KR20070071512A - 반투과형 액정표시소자 - Google Patents

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윤태훈
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Abstract

본 발명은 반투과 액정표시소자에 대한 새로운 광학설계구조를 도출해내고, 또한 상기 새로운 광학설계구조에 의해서 종래에 비해 투과부 및 반사부의 분산 특성을 향상시키고자 하는 반투과형 액정표시소자에 관한 것으로서, 서로 대향합착되어 그 사이에 반사부 및 투과부에서 각각 λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지는 액정층이 형성되어 있는 상,하부 기판과, 상기 하부 기판의 반사부에 한하여 형성되는 반사전극과, 상기 상부 기판의 외측면에 부착되는 상부 편광필름과, 상기 하부 기판의 외측면에 부착되는 하부 편광필름과, 상기 상부 기판과 상부 편광필름 사이에 구비되는 상부 보상필름과, 상기 하부 기판과 하부 편광필름 사이에 구비되는 하부 보상필름을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
반투과형, IPS, 광학구조

Description

반투과형 액정표시소자{Transflective Type Liquid Crystal Display Device}
도 1은 종래기술에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 광학구조를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 광학구조의 분산특성을 도시한 그래프.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 광학구조를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 광학구조의 분산특성을 도시한 그래프.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 광학구조를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 광학구조의 분산특성을 도시한 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 소자의 구성요소들을 나타낸 구성도.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 의한 투과율을 서로 비교한 그래프.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 의한 반사율을 서로 비교한 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명
51 : 상부 편광필름 52 : 상부 보상필름
53 : 액정층 54 : 반사전극
56 : 제 1 하부 보상필름 57 : 제 2 하부 보상필름
55 : 하부 편광필름
본 발명은 액정표시소자에 관한 것으로 특히, 반투과 액정표시소자에 대한 새로운 광학설계구조를 도출해내고, 또한 상기 새로운 광학설계구조에 의해서 종래에 비해 투과부 및 반사부의 분산 특성을 향상시키고자 하는 반투과형 액정표시소자에 관한 것이다.
최근들어, 평판표시장치에 대한 연구가 활발한데, 그 중에서 각광받고 있는 것으로 LCD(Liquid Crystal Displays), FED(Feild Emission Displays), ELD(Electroluminescence Device), PDP(Plasma Display Panels) 등이 있다.
이중, 상기 액정표시소자는 콘트라스트(contrast) 비가 크고, 계조 표시나 동화상 표시에 적합하며 전력소비가 적다는 특징 때문에 평판 디스플레이 중에서도 그 비중이 증대되고 있다.
이러한 액정표시소자는 백라이트를 광원으로 이용하는 투과형 액정표시소자 와 백라이트를 광원으로 이용하지 않고 외부 자연광을 이용하는 반사형 액정표시소자의 두 종류로 분류할 수 있는데, 상기 투과형 액정표시소자는 어두운 외부환경에서도 밝은 화상 구현이 가능하지만, 전력소모가 크다는 문제점이 있고, 반사형 액정표시소자는 백라이트를 사용하지 않기 때문에 소비전력이 감소하지만, 외부 자연광이 어두울 때에는 사용이 불가능하다는 한계가 있다.
따라서, 시계나 계산기와 같이 전력 소모를 최소화해야 하는 전자 기기에서는 반사형 액정표시소자를 많이 사용하고, 대화면 고품위의 화상표시를 요구하는 노트북 컴퓨터에는 투과형 액정표시소자를 많이 사용하는 것이 일반적이다.
최근에는 상기 반사형 액정표시소자와 투과형 액정표시소자의 단점을 보완한 반투과형 액정표시소자에 대한 연구가 활발한데, 이는 단위 화소영역 내에 반사부와 투과부를 동시에 가지므로 필요에 따라 반사형 및 투과형의 양용이 가능하다.
즉, 백라이트를 사용하지 않고도 표시기능이 가능할 만큼 외부 자연광이 밝을 때에는 상부기판을 통해 입사하는 외부 광을 반사 전극에 의해 반사시켜 반사형 액정표시소자로서 동작하고, 외부 광이 밝지 않을 때에는 백라이트를 사용하며 반사전극의 개방부를 통해 백라이트의 빛이 액정층으로 입사하여 투과형 액정표시소자로서 동작한다.
이때, 반사부와 투과부의 효율을 각각 최대화하기 위해서 투과부 셀갭이 반사부 셀갭의 약 2배가 되도록 구성하는 듀얼-셀갭 방식이 제안되었다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 반투과형 액정표시소자에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래기술에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도이다.
하나의 화소영역이 반사부(R)와 투과부(T)로 구분되어 액정이 구동되는 반투과형 액정표시소자는 복수개의 배선과 박막트랜지스터가 형성되어 있는 박막트랜지스터 어레이 기판과, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판에 대향하는 컬러필터층 어레이 기판과, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판과 컬러필터층 어레이 기판 사이에 봉입된 액정층으로 구성된다.
이 때, 액정층(531)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 투과부(T)의 액정층 셀갭이 반사부(R)의 액정층 셀갭보다 2배 큰 듀얼-셀갭으로 구성된다.
상기에서와 같이, 액정층을 듀얼-셀갭으로 형성하기 위해서는, 반사부(R)에 한해 유기절연막을 형성하고 상기 유기절연막 상에 외부광을 반사시키는 반사전극(590)을 구비한다. 투과부(T)에는 유기절연막 없이 투과전극(도시하지 않음)만 형성한다. 즉, 반사부(R)의 유기절연막(518)의 단차에 의해 액정셀갭이 이중단차가 되는 것이다.
이와같이, 투과부의 셀갭(d)과 반사부의 셀갭(d/2)을 약 2:1의 비로 형성하여 반사부와 투과부의 온/오프(on/off) 모드를 정합시킨다.
구체적으로, 반사부로 입사하는 광과 투과부로 입사하는 광이 스크린 표면에 동시에 도달하게 하는데, 외부에서 반사부(R)로 입사하는 자연광은 상부에서 액정층(531)을 왕복하여 스크린 표면에 도달하고, 백라이트에서 투과부(T)로 입사하는 광은 반사부 셀갭의 2배가 되는 투과부 액정층을 통과하여 스크린 표면에 도달하므로, 결국 동시에 도달하게 된다.
한편, 반사부와 투과부로 구분되어 이중셀갭을 가지는 반투과형 액정표시소자는, TFT 어레이 기판 및 컬러필터층 어레이 기판의 내측면에 액정층(531)의 분자가 일정한 방향으로 배열되도록 하기 위한 배향막(미도시)이 더 구비되고, 두 기판의 외측면에는 빛의 광축을 조절하기 위한 편광필름(550,551)이 더 구비된다.
그리고, 액정층(531)과 편광필름(551) 사이에는 위상차를 지연시키기 위한 보상필름(563)이 더 구비된다.
이때, 상기 편광필름의 편광축과, 보상필름의 광축과, 액정분자의 방향자 각도를 조절하여 노멀리 블랙 모드(normally black mode)로 제작할 수 있는데, 액정층이 반사부 및 투과부에서 각각 λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지도록 액정 셀갭을 조절하고, 보상필름으로 λ/2에 해당하는 위상차를 가지는 것(Half Wave Plate ; HWP)을 이용한다.
그러나, 상기와 같은 종래기술에 의한 반투과형 액정표시소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 종래 기술에 의한 반투과형 액정표시소자에 대해서, 가시광선 전 파장에 대한 투과율 또는 반사율을 측정하면, 전 파장에 대한 소자의 반사율 또는 투과율이 불균일한 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 파장에 대한 반사율 또는 투과율이 불균일하면 색상에 따라 반사율 또는 투과율이 달라져 화상품질이 떨어지게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 반투과형 액정표시소자에 대한 새로운 광학설계구조를 도출해내고, 또한 상기 새로운 광학설계구조에 의해서 종래에 비해 투과부 및 반사부의 분산 특성을 향상시키고자 하는 반투과형 액정표시소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반투과형 액정표시소자는 서로 대향합착되어 그 사이에 반사부 및 투과부에서 각각 λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지는 액정층이 형성되어 있는 상,하부 기판과, 상기 하부 기판의 반사부에 한하여 형성되는 반사전극과, 상기 상부 기판의 외측면에 부착되는 상부 편광필름과, 상기 하부 기판의 외측면에 부착되는 하부 편광필름과, 상기 상부 기판과 상부 편광필름 사이에 구비되는 상부 보상필름과, 상기 하부 기판과 하부 편광필름 사이에 구비되는 하부 보상필름을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자는 TFT 어레이 기판 및 컬러필터층 어레이 기판 사이에 투과부의 셀갭과 반사부의 셀갭이 약 2:1의 비를 가지는 듀얼 셀갭의 액정층을 구비하는바, 반사부(R)의 액정셀 갭과 투과부(T)의 액정셀 갭을 듀얼셀갭으로 구현하여 반사부 및 투과부에서 각각 λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지도록 한다.
그리고, 상기 TFT 어레이 기판 및 컬러필터층 어레이 기판의 외측면에는 빛의 광축을 조절하기 위한 상,하부 편광필름이 각각 부착되고, 반사부와 투과부의 위상차를 보상하기 위해 컬러필터층 어레이 기판과 상부 편광필름 사이에 상부 보상필름이 구비되며, 위상보상법을 이용한 설계 구조를 위해 TFT 어레이 기판과 하부 편광필름 사이에 하부 보상필름이 더 구비된다.
따라서, 투과부에 있어서 액정층을 중심으로 상부와 하부의 층이 상호간 보상을 하므로 보다 향상된 블랙 상태를 얻을 수 있다.
이때, 상기 TFT 어레이 기판에, 수직교차하여 반사부와 투과부로 구성되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터에 연결되는 화소전극과, 상기 화소전극에 평행하여 수평전계를 형성하는 공통전극을 형성하여 상기 수평전계에 의해 액정을 구동하여 IPS 모드를 구현할 수 있다.
또는, 상기 TFT 어레이 기판에 수직교차하여 반사부와 투과부로 구성되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터에 연결되는 화소전극을 형성하고, 상기 컬러필터층 어레이 기판에 상기 화소전극에 대향하여 수직전계를 형성하는 공통전극을 형성하여, 상기 수직전계에 의해 액정을 구동할 수도 있다.
이하에서는, 도면을 참고로 하여 반투과형 액정표시소자에 대한 새로운 광학설계의 실시예를 설명하기로 한다.
제 1 실시예
도 2는 본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 광학구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 광학구조의 분산특성을 도시한 그래프이다.
제 1 실시예에 의한 IPS 모드 반투과형 액정표시소자는, 도 2에 도시된 바와 같이, TFT 어레이 기판(11)과 컬러필터층 어레이 기판(21) 사이에서 75도 방향으로 초기배향되고 2/d와 d두께의 듀얼셀갭으로 구성되어 반사부(R) 및 투과부(T)에서 각각 λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지는 액정층(53)으로 구성된다.
구체적으로, 상기 TFT 어레이 기판(11)에는 게이트 배선(도시하지 않음) 및 데이터 배선(도시하지 않음)에 의해 정의된 각 화소에 박막트랜지스터(TFT)와, 상기 박막트랜지스터(TFT)에 연결되고 투과부(T)에 형성되는 투명한 화소전극(17)과, 상기 박막트랜지스터(TFT)에 연결되고 반사부(R)에 한해 형성되어 외부광을 반사시키는 반사전극(54)이 형성되고, 상기 컬러필터층 어레이 기판(21)에는 빛샘 차광을 위한 블랙 매트릭스(22)와, 색상표현을 위한 R,G,B의 컬러필터층(81)이 형성된다.
이때, 상기 컬러필터층(81) 상에 공통전극(91)을 더 구비하여 상기 화소전극(17)과 공통전극(91) 사이에 수직전계를 형성하고, 상기 액정층(53) 분자들을 수직 스위칭한다. 참고로, 상기 액정층 분자들을 수평 스위칭하고자 할 경우에는, 상기 TFT 어레이 기판 상에 상기 화소전극과 평행하는 공통전극을 더 구비하여 상기 화소전극과 공통전극 사이에 횡전계를 형성한다.
그리고, 상기 컬러필터층 어레이 기판(21) 외측면에는 편광축이 0도 방향인 상부 편광필름(51)이 부착되고, 상기 TFT 어레이 기판(11)의 외측면에는 편광축이 90도 방향인 하부 편광필름(55)이 부착되며, 상기 컬러필터층 어레이 기판과 상부 편광필름 사이에는 λ/2의 위상차 값을 가지고 광축이 15도 방향인 상부 보상필름(52)이 더 개재되고, 상기 TFT 어레이 기판과 하부 편광필름 사이에는 λ/2의 위상차 값을 가지고 광축이 각각 105도 및 165도 방향인 제 1 ,제 2 하부 보상필름 (56,57)이 더 개재된다.
이 때, 액정을 구동하지 않았을 경우의 반사부 액정층(53)은 λ/4의 위상지연을 가지므로 선편광을 원편광으로 또는 원편광을 선편광으로 바꾸는 QWP(Quater Wave Plate)와 같은 역할을 하고, 투과부의 액정층은 λ/2의 위상지연을 가지므로 액정을 기준으로 빛의 편광 방향을 대칭적으로 바꾸는 HWP와 같은 역할을 하며, 수직전계로 액정을 구동하여, 액정층(53) 분자들이 수직 스위칭하여 75도 위치에서 전계방향과 평행하게 수직으로 배열된다.
이와같이 설정된 반투과형 액정표시소자에 있어서, 반사부에 인가된 외부자연광의 광경로를 살펴보면, 도 3a에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태), 상부 편광필름(51)으로 입사한 외부 자연광이 상부 보상필름(λ/2,15도)(52)에 의해 30도 선편광되고 액정(λ/4,75도)(53)을 지나 좌현 원형 편광상태로 변하게 된다. 이후, 반사전극(54)에 의해 반사되고 액정층(λ/4,75도)(53)을 지나 λ/2만큼의 위상변화가 생겨 120도로 선편광되는데, 이후 상부 보상필름(52)을 통과하면서 90도 선편광되어 상부 편광필름(51)을 통과하지 못하여 블랙 상태가 구현된다.
그리고, 반사부에 있어서, 액정을 구동한 경우(ON상태)하여 수직전계를 인가하면 액정층 분자들이 전계방향과 평행하게 수직으로 배열되는데, 이때 입사된 빛은 액정층에 의한 위상변화를 느끼지 못하기 때문에 반사되어서 나오는 빛은 상부 보상필름(λ/2,15도)을 통과한 것과 동일한 것이 되어 화이트 상태가 구현된다.
한편, 투과부는 위상 보상법을 이용한 설계 구조로서, 투과부의 액정층을 중 심으로 상부와 하부의 층이 상호간 보상을 하므로 완벽한 블랙 상태의 구현이 가능하다.
구체적으로, 투과부에 인가된 백라이트광의 광경로를 살펴보면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태), 하부 백라이트로부터 하부 편광필름(55)으로 입사하여 90도로 선편광된 광이 제 1 하부 보상필름(λ/2,105도)(56)에 의해 120도로 위상이 변하고 제 2 하부 보상필름(λ/2,165도)(57)에 의해 30도로 위상이 변한다. 이후, 액정층(λ/2,75도)(13)에 의해 120도로 위상이 다시 변한후, 상부 보상필름(λ/2,15도)(52)을 통과하여 90도로 선편광된다. 따라서, 상부 편광필름의 편광축과 90도를 이루는 광이 상부 편광필름(11)을 통과하지 못하여 블랙 상태가 구현된다.
그리고, 투과부에 있어서, 액정을 구동(ON상태)하여 수직전계를 인가하면 액정층 분자들이 전계방향과 평행하게 수직으로 배열되는데, 백라이트의 광이 하부 편광필름(55)에 의해 90도로 선편광되고, 하부 편광필름(55)을 통과하여 90도로 선편광된 광은 제 1 하부 보상필름(λ/2,105도)(56)에 의해 120도로 위상이 변하고 제 2 하부 보상필름(λ/2,165도)(57)에 의해 30도로 위상이 변한다. 이후, 수직으로 배열된 액정층(λ/2)(53)에 대해서는 위상변화가 생기지 않으므로, 30도로 선편광은 액정층을 그대로 통과하고, 상부 보상필름(λ/2,15도)(52)을 통과하여 0도로 선형편광되어 최종적으로 상부 편광필름(51)의 편광축과 동일한 방향의 광을 출광한다. 따라서, 최종적으로 상부 편광필름을 통과하여 화이트 상태를 구현하다.
상기와 같은 광학적 설계구조를 가지는 액정표시소자에 대해 가시광선 전 파 장에 대해서 투과율 또는 반사율을 측정한 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 블랙 상태에서 반사율 또는 투과율의 세기가 전 파장에 대해 균일한 것으로 보아, 종래에 비해 블랙 상태에서의 분산특성이 향상되었음을 알 수 있다. 이와같이, 상부 보상필름과 제 1 ,제 2 보상필름의 상호간 보상에 의해 반사부 및 투과부에서의 블랙 상태가 매우 향상된다.
제 2 실시예
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 광학구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 광학구조의 분산특성을 도시한 그래프이다.
제 2 실시예에 의한 IPS 모드 반투과형 액정표시소자는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, TFT 어레이 기판과 컬러필터층 어레이 기판 사이에서 75도 방향으로 초기배향되고 듀얼셀갭으로 구성되어 반사부 및 투과부에서 각각 λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지고 전계를 인가했을 때 45도 수평 스위칭하여 75도 위치에서 30도 위치로 재배열는 액정층(13)과, 반사부에 한하여 액정층 저면에 구비된 반사전극(14)과, 상기 컬러필터층 어레이 기판 외측면에 부착되어 편광축이 0도 방향인 상부 편광필름(11)과, 상기 TFT 어레이 기판의 외측면에 부착되어 편광축이 90도 방향인 하부 편광필름(15)과, 상기 컬러필터층 어레이 기판과 상부 편광필름 사이에 구비되어 λ/2의 위상차 값을 가지고 광축이 15도 방향인 상부 보상필름(12)과, 상기 TFT 어레이 기판과 하부 편광필름 사이에 적층되어 λ/2의 위상차 값을 가지고 광축이 각각 105도 및 165도 방향인 제 1 ,제 2 하부 보상필름(16,17)으로 구성 된다.
즉, 제 2 실시예는 75도로 초기배열된 액정층에 전계를 인가했을때, 액정분자들이 수직 스위칭하는 제 1 실시예와 달리, 수평스위칭하여 30도로 재배열되는 것을 특징으로 하는바, 전계를 인가하지 않고 블랙 상태를 구현할 때의 광경로는 제 1 실시예와 동일하다.
이와같이 설정된 반투과형 액정표시소자에 있어서, 반사부에 인가된 외부자연광의 광경로를 살펴보면, 도 5a에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태), 상부 편광필름(11)에 의해 0도 방향의 외부 자연광만이 입사되고, 상부 보상필름(λ/2, 15도)(12)에 의해 30도 선편광된 후, 액정층(λ/4, 75도)(13), 반사전극(14), 액정층(λ/4, 75도)(13)을 순차적으로 지나 결국 λ/2만큼의 위상변화가 생겨 120도로 선편광된다. 120도로 선편광된 빛은 상부 보상필름(λ/2, 15도)(12)을 통과하면서 90도 선형 편광상태로 변하고, 상부 편광필름의 편광축과 90도를 이루는 광이 상부 편광필름(11)을 통과하지 못하여 블랙 상태가 구현된다.
즉, 반사부의 초기 상태에 있어서 λ/2의 상부 보상필름과 λ/4의 액정층이 구성되어 광대역 λ/4의 구조를 이루고 있기 때문에, 0도 선편광된 외부 자연광이 상부 보상필름(λ/2, 15도)(12)과 액정층(λ/4, 75도)(13)을 두 번 지나 90도 선형 편광상태로 변하여 블랙 상태가 구현된다.
그리고, 반사부에 있어서, 액정을 구동한 경우(ON상태), 수평전계(횡전계)를 인가하면 액정층 분자들이 평균적으로 45도 회전하여 75도 위치에서 30도 위치로 재배열되는데, 상부 편광필름(11) 및 상부 보상필름(λ/2, 15도)(12)을 통과하여 30도로 선편광된 광은 광축의 변화없이 다시 액정층(λ/4, 30도)(13), 반사전극(14), 액정층(λ/4, 30도)(13)을 순차적으로 지나 그대로 통과하고, 이후 상부 보상필름(λ/2, 15도)(12)을 통과하여 0도 선형편광되어 최종적으로 상부 편광필름(11)의 편광축과 동일한 방향의 광을 출광한다. 따라서, 최종적으로 상부 편광필름을 통과하여 화이트 상태를 구현하다.
즉, 상부 보상필름(λ/2, 15도)(12)을 지나 30도 선형 편광된 빛은 액정층에 의한 편광상태의 변화가 없기 때문에, 결국 상부 편광필름을 통과한 광은 λ/2필름을 두 번 통과한 것과 같아서 0도 선형 편광상태가 되어 화이트 상태가 구현된다.
한편, 투과부는 위상 보상법을 이용한 설계 구조로서, 투과부의 액정층을 중심으로 상부와 하부의 층이 상호간 보상을 하므로 완벽한 블랙 상태의 구현이 가능하다.
구체적으로, 투과부에 인가된 백라이트광의 광경로를 살펴보면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태), 하부 백라이트로부터 하부 편광필름(15)으로 입사하여 90도로 선편광된 광이 제 1 하부 보상필름(λ/2,105도)(16)에 의해 120도로 위상이 변하고 제 2 하부 보상필름(λ/2,165도)(17)에 의해 30도로 위상이 변한다. 이후, 액정층(λ/2,75도)(13)에 의해 120도로 위상이 다시 변한후, 상부 보상필름(λ/2,15도)(12)을 통과하여 90도로 선편광된다. 따라서, 상부 편광필름의 편광축과 90도를 이루는 광이 상부 편광필름(11)을 통과하지 못하여 블랙 상태가 구현된다.
즉, 하부 편광필름(90도)(15), 제 1 하부 보상필름(λ/2,105도)(16) 및 제 2 하부 보상필름(λ/2,165도)(17)을 차례로 통과하여 30도 선편광된 광이 액정층(λ/2,75도)(13)과 보상필름(λ/2, 15도)(12)을 지나 90도 선형 편광상태로 변하여 블랙 상태가 구현된다.
그리고, 투과부에 있어서, 액정을 구동(ON상태)하여 수평전계(횡전계)를 인가하면 액정층 분자들이 평균적으로 45도 회전하여 75도 위치에서 30도 위치로 재배열되는데, 하부 백라이트에서 입사한 광이 하부 편광필름(15)에 의해 90도로 선편광되고, 하부 편광필름(15)을 통과하여 90도로 선편광된 광은 제 1 하부 보상필름(λ/2,105도)(16)에 의해 120도로 위상이 변하고 제 2 하부 보상필름(λ/2,165도)(17)에 의해 30도로 위상이 변한다. 이후, 액정층(λ/2,30도)(13)을 그대로 통과하고, 상부 보상필름(λ/2,15도)(12)을 통과하여 0도로 선형편광되어 최종적으로 상부 편광필름(11)의 편광축과 동일한 방향의 광을 출광한다. 따라서, 최종적으로 상부 편광필름을 통과하여 화이트 상태를 구현하다.
즉, 제 1 ,제 2 하부 보상필름을 통과한 백라이트 광은 30도로 선편광되기 때문에 편광상태 변화없이 30도로 재배열된 액정층을 그대로 통과하게 되며, 이후 상부 보상필름에 의해 0도 선형 편광상태가 되어 화이트 상태가 구현된다.
상기와 같은 광학적 설계구조를 가지는 액정표시소자에 대해 가시광선 전 파장에 대해서 투과율 또는 반사율을 측정한 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 블랙 상태와 화이트 상태에서 반사율 또는 투과율의 세기가 전 파장에 대해 균일한 것으로 보아, 종래에 비해 분산특성이 향상되었음을 알 수 있다. 특히, 투과부의 블랙 상태에서의 분산특성이 매우 향상되었음을 알 수 있다. 이와같이, 상부 보상필름과 제 1 ,제 2 보상필름의 상호간 보상에 의해 투과부에서의 블랙 상태가 매우 향상된다.
제 3 실시예
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 광학구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 광학구조의 분산특성을 도시한 그래프이다.
제 3 실시예에 의한 IPS 모드 반투과형 액정표시소자는, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, TFT 어레이 기판과 컬러필터층 어레이 기판 사이에서 75도 방향으로 초기배향되고 듀얼셀갭으로 구성되어 반사부 및 투과부에서 각각 λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지고 전계를 인가했을 때 45도 수평 스위칭하여 75도 위치에서 120도 위치로 재배열되는 액정층(23)과, 반사부에 한하여 액정층 저면에 구비된 반사전극(24)과, 상기 컬러필터층 어레이 기판 외측면에 부착되어 편광축이 0도 방향인 상부 편광필름(21)과, 상기 TFT 어레이 기판의 외측면에 부착되어 편광축이 30도 방향인 하부 편광필름(25)과, 상기 컬러필터층 어레이 기판과 상부 편광필름 사이에 구비되어 λ/2의 위상차 값을 가지고 광축이 15도 방향인 상부 보상필름(22)과, 상기 TFT 어레이 기판과 하부 편광필름 사이에 적층되어 λ/2의 위상차 값을 가지고 광축이 각각 105도 및 165도 방향인 제 1 ,제 2 하부 보상필름(26,27)으로 구성된다.
즉, 제 3 실시예는 75도로 초기배열된 액정층에 전계를 인가했을때, 30도로 재배열되는 제 2 실시예와 달리, 120도로 재배열되는 것을 특징으로 하는바, 전계 를 인가하지 않고 블랙 상태를 구현할 때의 광경로는 제 2 실시예와 동일하다.
구체적으로, 반사부에 인가된 외부자연광의 광경로를 살펴보면, 도 7a에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태), 상부 편광필름(21)에 의해 0도 방향의 외부 자연광만이 입사되고, 상부 보상필름(λ/2,15도)(22)에 의해 30도 선편광된 후, 액정층(λ/4,75도)(23), 반사전극(24), 액정층(λ/4,75도)(23)을 순차적으로 지나 결국 λ/2만큼의 위상변화가 생겨 120도로 선편광된다. 120도로 선편광된 빛은 상부 보상필름(λ/2,15도)(22)을 통과하면서 90도 선형 편광상태로 변하고, 상부 편광필름의 편광축과 90도를 이루는 광이 상부 편광필름(21)을 통과하지 못하여 블랙 상태가 구현된다.
그리고, 반사부에 있어서, 액정을 구동한 경우(ON상태), 수평전계(횡전계)를 인가하면 액정층 분자들이 평균적으로 45도 회전하여 75도 위치에서 120도 위치로 재배열되는데, 상부 편광필름(21) 및 상부 보상필름(λ/2, 15도)(22)을 통과하여 30도로 선편광된 광은 광축의 변화없이 다시 액정층(λ/4,120도)(23), 반사전극(24), 액정층(λ/4,120도)(23)을 순차적으로 지나 그대로 통과하고, 이후 상부 보상필름(λ/2,15도)(22)을 통과하여 0도 선형편광되어 최종적으로 상부 편광필름(21)의 편광축과 동일한 방향의 광을 출광한다. 따라서, 최종적으로 상부 편광필름을 통과하여 화이트 상태를 구현하다.
즉, 상부 보상필름(λ/2, 15도)(22)을 지나 30도 선형 편광된 빛은 액정층의 광축과 수직을 이루어 편광상태의 변화가 없기 때문에, 결국 상부 편광필름을 통과한 광은 λ/2필름을 두 번 통과한 것과 같아서 0도 선형 편광상태가 되어 화이트 상태가 구현된다.
한편, 투과부는 위상 보상법을 이용한 설계 구조로서, 투과부의 액정층을 중심으로 상부와 하부의 층이 상호간 보상을 하므로 완벽한 블랙 상태의 구현이 가능하다.
구체적으로, 투과부에 인가된 백라이트광의 광경로를 살펴보면, 도 7b에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태), 하부 백라이트로부터 하부 편광필름(25)으로 입사하여 90도로 선편광된 광이 제 1 하부 보상필름(λ/2,105도)(26)에 의해 120도로 위상이 변하고 제 2 하부 보상필름(λ/2,165도)(27)에 의해 30도로 위상이 변한다. 이후, 액정층(λ/2,75도)(23)에 의해 120도로 위상이 다시 변한후, 상부 보상필름(λ/2,15도)(22)을 통과하여 90도로 선편광된다. 따라서, 상부 편광필름의 편광축과 90도를 이루는 광이 상부 편광필름(21)을 통과하지 못하여 블랙 상태가 구현된다.
그리고, 투과부에 있어서, 액정을 구동(ON상태)하여 수평전계(횡전계)를 인가하면 액정층 분자들이 평균적으로 45도 회전하여 75도 위치에서 120도 위치로 재배열되는데, 하부 백라이트에서 입사한 광이 하부 편광필름(25)에 의해 90도로 선편광되고, 하부 편광필름(25)을 통과하여 90도로 선편광된 광은 제 1 하부 보상필름(λ/2,105도)(26)에 의해 120도로 위상이 변하고 제 2 하부 보상필름(λ/2,165도)(27)에 의해 30도로 위상이 변한다. 이후, 액정층(λ/2,120도)(23)을 그대로 통과한 후, 상부 보상필름(λ/2,15도)(22)을 통과하여 0도로 선형편광되어 최종적으로 상부 편광필름(21)의 편광축과 동일한 방향의 광을 출광한다. 따라서, 최종적으 로 상부 편광필름을 통과하여 화이트 상태를 구현하다.
즉, 제 1 ,제 2 하부 보상필름을 통과하여 30도로 선편광된 광은, 액정층의 광축이 수직을 이루는 120도로 배열되어 있기 때문에, 편광상태 변화없이 액정층을 그대로 통과하게 되며, 이후 상부 보상필름에 의해 0도 선형 편광상태가 되어 화이트 상태가 구현된다.
상기와 같은 광학적 설계구조를 가지는 액정표시소자에 대해 가시광선 전 파장에 대해서 투과율 또는 반사율을 측정한 결과, 도 8에 도시된 바와 같이, 블랙 상태와 화이트 상태에서 반사율 또는 투과율의 세기가 전 파장에 대해 균일한 것으로 보아, 종래에 비해 분산특성이 향상되었음을 알 수 있다. 특히, 투과부의 블랙 상태와 반사부의 화이트 상태에서의 분산특성이 매우 향상되었음을 알 수 있다.
이하에서는, 액정층의 스위칭 방향, 제 1 ,제 2 하부 보상필름의 광축, 하부 편광필름의 광축을 다르게 하면서 소자의 투과율과 반사율을 서로 비교해보기로 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 소자의 구성요소들을 나타낸 구성도이고, 도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 의한 투과율을 서로 비교한 그래프이며, 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 의한 반사율을 서로 비교한 그래프이다.
구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 구성 1,4의 경우 75도로 초기배열된 액정층이 수직으로 배열되도록 하고, 구성 2,5,8의 경우 75도로 초기배열된 액정층이 30도로 배열되도록 하며, 구성 3,6,9의 경우 75도로 초기배열된 액정층이 120도로 배열되도록 하였다. 공통적으로, 투과부의 액정층은 λ/2의 위상지연을 가지도 록 하고, 반사부의 액정층은 λ/4의 위상지연을 가지도록 듀얼셀갭으로 구성하였다.
그리고, 구성 1,2,3의 경우 제 1 ,제 2 하부 보상필름을 구비하지 않았고, 구성 4,5,6의 경우 제 1 하부 보상필름은 구비하지 않고 제 2 하부 보상필름은 광축이 15도 방향이 되도록 구비하며, 구성 7,8,9의 경우 제 1 하부 보상필름은 광축은 105도 방향이 되도록 구비하고 제 2 하부 보상필름은 165도 방향이 되도록 구비하였다. 제 1 ,제 2 하부 보상필름은 공통적으로, λ/2 필름을 사용하였다.
또한, 구성 1,2,3의 경우 하부 편광필름의 편광축이 30도 방향이 되도록 하고, 구성 4,5,6의 경우 하부 편광필름의 편광축이 0도 방향이 되도록 하며, 구성 7,8,9의 경우 하부 편광필름의 편광축이 90도 방향이 되도록 하였다.
상기 이외의 구성요소는 모두 동일하게 구비하였는데, 상부 편광필름은 편광축이 0도 방향이 되도록 하고, 상부 보상필름(λ/2)은 15도 방향이 되도록 하였다.
그 결과, 투과부의 화이트 상태에 있어서, 도 10a에 도시된 바와 같이, 구성 7, 구성 4, 구성 5, 구성 8, 구성 9, 구성 1,2,3, 구성 6의 순서대로 전파장에 대한 투과율 분산 특성이 우수하였고, 블랙 상태에 있어서, 도 10b에 도시된 바와 같이, 구성 1,2,3, 구성 4,5,6, 구성 7,8,9의 순서대로 전파장에 대한 투과율 분산 특성이 우수하였다.
이와같이, 상부 보상필름과 제 1 ,제 2 하부 보상필름을 모두 구비하였을 때(구성 7,8,9), 이들의 상호간 보상에 의해 블랙 상태에서의 분산특성이 매우 향상됨을 확인할 수 있었다.
그리고, 반사부의 화이트 상태에 있어서, 도 11a에 도시된 바와 같이, 구성 1,4,7, 구성 2,5,8, 구성 3,6,9의 순서대로 전파장에 대한 반사율 분산특성이 우수하였고, 블랙 상태에 있어서, 도 11b에 도시된 바와 같이, 모든 구성이 동일한 반사율을 가지고 있었다. 반사부에서는 외부자연광이 상부 편광필름, 상부 보상필름, 및 액정층만 통과하게 되므로 구성 1,4,7, 구성 2,5,8, 구성 3,6,9 끼리 동일한 결과를 나타내었으며, 액정층이 전계에 의해서 120도로 재배열된 경우 반사율이 가장 우수하였음을 알 수 있었다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 반투과형 액정표시소자는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 광시야각 IPS 모드를 이용하여 반투과 구현이 가능하도록 반투과 액정표시소자에 대한 새로운 광학설계구조를 도출해내었다.
둘째, 상기 새로운 광학설계구조에 의해서 종래에 비해 투과부 및 반사부의 분산 특성이 향상되었고, 특히 투과부의 블랙 상태에서의 분산특성 및 반사부의 화이트 상태에서의 분산특성이 향상되었다.

Claims (15)

  1. 서로 대향합착되어 그 사이에 반사부 및 투과부에서 각각 λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지는 액정층이 형성되어 있는 상,하부 기판과,
    상기 하부 기판의 반사부에 한하여 형성되는 반사전극과,
    상기 상부 기판의 외측면에 부착되는 상부 편광필름과,
    상기 하부 기판의 외측면에 부착되는 하부 편광필름과,
    상기 상부 기판과 상부 편광필름 사이에 구비되는 상부 보상필름과,
    상기 하부 기판과 하부 편광필름 사이에 구비되는 하부 보상필름을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 보상필름은 λ/2의 위상차 값을 가지는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 보상필름은 λ/2의 위상차 값을 가지는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정층은 투과부의 셀갭과 반사부의 셀갭이 약 2:1의 비를 가지는 듀얼셀갭으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 보상필름은 상기 하부 편광필름으로부터 제 1 ,제 2 하부 보상필름이 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 상부 편광필름은 0도의 편광축을 가지고,
    상기 액정층은 75도로 초기 배향되고,
    상기 하부 편광필름은 90도의 편광축을 가지고,
    상기 상부 보상필름은 15도의 광축을 가지고,
    상기 제 1 하부 보상필름은 105도의 광축을 가지며,
    상기 제 2 하부 보상필름은 165도의 광축을 가지는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 액정층은 수직전계에 의해 수직 스위칭되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 액정층은 수평전계에 의해 30도로 재배열되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 액정층은 수평전계에 의해 120도로 재배열되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 편광필름은 0도의 편광축을 가지고,
    상기 액정층은 75도로 초기 배향되고,
    상기 하부 편광필름은 0도의 편광축을 가지며,
    상기 상부 보상필름 및 하부 보상필름은 각각 15도의 광축을 가지는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 액정층은 수직전계에 의해 수직 스위칭되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 액정층은 수평전계에 의해 30도로 재배열되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 액정층은 수평전계에 의해 120도로 재배열되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 기판 상에서 수직교차하여 반사부와 투과부로 구성되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과,
    상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터와,
    상기 박막트랜지스터에 연결되는 화소전극과,
    상기 화소전극에 평행하여 수평전계를 형성하는 공통전극이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 기판 상에서 수직교차하여 반사부와 투과부로 구성되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과,
    상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터 와,
    상기 박막트랜지스터에 연결되는 화소전극과,
    상기 상부 기판 상에서 상기 화소전극에 대향하여 수직전계를 형성하는 공통전극이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
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