KR20100047717A

KR20100047717A - 액정표시장치

Info

Publication number: KR20100047717A
Application number: KR1020080106733A
Authority: KR
Inventors: 강훈
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-10

Abstract

본 발명의 액정표시장치는 상부기판에 슬릿 형태의 태양전지(solar cell)를 형성하고 하부기판은 컬러필터 온 박막 트랜지스터(Color filter on TFT; COT)구조를 채택하는 한편, 상기 슬릿으로 광을 집광하는 집광 판을 액정표시패널과 백라이트 유닛 사이에 위치시킴으로써 상기 백라이트 유닛의 전력소모를 감소시키기 위한 것으로, 상부기판과 하부기판 및 상기 상부기판과 하부기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어진 액정표시패널; 상기 상부기판과 액정층 사이에 형성되며, 수직한 방향에 대해 소정의 기울기를 가지는 슬릿 형태의 태양전지; 상기 액정표시패널의 하부에 배치되어 액정표시패널에 광을 공급하기 위한 백라이트 유닛; 및 상기 액정표시패널과 백라이트 유닛 사이에 위치하여 상기 태양전지의 슬릿들 사이로 광을 집광하는 집광 판을 포함한다.

액정표시장치, 슬릿 형태, 태양전지, 컬러필터 온 박막 트랜지스터, 집광 판

Description

액정표시장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광을 이용하여 전력을 생산하고 이 생산된 전력을 축전(蓄電)하여 백라이트 유닛의 전력으로 사용하도록 한 태양전지를 내장한 액정표시장치에 관한 것이다.

최근 정보 디스플레이에 관한 관심이 고조되고 휴대가 가능한 정보매체를 이용하려는 요구가 높아지면서 기존의 표시장치인 브라운관(Cathode Ray Tube; CRT)을 대체하는 경량 박막형 평판표시장치(Flat Panel Display; FPD)에 대한 연구 및 상업화가 중점적으로 이루어지고 있다. 특히, 이러한 평판표시장치 중 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)는 액정의 광학적 이방성을 이용하여 이미지를 표현하는 장치로서, 해상도와 컬러표시 및 화질 등에서 우수하여 노트북이나 데스크탑 모니터 등에 활발하게 적용되고 있다.

상기 액정표시장치는 크게 컬러필터(color filter) 기판과 어레이(array) 기판 및 상기 컬러필터 기판과 어레이 기판 사이에 형성된 액정층(liquid crystal layer)으로 구성된다.

상기 액정표시장치에 주로 사용되는 구동 방식인 능동 매트릭스(Active Matrix; AM) 방식은 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(Amorphous Silicon Thin Film Transistor; a-Si TFT)를 스위칭소자로 사용하여 화소부의 액정을 구동하는 방식이다.

이하, 도 1을 참조하여 일반적인 액정표시장치의 구조에 대해서 상세히 설명한다.

도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 액정표시장치는 크게 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10) 및 상기 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10) 사이에 형성된 액정층(liquid crystal layer)(30)으로 구성된다.

상기 컬러필터 기판(5)은 적(Red; R), 녹(Green; G) 및 청(Blue; B)의 색상을 구현하는 다수의 서브-컬러필터(7)로 구성된 컬러필터(C)와 상기 서브-컬러필터(7) 사이를 구분하고 액정층(30)을 투과하는 광을 차단하는 블랙매트릭스(black matrix)(6), 그리고 상기 액정층(30)에 전압을 인가하는 투명한 공통전극(8)으로 이루어져 있다.

또한, 상기 어레이 기판(10)은 종횡으로 배열되어 복수개의 화소영역(P)을 정의하는 복수개의 게이트라인(16)과 데이터라인(17), 상기 게이트라인(16)과 데이터라인(17)의 교차영역에 형성된 스위칭소자인 박막 트랜지스터(T) 및 상기 화소영역(P) 위에 형성된 화소전극(18)으로 이루어져 있다.

상기의 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10)은 화상표시 영역의 외곽에 형성된 실런트(sealant)(미도시)에 의해 대향하도록 합착되어 액정표시패널을 구성하 며, 상기 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10)의 합착은 상기 컬러필터 기판(5) 또는 어레이 기판(10)에 형성된 합착키(미도시)를 통해 이루어진다.

그런데, 이러한 구조의 액정표시장치가 휴대 가능한 제품, 예를 들면 노트북 컴퓨터나 개인 정보 단말기(Personal Digital Assistant; PDA), 이동 전화기 등에 적용될 수 있고, 이러한 경우 휴대기기의 전력 공급은 배터리를 이용하게 되는데, 배터리의 사용시간은 한정되어 있으므로 휴대기기의 사용에 있어서 이동 중의 전력공급은 매우 중요하고 까다로운 문제로 대두되고 있다.

종래에는 휴대기기의 배터리 사용시간을 늘리기 위한 방법으로 절전을 위한 각종 알고리즘이나, 절전회로 등에 집중하고 있다. 그러나, 근본적으로 배터리에 축적된 전기 에너지는 무한정한 자원이 아니므로, 절전에 절전을 거듭한다고 해도 새로운 전력을 생산해 내지 않는 이상 그 사용시간은 언제나 사용자를 위협한다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 태양광을 활용하여 백라이트 유닛의 전력소모를 감소시킬 수 있는 액정표시장치를 제공하는데 목적이 있다.

기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 액정표시장치는 상부기판과 하부기판 및 상기 상부기판과 하부기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어진 액정표시패널; 상기 상부기판과 액정층 사이에 형성되며, 수직한 방향에 대해 소정의 기울기를 가지는 슬릿 형태의 태양전지; 상기 액정표시패널의 하부에 배치되어 액정표시패널에 광을 공급하기 위한 백라이트 유닛; 및 상기 액정표시패널과 백라이트 유닛 사이에 위치하여 상기 태양전지의 슬릿들 사이로 광을 집광하는 집광 판을 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 액정표시장치는 액정표시장치에 태양전지를 내장하여 태양광을 이용하여 전력을 생산하고, 이 생산된 전력을 축전(蓄電)하여 백라이트 유닛의 전력으로 사용하도록 함으로써 액정표시장치를 채용한 기기에서 배터리 사용시간을 연장시키는 한편, 전력소모를 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정표시장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치는 화소들이 매트릭스 형태로 배열되는 액정표시패널(101), 상기 액정표시패널(101)의 하부에 배치되어 액정표시패널(101)에 광을 공급하기 위한 백라이트 유닛(130) 및 상기 액정표시패널(101)과 백라이트 유닛을 결합시켜 지지하는 다양한 케이스 부품(미도시)으로 구성된다.

상기 액정표시패널(101)은 크게 상부기판(105)과 하부기판(110) 및 상기 상부기판(105)과 하부기판(110) 사이에 형성된 액정층(liquid crystal layer)(120)으로 구성된다.

이때, 상기 하부기판(110)은 적(Red; R), 녹(Green; G) 및 청(Blue; B)의 색상을 구현하는 다수의 서브-컬러필터로 구성된 컬러필터(106), 상기 서브-컬러필터 사이를 구분하고 그 경계로 액정층(120)을 투과하는 광을 차단하는 블랙매트릭스(black matrix)(107), 종횡으로 배열되어 복수개의 화소영역을 정의하는 복수개의 게이트라인(미도시)과 데이터라인(미도시), 상기 게이트라인과 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자인 박막 트랜지스터(미도시) 및 상기 화소영역 위에 형성된 화소전극(미도시)으로 이루어져 있다.

그리고, 상기 상부기판(105)은 상기 화소전극과 함께 액정층(120)에 전압을 인가하는 투명한 공통전극(미도시)으로 이루어져 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치는 박막 트랜지스터가 형성된 하부기판(110)에 컬러필터(106)와 블랙매트릭스(107)도 함께 형성된 컬러필터 온 박막 트랜지스터(Color filter on TFT; COT)구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치는 상기 상부기판(105)과 액정층(120) 사이에 슬릿 형태의 태양전지(solar cell)(140)를 형성하여 태양광 전지로 사용하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 슬릿 형태의 태양전지(140)는 소정의 폭을 가지고 교대로 배치되어 시차 장벽(parallax barrier) 역할을 하며, 상기 태양전지(140)의 슬릿들 사이를 통과한 백라이트 광을 통해 화상을 보게 된다.

이와 같이 구성된 상기 상부기판(105)과 하부기판(110)의 대향(對向)면에는 상기 액정층(120)의 액정분자의 초기 배향방향을 결정짓는 배향막(미도시)이 각각 형성되어 있으며, 또한 상기 상부기판(105)과 하부기판(110)의 외측에는 광 투과축이 서로 수직이 되도록 편광판(104, 114)이 각각 배치되어 있다.

전술한 바와 같이, 상기 상부기판(105)과 하부기판(110)이 합착된 액정표시패널(101)에는 각각 공통전극과 화소전극이 형성되어 상기 상부기판(105)과 하부기판(110) 사이에 형성된 액정층(120)에 전계를 인가하게 된다.

따라서, 상기 공통전극에 전압이 인가된 상태에서 상기 화소전극에 인가되는 데이터신호의 전압을 제어하게 되면, 상기 액정층(120)의 액정은 상기 공통전극과 화소전극 사이의 전계에 따라 유전 이방성에 의해 회전함으로써, 화소별로 빛을 투과시키거나 차단시켜 문자나 화상을 표시하게 된다.

이때, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 백라이트 유닛(130)은 상기 액정표시패널(101)의 하부에 배치된 도광판, 상기 도광판의 측면에 배치된 램프 어셈블리, 상기 도광판의 하부에 배치된 반사판으로 구성되며, 상기 액정표시패널(101)과 도광판의 사이에 광학시트들이 배치된다.

이때, 상기 램프 어셈블리에서 발생된 빛은 투명한 재질로 형성된 도광판의 측면으로 입사된다. 그리고, 상기 도광판의 하부에 배치된 반사판은 도광판의 배면으로 투과되는 빛을 도광판의 상면으로 반사시켜 빛의 손실을 줄이고, 도광판의 상면으로 투과되는 빛의 균일도를 향상시킨다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 액정표시패널(101)과 백라이트 유닛(130) 사이에는 볼록한 집광렌즈가 구비되어 상기 태양전지(140)의 슬릿들 사이로 광을 집광하는 집광 판(150)이 위치하게 된다.

이때, 상기 집광 판(150)은 접착제(adhesive)를 통해 상기 하부기판(110)의 외측에 배치된 편광판(114)에 부착될 수 있으며, 상기 태양전지(140)의 반사층에 반사되어 되돌아온 빛을 재활용(recycle)하는 한편 상기 집광 판(150)을 통한 빛의 집광으로 휘도를 향상시키는 역할을 하게 된다.

그리고, 상기 본 발명의 실시예에 따른 태양전지(140)와 백라이트 유닛(130) 사이에는 소정의 축전지(160)가 구비되어 태양광을 이용하여 생산된 전력을 축전한 뒤 필요시 백라이트 유닛(130)의 전력으로 사용하도록 함으로써 백라이트 유닛(130)의 전력소모를 감소시킬 수 있게 된다.

도 3은 상기 도 2에 도시된 액정표시장치에 있어서, 태양전지의 구조를 개략 적으로 나타내는 단면도로써, 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 태양전지의 구조를 예를 들어 나타내고 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 태양전지(140)에서 태양광이 입사하는 방향을 기준으로 위층을 상부 태양전지 셀(142), 아래층을 하부 태양전지 셀(143)이라고 하는데, 태양광이 먼저 흡수되는 상부 태양전지 셀(142)에는 높은 밴드 갭(band gap)을 갖는 물질이 하부 태양전지 셀(143)에는 상대적으로 낮은 밴드 갭을 갖는 물질이 사용되어야 한다.

예를 들어, 상기 도 3은 하부층에 금속반사층(144)을 적층하고 반도체층으로서 다결정 실리콘 셀과 비정질 실리콘 셀을 적층한 것이다. 즉, 다결정 실리콘 셀은 하부 태양전지 셀(143)로서 구비하고, 비정질 실리콘 셀은 상부 태양전지 셀(142)로서 구비한 후 최상부에 투명전극층(141)을 형성한 적층 구조의 태양전지를 나타낸 것이다.

태양전지의 작동원리는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환시키는 발광 다이오드(Lighting Emitting Diode; LED)나 레이저 다이오드(laser diode)와 반대의 개념으로 이해할 수 있으며, 대부분 보통의 태양전지는 대면적의 p-n접합 다이오드(p-n junction diode)로 이루어져 있다. 그러므로 이러한 점은 액정표시장치의 제작공정 중에 태양전지를 간단하게 추가 형성할 수 있음을 의미한다.

액정표시장치에 내장된 태양전지는 광전 에너지 변환(photovoltaic energy conversion)을 위해 기본적으로 갖춰야 하는 요건으로 반도체 구조 내에서 전자들이 비대칭적으로 존재해야 한다는 것이다.

p-n접합 다이오드에서 n-타입 지역은 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지고 있고 p-타입 지역은 그와 정반대로 되어있다. 따라서, 열적 평형상태에서 p-타입 반도체와 n-타입 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배(勾配)에 의한 확산으로 전하(charge) 의 불균형이 생기고, 이 때문에 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다.

이 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드 갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우, 이 빛 에너지를 받아서 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite)되게 된다. 이때, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되며, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 엑세스 캐리어(excess carrier)라고 하며, 이 엑세스 캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이 에 의해서 확산하게 된다.

이때, p-타입 반도체에서 여기된 전자들과 n-타입 반도체에서 만들어진 정공을 각각의 소수 캐리어(minority carrier)라고 부르며, 기존 접합전의 p-타입 또는 n-타입 반도체내의 캐리어(p-타입의 정공, n-타입의 전자)는 이와 구분해 다수 캐리어(majority carrier)라고 부른다. 여기서, 상기 다수 캐리어들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p-타입의 소수 캐리어인 전자는 n-타입 쪽으로 이동할 수 있다.

소수 캐리어의 확산에 의해 재료 내부의 전하 중립(charge neutrality)이 깨 짐으로써 전압차(potential drop)가 생기고, 이때 p-n접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력(electromotive force)을 외부 회로에 연결하면 전지로서 작용하게 된다.

따라서, 태양전지가 내장된 액정표시장치를 이용해서 전력 생산이 가능하게 되고, 이렇게 생산된 전력을 축전시켜 백라이트 유닛의 전력으로 사용하도록 함으로서 배터리 사용시간을 연장시킬 수 있게 되는 것이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치를 예를 들어 나타내는 단면도이다.

이때, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 액정표시패널(101~301) 내에 구비한 액정표시장치(100~300)를 나타내고 있으며, 특히 도 4b 및 도 4c는 액정표시패널(201, 301) 상부에 무반사 코팅(anti-reflection coating) 처리 편광판이나 글라스(270, 370)를 적용한 경우를 나타내고 있다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 무반사 코팅 처리 편광판이나 글라스를 적용하지 않은 경우의 액정표시장치(100)는 일반적으로 1.5 ~ 4.0%의 태양광이 표면 반사되게 된다.

그러나, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 액정표시패널(201, 301) 상부에 무반사 코팅 글라스(270, 370)를 적용한 경우는 0.5 ~ 1.5%의 태양광만이 표면 반사되게 된다.

특히, 도 4b에 도시된 바와 같이, 무반사 코팅 글라스(270)를 에어 갭(air gap)을 가지고 액정표시장치(200) 상부에 설치하는 경우는 물질의 굴절률의 차이에 따른 무반사 코팅 글라스(270)의 하부 표면과 액정표시패널(201) 상부 표면에서의 반사가 존재하게 된다.

그러나, 도 4c에 도시된 바와 같이, 에어 갭이 없이 무반사 코팅 글라스(370)를 액정표시패널(301) 상부에 설치하는 경우는 0.5 ~ 1.5%의 태양광만이 표면 반사되게 되어 투과율이 증가됨에 따라 태양광을 최대로 활용할 수 있는 한편, 반사율을 저감함으로써 시인성을 개선할 수 있게 된다.

도 5는 상기 도 2에 도시된 액정표시장치에 있어서, 태양전지의 슬릿 구조를 개략적으로 나타내는 평면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지(140)는 수직한 방향에 대해 5 ~ 20°의 기울기(θ)를 가지도록 슬릿들이 배열하게 되는데, 이는 태양전지(140)의 슬릿 패턴과 하부 액정표시패널(101)의 격자 패턴이 합쳐져 모아레(moire)현상을 발생시키는 것을 방지하기 위함이다.

상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.

도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 나타내는 분해사시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.

도 3은 상기 도 2에 도시된 액정표시장치에 있어서, 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치를 예를 들어 나타내는 단면도.

도 5는 상기 도 2에 도시된 액정표시장치에 있어서, 태양전지의 슬릿 구조를 개략적으로 나타내는 평면도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

100~300 : 액정표시장치 101~301 : 액정표시패널

104,114 : 편광판 105 : 상부기판

110 : 하부기판 130 : 백라이트 유닛

140 : 태양전지 150 : 집광 판

160 : 축전지

Claims

상부기판과 하부기판 및 상기 상부기판과 하부기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어진 액정표시패널;

상기 상부기판과 액정층 사이에 형성되며, 수직한 방향에 대해 소정의 기울기를 가지는 슬릿 형태의 태양전지;

상기 액정표시패널의 하부에 배치되어 액정표시패널에 광을 공급하기 위한 백라이트 유닛; 및

상기 액정표시패널과 백라이트 유닛 사이에 위치하여 상기 태양전지의 슬릿들 사이로 광을 집광하는 집광 판을 포함하는 액정표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 하부기판에는 스위칭소자인 박막 트랜지스터 및 컬러필터가 구비된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기울기는 5 ~ 20°인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 슬릿 형태의 태양전지는 소정의 폭을 가지고 교대로 배치되어 시차 장벽(parallax barrier) 역할을 하며, 상기 태양전지의 슬릿들 사이를 통과한 백라이트 광을 통해 화상을 구현하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 액정표시패널 상부에 설치된 무반사 코팅 글라스를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 상부기판과 하부기판의 외측에 배치된 편광판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제 6 항에 있어서, 상기 상부기판의 편광판은 무반사 코팅 처리된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 집광 판은 하부에 볼록한 집광렌즈가 구비되어 상기 태양전지의 슬릿들 사이로 광을 집광하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.