KR20090113516A - 반사투과형 액정표시장치 - Google Patents

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KR20090113516A
KR20090113516A KR1020080039273A KR20080039273A KR20090113516A KR 20090113516 A KR20090113516 A KR 20090113516A KR 1020080039273 A KR1020080039273 A KR 1020080039273A KR 20080039273 A KR20080039273 A KR 20080039273A KR 20090113516 A KR20090113516 A KR 20090113516A
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정호영
정우남
강원석
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은, 화상 표시영역에 다수의 화소영역이 구비되며 상기 다수의 각 화소영역에 박막트랜지스터와 화소전극 및 콜레스테릭 액정 컬러필터층이 형성된 어레이 기판과, 이와 대향하는 대향기판과, 상기 어레이 기판과 대향 기판 사이에 개재된 액정층을 포함하는 액정패널과; 상기 액정패널의 양 외측면에 각각 구비된 제 1 및 제 2 편광판과; 상기 어레이 기판 외측면에 구비되며, 전계 인가 유무에 의해 블랙 오일층이 상기 표시영역 전체를 가리거나 또는 상기 표시영역에서 제거되는 특성을 갖는 셔터유닛과; 상기 셔터유닛 외측면에 구비된 백라이트 유닛을 포함하며, 상기 다수의 화소영역 각각의 전체영역이 모드 변환에 의해 반사영역과 투과영역이 되는 것을 특징으로 하는 반사투과형 액정표시장치를 제공한다.
반사투과형, 액정표시장치, 반사효율, 콜레스테릭액정, 셔터유닛

Description

반사투과형 액정표시장치{Transflective type liquid crystal display device}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반사효율을 극대화시킨 반사투과형 액정표시장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정표시장치는 전압인가에 따라 배열을 달리하는 액정분자의 특성을 이용한 표시장치로서, 음극선관에 비하여 낮은 전력으로 구동이 가능하며, 소형화, 박형화에 더욱 유리한 장점을 지니므로 컴퓨터의 모니터와 텔레비전 등의 평판표시장치로서 각광을 받고 있으며, 나아가 경량 박형의 특성에 의해 휴대성이 용이하므로 노트북 또는 개인 휴대 단말기 등의 표시소자로서 이용되고 있다.
이러한 액정표시장치는 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을 상기 두 전극이 서로 마주 대하도록 배치하고, 상기 두 기판 사이에 액정을 개재하여 상기 두 전극에 인가되는 전압차에 의해 생성되는 전기장에 의해 액정분자의 움직임을 조절함으로써 이에 따라 달라지는 빛의 투과율을 조절하여 화상을 표현하는 장치이다.
한편 액정표시장치는 일반적으로 스스로 빛을 발하지 못하는 수동형 소자이므로 별도의 광원이 필요하다. 따라서, 상기 두 기판과 액정층으로 구성된 액정 패널(panel) 이외에 이의 배면에 빛을 공급하는 백라이트(backlight)를 배치하고 상기 백라이트로부터 나오는 빛을 상기 액정 패널에 입사시켜, 액정의 배열에 따라 빛의 양을 조절함으로써 화상을 표시한다.
이러한 액정표시장치를 투과형(transmission type) 액정표시장치라고 하는데, 투과형 액정표시장치는 백라이트와 같은 인위적인 광원을 사용하므로 어두운 외부 환경에서도 밝은 화상을 구현할 수 있으나, 백라이트로의 전력 공급이 이루어져야 하므로 휴대용 장치의 표시소자로 이용되는 경우 상대적으로 큰 전력소비(power consumption)가 단점이 되고 있다.
따라서, 이와 같은 단점을 보완하기 위해 백라이트의 사용없이 외부광원을 이용하는 반사형(reflection type) 액정표시장치가 제안되었다.
이 반사형 액정표시장치는 외부의 자연광이나 인조광을 이용하여 동작하므로, 백라이트가 소모하는 전력량을 대폭 감소시키기 때문에 전력소비가 상기 투과형 대비 상대적으로 적어 장시간 휴대상태에서 사용이 가능하여 PDA(Personal Digital Assistant)등의 휴대용 장치의 표시소자로 주로 이용되고 있다.
이러한 반사형 액정표시장치는 광원을 따로 구비하지 않으므로 소비전력이 낮은 장점이 있으나, 외부광이 없는 곳에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.
따라서, 최근에는 반사형 액정표시장치와 투과형 액정표시장치의 장점만을 수용한 반사투과형(Transflective type) 액정표시장치가 제안되었다.
도 1은 종래의 반사투과형 액정표시장치에 있어 액정패널의 표시영역 일부를 도시한 평면도이며, 도 2는 도 1을 절단선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단한 단면도로서 하나의 화소영역에 박막트랜지스터가 형성되는 스위칭 영역을 포함하여 데이터 배선이 연장한 방향으로 절단한 부분에 대한 액정패널의 단면도이다.
종래의 반사투과형 액정표시장치(5)를 살펴보면, 우선, 어레이 기판(7)에 있어서는 제 1 방향으로 연장하며 다수의 게이트 배선(11)이 형성되어 있고, 상기 다수의 게이트 배선(11)과 교차하여 화소영역(P)을 정의하며 다수의 데이터 배선(30)이 게이트 절연막(17) 상부로 형성되어 있다.
또한 각 화소영역(P) 내의 스위칭 영역에는 상기 게이트 배선(11)과 연결된 게이트 전극(15)과 상기 게이트 절연막(17)과 반도체층(20)과 서로 이격하는 소스 및 드레인 전극(32, 34)으로 구성된 박막트랜지스터(Tr)가 형성되어 있다.
또한, 상기 화소영역(P)에는 상기 박막트랜지스터(Tr)의 상기 드레인 전극(34)과 제 1 보호층(38)의 드레인 콘택홀(40)을 통해 연결되며 투명 도전성 물질로 이루어진 화소전극(42)이 형성되어 있으며, 상기 화소전극(42)을 덮으며 제 2 보호층(48)이 형성되어 있다.
또한, 각 화소영역(P)은 상기 제 2 보호층(48) 상부로 외부로부터 들어온 빛을 반사시키는 역할을 하는 반사판(52)이 형성된 반사부(RA)와, 반사판(52)이 형성되지 않은 투과부(TA)로 나뉘며, 도면에 있어서는 상기 투과부(TA)가 상기 화소영역(P)의 상측에 상기 반사부(RA)가 하측에 위치하며 형성되고 있다. 이때 상기 반사판(52)은 단면적으로 그 하부에 위치하는 상기 화소전극(42)과 화소 콘택홀(50) 을 통해 전기적으로 연결되어 반사전극을 형성하고 있다.
이러한 구성을 갖는 어레이 기판(7)에 대응하여 이와 마주하며 위치하는 컬러필터 기판(60)의 구성을 살펴보면, 상기 게이트 및 데이터 배선(11, 30)에 대응해서는 블랙매트릭스(65)가 형성되고 있으며, 상기 화소영역(P)에 대응하여 적, 녹, 청색 컬러필터 패턴(69a, 69b, 69c)을 포함하는 컬러필터층(69)이 형성되고 있다. 이때, 상기 화소영역(P) 내의 반사부(RA)에 대응해서는 각 화소영역(P)별로 동일한 크기를 가지며 상기 각 컬러의 컬러필터 패턴(69a, 69b, 69c)이 제거된 투과홀(72)이 형성되어 있으며, 상기 컬러필터층 하부에는 전면에 공통전극(75)이 형성되고 있다.
이러한 구성을 갖는 어레이 기판(7)과 컬러필터 기판(60) 사이에는 액정층(90)이 구비되고 있으며, 이러한 액정패널 외측에는 도면에는 나타나지 않았지만, 제 1 및 제 2 편광판이 구비되고 있으며, 상기 어레이 기판(7)의 하부에는 다수의 광학시트와 다수의 램프 및 반사시트를 구비한 백라이트 유닛이 구비됨으로 반사투과형 액정표시장치를 구성하고 있다.
하지만, 이러한 구조를 갖는 종래의 반사투과형 액정표시장치는 하나의 화소영역을 투과부와 반사부로 나눔으로써 반사형 또는 투과형으로 구동 시 실질적으로 각각 화소영역의 50% 정도만을 이용하게 되고 있다. 따라서 반사모드와 투과모드 구동시에 개구율이 현저히 저하되어 최종적으로는 휘도 저하의 문제가 발생하고 이는 표시품질의 저하를 초래하고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 반사모드 및 투과모드로 구동 시 화소영역 전체를 각각 반사영역 또는 투과영역으로 사용할 수 있는 반사투과형 액정표시장치를 제공하는 것을 그 목적으로 하며, 반사모드 및 투과모드 구동 시 개구율 향상에 의한 휘도 특성을 향상시키는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 반사투과형 액정표시장치는, 화상 표시영역에 다수의 화소영역이 구비되며 상기 다수의 각 화소영역에 박막트랜지스터와 화소전극 및 콜레스테릭 액정 컬러필터층이 형성된 어레이 기판과, 이와 대향하는 대향기판과, 상기 어레이 기판과 대향 기판 사이에 개재된 액정층을 포함하는 액정패널과; 상기 액정패널의 양 외측면에 각각 구비된 제 1 및 제 2 편광판과; 상기 어레이 기판 외측면에 구비되며, 전계 인가 유무에 의해 블랙 오일층이 상기 표시영역 전체를 가리거나 또는 상기 표시영역에서 제거되는 특성을 갖는 셔터유닛과; 상기 셔터유닛 외측면에 구비된 백라이트 유닛을 포함하며, 상기 다수의 화소영역 각각의 전체영역이 모드 변환에 의해 반사영역과 투과영역이 되는 것을 특징으로 한다.
상기 셔터유닛은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판과, 상기 제 1, 2 기판 내측면에 각각 형성된 제 1 및 제 2 전극과, 상기 제 1 전극 내측면에 전계 온/오 프에 따라 친수성 또는 소수성 특성을 갖는 절연층과, 수(水)층과, 상기 절연층과 수(水)층 사이에 형성된 상기 블랙 오일층으로 구성되는 것이 특징이다.
상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층은 반사모드로 동작 시는 각 화소영역에 입사된 빛에 대해 순차 반복하며 각각 시안, 마젠타, 옐로우 색을 반사시키며, 투과모드로 동작 시는 적, 녹, 청색을 투과시키는 것이 특징이며, 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층은 제 1 콜레스테릭 액정 패턴층과 제 2 콜레스테릭 액정 패턴층의 이중층 구조를 이루는 것이 특징이다. 이때, 상기 적층된 제 1 및 제 2 콜레스테릭 액정 패턴층은 각각 상기 시안을 반사시키는 화소영역에서는 녹색 및 청색 파장대의 회전피치를 가지며, 마젠타를 반사시키는 화소영역에서는 적색 및 청색 파장대의 회전피치를 가지며, 옐로우를 반사시키는 화소영역에서는 녹색 및 적색 파장대의 회전피치를 갖도록 형성된 것이 특징이며, 상기 제 1 콜레스테릭 액정 패턴층 하부에는 제 1 배향막이, 상기 제 2 콜레스테링 액정 패턴층 하부에는 제 2 배향막이 형성된다.
상기 대향기판에는 그 내측면에 공통전극이 형성될 수 있다.
상기 어레이 기판에는 상기 각 화소영역에 상기 화소전극과 이격하며 공통전극이 형성될 수 있다.
상기 어레이 기판에는 상기 각 화소영역을 정의하며 서로 교차하는 게이트 및 데이터 배선이 형성된다.
본 발명은 하나의 화소영역 전체를 반사영역 및 투과영역으로 이용 가능함으로써 반사모드 및 투과모드에 있어 휘도를 월등히 향상시킬 수 있는 반사투과형 액정표시장치를 제공하는 효과가 있다.
또한, 반사모드로 구현 시 컬러필터층을 2회 통과하게 됨으로서 손실되는 빛을 최소화함으로써 태양광 하에서의 휘도가 극대화 되어 시인성이 향상되므로 옥외 광고판 등으로 사용될 수 있는 장점을 가지며, 나아가 야외 시인성을 필요로 하는 노트북 컴퓨터, 휴대폰 등 개인 휴대용 제품으로도 사용될 수 있는 장점을 갖는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반사투과형 액정표시장치의 단면도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반사투과형 액정표시장치(101)는 크게 그 사이에 액정층(147)이 개재된 어레이 기판(103)과 대향기판(150)으로 이루어진 액정패널(160)과, 상기 액정패널(160)의 양 외측면에 구비된 제 1 및 제 2 편광판(153, 156)과, 상기 제 2 편광판(156) 외측면에 구비되며 빛의 흡수하는 블랙 오일층(171)을 포함하는 셔터유닛(180) 및 백라이트 유닛(190)으로 구성되고 있다. 이때 상기 액정패널(160)의 어레이 기판(103)에는 특정 색의 빛을 선택적으로 반사시키는 특성을 갖는 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)이 구비되고 있는 것 이 특징이다.
우선, 액정패널(160)을 이루는 어레이 기판(103)을 구성을 살펴보면, 화상을 표시하는 표시영역에 대응하여 배향막(미도시)이 형성되고 있으며, 상기 배향막(미도시) 위로는 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)이 형성되어 있다. 이때 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 화소영역(P)에 대해 순차 반복하며 시안(C), 마젠타(M), 엘로우(Y)에 대해 빛을 반사시키도록 구성되고 있는 것이 특징이다. 반사모드시 이러한 시안(C), 마젠타(M), 엘로우(Y)색을 표시하는 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 구현하는 방법에 대해서는 추후 설명한다.
다음, 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110) 상부에는 그 표면이 평탄한 상태의 보호층(111)이 형성되어 있다. 이는 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 보호하기 위해 형성된 것이다.
또한, 상기 보호층(111) 상부에는 일방향으로 다수의 게이트 배선(미도시)이 연장 형성되어 있으며, 이러한 다수의 게이트 배선(미도시)과 교차하여 상기 다수의 화소영역(P)을 정의하며 다수의 데이터 배선(미도시)이 형성되어 있다. 또한, 상기 다수의 게이트 및 데이터 배선(미도시)의 교차지점에는 게이트 전극(112)과, 게이트 절연막(116)과, 액티브층(120a)과 오믹콘택층(120b)으로 이루어진 반도체층(120)과 서로 이격하는 소스 및 드레인 전극(130, 133)을 포함하는 박막트랜지스터(Tr)가 형성되어 있다. 또한, 상기 각 화소영역(P)에는 상기 박막트랜지스터(Tr)와 드레인 콘택홀(138)을 통해 연결되며 투명 도전성 물질로 이루어진 다수의 화소전극(140)이 형성되어 있다. 이때 상기 화소전극(140)은 도면에 있어서는 바(bar) 형태로 다수개로 분리되어 서로 이격하며 상기 각 화소영역(P) 내에 형성되고 있으며, 이때 상기 게이트 배선(미도시)과 나란하게 동일한 층에 공통배선(미도시)이 형성됨으로써 상기 공통배선(미도시)과 전기적으로 연결되며 각 화소영역(P) 내에 상기 분리된 다수의 화소전극(140)과 교대하여 이격하며 다수의 공통전극(143)이 형성되고 있다.
한편, 변형예로서, 상기 화소전극(140)은 판 형태로 각 화소영역(P)별로 형성될 수도 있으며, 이때 이와 이격하며 형성된 다수의 공통전극(143)은 생략되며 이는 대향기판(150)의 내측면에 형성될 수 있다. 이때 상기 화소전극(140)은 전단의 게이트 배선(미도시)과 중첩 형성되어, 상기 중첩된 상기 게이트 배선(미도시)과 화소전극(140)이 스토리지 커패시터(StgC)를 이루도록 구성될 수도 있으며, 상기 게이트 배선(미도시)과 나란하게 동일한 층에 공통배선(미도시)이 형성됨으로써 상기 공통배선(미도시)과 중첩하여 서로 중첩하는 화소전극(140)과 공통배선(미도시)이 스토리지 커패시터(미도시)를 이루도록 할 수도 있다.
한편, 도면에 나타낸 실시예에서와 같이 각 화소영역(P) 내에 다수의 화소전극(140)과 공통전극(143)이 이격하는 형태로 구성될 경우 IPS모드로 동작하는 액정패널용 어레이 기판(103)을 이루게 된다. 또한 도면에 나타내지 않았지만 공통전극(미도시)이 대향기판(150)에 형성됨으로써 제거되고 판 형태의 화소전극(140)만이 형성될 경우, 이는 TN모드, ECB모드, VA모드 중 어느 하나의 모드로 동작하는 액정패널용 어레이 기판(103)을 이루게 된다. 도면에 있어서는 상기 액정패널(160)은 IPS모드로 동작하는 액정패널(160)을 일례로 도시하였다.
전술한 구성을 갖는 어레이 기판(103)에 대응하여 구비된 대향기판(150)의 내측면에는 TN(twist nematic)모드, ECB(electrical controlled birefringence)모드, VA(vertical alignment)모드 중 어느 한 모드의 액정패널(미도시)인 경우 투명 도전성 물질로서 전면에 공통전극(미도시)이 형성되어 있으며, IPS모드 액정패널(160)인 경우, 공통전극(143)은 어레이 기판(103)에 형성되고 있는 바, 상기 대향기판(150)에는 아무런 구성요소가 형성되지 않는다.
그리고, 이들 어레이 기판(103)과 대향기판(150) 사이에는 액정층(147)이 개재되고, 상기 액정층(147)을 두르며 그 누설을 방지하고 패널 상태를 유지하기 위해 씰패턴(미도시)이 상기 두 기판(103, 150) 사이의 테두리를 두르며 형성되고 있다. 이때, 상기 액정패널(160)의 대향기판(150)의 외측면에는 제 1 방향의 편광축을 갖는 제 1 편광판(153)이 구비되고 있으며, 상기 어레이 기판(103)의 외측면에는 상기 제 1 편광판(153)의 제 1 방향의 편광축과 수직한 제 2 방향의 편광축을 갖는 제 2 편광판(156)이 구비되고 있다.
또한, 상기 제 2 편광판(156) 외측면에는 본 발명의 또 다른 특징적인 것으로서 전기습윤 원리를 이용한 셔터유닛(180)이 구비되고 있다.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치에 구성된 셔터유닛을 확대 도시한 단면도로서 각각 전원 오프(off) 상태와 전원 온(on) 상태에서의 단면 구조를 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 상기 제 2 편광판(도 3의 156) 외측면에 구성된 셔터유닛(180)은 투명한 제 1 기판(165)과 제 2 기판(177)과, 투명한 제 1 및 제 2 전 극(167, 175)과, 전계형성에 의해 소수 또는 친수성을 띠는 절연층(169)과, 수(水)층(173) 및 블랙 오일층(171)으로 구성되고 있다. 상기 제 1 및 제 2 전극(167, 175) 사이에 위치하는 상기 절연층(169)은 전계가 인가되지 않을 때는 소수성 성질을 띠고, 상기 제 1 및 제 2 전극(167, 175)에 의해 전계가 인가되는 경우 친수성으로 그 성질이 바뀌는 특징을 갖는다. 이러한 상기 절연층(169)의 특성 변화에 의해 전원을 인가하지 않은 상태에서는 상기 절연층(169)이 소수성을 갖게 되며, 이 경우 도 4a에 도시한 바와같이, 흑색의 오일층(171)이 상기 절연층(169) 표면에 흡착됨으로써 표시영역 전면에 대해 빛의 흡수층을 이루게 된다.
또한, 도 4b에 도시한 바와같이, 상기 절연층(169)이 전계 인가에 의해 친수성을 가지면, 상기 절연층(169)에 흡착되어 있는 상기 블랙 오일층(171)을 대신하여 수(水)층(173)이 흡착되게 된다. 따라서 상기 오일층(171)은 상기 수(水)층(173) 표면에서 그 표시영역의 테두리쪽으로 밀려나게 된다. 따라서 전술한 현상에 의해 표시영역에 대해 블랙 오일층(171)이 제거되게 된다. 이러한 일련의 동작에 의해 블랙 오일층(171)이 표시영역에 생겼다 제거되었다 함으로써 셔터 역할을 하는 것이다.
한편, 다시 도 3을 참조하면, 전술한 구성을 갖는 셔터유닛(180) 외측면에는 백라이트 유닛(190)이 구비되어 있다. 이때 상기 백라이트 유닛(190)은 다수의 램프(185)가 일정간격 이격하며 배치되는 직하형 타입 또는 상기 램프(185)가 양측 또는 일측에 배치되고 도광판(미도시)에 의해 그 상부로 빛을 입사시키는 에지형 타입 중 어느 것이나 이용 가능하다. 도면에 있어서는 직하형 타입 백라이트 유 닛(190)을 일례로 도시하였다. 이때 본 발명에 이용되는 상기 백라이트 유닛(190)은 그 내부에 상기 다수의 램프(185) 상부로 다수의 광학시트(176)가 구성되며, 상기 다수의 램프(185) 하부에는 반사판(미도시)이 구비되고 있다.
전술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치(101)는 셔터 유닛(180)과 백라이트 유닛(190)의 온(on)/오프(off)에 의해 투과모드와 반사모드로 구동되게 된다.
상기 셔터유닛(180)을 온(on) 상태 즉, 제 1 및 제 2 전극(167, 175)에 서로 다른 전압을 인가함으로써 수직 전계를 발현시키면, 블랙 오일층(171)이 표시영역으로부터 제거되며, 이때 상기 백라이트 유닛(190)을 온(on) 시키면, 상기 백라이트 유닛(190) 내의 다수의 램프(185)로부터 나온 빛이 상기 액정패널(160)로 입사되어 외부로 출사되는 투과모드로 동작을 한다. 또한, 상기 셔터유닛(180)을 오프(off) 상태로 하면 블랙 오일층(171)이 상기 수(水)층(173)의 표면을 덮게되어 표시영역을 가림으로써 상기 백라이트로 유닛(190)부터 나온 빛은 액정패널(160)로 입사되지 못하게 되며, 따라서 이 경우 상기 백라이트 유닛(190)을 오프(off)시키면, 외부광에 의한 반사모드로 동작되게 된다.
이러한 특성을 갖는 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치(101)는 특히 옥외 광고용 표시장치 또는 노트북이나 PDA 등 개인 휴대용 전자기기의 표시장치로 이용 시 매우 유리한 구조가 된다. 이는 백라이트 유닛(190)을 이용한 투과모드 동작 시 최고 휘도를 갖도록 동작하는 것보다도 훨씬 밝은 휘도를 갖는 상태의 반사모드로 동작될 수 있기 때문이다. 즉, 반사모드의 경우 주위의 환경에 따라 그 휘 도가 변하게 되므로 매우 높은 조도 특성을 갖는 태양광 하에서는 투과모드 동작시보다 표시영역에 표시되는 화상이 훨씬 큰 휘도를 갖게 되기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치(101)는 하나의 화소영역(P) 전체를 모두 반사영역으로 사용할 수 있는 구조적 특징을 갖는다. 따라서 종래의 화소영역의 50%만을 반사영역으로 이용하는 반사투과형 액정표시장치보다도 훨씬 반사특성이 뛰어나므로 휘도 특성이 월등히 우수하다.
조금 더 상세히 설명하면, 한낮의 태양광이 조사되는 경우 평균적으로 100K lux 정도의 조도 환경이 되며, 이러게 큰 조도를 갖는 상황에서는 전술한 조도 크기 이상의 휘도를 갖지 않는 이상 표시화면의 시인성이 많이 저하된다. 한낮의 태양광 하에서의 조도는 100K Lux 정도가 되므로 백라이트 유닛(190) 내에 아무리 많은 램프(185)를 구비한다 하여도 1000 nit 이상의 휘도를 갖도록 하는 것은 전력소모의 문제 등 유지 비용이 매우 커지게 되므로 현실적으로 어려운 상황이다.
또한, 표시되는 화상이 1000nit 정도의 휘도를 갖는다 하여도 태양광 아래서의 조도와 비교하면 그 크기가 현저히 작으므로 즉, 주위 환경보다 더 밝지 않은 빛을 발산하여 화상을 표시하게 되므로 명암비 저하에 의해 풀컬러의 시인성이 매우 떨어진다. 일례로 인공조명을 갖는 사무실의 평균적인 조도는 100 lux 정도가 되며, 이러한 상황에서는 1000 nit의 휘도를 갖는 액정표시장치가 주위 환경보다 더 밝은 빛을 발산하여 화상을 표시하게 되므로 우수한 풀컬러 시인성을 갖게되므로 문제되지 않는다. 하지만, 주간에 태양광 하에서는 1000 nit 정도의 휘도를 갖는 액정표시장치는 주위의 높은 휘도(조도) 환경으로 시인성이 급격히 떨어지게 된 다.
이 경우 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치(101)를 반사모드로 동작하게 되면 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치(101)의 특성 상 반사효율이 극대화됨으로써 3000 nit 내지 5000 nit 정도의 휘도 환경을 갖게 되는 바, 명암비 등이 훨씬 향상되므로 시인성이 투과모드 대비 향상되게 된다.
이러한 반사효율의 극대화는 일반적으로 액정패널(160) 내부에 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 구비함으로써 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110) 자체가 반사판의 역할을 하도록 하여 반사되는 빛의 투과량을 향상시켰기 때문이다. 종래의 반사투과형 액정표시장치는 반사모드로 동작 시 컬러필터층을 2회 통과하는 구조를 가지며, 하나의 화소영역이 반사영역과 투과영역으로 나뉨으로써, 실질적으로 외부광(태양광)이 액정패널 내부로 입사된 후 반사되어 나오는 빛은 입사된 빛의 9%정도가 되고 있다. 통상적으로 액정패널을 이루는 구성요소 중 투과율이 상대적으로 가장 낮은 것은 컬러필터층이 되고 있다. 이는 화상의 풀컬러 구현을 위해 요구되는 기본 색상인 적, 녹 ,청색을 표현하기 위해 투과를 저해하는 요소로서 적, 녹, 청색 안료가 상기 컬러필터층을 이루는 중요한 구성물질이 되고 있기 때문이다. 컬러필터층은 이러한 안료 배합비에 의해 색 재현율이 결정되게 된다.
통상적으로 72%의 색재현율 구현을 위해서 안료 배합비를 적절히 조절한 컬러필터층의 경우, 그 투과율은 30% 정도가 된다. 따라서, 종래의 반사투과형 액정표시장치는 반사모드로 동작 시 그 구성 특성상 이러한 상대적으로 낮은 투과율을 갖는 컬러필터층을 2회 통과하게 되므로, 다른 구성요소의 투과율을 100%라 가정할 하면, 입사된 빛의 9%만이 나오게 됨으로써 그 반사효율은 9%만이 됨을 알 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치(101)는 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110) 자체가 특정 파장대의 빛에 대해 선택 반사판의 역할을 하게 됨으로 상기 반사되는 빛은 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110) 표면 또는 그 내부 중간에서 반사된다. 이때 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)은 30%의 투과율을 가지므로 최소한 30%의 반사효율을 얻을 수 있다. 게다가 본 발명의 경우 반사모드로 작동 시 화소영역(P) 전체가 반사영역이 되므로 2배 더 효율이 증가하게 된다. 따라서 타 구성요소가 100%의 투과율을 갖는다 하면 종래의 반사투과형 액정표시장치 대비 6-7배정도 더 큰 반사효율을 갖게 된다.
한편, 본 발명에 이용되는 콜레스테릭 액정 컬러필터층에 대해 조금 더 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치에 구성된 콜레스테릭 액정 컬러필터층을 확대 도시한 단면도이다.
도면에 나타내지 않았지만, 콜레스테릭 액정은 나선형 구조를 이루며, 이 콜레스테릭 액정의 선택반사 파장대는 나선형 피치(pitch)의 조정에 의해 결정되기 때문에, 한 화소영역에서 피치의 분포에 따라서 반사되는 파장대를 조절할 수 있다. 인간이 눈으로 볼 수 있는 가시광선의 파장영역은 400∼700㎚이다. 전술한 콜레스테릭 액정을 C, M, Y 화소영역(CP, MP, YP)별로, 각각의 중심파장에 대해서 좌, 우 피치 편차가 생기도록 조건을 조절하면, 피치 편차에 해당하는 파장영역에 서 좌원 편광 또는 우원 편광된 빛을 선택적으로 반사시킴으로써 컬러필터를 이루도록 할 수 있다.
한편, 적(R), 녹(G), 청(B)색 각각의 중심 파장대는 650nm, 550nm, 450nm 부근에 해당한다. 이때, 시안(C)은 녹색(G)과 청색(B), 마젠타(M)는 적색(R)과 청색(B), 엘로우(Y)는 녹색(G)과 적색(R)의 합산색이 된다. 따라서, 시안(C)의 색을 반사시키기 위해서는 녹색(G)을 나타내는 파장대의 회전 피치를 갖는 제 1 콜레스테릭 패턴층(105)과, 청색(B)을 나타내는 파장대의 회전 피치를 갖는 제 2 콜레스테릭 패턴층(107)의 이중층 구조를 갖도록 콜레스테릭 컬러필터 액정층(110)을 형성하면 된다.
또한, 마젠타(M)의 색을 반사시키기 위해서는 청색(B)과 적색(R) 파장대 회전피치를 갖는 제 1 및 제 2 콜레스테릭 패턴층(105, 107)의 이중층 구조를 갖도록, 옐로우(Y)의 색을 반사시키기 위해서는 녹색(G)과 적색(R)을 나타내는 파장대의 회전 피치를 갖는 제 1 및 제 2 콜레스테릭 패턴층(105, 107)의 이중층 구조를 갖도록 형성하면 된다. 이때 상기 제 1 및 제 2 콜레스테릭 패턴층(105, 107)은 서로 그 상하가 바뀌어도 무방하다.
또한, 상기 제 1 콜레스테릭 패턴층(105) 하부에는 제 1 배향막(104)이, 제 2 콜레스테릭 패턴층(107) 하부에는 제 2 배향막(106)이 형성되어 있다.
전술한 시안(C), 마젠타(M), 옐로우(Y)를 반사시키기 위한 이중층 구조를 갖는 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)은 일례로 제시한 것이며, 하나의 화소영역(P) 내에서 단일층 구조로 형성되어 상기 시안(C), 마젠타(M) 및 옐로우(Y)를 표현할 수도 있다. 일례로서 도면에 나타내지 않았지만, 하나의 화소영역을 분할하여 일부에 대해서는 녹색을 나타내는 파장대의 회전피치를 갖도록 콜레스테릭 액정층(110)을 조절하고, 다른 일부에 대해서는 청색을 나타내는 파장대의 회전피치를 갖도록 콜레스테릭 컬러필터 액정층(110)을 조절함으로써 녹색과 청색의 합산 반사에 의해 시안을 나타내도록 구성할 수도 있다. 이때 마젠타(M)와 옐로우(Y)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)의 회전피치 조절은 자외선에 노출시킴으로써 이루어지게 되며, 자외선에 노출되는 시간을 조절함으로서 회전피치 크기를 조절할 수 있다. 회전피치 조절 후 이를 베이킹(baking) 및 큐어링(curing)함으로써 상기 콜레스테릭 액정분자들을 특정 회전피치를 갖도록 고정함으로써 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 구현할 수 있다.
전술한 바와 같이 각 화소영역(CP, MP, YP)이 순차 반복적으로 시안(C), 마젠타(M), 옐로우(Y)를 반사하도록 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 구성한 경우, 반사모드시는 시안(C), 마젠타(M), 옐로우(Y)에 의한 풀컬러 구현이 되며, 투과모드시는 적(R), 녹(G), 청색(B)에 의한 풀컬러 구현이 이루어지게 된다.
한편, 도면에 나타내지 않았지만, 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)은 시안(C), 마젠타(M), 옐로우(Y)를 반사시키는 구조 이외에 적, 녹, 청색을 반사시키는 구조를 갖도록 형성될 수도 있다. 이 경우는 각 화소영역에 대응하여 순차 반복하여 적, 녹, 청색의 파장대를 갖도록 단일층으로 이에 대응하는 회전피치를 갖도록 콜레스테릭 컬러필터 액정층을 구성하게 된다. 이렇게 각 화소영역이 순차 반 복적으로 적, 녹, 청색을 각각 반사하도록 콜레스테릭 액정 컬러필터층을 형성한 경우, 반사모드로 동작시는 적, 녹, 청색에 의해 풀컬러를 구현하게 되며, 투과모드로 동작시는 시안, 마젠타, 옐로우에 의해 풀컬러를 구현한게 된다.
통상적으로 반사모드로 동작하는 경우 태양광 하에서 화상을 표시하게 되므로 명암비 저하에 의해 상대적으로 시인성이 떨어지게 되어 풀컬러 구현의 정도는 화상품질에 별 영향을 끼치지 않는다. 반면, 투과모드로 동작시는 상대적으로 시인성이 우수함으로써 풀컬러 구현의 정도에 의해 화상품질의 차이가 발생하게 된다. 일반적으로 표시장치에 있어서 블랙 구현의 문제로 인해, 시안, 마젠타, 옐로우에 의해 풀컬러를 구현하는 것보다는 적, 녹, 청색에 의해 풀컬러를 구현하는 것이 명암비와 화상품질이 상대적으로 더 우수한 실정이다.
따라서, 시안, 마젠타, 옐로우를 반사시키는 콜레스테릭 액정 컬러필터층을 구비한 본 발명의 실시예에 따른 반사투과형 액정표시장치가 그 변형예에 따른 반사투과형 액정표시장치 대비 화상 표시품질면에서 조금 우수하다 할 것이다.
이후에는 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치의 반사모드와 투과모드 동작 원리에 대해 설명한다.
도 6과 도 7은 각각 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치의 반사모드와 투과모드로 동작시의 빛의 진행 경로를 나타낸 단면도이다.
우선, 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치(101)가 반사모드로 동작 되는 경우, 셔터유닛(180)과 백라이트 유닛(190)은 전원 오프(off) 상태가 된다. 따라서, 상기 셔터유닛(180) 내의 블랙 오일층(180)은 표시영역 전체 를 가리는 상태가 되어 빛 흡수층의 역할을 하게 된다.
이러한 상태에서 외부로부터 빛이 제 1 편광판(153)을 통과하여 액정패널(160)로 입사되게 된다. 이때, 본 발명의 특징상 대향기판(150)에는 안료 등이 섞인 컬러필터층은 없으므로 대향기판(150)을 통과하고 연속하여 액정층(147)을 통과한 후, 어레이 기판(103)의 구성요소들로 입사되며, 최종적으로 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)에 도달하게 된다. 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)에 도달한 빛은 각 화소영역(P) 내에 형성된 콜레스테릭 액정분자의 회전피치 상태에 따라 시안(C)을 반사하는 화소영역(P)에 대해서는 녹색 및 청색 파장대의 빛은 합산되어 반사되어 다시 액정층(147)과 대향기판(150)과 제 1 편광판(153)을 통과하여 화상을 표시하게 된다. 이때, 상기 녹색 및 청색 이외의 파장대 특히 적색을 나타내는 파장대의 빛은 상기 시안을 나타내는 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 그대로 통과하여 상기 블랙 오일층(171)에 입사되어 흡수됨으로써 사라지게 된다.
또한, 마젠타(M)를 반사하는 화소영역(P)에 대해서는 적색 및 청색 파장대의 빛은 합산되어 반사됨으로써 다시 외부로 나오게 되어 마젠타(M) 색을 표시하게 되고, 녹색 파장대의 빛은 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 투과하여 블랙 오일층(171)에 입사됨으로써 사라지게 된다.
또한, 옐로우(Y)를 반사하는 화소영역(P)에 대해서는 적색 및 녹색 파장대의 빛은 합산되어 반사됨으로써 다시 외부로 나오게 되어 옐로우(Y) 색을 표시하게 되고, 청색 파장대의 빛은 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 투과하여 블랙 오일층(171)에 입사됨으로써 사라지게 된다.
따라서, 반사모드의 경우 전술한 빛의 경로 진행에 의해 시안(C), 마젠타(M) 및 옐로우(Y)에 의해 풀 컬러 화상을 표시하게 된다.
한편, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치(101)가 투과모드로 동작 되는 경우, 셔터유닛(180)과 백라이트 유닛(190)은 전원 온(off) 상태가 된다. 따라서, 상기 셔터유닛(180) 내의 블랙 오일층(도 6의 171)은 표시영역 외측 테두리부로 밀려나게 됨으로써 표시영역 내에서 사라지게 되어 셔터유닛(180)은 화상 표시영역에 대해서는 투명한 상태가 된다.
이러한 상태에서 백라이트 유닛(190)내의 다수의 램프(185)로부터 나온 빛은 상기 셔터유닛(180)을 통과하여 액정패널(160) 내부로 입사된다. 이때 제 2 편광판(156)을 통과한 빛은 상기 액정패널(160)을 이루는 어레이 기판(103) 내의 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)에 도달하게 된다. 이때 상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)에 도달하게 된 빛은 시안(C)을 반사시키는 콜레스테릭 컬러필터 액정층(110)을 갖는 화소영역(P)에 있어서는 녹색(G)과 청색(B)의 파장대를 갖는 빛은 그 표면에서 반사되어 다시 제 2 편광판(156)을 지나 백라이트 유닛(190)으로 재입사 되고, 적색(R)을 나타내는 파장의 빛만이 통과하게 되며, 이러한 적색(R)을 나타내는 파장의 빛은 액정층(147)과 대향기판(150) 및 제 1 편광판(153)을 통과하여 외부로 나와 적색(R)을 표시하게 된다.
마찬가지로 마젠타(M)를 반사키는 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 갖는 화소영역(P)에 있어서는 녹색(G)을 나타내는 파장의 빛만이 통과하게 되며, 옐로우(Y)를 반사키는 콜레스테릭 액정 컬러필터층(110)을 갖는 화소영역(P)에 있어서 는 청색(B)을 나타내는 파장의 빛만이 통과하게 되며, 그 나머지 파장대의 빛은 다시 백라이트 유닛(190)으로 반사된다.
전술한 동작에 의해 반사모드와 투과모드에서 풀 컬러 화상을 구현하는 반사투과형 액정표시장치(101)는 각 모드에서 화소영역 전체가 반사영역 또는 투과영역을 이루게 됨으로 휘도가 향상됨을 알 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 이상 다양한 변화와 변형이 가능하다.
도 1은 종래의 반사투과형 액정표시장치의 표시영역 일부를 도시한 평면도.
도 2는 도 1을 절단선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단한 단면도로서 하나의 화소영역에 박막트랜지스터가 형성되는 스위칭 영역을 포함하여 데이터 배선이 연장한 방향으로 절단한 부분에 대한 액정패널의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반사투과형 액정표시장치의 단면도.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치에 구성된 셔터유닛을 확대도시한 단면도로서 각각 전원 오프(off) 상태와 전원 온(on) 상태에서의 단면 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치에 구성된 콜레스테릭 액정 컬러필터층을 확대도시한 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치의 반사모드로 동작시의 빛의 진행 경로를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 반사투과형 액정표시장치의 투과모드로 동작시의 빛의 진행 경로를 나타낸 단면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
101 : 반사투과형 액정표시장치 103 : 어레이 기판
112 : 게이트 전극 116 : 게이트 절연막
120(120a, 120b) : 반도체층 130 : 소스 전극
133 : 드레인 전극 137 : 보호층
138 : 드레인 콘택홀 140 : 화소전극
143 : 공통전극 147 : 액정층
150 : 대향기판 153 : 제 1 편광판
156 : 제 2 편광판 160 : 액정패널
170 : 선택반사판 173 : 컬러필터층
176 : 광학시트 190 : 백라이트 유닛
185 : 램프 P : 화소영역
Tr : 박막트랜지스터

Claims (9)

  1. 화상 표시영역에 다수의 화소영역이 구비되며 상기 다수의 각 화소영역에 박막트랜지스터와 화소전극 및 콜레스테릭 액정 컬러필터층이 형성된 어레이 기판과, 이와 대향하는 대향기판과, 상기 어레이 기판과 대향 기판 사이에 개재된 액정층을 포함하는 액정패널과;
    상기 액정패널의 양 외측면에 각각 구비된 제 1 및 제 2 편광판과;
    상기 어레이 기판 외측면에 구비되며, 전계 인가 유무에 의해 블랙 오일층이 상기 표시영역 전체를 가리거나 또는 상기 표시영역에서 제거되는 특성을 갖는 셔터유닛과;
    상기 셔터유닛 외측면에 구비된 백라이트 유닛
    을 포함하며, 상기 다수의 화소영역 각각의 전체영역이 모드 변환에 의해 반사영역과 투과영역이 되는 것을 특징으로 하는 반사투과형 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 셔터유닛은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판과, 상기 제 1, 2 기판 내측면에 각각 형성된 제 1 및 제 2 전극과, 상기 제 1 전극 내측면에 전계 온/오프에 따라 친수성 또는 소수성 특성을 갖는 절연층과, 수(水)층과, 상기 절연층과 수(水)층 사이에 형성된 상기 블랙 오일층으로 구성되는 것이 특징인 반사투과형 액정표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층은 반사모드로 동작 시는 각 화소영역에 입사된 빛에 대해 순차 반복하며 각각 시안, 마젠타, 옐로우 색을 반사시키며, 투과모드로 동작 시는 적, 녹, 청색을 투과시키는 것이 특징인 반사투과형 액정표시장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 콜레스테릭 액정 컬러필터층은 제 1 콜레스테릭 액정 패턴층과 제 2 콜레스테릭 액정 패턴층의 이중층 구조를 이루는 것이 특징인 반사투과형 액정표시장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적층된 제 1 및 제 2 콜레스테릭 액정 패턴층은 각각 상기 시안을 반사시키는 화소영역에서는 녹색 및 청색 파장대의 회전피치를 가지며, 마젠타를 반사시키는 화소영역에서는 적색 및 청색 파장대의 회전피치를 가지며, 옐로우를 반 사시키는 화소영역에서는 녹색 및 적색 파장대의 회전피치를 갖도록 형성된 것이 특징인 반사투과형 액정표시장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 콜레스테릭 액정 패턴층 하부에는 제 1 배향막이, 상기 제 2 콜레스테링 액정 패턴층 하부에는 제 2 배향막이 형성된 반사투과형 액정표시장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 대향기판에는 그 내측면에 공통전극이 형성된 반사투과형 액정표시장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레이 기판에는 상기 각 화소영역에 상기 화소전극과 이격하며 공통전극이 형성된 반사투과형 액정표시장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레이 기판에는 상기 각 화소영역을 정의하며 서로 교차하는 게이트 및 데이터 배선이 형성된 반사투과형 액정표시장치.
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