KR20100079987A - 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조 - Google Patents

광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액정표시장치에서 시야각 보상필름을 사용하여 측면 시야각을 개선시키는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 구성함에 있어서, 뽀앙카레 구에서 광시야각을 얻을 수 있도록 두개의 A-플레이트와 두개의 C-플레이트를 적용하므로써, 측면 시야각에서의 명암대비비(contrast ratio) 향상뿐만 아니라 어두운 상태일 때의 가시광의 범위 내에서 색의 분산특성을 제거할 수 있도록 하는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 제공한다. 이에 따르면, 광학구조를 통과한 가시광 범위 내 빛의 모든 편광상태가 뽀앙카레 구면 상의 상측 편광판 흡수축을 나타내는 편광지점으로 이동하기 때문에 어두운 상태에서 측면 시야각 빛 샘 현상이 제거되므로, 수직정렬 액정표시장치에서 시야각에 따른 위상차 값을 광학적으로 보상함으로써 측면 시야각에서도 정면 시야각 수준의 우수한 광학특성을 얻을 수 있다.

Description

광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조{OPTICAL STRUCTURE FOR VERTICAL ALIGNMENT LIQUID CRYSTAL CELL WITH WIDE VIEWING ANGLE}
본 발명은 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조에 것으로, 좀 더 구체적으로는 액정표시장치에서 시야각 보상필름을 사용하여 측면 시야각을 개선시키는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 구성함에 있어서, 뽀앙카레 구에서 광시야각을 얻을 수 있도록 두개의 A-플레이트와 두개의 C-플레이트를 적용하므로써, 측면 시야각에서의 명암대비비(contrast ratio) 향상뿐만 아니라 어두운 상태일 때의 가시광의 범위 내에서 색의 분산특성을 제거할 수 있도록 하는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조에 관한 것이다.
수직정렬 액정표시장치(VA LCD ; vertical alignment liquid crystal display)는 IPS(in-plane switching), TN(twisted nematic) 액정모드와는 달리 액정분자가 전압이 인가되지 않은 상태에서 수직배향이 되어 있기 때문에 정면 시야각인 경우에는 아주 우수한 명암대비비를 갖지만, 측면 시야각인 경우에는 편광판 의 편광축 이동과 수직정력 액정층의 복굴절 특성으로 인해 명암대비비가 현저히 감소하여 시야각이 좁아지는 현상이 발생한다.
따라서, LCD TV와 같이 대형 패널을 가지는 디스플레이 제품의 광시야각 구현에 있어서 반드시 해결되어야 할 과제이다.
이에 대하여 본 출원인은 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0047689호 "액정표시장치"를 통해 이축성 필름과 C-플레이트를 이용하여, 콘트라스트 비의 향상뿐만 아니라 넓은 시야각을 갖는 기술을 제안한 바 있다.
본 발명은 본 출원인의 이와 같은 선출원과 연계하여 시야각 보상필름을 사용하여 측면 시야각을 개선시킴에 있어서, 더욱 넓은 범위의 측면 시야각을 확보할 수 있도록 함과 아울러 단파장에 초점을 맞춘 선출원의 영역을 확대하여 가시광의 범위(R, G, B 파장) 내에서 색의 분산특성을 제거할 수 있는 제안하기 위해 이루어진 것이다.
따라서, 본 발명은 액정표시장치에서 시야각 보상필름을 사용하여 측면 시야각을 개선시키는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 구성함에 있어서, 뽀앙카레 구에서 광시야각을 얻을 수 있도록 두개의 A-플레이트와 두개의 C-플레이트를 적용하므로써, 측면 시야각에서의 명암대비비(contrast ratio) 향상뿐만 아니라 어두운 상태일 때의 가시광의 범위 내에서 색의 분산특성을 제거할 수 있도록 할 수 있는 새로운 형태의 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 액정표시장치에서 시야각 보상필름을 사용하여 측면 시야각을 개선시키는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조에 있어서, 전압을 인가하여 외부광의 투과율을 제어하기 위한 수직정렬 액정셀(20)과; 상기 수직정렬 액정셀(20)의 상하측에 배치되어 설치되는 상하측 편광판(30, 40) 및; 상기 액정셀(20)과 상기 상하측 편광판(30, 40) 사이에 배치되어 설치되는 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)을 포함하되; 상기 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)은 두개의 A-플레이트와 두개의 C-플레이트가 조합되어 사용된다.
이와 같은 본 발명에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조에서 상기 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)은 음의 C-플레이트(22), 상측 및 하측 양의 A-플레이트(24, 26) 및, 양의 C-플레이트(28)로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조에서 상기 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)의 음의 C-플레이트(22)는 상기 수직정렬 액정셀(20)의 상측에 부착되어 설치되고, 상기 상측 및 하측 양의 A-플레이트(24, 26) 및, 양의 C-플레이트(28)는 상기 수직정렬 액정셀(20)의 하측에 순차적으로 부착되며, 상기 상측 양의 A-플레이트(24)의 광축은 상기 하측 편광판(40)의 투과축과 동일한 방향으로 놓이고, 상기 하측 양의 A-플레이트(26)의 광축은 상기 상측 편광판(40)의 투과축과 동일한 방향으로 놓일 수 있다.
본 발명에 의한 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조에 의하면, 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)의 음의 C-플레이트(22)가 수직정렬 액정셀(20)의 상측에 부착되어 설치되고, 상측 및 하측 양의 A-플레이트(24, 26) 및, 양의 C-플레이트(28)가 수직정렬 액정셀(20)의 하측에 순차적으로 부착되며, 상측 양의 A-플레이트(24)의 광축이 하측 편광판(40)의 투과축과 동일한 방향으로 놓이고, 하측 양의 A-플레이트(26)의 광축이 상측 편광판(40)의 투과축과 동일한 방향으로 놓이는 광학구조를 통해 광학구조를 통과한 가시광 범위 내 빛의 모든 편광상태가 뽀앙 카레 구면 상의 상측 편광판 흡수축을 나타내는 편광지점으로 이동하기 때문에 어두운 상태에서 측면 시야각 빛 샘 현상이 제거되므로, 수직정렬 액정표시장치에서 시야각에 따른 위상차 값을 광학적으로 보상함으로써 측면 시야각에서도 정면 시야각 수준의 우수한 광학특성을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 첨부된 도면 도 1 내지 도 6b에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 본 발명의 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조와 관련하여 광시야각형 수직정렬 액정셀 및 이를 적용하는 액정디스플레이의 기본적인 요소 및 작용, 뽀앙까레 구를 이용한 편광해석 및 적용 등 통상 이 분야의 관련 기술로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 액정표시장치에서 시야각 보상필름을 사용하여 측면 시야각을 개선시키는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조(10)는 수직정렬 액정셀(20)과 상하측 편광판(30, 40) 사이에 두개의 A-플레이트와 두 개의 C-플레이트가 조합되어 사용되는 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)을 적용하는 것을 특징으로 한다. 이때, 전압을 인가하여 외부광의 투과율을 제어하기 위한 수직정렬 액정셀(20)과, 이 수직정렬 액정셀(20)의 상하측에 배치되어 설치되는 상하측 편광판(30, 40)은 통상의 수직정렬 액정디스플레이로부터 용이하게 확인하고 적용할 수 있는 부분이므로, 본 발명의 핵심 구성인 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)을 중심으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조(10)에서 액정셀(20)과 상하측 편광판(30, 40) 사이에 배치되어 설치되는 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)는 음의 C-플레이트(22), 상측 및 하측 양의 A-플레이트(24, 26) 및, 양의 C-플레이트(28)로 이루어지는 두개의 A-플레이트와 두개의 C-플레이트가 조합되어 사용된다. 그리고, 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)의 음의 C-플레이트(22)는 수직정렬 액정셀(20)의 상측에 부착되어 설치되고, 상측 및 하측 양의 A-플레이트(24, 26) 및, 양의 C-플레이트(28)는 수직정렬 액정셀(20)의 하측에 순차적으로 부착되며, 상측 양의 A-플레이트(24)의 광축은 하측 편광판(40)의 투과축과 동일한 방향으로 놓이고, 하측 양의 A-플레이트(26)의 광축은 상측 편광판(40)의 투과축과 동일한 방향으로 놓이도록 설치된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조에 사용되는 시야각 보상필름의 파장에 따른 분산특성을 보여주는 그래 프 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조(10)에 적용되는 A-플레이트(24, 26)는 일축성 광학필름으로서, 광축이 필름의 표면에 수평하게 놓여져 있다. 그리고, C-플레이트(22, 28)는 광축이 필름의 표면에 수직한 상태로 있는 일축성 복굴절 매질의 광학필름이 적용된다. 이때, 일반적으로 복굴절 매질은 세 종류의 파장분산 특성을 가진다. 즉, 가시광의 범위 내에서 파장이 증가할수록 위상차 값이 감소하는 정 파장분산 (Normal wavelength dispersion), 반대로 파장이 증가할수록 위상차 값이 증가하는 역 파장분산(Reverse wavelength dispersion) 그리고, 파장이 증감과는 무관하게 일정한 위상차 값을 가지는 균일한 파장분산(Flat wavelength dispersion) 특성이 있다. 따라서, 일축성 및 이축성 복굴절 매질을 통과하는 빛은 R, G, B 파장에 따라 서로 다른 편광상태를 가지게 되면서 빛샘과 함께 색 변화(Color shift)를 유발할 수 있게 되는 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 통해 이루어지는 뽀앙카레 구상의 편광상태를 보여주는 도면이다.
이와 같은 도 3은 빛이 측면에서 입사할 때, 도 1에 적용된 각 광학매질을 통과하면서 겪게되는 전체적인 편광궤적을 뽀앙카레 구상에 나타낸다. 대각방향 측면 시야각(방위각 45, 극각 70 )에서 하측 편광판을 통과한 빛의 편광지점은 편광판의 편광축 이동으로 인하여 정면 시야각에서의 빛의 편광지점인 S1 지점으로부터 지점 A로 이동하게 된다. 하측 TAC 필름과 양의 C-플레이트를 통과한 빛의 편광상태는 경로 P1, P2를 따라 OQ축을 기준으로 회전하여 지점 B를 거쳐 편광지점 C로 이동하게 된다. 다음으로 광축이 하측 편광판의 투과축과 동일한 하측 A-플레이트를 통과한 빛의 편광상태는 OA를 기준으로 경로 P3를 따라 반 시계방향으로 회전하여 D 지점으로 이동하며, 광축이 상측 편광판의 투과축과 동이하게 놓여있는 상측 A-플레이트를 통과하면 OK를 기준으로 경로 P4를 따라 반 시계방향으로 회전하여 E 지점으로 편광상태가 위치하게 된다. 여기서 두 A-플레이트는 본 발명의 광학구조에서 발생하는 수평방향의 분산특성을 제거하는 역할을 한다. 그리고 빛이 수직 정렬된 액정층을 통과하게 되면 OQ축을 기준으로 경로 P5를 따라서 시계방향으로 회전하여 F 지점으로 편광상태가 놓이게 된다. 마지막으로 음의 C-플레이트와 상측 TAC 필름을 통과한 빛의 편광상태는 OQ축을 기준으로 각각 경로 P6, P7을 따라 반 시계방향으로 회전하여 최종 편광지점인 H에 도달하게 된다. 여기서 지점 H는 측면 시야각에서의 상측 편광판의 흡수축과 정확히 동일한 지점이다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조는 상측 편광판을 통과하기 직전의 빛의 편광상태가 측면 시야각에서 의 상측 편광판의 흡수축과 동일하게 위치하도록 설계되었기 때문에 정면 시야각뿐만 아니라 측면에서도 우수한 어두운 상태를 유지할 수 있게 된다.
도 4a는 두개의 A-플레이트, 양의 C-플레이트 및 하측 편광판의 TAC 필름을 통과한 R, G, B 파장의 뽀앙카레 구상의 편광상태를 보여주는 도면이고, 도 4b는 수직정렬 액정셀, 음의 C-플레이트 및 상측 편광판의 TAC 필름을 통과한 R, G, B 파장의 뽀앙카레 구상의 편광상태를 보여주는 그래프 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 복굴절 광학매질인 액정은 파장 및 시야각에 따라서 발생하는 위상지연 값이 다르다. 파장에 상관없이 빛의 가시광 영역에서 완벽한 어두운 상태를 구현하기 위해서는 액정층의 파장에 따른 분산특성 또한 고려해야 할 필요성이 있다. 즉, 전체 가시광 파장 영역에 해당하는 편광상태가 상측 편광판의 흡수축인 지점 H로 이동하게 된다. 도 4a에서 뽀앙카레 구면상의 기호 ○는 Red, □은 Green, ◇는 Blue 파장의 빛의 편광을 나타낸다. R, G, B 파장에 해당하는 빛의 편광을 모두 편광지점 H로 모으기 위해서는 도 4a 및 도 4b와 같이 두 가지 조건이 충족되어야 한다.
도 4a는 첫 번째 광학 설계 조건을 나타내며, 양의 C-플레이트와 두 A-플레이트를 통과한 후 뽀앙카레 구면의 S1-S3 원과 평행한 circle j 선상에 전 파장에 대한 빛의 편광이 위치하도록 보상필름의 파장에 따른 위상지연 값을 설계해야 한다. 세부적으로 각 광학매질을 통과하면서 겪게되는 편광변화를 살펴보면 다음과 같다. 하측 TAC 필름을 통과한 R, G, B 파장 빛의 편광상태는 Br, Bg, Bb와 같이 나타난다. 그리고 양의 C-플레이트 및 하측 A-플레이트를 통과한 빛의 편광은 뽀앙카레 구면상에서 각각 Cr, Cg, Cb와 Dr, Dg, Db로 표현된다. 마지막으로 상측 A-플레이트를 통과한 빛의 편광이 circle j 선상의 Er, Eg, Eb에 위치하도록 각 파장에 따른 파장 분산특성을 설계하는 것이 첫 번째 광학조건에서 가장 중요한 사항이다.
도 4b에 나타난 두 번째 광학조건은 뽀앙카레 구면상의 편광상태를 이용하여 음의 C-플레이트의 위상지연 값을 결정하는 것이다. 수직정렬 액정셀을 통과한 빛의 편광은 Fr, Fg, Fb에 위치하게 되며, 다음으로 음의 C-plate와 상측 TAC 필름을 통과한 가시광 영역의 파장에 해당하는 빛의 최종 편광 Gr, Gg, Gb이 상측 편광판의 흡수축인 H지점에 모이도록 음의 C-플레이트의 위상지연 값을 설계하는 것이다.
도 5는 본 발명을 적용한 수직정렬 액정셀과 일반적인 수직정렬 액정셀(액정셀의 상하측에 편광판이 부착되는 구조)의 투과특성을 비교하여 보여주는 그래프 도면이다.
도 5를 참조하면, 점선이 사야각 보상필름(위상지연필름)이 없는 기본 수직정렬 액정셀의 결과를 나타내고, 실선은 본 발명이 적용된 수직정렬 액정셀의 결과를 나타낸다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학구조에서는 정면 시야각(극각 0o)만큼 측면 시야각에서도 완벽한 어두운 상태를 유지함을 알 수 있다.
도 6a는 일반적인 수직정렬 액정셀(액정셀의 상하측에 편광판이 부착되는 구조)의 시야각별 투과특성을 보여주는 그래프 도면이고, 도 6b는 본 발명을 적용한 수직정렬 액정셀의 시야각별 투과특성을 보여주는 그래프 도면이다. 이들 도면은 광학구조의 대각방향 시야각 (방위각 45o)에서 어두운 상태에서의 투과특성을 나타낸다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 극각 및 파장의 변화에에 상관없이 가시광 영역의 모든 파장에서 완벽한 어두운 상태를 나타냄으로써 색 변화를 최소화함을 알 수 있다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 보여주는 도면;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조에 사용되는 시야각 보상필름의 파장에 따른 분산특성을 보여주는 그래프 도면;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조를 통해 이루어지는 뽀앙카레 구상의 편광상태를 보여주는 도면;
도 4a는 두개의 A-플레이트, 양의 C-플레이트 및 하측 편광판의 TAC 필름을 통과한 R, G, B 파장의 뽀앙카레 구상의 편광상태를 보여주는 도면;
도 4b는 수직정렬 액정셀, 음의 C-플레이트 및 상측 편광판의 TAC 필름을 통과한 R, G, B 파장의 뽀앙카레 구상의 편광상태를 보여주는 그래프 도면;
도 5는 본 발명을 적용한 수직정렬 액정셀과 일반적인 수직정렬 액정셀(액정셀의 상하측에 편광판이 부착되는 구조)의 투과특성을 비교하여 보여주는 그래프 도면;
도 6a는 일반적인 수직정렬 액정셀(액정셀의 상하측에 편광판이 부착되는 구조)의 시야각별 투과특성을 보여주는 그래프 도면;
도 6b는 본 발명을 적용한 수직정렬 액정셀의 시야각별 투과특성을 보여주는 그래프 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조
20 : 수직정렬 액정셀 22, 24, 26, 28 : 시야각 보상필름
22 : 음의 C-플레이트 24 : 상측 A-플레이트
26 : 하측 A-플레이트 28 : 양의 C-플레이트
30 : 상측 편광판 40 : 하측 편광판

Claims (3)

  1. 액정표시장치에서 시야각 보상필름을 사용하여 측면 시야각을 개선시키는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조에 있어서,
    전압을 인가하여 외부광의 투과율을 제어하기 위한 수직정렬 액정셀(20)과;
    상기 수직정렬 액정셀(20)의 상하측에 배치되어 설치되는 상하측 편광판(30, 40) 및;
    상기 액정셀(20)과 상기 상하측 편광판(30, 40) 사이에 배치되어 설치되는 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)을 포함하되;
    상기 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)은 두개의 A-플레이트와 두개의 C-플레이트가 조합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)은 음의 C-플레이트(22), 상측 및 하측 양의 A-플레이트(24, 26) 및, 양의 C-플레이트(28)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시야각 보상필름(22, 24, 26, 28)의 음의 C-플레이트(22)는 상기 수직정렬 액정셀(20)의 상측에 부착되어 설치되고, 상기 상측 및 하측 양의 A-플레이트(24, 26) 및, 양의 C-플레이트(28)는 상기 수직정렬 액정셀(20)의 하측에 순차적으로 부착되며, 상기 상측 양의 A-플레이트(24)의 광축은 상기 하측 편광판(40)의 투과축과 동일한 방향으로 놓이고, 상기 하측 양의 A-플레이트(26)의 광축은 상기 상측 편광판(40)의 투과축과 동일한 방향으로 놓이는 것을 특징으로 하는 광시야각형 수직정렬 액정셀을 위한 광학구조.
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