KR20100101981A

KR20100101981A - 시야각이 좁은 액정표시장치

Info

Publication number: KR20100101981A
Application number: KR1020090020453A
Authority: KR
Inventors: 김봉춘
Original assignee: 동우 화인켐 주식회사
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-20

Abstract

본 발명은 시야각이 좁은 액정표시장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 액정표시장치에서의 위상차 조절을 통해 입사각이 30°이상인 경사면에서 암(Black) 상태와 명(White)상태의 명암대비비(화이트휘도/블랙휘도)를 특정범위가 되도록 유지함으로써 정면에서는 선명한 화질로 화상 인식이 가능하고 경사면에서는 화상 인식이 어려워 보안유지가 가능한 액정표시장치에 관한 것이다.

액정표시장치, 명암대비비, 보안

Description

시야각이 좁은 액정표시장치{NARROWVIEWING LIQUID CRYSTAL DISPLAY}

본 발명은 정면에서는 선명한 화질로 화상 인식이 가능하고 경사면에서는 화상 인식이 어려운 보안용 액정표시장치에 관한 것이다.

정보화 사회가 발전함에 따라 표시장치에 대한 요구도 다양한 형태로 점증하고 있으며, 이에 부응하여 근래에는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescemt Display), VFD(Vaccum Fluorescent Display)등 여러 가지 평판표시장치가 연구되어 왔고, 일부는 이미 여러 장비에서 표시장치로 활용되고 있다.

그 중에 현재 화질이 우수하고 경량, 박형, 저소비 전력의 장점으로 인하여 이동형 화상표시장치의 용도로 CRT(Cathode Ray Tube)를 대체하면서 LCD가 가장 많이 사용되고 있으며, 노트북 컴퓨터의 모니터와 같은 이동형의 용도 이외에도 방송신호를 수신하여 디스플레이하는 텔레비전 및 컴퓨터의 모니터 등으로 다양하게 개발되고 있다.

액정표시장치는 디스플레이가 보여지는 각도를 넓히는 것이 바람직하지만, 액정표시장치가 특정 용도로 사용되는 경우에는 관람자의 시야각도를 제한해야 하는 경우도 발생한다. 즉 액정표시장치에 나타나는 영상이 디스플레이 바로 정면에 앉은 관람자에게는 보이면서 동시에 측면에 앉은 관람자에게는 보이지 않도록 디스플레이의 시야각도를 선별적으로 제한해야 하는 경우가 발생한다.

이와 같이 디스플레이의 시야각도가 측면에 앉은 관람자에게 제한되도록 하기 위해서 액정표시장치에 부착되어 디스플레이의 수평 시야각을 제한하는 보안필름이 사용되고 있으나, 이의 제조공정이 복잡하고 제작비용이 비싸서 시간 및 비용의 측면에서 불리하다.

또한, 위상차 필름을 이용하여 액정표시장치의 투과율을 제한하여 보안효과를 얻는 방법으로 편광용 필름 사이에 C 플레이트를 포함시킨 보안필름(대한민국 특허공개 제2008-1192호)이 제안된 바 있으나 실제 C 플레이트만으로는 투과율을 효과적으로 제어하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 종래의 별도의 패턴형상을 갖는 보안용 필름을 적용하거나, C 플레이트를 이용하여 액정표시장치의 투과율을 제어하여 시야각도를 선별적으로 제한하는 방법의 한계를 극복하기 위하여 푸앙카레구(Poincare Sphere)의 정확한 해석을 이용하여 경사면에서의 암(Black)상태와 명(White)상태의 명암대비비(화이트휘도/블랙휘도)가 0.1 내지 10의 범위가 되도록 함으로써 정면에서는 선명한 화질로 화상 인식이 가능하고, 경사면에서는 화상 인식이 어려워 보안유지가 가능한 액정표시장치를 제시하고자 한다.

본 발명은 백라이트 유닛 측으로부터 하판 보호층, 하판 편광자, 하판 위상차 필름, 액정셀, 상판 위상차 필름, 상판 편광자 및 상판 보호층의 순으로 적층된 액정표시장치로서, 상판 편광자와 하판의 편광자의 흡수축은 서로 직교하게 배치되고, 상판 위상차 필름과 하판의 위상차 필름의 지상축은 각각 인접한 편광자의 흡수축에 직교 혹은 평행하게 배치되며, 입사각이 30°이상에서 명암대비비(화이트휘도/블랙휘도)가 0.1 내지 10인 보안용 액정표시장치에 그 특징이 있다.

또한, 본 발명은 백라이트 유닛 측으로부터 하판 보호층, 하판 편광자, 하판 위상차 필름, 액정셀, 상판 위상차 필름, 상판 편광자 및 상판 보호층의 순으로 적층된 액정표시장치에서, θ=60°, Φ=45°의 시각에서 상판 편광자에 완벽하게 흡 수되는 편광상태의 좌표를 구하는 단계; 임의의 액정셀과 상판 또는 하판 위상차 필름의 광학특성을 결정한 후, 푸앙카레구상의 θ=60°, Φ=45°의 시각에서 블랙 편광상태와 화이트 편광상태의 각 위치를 구하는 단계; 및 푸앙카레구상에서 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태의 좌표로부터 상기 블랙 편광상태의 위치와 화이트 편광상태의 위치의 구 표면상의 거리비가 0.1 내지 10을 유지하도록 하는 상판 위상차 필름의 물성을 결정하는 단계를 포함하는 보안용 액정표시장치의 제조방법에 또 다른 특징이 있다.

본 발명에 따른 액정표시장치는 정면에서는 선명한 화질로 화상 인식이 가능하고 경사면에서는 화상 인식이 어려워 보안유지가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 보안용 액정표시장치는 종래의 방법들에 비해 제작이 용이하여 공정비용의 감소 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 위상차 제어를 통해 입사각 30°이상에서의 명암대비비(화이트휘도/블랙휘도)를 0.1 내지 10의 범위가 되도록 하여 정면에서는 선명한 화상 인식이 가능하고 경사면에서는 화상 인식이 어려워 보안유지가 가능한 액정표시장치에 관한 것이다. 이러한 액정표시장치는 백라이트 유닛 측으로부터 하판 보호층, 하판 편광자, 하판 위상차 필름, 액정셀, 상판 위상차 필름, 상판 편광자 및 상판 보호 층의 순으로 적층되도록 구성되고, 상판 편광자와 하판의 편광자의 흡수축은 서로 직교하게 배치되고, 상판 위상차 필름과 하판의 위상차 필름의 지상축은 각각 인접한 편광자의 흡수축에 직교 혹은 평행하게 배치된다.

본 발명의 액정표시장치는 입사각 30°이상에서 명암대비비(화이트휘도/블랙휘도)가 0.1 내지 10으로 유지되도록 위상차를 제어하여 구성된다. 시야각은 통상적으로10배를 초과하는 명암대비비 구현이 가능한 경우에 확보되는 것으로 받아들여지며, 반대로 블랙 휘도가 화이트 휘도에 비해 10배를 초과하게 되면(즉 명암대비비가 0.1 미만이 되면) 명암의 밝기가 역전된 즉 계조가 반전된 영상에 의해 화상 인식이 용이해지는 문제가 있다. 즉, 계조가 반전된 명암대비비(블랙휘도/화이트휘도)는 블랙 휘도와 화이트 휘도가 동일한 값인 1로부터 10 배 이상을 유지하면 화상의 인식이 가능하므로 입사각 30°이상에서 명암대비비(화이트휘도/블랙휘도)가 0.1 미만인 경우에는 계조가 반전된 영상으로 화상 인식이 용이해지는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 블랙휘도와 화이트휘도는 각각 통상적인 TV, 모니터, 휴대폰 등의 액정표시장치로서의 기능 수행이 가능한 정도를 유지한다. 본 발명의 경사면에서의 명암대비비는 상기 액정표시장치로서 기능을 수행할 수 있을 정도의 블랙휘도와 화이트휘도의 범위내에서 0.1 내지 10을 유지한다.

이러한 경사면에서의 명암대비비는 위상차의 제어를 통해 얻어지는 데, 구체적으로 백라이트측으로부터 광이 위상차를 가진 광학소자와 액정층 통과할 때의 편광상태의 변화를 정확하게 예측하고, 이를 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에서 정밀한 해석을 수행함으로써 정확한 위상차의 제어가 가능하다.

본 발명은 경사면에서 특정범위의 명암대비비를 만족하도록 위상차를 제어하며, 이때 광학소자의 종류, 광학소자의 광학특성, 광학소자의 재료 액정셀의 종류 및 액정셀의 물성 등은 제한되지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 보안용 액정표시장치를 제조하는 방법은 백라이트 유닛 측으로부터 하판 보호층, 하판 편광자, 하판 위상차 필름, 액정셀, 상판 위상차 필름, 상판 편광자 및 상판 보호층의 순으로 적층된 액정표시장치에서, θ=60°, Φ=45°의 시각에서 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태의 좌표를 구하는 단계; 임의의 액정셀과 상판 또는 하판 위상차 필름의 광학특성을 결정한 후, 푸앙카레구상의 θ=60°, Φ=45°의 시각에서 블랙 편광상태와 화이트 편광상태의 각 위치를 구하는 단계; 및 푸앙카레구상에서 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태의 좌표로부터 상기 블랙 편광상태의 위치와 화이트 편광상태의 위치의 구 표면상의 거리비가 0.1 내지 10을 유지하도록 하는 상판 위상차 필름의 물성을 결정하는 단계를 포함한다. 단 광원에 따라 시감도 투과율이 변하므로 본 발명에서 푸앙카레구상의 파장기준은 광원의 피크점 혹은 인간의 눈이 가장 민감하게 느끼는 550nm로 결정하여 계산하며, 블랙 편광상태와 화이트 편광상태의 거리의 비는 상기 범위를 유지하도록 나머지 위상차 필름의 광학 특성을 결정한다.

푸앙카레구상에서 블랙휘도와 화이트휘도는 각각 상판 위상차 필름을 통과하기 직전에 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 점으로부터 푸앙카레구의 표면을 경유하는 거리인 블랙 편광상태와 화이트 편광상태로 표시된다. 이때, 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에서 액정에 의한 블랙 편광상태와 화이트 편광상태는 액정 모드 및 전압인가 여부에 따라 달라진다.

구체적으로 수직배향(VA) 액정모드는 보통 음의 유전율 이방성을 가지는 액정에 두께방향으로 전기장을 인가하여 최초 두께방향으로 배향된 액정을 3차원 공간상에서 수평으로 기울어지게 하여 화상을 표시한다. 이때 액정의 기울어지는 방향에 따라 동일한 화상의 특성을 유지하기 위하여 기울어지는 방향을 달리하는 멀티 도메인 방식을 적용한다.

예를 들면 통상 PVA는 4개 의 도메인, SPVA는 8개의 도메인으로 나눠져 있는 데, PVA의 경우 전압인가 시 45°, 135°, 225°및 315°방향으로 기울어지는 4개의 액정 도메인 영역을 나누고, SPVA의 경우 8개의 도메인으로 나누기는 하나 기울어지는 방향이 같은 2개의 도메인을 하나로 인식하여 사용한다. 이러한 SPVA는 전압인가에 따른 계조변화를 용이하게 수행할 수 있다. 본 발명은 액정으로 SPVA을 사용하여 실시하고 있으며, 이의 화이트 편광상태는 화이트 상태에서 동일한 방향으로 거동하는 액정 도메인 2개의 평균적인 편광상태를 표현하므로 도메인은 8개이나 1개의 블랙 편광상태와 4개의 화이트 편광상태로 나타낸다. 이때 화이트 편광상태는 도메인 내의 각 방향으로 기울어지는 액정 틸트각의 평균값을 측정하고, 푸앙카레구상에 각 방향의 편광상태를 표시한다.

IPS와 FFS 모드로 대표되는 면상 스위칭 액정모드는 블랙상태인 임의의 최초 액정 배향각을 0도로 할 때 전압인가 시 +45°, -45°방향으로 액정의 방향이 돌아가므로 블랙 편광상태 1개와 화이트 편광상태 2개로 표현된다. 즉 화이트 편광상태는 각 도메인에서 액정이 돌아가는 방향각을 측정하고 푸앙카레구상에 각 도메인의 편광상태를 표시하여 얻어진 평균거리인 것이다.

또한 트위스트네마틱(TN) 액정모드는 단일 도메인이므로 블랙 편광상태 1개와 화이트 편광상태 1개로 표현된다. 이외에도 당 분야에서 일반적으로 사용되는 액정모드도 이와 같은 방법을 이용하여 푸앙카레구상에 표현이 가능하다.

이하, 본 발명에 따른 액정표시장치를 첨부된 도 1을 이용하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 액정표시장치의 기본 구조를 나타내는 사시도로, 백라이트 유닛(40) 측으로부터 하판 보호층(12), 하판 편광자(11), 하판 위상차 필름(13), 액정셀(30), 상판 위상차 필름(23), 상판 편광자(21) 및 상판 보호층(22)이 위치한다. 상기 상판, 하판의 편광자의 흡수축은 서로 직교하게 배치되고, 상판, 하판의 위상차 필름의 지상축은 각각 인접한 편광자 흡수축에 직교 혹은 평행하게 배치된다. 이때, 상기 위상차 필름의 지상축은 위상차 필름의 종류에 따라 존재하지 않을 수도 있는 바 이의 경우 편광자의 흡수축과의 관계를 고려하지 않아도 무방하다.

액정표시장치는 액정층에 전기장을 인가하여 액정의 방향을 변화시켜 화상을 표현하는 것으로, 전극의 패턴, 액정의 물성, 액정초기 배향 등에 따라 액정의 모드가 결정되며 이에 따라 실질적인 액정의 위상차가 결정된다. 일반적으로 가장 널리 쓰이고 있는 액정모드는 트위스트네마틱(TN) 액정모드, 면상 스위칭(IPS) 액정모드 및 수직배향(VA) 액정모드 등이 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 액정표시장치는 다중영역(multi-domain)으로 액정을 배향시키거나 인가되는 전압에 의해서 다중영역으로 나누어지는 것을 포함한다.

본 발명에서 위상차 필름의 광학특성은 가시광선 영역내의 전파장에 대해서 하기의 수학식 1 내지 3에 의해 정의된다.

일반적으로 광원의 파장에 대한 언급이 없는 경우 가장 쉽게 얻을 수 있는 589nm에 대한 광특성이다. 여기서 Nx는 면내방향에서 굴절률이 가장 큰 축의 굴절률이고 Ny는 면내방향에서 Nx의 수직방향이며 Nz는 두께방향의 굴절률로 하기 도 2와 같이 표현된다.

Rth = [(Nx + Ny) / 2 - Nz] × d

(여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny이며, Nz는 필름의 두께 방향 굴절률, d는 필름의 두께를 나타냄)

R0 = (Nx - Ny) × d

(여기서, Nx, Ny는 위상차 필름의 면상 굴절률이고, d는 필름의 두께를 나타냄, 이때 Nx ≥ Ny이다)

NZ = (Nx - Nz) / (Nx - Ny) = Rth / R0 + 0.5

(여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny, Nz는 필름의 두께 방향 굴절률, d는 필름의 두께를 나타냄)

상기 Rth는 두께방향 위상차이며, 면내 평균굴절률에 대한 두께방향의 굴절 률의 차이를 나타낸 것으로 실질적인 위상차라고 할 수 없는 참고치이고, 상기 R0는 정면위상차이며, 빛이 필름의 노멀방향(수직방향)을 통과했을 때 실질적인 위상차이다. 또한 NZ는 굴절률비이며 위상차 필름의 플레이트의 종류를 구분할 수 있다.

이때, 위상차 필름의 플레이트는 위상차가 존재하지 않는 광축이 필름의 면내방향으로 존재하는 경우 A 플레이트; 광축이 면의 수직방향으로 존재하는 경우 C 플레이트; 및 광축이 두 개 존재할 때는 이축성 플레이트라고 한다. 구체적으로 NZ=1인 경우 굴절률은 Nx>Ny=Nz 관계를 만족하고 '포지티브 A 플레이트(POSITIVE A PLATE)'라고 하며; 1<NZ인 경우 굴절률은 Nx>Ny>Nz를 만족하고 '네가티브 이축성 A 플레이트(NEGATIVE BIAXIAL A PLATE)'라고 하며; 0<NZ<1인 경우 굴절률은 Nx>Nz>Ny의 관계를 가지고 'Z축 배향 필름'이라고 하며; NZ=0인 경우 굴절률은 Nx=Nz>Ny의 관계를 가지고 '네가티브 A 플레이트(NEGATIVE A PLATE)'라고 하며; NZ<0인 경우 굴절률은 Nz>Nx>Ny의 관계를 가지고 '포지티브 이축성 A 플레이트(POSITIVE BIAXIAL A PLATE)'라고 하며; NZ=∞인 경우 굴절률은 Nx=Ny>Nz의 관계를 가지고 '네가티브 C 플레이트(NEGATIVE C PLATE)'라고 하며; NZ=-∞인 경우 굴절률은 Nz>Nx=Ny의 관계를 가지고 '포지티브 C 플레이트(POSITIVE C PLATE)'라고 한다.

이러한 위상차 필름은 보통 연신을 통해서 위상차를 부여하는 데 연신방향으로 굴절률 커지는 필름을 '양(+)의 굴절률 특성'이라 하고 연신방향으로 굴절률이 작아지는 필름을 '음(-)인 굴절률 특성'이라고 한다. 양(+)의 굴절률 특성을 가지는 위상차 필름은 구체적으로 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 시클로올레핀 폴리 머(COP), 시클로올레핀 코폴리머(COC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰(PSF) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군에서 선택된 것으로 제조할 수 있고, 음(-)의 굴절률 특성을 가지는 위상차 필름은 구체적으로 변성폴리스타이렌(PS) 또는 변성폴리카보네이트(PC)으로 제조할 수 있다.

또한, 연신방법은 고정단 연신과 자유단 연신으로 구분되며 고정단 연신은 필름을 연신하는 동안 연신하는 방향 이외의 길이를 고정시키는 방식이고 자유단 연신은 필름을 연신하는 동안 연신방향 이외의 방향에 대해 자유도를 부여하는 방식이다. 일반적으로 필름을 연신하면 연신방향 이외의 방향은 수축하나, Z축 배향필름은 연신 이외에 별도의 수축 공정이 요구된다.

하기 도 3는 롤(Roll) 상태의 필름원단의 방향을 나타낸 것으로 롤 상태의 필름이 풀리는 방향은 기계방향이라고 하여 MD(Machine Direction)방향이라고 하며, 이에 수직한 방향을 TD(Teansmit Direction)방향이라고 한다. 이때 공정상에서 필름을 MD방향으로 연신하는 것을 자유단 연신이라고 하며 TD연신을 고정단 연신이라고 한다.

상기 연신방법(단 1차 공정만 적용했을 때)에 따른 NZ와 플레이트의 종류를 정리하면 포지티브 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신하고; 네가티브 이축성 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 고정단 연신하고; Z축 배향필름은 양(+)의 굴절률 특성 또는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신 후 고정단 수축시키고; 네가티브 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신하고; 포지티브 이축성 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 고정단 연신하여 제조할 수 있다.

상기 연신방법 이외에 추가 공정을 적용하여 지상축(Slow Axis)의 방향, 위상차값 및 NZ의 값을 제어할 수 있으며, 이의 추가 공정은 당 분야에서 일반적으로 적용되는 공정으로 특별히 한정하지는 않는다.

본 발명에서 상기의 공정으로 제조된 위상차 필름은 PVA를 연신 및 염색 등의 공정을 거쳐 제조된 편광자 접합하여 복합구성편광판을 제조할 수 있다. 복합구성편광판은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 공정을 사용하여 제조될 수 있으며, 구체적으로 복합구성 롤 대 롤(Roll To Roll)공정, 매엽접합(Sheet to Sheet) 공정을 적용할 수 있다. 바람직하기로는 수율 및 제조 공정상의 효율성 등을 고려하여 롤 대 롤(Roll To Roll)공정을 적용하는 것이 좋으며, 특히 PVA 편광자의 흡수축의 방향이 항상 MD방향으로 고정되기 때문에 이의 적용이 효과적이다.

일반적으로 위상차 필름은 입사되는 파장에 따라 다른 위상차값을 가진다. 보통 짧은 파장에서 큰 위상차값을 가지고 긴 파장에서 작은 위상차값을 가지는데, 이러한 특성을 가지는 위상차 필름을 정파장 분산성을 가지는 위상차 필름이라고 한다. 또한 짧은 파장에서 작은 위상차값을 가지고 긴 파장에서 큰 위상차값을 가지는 필름을 역파장 분산성을 가지는 위상차 필름이라고 한다. 본 발명은 이러한 위상차 필름의 분산성에 제약 없이 모두 사용이 가능하다.

본 발명에서 위상차 필름의 분산성은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 있는 광원 780nm에 대한 위상차 값 대비 광원 380nm에 대한 위상차 값의 비로 나타낸다. 참고로 모든 파장에 대해 똑 같은 편광상태로 변화시킬 수 있는 완벽한 역파장분산성을 가지는 위상차 필름의 경우 [RO(380nm)/RO(780nm)] = 0.4872의 값을 가진다.

본 발명에 따른 액정표시장치의 하판 편광판 및 상판 편광판의 편광자에는 각각 연신과 염색을 통해 편광 기능이 부여된 편광자인 폴리비닐알콜(PVA)층이 위치하며 하판 편광판의 폴리비닐알콜(PVA)층과 상판 편광판의 폴리비닐알콜(PVA)층에서 액정셀 반대측 면에는 각각 보호층이 위치되어 있다. 이때, 하판 편광판의 보호층 및 상판 편광판의 보호층은 굴절률 차이에 따른 광학적 특성이 시야각에 영향을 미치지 못하므로 본 발명에서는 굴절률 특성이 특별히 제한되지 않는다. 상기 상판 및 하판 편광판의 보호층을 형성하는 재료는 서로 독립적으로 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 적용할 수 있으며, 구체적으로 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 시클로올레핀 폴리머(COP), 시클로올레핀 코폴리머(COC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰(PSF) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 이루어진 군에서 선택된 것으로 제조된 것을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 액정표시장치에 사용되는 위상차 필름의 설계는 경사면에서 블랙(Black)상태의 투과율과 화이트(White)상태의 투과율의 비를 1에 가까운 범위로 위상차를 제어하여 얻어지는 것으로 액정의 블랙(Black)상태의 광학적 특성과 화이트(White)상태의 광학적 특성을 정확하게 분석한 데이터를 바탕으로 하여 설계가 가능하다. 상기에서 언급한 바와 같이 액정과 위상차 필름의 조합을 특별히 한정하지는 않는다.

본 발명에서 시각의 기준은 하기 도 4와 같이 반원좌표계(Hemispherical Coordinate)를 기준으로 한다.

본 발명에서 액정디스플레이의 특정시각에서 투과율은 시인측 편광자를 통과하기 직전의 편광상태와 시인측 편광자의 흡수축과 일치하는 편광상태가 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에서 얼마나 떨어져있는가를 계산하면 알 수 있다. 구체적으로 푸앙카레구 표면상의 점은 직교좌표계로 표현되고 시인측 편광자의 흡수축과 일치하는 편광상태를 (x',y',z')으로 표현하고 시인측 편광자를 통과하기 직전의 편광상태가 (x, y, z)로 표현될 때, 직교좌표계상의 원점과 두 점을 연결하면 하기 도 5와 같은 형태가 되며 두 점의 편광상태 차이는 하기의 수학식 5와 6에서와 같이 각도로 표현할 수 있다.

본 발명은 경사면에서 상기 수학식 5로 정의되는 각도가 명(White)상태와 암(Black)상태에서 가장 비슷한 값을 가지는 것이 본 발명이 목적으로 하는 최적의 효과 달성이 가능하다.

이하에서는, 상기 구성에 의한 전압 비인가 시 전시야각에서 암상태 구현에 대한 효과를 실시예와 비교예에서 정리하였다. 본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 잘 이해될 수 있으며 이러한 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 첨부된 특허청구범위에 의하여 확정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

하기 실시예 및 비교예는 LCD 시뮬레이션 프로그램인 TECH WIZ LCD 1D(사나이시스템, KOREA)에 적용하여 시뮬레이션을 실시하였다.

실시예

본 발명에 따른 각 광학필름과 액정셀 및 백라이트 유닛 등의 실측 데이터를 도 1에 나타난 바와 같은 구조로 TECH WIZ LCD 1D(사나이시스템, KOREA) 상에 적층하였다. 도 1의 구조를 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 이는 최종 제조된 액정표시장치의 구조를 나타낸 것이다.

백라이트 유닛(40)쪽부터 하판 보호층(12), 하판 편광자(11), 하판 위상차 필름(13), 액정셀(30), 상판 위상차 필름(23), 상판 편광자(21), 상판 보호층(22)의 순서로 구성되며, 하판편광자의 흡수축과 상판편광자의 흡수축은 서로 직교하며, 하판 위상차 필름과 상판 위상차 필름의 흡수축은 서로 직교하며 인접한 편광자의 흡수축과 직교하게 배치하여 하판편광자의 흡수축 방향은 90°, 하판위상차 필름의 지상축방향은 0°, 상판위상차 필름의 지상축 방향은 90°, 상판편광자의 흡수축은 0°이다.

한편, 본 발명의 실시예에서 사용된 각각의 광학필름 및 백라이트 유닛은 하기와 같은 광학적 물성을 갖는 것을 사용하였다.

먼저, 상판 하판 편광자는 연신된 PVA에 요오드를 염색시켜 편광자 기능을 부여하고 이러한 편광자의 편광 성능은 370 내지 780nm 가시광선 영역에서 시감도 편광도 99.9% 이상, 시감도 단체투과율 41% 이상이다. 시감도 편광도와 시감도 단체투과율은 파장에 따른 투과축의 투과율을 TD(λ), 파장에 따른 흡수축의 투과율을 MD(λ), JIS Z 8701 : 1999에 정의된 시감도 보정치를

라고 할 때 하기 수학식 6 내지 10에 의해 정의된다.

상기와 같이 적층하고 시각 θ=60°, Φ=45°에서 봤을 때 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태의 좌표는 (0.980773, -0.19474, 0)으로 계산되었다. 이후에 하기와 같은 특성을 갖는 액절셀과 하판 위상차 필름을 사용하여 푸앙카레구상의 θ=60°, Φ=45°의 시각에서 블랙 편광상태와 화이트 편광상태의 각 위치를 구하였다.

액정셀과 백라이트 유닛은 삼성전자 46인치 액정TV PAVV(LTA460HR0)에 탑재된 것을 사용하였으며 8개의 도메인으로 나눠져 있어 전압이 인가되면 각각 2개 도메인내의 액정이 45°, 135°, 225°및 315° 방향으로 기울어져서 명(White)을 표현한다(SPVA 모드). 먼저, 같은 방향으로 기울어지는 두 개의 도메인 내에 포함된 액정의 틸트각의 평균적인 값을 측정하고 각 45°, 135°, 225°및 315° 방향에서의 4개의 편광상태를 푸앙카레구상에 도시한다. 이후에 4개의 편광상태 별로 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 점으로부터 상판 위상차 필름을 통과했을 때(편광상태 4)의 거리를 계산하고, 이의 평균거리를 화이트 편광상태로 인식한다.

하판 위상차 필름(13)은 정면위상차가 50nm, 굴절률비 NZ가 3이며 파장분산성이 도 6과 같은 [RO(380nm)/RO(780nm)] = 0.86인 것을 배치하였다. 본 구성에서 블랙상태의 좌표는 (-0.689979, -0.0042129, -0.72371), 화이트 45° 방향 도메인은 (0.995391, -0.03611, -0.08797), 화이트 135° 방향 도메인은 (0.233885, -0.4041, -0.88422), 화이트 225° 방향 도메인은 (0.805113, -0.48946, -0.33477), 화이트 315° 방향 도메인은 (-0.34736, 0.62481, 0.699141)로 계산되었다. 이후에 푸앙카레구상에서 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태의 좌표로부터 상기 블랙 편광상태의 위치와 화이트 편광상태의 위치의 구 표면상의 거리비가 0.5 내지 2 를 유지하도록 하는 상판 위상차 필름의 물성을 결정하였다. 상판 위상차 필름(21)은 정면위상차가 105nm, 굴절률비 NZ가 8이며 파장분산성이 도 7과 같은 [RO(380nm)/RO(780nm)] = 1.006인 것으로 결정하여 배치하였다.

상기와 같이 결정된 상판 위상차필름을 적층하고 시각 θ=60°, Φ=45°에서 봤을 때 액정셀에 전압인가 상태와 도메인에 따른 푸앙카레구상에서 편광상태 변화를 도 8 내지 도 12에 도시하였다. 도 8은 전압이 인가되지 않은 암(Black)상태의 편광상태변화; 도 9는 전압이 최대로 인가되었을 때 45° 방향으로 눕는 도메인에 대해 평균적인 액정방향으로 설정했을 때 편광상태 변화; 도 10은 전압이 최대로 인가되었을 때 135° 방향으로 눕는 도메인에 대해 평균적인 액정방향으로 설정했을 때 편광상태 변화; 도 11은 전압이 최대로 인가되었을 때 225° 방향으로 눕는 도메인에 대해 평균적인 액정방향으로 설정했을 때 편광상태 변화; 도 12는 전압이 최대로 인가되었을 때 315° 방향으로 눕는 도메인에 대해 평균적인 액정방향으로 설정했을 때 편광상태 변화를 나타낸 것이다. 이때, 도 8 내지 도 12의 편광상태는 사람이 가장 밝게 느끼는 550nm 광원에 대한 편광상태이며 편광상태 1은 하판 편광자를 통과했을 때 편광상태; 편광상태 2는 하판 위상차 필름을 통과했을 때 편광상태; 편광상태 3은 액정셀을 통과했을 때 편광상태; 편광상태 4는 상판 위상차 필름을 통과했을 때 편광상태를 나타낸 것이다.

편광상태 4와 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태의 차이가 빛이 세는 정도를 나타내는 데 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태는 (0.980773, -0.19474. 0)이고; 도 8의 편광상태 4는 (-0.80451, 0.522887, 0.28142); 도 9의 편광상태 4는 (-0.69338, 0.590324, -0.41304); 도 10의 편광상태 4는 (-0.81732, -0.05894, 0.573021); 도 11의 편광상태 4는 (0.805113, -0.48946, -0.33477); 도 12의 편광상태 4는 (-0.34736, 0.62481, 0.699141)로 계산되었다. 각각의 거리는 도 8은 152.9624°; 도 9는 142.6412°; 도 10은 142.1831°; 도 11은 27.73541°; 및 도 12는 117.529°로 계산되었다.

상기 구성에서 대각 방향으로 입사각에 따른 명(White)상태 시감도 투과율과 암(Black)상태 시감도 투과율은 하기 도 13과 같이 나타나며, 빨간색 영역으로 표시되 부분이 명암대비비가 0.1 내지 10인 영역에 포함됨을 확인할 수 있었다. 이때 명암대비비가 10을 초과하는 시야각은 정면에서 대각방향으로 25°인 영역으로 좁은 시야각 특성을 나타내었다.

본 발명이 목적으로 하는 효과는 상기와 같이 푸앙카레구상에서 화이트 편광 상태와 블랙 편광상태의 편광해석을 통해 경사면 투과율을 특정범위로 조절함으로써 달성될 수 있으며, 액정셀의 위상차값과 상판, 하판 위상차 필름의 위상차값에 따라 상기 효과를 나타낼 수 있는 조합은 수학적으로 다양하게 나타낼 수 있으며 특정물성을 갖는 광학소자에 의해 한정되는 것은 아니다.

비교예

상기 실시예와 동일하게 실시하되, 하판 위상차 필름과 상판 위상차 필름의 정면위상차는 50nm, 두께방향위상차는 125nm인 것을 사용하여 실시예의 지상축의 방향과 동일하게 배치하고, 파장분산성은 하기 도 6과 같은 TAC을 배치하여 액정표시장치를 제조하였다. 참고로 액정표시장치는 종래 광시야각 확보가 가능한 것으로 알려져 있는 것으로 본 발명의 실시예에서 제조된 액정표시장치와 동일한 방법으로 푸앙카레구상의 편광상태 변화를 이용하여 명암대비비를 살펴보았다.

구체적으로 실시예와 동일하게 시각 θ=60°, Φ=45°에서 봤을 때 액정셀에 전압인가 상태와 도메인에 따른 푸카레구상에서 편광상태 변화를 하기 도 14 내지 도 18에 도시하였다. 도 14는 전압이 인가되지 않은 암(Black)상태의 편광상태변화; 도 15는 전압이 최대로 인가되었을 때 45° 방향으로 눕는 도메인에 대해 평균적인 액정방향으로 설정했을 때 편광상태 변화; 도 16은 전압이 최대로 인가되었을 때 135° 방향으로 눕는 도메인에 대해 평균적인 액정방향으로 설정했을 때 편광상태 변화; 도 17은 전압이 최대로 인가되었을 때 225° 방향으로 눕는 도메인에 대해 평균적인 액정방향으로 설정했을 때 편광상태 변화; 도 18은 전압이 최대로 인 가되었을 때 315° 방향으로 눕는 도메인에 대해 평균적인 액정방향으로 설정했을 때 편광상태 변화를 나타낸 것이다. 도 14 내지 도 18의 편광상태는 사람이 가장 밝게 느끼는 550nm 광원에 대한 편광상태이며 편광상태 1은 하판 편광자를 통과했을 때 편광상태; 편광상태 2는 하판 위상차 필름을 통과했을 때 편광상태; 편광상태 3은 액정셀을 통과했을 때 편광상태; 편광상태 4는 상판 위상차 필름을 통과했을 때 편광상태를 나타낸 것이다.

편광상태 4와 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태의 차이가 빛이 세는 정도를 나타내는 데 상판편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태는 (0.980773, -0.19474. 0)이고 도 14의 편광상태 4는 (0.961126, -0.2454, -0.12592); 도 15의 편광상태 4는(0.874467, 0.123225, 0.469003); 도 16의 편광상태 4는 (0.591248, -0.76018, -0.26909); 도 17의 편광상태 4는 (-0.94218, 0.289304, 0.168635); 도 18의 편광상태 4는 (0.736888, -0.04111, -0.67464) 로 계산되며 각각의 거리는 도 14에서 7.864138°; 도 15에서 33.50714°; 도 16에서 43.27516°; 도 17에서 168.5913°; 도 18에서 43.0.913°로 계산되었다.

상기 구성에서 대각 방향으로 입사각에 따른 명(White)상태 시감도 투과율과 암(Black)상태 시감도 투과율을 도시하면 도 19와 같다.

도 19에서 명암대비비가 0.1 내지 10의 범위는 없으며 전 방향에서 높은 시인성을 유지해 본 발명의 범위에 포함되지 않는다.

본 발명에 따른 액정표시장치는 정면에서는 선명한 화질로 화상의 인식이 가능하고 경사면에서 타인은 화상 인식이 어려워 관람자의 시야각도를 제한해야 하는 보안기기에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액정표시장치의 구조를 나타내는 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 위상차 필름의 굴절률을 설명하기 위한 모식도이고,

도 3은 본 발명에 따른 위상차 필름과 편광판의 연신 방향을 설명하기 위한 제조과정상의 MD 방향을 나타내는 모식도이고,

도 4는 본 발명의 좌표계에서 θ, Φ로 표현하는 것을 설명하기 위한 모식도이고,

도 5는 본 발명의 푸앙카레구상에서 파장에 따른 편광상태의 차이를 분산각으로 표현한 것을 설명하기 위한 모식도이고,

도 6은 본 발명의 TAC로 제조된 네가티브 이축성 A 플레이트의 전파장 파장 분산성을 나타낸 그래프이고,

도 7은 본 발명의 COP로 제조된 네가티브 이축성 A 플레이트의 전파장 파장 분산성을 나타낸 그래프이고,

도 8은 본 발명의 실시예 1에서 전압이 인가되지 않은 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 9는 본 발명의 실시예 1에서 전압이 최대로 인가된 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 액정이 45° 방향으로 누운 액정에 대한 평균적인 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 10은 본 발명의 실시예 1에서 전압이 최대로 인가된 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 액정이 135° 방향으로 누운 액정에 대한 평균적 인 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 11은 본 발명의 실시예 1에서 전압이 최대로 인가된 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 액정이 225° 방향으로 누운 액정에 대한 평균적인 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 12는 본 발명의 실시예 1에서 전압이 최대로 인가된 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 액정이 315° 방향으로 누운 액정에 대한 평균적인 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 13은 본 발명의 실시예 1에서 명암에 따른 경사면 시감도 투과율을 입사각에 따라 나타낸 것이고,

도 14는 본 발명의 비교예 1에서 전압이 인가되지 않은 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 15는 본 발명의 비교예 1에서 전압이 최대로 인가된 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 액정이 45° 방향으로 누운 액정에 대한 평균적인 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 16은 본 발명의 비교예 1에서 전압이 최대로 인가된 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 액정이 135° 방향으로 누운 액정에 대한 평균적인 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 17은 본 발명의 비교예 1에서 전압이 최대로 인가된 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 액정이 225° 방향으로 누운 액정에 대한 평균적인 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 18은 본 발명의 비교예 1에서 전압이 최대로 인가된 상태에서 시각 θ=60°, Φ=45°방향에서 바라봤을 때 액정이 315° 방향으로 누운 액정에 대한 평균적인 편광상태 변화를 나타낸 것이고,

도 19는 본 발명의 비교예 1에서 명암에 따른 경사면 시감도 투과율을 입사각에 따라 나타낸 것이다.

Claims

백라이트 유닛 측으로부터 하판 보호층, 하판 편광자, 하판 위상차 필름, 액정셀, 상판 위상차 필름, 상판 편광자 및 상판 보호층의 순으로 적층된 액정표시장치로서,

상판 편광자와 하판의 편광자의 흡수축은 서로 직교하게 배치되고,

상판 위상차 필름과 하판의 위상차 필름의 지상축은 각각 인접한 편광자의 흡수축에 직교 혹은 평행하게 배치되며,

입사각이 30°이상에서 명암대비비(화이트휘도/블랙휘도)가 0.1 내지 10인 보안용 액정표시장치.
제1항에 있어서, 액정셀은 트위스트네마틱(TN) 액정모드, 면상 스위칭(IPS) 액정모드 또는 수직배향(VA) 액정모드인 액정표시장치.
제1항에 있어서, 상판 또는 하판 위상차 필름은 포지티브 일축성 A 플레이트, 네가티브 일축성 A 플레이트, 포지티브 이축성 A 플레이트, 네가티브 이축성 A 플레이트, Z축 배향 필름, 네가티브 C 플레이트 및 포지티브 C 플레이트로 이루어진 군에서 선택된 것인 액정표시장치.
제1항에 있어서, 상판 또는 하판 위상차 필름은 양의 굴절률 필름, 음의 굴절률 필름 또는 이들의 혼합 필름으로 제조된 것인 액정표시장치.
제1항에 있어서, 상판 또는 하판 위상차 필름은 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 시클로올레핀 폴리머(COP), 시클로올레핀 코폴리머(COC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰(PSF), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 변성폴리스타이렌(PS) 및 변성푤리카보네이트(PC)로 이루어진 군에서 선택된 것으로 제조된 것인 액정표시장치.
제1항에 있어서, 상판 또는 하판 위상차 필름은 고정단 연신, 자유단 연신 또는 이들의 혼합연신으로 제조된 것인 액정표시장치.
제1항에 있어서, 상판 또는 하판 위상차 필름은 정파장분산성 또는 역파장분산성을 갖는 것인 액정표시장치.
제1항에 있어서, 보호층은 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 시클로올레핀 폴리머(COP), 시클로올레핀 코폴리머(COC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰(PSF) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군에서 선택된 것으로 제조된 것인 액정표시장치.
백라이트 유닛 측으로부터 하판 보호층, 하판 편광자, 하판 위상차 필름, 액정셀, 상판 위상차 필름, 상판 편광자 및 상판 보호층의 순으로 적층된 액정표시장치에서, θ=60°, Φ=45°의 시각에서 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태의 좌표를 구하는 단계;

임의의 액정셀과 상판 또는 하판 위상차 필름의 광학특성을 결정한 후, 푸앙카레구상의 θ=60°, Φ=45°의 시각에서 블랙 편광상태와 화이트 편광상태의 각 위치를 구하는 단계; 및

푸앙카레구상에서 상판 편광자에 완벽하게 흡수되는 편광상태의 좌표로부터 상기 블랙 편광상태의 위치와 화이트 편광상태의 위치의 구 표면상의 거리비가 0.1 내지 10을 유지하도록 하는 상판 위상차 필름의 물성을 결정하는 단계를 포함하는 보안용 액정표시장치의 제조방법.
제9항에 있어서, 임의의 액정셀이 면상 스위칭(IPS) 액정모드인 경우의 화이트 편광상태는 각 도메인에서 액정이 돌아가는 방향각을 측정하고 푸앙카레구상에 각 도메인의 편광상태를 표시하여 얻어진 평균거리인 것인 제조방법.
제9항에 있어서, 임의의 액정셀이 수직배향(VA) 액정모드 경우의 화이트 편광상태는 도메인 내의 각 방향으로 기울어지는 액정 틸트각의 평균값을 측정하고 푸앙카레구상에 각 방향의 편광상태를 표시하여 얻어진 평균거리인 것인 제조방법.