KR20060009731A - 광변환 방법과, 이를 수행하기 위한 광학필름과, 이를갖는 표시장치 - Google Patents

광변환 방법과, 이를 수행하기 위한 광학필름과, 이를갖는 표시장치 Download PDF

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Abstract

편광 투과율을 증가시키기 위한 광변환 방법과, 이를 수행하기 위한 광학필름과, 이를 갖는 표시장치가 개시된다. 광학필름은 굴절률 이방성층, 굴절률 등방성층, λ/4 위상차층, λ/2 위상차층으로 이루어져, 액정패널의 적어도 일측에 배치된다. 굴절률 이방성층은 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제1 성분방향에서 제1 굴절률을, 광의 제2 성분방향에서 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖고, 굴절률 등방성층은 제1 굴절률을 갖는다. λ/4 위상차층은 굴절률 등방성층을 경유하는 제1 성분의 광과 제2 성분의 광의 위상을 1/4 파장 지연시켜 출사하고, λ/2 위상차층은 λ/4 위상차층의 일부 영역상에 형성되어, 제2 성분의 입사 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사한다.
굴절률, 이방성, 등방성, 위상차 필름, 편광 투과율

Description

광변환 방법과, 이를 수행하기 위한 광학필름과, 이를 갖는 표시장치{METHOD FOR TRANSFORMING LIGHT BEAM, OPTICAL FILM FOR PERFORMING THE SAME, AND DISPLAY DEVICE HAVING THE OPTICAL FILM}
도 1은 광 파장에 따른 굴절률 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 편광 투과율을 증가시킨 편광필름을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 편광필름에 의한 광로를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고편광 투과율을 위한 마이크로렌즈 방식의 편광필름을 개념적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고편광 투과율을 위한 플랫 코팅 방식의 편광필름을 개념적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 표시장치를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 표시장치를 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10a, 10b, 10c, 10d, 31 : 굴절률 이방성층
20a, 20b, 20c, 20d : 굴절률 등방성층
32 : 수직 볼륨 렌즈 34 : 수평 볼륨 렌즈
38 : λ/4 위상차필름 39 : λ/2 위상차필름
42, 52 : 편광층 44, 54 : 등방성 광로층
46, 56 : 편광 전이층 100, 800 : 어레이 기판
200, 700 : 컬러 필터 기판 300 : 액정층
410 : 하부 필름 어셈블리 420 : 상부 필름 어셈블리
본 발명은 표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 투과율을 높여 반사 효율을 높이기 위한 광변환 방법과, 이를 수행하기 위한 광학필름과, 이를 갖는 표시장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정표시장치는 액정패널의 하부의 배면광을 이용하여 화상을 표시하는 투과형 액정표시장치(Transmission type LCD)와, 액정패널의 상부의 자연광 또는 프론트광을 이용하는 반사형 액정표시장치(Reflection type LCD)와, 상기 투과형 액정표시장치와 반사형 액정표시장치의 장점을 결합한 반사-투과형 액정표시장치(Trans-Reflective type LCD)로 구분될 수 있다.
상기 반사형 액정표시장치 또는 반사-투과형 액정표시장치는 편광필름/컬러필터/반사판의 구조를 채용하기 때문에 대략 6∼8% 정도의 반사 효율을 갖는다.
이러한 반사 효율은 투과형 액정표시장치에 비하여 극히 낮은 관계로 휴대형 액정패널을 이용하는 제품의 경우 표시장치로서의 특성이 근본적으로 열화될 수밖 에 없는 현실이다. 즉, 편광필름은 대략 43%의 광 투과율을, 컬러필터는 대략 30%의 광 투과율을 가지기 때문에 현재의 구조에 있어서는 투과율을 근본적으로 향상시키기는 어렵다는 문제점이 있다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광 투과율을 높여 반사 효율을 높이기 위한 광변환 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 광변환 방법을 수행하기 위한 광학필름을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 반사율을 증가시켜 화질 특성을 높이기 위해 광학필름을 갖는 표시장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광변환 방법은, (a) 일측에서 광이 제공됨에 따라, 상기 광중 제1 성분의 광은 타측으로 제1 투과시키고, 제2 성분의 광의 일부는 일측으로 제1 반사하며, 상기 제2 성분의 광의 나머지는 타측으로 제2 투과시키는 단계; (b) 상기 제1 투과되는 광은 타측으로 제3 투과하고, 상기 제2 투과되는 광의 일부는 일측으로 제2 반사하며, 상기 제2 투과되는 광의 나머지는 타측으로 제4 투과시키는 단계; 및 (c) 상기 단계(a) 및 단계(b)를 2회 이상 수행하는 단계를 포함한다.
또한, 상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 일실시예 에 따른 광학필름은, 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제1 성분방향에서 제1 굴절률을, 광의 제2 성분방향에서 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 굴절률 이방성층; 상기 굴절률 이방성층을 통과한 광이 입사되며, 상기 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 굴절률 등방성층; 출사면에 형성되어, 상기 굴절률 등방성층을 경유하는 상기 제1 성분의 광과 제2 성분의 광의 위상을 각각 1/4 파장 지연시켜 출사하는 λ/4 위상차층; 및 상기 λ/4 위상차층의 일부 영역에 형성되어, 제2 성분의 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사하는 λ/2 위상차층을 포함한다.
또한, 상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 표시장치는, 제1 기판과, 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판과, 상기 제1 기판 및 제2 기판간에 형성된 액정층을 구비하고, 상기 액정층을 통과하는 광을 이용하여 영상을 표시하는 액정패널; 및 상기 액정패널의 적어도 일측에 배치되고, (ⅰ) 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제1 성분방향에서 제1 굴절률을, 광의 제2 성분방향에서 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 굴절률 이방성층과, (ⅱ) 상기 굴절률 이방성층을 통과한 광이 입사되며, 상기 굴절률 이방성층의 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 굴절률 등방성층과, (ⅲ) 출사면에 형성되어, 상기 굴절률 등방성층을 경유하는 상기 제1 성분의 광과 제2 성분의 광의 위상을 각각 1/4 파장 지연시켜 출사하는 λ/4 위상차층과, (ⅳ) 상기 λ/4 위상차층의 일부 영역상에 형성되어, 제2 성분의 입사 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사하는 λ/2 위상차층을 갖는 광학필름을 포함한다.
또한, 상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 표시장치는, 제1 기판과, 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판과, 상기 제1 기판 및 제2 기판간에 형성된 액정층을 구비하고, 상기 액정층을 통과하는 광을 이용하여 영상을 표시하는 액정패널; 상기 액정패널의 적어도 일측에 배치되며, (ⅰ) 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제1 성분방향에서 제1 굴절률을, 광의 제2 성분방향에서 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 굴절률 이방성층과, (ⅱ) 상기 굴절률 이방성층을 통과한 광이 입사되며, 상기 굴절률 이방성층의 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 굴절률 등방성층을 포함하는 광학필름; 광의 출사면에 형성되어, 상기 굴절률 등방성층을 경유하는 상기 제1 성분의 광과 제2 성분의 광의 위상을 각각 1/4 파장 지연시켜 출사하는 λ/4 위상차필름; 및 상기 λ/4 위상차필름의 일부 영역상에 형성되어, 제2 성분의 입사 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사하는 λ/2 위상차필름을 포함한다.
이러한 광변환 방법과, 이를 수행하기 위한 광학필름과, 이를 갖는 표시장치에 의하면, 액정층에 인가되는 외부광의 투과율을 가장 많이 저하시키는 편광필름의 광 투과율을 높이므로써, 반사형 액정표시장치 또는 반사-투과형 액정표시장치의 반사효율을 높일 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용 이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막) 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 번호를 붙였다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 관점에서 설명하였고, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 의미한다.
통상적으로 광이 어떤 매질에서 다른 매질로 진행할 때, 굴절률(Refraction Index)이 작으면 반사를 하고, 굴절률이 크면 진행 방향과 점차 동일한 방향으로 변환되어 투과율이 증가한다. 즉, 광의 진동 파장(λ)이 증가하면 일반적으로 굴절률(n)은 하기하는 수학식 1과 같이 감소하게 된다.
Figure 112004033217936-PAT00001
상기한 수학식 1에 의해 액정표시장치의 표시 품질에 영향을 미치는 가시광선 영역을 기준으로 굴절률(n)과 광 파장(λ)과의 관계를 도식화하면 도 1과 같다.
도 1은 광 파장에 따른 굴절률 변화를 나타낸 그래프이다. 설명의 편의를 위한 400 내지 700㎚ 의 파장 대역에 대해서만 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가시광선 영역에서 광 파장대가 증가할수록 곡선 A와 같이 굴절률은 감소하게 된다. 이를 다시 말하면 투과보다 반사를 많이 한다는 것으로 편광필름을 통과하는 광 투과율이 감소한다는 의미이다.
그러나, 편광필름에 편광이방성을 부여하여 장파장대의 광에 대하여 굴절률을 증가시킨다면 곡선 B, C와 같이 가시광선 영역에서 편광 투과율을 증가시킬 수 있다.
즉, 편광필름에 λ/2 위상차필름과 같은 편광 천이 성분을 함유하면 이론 변경값에 대한 곡선 C로 변경할 수 있고, 최종적으로 곡선 A 및 C의 벡터합인 곡선 B와 같은 형태로 굴절률 증가에 따른 편광 투과율을 높일 수 있다.
상술한 이론을 기반으로 편광 투과율을 최대화시키기 위한 편광필름의 구조적인 설계의 한 예는 하기하는 도 2와 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 편광 투과율을 증가시킨 편광필름을 나타낸 개략도이다. 특히, 고편광 투과율을 달성하기 위한 편광필름의 응용의 한 예이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 편광필름은 제1 굴절률 이방성층(10a), 제1 굴절률 등방성층(20a), 제2 굴절률 이방성층(10b), 제2 굴절률 등방성층(20b), 제3 굴절률 이방성층(10c), 제3 굴절률 등방성층(20c), 제4 굴절률 이방성층(10d) 및 제4 굴절률 등방성층(20d)을 포함하여, 순차적으로 적층된다. 도면상에서는 4개의 굴절률 이방성층이 개재된 것을 도시하였으나, 4개 미만도 가능하고, 4개 초과도 가능하다.
제1 굴절률 이방성층(10a)은 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제1 성분방향에서 제1 굴절률을, 광의 제2 성분방향에서 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 각각 갖는다. 상기 제1 성분방향을 수직편광으로, 그리고 상기 제2 성분방향을 수평편광으로 정의하면, 제1 굴절률 이방성층(10a)은 외부에서 광이 입사됨에 따라, 입사광 중 수직편광 성분의 광에 대해서는 굴절없이 그대로 제1 투과시켜 제1 굴절률 등방성층(20a)에 제공하고, 수평편광 성분의 광의 일부에 대해서는 입사측으로 제1 반사시키고, 상기 수평편광 성분의 광의 나머지에 대해서는 제2 굴절시켜 제1 굴절률 등방성층(20a)에 제공한다.
제1 굴절률 등방성층(20a)은 상기 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖고서, 상기 제1 굴절률 이방성층(10a)으로부터 제1 굴절된 광이 입사됨에 따라, 굴절없이 입사광을 바이패스시켜 제2 굴절률 이방성층(10b)에 제공한다. 상기 제1 굴절률 이방성층(10a)과 제1 굴절률 등방성층(20a)은 일종의 제1 편광층을 정의한다.
제2 굴절률 이방성층(10b)은 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제3 성분방향에서 제3 굴절률을, 광의 제4 성분방향에서 상기 제3 굴절률과 다른 제4 굴절률을 각각 갖고서, 입사광 중 수직편광 성분의 광에 대해서는 굴절없이 그대로 제3 투과시켜 제2 굴절률 등방성층(20b)에 제공하고, 수평편광 성분의 광의 일부에 대해서는 입사측으로 제2 반사시키며, 상기 수평편광 성분의 광의 나머지에 대해서는 제4 굴절시켜 제2 굴절률 등방성층(20b)에 제공한다.
제2 굴절률 등방성층(20b)은 상기 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖고서, 상기 제2 굴절률 이방성층(10b)으로부터 제1 굴절된 광이 입사됨에 따라, 굴절없이 입사광을 바이패스시켜 제3 굴절률 이방성층(10c)에 제공한다. 상기 제2 굴절률 이방성층(10b)과 제2 굴절률 등방성층(20b)은 일종의 제2 편광층을 정의한다.
제3 굴절률 이방성층(10c)은 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제5 성분방향에서 제5 굴절률을, 광의 제6 성분방향에서 상기 제5 굴절률과 다른 제6 굴절률을 각각 갖고서, 입사광 중 수직편광 성분의 광에 대해서는 굴절없이 그대로 제5 투과시켜 제3 굴절률 등방성층(20c)에 제공하고, 수평편광 성분의 광의 일부에 대해서는 입사측으로 제3 반사시키며, 상기 수평편광 성분의 광의 나머지에 대해서는 제6 굴절시켜 제3 굴절률 등방성층(20c)에 제공한다.
제3 굴절률 등방성층(20c)은 상기 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖고서, 상기 제3 굴절률 이방성층(10c)으로부터 제1 굴절된 광이 입사됨에 따라, 굴절없이 입사광을 바이패스시켜 제4 굴절률 이방성층(10d)에 제공한다. 상기 제3 굴절률 이방성층(10c)과 제3 굴절률 등방성층(20c)은 일종의 제3 편광층을 정의한다.
제4 굴절률 이방성층(10d)은 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제7 성분방향에서 제7 굴절률을, 광의 제8 성분방향에서 상기 제7 굴절률과 다른 제8 굴절률을 각각 갖고서, 입사광 중 수직편광 성분의 광에 대해서는 굴절없이 그대로 제7 투과시켜 제4 굴절률 등방성층(20d)에 제공하고, 수평편광 성분의 광의 일부에 대해서는 입사측으로 제4 반사시키며, 상기 수평편광 성분의 광의 나머지에 대해서는 제8 굴절시켜 제4 굴절률 등방성층(20d)에 제공한다.
제4 굴절률 등방성층(20d)은 상기 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖고서, 상기 제4 굴절률 이방성층(10d)으로부터 제1 굴절된 광이 입사됨에 따라, 굴절없이 입사광을 바이패스시켜 출사한다. 상기 제4 굴절률 이방성층(10d)과 제4 굴절률 등방성층(20d)은 일종의 제4 편광층을 정의한다.
상기 제1 편광층의 굴절률보다 상기 제2 편광층의 굴절률이 더 크고, 상기 제2 편광층의 굴절률보다 상기 제3 편광층의 굴절률이 더 크며, 상기 제3 편광층의 굴절률보다 상기 제4 편광층의 굴절률이 큰 것이 바람직하다.
이에 따라, 제1 편광층은 12시-6시 방향의 광축을 갖는 효과가 있고, 제2 편광층은 1시-7시 방향의 광축을 갖는 효과가 있으며, 제3 편광층은 2시-8시 방향의 광축을 갖는 효과가 있고, 제4 편광층은 3시-9시 방향의 광축을 갖는 효과가 있다. 즉, 편광 이방성에 대하여 수평편광되어 입사되는 외부 광에 대하여 서로 다른 굴절율을 갖도록 편광필름에 복수개의 굴절률 이방성층을 갖도록 설계하면, 편광 투과율을 최대한 높일 수 있다.
각 파장대에 맞는 굴절률 이방성층들과 굴절률 등방성층들을 복수개 설치하는 방식으로 구성되어 있다.
상기 복수개의 굴절률 등방성층들(20a, 20b, 20c, 20d)은 굴절률이 작은 SiO2, Al2O3, CaF2, BaF2, MgF2, AlN, BN와 같은 무기물 또는 굴절률이 작은 폴리머(polymer)로 이루어진다. 상기 복수개의 굴절률 이방성층들(10a, 10b, 10c, 10d)은 TiO2, MgO, ZnS, ZnSe, ZrO2, 크라이욜라이트(Cryolite)와 같은 무기물 또는 이색성(Dichroic type)의 매트릭스를 갖는 광 폴리머(photo polymer)로 이루어진다.
외부 광원중 편광성분에 대하여 파장 변화가 없는 수직 편광 성분(9)은 그대로 다층 구조의 굴절률 이방성층들이나 굴절률 등방성층들을 통과하여 위상차가 없는 초기의 상태와 동일한 상태를 유지하면서 통과한다.
그러나, 제1 굴절률 이방성층(10a)에 대하여 수평편광되는 초기의 입사광(8)의 경우, 편광 이방성을 갖는 편광필름을 통과할 경우 편광필름을 통과하지 못하고 반사한다. 이때 굴절률 이방성층들의 굴절률이 증가하는 방향으로 배치하면 결국 원편광 형태로 변환되어 상기 수직 편광 성분의 광(9)과 같은 형태로 변환되어 연속적으로 다층 편광층들을 통과하게 되어 편광 투과율을 높일 수 있게 된다.
따라서, 어떠한 방향으로 초기 광이 입사되어도 편광 투과율을 증가시키기 위해서는 광학적으로 편광 역할을 수행하는 굴절률 이방성층과 광학적으로 등방 역할을 수행하는 굴절율 등방성층을 다층으로 구성하므로써, 편광 투과율을 증가시킬 수 있다.
도면상에서 계면에 의해 반사되는 광은 상기 굴절률 이방성층과 굴절률 등방성층 표면에서 일정한 굴절률을 갖고서 반사되는 반사광으로서, 각각의 굴절률 이방성층들의 굴절률을 증가시키면 일반적인 투과광과 같은 형태로 광로를 변경시켜 편광 투과율을 증가시킬 수 있다.
그러면, 편광 투과율을 증가시키기 위한 편광필름의 광로 구조를 구체적으로 도시하면 하기하는 도 3과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 편광필름에 의한 광로를 나타낸 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 고편광 투과율을 갖는 편광필름(30)은 굴절률 등방성층(31)과, 상기 굴절률 등방성층(31)의 상부에 수직편광 동작을 수행하는 수직 볼륨 렌즈(32)와 수평편광 동작을 수행하는 수평 볼륨 렌즈(34)가 각각 위치하고, 상기 굴절률 등방성층(31)의 하부에 위상차 변화없이 입사광을 수평편광시 키는 λ/4 위상차필름(38)과, λ/2 위상차필름(39)으로 이루어진 위상차 변조부가 부착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 상기 굴절률 등방성층(31)은 수평 볼륨 렌즈(34)를 통과한 광이 충분히 집광될 수 있을 정도의 두께를 갖는다. 도면상에서 광축은 좌우방향이다.
상기 수직 볼륨 렌즈(32)는 광축(또는 편광축)에 대하여 수직으로 편광된 광만을 출사하고, 상기 수평 볼륨 렌즈(34)는 광축(또는 편광축)에 대하여 수평으로 편광된 광만을 출사한다. 상기 수평 볼륨 렌즈(34)는 공기에서의 굴절률 보다 큰 굴절률을 갖는 재질로 이루어진다. 따라서, 수평편광된 광은 일정한 굴절률에 의해 굴절되어 λ/2 위상차필름(39)에 집광된다.
상기한 구조로 이루어진 편광필름에 대한 광학적 경로에 대하여 설명하면 다음과 같다.
비편광 입사광(Non Polarized Incident Light)이 수직 볼륨 렌즈(32)에 입사되면, 상기 비편광 입사광은 위상 변화없이 그대로 λ/4 위상차필름(38)에 입사된다.
반면, 상기 비편광 입사광이 수평 볼륨 렌즈(34)에 입사되면, 상기 수평 볼륨 렌즈(34)는 공기의 굴절율보다 큰 굴절률의 물질로 이루어져 있기 때문에 상기 비편광입사광은 임의 각도로 굴절된다.
상기 수평 볼륨 렌즈(34)의 곡률 반경을 고려하면 초점 심도(Depth of Focus)에 따라 λ/2 위상차필름(39)에 집광됨과 동시에, 집광된 광은 위상차가 변화되어 결국에는 수직 볼륨 렌즈(32)를 통과한 광과 같은 위상으로 변조되어 결국 편광 투과도를 높일 수 있다.
이상에서는 고편광 투과율을 달성하기 위해 편광필름에 볼륨 렌즈를 채용하는 구조를 설명하였으나, 편광필름에 서로 다른 굴절율의 폴리머 재료를 코팅시켜 고편광 투과율을 달성할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고편광 투과율을 위한 마이크로렌즈 방식의 편광필름을 개념적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광필름(40)은 편광층(42), 등방성 광로층(44) 및 편광 전이층(46)을 포함하여, 고편광 투과율을 달성한다.
편광층(42)은 일정 굴절률을 갖는 볼륨 렌즈 형태로 이루어져, 입사광에서 평행 또는 수직 방향중 특정 편광축에 대하여 어느 한 방향의 광을 바이패스시키고, 나머지 방향의 광을 일정 각도로 집광시킨다. 예를들어, 상기 볼륨 렌즈는 입사광중 편광 방향과 일치하는 광은 바이패스시키고, 비편광된 광은 집광시킨다.
등방성 광로층(44)은 상기 편광층(42), 즉 상기 볼륨 렌즈 아래에 배치되어 입사되는 광에 위상차 변화없이 바이패스 출사한다.
편광 전이층(46)은 λ/4 위상차필름(47)과 λ/2 위상차필름(48)으로 이루어져, 편광층(42)에 의하여 집광된 비편광광의 위상차를 변경시켜 편광광으로 변환시켜 출사한다.
구체적으로, λ/4 위상차필름(47)은 출사면에 형성되어, 상기 굴절률 등방성층을 경유하는 광의 위상을 각각 1/4 파장 지연시켜 출사한다.
λ/2 위상차필름(48)은 스트라이프 형태로 일정 폭을 정의하면서 상기 λ/4 위상차필름(47)의 일부 영역에 형성되고, 제2 성분의 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사한다. 상기 λ/2 위상차필름(48)의 폭은 상부에 배치된 편광 필름의 굴절률에 따라 결정되거나, 렌즈 곡률 반경 등에 의해 결정되는 초점 심도(depth of focus)에 따라 결정된다.
도면상에서는 균일하게 형성된 λ/4 위상차층(47) 위에 일정 폭을 갖고서 일정 간격 이격된 λ/2 위상차층(48)들이 배치된 것을 도시하였으나, 상기 λ/4 위상차층(47)과 λ/2 위상차층(48)을 상층 및 하층에 각각 연속적으로 배치할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고편광 투과율을 위한 플랫 코팅 방식의 편광필름을 개념적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광필름(50)은 편광층(52), 등방성 광로층(54) 및 편광 전이층(56)을 포함하여, 고편광 투과율을 달성한다.
편광층(52)은 일정 굴절률을 갖는 플랫 형태로 이루어져, 입사광에서 평행 또는 수직 방향중 특정 편광축에 대하여 어느 한 방향의 광을 바이패스시키고, 나머지 방향의 광을 일정 각도로 집광시킨다.
등방성 광로층(54)은 편광층(52) 아래에 배치되어 입사되는 광에 위상차 변화없이 바이패스 출사한다.
편광 전이층(56)은 λ/4 위상차필름(57)과 λ/2 위상차필름(58)으로 이루어져, 편광층(52)에 의하여 집광된 비편광광의 위상차를 변경시켜 편광광으로 변환시 켜 출사한다.
구체적으로, λ/4 위상차필름(57)은 출사면에 형성되어, 상기 등방성 광로층(54)을 경유하는 광의 위상을 각각 1/4 파장 지연시켜 출사한다.
λ/2 위상차필름(58)은 스트라이프 형태로 일정 폭을 정의하면서 상기 λ/4 위상차필름(57)의 일부 영역에 형성되고, 제2 성분의 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사한다. 상기 λ/2 위상차필름(58)의 폭은 상부에 배치된 편광 필름의 굴절률에 따라 결정된다.
도면상에서는 균일하게 형성된 λ/4 위상차층(57) 위에 일정 폭을 갖고서 일정 간격 이격된 λ/2 위상차층(58)들이 배치된 것을 도시하였으나, 상기 λ/4 위상차층(57)과 λ/2 위상차층(58)을 상층 및 하층에 각각 연속적으로 배치할 수도 있다.
한편, 반사형 액정표시장치나 반사-투과형 액정표시장치에서는 외부로부터 입사되는 광의 반사 효율이 제품 특성상 중요하다. 상기한 반사효율을 높이기 위해 상기한 도 4 또는 도 5와 같은 구조의 편광층을 갖는 편광필름을 액정패널 상부에 부착하므로써, 편광 투과율을 향상시키는 표시 장치의 실시예들을 이하에서 설명한다.
<표시장치의 실시예-1>
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시장치를 나타낸 단면도이다. 특히, 고편광 투과율의 광학필름이 이중 셀갭의 반사-투과형 액정패널 위에 배치된 예를 도시한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사-투과형 액정표시장치는 어레이 기판(100), 컬러 필터 기판(200), 상기 어레이 기판(100)과 컬러 필터 기판(200)간에 형성된 액정층(300), 상기 어레이 기판(100) 아래에 배치된 하부 필름 어셈블리(410), 그리고 상기 컬러 필터 기판(200) 위에 배치된 상부 필름 어셈블리(420)를 포함한다.
상기 어레이 기판(100)은 투명 기판(105) 위에 형성된 게이트 전극(110), 상기 게이트 전극(110) 및 투명 기판(105) 위에 형성된 게이트 절연막(112), 반도체층(114), 오믹 콘택층(116), 소오스 전극(120) 및 드레인 전극(130)을 포함하는 스위칭 소자(TFT)와, 상기 스위칭 소자(TFT)를 덮고, 상기 드레인 전극(130)의 일부와 반사 영역에 대응하는 게이트 절연막(112)을 노출시키면서 후박하게 형성된 유기절연층(140)을 포함한다. 상기 유기절연층(140)을 형성하기 이전에 소오스 전극이나 소오스 배선, 드레인 전극과 같은 메탈 위에 패시베이션막을 더 형성할 수도 있다. 상기 유기절연층(140)의 표면에는 서로 다른 높이의 다수의 랜드(Land)와 그루브(Groove)를 형성하여 향후 형성되는 반사층(170)에 의한 반사 효율을 높인다.
또한, 상기 어레이 기판(100)은 상기 유기절연층(140)에 의해 노출된 게이트 절연막(112)을 커버하면서 드레인 전극(130)에 연결되는 화소 전극(160)과, 상기 화소 전극(160) 위에 형성된 반사층(170)을 포함한다. 상기 반사층(170)이 형성된 영역은 반사 영역으로 정의되고, 상기 반사층(170)이 미형성된 영역은 투과창으로 정의된다.
상기 화소 전극(160)은 광을 투과시키는 일종의 투과 전극으로서, 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide : ITO)이나 주석산화물(Tin Oxide : TO) 또는 인듐아연산화물(Indium Zinc Oxide : IZO)이 이용된다. 상기 어레이 기판(100)이 독립 배선 방식을 채용한다면 상기 화소 전극(160)을 형성하기 이전에 상기 스위칭 소자(TFT)로부터 일정 거리 이격되는 영역에 별도의 캐패시터 배선을 형성시켜 상기 캐패시터 배선과 화소 전극을 스토리지 캐패시터(Cst)로 정의한다. 도면상에서는 상기 반사층(170)이 화소 전극(160) 위에 형성되는 것을 도시하였으나, 그 중간에 층간 절연막을 형성하여 전기적으로 절연시킬 수도 있다.
한편, 상기 컬러 필터 기판(200)은 투명 기판(205) 위에 R, G, B 각각의 화소 영역을 정의하는 블랙 매트릭스층(210)과, 상기 블랙 매트릭스층(210)에 의해 정의되는 영역에 형성된 색화소층(220)과, 상기 블랙 매트릭스층(210)과 상기 색화소층(220)을 보호하기 위해 도포된 표면 보호층(230)과, 상기 표면 보호층(230)을 커버하는 공통전극층(240)을 포함한다. 물론, 상기한 블랙 매트릭스층(210)을 형성하지 않고도 인접하는 상기 색화소층(220)을 서로 오버랩시키는 방식을 통해 블랙 매트릭스 기능을 부여할 수도 있다.
다른 한편, 상기 액정층(300)은 상기 어레이 기판(100)과 상기 컬러 필터 기판(200)간에 형성되어, 상기 어레이 기판(100)의 화소 전극(150)에 인가되는 전원과 상기 컬러 필터 기판(200)의 공통전극층(미도시)에 인가되는 전원에 응답하여 상기 컬러 필터 기판(200)을 경유하는 프론트광을 투과시키거나, 상기 투과창(170)을 경유하는 배면광을 투과시킨다. 상기 프론트광은 컬러 필터 기판(200) 위에 배 치된 별도의 인공광일 수도 있고, 외부의 조명광이나 자연광일 수도 있다.
상기 액정층(300)은 상기 반사 영역중 상기 콘택홀(141)이 형성된 영역에 대응하는 액정층과, 상기 콘택홀(141)이 미형성된 영역에 대응하는 액정층과, 투과 영역에 대응하는 액정층으로 각각 구분할 수 있고, 구분되는 각각의 액정층은 서로 다른 셀갭을 갖는다. 여기서, 상기 콘택홀(141)이 형성된 영역에 대응하는 액정층의 셀갭을 d1로, 상기 콘택홀(141)이 미형성된 영역에 대응하는 액정층의 셀갭을 d2로 정의하고, 상기 투과창(170)에 대응하는 액정층의 셀갭을 d3으로 정의할 때, d2<d1≤d3의 조건을 만족한다.
특히, 상기 액정층(300)의 액정분자의 이방성 굴절률을 Δn으로 하고, 셀갭을 d로 할 때, 상기 반사 영역중 상기 콘택홀(141)이 형성된 영역에는 상기 유기절연층(140)이 미형성되므로 상기 액정층(300)은 Δnd1의 특성을 갖고, 상기 콘택홀(141)이 미형성된 영역에는 보다 큰 두께의 유기절연층(140)이 형성되므로 상기 액정층(300)은 Δnd2의 특성을 가지며, 상기 투과 영역에는 보다 작은 두께의 유기절연층(140)이 형성되므로 상기 투과 영역에 대응하는 액정층(300)은 Δnd3의 특성을 갖는다.
상기 반사 영역과 투과 영역에 대한 최적의 셀갭들은 상기 액정층(300)을 형성하는 액정 분자나 상기 액정층(300)의 상하 양측에 구비되는 광학필름의 조건에 따라 다르지만 상기 반사 영역에 대응하는 셀갭(d2)은 1.7㎛ 보다 작고, 상기 투과 영역에 대응하는 셀갭(d3)은 3.3㎛ 보다 작은 것이 바람직하다. 또한, 상기 액정층(300)에 구비되는 액정은 호모지니어스 배향 처리하여 액정 분자의 트위스트 각 (twist angle)을 0도로 설계하는 것이 바람직하다.
상기 트위스트 각을 0도로 설계하기 위해서는 상기 어레이 기판(100)에 구비되는 배향막(미도시)을 우측 방향으로 러빙 처리하고, 상기 컬러 필터 기판(200)에 구비되는 배향막(미도시)을 좌측 방향으로 러빙 처리한다.
이상에서는 상기 어레이 기판(100)에 상기 화소 전극(160)을, 상기 컬러 필터 기판(200)에 공통전극층(240)을 형성하여 상기 액정층(300) 양단간에 전원을 인가하는 방식을 설명하였으나, 상기 컬러 필터 기판(200)에 공통전극층을 형성하지 않는 경우에는 상기 어레이 기판의 동일 평면상에 서로 다른 전원을 인가하는 방식을 통해 상기 프론트광이나 배면광을 투과시킬 수도 있다.
하부 필름 어셈블리(410)는 어레이 기판(100) 아래에 배치된 하부 λ/4 위상차필름(412)과, 상기 하부 λ/4 위상차필름(412) 아래에 배치된 하부 편광필름(414)을 포함한다.
구체적으로, 하부 λ/4 위상차필름(412)은 하부 편광필름(414)으로부터 공급되는 상기 수평편광 성분의 광을 λ/4 위상 지연시킨 우원편광 성분의 광으로 변경시켜 하부 편광필름(414)에 출력하고, 하부 편광필름(414)으로부터 우원편광 성분의 광이 입사됨에 따라 λ/4 위상 지연시킨 수평편광 성분의 광으로 변경시켜 하부 편광필름(414)에 출력한다.
하부 편광필름(414)은 제1 광축을 갖고서, 하부로부터 제공되는 광중 상기 제1 광축에 평행한 광만을 하부 λ/4 위상차필름(412)에 제공하고, 하부 λ/4 위상차필름(412)을 통과한 광중 상기 광축에 평행한 광만을 통과시켜 하부에 출력한다. 예를들어, 상기 제1 광축이 수평 광축이라면, 하부 편광필름(414)은 하부로부터 공급되는 일반광에서 수평편광 성분의 광을 추출하여 하부 λ/4 위상차필름(412)에 출력하고, 하부 λ/4 위상차필름(412)으로부터 수평편광 성분의 광이 입사됨에 따라 투과시킨다.
상부 필름 어셈블리(420)는 컬러 필터 기판(200) 위에 배치된 상부 λ/4 위상차필름(422)과, 상기 상부 λ/4 위상차필름(422) 위에 배치된 상부 편광필름(424)을 포함한다.
구체적으로, 상부 λ/4 위상차필름(422)은 컬러 필터 기판(200)을 통과한 광의 위상을 λ/4 지연시켜 상부 편광필름(424)에 출력하고, 상부 편광필름(424)을 통과한 광의 위상을 λ/4 지연시켜 컬러 필터 기판(200)에 출력한다.
상부 편광필름(424)은 편광투과율을 가능한 한 증가시킨 구조로 이루어져, 외부로부터 제공되는 광의 손실을 저감시키면서 상부 λ/4 위상차필름(422)에 제공한다.
구체적으로, 상부 편광필름(424)은 입사광에서 평행 또는 수직 방향중 특정 편광축에 대하여 어느 한 방향의 광을 상부 λ/4 위상차필름(422)에 바이패스시키고, 나머지 방향의 광을 일정 각도로 집광시키는 편광층을 포함한다. 일례로 상기 편광층은 도 4에 도시한 바와 같이, 일정 굴절률을 갖는 볼륨 렌즈 형태로 이루어져, 입사광중 편광 방향과 일치하는 광은 바이패스시키고, 비편광된 광은 집광시킬 수 있다. 다른 예로 상기 편광층은 도 5에 도시한 바와 같이, 일정 굴절률을 갖는 플랫 형태로 이루어져, 입사광중 편광 방향과 일치하는 광은 바이패스시키고, 비편 광된 광은 집광시킬 수도 있다.
상부 편광필름(424)은 상기 편광층에 의하여 집광된 비편광광의 위상차를 변경시켜 편광광으로 변환시키는 1/4λ 위상차필름이나 1/2λ 위상차필름으로 이루어진 편광 전이층을 더 포함한다. 일례로 상기 1/4λ 위상차층과 1/2λ 위상차층은 상층 및 하층에 각각 연속적으로 배치될 수도 있다. 다른 예로 균일하게 형성된 1/4λ 위상차층 위에 1/2λ 위상차층들이 일정 폭을 갖고서 일정 간격 이격되어 배치될 수도 있다.
상부 편광필름(424)은 입사되는 광의 위상차를 변화시키지 않고 투과시키는 등방성 광로층을 더 포함하여 상기 편광층과 편광 전이층 사이에 초점 깊이를 조절한다.
상기한 본 발명의 일 실시예에서는 반사-투과형 액정 표시 장치에 고편광 투과율 특성을 갖는 편광필름을 채용하는 것을 설명하였으나, 반사형 액정 표시 장치나 투과형 액정 표시 장치에 상기한 편광필름을 채용할 수도 있다.
또한, 상기한 본 발명의 일 실시예에서는 고편광 투과율 특성을 갖는 편광필름을 컬러 필터 기판 위에 배치하여 액정패널에 입사되는 프론트광의 광량을 극대화하는 것을 도시하였으나, 어레이 기판 아래에 배치하여 액정패널에 입사되는 배면광의 광량을 극대화할 수도 있다.
<표시장치의 실시예-2>
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시장치를 나타낸 단면도로서, 특히 고편광 투과율의 광학필름이 COR(Color filter On Reflecter) 구조의 액정패널 위에 배치된 예를 도시한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정표시장치는 컬러 필터 기판(700), 어레이 기판(800), 컬러 필터 기판(700)과 어레이 기판(800)간에 형성된 액정층(300), 하부 필름 어셈블리(410) 및 상부 필름 어셈블리(420)를 포함한다. 상기 컬러 필터 기판(700)은 하부에 배치되고, 상기 어레이 기판(800)은 상부에 배치된다.
상기 컬러 필터 기판(700)은 투명 기판(705)의 반사 영역에 형성된 반사층(720)과, 상기 반사층(720)을 커버하면서 R, G, B 각각의 화소 영역에 형성된 색화소층(730)과, 상기 색화소층(730)을 보호하기 위해 도포된 표면 보호층(740)과, 표면 보호층(740)을 커버하는 공통전극층(750)을 포함한다. 상기 반사층(720)의 표면에는 반사 효율을 높이기 위해 다수의 랜드와 그루브를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 반사층(720)이 형성된 영역은 반사 영역으로 정의되고, 상기 반사층(720)이 미형성된 영역은 투과창으로 정의된다.
한편, 상기 어레이 기판(800)은 투명 기판(805) 아래에 형성된 게이트 전극(810), 상기 게이트 전극(810) 및 투명 기판(805) 아래에 형성된 게이트 절연막(812), 반도체층(814), 오믹 콘택층(816), 소오스 전극(820) 및 드레인 전극(830)을 포함하는 스위칭 소자(TFT)와, 상기 스위칭 소자(TFT)를 덮고, 상기 드레인 전극(130)의 일부와 반사 영역에 대응하는 게이트 절연막(112)을 노출시키면서 후박하게 형성된 유기절연층(840)을 포함한다.
또한, 상기 어레이 기판(800)은 상기 유기절연층(840)에 의해 노출된 게이트 절연막(812)을 커버하면서 드레인 전극(830)에 연결되는 화소 전극(850)을 포함한다.
상기 화소 전극(850)은 광을 투과시키는 일종의 투과 전극으로서, 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide : ITO)이나 주석산화물(Tin Oxide : TO) 또는 인듐아연산화물(Indium Zinc Oxide : IZO)이 이용된다. 도시하지는 않았지만, 상기 화소 전극(850)을 형성하기 이전에 상기 스위칭 소자(TFT)로부터 일정 거리 이격되는 영역에 별도의 캐패시터 배선을 형성시켜 상기 캐패시터 배선과 화소 전극을 스토리지 캐패시터(Cst)로 정의한다.
다른 한편, 상기 액정층(300)은 상기 컬러 필터 기판(700)과 상기 어레이 기판(800)간에 형성되어, 상기 컬러 필터 기판(700)의 공통전극층(750)에 인가되는 전원과 상기 어레이 기판(800)의 화소 전극(850)에 인가되는 전원에 응답하여 상기 어레이 기판(800)을 경유하는 프론트광 또는 자연광을 투과시키거나, 상기 컬러 필터 기판(700)의 투과창을 경유하는 배면광을 투과시킨다.
상기 액정층(300)은 반사 영역중 상기 콘택홀(841)이 형성된 영역에 대응하는 액정층과, 상기 콘택홀(841)이 미형성된 영역에 대응하는 액정층과, 투과 영역에 대응하는 액정층으로 각각 구분할 수 있고, 구분되는 각각의 액정층은 서로 다른 셀갭을 갖는다. 여기서, 상기 콘택홀(841)이 형성된 영역에 대응하는 액정층의 셀갭을 d1로, 상기 콘택홀(841)이 미형성된 영역에 대응하는 액정층의 셀갭을 d2로 정의하고, 상기 투과창에 대응하는 액정층의 셀갭을 d3으로 정의할 때, d2<d1≤d3 의 조건을 만족한다.
특히, 상기 액정층(300)을 구성하는 액정분자의 이방성 굴절률을 Δn으로 하고, 셀갭을 d로 할 때, 상기 반사 영역중 상기 콘택홀(841)이 형성된 영역에는 상기 유기절연층(840)이 미형성되므로 액정층(300)은 Δnd1의 특성을 갖고, 상기 콘택홀(841)이 미형성된 영역에는 보다 큰 두께의 유기절연층(840)이 형성되므로 상기 액정층(300)은 Δnd2의 특성을 갖고, 상기 투과 영역에는 반사 영역에 대응하는 표면 보호층(740) 보다 낮은 단차의 표면 보호층(740)이 형성되므로 상기 투과 영역에 대응하는 액정층(300)은 Δnd3의 특성을 갖는다.
상기 반사 영역과 투과 영역에 대한 최적의 셀갭들은 상기 액정층(300)을 형성하는 액정 분자나 상기 액정층(300)의 상하 양측에 구비되는 광학필름의 조건에 따라 다르지만 상기 반사 영역에 대응하는 셀갭(d2)은 1.7㎛ 보다 작고, 상기 투과 영역에 대응하는 셀갭(d3)은 3.3㎛ 보다 작은 것이 바람직하다.
이상에서는 상기 어레이 기판(800)에 상기 화소 전극(850)을, 상기 컬러 필터 기판(700)에 공통전극층(750)을 형성하여 상기 액정층(300) 양단간에 전원을 인가하는 방식을 설명하였으나, 상기 컬러 필터 기판(700)에 공통전극층을 형성하지 않는 경우에는 상기 어레이 기판(800)의 동일 평면상에 서로 다른 전원을 인가하는 방식을 통해 상기 프론트광이나 배면광을 투과시킬 수도 있다.
하부 필름 어셈블리(410)는 컬러 필터 기판(700) 아래에 배치된 하부 λ/4 위상차필름(412)과, 상기 하부 λ/4 위상차필름(412) 아래에 배치된 하부 편광필름(414)을 포함한다.
구체적으로, 하부 λ/4 위상차필름(412)은 하부 편광필름(414)으로부터 공급되는 상기 수평편광 성분의 광을 λ/4 위상 지연시킨 우원편광 성분의 광으로 변경시켜 하부 편광필름(414)에 출력하고, 하부 편광필름(414)으로부터 우원편광 성분의 광이 입사됨에 따라 λ/4 위상 지연시킨 수평편광 성분의 광으로 변경시켜 하부 편광필름(414)에 출력한다.
하부 편광필름(414)은 제1 광축을 갖고서, 하부로부터 제공되는 광중 상기 제1 광축에 평행한 광만을 하부 λ/4 위상차필름(412)에 제공하고, 하부 λ/4 위상차필름(412)을 통과한 광중 상기 광축에 평행한 광만을 통과시켜 하부에 출력한다. 예를들어, 상기 제1 광축이 수평 광축이라면, 하부 편광필름(414)은 하부로부터 공급되는 일반광에서 수평편광 성분의 광을 추출하여 하부 λ/4 위상차필름(412)에 출력하고, 하부 λ/4 위상차필름(412)으로부터 수평편광 성분의 광이 입사됨에 따라 투과시킨다.
상부 필름 어셈블리(420)는 어레이 기판(800) 위에 배치된 상부 λ/4 위상차필름(422)과, 상기 상부 λ/4 위상차필름(422) 위에 배치된 상부 편광필름(424)을 포함한다.
구체적으로, 상부 λ/4 위상차필름(422)은 어레이 기판(800)을 통과한 광의 위상을 λ/4 지연시켜 상부 편광필름(424)에 출력하고, 상부 편광필름(424)을 통과한 광의 위상을 λ/4 지연시켜 어레이 기판(800)에 출력한다.
상부 편광필름(424)은 편광투과율을 가능한 한 증가시킨 구조로 이루어져, 외부로부터 제공되는 광의 손실을 저감시키면서 상부 λ/4 위상차필름(422)에 제공 한다.
구체적으로, 상부 편광필름(424)은 입사광에서 평행 또는 수직 방향중 특정 편광축에 대하여 어느 한 방향의 광을 상부 λ/4 위상차필름(422)에 바이패스시키고, 나머지 방향의 광을 일정 각도로 집광시키는 편광층을 포함한다. 일례로 상기 편광층은 도 4에 도시한 바와 같이, 일정 굴절률을 갖는 볼륨 렌즈 형태로 이루어져, 입사광중 편광 방향과 일치하는 광은 바이패스시키고, 비편광된 광은 집광시킬 수 있다. 다른 예로 상기 편광층은 도 5에 도시한 바와 같이, 일정 굴절률을 갖는 플랫 형태로 이루어져, 입사광중 편광 방향과 일치하는 광은 바이패스시키고, 비편광된 광은 집광시킬 수도 있다.
상부 편광필름(424)은 상기 편광층에 의하여 집광된 비편광광의 위상차를 변경시켜 편광광으로 변환시키는 1/4λ 위상차필름이나 1/2λ 위상차필름으로 이루어진 편광 전이층을 더 포함한다. 일례로 상기 1/4λ 위상차층과 1/2λ 위상차층은 상층 및 하층에 각각 연속적으로 배치될 수도 있다. 다른 예로 균일하게 형성된 1/4λ 위상차층 위에 1/2λ 위상차층들이 일정 폭을 갖고서 일정 간격 이격되어 배치될 수도 있다.
상부 편광필름(424)은 입사되는 광의 위상차를 변화시키지 않고 투과시키는 등방성 광로층을 더 포함하여 상기 편광층과 편광 전이층 사이에 초점 깊이를 조절한다.
상기한 본 발명의 다른 실시예에서는 반사-투과형 액정 표시 장치에 고편광 투과율 특성을 갖는 편광필름을 채용하는 것을 설명하였으나, 반사형 액정 표시 장 치나 투과형 액정 표시 장치에 상기한 편광필름을 채용할 수도 있다.
또한, 상기한 본 발명의 다른 실시예에서는 고편광 투과율 특성을 갖는 편광필름을 컬러 필터 기판 위에 배치하여 액정패널에 입사되는 프론트광의 광량을 극대화하는 것을 도시하였으나, 어레이 기판 아래에 배치하여 액정패널에 입사되는 배면광의 광량을 극대화할 수도 있다.
이상에서는 실시예들 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 입사광에서 평행 또는 수직 방향중 특정 편광축에 대하여 어느 한 방향의 광을 바이패스시키고, 나머지 방향의 광을 일정 각도로 집광시키는 편광층과, 상기 편광층에 의하여 집광된 비편광광의 위상차를 변경시켜 편광광으로 변환시키는 편광 전이층과, 상기 편광층과 편광 전이층 사이에 초점 깊이를 조절하기 위하여 위상차 변화가 없는 등방성 광로층을 이용하여 편광필름을 구현하였다. 상기한 편광필름을 액정패널의 일측에 배치하므로써, 상기 액정패널에 입사되는 광량을 극대화할 수 있다.

Claims (38)

  1. (a) 일측에서 광이 제공됨에 따라, 상기 광중 제1 성분의 광은 타측으로 제1 투과시키고, 제2 성분의 광의 일부는 일측으로 제1 반사하며, 상기 제2 성분의 광의 나머지는 타측으로 제2 투과시키는 단계;
    (b) 상기 제1 투과되는 광은 타측으로 제3 투과하고, 상기 제2 투과되는 광의 일부는 일측으로 제2 반사하며, 상기 제2 투과되는 광의 나머지는 타측으로 제4 투과시키는 단계; 및
    (c) 상기 단계(a) 및 단계(b)를 2회 이상 수행하는 단계를 포함하는 광변환 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 성분과 제2 성분은 서로 직교하는 선형 편광 성분인 것을 특징으로 하는 광변환 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 성분의 광의 나머지는 타측으로 굴절되면서 제2 투과되는 것을 특징으로 하는 광변환 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 투과되는 광의 나머지는 타측으로 굴절되면서 제4 투과되는 것을 특징으로 하는 광변환 방법.
  5. 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제1 성분방향에서 제1 굴절률을, 광의 제2 성분방향에서 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 굴절률 이방성층;
    상기 굴절률 이방성층을 통과한 광이 입사되며, 상기 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 굴절률 등방성층;
    출사면에 형성되어, 상기 굴절률 등방성층을 경유하는 상기 제1 성분의 광과 제2 성분의 광의 위상을 각각 1/4 파장 지연시켜 출사하는 λ/4 위상차층; 및
    상기 λ/4 위상차층의 일부 영역에 형성되어, 제2 성분의 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사하는 λ/2 위상차층을 포함하는 광학필름.
  6. 제5항에 있어서, 상기 굴절률 이방성층은 입사광 중 수직편광 선분의 광에 대해서는 굴절없이 그대로 제1 투과시켜 상기 굴절률 등방성층에 제공하고, 상기 입사광중 수평편광 성분의 광의 일부에 대해서는 입사측에 제1 반사시키고, 상기 수평편광 성분의 광의 나머지에 대해서는 제2 굴절시켜 상기 굴절률 등방성층에 제공하는 것을 특징으로 하는 광학필름.
  7. 제5항에 있어서, 상기 굴절률 등방성층은 상기 제1 굴절률 이방성층에서 제1 굴절된 광이 입사됨에 따라, 굴절없이 입사광을 바이패스 출사하는 것을 특징으로 하는 광학필름.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 성분의 광과 제2 성분의 광은 서로 직교하는 선형 편광 성분이고,
    상기 제1 성분의 광은 굴절없이 그대로 투과시키고, 상기 제2 성분의 광은 반사, 굴절 및 투과시키는 것을 특징으로 하는 광학필름.
  9. 제5항에 있어서, 상기 굴절률 이방성층은 복수개의 제1 렌즈 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 광학필름.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 렌즈 패턴은 상기 굴절률 이방성층과 굴절율 등방성층에서 발생하는 제2 성분 광의 굴절과 함께 제2 성분의 광을 상기 λ/2 위상차층에 집광시키는 렌즈 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학필름.
  11. 제9항에 있어서, 상기 굴절률 등방성층은 복수개의 제2 렌즈 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 광학필름.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 렌즈 패턴은 상기 굴절률 이방성층과 굴절율 등방성층에서 발생하는 제2 성분 광의 굴절과 함께 제2 성분의 광을 상기 λ/2 위상차층에 집광시키는 렌즈 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학필름.
  13. 제5항에 있어서, 상기 굴절률 이방성층과 서로 다른 굴절률 등방성층은 서로 반복해서 존재하고,
    상기 광의 제1 방향으로의 굴절률은 각각의 굴절률 이방성층과 굴절률 등방성층에서 동일하고,
    상기 광의 제2 방향으로의 굴절률은 각각의 굴절률 이방성층에서 서로 다른 굴절율인 것을 특징으로 하는 광학필름.
  14. 제13항에 있어서, 상기 광의 제2 방향으로의 굴절률들은 외부에서 입사되는 광의 진행 방향에 따라 순차적으로 증가하는 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학필름.
  15. 제13항에 있어서, 상기 광의 제2 방향으로의 굴절률들은 외부에서 입사되는 광의 진행 방향에 따라 순차적으로 감소하는 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학필름.
  16. 제1 기판과, 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판과, 상기 제1 기판 및 제2 기판간에 형성된 액정층을 구비하고, 상기 액정층을 통과하는 광을 이용하여 영상을 표시하는 액정패널; 및
    상기 액정패널의 적어도 일측에 배치되고,
    (ⅰ) 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제1 성분방향에서 제1 굴절률을, 광의 제2 성분방향에서 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 굴절률 이방성층과,
    (ⅱ) 상기 굴절률 이방성층을 통과한 광이 입사되며, 상기 굴절률 이방성층의 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 굴절률 등방성층과,
    (ⅲ) 출사면에 형성되어, 상기 굴절률 등방성층을 경유하는 상기 제1 성분의 광과 제2 성분의 광의 위상을 각각 1/4 파장 지연시켜 출사하는 λ/4 위상차층과,
    (ⅳ) 상기 λ/4 위상차층의 일부 영역상에 형성되어, 제2 성분의 입사 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사하는 λ/2 위상차층을 갖는 광학필름을 포함하는 표시장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 굴절율 이방성층은 복수개의 제1 렌즈 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 굴절율 등방성층은 복수개의 제2 렌즈 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 굴절률 이방성층과 서로 굴절률 등방성층은 서로 반복해서 존재하고,
    상기 광의 제1 방향으로의 굴절률은 각각의 굴절률 이방성층과 굴절률 등방 성층에서 동일하고,
    상기 광의 제2 방향으로의 굴절률은 각각의 굴절률 이방성층에서 서로 다른 굴절률인 것을 특징으로 하는 표시장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 광학필름이 상기 액정패널의 일측에 존재하는 경우, 상기 액정패널의 타측에만 편광필름을 더 포함하는 표시장치.
  21. 제16항에 있어서, 상기 광학필름과 상기 액정패널 사이에 1/2 위상차필름을 더 포함하는 표시장치.
  22. 제16항에 있어서, 상기 제1 기판은 반사 영역과 투과 영역을 구비하고,
    상기 반사 영역에는 제1 성분의 광으로부터 위상 지연된 광 및 제2 성분의 광의 일부로부터 위상 지연된 광이 입사되는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  23. 제16항에 있어서, 상기 제1 기판은 반사 영역과 투과 영역을 구비하고,
    상기 투과 영역에는 제1 성분의 광으로부터 위상 지연된 광 및 제2 성분의 광의 일부로부터 위상 지연된 광이 입사되는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  24. 제1 기판과, 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판과, 상기 제1 기판 및 제2 기판간에 형성된 액정층을 구비하고, 상기 액정층을 통과하는 광을 이용하여 영상 을 표시하는 액정패널;
    상기 액정패널의 적어도 일측에 배치되며, (ⅰ) 광의 진행방향에 수직하는 방향으로 광의 제1 성분방향에서 제1 굴절률을, 광의 제2 성분방향에서 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 굴절률 이방성층과, (ⅱ) 상기 굴절률 이방성층을 통과한 광이 입사되며, 상기 굴절률 이방성층의 제1 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 굴절률 등방성층을 포함하는 광학필름;
    광의 출사면에 형성되어, 상기 굴절률 등방성층을 경유하는 상기 제1 성분의 광과 제2 성분의 광의 위상을 각각 1/4 파장 지연시켜 출사하는 λ/4 위상차필름; 및
    상기 λ/4 위상차필름의 일부 영역상에 형성되어, 제2 성분의 입사 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사하는 λ/2 위상차필름을 포함하는 표시장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 광학필름과 상기 액정패널 사이에 1/2 위상차필름을 더 포함하는 표시장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 광학필름은 출사면에 형성되어, 상기 굴절률 등방성층을 경유하는 상기 제1 성분의 광과 제2 성분의 광의 위상을 각각 1/4 파장 지연시켜 출사하는 λ/4 위상차층을 더 포함하는 표시장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 광학필름은 상기 λ/4 위상차층의 일부 영역상에 형성되어, 제2 성분의 입사 광 일부로부터 1/4 파장 지연된 광 대부분을 1/2 파장 지연시켜 출사하는 λ/2 위상차층을 더 포함하는 표시장치.
  28. 제24항에 있어서, 상기 제1 기판은 화소 영역에 형성된 박막 트랜지스터를 갖는 어레이 기판이고, 상기 제2 기판은 상기 화소 영역에 형성된 색화소층을 갖는 컬러 필터 기판이며,
    상기 액정층은 상기 화소 영역에서 서로 다른 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 화소 영역은 반사 영역과 투과 영역으로 구획되고, 상기 투과 영역에 대응하는 액정층의 두께는 상기 반사 영역에 대응하는 액정층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 표시장치.
  30. 제28항에 있어서, 상기 어레이 기판은 상기 액정층 아래에 배치되어 상기 액정패널 아래에서 제공되는 배면광을 상기 액정층에 제공하고,
    상기 컬러 필터 기판은 상기 액정층 위에 배치되어 외부에서 제공되는 프론트광을 상기 액정층에 제공하며, 상기 액정층을 경유하는 배면광 또는 반사된 프론트광을 출사하는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  31. 제28항에 있어서, 상기 컬러 필터 기판은 상기 액정층 아래에 배치되어 상기 액정패널 아래에서 제공되는 배면광을 상기 액정층에 제공하고,
    상기 어레이 기판은 상기 액정층 위에 배치되어 외부에서 제공되는 프론트광을 상기 액정층에 제공하며, 상기 액정층을 경유하는 배면광 또는 반사된 프론트광을 출사하는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  32. 제24항에 있어서, 상기 광학필름은,
    입사광에서 평행 또는 수직 방향중 특정 편광축에 대하여 어느 한 방향의 광을 바이패스시키고, 나머지 방향의 광을 일정 각도로 집광시키는 편광층;
    상기 편광층에 의해 집광된 비편광광의 위상차를 변경시켜 편광광으로 변환시키는 편광 전이층; 및
    초점 깊이를 조절하기 위해 상기 편광층과 편광 전이층 사이에 개재된 등방성 광로층을 포함하는 표시장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 편광층은 일정 굴절률을 갖는 볼륨 렌즈 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  34. 제32항에 있어서, 상기 편광층은 일정 굴절률을 갖는 플랫 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  35. 제32항에 있어서, 상기 편광 전이층은 연속적으로 형성된 1/4λ 위상차층과 상기 1/4λ 위상차층 위에 연속적으로 형성된 1/2λ 위상차층을 포함하는 표시장치.
  36. 제32항에 있어서, 상기 편광 전이층은 균일하게 형성된 1/4λ 위상차층과, 상기 1/4λ 위상차층 위에 일정 폭을 갖고서 단속적으로 형성된 1/2λ 위상차층을 포함하는 표시장치.
  37. 제32항에 있어서, 상기 편광 전이층은 TiO2, MgO, ZnS, ZnSe, ZrO2, 크라이욜라이트(Cryolite)와 같은 무기물 또는 이색성(Dichroic type)의 매트릭스를 갖는 광 폴리머(photo polymer) 중 어느 하나에서 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  38. 제32항에 있어서, 상기 등방성 광로층은 SiO2, Al2O3, CaF2, BaF2, MgF2, AlN, BN와 같은 무기물 또는 폴리머 중 어느 하나에서 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표시장치.
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