KR20070086425A - 액정 디스플레이 및 디스플레이 휘도 조정 방법 - Google Patents

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KR20070086425A
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이스트맨 코닥 캄파니
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Abstract

본 발명에 따른 액정 디스플레이는, 실질적으로 편광되지 않은 조명을 제공하는 백라이트 유닛(56)과, 입사하는 실질적으로 편광되지 않은 조명을 수신하도록 백라이트 유닛(56)에 근접하고 실질적으로 편광된 조명을 투과시키는 후방 편광판(50b)을 구비한다. 액정 공간 광 변조기(54a, 54b)는 실질적으로 편광된 조명의 편광의 선택적인 픽셀-방향 변조에 의해 변조된 빔을 형성한다. 컬러 필터 어레이(60)는 LC 공간 광 변조기(54a, 54b)로부터 변조된 빔 중 선택된 파장을 투과시킨다. 전방 편광판(50a)은 투과축을 갖고, 투과축에 정렬하여 편광된 변조된 빔의 일부를 투과시킨다. 반사성 편광 소자(52a)는 액정 공간 광 변조기(54a, 54b)와 전방 편광판(50a) 사이에 배치되어, 어두운 상태 광의 일부를 백라이트 유닛(56)을 향해 재반사시킨다.

Description

액정 디스플레이 및 디스플레이 휘도 조정 방법{DARK STATE LIGHT RECYCLING FILM AND DISPLAY}
본 발명은 전반적으로 편광판을 사용하는 컬러 LCD 디스플레이에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 어두운 상태의 광이 재순환되거나 그렇지 않은 경우 컬러 필터 어레이 또는 LCD의 전방 편광판에 의해 흡수될 수 있도록 반사성 컬러 필터 어레이 및 반사성 편광판을 조합하여 사용하는 LCD 디스플레이에 관한 것이다.
종래의 액정 디바이스(LCD) 디스플레이는 디스플레이 표면에 입사하는 조명의 편광 상태를 변조함으로써 이미지를 형성한다. 전형적인 후면발광 LCD 디스플레이에서, 후방 편광판을 포함하는 편광판의 배열은 LCD와 광원 사이의 LCD 변조를 돕도록 사용되어 LCD 공간 광 변조기 및 검광자로서의 역할을 하는 전방 편광판에 편광된 광을 제공한다. (정의에 의해, 전방 편광판은 사용자에게 가장 가까운 평광판으로 지정된다.) 동작시에, 디스플레이 상의 각 픽셀은, 전방 편광판의 투과축(transmission axis)에 따라 정렬된 변조된 광이 디스플레이에서 방사되는 밝은 상태(light state) 또는 전방 편광판의 투과축에 따라 정렬되지 않은 광이 방사되 지 않도록 효과적으로 차단된 어두운 상태(dark state)를 가질 수 있다.
도 11을 참조하면, 각 픽셀로의 편광된 광의 입사를 조절하는 액정 디스플레이의 주요 소자의 양식이 도시된 개략적인 형태는 이어지는 설명에서 사용되는 심볼과 그래픽 관례를 도시한다. 직교하는 P-와 S-편광 상태는 각각 선분 또는 원으로 표기되고, 입사광의 방향을 나타내는 화살표 상에 중복된다. 투과축은 양방향 화살표 또는 원에 의해 유사하게 표기된다. 흡수성 편광판(50a, 50b)은, 자신의 편광축을 따라 정렬된 편광된 광을 투과시키고 직교하게 배향된 편광된 광을 흡수한다. 비교해보면, 반사성 편광판(52a, 52b)은 자신의 편광축을 따라 정렬된 편광된 광을 투과시키고 직교하게 배향된 편광된 광을 반사시킨다. 개별적인 LC 소자(54a, 54b)는 실질적으로 편광된 조명 광선을 픽셀 방향으로(in pixel-wise fashion) 변조함으로써 입사 광선을 변조시킨다. 본 명세서에서 사용된 관례에 따르면, 오프 상태의 LC 소자(54a)는 입사광의 편광을 회전시킨다. 온 상태의 LC 소자(54b)는 입사광의 편광을 회전시키지 않는다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 일반적인 명칭 "LC 소자"는 LCD 공간 광 변조기 자체 상의 광-변조 소자에 대해 적용된다. LCD 공간 광 변조기는 LC 소자(54a, 54b)의 어레이로 간주될 수 있다.
LCD 공간 광 변조기에 의해 변조되는 임의의 픽셀에는 "밝은 상태" 및 "어두운 상태"의 두 가지 가능한 상태가 존재한다. 본 명세서에서, "어두운 상태" 및 "밝은 상태"는 픽셀 상태를 기술하는 데에 사용되며, 전술된 "온 상태" 및 "오프 상태"는 표시된 픽셀 상태가 아닌, LC 소자 자신의 편광 활동을 지칭하는 것이다.
각 유형의 LCD 공간 광 변조기의 특성이 각 LC 소자의 온 상태가 그것의 상 응하는 픽셀에 어두운 상태 또는 밝은 상태를 제공할지 여부를 결정함을 준수하는 것은 중요하다. 전술된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 예는 하기와 같은 관례를 사용한다.
(ⅰ) 온 상태의 LC 소자(54b)는 어두운 상태의 픽셀을 제공한다,
(ⅱ) 오프 상태의 LC 소자(54a)는 밝은 상태의 픽셀을 제공한다.
그러나, 온 상태 및 오프 상태를 밝은 상태의 픽셀과 어두운 상태의 픽셀에 반대로 짝짓는 것 또한 가능하다. 본 명세서에서의 이어지는 설명에 대해, 특정한 예외가 언급되지 않는 한, 상기에 설명된 도 11에 도시된 관례가 적용된다.
편광 및 편광된 광 재순환을 위한 지지 소자뿐 아니라, 전형적인 애플리케이션에서 LC 소자는 컬러 필터 어레이(CFA: color filter array)를 구비한다. 도 1은 전방 편광판(50a), 후방 편광판(50b), 백라이트 유닛(56), 반사성 필름(57) 및 S-편광(원)을 P-편광(선분)으로, 또한 역으로 P-편광을 S-편광으로 변환시키는 오프 상태의 LC 소자(54a)를 구비하는 LCD 디스플레이(10)의 종래의 배열을 도시한 도면이다. 온 상태 LC 소자(54b)는 편광 변환을 수행하지 않는다. 오프 상태 LC 소자(54a) 및 온 상태 LC 소자(54b) 모두 각 픽셀의 세 가지 색상 성분에 대해 세 개의 분리된 섹션으로 구분되어 도시되었다. LC 소자(54a) 및 온 상태 LC 소자(54b)의 어레이에 의해 형성된 변조된 빔의 경로에서, 컬러 필터 어레이(60)는 적색에 대해 (60r), 녹색에 대해 (60g), 청색에 대해 (60b)로 표기된 상응하는 컬러 필터의 배치를 제공한다. (단순화를 위해, 개별적인 컬러 필터(60r, 60g, 60b)는 오직 연속적인 도면에서 필요로 할 때에만 표기된다.) 종래의 LC 소자 설계에 서, 컬러 필터 어레이(60)의 소자 컬러 필터(60r, 60g, 60b)는 흡수성이다.
잘 알려진 바와 같이, 디스플레이 이미지는 전형적으로 변조된 빔 내의 조합된 복수의 색상(예를 들어, 적색+녹색+청색)을 사용하여 형성된다. 보다 간단한 설명을 위해, 한번에 오직 한 색상의 광(전형적으로 적색, 녹색, 청색)의 취급을 도시하도록 도 1-10D가 단순화되었다. 실제로는, 복수의 색상이 도 1-10D의 실시예에서 기술된 바와 같이 취급될 수 있다.
편광되지 않은 광은 백라이트(56)로부터 방사된다. 이러한 밝은 상태에서, 오직 S-편광을 갖는 광만이 후방 편광판(50b)을 통해 투과된다. 각각의 적색(R), 녹색(G) 또는 청색(B) 소자에 대한 의도된 광은 컬러 필터 어레이(60)의 상응하는 소자 컬러 필터(60r, 60g, 60b)를 통해 투과되고, 다른 색상은 다른 두 소자 컬러 필터(60r, 60g, 60b)에 의해 흡수된다. 오프 상태 LC 소자(54a)를 통해 투과된 P-편광된 광만이 전방 편광판(50a)을 통해 투과되고, S-편광된 광은 전방 편광판(50a)에 의해 흡수된다.
후방 편광판(50b)에 의한 흡수와 컬러 필터 어레이(60)에 의한 흡수에 의해, 입수가능한 광의 약 1/6만이 단일 광 픽셀에 대해 출력에서 제공될 수 있다. 각각의 광 픽셀에 대해 입수가능한 광량이 증가한 소자 배열이 바람직할 것이라는 점을 쉽게 이해될 것이다.
도 2를 참조하면, 편광 재순환에 의해 입수가능한 광이 증가한 종래의 LC 디스플레이(10)의 배열이 도시되었다. 여기에서, 반사성 편광판(52b)은 백라이트 유닛(56)과 후방 편광판(50b) 사이에 배치된다. 이러한 배치는 입수가능한 휘도에 있어서 도 1의 종래의 배치에 비하여 대략 2X 증가를 제공한다.
추가적인 휘도 증가는, 도 3a의 예시에서 도시된 바와 같이, 반사성 컬러 필터 어레이(62b)를 사용하여 컬러 재순환에 의해 획득될 수 있다. 반사성 컬러 필터 어레이(62b)를 사용하여, 컬러 필터 어레이(60)에서의 흡수에 대한 필요성이 크게 감소되고 보다 많은 광이 제공되어 도 1의 종래의 배치에 비교하여 약 3X 휘도 증가를 나타낸다. 도 3b는 후방 편광판(50b)과 LC 소자 사이의 반사성 컬러 필터 어레이(62b)를 사용하는 다른 배치를 도시한다. 후방 편광판(50b)이 흡수성이고 반사성 컬러 필터 어레이(62b)에 의한 광 재순환의 경로에 있기 때문에, 하나의 광 픽셀에 있어서, 도 3b의 배치는 도 3a의 배치에서의 휘도의 약 절반을 나타낸다. 편광 및 컬러 재순환은, 2002년 Eurodisplay 305-308페이지의 R. T. Wegh, C. Doornkamp 및 J. Lub에 의한 "CHOLESTERIC COLOUR FILTERS FOR REFLECTIVE AND TRANSMISSIVE LCDs"이라는 제목의 논문에 개시된 바와 같이, 단일 필름 소자에 의해 제공될 수 있다. 도 4a를 참조하면, Wegh 외 다수의 논문에서 개시된 바와 같이, 반사성 편광 컬러 필터 어레이(RPCFA)(63b)를 사용하는 종래의 LC 디스플레이(10) 배치가 개략적으로 도시되었다. 도 4b 및 4c는 RPCFA(63b)의 서로 다른 두 가지 배치를 도시한다. 도 4b에서, RPCFA(63b)는 백라이트 유닛(56)에 대해서 자신의 반사성 편광판(52b) 위에 존재하는 반사성 컬러 필터 어레이(62b)를 구비한다. 도 4c에서, 백라이트 유닛(56)에 대해서 반사성 편광판(52b)이 반사성 컬러 필터 어레이(62b)의 위에 존재하는 역전된 배치가 사용된다. 이러한 성분은 1/4-파 플레이트(quarter-wave plate)도 포함한다.
전술된 설명에서 이해할 수 있는 바와 같이, 반사성 편광판과 반사성 컬러 필터 어레이는 LC 디스플레이 디바이스의 광 출력을 증가시키는 것을 도울 수 있다. 종래의 실시에서, 도 2, 3a, 3b, 4b, 및 4c에서 도시된 바와 같이, LC 디스플레이(10)의 층형 배치에서 이러한 필름 소자의 배치에 대해 다수의 경험법칙(rules of thumb)을 적용한다:
(ⅰ) 반사성 편광판(52b)은 백라이트 유닛(56)과 후방 편광판(50b) 사이에 위치한다. 그렇지 않으면, 후방 편광판(50b)은 입사광의 절반, 즉 자신의 투과축에 직교하는 편광 상태를 갖는 광을 흡수해야만 한다.
(ⅱ) 반사성 컬러 필터 어레이(62b)는 백라이트 유닛(56)과 LC 소자(54a/54b) 사이에 위치한다.
또한, 종래의 실시는 반사성 편광 컬러 필터 어레이(RPCFA)(63b)의 위치를 백라이트 유닛(56)과 LC 소자(54a/54b) 사이의 위치로 지시할 것이다.
도 2a 내지 도 2d에서 요약된 바와 같이, 반사성 편광판을 사용하는 종래의 배열은 다음을 포함하는 다수의 특허 명세서에서 기술되었다.
Hara에 의한 발명의 명칭 "POLARIZING ELEMENT, OPTICAL ELEMENT, AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY"의 미국 특허 제 6,661,482호,
Ouderkirk 외 다수에 의한 발명의 명칭 "REFLECTIVE POLARIZER DISPLAY"의 미국 특허 제 5,828,488호,
Weber 외 다수에 의한 발명의 명칭 "BRIGHTNESS ENHANCING REFLECTIVE POLARIZER"의 미국 특허출원 공보 2003/0164914,
Maeda에 의한 발명의 명칭 "LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE AND ELECTRONIC APPARATUS"의 미국 특허출원 공보 2004/0061812.
디스플레이가 사용되는 방법에 따라, 특정한 효과를 획득하기 위해 서로 다른 유형의 편광판을 LC 디스플레이와 함께 사용하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, Kotchick 외 다수에 의한 미국 특허 제 6,642,977호의 발명의 명칭 "LIQUID CRYSTAL DISPLAY WITH REPOSITIONABLE FRONT POLARIZERS"에서 휴대용 디바이스를 위한 액정 디스플레이 모듈이 개시되었으며, 전방 편광판은 다수의 유형 중 임의의 유형일 수 있으며 디스플레이 가시성을 위해 적합하게 경사지거나 배치될 수 있다. 유사하게, Sahouani 외 다수에 의한 미국 특허출원 제 2003/0016316호의 발명의 명칭 "INTERCHAGEABLE POLARIZERS FOR ELECTRONIC DEVICES HAVING A LIQUID CRYSTAL DISPLAY"에서는 적합한 디스플레이 효과를 획득하도록 서로 다른 유형의 전방 편광판이 탈착가능하게 상호교환될 수 있는 디바이스 배열에 관해 개시한다. Kotchick 외 다수에 의한 미국 특허 제 6,642,977호 및 Sahouani 외 다수에 의한 미국 특허출원 제 2003/0016316호에 개시된 가능한 배열은 LC 디스플레이에 있어서 전방 편광판으로서 반사성 편광판을 사용하는 것이다. Kotchick 외 다수에 의한 미국 특허 제 6,642,977호 및 Sahouani 외 다수에 의한 미국 특허출원 제 2003/0016316호의 명세서 모두 이러한 배열은 휘도 및 효율의 향상과는 관계없이 특별히 "금속성" 외관을 나타내는 것이 의도되는 경우 외에는, 대부분의 경우에서 바람직하지 않음을 강조한다는 점을 주의해야 한다. Kotchick 외 다수에 의한 미국 특허 제 6,642,977호 및 Sahouani 외 다수에 의한 미국 특허출원 제 2003/0016316호의 명세 서 모두 도 2의 배열에 도시된 바와 같이 향상된 휘도 및 효율을 위해 반사성 편광판(52b)을 조명 소스인 백라이트 유닛(56)과 후방 편광판(50b) 사이에서 사용하는 확립된 관습을 보여준다. 확립된 관습은 분명히 LC 소자(54a/54b)의 시야 면 상에 반사성 편광판(52b)을 사용하지 않으며, 이것은 "금속성으로 보이는"의 디스플레이 외관이 요구되는 경우를 제외하고는 전방 편광판(50a)을 대체하는 것이 바람직하지 않다. 전방 편광판(50a)을 대체하여 반사성 편광판을 사용하는 것은 명암 대비 비율에 큰 손실을 일으키며, 휘도의 증가함으로써 가능한 이익을 제거한다.
반사성 편광판, 반사성 컬러 필터 어레이 및 RPCFA의 종래의 배치가 LC 디스플레이에 대해 증가된 효율 및 휘도를 제공하지만, 현존하는 설계에 대한 추가 비용 또는 복잡도의 증가 없이 디스플레이 휘도를 향상시켜야 할 필요성이 인식된다.
따라서 향상된 효율 및 개선된 휘도를 갖는 LC 디스플레이에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 휘도와 효율을 향상시킬 수 있는 LC 디스플레이를 제공하는 것이다. 이러한 목표를 위해, 본 발명은
(a) 조명을 제공하는 백라이트 유닛과,
(b) 입사하는 조명을 수신하도록 백라이트 유닛에 근접하게 배치되고 실질적으로 편광된 조명을 투과시키는 후방 편광판과,
(c) 실질적으로 편광된 조명의 편광의 선택적인 픽셀-방향 변조에 의해 변조된 빔을 형성하는 액정 공간 광 변조기(a liquid crystal spatial light modulator)와,
(d) LC 공간 광 변조기로부터 변조된 빔 중 선택된 파장을 투과시키는 컬러 필터 어레이와,
(e) 투과축을 갖고, 투과축에 정렬하여 편광된 변조된 빔의 일부를 투과시키는 전방 편광판과,
(f) 액정 공간 광 변조기와 전방 편광판 사이에 배치되어, 어두운 상태 광의 일부를 백라이트 유닛을 향해 재반사시키는 반사성 편광판을 포함하는
LC 디스플레이를 제공한다.
본 발명의 특징은 어두운 상태의 광을 반사시켜 재사용하도록 반사성 편광판과 컬러 필터 어레이가 변조된 빔 내에 배치된다는 점이다.
본 발명의 장점은 종래의 설계에 비해 LC 디스플레이 휘도와 효율에 있어서 증가된 향상을 제공한다는 점이다.
도 1은 전방 편광판, 후방 편광판 및 흡수성 컬러 필터 어레이를 구비하는 LCD 디스플레이를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 2는 전방 편광판, 후방 편광판, 반사성 편광판 및 흡수성 컬러 필터 어레 이를 구비하는 LCD 디스플레이를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 3a 및 3b는 전방 편광판, 후방 편광판, 흡수성 컬러 필터 어레이 및 반사성 컬러 필터 어레이를 구비하는 LCD 디스플레이의 실시예를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 4a는 전방 편광판, 후방 편광판, 반사성 편광 컬러 필터 어레이 및 흡수성 컬러 필터 어레이를 구비하는 LCD 디스플레이를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 4b 및 4c는 전방 편광판, 후방 편광판, 가능한 두 가지 배열로 각각 도시된 반사성 편광 컬러 필터 어레이 및 흡수성 컬러 필터 어레이를 구비하는 LCD 디스플레이를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 5a는 전방 편광판, 후방 편광판, 반사성 편광판 및 흡수성 컬러 필터 어레이를 구비하는 본 발명의 LCD 디스플레이의 실시예를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 5b는 전방 편광판, 후방 편광판, 반사성 편광판 및 흡수성 컬러 필터 어레이를 구비하는 본 발명의 LCD 디스플레이의 실시예를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 6은 전방 편광판, 후방 편광판, 반사성 컬러 필터 어레이 및 흡수성 컬러 필터 어레이를 구비하는 LCD 디스플레이의 비교적인 예시를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 7a, 7b 및 도 7c는 전방 편광판, 후방 편광판, 반사성 편광판과 반사성 컬러 필터 어레이를 포함하는 반사성 편광 컬러 필터 어레이 및 흡수성 컬러 필터 어레이를 구비하는 본 발명의 LCD 디스플레이의 실시예를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 8a 및 8b는 전방 편광판, 후방 편광판, 한 쌍의 반사성 편광판 및 흡수성 컬러 필터 어레이를 구비하는 본 발명의 LCD 디스플레이의 실시예를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 9a 및 9b는 전방 편광판, 후방 편광판, 반사성 편광판, 반사성 컬러 필터 어레이 및 흡수성 컬러 필터 어레이를 구비하는 본 발명의 LCD 디스플레이의 실시예를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 10a, 10b, 10c 및 10d는 전방 편광판, 후방 편광판, 반사성 편광판, 흡수성 컬러 필터 어레이 및 가능한 두 가지 배열의 반사성 편광 컬러 필터 어레이를 구비하는 본 발명의 LCD 디스플레이의 실시예를 도시하여 어두운 상태 및 밝은 상태 픽셀에서의 광 반응을 나타낸 개략적인 단면도,
도 11은 본 발명의 소자에 대한 명칭, 심볼 및 반응을 도시한 단면도의 셋(set),
도 12a는 전형적인 이미지에 대한 픽셀의 패턴을 도시한 평면도,
도 12b는 하나는 오프 상태(off state)이고 하나는 온 상태(on state)인 두 개의 인접한 LC 소자를 도시한 개략적인 단면도,
도 13a는 본 발명의 주요 원리에 따라, 전방 편광판과 후방 편광판을 구비하는 밝은 상태에서의 LCD 디스플레이의 LC 소자 및 전방 편광판과 LC 소자 사이의 반사성 편광판을 도시한 개략적인 단면도,
도 13b는 본 발명의 주요 원리에 따라, 전방 편광판과 후방 편광판을 구비하는 어두운 상태에서의 LCD 디스플레이의 LC 소자 및 전방 편광판과 LC 소자 사이의 반사성 편광판을 도시한 개략적인 단면도,
도 14a는 전방 편광판과 후방 편광판을 구비하는 밝은 상태에서의 LCD 디스플레이의 LC 소자를 도시한 개략적인 단면도,
도 14b는 전방 편광판과 후방 편광판을 구비하는 어두운 상태에서의 LCD 디스플레이의 LC 소자를 도시한 개략적인 단면도,
도 15a-15c는 전반적인 어두운 픽셀 대 밝은 픽셀 비율에 기초한 상대적인 효율 이득을 도시한 그래프,
도 16은 본 발명의 방법을 사용하여 투과율에 대해 계산된 이득을 도시한 표,
도 17a는 전방 편광판, 후방 편광판 및 반사성 편광판을 구비하는 종래의 배열의 밝은 상태에서의 LCD 디스플레이의 LC 소자를 도시한 개략적인 단면도,
도 17b는 전방 편광판, 후방 편광판 및 반사성 편광판을 구비하는 종래의 배열의 어두운 상태에서의 LCD 디스플레이의 LC 소자를 도시한 개략적인 단면도,
도 18a 및 18b는 후방 편광판과 백라이트 유닛 사이에 제 2 반사성 편광판을 사용하는 본 발명의 실시예 셋의 동작 원리를 도시한 개략적인 단면도,
도 19는 일 실시예에서 휘도 제어에 사용되는 소자의 개략적인 블록도,
도 20은 전반적인 이미지 휘도에 기초하여 백라이트 유닛 휘도를 적용하는데에 사용되는 논리의 순서도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : LCD 디스플레이 12 : 광 픽셀
14 : 어두운 픽셀 20 : LCD 디스플레이
40 : 반사성 편광 소자 50a : 전방 흡수성 편광판
50b : 후방 흡수성 편광판 52a : 반사성 편광판
52b : 반사성 편광판 54 : 액정 공간 광 변조기
54a : 오프 상태의 LC 소자 54b : 온 상태의 LC 소자
56 : 백라이트 유닛 57 : 반사성 필름
60 : 흡수성 컬러 필터 어레이(CFA)
62a, 62b : 반사성 컬러 필터 어레이
63a, 63b : 반사성 편광 컬러 필터 어레이
65 : 선형적 편광 백라이트 유닛
67 : 색상 분리 백라이트 유닛
70 : 제어 논리 프로세서
72 : 드라이브 회로
100 : 데이터 획득 단계
110 : 어두운 픽셀의 백분율 계산 단계
120 : 휘도 레벨 계산 단계
130 : 드라이브 신호 조정 단계
본 명세서는 본 발명의 주제를 특별히 지적하고 명백하게 주장하는 특허청구범위로 결론을 맺지만, 본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 하기의 설명으로부터 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서는 특히 본 발명에 따른 장치의 부분을 형성하거나, 또는 보다 직접적으로 관련되는 성분에 관한 것이다. 특별히 도시되거나 기술되지 않은 소자는 다양한 형태를 취할 수 있다는 점을 당업자는 이해할 것이다.
본 발명의 장치 및 방법은 어두운 상태의 광을 재순환시키는 하나 이상의 반사성 편광판과 컬러 필터 어레이를 함께 사용하여 LCD 디스플레이로부터 향상된 효율 및 휘도를 획득한다. 공통으로 양도되고, 2004년 9월 13일 출원된 계류 중인 Xiang-Dong Mi의 특허출원 발명의 명칭 "DARK STATE LIGHT RECYCLING FILM AND DISPLAY"의 USSN 10/939,656은 디스플레이 효율 및 휘도를 증가시키기 위한 어두운 상태 광 재순환의 개념과 응용을 소개하였다. 본 발명은 이러한 개념의 적용을 종래의 흡수성 유형과 반사성 유형 모두의 컬러 필터 어레이를 사용하는 LCD 디스프레이 구성으로 확장하였다. 또한, 본 발명은 LC 디스플레이 디바이스에서의 반사 성 편광 컬러 필터 어레이의 사용을 최적화하는 배치를 개시하였다.
상기의 배경기술 부분에서 기술된 바와 같이, 전방 편광판(50a) 대신 반사성 편광판을 사용하는 것은 휘도 또는 명암대비를 향상시키는 데에 바람직하다. 본 발명의 실시예는 다양한 LCD 디스플레이 구성에서 소정의 유형의 반사성 편광 소자를 사용한다. 반사성 편광 소자 자신은 단일 필름 시트와 같은 단일의 품목 또는 소자로 구현될 수 있으며, 또는 반사성 편광과 컬러 필터 소자의 일부 조합을 예를 들어 전술된 Wegh 외 다수의 논문에서 개시된 것과 유사한 보다 복잡한 반사성 편광 컬러 필터 어레이 내에서 결합하여 사용할 수도 있다. 본 발명의 다양한 각 실시예에서, 반사성 편광 소자는 액정 공간 광 변조기와 LCD 디스플레이 장치 내의 전방 편광판 사이에서, 변조된 빔의 경로 내에 배치된다.
어두운 상태 재순환
도 12a를 참조하면, 어두운 픽셀(14) 및 밝은 픽셀(12)을 갖는 LCD 디스플레이(20)의 일부분의 평면도가 도시되었다. 도 12a에 나타난 바와 같이, LCD 디스플레이(20)로부터의 변조된 빔에 의해 형성된 각 이미지는 어두운 픽셀(14)과 밝은 픽셀(12)의 백분율을 갖는다. 본 발명의 장치 및 방법은 어두운 픽셀(14)에 대해 광이 필요치 않고 이러한 광의 일부를 밝은 픽셀(12)로 방향을 돌린다는 장점을 갖는다. 이러한 작용은 도 12b에 요약되었으며, 도 12b는 어떻게 광이 온 상태 LC 소자(54b)에 의해 형성된 어두운 픽셀(14)로부터 방향이 변환되고, 오프 상태 LC 소자(54a)에 의해 형성된 밝은 픽셀(12)로 향하는가를 도시한다. 연속적으로 기술 된 실시예에서, 하나 이상의 컬러 필터 어레이가 새로운 유형의 컬러 필터 어레이 소자를 포함하는 이러한 계획에 추가된다.
실질적으로 어두운 상태 재순환이 수행되는 방법을 기술하기 위해, 다음과 같은 변수가 정의되었다.
I0 : 백라이트 유닛(56)으로부터의 광의 총 유량
x : 총 픽셀 개수에 대한 어두운 픽셀(14)의 백분율
1-x : 총 픽셀 개수에 대한 밝은 픽셀(12)의 백분율
T∥ : 투과축을 따라 편광된 광에 대한 흡수성 편광판(전방 편광판(50a) 및 후방 편광판(50b))의 투과율
Tlc : 액정 층의 투과율. 제 1 근사치로서, Tlc이 온-상태와 오프-상태에 대해 동일하다고 가정될 수 있다
Tf : 전방 흡수성 편광판(50a)과 LC 소자(54a/54b) 사이에 위치한 전방 반사성 편광판(52a)의 투과율
Rf : 전방 흡수성 편광판(50a)과 LC 소자(54a/54b) 사이에 위치한 전방 반사성 편광판(52a)의 반사율
Tr : 후방 흡수성 편광판(50b)과 LC 소자(54a/54b) 사이에 위치한 후방 반사성 편광판(52b)의 투과율
Rr : 후방 흡수성 편광판(50b)과 LC 소자(54a/54b) 사이에 위치한 후방 반사 성 편광판(52b)의 반사율
R : 백라이트 유닛(56)의 반사율
종래의 반사성 편광판이 없는 어두운 상태의 광 재순환
본 발명의 제 1 실시예에 따른 어두운 상태의 재순환은 도 13a 및 도 13b에서의 광 작용을 도 14a 및 도 14b의 종래의 배열에서의 광 작용에 비교함으로써 도시될 수 있다.
도 14a에 도시된 바와 같이 어두운 상태에서 광 재순환을 하지 않고, 1-x의 백분율을 갖는, 밝은 픽셀(12)로부터 발광된 광의 총 유량은 아래와 같다:
Figure 112007044396119-PCT00001
어두운 상태 광 재순환이 있을 때, 즉 반사성 편광판(52a)이 전방 흡수성 편광판(50a)와 LC 소자(54a/54b) 사이에 위치할 때, 1-x의 백분율을 갖는 밝은 픽셀(12)로부터의 광의 유량은 대략
Figure 112007044396119-PCT00002
이다(도 13a 참조).
x의 백분율을 갖는, 어두운 픽셀(14) 및 백라이트 유닛(56)으로부터 재반사된 유량은 대략
Figure 112007044396119-PCT00003
이다(도 13b 참조).
이러한 유량은 1-x의 다시 밝은 픽셀(12)을 향할 확률과, x의 다시 어두운 픽셀(14)을 향할 확률을 갖는다.
제 1 재순환 후에, 밝은 픽셀(12)로부터 나온 총 유량은,
Figure 112007044396119-PCT00004
이다.
제 2 재순환 후에, 밝은 픽셀(12)로부터 나온 총 유량은 다음과 같다.
Figure 112007044396119-PCT00005
그 다음, 밝은 픽셀(12)로부터 나온 총 유량은 다음과 같다.
Figure 112007044396119-PCT00006
이득은
Figure 112007044396119-PCT00007
으로 정의된다. 이상적인 경우에서, T∥, Tlc, Tf, Rf 및 R은 1과 같으며, 따라서
Figure 112007044396119-PCT00008
이다. 최대 이득(gain)은 x가 100%일 때 100%이다. x=50%일 때, 이득은 33%이다. x=0%일 때, 이득은 0%이다. 100%의 최대 이득은 어두운 상태 광이 각 경로에서 재순환될 때 광의 절반을 흡수하는 후방 편광판(50b)에 의해 제한된다.
Figure 112007044396119-PCT00009
라 하면, 이득은
Figure 112007044396119-PCT00010
이다. 실질적으로,
Figure 112007044396119-PCT00011
이다.
도 15a, 15b 및 15c는 각각 반사성 편광판(52a)의 투과율 Tf이 100%, 95% 및 80%인 경우에 대한 이득 대 어두운 픽셀(14)의 백분율 x를 도시한 도면이다. 모든 경우에서, 주어진 어두운 픽셀(14)의 백분율에 대해, 인자 f가 높을수록 이득도 높다. 고정된 f에서, 어두운 픽셀(14)의 백분율이 높을수록 이득이 높다.
도 15a에 도시된 바와 같이, 반사성 편광판(52a)의 투과율 Tf이 100%일 때, 인자 f 및 어두운 픽셀(14)의 백분율 x에 독립적으로 이득은 항상 양수이다. 이상적인 경우에서 f=1이고 x가 100%에 도달하면, 이득은 100%이다.
도 15b를 참조하면, 반사성 편광판(52a)의 투과율 Tf이 100% 미만, 여기에서는 약 95%일 때, 이득은 작은 값의 x에 대해 음수일 수 있으며, 이것은 적은 개수의 어두운 픽셀(14)을 갖는(또는 역으로, 큰 개수의 밝은 픽셀(12)을 갖는) 이미지에 대해 광 효율의 실질적인 손실이 있을 수 있다는 것을 나타낸다. 하지만 큰 개수의 어두운 픽셀(14)을 갖는(또는 역으로, 적은 개수의 밝은 픽셀(12)을 갖는) 이미지, 즉 큰 x를 갖는 이미지에 대해 이득은 양수이다.
도 15c를 참조하면, 반사성 편광판(52a)의 투과율 Tf이 예를 들어 80%와 같이 충분히 낮으면, 이득은 작은 f(예를 들어, f = 0.2)에 있어서, 0과 1 사이의 모든 x에 대해 음수일 수 있다. 하지만 합리적으로 설계된 LCD 시스템에서, 일반적 으로 f≥0.7이다. f=0.7에 상응하는 곡선은 어두운 픽셀의 백분율이 x≥0.6일 때의 양수의 이득을 나타낸다.
따라서, 어두운 상태의 광 재순환 이득은 디스플레이 상에 나타나는 이미지에 의존한다는 것을 알 수 있다. 이득 값을 더 정의하기 위해, 동일한 웨이트(weight)를 갖는 0 내지 1의 x에서의 평균 이득이 다양한 f와 Tf 값에서 계산될 수 있다. 평균 이득은 도 16의 표에 도시되었다. 손실이 아닌 양수 값의 이득을 획득하기 위해, 인자 f 및 Tf은 이 표 내의 상위 삼각형 내의 값을 획득해야 한다. 예를 들어, Tf=0.75이고 f≥0.9이면, 평균 이득은 양수이다. Tf=0.9이고 f≥0.4이면, 평균 이득은 역시 양수이다. Tf=0.9이고 f=0.7일 때, 평균 이득은 약 11%이다. f와 Tf 값의 범위는 서로 다른 기준(criteria)이 사용되었을 때 변화될 수 있다. 광 효율에서의 이득 또한 단순히 어두운 픽셀(14)의 열 백분율보다는 이미지 패턴의 분포에 의해 변화할 수 있다.
종래의 반사성 편광판과 결합한 어두운 상태의 광 재순환
본 발명의 다른 실시예에 따른 어두운 상태의 재순환은 도 18a 및 도 18b에서의 광 작용을 도 17a 및 도 17b의 종래의 배열에서의 광 작용에 비교함으로써 설명될 수 있다.
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 어두운 상태의 광 재순환을 하지 않고 종래의 반사성 편광판(52b)에 의한 편광 재순환을 하는 경우, 1-x의 백분율을 갖는 밝은 픽셀(12)로부터 발광된 총 유량은,
Figure 112007044396119-PCT00012
이다.
도 18a 및 도 18b를 참조하면, 추가적인 어두운 상태의 광 재순환은 전방 흡수성 편광판(50a)과 LC 소자(54a) 또는 (54b) 사이에 위치한 반사성 편광판(52a)에서 일어나며, 1-x의 백분율을 갖는 밝은 픽셀(12)로부터 나오는 총 유량은
Figure 112007044396119-PCT00013
이다. 종래의 반사성 편광판에 의한 편광 재순환의 경우와 비교한 이득은
Figure 112007044396119-PCT00014
으로 정의된다. 이상적인 경우에서, T∥, Tlc, Tf, Rf 및 R은 모두 1이며, 따라서,
Figure 112007044396119-PCT00015
이다. 따라서, 이상적으로, x가 100%에 도달했을 때 최대 이득은 상한선을 갖지 않는다. x=50%일 때 이득은 100%이다. x=0%일 때 이득은 0%이다.
Figure 112007044396119-PCT00016
이라 하면,
Figure 112007044396119-PCT00017
이다.
실질적으로,
Figure 112007044396119-PCT00018
이다. 이러한 경우, x가 100%에 도달할 때
Figure 112007044396119-PCT00019
이다. x=50%일 때,
Figure 112007044396119-PCT00020
이다.
제 1 실시예
도 5a 및 도 5b를 참조하면, LCD 디스플레이(20)에 대한 본 발명의 제 1 실시예의 변화가 도시되었다. 도 1-4c에서 사용된 패턴에 이어, 도 5a, 5b 및 본 발명의 실시예들을 도시하는 다음의 도면들은 좌측의 어두운 상태 픽셀과 우측의 밝은 상태 픽셀을 도시한다.
도 5a 및 도 5b에서, LCD 디스플레이(20)는 LC 소자(54a, 54b)와 전방 편광판(50a) 사이에 배치된 반사성 편광 소자(40)로서의 역할을 하는 반사성 편광판(52a)을 구비한다. 또한, 흡수성 컬러 필터 어레이(60)가, 도 5a에 도시된 바와 같이 전방 반사성 편광판(52a)과 LC 소자(54a, 54b) 사이에, 또는 도 5b에 도시된 바와 같이 전방 반사성 편광판(52a)과 전반 편광판(50a) 사이에서 전방 반사성 편광판(52a)에 인접하게 배치되어 제공된다. 이 도면들과, 다음의 실시예에서 도시된 바와 같이, 후방 편광판과 전반 편광판(50b, 50a)의 투과축은 서로 ±10° 내에서 직교할 수 있으며, 즉 하나의 편광판이 다른 편광판에 대해 80 내지 100°로 회전된다. 이 도면들과, 다음의 실시예에서 도시된 바와 같이, 반사성 편광판(52a)의 투과축은 서로 적어도 약 ±10° 내에서 전방 편광판(50a)의 투과축에 평행할 수 있다. 이러한 투과축들에 대한 다른 각도 배열이 가능하며, 이것은 후방 편광판과 전방 편광판(50b, 50a)의 투과축이 서로 약 ±10° 내에서 평행한 구성을 포함한다. 도 11을 참조로 하여 기술된 약속을 따라, LC 소자(54a) 오프 상태는 P-편광을 S-편광으로, S-편광을 P-편광으로 변환시킨다. 반사성 편광판(52a)의 투과축은 흡수성 전방 편광판(50a)의 투과축에 평행한다. 반사성 편광판(52a)로부터 재순환된 광은 전방 편광판(50a)에 대해 직교하도록 편광된다.
밝은 상태에서, 백라이트 유닛(56)으로부터 편광되지 않은 광은 S-편광을 갖고 P-편광 성분을 흡수하는 광을 투과하는 후방 편광판(50b)에 입사한다. 오프 상태 LC 소자(54a)는 광의 편광을 회전시켜 P-편광을 갖는 광 출력을 제공한다. 이러한 광은 반사성 편광판(52a)과 흡수성 컬러 필터 어레이(60) 모두를 통해 투과되고, 그 다음 전방 편광판(50a)을 통해 투과된다. 따라서, 밝은 상태에서, 반사성 편광판(52a)은 단순히 의도된 광만을 투과시킨다.
반사성 편광 소자(40)에 대한 흡수성 컬러 필터 어레이(60)의 위치는 사용가능한 휘도에 영향을 미친다. 도 5a에 도시된 위치의, 좌측의 어두운 상태 경로에서, 온 상태 LC 소자(54b)로부터의 광은 흡수성 컬러 필터 어레이(60)를 통해 투과되고 반사성 편광판(52a)으로부터 다시 반사되며, 이것은 흡수성 컬러 필터 어레이(60)를 통해 투과되어, 재순환되도록 방향이 변경된다. 통과 대역 외부의 광은 흡수성 컬러 필터 어레이에 의해 흡수되고 전방 반사성 편광판(52a)에 의해 재순환될 수 없다. 또한, 흡수성 컬러 필터 어레이(60)의 투과율이 불완전하기 때문에, 통과 대역의 파장에서도 각 광의 통과시 일부 손실이 존재한다. 이와 비교하여, 도 5b의 배열은 반사성 편광 소자(40)와 상호교환된 흡수성 컬러 필터 어레이 성분의 상대적인 위치를 도시한다. 도 5b의 배열에서, 온 상태 LC 소자(54b)로부터의 광은 그것이 흡수성 컬러 필터 어레이(60)에 도달하기 전에 전방 반사성 편광판(52a)으로부터 재반사된다. 따라서, 도 5b의 배열은 도 5a의 배열보다 사용가능한 휘도를 약
Figure 112007044396119-PCT00021
만큼 증가시키고, 이때 x는 어두운 픽셀의 백분율이다. 어두운 픽셀 x의 백분율이 100%에 접근할 때, 도 5b의 배열은 사용가능한 휘도를 도 5a의 배열보다 약 67% 증가시킨다.
도 5a 또는 도 5b의 배열에서, 반사성 편광판(52a)은 S-편광을 갖는 광을 백라이트 유닛(56)을 향해 반사시킨다. 이러한 습성은 재순환 효과를 가지며, 이것은 이러한 어두운 상태 광이 밝은 상태 픽셀에서 재사용되도록 한다. 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 배열과 비교하여, 도 5a 및 도 5b의 새로운 배열은 증가된 휘도의 측정을 허용한다.
비교를 위한 예시
도 6을 참조하면, 종래의 흡수성 컬러 필터 어레이(60)와 관련된 반사성 컬러 필터 어레이(62a)를 사용한 LCD 디스플레이(20)의 가능한 구성이 도시되었다. 이러한 비교적인 예시에서, 반사성 컬러 필터 어레이(62a)는 도 5b에 도시된 바와 같은 반사성 편광판(52a)과 동일한 위치에, 즉 LC 소자(54a, 54b)와 컬러 필터 어레이(60)의 사이에 배치된다. 이러한 구성은 도 1에 도시된 종래의 배열과 비교해 서 이해할 수 있는 바와 같이, 증가된 광 출력을 제공할 수 있다. 그러나, 어두운 상태 픽셀에서, LC 소자(54b), 반사성 컬러 필터 어레이(62a) 및 흡수성 컬러 필터 어레이(60)를 통해 투과된 광은 결과적으로 전방 편광판(50a)을 통해 흡수된다. 따라서 이 예는 어두운 상태 광의 재순환 효과를 나타내지 않는다.
제 2 실시예
도 7a, 7b 및 도 7c를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예의 변화가 도시되었으며, 이때 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63a)는 반사성 편광 소자(40)으로서의 역할을 한다. 반사성 편광 컬러 필터(63a)는 LC 소자(54a, 54b)와 흡수성 컬러 필터 어레이(60) 및 전방 편광판(50a) 사이에 배치된다. 이러한 다양한 배열은 어두운 픽셀의 백분율 x가 100%에 도달할 때 종래 구성의 휘도의 3배까지 증가한 휘도를 제공한다. 도 7a에서, 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63a)는 상기에서 참조한 Wegh 외 다수의 논문에서 기술된 바와 같이, 컬러 필터, 편광 및 반사 특성을 제공하는 단일 소자로서 도시되었다. 광의 경로 내에서 흡수성 컬러 필터 어레이(60) 앞에 위치되어, 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63a)는 어두운 상태 광을 재순환시키고 흡수성 컬러 필터 어레이(60)에 의해 흡수되어야 하는 광량을 최소화한다.
도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이, 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63a)는 반사성 편광판(52a) 소자와 반사성 컬러 필터 어레이(62a) 소자를 조합함으로써 형성될 수 있으며, 이때 하나는 다른 하나의 상단에 위치된 두 가지 층형 시퀀스가 도시되었다.
제 3 실시예
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 흡수성 컬러 필터 어레이(60)와 한 쌍을 이루는 전방 및 후방 반사성 편광판(52a, 52b)에 대한 두 가지 가능한 배열이 도시되었다. 여기에서, 전방 반사성 편광판(52a)은 반사성 편광 소자(40)로서의 역할을 한다. 도 8a의 배열은 후방 반사성 편광판(52b)이 후방 편광판(50b)에 의해 흡수될 광을 재순환시키기 때문에 도 5a의 배열에 비교하여 일부 추가의 휘도를 제공한다. 그러나, 흡수성 컬러 필터 어레이(60)를 통과하는 광의 1/3만이 전방 반사성 편광판(52a)에 의해 재순환될 수 있다. 또한, 재순환된 광의 일부는 흡수성 컬러 필터 어레이(60)를 통해 두 번 투과되며 전술된 바와 같이 불완전한 투과율에 의해 결과적인 손실을 갖는다. 다른 한편으로, 도 8b의 배열은, 도 8a보다 바람직하다. 출력 광 경로 내에서 흡수성 컬러 필터 어레이(60) 앞에 배치되어, 반사성 편광판(52a)은 어두운 상태의 광이 흡수성 컬러 필터 어레이(60)에 도달하기 전에, 보다 효과적으로 온-상태 LC 소자(54b)를 통해 재순환되도록 한다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 광 운용 양식을 따르는 것이 바람직하다. 백라이트 유닛(56)으로부터의 편광되지 않은 광은 하나의 편광(도 8a 및 도 8b에서는 S-편광)을 투과하는 후방 반사성 편광판(52b)에 입사하고, 그에 따라 선형적으로 편광된 광을 제공하며, 재순환을 위해 직교하는 편광을 백라이트 유닛(56)에 다시 반사시킨다. 후방 편광판(50b)은 S-편광을 갖는 광을 투과시키고, 임의의 잔여 P-편광 성분을 흡수한다. 온 상태 LC 소자(54b)는 광 편광의 회전을 수행하지 않는다. 흡수성 컬러 필터 어레이(60)는 파장에 따라 광을 선택적으로 투과시키고 흡수한다. 전방 반사성 편광판(52a)은 S-편광을 갖는 광을 백라이트 유닛(56)을 향해 반사시킨다. 이러한 양식은 재순환 효과를 가지며, 이러한 광이 (어두운 상태 픽셀을 통해) 밝은 상태 픽셀에 대해 재사용되는 것을 허용한다. 오프 상태 LC 소자(54a)는 광 편광을 회전시켜 P-편광을 갖는 출력 광을 제공한다. 흡수성 컬러 필터 어레이(60)는 파장에 따라 광을 선택적으로 투과시키고 흡수한다. 투과된 광은 반사성 편광판(52a)과 전방 편광판(50a) 모두를 통해 투과된다.
제 4 실시예
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 컬러 필터 어레이(60)와 반사성 편광판(52a)에 대한 두 가지 가능한 배열이 도시되었다. 도시된 두 가지 실시예에서, 전방 반사성 편광판(52a)은 반사성 편광 소자(40)로서의 역할을 한다. 이러한 각 실시예에서의 광 운용 동작은, 소자 대 소자로, 전술된 실시예에서 기술된 바와 유사하며, 구성에서의 차에 의한 적절한 변화를 갖는다.
도 9a 및 도 9b의 두 구성에 있어서, 반사성 편광판(52a)에 의해 재순환되는 높은 레벨의 어두운 상태 광이 흡수성 컬러 필터 어레이(60)에 의해 흡수되지 않기 때문에 뚜렷한 휘도 이득이 가능하다. 도 9a 및 도 9b 모두에서, 반사성 컬러 필터 어레이(62b)는 시퀀스에서 백라이트 유닛(56)에 인접하게 배치되어, 사용할 수 없는 광을 재순환하도록 다시 반사시킨다.
제 5 실시예
도 10a-10d를 참조하면, 또 다른 실시예에 대한 가능한 배열이 도시되었으며, 반사성 편광 소자(40)로서의 역할을 하는 전방 반사성 편광판(52a)은 후방 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63b)와 관련하여 사용된다. 도 10a 및 도 10b에서, 흡수성 컬러 필터 어레이(60)와 전반 반사성 편광판(52a)의 상대적인 위치가 두 가지 가능한 배열로 도시되었다. 앞선 실시예에서 주어진 이론을 따라서, 도 10a의 실시예가 어두운 상태 광 재순환에 있어서 도 10b보다 바람직하다는 점을 이해할 수 있다. 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63b)는 원치 않는 P-편광을 갖는 광과 원하는 색상이 아닌 다른 색상을 갖는 광을 재순환시키기 위해 재반사되도록, 백라이트 유닛(56)에 인접하게 배치된다.
도 10c와 도 10d에 도시된 바와 같이, 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63b)는 반사성 편광판(52a) 성분과 반사성 컬러 필터 어레이(62a) 성분을 모두 구비하는 혼합 필름으로서 나타낼 수 있으며, 이때 하나는 다른 하나의 상단에 위치된 두 가지 층형 시퀀스가 도시되었다. 이러한 네 개의 구성에 있어서, 어두운 상태 광이 반사성 편광판(52a)에 의해 재순환되기 때문에 종래의 배열을 넘는 뚜렷한 휘도 이득이 가능하다.
제 6 실시예
도 7a, 7b 및 도 7c를 참조하면, 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63a) 또는 반사성 편광판(52a)과 반사성 컬러 필터 어레이(62a)의 조합은 어두운 상태 광을 재순환시킴으로써 증가된 휘도를 제공한다. 그러나, 어두운 상태 광의 재순환 중에, 편광되지 않은 광은 후방 편광판(50b)을 통해 투과되며 이것은 광 손실을 발생시켜 재순환 효율을 제한한다. 또한 휘도 증가는 후방 편광판(50b)과 백라이트 유닛(56) 사이에 추가적인 반사성 편광판(52b)을 추가함으로써 획득될 수 있다. 반사성 컬러 필터 어레이(62a)의 성능이 불완전한 경우, 이러한 추가적인 바나성 편광판(52b)은 반사성 컬러 필터 어레이(62b) 또는 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63b)로 대체되어 휘도를 추가로 개선할 수 있다.
제 7 실시예
도 8a, 8b의 제 3 실시예와 도 7a, 7b 및 도 7c의 제 6 실시예에서, 반사성 편광판(52b)과 백라이트 유닛(56)은 도 8a에서 점선으로 표시된 상자로 나타낸 바와 같이, 선형적으로 편광된 알려진 백라이트 유닛(65)으로 대체될 수 있다. 선형적으로 편광된 백라이트 유닛(65)은, 선형적으로 편광된 광 가이드에 대한 다른 설계를 기술한 SID 02 다이제스트 1236-1239페이지의 H. J. B. Jagt, H. J. Cornelissen 및 D. J. Broer에 의한 논문 "MICRO-STRUCTURED POLYMERIC LINEARLY POLARIZED LIGHT EMITTING LIGHTGUIDE FOR LCD ILLUMINATION"에 개시된 바와 같이 편광된 광을 방사한다. 백라이트 유닛(56) 대신 선형적으로 편광된 백라이트 유닛(65)을 사용하는 것은 다양한 LC 디스플레이 애플리케이션에서의 개별적인 후방 편광판(50b) 및/또는 후방 반사성 편광판(52b)에 대한 필요성을 없엔다.
제 8 실시예
도 9a, 9b의 제 4 실시예 및 도 7a, 7b 및 도 7c의 제 6 실시예에서, 백색광을 방사하는 반사성 컬러 필터 어레이(62b)와 백라이트 유닛(56)은 알려진 색상 분리 백라이트 유닛(67)(도 9a에서 점선으로 표시된 상자로 도시됨)으로 대체될 수 있다. 색상 분리 백라이트 유닛(67)은 적색, 녹색 및 청색 광을 분리하고 적색 광을 적색 필터로, 녹색 광을 녹색 필터로, 청색 광을 청색 필터로 향하게 한다. 색상 분리 백라이트 유닛(67) 중 하나의 유형은 SID 02 다이제스트 1313-1315페이지의 Y. Taira 외 다수에 의한 논문 "LOW-POWER LCD USING A NOVEL OPTICAL SYSTEM"에 개시되었다. 이러한 디바이스는 어두운 상태 광 재순환에 필요한 성분의 개수를 감소시키는 데에 특히 유리할 수 있다. Taira 외 다수의 논문은 색상 분리된 광 가이트에 대한 다른 설계를 기술한다. 백라이트 유닛(56)과 같은 광 가이드의 사용은 다양한 LC 디스플레이 애플리케이션에서 분리 후방 반사성 컬러 필터 어레이(62a)에 대한 필요성을 제거한다.
LCD 시스템
본 발명에 따른 어두운 상태의 광 재순환은 동일한 픽셀이 어두운 상태의 광을 재순환하지 않는 종래의 디스플레이에서보다 많은 광을 수신하는 LCD의 밝은 상태 픽셀을 제공한다. LCD는 당업계에서 알려진 임의의 유형일 수 있다. 전술된 바와 같이, 부분적으로 추가된 휘도의 증가량은 어두운 픽셀의 백분율 x에 의존한다. 일부 경우에서, 어두운 픽셀의 백분율 x와 무관하게, 주어진 픽셀 데이터 값 에 대한 픽셀 휘도의 일정한 레벨을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 또한 본 발명은 어두운 픽셀의 백분율 x에 기초하여 백라이트 유닛(56)의 광원 휘도를 동적으로 조정함으로써 이러한 일정한 휘도 작용을 유지하는 장치 및 방법을 제공한다. 도 19의 블록도를 참조하면, 휘도를 제어하도록 제공된 추가적인 소자가 도시되었다. 제어 논리 프로세서(70)는 이미지 데이터를 수신하고 어두운 픽셀의 백분율 x을 계산한다. 이 계산에 기초하여, 제어 논리 프로세서(70)는 백라이트 유닛(56)으로 가변성 신호를 제공하는 드라이브 회로(72)로의 신호를 변조시킨다. 백라이트 유닛(56)의 광원은 발광 다이오드(LED), LED의 어레이, 또는 드라이브 신호의 변화에 응답하여 충분히 빠른 세기를 갖는 일부 다른 유형의 광원일 수 있다. 액정 공간 광 변조기(54)는 공간 광 변조기로서의 역할을 하고, 자신의 오프-상태 및 온-상태 소자(54a, 54b) 어레이를 변조함으로써 변조된 빔을 형성한다.
휘도 조정에 대한 제어 논리는 도 20의 예시적인 블록도의 예에 도시된 바와 같이 간단하다. 각 이미지에 대해, 데이터 획득 단계(100)에서 이미지 데이터가 액세스된다. 그 다음 상기 데이터로부터 계산되는 변조된 빔으로부터의 어두운 픽셀의 백분율 계산 단계(110)가 실행된다. 이 계산에 기초하여, 제어 논리가 예를 들어 방정식 또는 룩-업 테이블(look up table)을 사용하여 밝은 상태 픽셀에 대해 적용된 새로운 휘도 레벨을 컴퓨팅하는 휘도 레벨 계산 단계(120)가 실행된다. 계산된 드라이브 값에 기초하여, 드라이브 신호 조정 단계(130)가 실행되고, 이 값을 아날로그 또는 디지털 신호로서 드라이브 회로(62)에 전달한다. 도 20의 제어 논리는 개별적인 이미지에 대해 사용되거나 또는 연속적인 이미지 각각에 대해 반복 되는 제어 루프로서 사용될 수 있다.
반사성 편광판 유형
본 발명의 장치 및 방법은, 와이어-그리드 편광판(wire-grid polarizer)(유타주 Orem에 소재한 Moxtek,Inc.로부터 구매 가능함), 1/4-파 리타더(retarder)를 갖는 콜레스테롤 액정 소자, 또는 3M, St. Paul, MN에 의해 제조된 Vikuiti™ Dual Brightness Enhancement Film과 같은 복수층의 간섭-기반 편광판을 포함하는 다수의 서로 다른 유형의 반사성 편광판을 사용할 수 있다. 와이어-그리드 편광판에서, 얇은 와이어가 유리 기판 상에 형성된다. 와이어는 전극, 정렬 및 반사성 편광판으로서의 역할을 하는 액정 층에 대향할 수 있다. 또한 와이어는 전방 편광판을 대향할 수 있다. 알려진 다른 반사성 편광판 또한 사용될 수 있다.
최상의 성능을 위해, 밝은 상태 또는 어두운 상태의 픽셀에 대해 악영향을 미치지 않도록 반사성 편광판은 가능한 한 작은 지연을 나타내야 한다. 만약 지연이 있다면, 기판의 광축은 반사성 편광판의 투과축에 평행하거나 또는 직교하게 배열되는 것이 최선이다. 또한 반사성 편광판의 시야각, 명암 대비 및 색상의 선명도를 향상시키도록 당업자에게 알려진 바와 같은 보상 필름이 통합되는 것이 가능하다. 보상 필름은, 반사성 편광 소자(40)에 고정되거나 또는 연결된, 반사성 편광 소자(40)의 집적 성분 또는 추가된 성분일 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예에 있어서, 추가적인 소자가 휘도 및 명암 대비를 개선하도록 추가될 수 있다. 예를 들어, 종래의 휘도 개선 필름인 3M, St. Paul, MN에 의해 제조된 Vikuiti™ Brightness Enhancement Film과 같은 알려진 평행화 필름(collimating film)이 조명을 평행하게 하도록 추가될 수 있다. 이러한 목적을 위한 휘도 개선 필름은 도 5a-10d의 구성에 추가되어 백라이트 유닛(56)의 부근에 배치될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예에서 기술된 바와 같이, 반사성 편광 소자(40)는 도 5a-5b, 8a-8b, 9a-9b 및 10a-10d에 도시된 바와 같이 반사성 편광(52a)으로부터 형성될 수 있거나, 또는 도 7a-7c에 도시된 바와 같이 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63a)로부터 형성될 수 있다. 액정 공간 광 변조기(54)와 전방 편광판(50a) 사이에 배치된 반사성 편광 소자(40)는, 어두운 상태 픽셀(54b)로부터의 원치 않는 광을 재순환시킴으로써 밝은 상태 디스플레이 픽셀(54a)을 향상시키는 것을 돕는다. 반사성 편광 소자는 액정 공간 광 변조기의 표면에 연결된다. 또한, 컬러 필터는 액정 공간 광 변조기의 표면에 연결될 수 있다.
조명 또는 변조된 광선을 조정하는 광학적 소자를 추가할 때 잠재적인 휘도 손실이 존재할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 각 광학적 소자에서의 오프셋 고유의 손실에 대해 충분한 휘도 증가를 산출하기 위해, 소정의 성능 기준을 확립하는 것이 유용하다. 예를 들어, 반사성 편광 소자(40)에 있어서, 적어도 0.75(75%) 또는 그 이상의 투과율 T가 특히 적합한 범위이다.
본 발명은 자신의 바람직한 실시예를 특별히 참조하여 상세하게 기술되었지만, 본 발명의 범주 내의 당업자는 전술된 바와 첨부된 특허청구범위에서 기술하는 바와 같은 본 발명의 범주 내에서 변경 및 변화가 발생할 수 있음을 이해할 것이 다. 예를 들어, LC 공간 광 변조기의 밝은 상태와 어두운 상태 작용은 반대가 될 수 있다. 전방 및 후방 편광판(50a, 50b) 사이의 반사성 편광판(52a)의 사용은 광학 기술 분야의 당업자가 이해하는 바와 같이 다른 편광 소자의 설계에 대한 변화를 필요로 한다. 이와는 달리 공간 광 변조기 자신이 이러한 반사성 편광 소자를 포함하도록 반사성 편광판(52a)은 LC 소자(52a/52b)의 표면에 결합될 수 있다.
LC 디스플레이(20)의 소자가 분리된 층에서 개략적으로 도시된 반면, 광학적 요구에 따라, 종종 하나의 소자를 다른 소자에 직접 접착시키거나 또는 연결시키는 것이 요구될 수 있다. 예를 들어, 후방 편광판(50b), 반사성 편광판(52b) 또는 반사성 편광 컬러 필터 어레이(63a, 63b)는 백라이트 유닛(56)의 표면에 직접 고정되어 그에 따라 선형적으로 편광된 한 유형의 광 가이드를 제공할 수 있다.
H. J. B. Jagt, H. J. Cornelissen 및 D. J. Broer에 의한, SID 02 Digest 1236-1239페이지의 "MICRO-STRUCTURED POLYMERIC LINEARLY POLARIZED LIGHT EMITTING LIGHTGUIDE FOR LCD ILLUMINATION"이라는 제목의 논문에 개시된 바와 같이 선형적으로 편광된 광 가이드가 사용될 수 있다. Jagt 외 다수의 논문은 선형적으로 편광된 광 가이드에 대한 다른 설계를 개시한다. 백라이트 유닛(56)과 같은 광 가이드의 사용은 다양한 LC 디스플레이 애플리케이션에서의 개별적인 후방 편광판(50b) 및/또는 후방 반사성 편광판(52b)에 대한 필요성을 제거할 수 있다.
Y. Taira 외 다수에 의한, SID 02 Digest 1313-1315페이지의 "LOW-POWER LCD USING A NOVEL OPTICAL SYSTEM"이라는 제목의 논문에 개시된 바와 같은 색상 분리된 광 가이드는 어두운 상태 광 재순환에 필요한 소자의 개수를 감소시키는 데에 특히 유리하다. Taira 외 다수의 논문은 색상 분리된 광 가이드에 대한 다른 설계를 개시한다. 백라이트 유닛(56)과 같은 광 가이드의 사용은 다양한 LC 디스플레이 애플리케이션에서의 개별적인 후방 반사성 컬러 필터 어레이(62a)에 대한 필요성을 제거할 수 있다.
반사성 컬러 필터는, S-F. Chen 및 H-P. D. Shieh에 의한 SID 1994 Digest 411-416페이지의 "DESIGN ISSUES IN USING THIN-FILM OPTICAL INTERFERENCE FILTERS AS COLOR FILTERS FOR LCD SYSTEM APPLICATIONS"라는 제목의 논문에 개시된 바와 같이, TiO2/SiO2와 같은 다른 구조를 갖는 박막 광학 간섭 필터일 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 것은 어두운 상태의 광을 재순환시키는 데에 반사성 편광판과 컬러 필터 어레이를 함께 사용하여 향상된 효율 및 휘도를 제공하는 LCD 디스플레이이다.

Claims (33)

  1. 액정 디스플레이에 있어서,
    (a) 조명(illumination)을 제공하는 백라이트 유닛(a backlight unit)과,
    (b) 입사하는 상기 조명을 수신하도록 상기 백라이트 유닛에 근접하게 배치되고 실질적으로 편광된 조명을 투과시키는 후방 편광판(a rear polarizer)과,
    (c) 상기 실질적으로 편광된 조명에 대한 편광의 선택적인 픽셀-방향(pixel-wise) 변조에 의해 변조된 빔을 형성하는 액정 공간 광 변조기(a liquid crystal spatial light modulator)와,
    (d) 상기 액정 공간 광 변조기로부터 변조된 빔 중 선택된 파장을 투과시키는 컬러 필터 어레이(a color filter array)와,
    (e) 투과축을 갖고, 상기 투과축에 정렬하여 편광된 상기 변조된 빔의 일부를 투과시키는 전방 편광판(a front polarizer)과,
    (f) 상기 액정 공간 광 변조기와 상기 전방 편광판 사이에 배치되어, 어두운 상태(dark state) 광의 일부를 상기 백라이트 유닛을 향해 재반사시키는 반사성 편광 소자를 포함하는
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  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 소자는 상기 액정 공간 광 변조기의 표면에 연결되는
    액정 디스플레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 상기 액정 공간 광 변조기의 표면에 연결되는
    액정 디스플레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 소자의 투과율은 75%보다 높은
    액정 디스플레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 후방 편광판과 상기 백라이트 유닛 사이에 배치된 추가 반사성 편광판을 더 포함하는
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  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 후방 편광판과 상기 백라이트 유닛 사이에 배치된 콜리메이팅 필름(a collimating film)을 더 포함하는
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  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사성 편광판에 연결된 보상 필름(a compensation film)을 더 포함하는
    액정 디스플레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전방 및 후방 편광판의 각 투과축은 서로 ±10° 내에서 평행인
    액정 디스플레이.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전방 및 후방 편광판의 각 투과축은 서로 ±10° 내에서 직교하는
    액정 디스플레이.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전방 편광판 및 반사성 편광 소자의 각 투과축은 서로 약 ±10° 내에서 평행인
    액정 디스플레이.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 소자는 와이어 그리드 편광판(a wire grid polarizer)을 포함하는
    액정 디스플레이.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 소자는 복수층의 간섭-기반 편광판을 포함하는
    액정 디스플레이.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 소자는 1/4 파장 리타더(retarder)를 갖는 콜레스테릭 편광판(a cholesteric polarizer)을 포함하는
    액정 디스플레이.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 백라이트 유닛은 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하는
    액정 디스플레이.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 소자는 반사성 편광 컬러 필터 어레이인
    액정 디스플레이.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 컬러 필터 어레이는
    a) 반사성 편광판과,
    b) 상기 반사성 편광판과 상기 전방 편광판 사이에 배치된 반사성 컬러 필터 어레이를 포함하는
    액정 디스플레이.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 컬러 필터 어레이는
    a) 반사성 컬러 필터 어레이와,
    b) 상기 반사성 컬러 필터 어레이와 상기 전방 편광판 사이에 배치된 반사성 편광판을 포함하는
    액정 디스플레이.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 백라이트 유닛은 선형적으로 편광된 광을 방사하는
    액정 디스플레이.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 백라이트 유닛은 반사성 편광판을 더 포함하는
    액정 디스플레이.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 상기 반사성 편광 소자와 상기 전방 편광판 사이에 배치된
    액정 디스플레이.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 소자는 상기 컬러 필터 어레이와 상기 전방 편광판 사이에 배치되는
    액정 디스플레이.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 백라이트 유닛과 상기 후방 편광판 사이에 배치된 반사성 컬러 필터 어레이를 더 포함하는
    액정 디스플레이.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 상기 반사성 편광 소자와 상기 전방 편광판 사이에 배치되는
    액정 디스플레이.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 백라이트 유닛은 컬러 분리 백라이트 유닛인
    액정 디스플레이.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 소자는 상기 컬러 필터 어레이와 상기 전방 편광판 사이에 배치되는
    액정 디스플레이.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 백라이트와 상기 후방 편광판 사이에 배치된 반사성 편광 컬러 필터 어 레이를 더 포함하는
    액정 디스플레이.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 상기 반사성 편광 소자와 상기 전방 편광판 사이에 배치되는
    액정 디스플레이.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 소자는 상기 컬러 필터 어레이와 상기 전방 편광판 사이에 배치되는
    액정 디스플레이.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 반사성 편광 컬러 필터 어레이는
    a) 반사성 편광판과,
    b) 상기 반사성 편광판과 상기 백라이트 유닛 사이에 배치된 반사성 컬러 필 터 어레이를 포함하는
    액정 디스플레이.
  30. 제 15 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 상기 반사성 편광 컬러 필터 어레이에 인접하게 배치되는
    액정 디스플레이.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 전방 편광판 및 반사성 편광 소자의 각 투과축은 서로 ±10° 내에서 평행인
    액정 디스플레이.
  32. 디스플레이 휘도를 조정하는 방법에 있어서,
    a) 백라이트 조명을 투과성 액정 디스플레이 소자에 제공하는 단계와,
    b) 이미지 데이터에 따라 상기 백라이트 조명에 대한 편광의 픽셀-방향 변조에 의해 변조된 빔을 형성하는 단계와,
    c) 상기 변조된 빔의 경로에 반사성 편광 컬러 필터 어레이를 배치하는 단계와,
    d) 상기 이미지 데이터에 기초하여, 어두운 픽셀(dark pixels) 대 밝은 픽셀(light pixels)의 상대적인 비율을 결정하는 단계와,
    e) 디스플레이 이미지에 대한 어두운 픽셀 대 밝은 픽셀의 상대적인 비율에 기초하여 상기 백라이트 조명 휘도 레벨을 변조하는 단계를 포함하는
    디스플레이 휘도 조정 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 백라이트 조명 휘도 레벨을 변조하는 단계는 발광 다이오드로의 구동 전류를 변화시키는 단계를 포함하는
    디스플레이 휘도 조정 방법.
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