KR20060010812A - 반투과형 액정 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20060010812A
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샌더 제이 루센달
레오 엠 위젤스
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 디스플레이의 반사부(12) 및 투과부(13)를 규정하는 수단을 포함하는 상부 제 1 기판(2) 및 하부 제 2 기판(3)을 포함하는 반투과형 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다. 액정층(4)이 제 1 기판(2)과 제 2 기판(3) 사이에 배치된다. 반사부(12)를 위해, 디스플레이 장치로 들어오는 주변 광을 반사하기 위한 상기 반사층(5)이 제공된다. 반투과형 LCD 장치는 액정층(4)과 반사층(5) 사이에 배치되는, 적어도 반사부(12)를 위한 인-셀(in-cell) 지연층(7)을 더 포함한다. 바람직하게는 인-셀 지연층(7)은 또한 투과부(13) 위로 연장된다. 인-셀 지연층(7)을 포함함으로써, 고 반사율, 고 투과율 및 디스플레이의 반사부(12) 및 투과부(13) 모두에 대해 양호한 콘트라스트 비를 갖는 반투과 액정 모드를 달성할 수 있다.

Description

반투과형 액정 디스플레이 장치{TRANSFLECTIVE LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
본 발명은 액정 디스플레이 장치에 관한 것으로, 특히 반투과형 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다.
반투과형 액정 디스플레이, 특히 반투과형 컬러 액티브 매트릭스 액정 디스플레이(AM-LCD)는 현재 이동식 핸드헬드 애플리케이션에 일반적으로 사용된다. 이러한 디스플레이 장치는 소비 전력 비교적 낮고및 스크린 성능이 양호하므로 선호되고 있다. 반투과 액정 디스플레이는 디스플레이 뒷면에 배치된 백라이트로부터의 광을 사용하는 투과 모드 및 주변 광을 사용하는 반사 모드에서 작동하는 디스플레이이다. 따라서, 반투과 디스플레이는 밝은 상태 및 어두운 상태 모두에서 우수한 판독성을 갖는다.
특히, 이러한 반투과형 LCD 장치의 픽셀은 반사 모드에서 작동하는 반사 서브 픽셀과, 투과 모드에서 작동하는 투과 서브 픽셀을 포함한다.
그러나, 반투과형 AM-LCD에서는, 반사 및 투과 서브 픽셀의 광학 성능 사이 에서 흔히 절충이 이루어진다. 반면에, 만약 반사 및 투과 모드의 광학 성능이 별도로 조정되면, 이 장치는 흔히 제조하기가 어렵게 될 것이다. 반투과형 AM-LCD의 다른 문제점은 구동 전압이 상당히 높다는 것으로, 보다 낮은 구동 전압을 이용하는 디스플레이가 요구된다.
이러한 문제를 해결하기 위한 노력이 기울여져 왔다. 그 일례가 도 1a 및 1b에 나타나 있다. 이 장치는 제 1 및 제 2 기판(21, 22)을 포함하고, 이들 기판 사이에 액정 재료층(23)을 포함하며, 이들 구성요소들이 함께 액정 셀(24)을 형성한다. 픽셀은 투과부(25) 및 반사부(26)로 분할된다. 또한, 반사기가 픽셀의 일부에만 존재하여 투과부와 반사부(25, 26)를 규정하도록, 패터닝된 반사층(27)이 제 2 기판과 액정층 사이에 배치된다. 반사층(27)은 시차(parallax)를 회피하도록 셀(24) 내에 배치되고, 이러한 이유로 지연 포일(28)이 셀의 뷰잉면 상에 외부 포일로서 도포되어야 한다. 또한, 이 장치는 전면 분광기(29), 후면 편광기(30), 후면 지연 포일(31) 및 백라이트(32)를 포함한다. 어두운 상태 및 밝은 상태에서의 반투과형 픽셀의 광학 연출이 도 2 및 도 3에 각각 도시되어 있다.
디스플레이 장치의 광학 성능은 편광기(30) 및 분광기(29)의 배향, 반사형 서브 픽셀의 셀 갭(D1), 투과형 서브 픽셀의 셀 갭(D2), 액정층(23)의 트위스트 각 및 셀(여기서는 28, 31)의 양 면 상의 지연층의 수, 이들 각각의 배향 및 지연과 같은 셀 파라미터에 달려 있다.
이들 셀 파라미터를 사용함으로써, 반사율, 투과율, 콘트라스트 비(반사 및 투과), 구동 전압(반사 및 투과형 서브 픽셀에 대해 동일한 전압, 가능한 한 낮은 전압), 모든 그레이 스케일의 색도(chromaticity) 및 시야각과 관련된 성능 파라미터를 최적화하는 것이 가능하다.
그러나, 종래 기술의 디스플레이에 의하면, 전술한 셀 파라미터를 변화시킴으로써 동시에 모든 성능 파라미터를 완벽하게 최적화시키는 것이 불가능한 것으로 밝혀졌다.
국제특허출원 WO 2003/019276에서 제안된 한가지 해결책은 반사 및 투과 서브 픽셀 각각에 대해 상이한 지연 값 및 지연제 방향의 사용을 가능하게 하기 위해, 전면(뷰어측) 지연층을 패터닝하는 것이다. 그러나, 이 해결책은 상기 지연층을 패터닝하는 제조 단계를 추가하고 있다.
다른 해결책으로 투과 및 반사 서브 픽셀에 대해 상이한 트위스트 각을 사용하는 것이 제안되었지만, 이 해결책은 몇몇 제조상에 어려움이 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 최적화를 달성하면서 이상의 문제점들을 극복하는 더욱 개선된 디스플레이 장치가 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래기술과 관련된 사익 문제점들을 극복하면서, 비용 효율적인 방식으로 개선된 성능을 가능하게 하는 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다.
상기 및 다른 목적은 적어도 부분적으로는, 반투과형 액정 디스플레이 장치에 있어서, 디스플레이의 반사부 및 투과부를 규정하는 수단을 포함하는 상부 제 1 기판 및 하부 제 2 기판과, 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 액정층을 포함하고, 상기 수단은 상기 디스플레이 장치로 들어오는 주변 광을 반사하기 위한 반사부용 반사층을 포함하고, 반사층은 액정층과 제 2 기판 사이에 배치되며, 반투과형 액정 디스플레이 장치는, 또한 디스플레이의 반사부 상으로 연장되며 액정층과 반사층 사이에 배치되는 인-셀(in-cell) 지연층을 포함하는 반투과형 액정 디스플레이 장치에 의해 달성된다.
'인-셀 지연층'은 외부에 형성되어 액정 셀 외부의 기판들 중 하나에 부착되는 종래의 지연층과는 반대로, 액정 셀 내부, 즉 기판들 사이에 배치되는 지연층으로서 해석되어야 한다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 따르면 인-셀 지연층은 반사층의 최상부에 배치되는데, 바람직하게는 그 최상부에 직접 배치된다.
인-셀 지연층을 포함함으로써, 고 반사율, 고 투과율 및 동시에 양호한 콘트라스트 비를 갖는 반투과 액정 모드를 달성할 수 있다. 셀 내부에 지연층을 포함함으로써, 새로운 광학 모드를 설계하는 것이 가능하다. 인-셀 지연제의 특징은 여분의 셀 파라미터를 규정하며 따라서 여분의 자유도가 설계에 추가된다. 따라서, 전술한 디스플레이 파라미터의 최적화가 용이해진다. 특히, 본 발명에 따른 LCD 장치는 높은 반사율, 높은 투과율 및 양호한 콘트라스트비를 나타낸다.
동시에, 이 구성은 패터닝되지 않은 전면 지연층을 사용할 수 있게 한다. 따라서, 디스플레이 제조 시에 마스크 단계의 수가 비교적 적고, 이로 인해 또한 반투과형 액티브 매트릭스 액정 디스플레이를 비교적 저렴하게 제조할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 인-셀 지연제를 사용함으로써, 인-셀 지연제가 종래의 외부 지연 포일보다 훨씬 더 얇아질 수 있으므로 전체 액정 모듈의 두께를 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 인-셀 지연층은 디스플레이의 반사부 및 투과부 모두의 위에서 연장된다. 디스플레이 장치의 투과부에 있어서, 인-셀 지연층은 액정층과 제 2 기판 사이에 배치되며, 바람직하게는 액정층 바로 근방에 배치된다. 바람직하게는, 액정층은 트위스티드 네마틱, 넌트위스티드(non-twisted) 네마틱 및 수직 정렬형 액정층 중 하나이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 디스플레이 디바이스는 제 2 기판 뒤에 배치된 적어도 하나의 지연층을 더 포함한다. 이 지연층은 액정 셀 외부에 배치된 종래의 지연층이다. 디스플레이 장치 내에 이러한 층을 포함함으로써, 투과형 서브-픽셀을 위한 인-셀 지연제를 보상하는 것이 가능하며, 또는 인-셀 지연제의 효과가 투과형 상태만에 대해 임의의 소망하는 다른 지연 효과로 변경될 수도 있다. 또한 가시광의 모든 파장에 대한 보상을 개선하기 위해 예를 들면 보다 많은 지연층을 포함할 수도 있다.
일실시예에 따르면, 투과부에 대한 셀 갭, 즉 액정층의 두께는 반사부의 셀 갭과 동일하다. 바람직하게는, 투과부에 대한 셀 갭은 반사부에 대한 셀 갭과 상이하다. 이것을 반투과형 LCD 장치의 이중 셀 갭 구성이라고 한다.
바람직하게는, 필요한 외부 구동 전압을 감소시키기 위해, 인-셀 지연층과 액정층에 대한 정렬층 사이에 투명 픽셀 전극이 배치된다. 그러한 부가적인 픽셀 전극을 포함함으로써, 인-셀 지연층 상에서의 전압 강하가 회피된다. 외부적으로 인가된 전압은 액정층 상의 전압과 동일하며, 따라서 낮게 유지될 수도 있다. 그 결과, 전력 소비가 감소하여 적은 비용의 구동기를 사용할 수 있게 된다.
바람직하게는, 상기 액정층의 트위스트 각은 약 80° 내지 100°이고, 보다 바람직하게는 약 90°이다. 상기 인-셀 지연제는 바람직하게는 100 nm 내지 180 nm의 지연을 갖는다. 또한, 액정층의 유효 지연(dΔn)은 바람직하게는 디스플레이의 반사부에서는 150 nm 내지 300 nm이고 디스플레이의 투과부에서는 150 nm 내지 600 nm이다. 이것은 통상 이중 셀 갭 구성을 이용함으로써 달성된다.
도 1a는 종래기술에 따른 디스플레이 장치의 반투과형 전기 광학 디스플레이 픽셀의 단면도.
도 1b는 도 1a에 도시된 픽셀의 평면도.
도 2는 어두운 상태에서 도 1a의 종래기술의 반투과형 픽셀에서의 광 경로를 도시한 개략도.
도 3은 밝은 상태에서, 도 1a의 종래기술의 반투과형 픽셀에서의 광 경로를 도시한 개략도.
도 4a는 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 반투과형 전기 광 디스플레이 픽셀의 단면도.
도 4b는 도 4a에 도시된 픽셀의 평면도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 픽셀의 투과부의 광학 레이아웃의 개략도로서, 모든 층들을 뷰잉측에서 본 평면도.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 픽셀의 반사부의 광학 레이아웃의 개략도로서, 모든 층들을 뷰잉측에서 본 평면도.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반사율 및 투과율대 액정 셀 상에 인가된 전압을 도시한 도표.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 색도 지수(psychometric chromaticity)대 액정 셀에 인가된 전압을 도시한 도표.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 콘트라스트 비대 픽셀에 대한 뷰잉 방향의 윤곽 구성을 도시한 도면으로서, 여기서 실선은 투과율을 나타내고, 점선은 반사율을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 픽셀의 투과부의 광학 레이아웃을 도시한 개략도로서, 모든 층들을 뷰잉측에서 본 평면도.
도 11은 본 발명의 제 2 실시에에 따른 픽셀의 반사부의 광학 레이아웃의 개략도로서, 모든 층들을 뷰잉측에서 본 평면도.
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반사율 및 투과율대 액정 셀 상에 인가된 전압을 도시한 도표.
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 색도 지수(psychometric chromaticity)대 액정 셀에 인가된 전압을 도시한 도표.
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 콘트라스트 비대 픽셀에 대한 뷰잉 방향의 윤곽 구성을 도시한 도면으로서, 여기서 실선은 투과율을 나타내고, 점선은 반사율을 나타내는 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 주요 실시예는 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 도 4a는 디스플레이 장치의 반투과형 전기 광학 디스플레이 픽셀의 단면도이다. 대응하는 전기 광학 디스플레이 픽셀의 평면도는 도 4b에 도시되어 있다. 전기 광학 디스플레이 픽셀은 본 예에서 제 1 및 제 2 기판(2, 3) 사이에 삽입되어 액정 셀(19)을 형성하는 트위스티드 네마틱 액정 재료층(4)을 구비한다. 액정 재료(4)를 제어하기 위해, 기판(2, 3)은 공지되어 있는 전극 구조(15, 16) 및 정렬층(17, 18)을 구비한다. 제 1 기판(2) 상에는 전면 지연층(8) 및 분광기(11)가 배치되어 있고, 상기 제 2 기판(3)의 후면 상에는 후면 지연층(9), 편광기(10) 및 백라이트(6)가 배치되어 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반사층(5)이 액정층(4)과 제 2 기판(3) 사이에 배치된다. 반사층(5)은 패터닝되어 픽셀의 투과부(13)와 반사부(12)를 형성한다. 이 예에서는, 반사부에서의 셀 갭(D1)이 픽셀의 투과부에서의 셀 갭(D2)보다 더 작다. 반사층(5)과 액정층(4) 사이에는 인-셀(in-cell) 지연층(7)이 또한 배치된다. 이 층은 액정 네트워크 기법에 의해 액정 셀 내에 위치할 수도 있다. 이 층의 효 과는 이하에 보다 자세히 설명한다.
예 1(90TN45)
다음은 도 5 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일례를 설명한다.
여기서, 액정층(4)은 90°의 트위스트 각을 갖는 트위스티드 네마틱층이며, 분광기에 대한 뷰잉측 검출기의 배향이 45°이다(이 실시예는 90TN45라고도 한다). 이 디스플레이에 대한 개략적인 레이아웃은 도 5(투과 모드) 및 도 6(반사 모드)에 도시되어 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 투과부의 셀 갭(D2)은 반사부의 셀 갭(D1)보다 더 크다(500nm 대 242nm). 인-셀 지연제(7)는 138nm의 지연을 갖는 단축 지연제이다. 또한, 후면 지연층(9)은 인-셀 지연제(7)의 배향과 90° 다른 배향을 가지며, 동일한 지연, 즉 138nm를 갖는 지연제이다. 따라서, 후면 지연층(9)은 픽셀의 투과부에 인-셀 지연제(7)를 충분히 보상한다.
도 7에서는, 이 최적의 모드에 대해 투과율 및 반사율대 전압이 도시되어 있다. 이 도면에서는, x축 상의 전압이 액정층 및 정렬층에 대해 인가된 전압이다. 도 7에서 알 수 있듯이, 밝은 상태에서 반사 및 투과율이 높고, 비교적 낮은 전압에서 매우 높은 콘트라스트비가 얻어질 수도 있다. 밝은 상태에서의 반사 및 투과는 100%에 가깝다. 본 발명에 따른 인-셀 지연제가 없는 대응하는 종래기술의 디스플레이에서는, 대응하는 광학 모드에서의 반사율이 약 90%이며, 또한, 60%보다 더 많은 투과를 얻기 위해 예를 들어 셀의 제 1 면상의 패터닝된 지연제가 필요하다.
도 8에는 90TN45 광학 모드에 대한 색도 지수대 전압이 도시되어 있다. 색도는 픽셀의 컬러의 측정치이며, 50% 미만이 양호하다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 색도는 이 레벨 아래가 양호하다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 디스플레이의 시야각 특성은 양호하다. 또한, 가장 일반적인 시야각을 갖는 최상의 광학 성능을 갖는 방향으로 정렬하도록, 디스플레이의 전체 스택이 회전할 수도 있다.
예 2(저 전압 해결책)
도 7을 참조하여 전술한 바와 같이, 도 7의 x축 상의 전압은 액정층 및 정렬층 상에 인가된 전압이다. 그러나, 하부 기판(3)과 액정층(4) 사이에 본 발명의 지연층이 존재하기 때문에, 전극 상의 실제 전압(즉, 열 구동기에 의해 제공된 전압)은 더 커져야 한다. 일례로서, 두께/유전율이 d/ε=0.25인 지연제(7)가 사용되면, 예 1에 따른 광학 모드의 암 전압은 도 7에 나타난 4.5V 대신에 6.5V의 외부 인가 전압이 될 것이다. 예 2는 이 전압을 감소시키는 것을 목표로 한다.
이것은 도 4a의 인-셀 지연제(7)와 정렬층(18) 사이에 투명 도전 전극을 증착하는 것에 의해 구현될 수도 있다. 그러면 지연제(7)를 통한 관통 접촉이 필요하다. 그러나, 이 해결책에 의하면 증가된 수의 마스크 및 처리 단계로 인해 제조 비용이 증가하게 된다. 또한, 투명 도체 전극(ITO)의 투과율이 약 80% 내지 90% 밖에 안되기 때문에, 디스플레이의 밝기는 감소할 것이다.
이와 달리, 지연제층 상의 손실을 보상하기 위해 광학 모드를 조정하는 것에 의해 상기 전압이 감소될 수도 있다. 이 변형예 중 하나를 도 10 내지 14를 참조하여 설명한다.
여기서는 액정층(4)이 90°의 트위스트 각과 분광기에 대해 뷰잉측의 조준기의 배향이 110°인 트위스티드 네마틱층이다(이 실시예는 저 전압 솔루션이라고도 한다). 이 디스플레이의 개략적인 레이아웃이 도 10(투과 모드) 및 도 11(반사 모드)에 도시되어 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 투과부의 셀 갭은 반사부의 셀 갭보다 더 크다(여기서는 500nm대 262nm의 지연에 대응). 인-셀 지연제(7)는 160nm의 지연을 갖는 단축 지연제이다. 또한, 후면 지연층(9)은 140nm의 지연 및 인-셀 지연제(7)의 배향과 90° 다른 배향을 갖는 지연제이다.
도 12에는 저 전압 광학 모드에서의 투과율 및 반사율대 전압이 도시되어 있다. 이 도면에서, x축 상의 전압은 전극에 인가된 전압이고 인-셀 지연제(7)는 두께가 1㎛이고 ε=4라고 가정한다. 만약 도 7에서와 같은 대응 방식으로 구성되면, 암 전압은 약 3V이고, 도 12에서 알 수 있듯이 열 구동기 전압은 5V 미만이다. 도 13에서는, 이 실시예의 색도 값이 제 1 예에서의 색도 값(도 8 참조)보다 약간 더 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 14로부터, 시야각이 도 9에 도시된 것 예에 비해 다소 감소된다는 것을 알 수 있다.
그러나, 전술한 실시예 및 본 발명의 예는 본 발명을 제한하는 것으로 해석해서는 안되며, 오히려 본 발명을 활용하는 예로서 주어진다는 점에 주의하라. 당업자라면, 첨부한 청구범위에 의해 규정된 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고, 본 발명의 다른 많은 실시예를 설계할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 반투과형 액정 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 디스플레이의 반사부(12) 및 투과부(13)를 규정하는 수단을 포함하는 상부 제 1 기판(2) 및 하부 제 2 기판(3)과,
    상기 제 1 기판(2)과 상기 제 2 기판(3) 사이에 배치된 액정층(4)을 포함하고,
    상기 수단은 상기 디스플레이 장치로 들어오는 주변 광을 반사하기 위한, 상기 반사부(12)를 위한 반사층(5)을 포함하고,
    상기 반사층(5)은 상기 액정층(4)과 상기 제 2 기판(3) 사이에 배치되며,
    상기 반투과형 액정 디스플레이 장치는 상기 디스플레이의 상기 반사부(12) 상에서 연장되며 상기 액정층(4)과 상기 반사층(5) 사이에 배치되는 인-셀(in-cell) 지연층(7)을 더 포함하는
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인-셀 지연층(7)은 상기 디스플레이의 상기 반사부(12) 및 투과부(13) 상에서 연장되는
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정층(4)은 트위스티드 네마틱, 넌트위스티드 네마틱(non-twisted nematic), 수직 정렬형 액정층 중 하나인
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 기판(3) 뒤에 정렬된 적어도 하나의 추가적인 지연층(9)을 더 포함하는
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과부(13)의 상기 셀 갭(D2)은 상기 반사부(12)의 셀 갭(D1)과 동일한
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과부(13)의 상기 셀 갭(D2)은 상기 반사부(12)의 상기 셀 갭(D1)과 상이한
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인-셀 지연층(7)과 정렬층(18) 사이의 상기 제 2 기판(3)에 인접한 부분에 투명 픽셀 전극이 배치되는
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정층(4)의 상기 트위스트 각은 약 80°내지 100°이고, 바람직하게는 약 90°인
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 인-셀 지연제(7)는 100 nm와 180 nm의 지연을 갖는
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정층(4)의 유효 지연(dΔn)은 상기 디스플레이의 반사부(12)에서 150 nm 내지 300 nm이고, 상기 디스플레이의 투과부(13)에서 150 nm 내지 600 nm인
    반투과형 액정 디스플레이 장치.
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