KR20110066255A - 면상 스위칭 모드 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 면상 스위칭 모드 액정표시장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상판 편광판, 하판 편광판 및 액정셀을 포함하는 면상 스위칭 모드 액정표시장치에서 푸앙카레구(Poincare Sphere)에 의해 액정 배향방향의 편광상태 변화를 확인하여 위상차 필름의 광학특성을 설계하고, 상판 및 하판 편광판에서 위상차 필름의 지상축과 액정 배향 방향을 특정하게 구성함으로써, 경사각 방향에서 색감을 개선하여 브라운관형 영상 제작물 장치 수준으로 색감의 균일성 확보가 가능하다.
면상 스위칭, 액정표시장치

Description

면상 스위칭 모드 액정표시장치{IN-PLANE SWITCHING MODE LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
본 발명은 경사각 방향에서 색감을 개선하여 브라운관형 영상 제작물 장치 수준으로 색감의 균일성 확보가 가능한 면상 스위칭 모드 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치(liquid crystal display; LCD)는 대중적인 화상표시장치로 널리 사용되고 있다. 그러나 이의 여러 우수한 특성에도 불구하고 좁은 시야각이 대표적인 단점으로 지적되고 있다.
액정표시장치는 액정의 초기배열, 전극구조 및 액정의 물성에 따라 모드가 나누어지며 현재 가장 많이 쓰이고 있는 액정표시장치의 모드는 트위스트네마틱(TN), 수직배향(VA) 및 면상 스위칭(IPS)이 있다.
또한 전압 무인가 시 빛의 투과 여부에 따라 노멀블랙 또는 노멀화이트 모드로 구분되며, 도메인 및 액정 초기배열 등에 따라 VA모드는 PVA(Patterned VA), SPVA(Super PVA) 및 MVA(Multidomain VA)로, IPS모드는 S-IPS(Super In-Plane Switching) 및 FFS(Fringe-Field Switching) 등으로 분류된다.
면상 스위칭 모드는 액정분자가 비구동 상태에서 기판 면에 거의 수평하고 균일한 배열을 갖는다. 정면에서 하판의 투과축과 액정분자의 진상축(Fast axis)의 방향이 일치할 때 액정의 광학특성에 의해 사면에서도 투과축과 액정의 진상축이 일치하므로 하판 편광판을 통과한 빛이 액정을 통과해도 편광상태의 변화를 일으키지 않아 본래의 상태대로 액정층을 통과할 수 있다. 그 결과 기판 상부면과 하부면상의 편광판들의 배열에 의해 비구동 상태에서 어느 정도의 암상태를 표시할 수 있는 것이다.
이러한 면상 스위칭 모드 액정표시장치는 일반적으로 광학필름을 사용하지 않고서도 넓은 시야각을 얻을 수 있어 자연스러운 투과율이 보장되고 화질 및 시야각이 화면 전체에 균일한 장점을 갖는다. 따라서 면상 스위칭 모드 액정표시장치는 18인치급 이상의 고급 기종에서 주종으로 사용되고 있다.
면상 스위칭 모드를 적용한 액정표시장치는 액정이 포함되어 있는 액정셀의 외측에는 빛을 편광시키기 위한 편광판이 요구되고, 상기 편광판의 일면 또는 양면에는 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 필름으로 이루어진 보호필름이 편광자(PVA)를 보호하기 위하여 구비된다. 이의 경우 액정이 암(Black) 상태를 표현할 때 하판에 구비된 편광자에 의해 편광된 빛이 정면이 아닌 경사각 방향에서 TAC 필름에 의해 타원편광된다. 타원편광된 빛은 액정셀에서 편광이 변화되어 빛샘과 동시에 빛이 다양한 색을 가지게 되는 문제가 있다.
더욱이 근래에는 면상 스위칭 모드 방식을 적용한 대형 TV 등의 화상표시장치가 제조됨에 따라 넓은 시야각 특성이 요구되고 있다. 이에 면상 스위칭 모드 액정표시장치(IPS-LCD)에서는 넓은 시야각을 확보하기 위하여 액정셀의 한쪽 편광판의 편광자(PVA)와 액정셀 사이에 TAC 필름 대신에 등방성 보호필름이 위치하고, 다른 쪽 편광판의 편광자(PVA)와 액정셀 사이에 2개 이상의 광학특성이 다른 위상차층을 적층시키거나 1장의 Z축 배향(두께방향배향)필름을 적층시켜 액정표시장치를 구성하였다.
한편 영상물 제작에 사용되는 장비는 시각에 따른 색감의 균일성이 중요하므로 브라운관(cathode-ray tube)형 장비가 대부분을 차지하고 있다. 브라운관형 장치는 부피가 크고 두꺼워 이동 및 운반에 제약이 있어 액정표시장치로 대체하려는 시도는 있으나, 현재 액정표시장치는 TV 등의 화상표시장치용이 대부분이어서 영상물 제작에 적용하기에는 개선이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상판 편광판, 하판 편광판 및 액정셀을 포함하는 면상 스위칭 모드 액정표시장치에서 푸앙카레구에 의해 액정 배향방향의 편광상태 변화를 확인하여 위상차 필름의 광학특성을 설계하고, 상판 편광판의 포지티브 A 플레이트와 하판 편광판의 포지티브 이축성 A 플레이트의 각 지상축 방향을 서로 평행하게 구성하여, 경사각 방향에서 색감의 균일성 확보가 가능하고 연신공정으로 특정의 광학물성을 갖는 위상차 필름을 제조할 수 있어 복합구성 편광판 제조가 용이하고, 이로 인하여 영상물 제작용에 적합한 액정표시장치의 제조가 가능하며 경제적인 박형 면상 스위칭 모드 액정표시장치를 제공하고자 한다.
1. 보호필름, 편광자, 포지티브 C 플레이트 및 포지티브 A 플레이트의 순으로 적층된 상판 편광판; 액정셀; 포지티브 C 플레이트, 포지티브 이축성 A 플레이트의 순으로 적층된 하판 편광판을 포함하고,
상판 편광판과 하판 편광판의 각 편광자의 흡수축은 서로 직교하며,
액정셀은 시인측의 우측 수평 방향을 기준으로 반시계 방향을 정(+)방향으로 할 때 액정 배향 방향이 90°이며,
상판 편광판은 포지티브 C 플레이트의 두께방향 위상차값(Rth)이 -80 내지 -120nm이고, 포지티브 A 플레이트의 굴절률비(NZ)가 0.9 내지 1.1이고 정면 위상차 값(R0)이 70 내지 120nm이며,
하판 편광판은 포지티브 C 플레이트의 두께방향 위상차값(Rth)이 -10 내지 -50nm이고, 포지티브 이축성 A 플레이트의 굴절률비(NZ)가 -1 내지 0이고 정면 위상차값(R0)이 170 내지 230nm이며,
상판 편광판의 포지티브 A 플레이트 및 하판 편광판의 포지티브 이축성 A 플레이트의 지상축은 서로 평행하게 배치된 면상 스위칭 모드 액정표시장치.
2. 위 1에 있어서, 액정셀은 589nm 파장에서 판넬 위상차값이 300 내지 330nm 범위인 면상 스위칭 모드 액정표시장치.
3. 위 1에 있어서, 상판 편광판의 포지티브 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름이 자유단 연신된 것인 면상 스위칭 모드 액정표시장치.
4. 위 1에 있어서, 하판 편광판의 포지티브 이축성 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름이 고정단 연신된 것인 면상 스위칭 모드 액정표시장치.
본 발명에 따른 면상 스위칭 모드 액정표시장치는 위상차 제어에 의해 종래 브라운관형 영상 제작물 장치 수준으로 색감의 균일성 확보가 가능하다.
본 발명은 상판 편광판, 하판 편광판 및 액정셀을 포함하는 면상 스위칭 모드 액정표시장치에서 푸앙카레구(Poincare Sphere)에 의해 액정 배향방향의 편광상 태 변화를 확인하여 위상차 필름의 광학특성을 설계하고, 상판 및 하판 편광판에서 위상차 필름의 지상축과 액정 배향 방향을 특정하게 구성함으로써, 경사각 방향에서 색감의 균일성을 개선하여 브라운관형 영상 제작물 장치 수준의 색감 균일성 확보가 가능한 면상 스위칭 모드 액정표시장치에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 면상 스위칭 모드 액정표시장치의 구성을 도 1을 이용하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
면상 스위칭 모드 액정표시장치는 상판 편광판(20), 액정셀(30) 및 하판 편광판(10)을 포함한다.
하판 편광판(10)은 액정셀(30)쪽으로부터 포지티브 C 플레이트(16), 포지티브 이축성 A 플레이트(14), 편광자(11) 및 보호필름(13)의 순으로 적층되고, 상판 편광판(20)은 액정셀(30)쪽으로부터 포지티브 A 플레이트(24), 포지티브 C 플레이트(26), 편광자(21) 및 보호필름(23)의 순으로 적층하였다. 상판 편광판(20)과 하판 편광판(10)의 각 편광자의 흡수축(12,22)은 서로 직교한다.
액정셀(30)은 시인측의 우측 수평 방향을 기준으로 반시계 방향을 정(+)방향으로 할 때 액정 배향 방향이 90°(S-IPS)이며, 589nm 파장에서 하기 수학식 1의 판넬 위상차값이 300 내지 330nm 범위이다.
Δn × d = (ne - no) × d
(여기서, ne는 액정의 이상광선 굴절률, no는 정상광선 굴절률, d는 셀 갭을 나타냄; 주. Δn, d는 벡터가 아닌 스칼라이다)
하판 편광판(10)은 포지티브 C 플레이트(16) 및 포지티브 이축성 A 플레이트(14)를 포함하여 구성된다.
포지티브 C 플레이트(16)는 두께방향 위상차값(Rth)이 -10 내지 -50nm인 것을 사용한다.
포지티브 이축성 A 플레이트(14)는 굴절률비(NZ)가 -1 내지 0이고 정면 위상차값(R0)이 170 내지 230nm, 바람직하기로는 굴절률비(NZ)가 -0.7 내지 -0.3이고 정면 위상차값(R0)이 180 내지 220nm인 것을 사용한다.
포지티브 C 플레이트(16)와 포지티브 이축성 A 플레이트(14)의 광학특성 범위는 빛이 액정층을 통과할 때 액정에 의한 파장분산성을 고려하여 특정하게 한정한 값이며, 이의 범위를 벗어나는 경우에는 액정에 의한 파장분산이 커지게 되므로 시각에 따른 색변화도 커지는 문제가 있다.
상판 편광판(20)은 포지티브 A 플레이트(24) 및 포지티브 C 플레이트(26)를 포함하여 구성된다.
포지티브 A 플레이트(24)는 굴절률비(NZ)가 0.9 내지 1.1이고 정면 위상차값(R0)이 70 내지 120nm, 바람직하기로는 정면 위상차값(R0)이 70 내지 100nm인 것을 사용한다.
포지티브 C 플레이트(26)는 두께방향 위상차값(Rth)이 -80 내지 -120nm, 바 람직하기로는 -80 내지 -110 nm인 것을 사용한다.
포지티브 A 플레이트(24)와 포지티브 C 플레이트(26)의 광학특성 범위는 액정셀을 통과한 빛의 위상차 범위를 제어하여 광시야각을 갖도록 하기 위한 것으로 상기 범위를 벗어나는 경우에는 시야각이 좁아지는 문제가 있다.
상판 편광판의 포지티브 A 플레이트(24) 및 하판 편광판의 포지티브 이축성 A 플레이트(14)의 지상축은 서로 평행하게 배치된다.
본 발명에서 상판 편광판의 포지티브 A 플레이트(24)와 포지티브 C 플레이트(26), 및 하판 편광판의 포지티브 C 플레이트(16)와 포지티브 이축성 A 플레이트(14)의 광학특성은 가시광선 영역내의 전파장에 대해서 하기의 수학식 2 내지 4에 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 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny이며, d는 필름의 두께를 나타냄)
NZ = (Nx - Nz) / (Nx - Ny) = Rth / R0 + 0.5
(여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny이며, Nz는 필름의 두께 방향 굴절률을 나타냄)
상기 수학식 2의 Rth는 면내 평균굴절률에 대한 두께방향의 굴절률의 차이를 나타낸 두께방향 위상차값이고, 수학식 3의 R0는 빛이 필름의 법선방향(수직방향)을 통과했을 때 실질적인 위상차인 정면 위상차값이다.
또한 수학식 4의 NZ는 굴절률비로 이에 따라 위상차 필름으로 사용되는 플레이트의 종류를 구분한다.
위상차 필름의 플레이트 종류는 1) 위상차가 존재하지 않는 광축이 필름의 면내방향으로 존재하는 경우는 A 플레이트; 2) 광축이 필름면의 수직방향으로 존재하는 경우는 C 플레이트; 및 3) 광축이 두 개 존재할 때는 이축성 플레이트라고 한다. 구체적으로 1) NZ가 1일 경우 굴절률은 Nx>Ny=Nz 관계를 가지고 ' 포지티브 A 플레이트(POSITIVE A PLATE)'라고 하며; 2) 1<NZ인 경우 굴절률은 Nx>Ny>Nz를 만족하고 '네가티브 이축성 A 플레이트(NEGATIVE BIAXIAL A PLATE)'라고 하며; 3) 0<NZ<1인 경우 굴절률은 Nx>Nz>Ny의 관계를 가지고 'Z축 배향 필름'이라고 하며; 4) NZ=0인 경우 굴절률은 Nx=Nz>Ny의 관계를 가지고 '네가티브 A 플레이 트(NEGATIVE A PLATE)'라고 하며; 5) NZ<0인 경우 굴절률은 Nz>Nx>Ny의 관계를 가지고 '포지티브 이축성 A 플레이트(POSITIVE BIAXIAL A PLATE)'라고 하며; 6) NZ=∞인 경우 굴절률은 Nx=Ny>Nz의 관계를 가지고 '네가티브 C 플레이트(NEGATIVE C PLATE)'라고 하며; 7) NZ=-∞인 경우 굴절률은 Nz>Nx=Ny의 관계를 가지고 '포지티브 C 플레이트(POSITIVE C PLATE)'라고 한다.
그러나, 상기와 같이 이론적 정의에 완벽하게 일치하는 A 플레이트 및 C 플레이트를 만드는 것은 실제 공정상 불가능하다. 이에 일반적인 공정에서 A 플레이트는 굴절률비의 대략적인 범위, C 플레이트는 정면 위상차의 범위를 각각 임의 수치로 설정하여 구분한다. 그럼에도 불구하고 임의적인 수치상의 설정은 연신에 따른 굴절률 발현 특성이 다른 모든 재료에 적용하기에는 한계가 있다.
본 발명에 따른 상판 편광판과 하판 편광판의 각 위상차 필름은 연신타입으로 제조된다.
위상차 필름은 보통 연신을 통해서 위상차를 부여하는 데 연신방향으로 굴절률이 커지는 필름을 '양(+)의 굴절률 특성'이라 하고 연신방향으로 굴절률이 작아지는 필름을 '음(-)인 굴절률 특성'이라고 한다. 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 위상차 필름은 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 시클로올레핀폴리머(COP), 시클로올레핀코폴리머(COC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰(PSF) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군에서 선택된 것으로 제조할 수 있다. 또한 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 위상차 필름은 변성폴리스티렌(PS) 또는 변성폴리카보네이트(PC)로 제조할 수 있다.
위상차 필름의 연신 방법은 고정단 연신과 자유단 연신으로 구분된다. 고정단 연신은 필름의 연신 공정 중 연신하는 방향 이외의 다른 방향의 길이를 고정시키는 방법이고, 자유단 연신은 필름의 연신 공정 중 연신하는 방향 이외의 다른 방향에 자유도를 부여하는 방법이다. 통상 필름은 연신하면 연신 방향 이외의 다른 방향은 수축하게 되나 Z축 배향필름의 경우 연신 이외에 별도의 수축 공정이 요구되기도 한다.
연신 시 롤(Roll) 상태의 필름이 풀리는 방향은 MD방향(Machine Direction, 기계방향)이라고 하며 이에 수직한 방향을 TD방향(Transverse Direction)이라고 한다. 자유단 연신은 MD방향으로 연신하는 것이고 고정단 연신은 TD방향으로 연신하는 것이라고 한다.
연신방법(단 1차 공정만 적용했을 때)에 따라 NZ 및 플레이트의 종류가 달라지는데 이를 구체적으로 정리하면 다음과 같다. 1) 포지티브 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신하고; 2) 네가티브 이축성 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 고정단 연신하고; 3) Z축 배향필름은 양(+)의 굴절률 특성 또는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신 후 고정단 수축시키고; 4) 네가티브 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신하고; 5) 포지티브 이축성 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 고정단 연신하여 제조할 수 있다.
이외에도 위상차 필름은 상기와 같은 1차 연신 이외에 2차 연신 및 첨가물 적용 등의 추가 공정을 적용하여 지상축(Slow Axis)의 방향, 위상차값 및 NZ의 값 등의 광학특성을 제어할 수 있다. 이의 추가 공정은 당 분야에서 일반적으로 적용되는 공정으로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않는다.
본 발명의 포지티브 C 플레이트는 음의 굴절률 특성을 가지는 물질을 필름화 하여 완전 이축 연신 또는 투명기재필름에 액정을 코팅하여 제조될 수 있다. 예컨데 액정은 디스코틱 액정, 콜레스테릭 액정 또는 반응성 액정 단량체(RM, Reactive Mesogen) 등이 사용될 수 있다.
상판 및 하판 평광판의 각 편광자는 연신과 염색을 통해 편광 기능이 부여된 편광자인 폴리비닐알콜(PVA)층에 위치한다. 상판 편광판과 하판 편광판의 각 흡수축은 서로 직교하게 배치되도록 한다.
상판 편광판 및 하판 편광판의 각 폴리비닐알콜(PVA)층에서 액정셀 반대측 면에는 각각 보호필름이 위치한다.
상판 편광판 및 하판 편광판의 보호필름은 굴절률 차이에 따른 광학적 특성이 시야각에 영향을 미치지 못하므로 본 발명에서는 굴절률 특성이 특별히 제한되지 않는다. 상판 편광판 및 하판 편광판의 보호필름을 형성하는 재료는 서로 독립적으로 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 적용할 수 있다. 구체적으로 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 시클로올레핀폴리머(COP), 시클로올레핀코폴리머(COC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰(PSF) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등으로 이루어진 군에서 선택된 것으로 제조된 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 상판 편광판 및 하판 편광판은 당 분야에서 일반적으로 적용되는 공정으로 제조될 수 있으며, 구체적으로 제조공정은 롤 대 롤(Roll To Roll)공정, 매엽접합(Sheet to Sheet) 등이 적용될 수 있다. 통상 수율 및 제조 공정상의 효율성 등을 고려하여 롤 대 롤(Roll To Roll)공정을 적용하는 것이 좋다.
본 발명은 하판 편광판의 편광자의 흡수축이 시인 측에서 보았을 때 수직방향으로 위치해야 한다. 구체적으로 백라이트 유닛에 가까운 하판 편광판의 흡수축이 수직 방향이면 하판 편광판을 통과한 빛은 수평방향으로 편광이 된다. 이는 판넬의 전압이 인가된 액정셀을 통과해 명(明)의 상태가 될 경우 빛은 수직 방향이 되어 흡수축이 수평방향인 시인 측의 상판 편광판을 통과한다. 이와 같이 통과한 빛은 시인 측에서 편광 선글라스(통상 흡수축이 수평방향임)를 착용한 사람이 인지할 수 있어 화상이 보이게 된다. 그러나 백라이트 유닛에 가까운 하판 편광판의 흡수축이 수평방향인 경우 편광 선글라스를 착용한 사람은 이에게는 화상이 보이지 않게 되는 문제가 있다.
본 발명의 시야각 보상의 효과는 푸앙카레구상에 각 광학층을 통과할 때 편광상태 변화를 나타냄으로써 이해할 수 있다.
푸앙카레구는 특정 시각에서 편광상태의 변화를 표현하는데 아주 유용한 방법이므로 편광을 이용해 화상을 표시하는 액정표시장치에서 특정시각으로 진행하는 빛이 액정표시장치 내부 각각의 광학소자를 통과할 때 편광상태의 변화를 나타낼 수 있다.
본 발명의 특정 시각은 도 4에 나타난 반원좌표계에서 Φ=45°, θ=60°방향 이고 이 방향으로 나오는 빛의 편광상태변화를 전파장에 대해 푸앙카레구상에 표현함으로써 파장분산성을 확인할 수 있다.
하기 도 5는 Φ=45°, θ=60°의 시각에서 본 발명에 따른 액정표시장치가 구현하고자 하는 편광상태를 도시한 것이다. 구체적으로 정면에서 Φ+90°방향을 축으로 Φ방향의 면을 시인측으로 θ만큼 화면을 회전시켰을 때 관측자의 정면방향으로 나오는 빛에 대한 편광상태 변화를 푸앙카레구상에 나타낸 것이다. 푸앙카레구상에서 S3축의 좌표가 양(+)을 나타낼 때 우원편광을 나타내며, 이때 우원편광은 임의의 편광수평성분을 Ex, 편광수직성분을 Ey라 할 때 Ex성분의 빛이 Ey성분의 빛에 비해 위상의 느림이 0 보다 크고 반파장 보다 작은 빛을 말한다.
본 발명의 액정표시장치는 경사각 방향에서 색상의 변화도가 작아 색감의 균일성 확보가 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예
하기 실시예는 LCD광학시뮬레이션 프로그램인 TECH WIZ LCD 1D POLAR(사나이시스템, KOREA)에서 시뮬레이션을 실시하여 광시야각 효과를 확인하였다.
실시예 1
본 발명에 따른 각 광학필름과 액정셀 및 백라이트 등의 실측 데이터를 도 1에 나타난 바와 같은 구조로 TECH WIZ LCD 1D 및 TECH WIZ LCD Polar(사나이시스템, KOREA) 상에 적층하였다. 도 1의 구조를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
백라이트 측으로부터 하판 편광판(10), 전압 무인가 상태에서 시인측의 우측 수평 방향을 기준으로 반시계 방향을 정(+)방향으로 할 때 액정 배향 방향이 90°인 면상 스위칭 모드 액정셀(30, S-IPS) 및 상판 편광판(20)으로 구성하였다. 하판 편광판(10)은 액정셀(30)측으로부터 포지티브 C 플레이트(16), 포지티브 이축성 A 플레이트(14), 편광자(11) 및 보호필름(13)의 순으로 적층하였다. 상판 편광판(20)은 액정셀측으로부터 포지티브 A 플레이트(24), 포지티브 C 플레이트(26), 편광자(21) 및 보호필름(23)의 순으로 적층하였다.
액정셀은 LG Display사 42인치 판넬 LC420WU5에 적용된 것으로 액정셀의 위상차 값은 광원 589nm에서 315nm가 되게끔 셀갭의 두께를 조정하여 사용하였고 컬러필터의 흡수를 고려하지 않았다. 백라이트 유닛(40)으로는 32인치 TV LC320WX4 모델(LG Display사)에 탑재된 실측 데이터를 사용하였다.
한편, 본 발명의 실시예에서 사용된 각각의 광학필름은 하기와 같은 광학적 물성을 갖는 것을 사용하였다.
먼저, 제 1 편광판(10) 및 제2 편광판(20)의 편광자(11)(21)는 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
Figure 112009076488118-PAT00001
라고 할 때 하기 수학식 5 내지 9에 의해 정의된다. 여기서 S(λ)는 광원스펙트럼이며 보통 C광원을 사용한다.
Figure 112009076488118-PAT00002
Figure 112009076488118-PAT00003
Figure 112009076488118-PAT00004
Figure 112009076488118-PAT00005
Figure 112009076488118-PAT00006
각 필름의 방향에 따른 내부굴절률 차이로 인해 생기는 광학특성은 광원 589.3nm에서, 하판 편광판(10)의 포지티브 C 플레이트(16)는 두께방향 위상차값(Rth)이 -30nm이고, 포지티브 이축성 A 플레이트(14)는 굴절률비(NZ)가 -0.5이고 정면 위상차값(R0)이 200nm인 것을 사용하였다. 포지티브 이축성 A 플레이트(14)는 변성폴리스티렌(PS)이 고정단 연신된 것을 사용하였다.
상판 편광판(20)의 포지티브 A 플레이트(24)는 굴절률비(NZ)가 1이고 정면 위상차값(R0)이 90nm이며, 포지티브 C 플레이트(26)는 두께방향 위상차값(Rth)이 -100nm인 것을 사용하였다. 포지티브 A 플레이트(24)는 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 필름이 자유단 연신된 것을 사용하였다.
이때 하판 편광자(11)의 흡수축(12)과 상판 편광자(20)의 흡수축(22)은 서로 직교하도록 구성하였다. 하판 편광판의 포지티브 이축성 A 플레이트(14)의 지상축(15)과 상판 편광판(20)의 포지티브 A 플레이트(24)의 지상축(25)은 서로 평행하고 포지티브 이축성 A 플레이트(14)와 인접한 하판 편광판의 편광자(11)의 흡수축(12)은 서로 직교하도록 구성하였다.
또한 하판 및 상판 편광판(10)(20)의 각각 바깥쪽 보호필름(13)(23)으로 입사광 589.3nm에 대해 Rth가 50nm인 광학특성을 갖는 TAC 필름을 사용하여 면상 스위칭 모드 액정표시장치를 제조하였다.
상기 면상 스위칭 모드 액정표시장치의 푸앙카레구상에서 Φ=45°, θ=60°경사방향의 편광상태 변화는 도 5에 나타내었다.
도 5는 푸앙까레구(Poincare Sphere)상에서 하판 편광판(10)의 편광자(11)를 통과했을 때 T지점의 편광상태를 나타내며, 포지티브 이축성 A 플레이트(14), 포지티브 C 플레이트(16), 액정셀(30), 포지티브 A 플레이트(24), 포지티브 C 플레이트(26)의 순으로 통과한 후 편광상태가 P지점에 도달한다.
편광상태는 400nm(보라색), 550nm(녹색) 및 700nm(빨간색)의 파장별로 나타내었다. 파장별 편광상태가 P지점에 가깝게 분포하여 빛샘이 적다는 것을 확인할 수 있다.
도 6의 (a)는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)에서 색의 변화를 색좌표(CIE 1931)에 나타낸 것으로 비교예의 도 9(a)및 도 9(b)에 비해 색상변화 정도가 적다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 (c)는 면상 스위칭 모드 액정표시장치가 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것으로 전체적으로 색감이 블랙으로 균일하며 빛이 투과되는 부분이 적다는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 액정셀의 위상차 값은 광원 589nm에서 300nm가 되게끔 셀갭의 두께를 조정하여 사용하고, 상판 편광판(20)의 포지티브 C 플레이트(26)는 두께방향 위상차값(Rth)이 -80nm인 것을 사용하여 액정표시장치를 제조하였다.
상기 제조된 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 도 7에 나타내었다. 색좌표(CIE 1931)에서 (a)는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)이다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상판 편광판(20)의 포지티브 C 플레이트(26)는 두께방향 위상차값(Rth)이 -110nm인 것을 사용하여 액정표시장치를 제조하였다.
상기 제조된 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 도 8에 나타내었다. 색좌표(CIE 1931)에서 (a)는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)이다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 액정셀의 위상차 값은 광원 589nm에서 300nm가 되게끔 셀갭의 두께를 조정하여 사용하고, 상판 편광판(20)의 포지티브 A 플레이트(24)는 굴절률비(NZ)가 1이고 정면 위상차값(R0)이 110nm인 것을 사용하여 액정표시장치를 제조하였다.
상기 제조된 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 도 9에 나타내었다. 색좌표(CIE 1931)에서 (a)는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)이다.
실시예 5
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상판 편광판(20)의 포지티브 A 플레이트(24)는 굴절률비(NZ)가 1이고 정면 위상차값(R0)이 70nm인 것을 사용하여 액정표시장치를 제조하였다.
상기 제조된 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 도 10에 나타내었다. 색좌표(CIE 1931)에서 (a)는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)이다.
실시예 6
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 액정셀의 위상차 값은 광원 589nm에서 330nm가 되게끔 셀갭의 두께를 조정하여 사용하고, 하판 편광판(10)의 포지티브 C 플레이트(16)는 두께방향 위상차값(Rth)이 -30nm인 것을 사용하여 액정표시장치를 제조하였다.
상기 제조된 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시 각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 도 11에 나타내었다. 색좌표(CIE 1931)에서 (a)는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)이다.
실시예 7
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 액정셀의 위상차 값은 광원 589nm에서 300nm가 되게끔 셀갭의 두께를 조정하여 사용하고, 하판 편광판(10)의 포지티브 C 플레이트(16)는 두께방향 위상차값(Rth)이 -50nm인 것을 사용하여 액정표시장치를 제조하였다.
상기 제조된 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 도 12에 나타내었다. 색좌표(CIE 1931)에서 (a)는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)이다.
실시예 8
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 하판 편광판(10)의 포지티브 이축성 A 플레이트(14)는 굴절률비(NZ)가 -0.5이고 정면 위상차값(R0)이 180nm인 것을 사용하여 액정표시장치를 제조하였다.
상기 제조된 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 도 13에 나타내었다. 색좌표(CIE 1931)에서 (a) 는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)이다.
실시예 9
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 액정셀의 위상차 값은 광원 589nm에서 330nm가 되게끔 셀갭의 두께를 조정하여 사용하고, 하판 편광판(10)의 포지티브 이축성 A 플레이트(14)는 굴절률비(NZ)가 -0.5이고 정면 위상차값(R0)이 220nm인 것을 사용하여 액정표시장치를 제조하였다.
상기 제조된 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 도 14에 나타내었다. 색좌표(CIE 1931)에서 (a)는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)이다.
비교예
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상판 편광판(20)의 포지티브 A 플레이트(24)는 굴절률비(NZ)가 1이고 정면 위상차값(R0)이 120nm이며, 포지티브 C 플레이트(26)는 두께방향 위상차값(Rth)이 -90nm인 것을 사용하였다. 또한 하판 편광판(10)의 포지티브 C 플레이트(16) 및 포지티브 이축성 A 플레이트(14) 대신에 두께방향 위상차값(Rth) 및 정면 위상차값(R0)이 0nm인 등방성 보호필름(O-TAC)을 사용하여 면상 스위칭 모드 액정표시장치를 제조하였다.
포지티브 A 플레이트(24)는 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 필름이 자유단 연신된 것을 사용하였다.
상기 면상 스위칭 모드 액정표시장치의 푸앙카레구상에서 Φ=45°, θ=60°경사방향의 편광상태 변화는 도 15에 나타내었다.
도 15는 푸앙까레구(Poincare Sphere)상에서 하판 편광판(10)의 편광자(11)를 통과했을 때 T지점의 편광상태를 나타내며, 등방성 보호필름(14), 액정셀(30), 포지티브 A 플레이트(24), 포지티브 C 플레이트(26)의 순으로 통과한 후 편광상태가 P지점에 도달한다
편광상태는 400nm(보라색), 550nm(녹색) 및 700nm(빨간색)의 파장별로 나타내었다. 파장별 편광상태가 P지점으로부터 넓게 분포하여 빛샘이 크다는 것을 확인할 수 있다.
도 16의 (a)는 입사각 40°이내의 범위(시야각 80°이내), (b)는 입사각 60°이내(시야각 120°이내)에서 색의 변화를 색좌표(CIE 1931)에 나타낸 것으로 실시예 1에 비해 색상변화 정도가 크다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 (c)는 비교예의 면상 스위칭 모드 액정표시장치가 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것으로 전체적으로 색감이 균일하지 않으며 빛의 투과 부분이 넓다는 것을 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 면상 스위칭 액정표시장치(S-IPS 모드)의 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 Φ, θ로 표현하는 것을 설명하기 위한 모식도이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 편광상태 변화를 경사각(θ=60°, Φ=0°) 방향에서 푸앙카레구상에 표현한 것이고,
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이고,
도 8은 본 발명의 실시예 3에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이고,
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이고,
도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이고,
도 11은 본 발명의 실시예 6에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이고,
도 12는 본 발명의 실시예 7에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이고,
도 13은 본 발명의 실시예 8에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이고,
도 14는 본 발명의 실시예 9에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이고,
도 15는 본 발명의 비교예에 따른 편광상태 변화를 경사각(θ=60°, Φ=0°) 방향에서 푸앙카레구상에 표현한 것이고,
도 16은 본 발명의 비교예에 따른 액정표시장치의 색좌표(CIE 1931) 및 암(Black)을 표시할 때 시각에 따른 색분포와 상대적 휘도를 나타낸 것이다.

Claims (4)

  1. 보호필름, 편광자, 포지티브 C 플레이트 및 포지티브 A 플레이트의 순으로 적층된 상판 편광판; 액정셀; 포지티브 C 플레이트, 포지티브 이축성 A 플레이트의 순으로 적층된 하판 편광판을 포함하고,
    상판 편광판과 하판 편광판의 각 편광자의 흡수축은 서로 직교하며,
    액정셀은 시인측의 우측 수평 방향을 기준으로 반시계 방향을 정(+)방향으로 할 때 액정 배향 방향이 90°이며,
    상판 편광판은 포지티브 C 플레이트의 두께방향 위상차값(Rth)이 -80 내지 -120nm이고, 포지티브 A 플레이트의 굴절률비(NZ)가 0.9 내지 1.1이고 정면 위상차값(R0)이 70 내지 120nm이며,
    하판 편광판은 포지티브 C 플레이트의 두께방향 위상차값(Rth)이 -10 내지 -50nm이고, 포지티브 이축성 A 플레이트의 굴절률비(NZ)가 -1 내지 0이고 정면 위상차값(R0)이 170 내지 230nm이며,
    상판 편광판의 포지티브 A 플레이트 및 하판 편광판의 포지티브 이축성 A 플레이트의 지상축은 서로 평행하게 배치된 면상 스위칭 모드 액정표시장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 액정셀은 589nm 파장에서 판넬 위상차값이 300 내지 330nm 범위인 면상 스위칭 모드 액정표시장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상판 편광판의 포지티브 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름이 자유단 연신된 것인 면상 스위칭 모드 액정표시장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 하판 편광판의 포지티브 이축성 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름이 고정단 연신된 것인 면상 스위칭 모드 액정표시장치.
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