KR20110135464A - 트위스트네마틱 모드 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 트위스트네마틱 모드 액정표시장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제1 편광판, 액정셀 및 제2 편광판을 포함하는 트위스트네마틱 모드 액정표시장치에서 푸앙카레구(Poincare Sphere)에 의해 액정의 정확한 구동 방향을 파악하여 제1 및 제2 위상차 필름의 광학특성을 설계하고, 제1 및 제2 위상차 필름의 지상축 방향, 액정셀의 배향방향을 일정하게 조절함으로써, 특정의 경사각 방향에서 빛샘을 방지하여 광시야각을 확보할 수 있는 트위스트네마틱 모드 액정표시장치에 관한 것이다.

Description

트위스트네마틱 모드 액정표시장치 {TWIST NEMATIC LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
본 발명은 특정의 경사각 방향(θ=60°, Φ=270°)에서 광시야각 확보가 가능한 트위스트네마틱 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 지적되어 위상차 필름 등과 같은 기능성 광학필름을 적용시킨 광시야각 기술이 제안되었다.
액정표시장치는 액정셀과, 액정셀의 양면에 빛을 편광시키는 편광판으로 구성된다. 편광판은 편광자와 이의 양면에 편광자 보호필름으로 구성된다. 이때, 액정셀쪽의 편광판은 시야각을 보상하기 위해 위상차 필름 등의 기능성 필름이 추가로 사용될 수 있다. 이러한 위상차 필름은 시야각 보상뿐만 아니라 편광자의 보호필름의 역할까지 수행할 수 있다.
트위스트네마틱(TN) 모드 액정표시장치의 액정은 전압이 인가되면 액정이 90° 꼬여있는 형태이고, 전압이 인가되지 않으면 액정셀의 상하 기판 사이에 액정이 수직으로 배향하게 된다.
이때 전압이 인가되어도 액정셀의 상하 기판에 가까이 위치한 액정은 기판에 대해 수직으로 배향되지 못하게 된다. 수직 배향되지 못한 액정은 암(BLACK)을 표시할 때 사면(斜面)에서 빛이 새게 되어 액정표시장치의 화상 품질을 떨어뜨리게 된다.
이러한 빛샘을 보상하기 위하여 편광자 보호필름인 트리아세틸 셀룰로오스(TAC)상에 한 쪽 방향으로 틸트각(Tilt Angle)을 갖는 디스코틱 형상의 액정을 코팅하여 형성된 필름의 사용 방법이 제시되었다.
그러나 디스코틱 액정을 코팅한 필름만으로는 완벽한 암(Black) 상태의 구현은 불가능하였다. 또한 실제 공정상 필름에 코팅되는 디스코틱 액정의 배향각 및 틸트각을 균일하게 하는 것이 어려워 오히려 액정표시장치의 정면 대비비(CR;Contrast Ratio)에 악영향을 주게 되며, 제조비용이 높은 단점이 있다.
본 발명은 특정의 경사각(θ=60°, Φ=270°) 방향에서 빛샘을 방지하여 시야각이 넓고 고 대비비(CR)의 화면을 관측할 수 있는 트위스트네마틱 모드 액정표시장치를 제공하고자 한다.
1. 백라이트와 가까운 쪽으로부터 보호필름, 편광자 및 제1 위상차 필름의 순으로 적층된 제1 편광판; 액정셀; 및 제2 위상차 필름, 편광자 및 보호필름의 순으로 적층된 제2 편광판을 포함하는 트위스트네마틱 모드 액정표시장치로서,
제1 편광판과 제2 편광판의 각 편광자의 흡수축은 서로 직교하며,
제1 및 제2 위상차 필름은 각각 하기 수학식 1의 관계를 만족하고, 각 지상축이 인접한 편광자의 흡수축과 서로 직교하며,
Figure pat00001
(식 중, NZ는 굴절률비이고, R0는 정면 위상차값이며, 20㎚<R0<120㎚임)
액정의 러빙방향은 각각 인접한 편광자의 흡수축과 서로 평행하도록 구성된 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
2. 위 1에 있어서, 수학식 1에서 NZ는 1.2 내지 2.0인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
3. 위 1에 있어서, 제1 위상차 필름은 연신 타입인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
4. 위 1에 있어서, 액정셀은 판넬 위상차값(△n×d)이 370 내지 480㎚인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
5. 위 1에 있어서, 제1 편광판 및 제2 편광판의 각 보호필름은 두께방향 위상차값(Rth)이 30 내지 50nm인 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 필름인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
6. 위 1에 있어서, 액정셀은 시인측의 우측 수평 방향을 기준으로 반시계 방향을 정(+)방향으로 할 때 백라이트쪽 액정의 러빙방향이 45°이고, 시인측 액정의 러빙방향이 -45°가 되도록 설계된 것인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
본 발명의 트위스트네마틱 모드 액정표시장치는 하측 경사각(θ=60°, Φ=270°) 방향에서 광시야각을 확보할 수 있어 화면의 자유로운 각도 조절이 요구되는 노트북 등의 디스플레이 장치에 적용할 수 있다.
또한 본 발명의 트위스트네마틱 모드 액정표시장치는 롤 투 롤 공정에 의해 편광판을 제조할 수 있어 대량 생산이 용이하다.
도 1은 본 발명에 따른 트위스트네마틱(TN) 액정표시장치의 구조를 일례로 나타낸 사시도이고,
도 2는 TN모드 액정표시장치에서 액정셀에 전압을 인가했을 때 액정의 틸트(Tilt)각의 분포를 나타낸 그래프이고,
도 3은 TN모드 액정표시장치에서 백라이트쪽 액정의 러빙방향이 -45° 시인쪽 액정의 러빙방향이 45°로 설계된 경우 액정셀에 전압을 인가했을 때 액정의 방향각의 분포를 나타낸 그래프이고,
도 4는 액정의 틸트(Tilt)각의 정의를 설명하기 위한 모식도이고,
도 5는 본 발명에서 액정표시장치를 시인측에서 바라볼 때의 시선의 방향을 원형 좌표계에서 θ, Φ로 표현하는 것을 설명하기 위한 모식도이고,
도 6은 본 발명에 따른 위상차 필름의 굴절률 방향을 설명하기 위한 모식도이고,
도 7은 본 발명에 따른 롤 상태의 필름을 제조하는 과정에서 사용되는 MD 방향을 나타내는 모식도이고,
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 편광상태 변화를 하측 경사각 방향(θ=60°, Φ=270°)에서 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에 표현한 것이고,
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고,
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고,
도 11은 본 발명의 실시예 3에 따른 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고,
도 12는 본 발명의 실시예 4에 따른 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고,
도 13은 본 발명의 비교예 1에 따른 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고,
도 14는 본 발명의 비교예 2에 따른 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고,
도 15는 본 발명의 비교예 3에 따른 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 제1 편광판, 액정셀 및 제2 편광판을 포함하는 트위스트네마틱 모드 액정표시장치에서 푸앙카레구(Poincare Sphere)에 의해 액정의 정확한 구동 방향을 파악하여 제1 및 제2 위상차 필름의 광학특성을 설계하고, 제1 및 제2 위상차 필름의 지상축 방향, 액정셀의 배향방향을 일정하게 조절함으로써, 특정의 경사각 방향에서 빛샘을 방지하여 광시야각을 확보할 수 있는 트위스트네마틱 모드 액정표시장치에 관한 것이다.
이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 트위스트네마틱 모드 액정표시장치는 제1 편광판, 액정셀 및 제2 편광판을 포함한다.
제1 편광판은 액정셀로부터 제1 위상차 필름, 편광자 및 보호필름의 순으로 적층되며, 제2 편광판은 액정셀로부터 제2 위상차 필름, 편광자 및 보호필름의 순으로 적층된다. 제1 편광판과 제2 편광판의 각 편광자의 흡수축은 서로 직교한다.
상기 제1 및 제2 위상차 필름은 하기 수학식 1의 관계를 만족한다.
[수학식 1]
Figure pat00002
(식 중, NZ는 굴절률비이고, R0는 정면 위상차값이고, 20㎚<R0<120㎚임)
또한 제1 및 제2 위상차 필름은 각각 그 지상축이 인접한 편광자의 흡수축과 서로 직교하게 배치되도록 한다.
또한 액정의 러빙방향이 각각 인접한 편광자의 흡수축과 서로 평행하게 구성되도록 한다.
제1 편광판과 제2 편광판은 각각 필요한 광학 특성을 만족시킬 수 있는 여러 종류의 기능성 광학층이 편광자 상에 적층될 수 있다. 구체적으로 기능성 광학층은 하드코팅층, 반사방지층, 점착방지층(anti-sticking), 확산방지층, 눈부심방지층 및 배향액정층 등일 수 있다.
본 발명에 따른 위상차 필름의 광학특성 설계는 액정의 정확한 구동 방향을 파악하는 것이 선행되어야 한다. TN 액정셀의 액정방향은 암(BLACK) 상태에서 액정셀을 두께방향에 대해 다수의 층으로 나누고 각 층의 액정방향을 3차원으로 표현한다. 액정방향을 3차원으로 표현하기 위해서는 TN 액정셀에 전압을 인가한 상태에서 입사각을 변화시키고 위상차를 측정하여 계산된 값을 이용한다.
본 발명에 따른 액정셀은 액정의 러빙방향이 각각 인접한 편광자의 흡수축과 서로 평행하도록 구성된다.
도 2는 전압이 인가된 상태에서 액정셀을 두께방향으로 40층으로 나누었을 때 각 층의 틸트각(Tilt Angle)을 나타낸 것이다. 틸트각(Tilt Angle)은 도 4와 같이 액정의 장축 방향이 기판의 면과 이루는 각도이다. 틸트각은 도 5의 Z축을 두께방향으로 하는 좌표계에서 90-θ값과 일치한다.
도 4는 전압이 인가된 상태에서 액정의 방향각을 나타낸 것이다. 방향각은 틸트각(Tilt Angle)이 양(+)인 방향이 기준이며 도 5에서 Φ와 일치한다.
도 3은 시인측의 우측 수평 방향을 기준으로 반시계 방향을 정(+)방향으로 할 때, 백라이트쪽 액정의 러빙방향이 -45°(135°), 시인측 액정의 러빙방향이 45°가 되도록 설계된 액정의 방향각을 나타낸 것이다. 백라이트쪽 액정의 러빙방향과 시인쪽 액정의 러빙방향은 각각의 기판에서 제일 가까운 액정의 방향을 나타낸다.
이상과 같이 정의된 암(BLACK)상태하에서 TN 액정셀의 특성을 LCD 광학시뮬레이션 프로그램(예, LCD Master, Techwiz LCD 1D)에 파라메터화시켜 입력 및 적용한다. 파라메터화된 액정을 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에서 구현되는 편광상태를 고려하여 위상차 필름의 광학특성을 설계한다.
제1 편광판의 제1 위상차 필름 및 제2 편광판의 제2 위상차 필름의 광학특성은 각각 하기 수학식 1을 만족하도록 설계된다.
[수학식 1]
Figure pat00003
(이때, NZ는 굴절률비이고, R0는 정면 위상차값이고, 20㎚<R0<120㎚임)
상기 수학식 1에서 NZ가 1.1인 경우는 실제 공정상 제조가 용이하지 않으므로 1.2 이상이고, 공정의 단순화를 위해 횡1축 연신으로 제조할 수 있는 NZ범위를 고려하면 2.0 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하기로는 NZ는 1.3 내지 1.8인 것이 좋다.
위상차 필름의 광학특성은 가시광선 영역내의 전파장에 대해서 하기의 수학식 2 내지 4에 의해 정의된다.
일반적으로 위상차 필름의 광학특성은 광원의 파장에 대한 언급이 없는 경우 가장 쉽게 얻을 수 있는 589nm에 대한 특성으로 나타낸다. 이러한 위상차 필름의 광학특성은 굴절률로 정의된다. 도 6은 위상차 필름의 굴절률을 설명하기 위한 모식도로, Nx는 면내방향에서 굴절률이 가장 큰 축의 굴절률이고, Ny는 면내방향에서 Nx의 수직방향이고, Nz는 두께방향의 굴절률을 나타낸다.
Figure pat00004
(여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny이며, Nz는 필름의 두께 방향 굴절률, d는 필름의 두께를 나타냄)
Figure pat00005
(여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny이며, d는 필름의 두께를 나타냄)
Figure pat00006
(여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny이며, Nz는 필름의 두께 방향 굴절률을 나타냄)
상기 수학식 2의 Rth는 면내 평균 굴절률에 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 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'이라 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.
또한, 본 발명에 따른 제1 및 제2 위상차 필름은 연신타입으로 제조된다.
일반적으로 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 것이다.
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 제1 및 제2 위상차 필름은 굴절률비 또는 위상차값이 변화되는 파장 분산성에 제약 없이 사용이 가능하다.
또한 본 발명의 제1 및 제 위상차 필름은 각 지상축(Slow axis)이 인접한 편광자의 흡수축과 서로 직교하게 배치된다. 지상축(Slow axis)은 보는 각도에서 빛이 가장 느린 편광 방향으로 위상차가 발생하지 않는 광 방향인 광축(Optical axis)과 구별된다.
제1 편광판 및 제2 평광판의 각 편광자는 연신과 염색을 통해 편광 기능이 부여된 편광자인 폴리비닐알콜(PVA)을 사용한다. 제1 편광판과 제2 편광판의 각 흡수축은 서로 직교하게 배치된다.
폴리비닐알콜(PVA) 편광자의 액정셀 반대측 면에 보호필름이 위치한다. 보호필름은 굴절률 차이에 따른 광학적 특성이 시야각에 영향을 미치지 못하므로 본 발명에서는 굴절률 특성이 특별히 제한되지 않는다. 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.
바람직하기로는 제조단가 및 양산성을 고려하여 두께방향 위상차값(Rth)이 30 내지 50nm인 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 필름을 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 제1 및 제2 편광판은 당 분야에서 일반적으로 적용되는 공정으로 제조될 수 있으며, 구체적으로 제조공정은 롤 대 롤(Roll To Roll)공정, 매엽접합(Sheet to Sheet) 공정 등이 적용될 수 있다. 통상 수율 및 제조 공정상의 효율성 등을 고려하여 롤 대 롤(Roll To Roll)공정을 적용하는 것이 좋다.
본 발명의 제1 및 제2 편광판은 PVA 편광자의 흡수축의 방향이 항상 MD방향으로 고정되고, 제1 및 제2 위상차 필름은 각 지상축(Slow axis)이 편광판의 흡수축에 대해 수직방향이므로 롤 대 롤(Roll To Roll) 공정을 적용하여 제조할 수 있다. 편광판의 흡수축과 제1 및 제2 위상차 필름의 각 지상축이 직교하도록 하기 위해서는 편광판과 제1 및 제2 위상차 필름을 각각 일체화시킬 때 롤 대 롤(Roll To Roll) 방식에 의하는 것이 생산비용 단가를 낮출 수 있어 가장 바람직하다.
도 1을 이용하여 본 발명의 TN 모드 액정표시장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.
백라이트 유닛 쪽(40)에서부터 제1 편광판(10), 액정셀(30) 및 제2 편광판(20) 순서로 적층된다. 제1 편광판(10)은 액정셀(30)에서부터 제1 위상차 필름(14), 편광자(11) 및 보호필름(13)의 순으로 적층되고, 제2 편광판(20)은 액정셀(30)에서부터 제2 위상차 필름(24), 편광자(21) 및 보호필름(23)의 순으로 적층된다.
액정셀(30)은 두 장의 유리기판 사이에 양의 유전율 이방성(△ε>0)물질이 적층된 구조인 TN 액정셀이다. 유리기판에는 전극 쌍을 포함하는 능동 매트릭스 구동전극(active matrix drive electrode)이 액정셀(30)의 인접한 표면 위에 형성되어 있고, 전압인가 시 수직방향으로 전기장이 형성되어 액정들의 배열 방향을 수직방향으로 변화시킨다.
시인측에서 봤을 때 제1 편광판(10)의 흡수축(12)과 제2 편광판(20)의 흡수축(22)은 서로 직교하고, 상기 제1 및 제2 편광판의 흡수축(12)(22)은 각각 인접한 액정의 러빙방향과 평행하다. 통상 전압인가 시 TN 액정은 기판에 인접할수록 수직으로 배열되지 못하며 이는 암(Black)상태에서 화상의 품질을 떨어뜨리는 가장 큰 이유가 된다.
일반적으로 제1 편광판과 제2 편광판의 흡수축이 서로 수직일 때 NW(Normal White)모드라고 하고 서로 평행인 경우는 NB(Normal Black)모드라고 한다. TN모드에서 편광판의 흡수축과 인접한 액정의 러빙방향이 서로 평행인 경우 O-모드라고 하고 수직인 경우를 E-모드라고 한다. 본 발명에서의 TN모드는 'NW모드' 및 'O-모드'의 범위로 한정된다.
종래 NW(Normal Wite)모드 및 O-모드로 설계된 TN모드 액정표시장치는 암(Black)상태에서 빛이 새게 되어 시인성이 떨어지는 경향이 있다. 예컨대 도 10은 현재 양산되고 있는 TN 액정셀에 편광자만 붙이고 전압을 인가했을 때 시감도 전방위 투과도를 나타낸 것으로 θ가 20°이상, Φ가 0°, 90°, 180° 및 270°등의 방향에서 빛이 많이 새는 것을 알 수 있다(도 5의 좌표기준).
이에 본 발명은 종래 NW(Normal Wite)모드 및 O-모드로 설계된 TN모드 액정표시장치의 시인성 저하를 특정의 광학특성을 갖도록 설계된 제1 및 제2 위상차 필름과, 제1 및 제2 위상차 필름의 지상축 방향, 액정셀의 판넬 위상차값 및 액정의 배향방향을 조절함으로써 개선한다.
본 발명의 액정셀은 하기 수학식 5에 의해 정의되는 판넬 위상차값(△n×d)이 589nm 파장에서 370 내지 480㎚, 바람직하기로는 400 내지 440㎚을 유지하는 것이 좋다. 이때, 셀 갭(Cell gap, d)이 3 내지 5㎛을 유지한다.
상기 판넬 위상차값이 370㎚미만이면 액정표시장치의 투과율이 저하되고, 480㎚을 초과하는 경우에는 시감이 저하되는 문제가 있으므로 상기 범위를 유지하는 것이 좋다.
이는 TN-LCD 패널에 전압이 인가되지 않은 상태하에 시인측 정면방향에서 제1 편광판을 통과하여 선편광된 빛은 액정셀을 통과한 후 90°회전되고 편광면이 제2편광판의 투과축과 일치되어 명(明) 상태가 되도록 하기 위해서는 TN-LCD 패널의 액정셀 위상차값이 광원 589nm 파장에서 충분히 커야 하기 때문이다.
Figure pat00007
(여기서 ne는 액정의 이상광선 굴절률, no는 정상광선 굴절률, d는 셀 갭(Cell gap)을 나타냄; 주. △n, d는 벡터가 아니다)
본 발명에서 위상차 필름에 의해 시야각이 보상되는 원리는 푸앙카레구(Poincare Sphere)로 표현이 가능하다. 면상 스위칭 모드 액정디스플레이(IPS-LCD)나 수직 배향 모드 액정디스플레이(VA-LCD)는 암(Black) 상태의 전압인가시 액정이 대칭성을 유지하여 특정 시각에서의 시야각 보상을 전 시각 범위로 확대 적용이 가능하다.
반면 TN-LCD는 암(Black) 상태의 전압인가 시 액정셀 기판에 인접한 액정은 수직 배향되지 않고 낮은 틸트각(Tilt Angle)을 가지게 된다. 이 액정은 비대칭성을 가지므로 특정시각에서의 보상원리를 다른 시각에서 확대 적용이 가능하지 못하다.
따라서 트위스트네마틱모드 액정표시장치에서 Φ가 0°, 90°, 180° 및 270°방향에 대해서 위상차 필름의 의한 보상정도가 다르며, 본 발명의 트위스트네마틱모드 액정표시장치는 하측 경사각(θ=60°, Φ=270°) 방향에서 제1 및 제2 위상차 필름에 의한 시야각 보상을 설계한다.
시야각 보상은 푸앙카레구(Poincare Sphere)로 편광된 빛의 편광 상태를 표현하여 설계한다. 단 본 발명의 푸앙카레구(Poincare Sphere)상의 점 S3(1,0,0,1)는 우원편광이고 θ, Φ에 대한 기준은 액정표시장치를 정면에서 바라봤을 때 Φ+90° 방향을 축으로 Φ 방향의 면을 시인측으로 θ 만큼 회전시켰을 때이다. 이때 정면으로 나오는 빛에 대한 편광상태를 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에 표현한다.
도 8에서 θ=60°, Φ=270°방향에서 제1 편광판의 편광자를 통과한 파장 550nm의 빛은 P1으로 편광 되어 제1 위상차 필름, 액정셀 및 제2 위상차 필름을 순차적으로 통과한다. 빛의 편광은 제1 위상차 필름, 액정셀 및 제2 위상차 필름의 광학 특성에 따라 상태가 변한다. 빛의 편광상태가 제2 편광판의 편광자를 통과하기 직전의 편광상태가 P2에 가까이 접근되면 액정셀과 제2 위상차 필름에 의해 편광상태가 변화되어 시야각이 보상되는 것이다.
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
실시예 및 비교예는 TN-LCD판넬인 LTM220M1-L01(삼성전자)의 엑정셀 파라메터를 LCD 시뮬레이션 프로그램인 TECH WIZ LCD 1D 및 Polar(사나이시스템, KOREA)에 적용하여 시뮬레이션을 실시하여 시야각 효과를 비교하였다.
실시예 1
본 발명에 따른 각 광학필름과 액정셀 및 백라이트 등의 실측데이터를 하기 도 1에 나타난 바와 같은 구조로 TECH WIZ LCD 1D(사나이시스템, KOREA) 상에 적층하였다. 도 1의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.
백라이트 유닛(40)으로부터 제1 편광판(10), TN 모드 액정셀(30), 제2 편광판(20)이 순차적으로 적층하였다. 제1 편광판(10)은 백라이트(40)쪽으로부터 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 보호필름(13), 편광자(PVA)(11) 및 제1 위상차 필름(14)의 순으로 적층하였다. 또한 제2 편광판(20)은 액정셀쪽에서부터 제2 위상차 필름(24), 편광자(PVA)(21) 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 보호필름(23)의 순으로 적층하였다.
제1 편광판(10)과 제2 편광판(20)은 각 편광자의 흡수축이 서로 직교하도록 배치시켰다. 이때 시인측에서 바라볼 때 수평 방향의 우측을 기준으로 반시계 방향이 정(+)방향인 경우 제2 편광판의 PVA편광자(21)의 흡수축(22)은 45°에 위치하고, 제1 편광판의 PVA편광자(11)의 흡수축(12)은 -45°에 위치하였다.
제1 편광판의 제1 위상차 필름(14)의 지상축(15)은 인접한 PVA편광자(11)의 흡수축(12)과 직교하고, 제2 편광판의 제2 위상차 필름(24)의 지상축(25)은 인접한 PVA편광자(21)의 흡수축(22)과 직교하였다.
TN 모드 액정셀 액정의 배향방향은 인접한 편광자의 흡수축과 평행하도록 하였다. 수평 방향의 우측을 기준으로 반시계 방향이 정(+)방향인 경우 액정의 러빙방향은 백라이트쪽 기판이 -45°이고 시인측 기판이 45°에 위치하였다. 전압인가 시 액정의 틸트각(Tilt Angle)은 여러 방향에서의 위상차값과 액정의 정상굴절률과 이상굴절률의 값으로 계산할 수 있고, 도 2와 도 3에서와 같이 두께방향으로 40개 층으로 나누어 각각의 층에서 정의된 액정의 방향을 파라메터화하였다.
상기 실시예에서 사용된 각각의 광학필름 및 백라이트의 상세한 광학적 특성은 다음과 같이 정의된 것을 사용하였다.
먼저, 제1 편광판(10) 및 제2 편광판(20)의 각 PVA편광자(11, 21)는 연신된 PVA에 요오드를 염색시켜 편광자 기능을 부여하였다. 편광자의 편광 성능은 370 내지 780nm 가시광선 영역에서 시감도 편광도 99.9% 이상, 시감도 단체투과율 41% 이상이었다. 시감도 편광도와 시감도 단체투과율은 파장에 따른 투과축의 투과율을 TD(λ), 파장에 따른 흡수축의 투과율을 MD(λ), JIS Z 8701:1999에 정의된 시감도 보정치를
Figure pat00008
라고 할 때 하기 수학식 6 내지 10에 의해 정의된다.
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
제1 편광판(10) 및 제2 편광판(20)의 각 보호필름(13,23)의 광학적 특성은 두께방향을 z축으로 하는 직교 좌표계에 대해 각 축에 대응되는 굴절률이 Nx, Ny 및 Nz이고, 두께가 d일 때, Nx≒Ny>Nz인 네거티브 C 플레이트 굴절률 특성을 가지는 것을 사용하였다. 입사광 589.3 nm에 대해 상기 수학식 3으로 정의되는 두께방향 위상차값(Rth)이 TAC은 40nm를 사용하였다.
제1 및 제2 위상차 필름(14,24)은 Zeonor필름(Optes, 일본)을 횡1축 연신하여 위상차를 구현하였다. 광학적 특성은 입사광이 589.3nm일 때 z축을 두께방향으로 하는 직교 좌표계에 대해 NZ가 1.3이고 정면 위상차값(RO)은 80nm이였다.
백라이트 유닛(40)으로는 TN-LCD 판넬 LTM220M1-L01(삼성전자)에 탑재된 백라이트 실측 데이터를 사용하였다.
상기 각 광학적 구성요소들을 도 1과 같이 적층하고 θ=60°, Φ=270°방향의 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에서 편광상태의 변화를 시뮬레이션한 결과는 도 8과 같이 얻었다.
도 9는 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션을 실시한 것으로, 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸다. 스케일상의 범위는 컬러필터를 고려하지 않은 암(Black)상태 시감도 투과율이 0% 내지 1%이며 투과도 1%를 초과한 부위는 붉은 색, 투과도가 낮은 부위는 파란색으로 표시된다.
중앙의 파란색의 범위가 넓을수록 넓은 시야각을 나타내는 것이므로 하측 방향에서의 시야각이 넓다는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제1 및 제2 위상차 필름(14,24)의 광학적 특성은 NZ가 1.1이고 정면 위상차값(RO)은 100nm이였다.
도 10은 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션을 실시한 것으로, 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸다. 스케일상의 범위는 컬러필터를 고려하지 않은 암(Black)상태 시감도 투과율이 0% 내지 1%이며 투과도 1%를 초과한 부위는 붉은 색, 투과도가 낮은 부위는 파란색으로 표시된다.
중앙의 파란색의 범위가 넓을수록 넓은 시야각을 나타내는 것이므로 하측 방향에서의 시야각이 넓다는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제1 및 제2 위상차 필름(14,24)의 광학적 특성은 NZ가 1.7이고 정면 위상차값(RO)은 60nm이였다.
도 11은 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션을 실시한 것으로, 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸다. 스케일상의 범위는 컬러필터를 고려하지 않은 암(Black)상태 시감도 투과율이 0% 내지 1%이며 투과도 1%를 초과한 부위는 붉은 색, 투과도가 낮은 부위는 파란색으로 표시된다.
중앙의 파란색의 범위가 넓을수록 넓은 시야각을 나타내는 것이므로 하측 방향에서의 시야각이 넓다는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제1 및 제2 위상차 필름(14,24)의 광학적 특성은 NZ가 2.5이고 정면 위상차값(RO)은 40nm이였다.
도 12는 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션을 실시한 것으로, 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸다. 스케일상의 범위는 컬러필터를 고려하지 않은 암(Black)상태 시감도 투과율이 0% 내지 1%이며 투과도 1%를 초과한 부위는 붉은 색, 투과도가 낮은 부위는 파란색으로 표시된다.
중앙의 파란색의 범위가 넓을수록 넓은 시야각을 나타내는 것이므로 하측 방향에서의 시야각이 넓다는 것을 확인할 수 있었다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제1 편광판 및 제2 편광판은 각각 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 보호필름, 편광자(PVA) 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 보호필름의 순으로 적층된 것을 사용하여 트위스트네마틱 모드 액정표시장치를 제조하였다.
도 13은 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션을 실시한 것으로 θ=60°, Φ=180°방향 및 θ=60°, Φ=0°방향에서의 시야각이 좁다는 것을 확인할 수 있었다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제1 및 제2 위상차 필름(14,24)의 광학적 특성은 NZ가 1.1이고 정면 위상차값(RO)은 20nm이였다.
도 14는 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션을 실시한 것으로, 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸다. 스케일상의 범위는 컬러필터를 고려하지 않은 암(Black)상태 시감도 투과율이 0% 내지 1%이며 투과도 1%를 초과한 부위는 붉은 색, 투과도가 낮은 부위는 파란색으로 표시된다.
중앙의 파란색의 범위가 넓을수록 넓은 시야각을 나타내는 것이므로 하측 방향에서의 시야각이 좁다는 것을 확인할 수 있었다.
비교예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제1 및 제2 위상차 필름(14,24)의 광학적 특성은 NZ가 2.9이고 정면 위상차값(RO)은 120nm이였다.
도 15는 시감도 전방위 투과도 시뮬레이션을 실시한 것으로, 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸다. 스케일상의 범위는 컬러필터를 고려하지 않은 암(Black)상태 시감도 투과율이 0% 내지 1%이며 투과도 1%를 초과한 부위는 붉은 색, 투과도가 낮은 부위는 파란색으로 표시된다.
중앙의 파란색의 범위가 넓을수록 넓은 시야각을 나타내는 것이므로 하측 방향에서의 시야각이 좁다는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (6)

  1. 백라이트와 가까운 쪽으로부터 보호필름, 편광자 및 제1 위상차 필름의 순으로 적층된 제1 편광판; 액정셀; 및 제2 위상차 필름, 편광자 및 보호필름의 순으로 적층된 제2 편광판을 포함하는 트위스트네마틱 모드 액정표시장치로서,
    제1 편광판과 제2 편광판의 각 편광자의 흡수축은 서로 직교하며,
    제1 및 제2 위상차 필름은 각각 하기 수학식 1의 관계를 만족하고, 각 지상축이 인접한 편광자의 흡수축과 서로 직교하며,
    [수학식 1]
    Figure pat00014

    (식 중, NZ는 굴절률비이고, R0는 정면 위상차값이며, 20㎚<R0<120㎚임)
    액정의 러빙방향은 각각 인접한 편광자의 흡수축과 서로 평행하도록 구성된 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 수학식 1에서 NZ는 1.2 내지 2.0인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 제1 위상차 필름은 연신 타입인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 액정셀은 판넬 위상차값(△n×d)이 370 내지 480㎚인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 제1 편광판 및 제2 편광판의 각 보호필름은 두께방향 위상차값(Rth)이 30 내지 50nm인 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 필름인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 액정셀은 시인측의 우측 수평 방향을 기준으로 반시계 방향을 정(+)방향으로 할 때 백라이트쪽 액정의 러빙방향이 45°이고, 시인측 액정의 러빙방향이 -45°가 되도록 설계된 것인 트위스트네마틱 모드 액정표시장치.
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