜 착색제를 베이스 물질로 확산시킬 수 있다.
제 1, 제 2 및 제 3 영역을 형성하기 위한 적당한 패턴화 방법으로는 포토-리토그래피(photo-lithography) 또는 기재를 원하는 패턴으로 일시적으로 마스킹하고 잉크젯 프린팅, 플렉소그래프 프린팅(flexographic printing), 미세-접촉 프린팅(micro-contact printing), 오프셋 프린팅 또는 스크린 프린팅과 같은 프린팅 방법을 가하는 다른 방법을 들 수 있다. 예를 들어, 다중노즐 잉크젯 프린팅과 같은 방법으로 다른 색을 가진 영역들을 하나의 패턴화 침착 단계에서 침착하거나 연속적인 패턴화 단계를 통해 침착할 수 있다. 연속적 패턴화 단계를 이용하면, 기재 및 베이스 물질은 연속적인 패턴화 단계를 거칠 수 있을 만한 저항성을 갖는 것으로 선택하여야 한다. 교차결합된 베이스 물질이 이러한 저항성을 얻기 위해 사용될 수 있다. 베이스 물질 또는 그 전구 물질을 단일축으로 배향하는 것은 배열층(alignment layers), 베이스 물질의 전기 및/또는 자기장에서의 처리 및 인장-유도 배향의 기계적 수단과 같은 통상적인 수단을 통해 이루어질 수 있다.
예로서, 컬러필터(14)는 다음과 같은 방법으로 제조된다: 예를 들어 30 내지 150 nm 두께의 폴리이미드 전구체 박막(일본 합성 고무의 AL 1051)을 스핀 코팅을 이용하여 유리 기재에 가하고, 이를 240℃의 온도에서 경화하고, 경화된 필름을 벨벳 천을 이용하여 단일축으로 무두질(buffing)하여 평면 단일축 배열 능력을 가한다. 등방성 및 이색성 착색제를 함유하는 액정 아크릴레이트 조성물이 기재 위에 패턴에 맞추어 침착된다. 액정 아크릴레이트 조성물 침착시, 폴리이미드 배열층이 침착되는 액정 아크릴레이트 조성물에 단일축 배향을 일으킨다. 액정 분자에 의해 채택된 배향은 이색성 착색제 분자 또는 입자에 강요되어 이색성 착색제의 단일축 배열이 일어난다. 그 후, 이러한 단일축 배열 상태에서, 액정 아크릴레이트 조성물은 단일축 상태를 유지한 채 광중합되어 컬러필터(14)의 제 1 영역(14R)을 제공한다. 이러한 공정은 두 번 더 반복되어 영역 들(14G, 14B)을 얻게 된다. 이렇게 얻어진 컬러필터 위에 ITO 전극층(16)이 스퍼터링 등의 방법에 의해 침착될 수 있다. 기재의 손상을 피하기 위해 스퍼터링 전에 이산화규소의 박막을 컬러필터에 입히는 것이 좋을 수 있다. 컬러필터를 평면화하기 위해, 선택적으로는, 예를 들어 2 이상의 기능기를 가진 아크릴레이트 단량체로 구성된 추가적인 필름을 가하여 광 개시제의 존재하에 UV 경화하여 안정된 교차결합 필름을 얻도록 한다 .
액정 표시장치 셀(22)의 편광-선택성 컬러필터(14)는 기재들(4, 12) 사이에 놓이고 이에 따라 보호를 받게 된다. 컬러필터에 의해 제공되는 편광 콘트라스트가 특정 용도에 있어 부족하다 판단된다면, 컬러필터에 편광자를 결합하여 그 편광 콘트라스트를 높일 수 있다. 컬러필터가 편광된 색을 제공하는 바, 편광자의 두께를 낮출 수 있으며 이에 따라 표시장치의 두께가 얇아지게 된다. 바람직하게는, 편광자는 기재 사이, 즉 셀(22) 내부에 제공된다.
본 발명에 따른 컬러필터의 조합물 및 이러한 셀 내부 편광자(in-cell polarizer)는 내부 편광자(inside polarizer)로는 일반적으로 통상의 판 편광자의 편광 콘트라스트를 얻기 힘들다는 점에서 이점이 있다. 만약 셀 내부 편광자가 편광-선택성 컬러필터와 결합된다면 바람직한 편광 콘트라스트(즉 투과되는 편광과 흡수되는 편광의 비율)를 얻을 수 있는 동시에 셀 내부 편광자 및/또는 컬러필터의 두께를 감소시킬 수 있다. 컬러필터 및 셀 내부 편광자의 조합은 표시장치 셀의 내부에 배열되는 바, 표시장치 셀의 내마모성, 기계적 강도 및 환경 노화성이 개선된다. 셀 내부 편광자로 적절히 사용될 수 있는 편광자는 그 자체로 당업계에 알려져 있다. 예를 들어, US 6,049,4428 및 WO 02/42832에 개시된 코팅될 수 있는 편광자가 셀 내부 편광자로 사용 가능하다. 이러한 편광자의 두께는 통상적으로 약 200 nm 내지 약 2 ㎛이다. 도 1에 나타난 표시장치의 컬러필터(14)는 평면 동축 배열을 가지고 있고 컬러필터 영역에 입사한 색이 수직하게 입사할 때 가장 잘 작동된다. 이색성 착색제의 흡수의 전이 모멘트가 단일축 배열의 방향과 일치한다 가정하면(최소한 장방형 형태의 착색제 분자 또는 입자가 사용될 시만큼은 일반적임), 이색성 착색제는 단일축 배열 방향으로 진행하는 어떠한 색도 흡수하지 못한다. 결과적으로, 컬러필터에 입사하는 색을 각각의 성분으로 쪼개어 보아 단일축 배열 방향으로 진행하는 성분이 있다면 이러한 성분에 있어서는 편광 선택은 일어나지 않으며 이에 따라 수직 입사에서 벗어난 경우 편광 콘트라스트가 수직 입사광의 경우에 비해 떨어지게 된다.
비수직 입사광에 대한 본 발명의 컬러필터의 성능을 높이기 위해서, 성능을 향상시키고자 하는 컬러필터의 영역에 수직한 방향으로 배열된 이색성 착색제를 포함하는 층을 컬러필터에 결합시킬 수 있다. 이러한 배열은 당업계에서 수직 배열이라고도 알려져 있다. 따라서, 베이스 물질이 컬러필터의 제 1, 제 2 및 제 3 영역에 각각 대향되도록 배치된 제 1, 제 2 및 제 3 영역을 포함하는 평면 단일축으로 배열되고 수직 배향으로 배열된 층으로서, 수직 배향으로 배열된 층의 제 1 영역은 수직 배향으로 배열된 제 1 베이스 물질 및 제 1 베이스 물질에 의해 수직 배향으로 배열된 제 1 이색성 착색제를 포함하고 상기 제 1 이색성 착색제는 컬러필터의 제 1 영역의 제 1 이색성 착색제와 동일한 착색제이며, 수직 배향으로 배열된 층의 제 2 영역은 수직 배향으로 배열된 제 2 베이스 물질 및 제 2 베이스 물질에 의해 수직 배향으로 배열된 제 2 이색성 착색제를 포함하고 상기 제 2 이색성 착색제는 컬러필터의 제 2 영역의 제 2 이색성 착색제와 동일한 착색제이며, 수직 배향으로 배열된 층의 제 3 영역은 수직 배향으로 배열된 제 3 베이스 물질 및 제 3 베이스 물질에 의해 수직 배향으로 배열된 제 3 이색성 착색제를 포함하고 상기 제 3 이색성 착색제는 컬러필터의 제 3 영역의 제 3 이색성 착색제와 동일한 착색제이며, 이 경우 컬러필터의 편광 콘트라스트의 시인각 의존성이 개선된다. 바람직하게는, 수직 배열층은 컬러필터 옆, 따라서 표시장치 셀의 내부에 제공된다.
수직 배열 층, 특히 수직으로 배열된 이색성 염료를 포함하는 수직배열층은 당업계에 그 자체로 알려져 있으며(가령 EP 608924 참조), 본 발명의 컬러필터와 조합되어 효과적으로 사용될 수 있다.
도 1에 나타나 있는 완전-컬러 액정 표시장치(1)는 활성 매트릭스 표시장치이나, 이것이 필수 불가결한 것은 아니며, 본 발명에 따른 컬러필터는 수동 매트릭스 표시장치나 조각 표시장치(segmented display)에서도 마찬가지로 이용이 가능하다.
표시장치(1)는 투과성 표시장치이나 반사 또는 투과반사성 액정 표시장치에서도 마찬가지로 이용이 가능하다.
반사 액정 표시장치의 제 1 실시양태는 선형 편광 색을 공급하기 위한 본 발명의 편광-선택성 컬러필터, 지연층과 액정층의 조합, 파장의 4분의 1 또는 그 홀수배만큼의 지연 상태와 0 또는 파장의 절반 또는 그 곱만큼의 지연 상태 사이의 전환을 위해 채용된 조합물 및 순환적으로 편광된 입사 색이 반사 시 방향성을 전환시키기 위한 광 반사성 표면을 연속하여 포함한다. 컬러필터는 편광하고 주변 색을 여과하고 선형 편광 반사광을 분해한다. 이 첫 번째 실시양태는 그것이 편광 기능을 내포하고 있어 편광자를 포함하지 않는다는 점에서 매력적이다. 게다가 액정층이 제 1 및 제 2 기재 사이에 들어가고, 제 1 기재가 액정의 보이는 면에 해당한다면, 액정층과 제 1 기재 사이 또는 바람직하게는 제 1 기재 상에 컬러필터를 넣어 표시장치를 튼튼하게 만들 수 있다.
반사 액정 표시장치의 제 2 실시양태는 선형 흡수 편광자, 선형 편광된 색을 전환시키기 위한 액정층, 선형 편광된 색에 선택성이 있는 본 발명의 컬러필터 및 광 반사성 면을 연속하여 포함한다. 이 제 2 실시양태의 장점은 명암상태를 구현하기 위해 보통 상대적으로 두껍고 비싼 지연층이 필요하지 않다는 것이며, 또한 (초)뒤틀림 네마틱, 평면내 스위칭(in-plane switching) 또는 0 또는 파장(λ)의 절반 또는 그 아무 홀수배에 해당하는 상태사이의 전환(switch)이 가능한 아무 다른 LC 효과와 같은 다양한 LC 효과가 가능하다는 것이다.
컬러필터는 특히 투과반사성 표시장치에 유용하다. 이러한 투과반사성 표시장치의 실시양태는 선형 흡수 편광자, 선형 편광된 색을 전환하기 위한 액정층, 선형 편광 색을 제공하기 위한 본 발명의 컬러필터, 광 반사기, 반사 영역 및 투과 영역을 제공하도록 패턴화 되어 있고 반사 영역과 투과 영역은 하나로 묶여 주위의 색을 이용하여 표시장치를 작동할 수 있는 반사 영역을 가진 각각 대응이 가능한 픽셀을 구성하는 투과반사기 및 백라이트(back light)로부터 나오는 색을 투과시켜 표시장치를 작동시키는 투과 영역을 연속하여 포함한다. 반사 시, 표시장치는 상기에 묘사된 반사 표시장치와 같은 방법으로 작동되고 투과 시에는 도 1의 투과 표시장치와 마찬가지로 작동한다. 이러한 투과반사성 표시장치의 이점은 지연자(retarder)를 필요로 하지 않는다는 점이며 또한 LC층이 흔히 사용되는 (초)뒤틀림 네마틱과 같은 것이라는 점이다.
도 1 및 도 2의 컬러필터는 그 기능이 전장에 영향을 받지 않는다는 점에서 정적 광 요소이다. 하지만, 본 발명은 이러한 컬러필터에만 한정되지는 않는다. 본 발명은 또한 여과 성질이 전장에 따라 바뀌는 전기-광 색 컬러필터에 연관된다. 컬러필터가 전기적으로 스위칭 가능하게 함으로서 컬러필터가 예를 들어 표시장치의 활성 색 조절 요소로 되게 할 수 있다. 이러한 컬러필터를 포함하는 표시장치는 통상의 표시장치에 비해 편광자를 덜 가지고 있으며 따라서 간단하고 얇으면서도 그 제조비를 절감시킬 수 있다.
이러한 전기적으로 전환이 가능한 컬러필터는 액정 베이스 물질을 이용하여 실현시킬 수 있다. 본 발명의 특정양태에서는 영역의 베이스 물질은 컬러필터가 전기적으로 전환이 가능하게 하는 액정이다. 전기적으로 전환이 가능한 액정 및 이러한 액정을 사용하여 달성되는 전기-광 효과는 당업계에 잘 알려져 있다.
이러한 전환이 가능한 컬러필터의 특정한 양태는 뒤틀린 또는 아주 뒤틀린 단일축 배열 상태와 같은 국부적으로 평면 단일축으로 배열된 상태와 수직 배향으로 배열된 상태와 같은 평면 단일축 배열상태끼리 서로 전환이 가능한 액정을 포함한다. 평면 단일축 배향된 상태에서, 본 발명에 따른 전환 가능한 컬러필터는 수직 입사광에 대해 편광-선택적이다. 암상태를 얻기 위해 액정 및 그 안에 분산된 이색성 착색제의 평면 단일축 배열과 나란한 흡수축을 가진 단일 선형 흡수 편광자를 컬러필터와 결합한다. 액정이 수직 배열 상태로 전환되면, 그 안에 분산된 이색성 착색제도 수직 배열 방향을 채택하게 되고 따라서 수직방향으로 진행하는 색을 흡수할 수 없게 된다. 그러면 컬러필터는 편광되지 않은 색을 투과시킨다. 이 편광되지 않은 색 중 단 한 성분만 편광되며 따라서 원하는 색의 밝은 상태를 얻을 수 있게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 전기적으로 전환이 가능한 컬러필터를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 전환이 가능한 컬러필터(31)의 더욱 특정한 양태에서는 베이스 물질이 수직 배열된 액정(34b) 및 젤(34ab) 전반에 걸쳐 액정(34b)에 잠긴 교차결합 액정의 수직 배열된 중합체 네트워크(34a)를 포함하는 비등방성 젤(34ab)이고 이색성 착색제(34c)가 배열된 액정(34b)에 의해 배열되게 되는 픽셀들(32, 33) 또는 영역을 포함한다. 비등방성 젤은 그 자체로 당업계에 알려져 있으며 예를 들어 US 5188760이 알려져 있다. 젤은 등방성 착색제를 추가로 포함하나 명확성을 위해 도 3에서 생략되었다. 위에 정적 컬러필터에 적합한 것으로 묘사된 등방성 및 이색성 착색제는 전기적으로 전환될 수 있는 컬러필터에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 픽셀(33)에 나타난 바와 같이 이색성 착색제(34c), 네트워크(34a) 및 액정(34b)이 모두 수직 배열된다면, 컬러필터의 픽셀은 밝아보이게 되고 등방성 색조에서 선택적으로 투과된 색이 나타난다. 픽셀(32)에 나타난 바와 같이 적절한 전장을 가해준 순간 액정 분자(34b)는 평면 단일축 상태로 정돈되고 따라서 이색성 착색제(34c)도 마찬가지로 정돈되나 중합체 네트워크(34a)의 경우 그 수직 배열이 유지되어 컬러필터가 입사광을 산란시키는 효과를 가져온다. 수직 배열에서 이렇게 평면 단일축 상태로 전환시키기 위해서, 당업계에 알려진 바와 같은 네가티브 유전성 비등방성을 가지는 액정을 사용할 수 있다. 산란에 의해 비편광화가 일어나므로 결국 입사광의 편광 방향 둘 모두가 평면 단일축 배향 이색성 착색제(34c)에 의해 종국적으로 흡수되는 효과를 가지게 되어 어두운 상태가 된다. 본 실시양태의 전기적으로 전환이 가능한 컬러필터는 편광자가 필요 없다는 확실한 이점을 가지고 있으며 따라서 이러한 필터를 포함하는 표시장치를 얇고, 간단하며 튼튼하게 할 수 있다. 요약하면, 본 발명은 제 1 색, 예를 들어 적색, 제 2 색, 예를 들어 녹색 및 제 3 색, 예를 들어 청색을 각각 공급할 수 있게 해주는 제 1, 제 2 및 제 3 영역을 포함하는 선택성 컬러필터에 관련된다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 선택적으로 제 1, 제 2 또는 제 3 색을 투과시키는 등방성 착색제, 단일축 배열된 베이스 물질 및 단일축 배열된 베이스 물질에 의해 배열되는 이색성 착색제를 포함하는 영역은 등방성 착색제에 의해 선택적으로 투과된 색을 흡수한다. 정렬된 이색성 착색제는 컬러필터가 편광-선택적이 되게 한다. 컬러필터가 액정 표시장치에 사용될 때, 편광자는 없어도 되며 따라서 이러한 필터를 포함하는 표시장치를 얇고, 간단하며 튼튼하게 할 수 있으며, 만약 빼도 되는 편광자를 표시장치 셀 외부에 부착한다면 더욱 튼튼한 표시장치를 만들 수 있다. 넓게 보아, 컬러필터는 반드시 이 3가지 다른 류의 영역만을 포함하여야 하는 것은 아니고, 용도에 따라 다른 어떠한 수의 영역이라도 사용이 가능하다.

Claims (15)

  1. 서로 인접하게 위치된 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역을 포함하는 컬러필터로서,
    제 1 영역은 단일축으로 배열된 제 1 베이스 물질, 필터 입사광에 대해 제 1 색의 광을 선택적으로 투과시키도록 채용된 제 1 등방성 착색제, 및 제 1 베이스 물질과 단일축으로 배열되고 제 1 색의 광을 흡수하도록 채용된 제 1 이색성 착색제를 포함하고,
    제 2 영역은 단일축으로 배열된 제 2 베이스 물질, 필터 입사광에 대해 제 2 색의 광을 선택적으로 투과시키도록 채용된 제 2 등방성 착색제, 및 제 2 베이스 물질과 단일축으로 배열되고 제 2 색의 광을 흡수하도록 채용된 제 2 이색성 착색제를 포함하고,
    제 3 영역은 단일축으로 배열된 제 3 베이스 물질, 필터 입사광에 대해 제 3 색의 광을 선택적으로 투과시키도록 채용된 제 3 등방성 착색제, 및 제 3 베이스 물질과 단일축으로 배열되고 제 3 색의 광을 흡수하도록 채용된 제 3 이색성 착색제를 포함하는, 컬러필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    컬러필터가 백색광을 여과하는 필터이고 제 1 색, 제 2 색 및 제 3 색이 각각 적색, 녹색 및 청색인 컬러필터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    컬러필터가 백색광을 여과하는 필터이고 제 1 색, 제 2 색 및 제 3 색이 각각 청록색, 자홍색 및 노란색인 컬러필터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단일축으로 배열된 제 4 베이스 물질, 필터 입사광에 대해 제 4 색의 광을 선택적으로 투과시키도록 채용된 제 4 등방성 착색제, 및 제 4 베이스 물질과 단일축으로 배열되고 제 4 색의 광을 흡수하도록 채용된 제 4 이색성 착색제를 포함하는 컬러필터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 및/또는 제 2 및/또는 제 3 및/또는, 존재하는 경우, 제 4 베이스 물질이 하나의 동일한 물질인 컬러필터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중합체 베이스 물질을 함유하는 컬러필터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    등방성 및/또는 이색성 착색제가 염료 또는 안료인 컬러필터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이색성 착색제 및 베이스 물질이 영역 내의 등방성 착색제에 의해 선택적으로 투과된 광을 흡수하도록 채용된 하나의 단일축 배향된 이색성 베이스 물질로 결합되는 영역을 포함하는 컬러필터.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역이 각각 제 1 색, 제 2 색 및 제 3 색을 흡수할 수 있도록 채용된 통상의 이색성 착색제를 포함하는 컬러필터.
  10. 제 1 기재, 제 2 기재 및 제 1 기재와 제 2 기재 사이에 배치된 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따르는 컬러필터와 편광자의 조합을 포함하는 액정 표시장치 셀.
  11. 베이스 물질이 평면 단일축으로 배열되고 수직 배향으로 배열된 층이 컬러 필터의 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역에 각각 대향하여 배치된 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역을 포함하고,
    수직 배향으로 배열된 층의 제 1 영역은 수직 배향으로 배열된 제 1 베이스 물질 및 제 1 베이스 물질에 의해 수직 배향으로 배열된 제 1 이색성 착색제를 포함하고, 상기 제 1 이색성 착색제는 컬러필터의 제 1 영역의 제 1 이색성 착색제와 동일하며,
    수직 배향으로 배열된 층의 제 2 영역은 수직 배향으로 배열된 제 2 베이스 물질 및 제 2 베이스 물질에 의해 수직 배향으로 배열된 제 2 이색성 착색제를 포함하고, 상기 제 2 이색성 착색제는 컬러필터의 제 2 영역의 제 2 이색성 착색제와 동일하며,
    수직 배향으로 배열된 층의 제 3 영역은 수직 배향으로 배열된 제 3 베이스 물질 및 제 3 베이스 물질에 의해 수직 배향으로 배열된 제 3 이색성 착색제를 포함하고, 상기 제 3 이색성 착색제는 컬러필터의 제 3 영역의 제 3 이색성 착색제와 동일한, 제 1 항의 컬러필터의 조합체.
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    컬러필터가 전기적으로 스위칭될 수 있도록 해주는 액정 베이스 물질을 포함하는 컬러필터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    베이스 물질이 수직 배향으로 배열된 액정 및 수직 배향으로 배열된 젤 전반에 걸쳐서 침지된 가교 결합된 액정의 중합체 네트워크를 포함하는 비등방성 젤이고 이색성 착색제가 배열된 액정에 의해 수직 배향으로 배열된 영역을 포함하는 컬러필터.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서의 컬러필터를 포함하는 액정 표시장치.
  15. 단일축으로 배열된 베이스 물질, 필터 입사광에서 제 1 색의 광을 선택적으로 투과시키도록 채용된 등방성 착색제 및 베이스 물질에 의해 단일축으로 배열되고 제 1 색의 광을 흡수하도록 채용된 이색성 착색제를 포함하는 영역을 하나 이상 포함하는, 입사광 여과용 편광 선택성 컬러필터.
KR1020057006491A 2002-10-14 2003-09-26 컬러필터 및 이러한 컬러필터를 포함하는 액정 표시장치 KR20050071581A (ko)

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