KR20060053102A

KR20060053102A - 액정 표시 장치

Info

Publication number: KR20060053102A
Application number: KR1020050075643A
Authority: KR
Inventors: 구니아끼 오까다
Original assignee: 샤프 가부시키가이샤
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2006-05-19
Also published as: US20060038939A1; JP2006058533A; KR100652102B1

Abstract

본 발명은 액정 표시 장치에서, 정면 휘도를 저하시키지 않고 모아레 줄무늬의 발생을 억제한다. 액정 표시 장치(100)는, 주기적으로 개구부(12)를 구비하는 차광 재료층인 제1 주기 구조로서의 반사 전극(8)과, 제2 주기 구조로서의 프리즘 시트(5)를 구비하는 액정 표시 장치로서, 개구부(12)의 피치 및 폭을 각각 P_L, W_L, 상기 제2 주기 구조의 피치를 P_P로 했을 때, A_n=2W_L/P_L·sin(nπW_L/P_L)/(nπW_L/P_L)(n은 자연수)로 구해지는 A_n이 0.05이하이고, 또한, (2n-1)/(2·P_L)＜1/P_P＜(2n+1)/(2·P_L)을 충족하고 있다.

주기적 개구부, 차광 재료층, 모아레, 시인성, 공간 주파수

Description

액정 표시 장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}

도 1은 본 발명에 기초한 제1 실시예에서의 액정 표시 장치의 단면도.

도 2는 본 발명에 기초한 제1 실시예에서의 액정 표시 장치에 포함되는 액정 표시 패널의 평면도.

도 3은 본 발명에 기초한 제1 실시예의 설명에 쓰인 투과율 프로파일 T_F(x)을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명에 기초한 제1 실시예의 설명에 쓰인 공간 주파수 성분의 분포를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명에 기초한 제1 실시예의 설명에 쓰인 투과율 프로파일 T_F(x)을 나타내는 도면.

도 6은 본 발명에 기초한 제1 실시예의 설명에 쓰인 공간 주파수 성분의 분포를 나타내는 다른 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 백라이트 2: 광원

3: 도광판 4: 마이크로 도트

5: 프리즘 시트 6: 액정 표시 패널

7: 유리 기판 8: 반사 전극

9: 액정층 10: 컬러 필터층

11: 유리 기판 12: 개구부(aperture)

13: 관찰면 100: 액정 표시 장치

본 발명은 백 라이트를 구비한 투과형 액정 표시 장치에 관한 것이다.

액정 표시 장치는, 액정 표시 패널이나 도광체 등의 시트 형상의 구성 요소를 화소가 규칙적인 피치로 형성되어 있다. 한편, 다른 구성 요소인 도광체에도 동일하게 규칙적인 피치로 홈 또는 저 굴절률 물질의 구조체가 형성되어 있다. 따라서, 이러한 구성 요소끼리 중첩시키면, 일반적으로 명암 격자를 중첩시켰을 때에 발생하는 것으로 알려져 있는 모아레 줄무늬가 생기는 경우가 있다. 이렇게 해서 발생하는 모아레 줄무늬(이하, 단지 '모아레' 라고도 부른다)에 의해 액정 표시 장치의 시인성이 열화한다고 하는 문제가 있었다.

이 문제를 해결하는 기술의 예로서, 특개 2000-206529호 공보(특허 문헌 1)에 개시되어 있는 기술이 있다. 이하, 특허 문헌 1에 등장하는 화소 피치 P1, 홈 피치 P2를 각각 화소 피치 P_L, 홈 피치 P_P로 바꿔 부를 수 있다. 특허 문헌 1의 기술은, 화소 피치 P_L, 홈 피치 P_P를 각각 갖는 2개의 주기 구조를 교차 각도 θ로 중 첩시키고, P_L＞P_P일 때, 임의의 자연수 m에 대해,

{2cosθ/(2m+1)} × P_L

P_P … (1)

로 되도록 설정하는 것이다. 이 조건을 충족시킬 때, 모아레의 줄무늬 간격은 극소값을 취하고, 모아레의 줄무늬 간격이 사람의 눈의 분해 능력 이하로 되기 때문에, 사람에 눈에 의한 시인성을 향상시킬 수 있다.

특허 문헌 1에 기재된 기술은, 화소 피치 P_L, 홈 피치 P_P, 교차 각도 θ의 3개의 파라미터의 대해, 일정한 조건식을 충족시키도록 설정한다고 하는 것이다. 그러나, 화소 피치 P_L은 패널 사이즈 및 해상도에 의해 결정되기 때문에 임의로 결정될 수 없으며, 다양한 값을 가질 수 있다. 홈 피치 P_P는, 각각의 액정 패널에 대해 홈 피치를 최적화하면 반도체의 비용이 많이 들기 때문에, 자유도가 매우 작다. 그 때문에, 화소 피치 P_L과 홈 피치 P_P의 조합이 나쁠 경우, 예를 들면 P_L이 P_P의 정수배 혹은 그에 가까운 경우, 모아레 제어를 위해 교차 각도 θ를 극단적으로 크게 해야 한다.

통상적으로, 백 라이트 출사광의 면내 분포를 균일화하기 위해, 화소 배열 방향과 백 라이트의 도광판 내의 빛의 진행 방향과는 평행이 되도록 설정된다. 즉, 홈 피치는 백 라이트의 도광판 내의 빛의 진행 방향에 따른 길이이다. 이 조건하에서, 홈의 길이 방향을 빛의 진행 방행에 대해 수직, 즉, 2개의 주기 구조의 교 차 각도 θ가 0이 되도록 배치했을 때, 정면 휘도는 가장 높아진다. 교차 각도 θ를 크게 하면, 정면 휘도는 저하되기 때문에, 교차 각도 θ는 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.

그래서, 본 발명은 정면 휘도가 높고, 또한 모아레가 제어된 액정 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 기초한 액정 표시 장치의 하나의 국면에서는, 주기적 개구부(periodical apertures)를 갖는 차광 재료층인 제1 주기 구조와, 제2 주기 구조를 구비하는 액정 표시 장치로서, 상기 개구부의 피치 및 폭을 각각 P_L, W_L, 상기 제 2 주기 구조의 피치를 P_p로 했을 때, A_n= 2W_L/P_L·sin(nπW_L/P_L)/(nπW_L/P_L)(n은 자연수)에서 구해지는 A_n이 0.05 이하이고, 또한, (2n-1)/(2·P_L) ＜ 1/P_P＜ (2n+1)(2·P_L)을 충족시키고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 기초한 액정 표시 장치의 다른 국면에서는, 주기적 개구부를 갖는 차광 재료층인 제1 주기 구조와, 제2 주기 구조를 구비하는 액정 표시 장치로서, 상기 개구부의 피치 및 폭을 각각 P_L, W_L, 상기 제2 주기 구조의 피치를 P_p로 했을 때, nW_L = mP_L(m, n은 자연수)이고, 또한, (2n-1)/(2·P_L) ＜ 1/P_P＜ (2n+1)(2·P_L)을 충족시키고 있다.

제1 실시예

도 1, 도 2를 참조하여, 본 발명에 기초하는 제1 실시예에서의 액정 표시 장치에 대해 설명한다. 여기서는, 투과형 액정 표시 장치로서도 기능하고, 반사형 액정 표시 장치로서도 기능하는 반투과형 액정 표시 장치에 대해 설명한다. 본 실시예에서의 액정 표시 장치(100)의 단면도를 도 1에 나타낸다. 이 액정 표시 장치(100)에 포함되는 액정 표시 패널(6)의 화소 배치를 평면도로 나타낸 것이 도 2이다.

도 1은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선에서의 사시 단면도에 상당한다. 도 1에서는 주요 부품만 도시하고, 액정 표시 패널(6) 전후에 설치되는 편광판 등은 도시되어 있지 않다. 액정 표시 장치(100)는 액정 표시 패널(6)과, 액정 표시 패널(6)의 관찰면(13)과 반대 측에 설치된 백 라이트(1)를 구비하고 있다. 백 라이트(1)는, 광원(2)과, 광원(2)으로부터 출사된 빛을 받아 내부를 통과시키는 도광판(3)과, 도광판(3)과 액정 표시 패널(6) 간에 삽입되어 도광판(3)을 통과하는 빛을 액정 표시 패널(6) 측으로 끌기 위한 프리즘 시트(5)를 구비하고 있다. 도광판(3)의 광 출사 측의 표면상에는 마이크로 도트(4)가 랜덤으로 형성되어 있다. 도광판(3)을 통과하는 빛은 마이크로 도트(4)를 통해 도광판 밖으로 새어 나가고, 프리즘 시트(5)에 의해 상방으로 출사된다. 도 1에서는 빛의 진행 형태를 다수의 화살표로 나타내고 있다. 도 2에서는 x축의 정의 방향이 도광판(3) 내에서의 빛의 진행 방향이다. 도 1에 나타낸 프리즘 시트(5)에 형성된 홈의 방향은 도 2에서는 y축 방향에 상당한다.

액정 표시 패널(6)은 칼라 필터층(10)이 형성된 유리 기판(11)과, TFT층(도 시하지 않음)이 형성된 유리 기판(7)과, 유리 기판(11)과 유리 기판(7) 사이에 충전된 액정층(9)을 구비한다. 유리 기판(7)은, 투과 전극(도시하지 않음)과 반사 전극(8)을 구비한다. 반사 전극(8)은, 금속막으로 형성되어 있고, 백 라이트(1)로부터의 빛을 차광하는 성질을 갖는다. 또한, 반사 전극(8)은 주기적으로 배열된 개구부(12)를 갖는다. 즉, 반사 전극(8) 층은, 주기적 개구부(12)를 갖는 차광 재료층이다. 백 라이트(2)로부터의 빛은 반사 전극(8)의 개구부(12)를 투과하고, 액정층(9)에서 광 변조되어, 액정 표시 패널(6)의 관찰면(13) 측에 출사된다. 도 2 중에 R, G, B라는 것은, 각 영역이 칼라 필터층(10)의 적, 녹, 청 영역에 각각 대응하는 것을 의미한다.

액정 표시 패널(6)의 반사 전극(8)은, 개구부(12)가 규칙적으로 배열한 주기 구조이다. 소위 '제1 주기 구조' 이다. 한편, 프리즘 시트(5)는 도 1에 도시한 바와 같이, 그 단면이 톱니 모양의 주기 구조이며, 소위 '제2 주기 구조'라 칭할 수 있다. 이 2개의 주기 구조를 서로 중첩시켜 액정 표시 패널(6)의 관찰면(13) 측으로부터 관찰했을 때, 모아레가 시인된다.

일반적 모델로서, 주기 구조 A와 주기 구조 B의 2개의 주기 구조 사이에서 발생하는 모아레에 대해 설명한다. 주기 구조 A의 피치를 P_A, 주기 B의 피치를 P_B 라 하자. 주기 구조 A의 공간 주파수f_A는 P_A의 역수로 나타난다. 주기 구조 B의 공간 주파수 f_B도 마찬가지이다. 즉,

f_A = 1/P_A …(2)

f_B = 1/P_B…(3)

공간 주파수 f_A의 주기 구조와, 공간 주파수 f_B의 주기 구조는 다음 식으로 표현된다.

g_A(x) = (1+cos(2πf_Ax))/2 …(4)

g_B(x) = (1+cos(2πf_Bx))/2 …(5)

이 2개의 주기 구조를 중첩시키면,

g_C(x) = g_A(x)×g_B(x)

= (1+cos(2πf_Ax))×(1+cos(2πf_Bx))/4

= {1+cos(2πf_Ax)+cos(2πf_Bx)}/4

+ {cos(2π(f_A+f_B)x)+cos(2π(f_A-f_B)x)}/8 …(6)

로 되고, 공간 주파수 f_A, f_B에서 나타나는 항 이외에, 새로이 공간 주파수 f_A+f_B, f_A-f_B에서 표현되는 구성이 보인다. 특히 주파수 f_A-f_B로 표현되는 농담(light and dark) 성분은, 주파수가 낮기 때문에 보다 시인되기 쉽다. 이러한 주파수 성분의 농담이 모아레라 불린다. 한편, 주파수 f_A+f_B 성분은, f_A나 f_B보다도 주파수가 높고, P_A나 P_B가 충분히 작으면 매우 높은 주파수가 되기 때문에, 시인되지 않는다.

다음으로, 차광 재료층으로서 개구 피치 P_L, 개구 폭 W_L의 투과 개구부를 구비한 투과형 액정 표시 패널과 프리즘 피치 P_P의 프리즘 시트 사이의 모아레에 대해 설명한다. 투과형 액정 표시 패널의 투과율 프로파일 T_F(x)는, 푸리에 급수 전개를 행하여, 다음 식으로 표현된다. 단, n은 자연수이다.

T_F(x) = A_O/2+∑A_ncos(2πnf_Lx) …(7)

f_L= 1/P_L …(8)

A_O = 2W_L/P_L …(9)

A_n= 2W_L/P_L·sin(nπW_L/P_L )/(nπW_L/P_L ) …(10)

상기 식으로부터, A_n은 sinc 함수에 따르는 것을 알 수 있다. A_n은 W_L과 P_L의 관계에 의해 정해진다.

도 3에 투과율 프로파일 T_F(x)의 일례를 도시한다. 도 4에 그 때의 공간 주파수 성분을 나타내는 도면을 도시한다. 가로축은 공간 주파수, 세로축은 각 성분의 크기를 나타낸다. 도 3, 도 4는 P_L=2.5W_L일 때의 결과이다.

한편, 프리즘 피치 P_P의 프리즘 시트로부터의 출사광은 다음식으로 나타낸다.

I(x) = (1+cos(2πf_Px))/2 …(11)

f_P = 1/P_P …(12)

프리즘 시트로부터 출사된 빛이, 액정 표시 패널에 입사되고, 관찰면 측에 출사될 때, 그 관찰면 측의 출사광 O(x)는

O(x) = I(x)×T_F(x) …(13)

로 표현된다. 이 O(x)는, 수학식 6의 결과로부터 도출되는 바와 같이, 여러가지 공간 주파수의 성분을 포함하는데, 그 중 가장 낮은 주파수 성분이 모아레로서 시인된다. 프리즘 시트 출사광의 공간 주파수 f_P가 n×f_L 근방에 위치할 때에는, 이 공간 주파수 f_P와 nf_L 사이에서 모아레가 생기고, 이 때 f_P-nf_L의 역수가 모아레 주기로 된다.

f_P가 nf_L 근방에 위치하는 조건은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

nf_L-f_L/2 ＜ f_P ＜ nf_L+f_L/2 …(14)

이 조건 하에서는, 여러가지 공간 주파수 중, f_P-nf_L이 가장 작기 때문에, 이 공간 주파수의 모아레가 강하게 시인된다. 그러나, 이 때 한쪽의 주파수 성분을 작게 하는 것을 생각할 수 있다. 수학식 14를 만족하는 관계에서, 화소 개구 패널의 투과율 T_F(x)의 nf_L의 공간 주파수 성분을 0으로 하면, 모아레 콘트라스트는 큰 폭으로 저감된다. 공간 주파수 nf_L의 성분 A_n을 0으로 하는 조건으로서 수학식 10으로부터

W_L/P_L = m/n (m은 자연수) …(15)

가 도출된다. 즉,

nW_L = mP_L …(16)

일 때, A_n은 0이 된다. 또한 수학식 14는 P_L과 P_P를 이용하여,

(2n-1)/(2·P_L)＜1/P_P＜(2n+1)/(2·P_L) …(17)

로 나타난다.

상기의 관계를 정리하면,

nW_L = mP_L (m, n은 자연수)이고, 또한, (2n-1)/(2·P_L)＜1/P_P＜(2n+1)/(2·P_L)

일 때 모아레 콘트라스트를 효과적으로 제어할 수 있다.

이 관계에 대해, 도 5, 도 6을 참조하여 설명한다. 도 5, 도 6은, P_L=3W_L일 때의 투과율 프로파일 T_F(x)와 그 공간 주파수 성분을, 도 3, 도 4와 마찬가지의 표시 형식으로 나타낸 것이다. 여기서는, 프리즘 시트의 공간 주파수가 3×f_L 근방이고, 그 3×f_L의 성분값이 0이기 때문에, 모아레 콘트라스트는 낮아진다.

또한, nW_L=mP_L의 조건을 만족시키고 있는 것이 보다 바람직한데, 엄밀히 만족하고 있지 않아도 된다. 수학식 17을 만족하는 관계에서, A_n이 0이 아니어도, A_n의 값이 0.05이하이면, 모아레 콘트라스트를 큰폭으로 억제할 수 있다.

액정 표시 패널의 설계에서는, 패널 사이즈와 해상도에 의해, 화상마다의 개 구 피치가 일의적으로 정해진다. 또한, 프리즘 시트에 대해서도, 현재 유통되고 있는 프리즘 시트 종류가 적기 때문에, 프리즘 시트의 선택 자유도는 작다. 이에 대해 본 발명에서는, 임의의 개구 피치, 임의의 프리즘 피치, 임의의 화소 개구율에 대해 모아레 콘트라스트를 효과적으로 억제하는 조건을 도출할 수 있다. 이 경우, 화소마다의 개구폭의 자유도가 없어지는데, 개구폭의 자유도가 없어졌다고 해도 액정 표시 패널의 설계에서, 특히 큰 제한을 주는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 따르면, 교차 각도는 어떤 값이어도 되기 때문에, 액정 표시 패널과 프리즘 시트와의 교차 각도는 0으로 할 수 있고, 그 결과, 정면 휘도를 높게 가질 수 있다.

다음으로, 실험예에 대해 설명한다.

제1 실험예

하기의 조건에 대해, 모아레 콘트라스트를 알아보았다.

프리즘 시트 피치 P_P: 30μm

화소마다의 개구 피치 P_L: 150μm

화소마다의 개구폭 W_L: 60μm

이 경우, 화소 개구 패널(차광 재료층) 및 프리즘 시트의 기본 공간 주파수 f_L, f_P는, 각각,

f_P=33.33 [mm 당]

f_L=6.67 [mm 당]

로 구해지고, n=5로 했을 때 수학식 17의 관계를 만족한다. 또한, m=1 일때 수학식 16도 만족한다. 이 때 모아레는 관찰되지 않았다.

한편, 종래 기술과 같이, 화소 개구 패널과 프리즘 시트의 배열을 교차시켜 모아레를 억제할 경우, 수학식 1로부터 교차 각도 θ는 25.8°로 구해진다. 실제로 교차 각도 θ는 25.8°로 한 경우, 교차 각도 θ가 매우 크기 때문에, 정면 휘도는 큰 폭으로 저감된다.

이 때문에, 종래 기술에 따르면 교차 각도 θ를 크게 해서 모아레 억제하지만 정면 휘도가 저하되며, 본 발명에 따르면, 교차 각도 θ를 조작할 필요가 없기 때문에, 정면 휘도를 저하시키지 않고 모아레를 억제할 수 있다.

제1 비교예

하기의 조건에 대해, 모아레 콘트라스트를 조사했다.

프리즘 시트 피치 P_P: 30μm

화소마다의 개구 피치 P_L: 150μm

화소마다의 개구폭 W_L: 70μm

이 경우, 화소 개구 패널(차광 재료층) 및 프리즘 시트의 기본 공간 주파수 f_L, f_P는, 제1 실시예과 마찬가지로,

f_P=33.33 [mm 당]

f_L=6.67 [mm 당]

로 구해지고, n=5로 했을 때 수학식 17의 관계를 만족한다. 그러나 수학식 16의 관계를 충족시키는 자연수 m은 존재하지 않고, An은 0.1로, 0.05보다 큰 값이 된다. 이 때 모아레는 강하게 나타났다.

이 때문에, 수학식 17을 만족시킬 때라도 An이 0.05보다 크게 될 때 모아레를 억제할 수 없는 경우가 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 금회 개시한 상기 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허 청구 범위에 의해 개시되고, 특허 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하는 것이다.

본 발명에 따르면, 임의의 개구 피치, 임의의 프리즘 피치, 임의의 화소 개구율에 대해 모아레 콘트라스트를 효과적으로 제어하는 조건을 도출할 수 있다. 이 경우, 액정 표시 패널과 프리즘 시트의 교차 각도는 0으로 할 수 있기 때문에, 정면 휘도를 높게 가질 수 있다.

Claims

액정 표시 장치(100)로서,

주기적 개구부(12; periodical aperture)를 구비하는 차광 재료층인 제1 주기 구조(8)와,

제2 주기 구조(5)를 구비하며,

상기 개구부(12)의 피치 및 폭을 각각 P_L, W_L, 상기 제2 주기 구조(5)의 피치를 P_P로 할 때,

A_n= 2W_L/P_L·sin(nπW_L/P_L)/(nπW_L/P_L)(n은 자연수)

에서 구해지는 A_n이 0.05이하이고,

또한, (2n-1)/(2·P_L) ＜ 1/P_P＜ (2n+1)/(2·P_L )을 충족하는 액정 표시 장치.
액정 표시 장치(100)로서,

주기적 개구부(12)를 구비하는 차광 재료층인 제1 주기 구조(8)와,

제2 주기 구조(5)를 구비하며,

상기 개구부(12)의 피치 및 폭을 각각 P_L, W_L, 상기 제2 주기 구조(5)의 피치를 P_P로 할 때 ,

nW_L = mP_L (m, n은 자연수)

이고,

또한, (2n-1)/(2 P_L) ＜ 1/P_P＜ (2n+1)/(2·P_L) 을 충족하는 액정 표시 장치.