KR20110066729A - 광학보상필름을 포함하는 블루상 모드 액정표시장치 - Google Patents

광학보상필름을 포함하는 블루상 모드 액정표시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 블루상 모드 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 광학보상필름을 포함하는 편광판을 포함하는 블루상 모드 액정표시장치에 관한 것이다.
본 발명의 특징은 블루상 모드 액정표시장치의 편광판에 있어서, 편광판은 광학보상필름을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로 인하여, 암 상태에서 패널의 대각방향 빛샘을 감소시키며, 콘트라스트비의 저하를 방지하며 시야각에 따른 색반전을 개선할 수 있으며, 특히, 기존에 비해 총 편광판의 부피 및 무게를 줄 일 수 있다.
블루상 모드, 액정표시장치, 등방성 액정, 광학보상필름

Description

광학보상필름을 포함하는 블루상 모드 액정표시장치{Blue phase mode liquid crystal display device including optical retardation film}
본 발명은 블루상 모드 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 광학보상필름을 포함하는 편광판을 포함하는 블루상 모드 액정표시장치에 관한 것이다.
최근 정보화 시대에 발맞추어 디스플레이(display) 분야 또한 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응해서 박형화, 경량화, 저소비전력화 장점을 지닌 평판표시장치(flat panel display device : FPD)로서 액정표시장치(liquid crystal display device : LCD), 플라즈마표시장치(plasma display panel device : PDP), 전기발광표시장치(electroluminescence display device : ELD), 전계방출표시장치(field emission display device : FED) 등이 소개되어 기존의 브라운관(cathode ray tube : CRT)을 빠르게 대체하며 각광받고 있다.
이중에서도 액정표시장치는 동화상 표시에 우수하고 높은 콘트라스트비(contrast ratio)로 인해 노트북, 모니터, TV 등의 분야에서 가장 활발하게 사용되고 있다.
이러한 액정표시장치는 화소전극과 공통전극 등 전기장 생성 전극이 형성되어 있는 두장의 표시판과 그 사이에 들어 있는 액정층을 포함한다. 액정표시장치는 전기장 생성 전극에 전압을 인가하여 액정층에 전기장을 생성하고, 이를 통하여 액정층의 액정분자들의 배향을 결정하고 입사광의 편광을 제어함으로써 영상을 표시한다.
그 중에서도 전기장이 인가되지 않은 상태에서 액정분자의 장축을 상하 표시판에 대하여 수직을 이루도록 배열한 수직배향(vertical alignment : VA) 모드 액정표시장치는 대비비가 커서 각광받고 있다.
그러나, 광시야각에 문제가 있어 IPS(in-plane switching)모드의 액정표시장치와 같이 동일 평면에서 전기장이 인가되는 형태가 개발되었다.
한편, 액정표시장치에 이용되는 액정으로는 네마틱(nematic)액정, 스멕틱(smectic)액정 및 콜레스테릭(cholesteric) 액정 등이 있으며, 주로 네마틱 액정이 이용된다.
네마틱 액정은 광학적 이방성을 가지므로 전기장이 인가되면 액정분자가 회전하면서 소정 방향으로 배향이 바뀌고 이를 통하여 표시를 수행한다.
그러나, 이러한 네마틱 액정을 포함하는 액정표시장치는 응답속도가 낮아 잔상에 의한 화질의 저하 등의 단점을 갖는다.
이에, 최근에는 고속 응답속도를 갖는 액정표시장치에 대한연구가 활발히 진행되고 있고, 이에, 블루상 모드(blue phase mode) 액정을 갖는 액정표시장치가 제안되고 있는데, 블루상 모드 액정은 인가되는 전압에 따라 등방성 성질이 이방성으 로 변하는 특성을 가지며, 이방성 굴절률이 인가된 전압의 제곱에 비례하여 변하는 특성을 가지므로, 액정표시장치의 응답속도를 향상시킬 수 있다.
그러나, 이러한 블루상 모드 액정표시장치는 수평전계에 의해 블루상 모드 액정을 구동하는데, 이러한, 블루상 모드 액정표시장치는 암 상태를 표시할 때 빛의 누설이 발생하여, 낮은 콘트라스트비 값을 나타내는 문제가 있다.
도 1은 블루상 모드 액정표시장치에서 암 상태의 콘트라스트 특성을 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다. 도시한 바와 같이, 암 상태일 때 액정패널의 대각 방향에 해당하는 45도, 135도, 225도, 315도에서 큰 빛샘이 발생하여 휘도가 증가하게 되고, 이에 따라 액정표시장치의 콘트라스트비가 저하되는 문제가 발생하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시야각 및 응답속도가 향상되는 동시에 암 상태의 빛샘을 개선하여 콘트라스트비 저하를 방지할 수 있는 액정표시장치를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제 1 및 제 2 기판을 포함하는 액정패널과; 상기 제 1 및 제 2 기판 사이에 개재되며, 전계에 의해 광학적 이방성을 가지며, 전압 무인가시 광학적 등방성을 갖는 블루상(blue phase) 액정층상기 액정패널의 양외측면에 형성되는 편광판을 포함하며, 상기 편광판과 상기 액정패널 사이에 nx = nx < nz(nx, ny는 평면의 XY방향의 굴절율, nz는 법선 방향에서의 굴절률)의 +C 플레이트를 포함하는 제 1 광학보상필름과 nx > ny > nz(nx, ny는 평면의 XY방향의 굴절율, nz는 법선 방향에서의 굴절률)의 이축성 위상차층을 포함하는 제 2 광학보상필름 중 선택된 하나가 개재되는 블루상 액정표시장치를 제공한다.
이때, 상기 +C 플레이트의 두께 방향의 위상 지연값은 550nm 파장에서 50nm ~ 500nm 범위 값을 가지며, 상기 이축성 위상차층은 550nm 파장에서 면상 위상차값은 20∼200nm범위의 값을 가지며, 두께 방향의 위상차 값은 550nm 파장에서 -50nm∼-300nm 범위의 값을 갖는다.
그리고, 상기 제 1 광학보상필름 및 상기 제 2 광학보상필름은 nx> ny = nz(nx, ny는 평면의 XY방향의 굴절율, nz는 법선 방향에서의 굴절률)의 +A 플레이트를 더욱 포함하며, 상기 +A 플레이트의 면상 위상 지연값은 550nm 파장에서 -25nm ~ -150nm의 범위의 값을 갖는다.
여기서, 상기 제 2 광학보상필름은 두께 방향의 위상 지연값은 550nm 파장에서 50nm ~ 500nm 범위의 값을 갖는 +C 플레이트를 더욱 포함하며, 상기 편광판은 편광축을 갖는 편광층과 상기 편광층의 양외측에 형성되는 제 1 및 제 2 기재필름 으로 이루어진다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 기재필름은 면내의 위상 지연값(Re)이 2 ~ 5nm이며, 두께 방향 위상 지연값(Rth)은 -40 ~ -55nm의 범위값을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 광학보상필름이 형성된 상기 액정패널의 반대측에 면상 위상 지연값은 550nm 파장에서 -25nm ~ -150nm의 범위의 값을 갖는 +A 플레이트를 더욱 포함한다.
그리고, 상기 제 1 광학보상필름이 형성된 상기 액정패널의 반대측에 두께 방향의 위상 지연값은 550nm 파장에서 50nm ~ 500nm 범위의 값을 갖는 +C 플레이트를 더욱 포함한다.
위에 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 블루상 모드 액정표시장치의 편광판에 있어서, 편광판이 광학보상필름을 포함하도록 하여, 암 상태에서 패널의 대각방향 빛샘을 감소시키며, 콘트라스트비의 저하를 방지하며 시야각에 따른 색반전을 개선할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 가장 특징적인 것은 블루상 모드 액정을 어레이 기판과 컬러필터 기판 내부에 개재하여 형성한 것이 특징적인 것이다.
블루상 모드 액정은 전기장이 없는 상태에서는 광학적 등방성(optical isotropic)을 나타내고, 전기장이 형성되면 광학적 이방성(optical anisotropic)을 나타내며, 그 광학적 이방성의 크기는 전기장의 세기에 따라 달라진다.
도 2는 블루상 모드 액정의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도시한 바와 같이, 블루상 모드 액정(210)은 각각의 액정이 꼬인형태로 원기둥 내에 배치되는데, 이러한 배치구조를 더블 트위스트 실린더(double twist cylinder : DTS, 이하 DTS라 함)(220) 구조라 한다.
이러한 블루상 모드 액정(210)들은 DTS(220)의 중심축으로부터 외측 방향으로 갈수록 점점 꼬이게 배치된다. 즉, 블루상 모드 액정(210)들은 DTS(220) 내에서 서로 직교하는 두 개의 트위스트 축(X, Y)을 따라 꼬이도록 배치된다.
따라서, 블루상 모드 액정(210)들은 DTS(220)의 중심축을 기준으로 DTS(220) 내에서 방향성을 갖는다.
또한, 이러한 DTS(220)들은 격자(lattice : 230) 구조로 배치된다.
이러한, 블루상 모드 액정(210)은 키랄 네마틱상(chiral nematic phase)과 등방상(isotropic phase) 사이의 온도영역에서 나타는 액정상으로, 1 ~ 2℃의 좁은 범위에서만 발현하기 때문에 온도를 정확하게 제어하는 것이 중요하다.
이에, 블루상 모드 액정(210)은 고분자와 결합되어 안정화된 고분자 안정화 블루상 모드 액정(210)으로 이루어진다. 고분자 안정화 블루상 모드 액정(210)은 고분자가 혼합된 블루상 모드 액정(210)으로서, DTS(220)들의 격자(230) 구조와 안정된다. 즉, 블루상 모드 액정(210)에 고분자를 혼합하면 고분자는 DTS(220)를 이 루는 액정들 즉 방향성을 갖는 액정들보다 방향성을 갖지 않는 액정들과 더 잘 결합한다. 이에 따라 DTS(220)들이 격자(230) 구조가 안정화되고, 이를 통해 블루상이 발현되는 온도 대역이 0 ~ 50 ℃ 이하로 확대된다.
이렇게 고분자를 포함하는 블루상 모드 액정(210)은 일예로 다음과 같은 액정물질을 포함할 수 있다.
Figure 112009076797009-PAT00001
또한, 4-시아노-4'-펜틸비페닐(4-cyano-4'-pentylbiphenyl)일 수 있으며, 이러한 액정 물질들을 혼합한 조성물일 수도 있다.
이러한 블루상은 모노머(monomer), 광개시제(photoinitiator) 및 결합제(binder)와 같은 고분자물질의 합성을 위한 물질을 포함하며, 고분자화합물은 블루상 모드 액정(210)을 안정화하며, 안정화된 블루상 모드 액정(210)의 발현하는 온도가 0 ~ 50 ℃ 로 확대될 수 있도록 하는 것이다.
여기서, 모노머는 광에 의해서 중합될 수 있는 화합물로서, 탄소-탄소 불포화 결합 및 탄소-탄소 고리형 결합을 가지는 화합물 등이 포함된다. 일예로 1,3-부 틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,4-부탄디올디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트 등과 같은 아크릴계 화합물이 포함된다.
그리고, 광개시제는 광 중합 개시제로서 적어도 1종 이상의 아세토페논계 화합물이 포함된다. 일예로 디에톡시아세토페논, 2-메틸-2-모노폴리노-1-(4-메틸티오페닐)프로판-1-온, 2-히드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온 등이 포함된다.
또한, 광개시제에는 벤조인계 화합물, 벤조페논계 화합물, 티오크산톤계 화합물 및 트리아진계 화합물이 포함될 수 있다.
벤조인계 화합물에는 벤조인, 벤조인메틸에테르, 벤조인에틸에테르 등이 포함될 수 있다. 티오크산톤계 화합물에는 2-이소프로필티오크산톤, 4-이소프로필티오크산톤, 2,4-디에틸티오크산톤 등이 포함되며, 트리아진계 화합물에는 2,4-트리클로로메틸-(피퍼오닐)-6-트리아진, 2,4-비스(트리클로로메틸)-6-(4-메톡시페닐)-1,3,5-트리아진, 2,4-비스(트리클로로메틸)-6-(4-메톡시나프틸)-1,3,5-트리아진 등이 포함된다.
결합제는 카르복실기 함유 모노머 및 이와 공중합이 가능한 다른 모노머의 공중합체를 포함하는 아크릴계 공중합체가 포함된다. 카르복실기 함유 모노머는 불포화 카르복실산이며, 불포화 카르복실산에는 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산 등이 포함된다.
카르복실기 함유 모노머와 공중합 가능한 모노머에는 스티렌, α-메틸스티렌, o-비닐톨루엔 등이 포함된다.
이와 같은 물질에 의해 안정화된 블루상 모드 액정(210)은 전극 사이에 전기 장이 인가되지 않은 경우에는 무질서하게 배열되고, 전극 사이에 전기장이 인가되는 경우에는 전기력선을 따라 배열된다.
이러한, 블루상 모드 액정(210)은 인가된 전압의 크기에 따라 이방성 굴절률이 인가전압의 제곱에 비례하여 변화한다. 이와 같이 등방성 유극성 물질에 전계를 인가하였을 때 굴절률이 인가전압의 제곱에 비례하는 광학효과를 커 효과(kerr effect)라 하고, 이에 따라 표시장치에서 영상을 구현함으로써, 표시장치의 응답속도가 향상된다.
또한, 블루상 모드 액정(210)은 전계가 형성되는 영역 별로 굴절률이 결정된다. 이에 따라 전계가 형성되는 영역이 일정하게 형성되면 균일한 휘도를 구현할 수 있어, 표시장치의 표시특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 블루상 모드 액정(210)은 배향할 필요가 없으므로, 표시장치에 배향막을 구비할 필요가 없으며, 러빙공정을 진행할 필요가 없다.
따라서, 전술한 특성을 갖는 블루상 모드 액정(210)을 이용하여 어레이기판과 컬러필터 기판 내에 개재하여, 액정표시장치로 이용하게 되면 전계 인가시 어레이기판과 컬러필터기판 사이에 개재된 블루상 모드 액정층(200)을 다이나믹하게 회전시킴으로써 응답시간이 빨라지는 효과를 갖게 된다.
또한, 표시특성이 향상되고, 배향막 및 러빙공정을 삭제함으로써, 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 3a ~ 3b는 블루상 모드 액정표시장치를 투과하는 빛의 특성을 살펴보기 위한 모식도이다.
도시한 바와 같이, 블루상 모드 액정표시장치(100)는 액정패널(110) 및 이의 배면에서 빛을 공급하는 백라이트(150)로 이루어지며, 이중 액정패널(110)은 블루상 모드 액정층(200)을 사이에 두고 대면된 제 1 및 제 2 기판(101, 102) 그리고 제 1 및 제 2 기판(101, 102) 외면에 각각 부착된 제 1 및 제 2 편광판(120, 130)을 포함한다.
이때, 블루상 모드 액정층(200)의 액정분자(210)는 기판(101, 102)에 평행한 수평전계와 나란하게 배열되어, 전계방향으로 굴절률이 발현되므로, 최대 휘도를 구현하기 위해서는 제 1 및 제 2 편광판(120, 130)은 각 편광축이 서로 수직하게 부착되며, 특히, 제 1 및 제 2 편광판(120, 130)의 각 편광축은 액정패널(110) 내부에서 발생되는 전계에 약 45ㅀ의 각도를 이루는 것이 바람직하다.
그리고, 백라이트(150)는 자연광에 가까운 산란광을 액정패널로 공급한다.
이에, 도 3a와 같은 전압이 오프 상태일 때, 백라이트(150)로부터 출사된 산란광은 제 1 편광판(120)에 의해 이의 편광축과 나란한 선형편광만이 투과되나, 블루상 모드 액정(210)은 전압의 오프(off) 상태에서는 블루상 모드 액정(210)의 DTS(도 2의 220) 들이 구(球) 형태가 되어 광학적으로 등방성(nx=ny) 성질을 갖게 된다.
이에, 백라이트(150)로부터 출사된 산란광은 블루상 모드 액정층(200)을 통과하지 못하고, 차단되어 블랙을 표시한다.
다음으로, 도 3b와 같이 전극에 전압을 인가하면 블루상 모드 액정(210)의 DTS(도 2의 220) 들이 배치된 격자(도 2의 230) 구조가 왜곡되어 일정한 방향으로 의 복굴절이 발생함으로써, 액정분자(210)가 전계에 수직한 타원(??圓)으로 되어, 광학적 이방성(nx>ny)을 발현하게 된다.
따라서, 백라이트(150)로부터 출사된 산란광은 제 1 편광판(120)에 의해 이의 편광축과 나란한 선형편광만이 투과되고 나머지는 흡수되며, 제 1 편광판(120)을 투과한 선형편광 중 액정분자(210)와 나란한 선형편광이 블루상 모드 액정층(200)을 통과하게 된다.
그리고, 블루상 모드 액정층(200)의 액정분자(210)와 나란하여, 블루상 모드 액정층(200)을 투과한 선형편광 중 제 2 편광판(130)의 편광축과 나란한 선형편광이 제 2 편광판(130)을 투과해서 화이트를 표시하게 된다.
이와 같이, 블루상 모드 액정표시장치(100)는 전계를 인가함으로써, 격자(도 2의 230) 대칭성을 갖는 구조에 왜곡이 발생하여, 복굴절이 발생하기 때문에 양호한 화이트를 표시하게 된다.
여기서, 복굴절이 발생하는 방향은 일정하고, 그 크기가 전계인가에 의해 변화한다.
한편, 본 발명의 블루상 모드 액정표시장치(100)는 광학보상필름이 포함된 편광판에 의해 시야각 특성이 개선되는데, 이에 대해 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다.
- 제 1 실시예 -
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 편광판 및 광학보상필름을 포함하는 블루상 모드 액정표시장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도시한 바와 같이, 블루상 모드 액정표시장치(100)는 어레이기판의 제 1 기판(101)과 컬러필터기판의 제 2 기판(102)을 블루상 모드 액정층(200)을 사이에 두고 합착하여 구성한다.
한편, 도면에 잘 나타나지 않았지만 어레이기판(101)의 안쪽면에는 서로 교차하여 화소영역을 정의하며 게이트배선과 데이터배선이 형성되어 있으며, 각 화소영역 내에는 게이트배선과 연결된 게이트전극과, 게이트절연막과, 반도체층과, 소스 및 드레인전극으로 이루어진 박막트랜지스터가 형성되어 있다.
또한, 각 화소영역에는 서로 일정간격을 가지며 다수의 공통전극과 화소전극이 형성되어 있다. 이때, 다수의 공통전극과 화소전극은 서로 나란하게 교대하며 엇갈려 배치되고 있다.
그리고, 컬러필터기판(102)의 안쪽면에는 화소영역에 대응하는 개구부를 가지는 블랙매트릭스가 형성되어 있으며, 블랙매트릭스의 개구부에 대응하여 컬러필터층이 형성되어 있다.
그리고, 어레이기판(101) 및 컬러필터기판(102) 사이에는 블루상 모드 액정층(200)이 위치한다.
이때, 어레이기판(101)과 컬러필터기판(102) 및 이들 두 기판(101, 102) 사이에 형성된 블루상 모드 액정층(200)을 포함하여 액정패널(110)이라 칭한다.
한편, 액정패널(110)의 하부 즉, 어레이기판(101)의 외측면에는 제 1 편광판(120)이 위치하고, 액정패널(110)의 상부 즉, 컬러필터기판(102)의 외측면에는 제 2 편광판(130)이 위치하며, 제 2 편광판(130)과 액정패널(110) 사이에는 광학보상필름(300)이 위치한다.
여기서, 각 편광판(120, 130)은 빛의 편광특성을 변화시키는 편광축이 형성된 편광층(120a, 130a)과 제 1 기재필름(120b, 130b)과 제 2 기재필름(120c, 130c)로 이루어지는데, 편광층(120a, 130a)은 각각 제 1 기재필름(120b, 130b)과 제 2 기재필름(120c, 130c) 사이에 위치하여, 제 1 기재필름(120b, 130b)과 제 2 기재필름(120c, 130c)에 의해 보호 및 지지된다.
제 1 및 제 2 편광판(120, 130)은 각각 투과축이 형성되어 투과축에 평행한 성분의 빛만이 투과되는 특성을 갖는다. 이러한 특성은 편광자인 요오드를 흡수한 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol : PVA)을 강한 장력으로 연신하여 제작함으로써 가능해진다.
그리고 제 1 및 제 2 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)은 트리아세틸 셀룰로오스(기재) 필름일 수 있으며, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트계 폴리머(polyethylene terephthalate polymer), 나프탈레이트계 폴리머(polyethylene naphthalate polymer), 폴리에스테르계 폴리머(polyester polymer), 폴리에틸렌계 폴리머(polyethylene polymer), 폴리프로필렌계 폴리머(polypropylene polymer), 폴리 염화 비닐리덴계 폴리머(polyvinylidene chloride polymer), 폴리비닐 알코올계 폴리머(polyvinyl alcohol polymer), 폴리에틸렌 비닐 알코올계 폴리머(polyethylene vinyl alcohol polymer), 폴리스티렌계 폴리머(polystyrene polymer), 폴리카보네이트계 폴리머(polycarbonate polymer), 노르보르넨계 폴리 머(norbornene polymer), 폴리 메틸펜텐계 폴리머(poly methyl pentene polymer), 폴리 에테르 케톤계 폴리머(polyether ketone polymer), 폴리 에테르 술폰계 폴리머(polyether sulfone polymer), 폴리 설폰계 폴리머(polysulfone polymer), 폴리 에테르 케톤 이미드계 폴리머(polyether ketone imide polymer), 폴리아미드계 폴리머(polyamide polymer), 폴리 메타크릴레이트계 폴리머(polymethacrylate polymer), 폴리아크릴레이트계 폴리머(polyacrylate polymer), 폴리아릴레이트계 폴리머(polyarylate polymer) 및 불소계 폴리머(fluoropolymer polymer) 중의 하나로 형성될 수 있다.
이때, 제 2 편광판(130)의 제 2 기재필름(130b)의 일측에 표면처리층(미도시)을 더욱 포함하는데, 표면처리층(미도시)은 실리카비드(silica bead)가 포함된 눈부심방지(anti-glare)층 이거나, 편광판(130) 표면의 손상 방지를 위한 하드 코팅(hard coating)층, 인접층과의 밀착 방지를 위한 스티킹(sticking) 방지층 일 수 있다.
그리고, 광학보상필름(300)은 +C 플레이트(300a)와 +A 플레이트(300b)로 이루어지는데, 본 발명의 광학보상필름(300)은 블루상 모드 액정표시장치(100)에 필요한 위상차를 모두 보상할 수 있다. 이에 대해 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다.
+C 플레이트(300a)와 +A 플레이트(300b)는 공간좌표계에 따라 nx, ny, nz의 굴절율을 갖는데, 이의 관계는 +A플레이트(300b)는 nx> ny = nz, +C 플레이트(300a) nx = nx < nz의 관계를 갖는다.
여기서, nx, ny는 +A 플레이트(300b)와 +C 플레이트(300a)의 평면에서의 XY방향의 굴절율이고, nz는 +A 플레이트(300b)와 +C 플레이트(300a)의 법선 방향에서의 굴절률이다.
이에, +A 플레이트(300b)와 +C 플레이트(300a)는 광 굴절률에 따라 입사된 광을 굴절시키는 기능을 갖는다.
+A 플레이트(300b)는 면상에 높인 두 굴절률 차와 필름의 두께를 이용하여 면상 위상 지연값(in-plane retardation value)을 정의할 수 있는데, 이는 아래 수학식(1)과 같이 정의할 수 있다.
수학식(1)
Rin = d × (nx - ny)(d는 광학보상필름의 두께)
이에, +A 플레이트(300b)는 광의 진행 축을 X축으로 변환한다. 이때, +A 플레이트(300b)의 면상 위상 지연값은 550nm 파장에서 -50nm ~ -300nm의 범위의 값을 갖는 것이 바람직하다.
그리고, +C 플레이트(300a)는 면상 굴절률과 두께 방향의 굴절률 차와 필름의 두께를 이용하여 두께 방향의 위상 지연값(thickness retardation value)을 정의할 수 있는데, 이는 아래 수학식(2)와 같이 정의할 수 있다.
수학식(2)
Rth = d × (nz - ny)(d는 광학보상필름의 두께)
여기서, +C 플레이트(300a)는 면상 위상 지연값은 거의 0이고, 두께 방향의 위상 지연값은 양의 값을 갖는다. 따라서, +C 플레이트(300a)는 Z축 방향으로 광 진행 방향을 갖도록 하며, 블루상 모드 액정표시장치(100)의 보상을 위해서 사용되는 +C 플레이트(300a)의 두께 방향의 위상 지연값은 550nm 파장에서 50nm ~ 500nm 범위 값을 가져야 한다.
따라서, 본 발명의 블루상 모드 액정표시장치(100)는 +A 플레이트(300b)와 +C 플레이트(300a)를 통해, 광 진행 방향을 x축과 z축으로 굴절시킴으로써, 빛샘을 막고 콘트라스트비의 저하를 방지할 수 있다. 이에 대해 차후 포앵카레 구(poincare sphere)를 참조하여 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다.
이때, 본 발명의 제 1 및 제 2 편광판(120, 130)은 제 1 및 제 2 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)에 의해 일부 잔류 위상 지연 값의 보상효과를 얻을 수 있다.
일반적으로 편광층(120a, 130a)의 보호역활을 위해 사용되는 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)은 면내의 위상 지연값(Re)이 2 ~ 5nm이며, 두께 방향 위상 지연값(Rth)은 -40 ~ -55nm의 범위를 포함한다.
이러한 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)의 위상 지연값과 광학보상필 름(300)의 위상 지연값으로 인해, 블루상 액정층(200)의 잔류 위상 지연값을 보상하고 광 누출을 방지할 수 있다.
여기서, 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)의 위상 지연값을 조절하여 잔류 위상 지연값의 보상 효과를 더 크게 할 수도 있다. 일예로 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)의 연신조건을 조절하여 면내의 위상 지연값(Re) 또는 두께 방향의 위상 지연값(Rth)을 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명은 흑색 생태에서 액정층(200)의 잔류 위상 지연값을 보상하고, 흑색 표시 상태에서의 광 누출을 방지할 수 있다.
도 5는 도 4의 구조를 가지는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블루상 모드 액정표시장치에서 각 광학 소자를 통과한 빛의 편광상태를 나타내는 포앵카레 구(poincare sphere)를 도시한 도면이다.
포앵카레 구는 빛의 모든 편광 상태를 구면 상에 표현한 것으로, 광학 소자의 광축과 위상지연 값을 알면 포앵카레 구를 이용하여 편광상태를 쉽게 예측할 수 있어 보상필름 설계시 주로 많이 사용된다.
이러한 포앵카레 구에서 적도는 직선 편광을 나타내고, 극점 S3인 지점은 좌원 편광(left handed circular polarization)을, -S3인 지점은 우원 편광(right handed circular polarization)을 나타내며, 나머지 영역의 상반구는 좌원 타원 편광(left handed elliptical polarization)을, 하반구는 우원 타원 편광(right handed elliptical polarization)을 나타낸다.
도 5에서, S1지점은 본 발명의 블루상 모드 액정표시장치를 정면에서 바라보았을 때 제 1 편광판(도 4의 120)의 편광 상태를 나타내고, -S1인 지점은 제 2 편광판(도 4의 130)의 편광 상태를 나타낸다. 이러한 제 1 및 제 2 편광판(도 4의 120, 130)의 편광 상태는 포앵카레 구의 중심(O)에 대해 대칭을 이루어, 서로 수직이 되므로 우수한 암 상태를 표시한다.
그런데, 블루상 모드 액정표시장치를 비스듬히 바라볼 경우, 제 1 편광판(도 4의 120)의 편광 상태는 A지점으로 이동하고, 제 2 편광판(도 4의 130)의 편광 상태는 E지점으로 이동한다. A지점과 E지점은 중심(O)에 대해 대칭을 이루지 않으므로, 제 1 및 제 2 편광판(도 4의 120, 130)의 편광 상태는 서로 수직하지 않다.
따라서, 광학보상필름(도 4의 300)을 이용하여 제 2 편광판(도 4의 130)의 제 2 편광층(도 4의 130a)에 도달하는 빛의 편광 상태를 제 1 편광판(도 4의 120)의 제 1 편광층(도 4의 120a) 의 편광 상태와 수직이 되도록 하는 것이 바람직하다.
이에, 도 5에 도시한 바와 같이, 블루상 모드 액정표시장치(도 4의 100)를 비스듬히 바라볼 경우, 각 광학 소자를 통과하는 빛의 편광 상태는, 광학보상필름(도 4의 300)의 +A 플레이트(도 4의 300b)를 통과함으로써 x축으로 크게 광의 진행 축을 변환하게 된다.
이에, +A 플레이트(도 4의 300b)를 통과함으로써 A지점에서 B지점으로 이동하게 된다.
그리고, +C 플레이트(도 4의 300a)는 z축으로 광 진행 축을 변환시킴으로써, +C 플레이트(도 4의 300a)를 통과함으로써 B지점에서 C지점으로 이동하게 된다.
그리고, 위상 지연값을 갖는 제 2 편광판(도 4의 130)의 제 1 및 제 2 기재 필름(도 4의 130b, 130c)에 의해 C지점에서 D지점으로 이동하게 된다.
이때, +A 플레이트(도 4의 300b)와 +C 플레이트(도 4의 300a)는 파장대 별로 위상지연이 다르기 때문에, 회전 정도가 달라 최종점 D에 도달하는데 있어 조금씩 차이가 난다.
이러한 광학보상필름(도 4의 300)에 의해 D지점은 중심(O)에 대해 E지점과 대칭을 이룬다. 따라서, 제 2 편광판(도 4의 130)의 제 2 편광층(도 4의 130a)에 도달하는 빛의 편광 상태(D지점)는 제 1 편광판(도 4의 120)의 편광 상태와 수직(E지점)이 되고, 빛을 차단하여 우수한 암 상태를 표시한다.
이와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에서는 +A 플레이트(도 4의 300b)와 +C 플레이트(도 4의 300a)의 광학보상필름(도 4의 300)을 이용하여 편광 상태를 조절함으로써, 빛샘을 막고 콘트라스트비의 저하를 방지할 수 있다.
여기서, 액정패널(도 4의 110)의 하부에 위치하는 제 1 편광판(도 4의 120)과 액정패널(도 4의 110) 사이에 면상 위상 지연값은 550nm 파장에서 -25nm ~ -150nm의 범위의 값을 갖는 +A 플레이트(도 4의 330b)를 더욱 구비하고, 광학보상필름(도 4의 300)의 +A 플레이트(도 4의 300b)의 면상 위상 지연값이 550nm 파장에서 -25nm ~ -150nm의 범위의 값을 갖도록 할 수 있다.
또한, 액정패널(도 4의 110)의 하부에 위치하는 제 1 편광판(도 4의 120)의 제 1 및 제 2 기재필름(도 4의 120b, 120c)은 별도의 위상 지연값을 갖지 않아도 되며, 그리고, 광학보상필름(도 4의 300)의 +A 플레이트(도 4의 300b)와 +C 플레이트(도 4의 300a)의 위치는 서로 변경되어도 무관하다.
도 6은 암 상태에서의 콘트라스트 특성을 시뮬레이션한 결과를 도시한 것으로, 여기서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학보상필름에 의해 블루상 액정층의 잔류 위상 지연값을 보상하였을 때의 암 상태에서의 시뮬레이션 결과이다.
도시한 바와 같이, 암 상태일 때 액정패널의 대각 방향에 해당하는 45도, 135도, 225도, 315도에서 빛샘이 현저하게 줄어든 것을 알 수 있으며, 따라서 콘트라스트비의 저하를 방지할 수 있게 된다.
여기서, 도 4에서는 일예로 제 2 기판(102) 외측과 제 2 편광판(130) 사이에 광학보상필름(300)을 개재하였으나, 이 광학보상필름(300)은 제 1 기판(101)의 외측과 제 1 편광판(120) 사이에 개재될 수 있다.
또한, 광학보상필름(300)은 +C 플레이트(300a)의 저면으로 +A 플레이트(300b)가 적층된 형태로 도시하였으나, 반대로 +A 플레이트(300b)의 저면에 +C 플레이트(300a)가 적층된 형태도 가능하다.
뿐만 아니라, 편광판(120, 130)을 이루는 개재필름(120b, 120c, 130a, 130c)로서 통상적인 물질이 아니라 위상차 값이 작은 물질을 사용하는 경우에는 제 2 기판의 외측(102)과 제 2 편광판(130) 사이에 전술한 광학보상필름(300)을 형성하는 것에 부가하여 제 1 기판(101)의 외측과 제 1 편광판(120) 사이로 +A 플레이트만으로 구성되는 별도의 광학보상필름을 형성할 수도 있으며, 제 1 기판(101)의 외측과 제 1 편광판 사이(120), 그리고 제 2 기판(102)의 외측과 제 2 편광판(130) 사이에 각각 +C 플레이트만으로 구성되는 광학보상필름을 형성할 수도 있다.
- 제 2 실시예-
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편광판 및 광학보상필름을 포함하는 블루상 모드 액정표시장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
여기서 앞서 전술한 제 1 실시예와 중복된 설명을 피하기 위해 앞서의 설명과 동일한 역할을 하는 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하며, 특징적인 내용만을 살펴보도록 하겠다.
도시한 바와 같이, 블루상 모드 액정표시장치(100)는 어레이기판(101)과 컬러필터기판(102)을 블루상 모드 액정층(200)을 사이에 두고 합착하여 구성한다.
이때, 액정패널(110)의 하부 즉, 어레이기판(101)의 외측면에는 제 1 편광판(120)이 위치하고, 액정패널(110)의 상부 즉, 컬러필터기판(102)의 외측면에는 제 2 편광판(130)이 위치하며, 제 2 편광판(130)과 액정패널(110) 사이에는 광학보상필름(300)이 위치한다.
여기서, 각 편광판(120, 130)은 빛의 편광특성을 변화시키는 편광축이 형성된 편광층(120a, 130a)과 제 1 및 제 2 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)으로 이루어지는데, 편광층(120a, 130a)은 제 1 및 제 2 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c) 사이에 위치하여, 제 1 및 제 2 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)에 의해 보호 및 지지된다.
이때, 광학보상필름(300)은 이축성 위상차층(300c)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이축성 위상차층(300c)은 공간좌표계에 따라 nx, ny, nz의 굴절율을 가지며, 이의 관계는 nx > ny > nz의 관계를 갖는다.
이축성 위상차층(300c)은 면상 위상차 값(inplane retardation value)과 두께 방향 위상차 값(thickness retardation value)을 동시에 가지고 있다. 이는 아래 수학식(3)과 같이 정의할 수 있다.
수학식(3)
Rin = d × (nx - ny )
Rth = d × {(nz + ny )/2-nz}(d는 광학보상필름의 두께)
여기서, 이축성 위상차층(300c)은 550nm 파장에서 면상 위상차값(in-plane retardation value)은 20∼200nm범위의 값을 가져야 하고, 두께 방향의 위상차 값 (thickness retardation value)은 음의 값을 가져야 하며, 550nm 파장에서 -50nm∼-300nm 범위의 값을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 이축성 위상차층(300c)에 의해 편광 상태를 조절함으로써, 빛샘을 막고 콘트라스트비의 저하를 방지할 수 있다.
이때, 이축성 위상차층(300c)은 제 1 편광판(120)과 액정패널(110) 사이에 위치하여도 무관한다.
그리고, 액정패널(110)의 하부 즉, 제 1 편광판(120)과 액정패널(110) 사이에 면상 위상 지연값이 550nm 파장에서 -25nm ~ -150nm의 범위의 값을 갖는 +A 플레이트(도 4의 300b)를 더욱 구비할 수 있으며, 제 1 및 제 2 편광판(120, 130)의 제 1 및 제 2 기재 필름(120b, 120c, 130b, 130c)이 면내의 위상 지연값(Re)이 2 ~ 5nm이며, 두께 방향 위상 지연값(Rth)은 -40 ~ -55nm의 범위를 가질 수 있다.
또는, 제 1 및 제 2 편광판(120, 130)의 제 1 및 제 2 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)이 별도의 위상 지연값을 갖지 않고, 이축성 위상차층(300c)과 액정패널(110) 사이에 두께 방향의 위상 지연값은 550nm 파장에서 50nm ~ 500nm 범위 값을 갖는 +C 플레이트(도 4의 300a)를 더욱 구비할 수도 있다.
또는, 이방성 위상차층(300c)과 +C 플레이트(도 4의 300a)를 제 1 편광판(120)과 액정패널(110) 사이에 위치하는 것도 가능하다. 이때, 제 2 편광판(130)의 제 1 및 제 2 기재필름(120b, 120c, 130b, 130c)은 별도의 위상 지연값을 갖지 않아도 된다.
본 실시예의 경우에도, 도 7에서는 일예로 제 2 기판(102) 외측과 제 2 편광판(130) 사이에 이축성 위상차층(300c) 형태의 광학보상필름(300)을 개재하였으나, 이 이축성 위상차층(300c)은 제 1 기판(101)의 외측과 제 1 편광판(120) 사이에 개재될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전술한 제 1 실시예의 +A 플레이트(도 4의 300b) 및 /또는 +C 플레이트(도 4의 300a)를 채택한 광학보상필름(300)과 제 2 실시예에 따른 이축성 위상차층(300c)을 복합적으로 구비한 광학보상필름(300)을 구비할 수 있다.
이러한 형태의 광학보상필름(300)의 형태로서는 ⅰ) 제 2 기판(102)과 제 2 편광판(130) 사이에 이축성 위상차층(300c)을 형성하고, 제 1 기판(101)과 제 1 편광판(120) 사이에 +A 플레이트(도 4의 300b)를 형성하는 형태, ⅱ) 제 2 기판(102)과 제 2 편광판(130) 사이에 이축성 위상차층(300c)과 +C 플레이트(도 4의 300a)를 연속적으로 적층하는 형태, ⅲ) 제 1 기판(101)과 제 1 편광판(120) 사이에 +C 플레이트(도 4의 300a)와 이축성 위상차층(300c)을 연속적으로 적층하는 형태를 고려해 볼 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않는다.
본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
도 1은 블루상 모드 액정표시장치에서 암 상태의 콘트라스트 특성을 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면.
도 2는 블루상 모드 액정의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3a ~ 3b는 블루상 모드 액정표시장치를 투과하는 빛의 특성을 살펴보기 위한 모식도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 편광판 및 광학보상필름을 포함하는 블루상 모드 액정표시장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블루상 모드 액정표시장치에서 각 광학 소자를 통과한 빛의 편광상태를 나타내는 포앵카레 구(poincare sphere)를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학보상필름에 의해 블루상 액정층의 잔류 위상 지연값을 보상하였을 때의 암 상태에서의 시뮬레이션 결과.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편광판 및 광학보상필름을 포함하는 블루상 모드 액정표시장치를 개략적으로 도시한 도면.

Claims (10)

  1. 제 1 및 제 2 기판을 포함하는 액정패널과;
    상기 제 1 및 제 2 기판 사이에 개재되며, 전계에 의해 광학적 이방성을 가지며, 전압 무인가시 광학적 등방성을 갖는 블루상(blue phase) 액정층
    상기 액정패널의 양외측면에 형성되는 편광판을 포함하며,
    상기 편광판과 상기 액정패널 사이에 nx = nx < nz(nx, ny는 평면의 XY방향의 굴절율, nz는 법선 방향에서의 굴절률)의 +C 플레이트를 포함하는 제 1 광학보상필름과 nx > ny > nz(nx, ny는 평면의 XY방향의 굴절율, nz는 법선 방향에서의 굴절률)의 이축성 위상차층을 포함하는 제 2 광학보상필름 중 선택된 하나가 개재되는 블루상 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 +C 플레이트의 두께 방향의 위상 지연값은 550nm 파장에서 50nm ~ 500nm 범위 값을 갖는 블루상 액정표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이축성 위상차층은 550nm 파장에서 면상 위상차값은 20∼200nm범위의 값을 가지며, 두께 방향의 위상차 값은 550nm 파장에서 -50nm∼-300nm 범위의 값을 갖는 블루상 액정표시장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학보상필름 또는 상기 제 2 광학보상필름은 nx> ny = nz(nx, ny는 평면의 XY방향의 굴절율, nz는 법선 방향에서의 굴절률)의 +A 플레이트를 더욱 포함하는 블루상 액정표시장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 +A 플레이트의 면상 위상 지연값은 550nm 파장에서 -25nm ~ -150nm의 범위의 값을 갖는 블루상 액정표시장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광학보상필름은 두께 방향의 위상 지연값은 550nm 파장에서 50nm ~ 500nm 범위의 값을 갖는 +C 플레이트를 더욱 포함하는 블루상 액정표시장 치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광판은 편광축을 갖는 편광층과 상기 편광층의 양외측에 형성되는 제 1 및 제 2 기재필름으로 이루어지는 블루상 액정표시장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 기재필름은 면내의 위상 지연값(Re)이 2 ~ 5nm이며, 두께 방향 위상 지연값(Rth)은 -40 ~ -55nm의 범위값을 포함하는 블루상 액정표시장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광학보상필름이 형성된 상기 액정패널의 반대측에 면상 위상 지연값은 550nm 파장에서 -25nm ~ -150nm의 범위의 값을 갖는 +A 플레이트를 더욱 포함하는 블루상 액정표시장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학보상필름이 형성된 상기 액정패널의 반대측에 두께 방향의 위상 지연값은 550nm 파장에서 50nm ~ 500nm 범위의 값을 갖는 +C 플레이트를 더욱 포함하는 블루상 액정표시장치.
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