KR20120077608A - 액정표시소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휘도가 향상되고 스위칭속도가 향상된 액정표시소자에 관한 것으로, 1기판 및 제2기판; 상기 제1기판에 형성되어 제1기판과 평행한 횡전계를 형성하는 제1공통전극 및 제1화소전극; 상기 제2기판에 형성되어 제2기판과 평행한 횡전계를 형성하는 제2공통전극 및 제2화소전극; 상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성되어 셀갭이 λ/4인 액정층; 상기 제1기판 하부에 배치되어 액정층으로 인가되는 광을 제1편광된 광으로 편광시켜 출력하며, 제2편광 성분의 광을 제1편광성분의 광으로 변환하여 출력하는 편광시트; 및 상기 제2기판 상부에 배치되어 액정층을 투과하는 광을 편광시키는 편광판으로 구성된다.

Description

액정표시소자{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
본 발명은 액정표시소자에 관한것으로, 특히 휘도가 향상되고 구동속도가 향상된 액정표시소자에 관한 것이다
근래, 핸드폰(Mobile Phone), PDA, 노트북컴퓨터와 같은 각종 휴대용 전자기기가 발전함에 따라 이에 적용할 수 있는 경박단소용의 평판표시장치(Flat Panel Display Device)에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이러한 평판표시장치로는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등이 활발히 연구되었지만, 양산화 기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현, 대면적 화면의 실현이라는 이유로 인해 현재에는 액정표시소자(LCD)가 주로 각광을 받고 있다.
상기 액정표시소자는 투과형 표시소자로서, 액정분자의 굴절률 이방성에 의해 액정층을 투과하는 광의 양을 조절함으로써 원하는 화상을 화면상에 표시한다. 따라서, 액정표시소자에서는 화상의 표시를 위해 액정층을 투과하는 광원인 백라이트부(back light unit)이 설치된다. 일반적으로 백라이트부는 크게 2종류로 구분될 수 있다.
첫째는 램프가 액정패널의 측면에 설치되어 액정층에 광을 제공하는 측면형 백라이트부이고 둘째는 램프가 액정패널의 하부에서 직접 광을 제공하는 직하형 백라이트부이다.
측면형 백라이트부는 액정패널의 측면에 설치되어 반사판과 도광판을 통해 액정층을 광을 공급할 수 있다. 따라서, 두께를 얇게 할 수 있게 되므로, 얇은 두께의 표시장치가 요구되는 노트북 등에 주로 사용된다.
직하형 백라이트부는 램프로부터 발광된 광이 직접 액정층에 공급되므로 대면적의 액정패널에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 고휘도가 가능하기 때문에, 근래 LCD TV용 액정패널을 제작하는데 주로 사용되고 있다.
도 1은 에지형 백라이트부가 구비된 액정표시소자(liquid crystal display device)의 구조를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 액정표시소자(1)는 크게 액정패널(liquid crystal display panel;40)과 상기 액정패널(40)의 후면에 설치되어 상기 액정패널(3)에 광을 공급하는 백라이트부(10)로 이루어진다. 액정패널(3)은 실제 화상이 구현되는 곳으로, 유리와 같은 투명한 제1기판(50) 및 제2기판(45)과 제1기판(50) 및 제2기판(45) 사이의 형성된 액정층(도면표시하지 않음)으로 이루어진다. 특히, 도면에는 도시하지 않았지만, 제1기판(50)은 박막트랜지스터(thin film transistor)와 같은 구동소자 및 화소전극이 형성되는 TFT기판이고 제2기판(3b)은 컬러필터층(color filter layer)이 형성되는 컬러필터기판이다. 또한, 상기 제1기판(50)의 측면에는 구동회로부(5)가 구비되어 제1기판(50)에 형성된 박막트랜지스터와 화소전극에 각각 신호를 인가한다.
백라이트장치(10)는 실제 광을 방출하는 램프(11), 상기 램프(11)으로부터 방출되는 광을 액정패널(3) 쪽으로 안내하는 도광판(Light Guide Panel;13), 상기 램프(11)로부터 방출되는 광을 도광판(13)으로 반사하여 광효율을 향상시키는 반사판(reflector;17), 상기 도광판(13)의 상부에 배치된 확산시트(15) 및 프리즘시트(20)로 이루어진 광학시트로 구성된다.
상기한 구조와 같은 백라이트장치(10)에서 도광판(13)의 양측면에 설치된 램프(11)에서 발광된 광은 도광판(13)의 측면을 통해 도광판(13)에 입사되며, 입사된 광은 도광판(13)의 상면을 통해 액정패널(3)로 공급된 후, 광학시트에 의해 광효율이 향상된 후 액정패널(3)로 입사된다.
상기 도광판(13)에서 출력된 광은 광학시트의 확산시트(20) 및 프리즘시트(20)로 입사되어, 확산시트에 의해 확산된 후 프리즘시트(20)에 의해 정면으로 그 진행방향이 변경되어 출력된다.
액정패널(40)의 상하면에는 각각 평광판(5a,5b)이 배치된다. 백라이트장치(10)로부터 발광된 광은 제1기판(50)에 부착된 제1편광판(5a)에서 편광되고 액정층을 투과하면서 광의 편광상태가 변환된 후, 제2기판(45)에 부착된 제2편광판(5b)을 통해 외부로 출사된다. 이때, 액정층에 의한 광의 편광상태 변화에 따라 제2편광판(5b)를 통해 투과되는 광의 투과도가 조절됨으로써 화상이 구현되는 것이다.
그러나, 상기와 같은 액정표시소자는 다음과 같은 문제가 발생한다. 액정표시소자는 투과형 표시소자로서 통상적인 표시소자에 비해 광의 효율이 낮기 때문에, 휘도가 낮다. 예를 들어, 액정표시소자에서는 백라이트장치(10)에서 발광된 광의 대부분이 액정패널(40)에 의해 흡수되고, 액정패널(40)을 투과하는 광은 원래 백라이트장치(10)에서 발광되는 광의 약 5%에 불과하므로, 통상적인 표시소자에 비해 휘도가 낮다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 편광판에 의해 광이 흡수되지 않으므로써 휘도가 향상된 액정표시소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 액정표시소자는 제1기판 및 제2기판; 상기 제1기판에 형성되어 제1기판과 평행한 횡전계를 형성하는 제1공통전극 및 제1화소전극; 상기 제2기판에 형성되어 제2기판과 평행한 횡전계를 형성하는 제2공통전극 및 제2화소전극; 상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성되어 셀갭이 λ/4인 액정층; 상기 제1기판 하부에 배치되어 액정층으로 인가되는 광을 제1편광된 광으로 편광시켜 출력하며, 제2편광 성분의 광을 제1편광성분의 광으로 변환하여 출력하는 편광시트; 및 상기 제2기판 상부에 배치되어 액정층을 투과하는 광을 편광시키는 편광판으로 구성된다.
상기 제1기판 및 제2기판에는 각각 형성된 제1배향막 및 제2배향막을 추가로 구비하며, 상기 제1배향막 및 제2배향막은 각각 러빙되어 있는데,제1공통전극 및 제1화소전극은 러빙방향에 대하여 0?45도의 각도로 배치되고 제2공통전극 및 제2화소전극은 러빙방향에 대하여 0?-45도로 배치된다.
상기 편광시트는 제1베이스필름 및 제1베이스필름; 및 상기 제1베이스필름과 제2베이스필름 사이에 구비되어 입력되는 광을 제1편광방향으로 편광시켜 출력하며, 제2편광 성분의 광을 제1편광성분의 광으로 변환하여 출력하는 편광부로 구성되며, 이때 상기 편광부는 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal)으로 이루어져 제1방향으로 원편광된 성분의 광은 투과하고 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 원편광된 성분의 광은 반사시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 액정패널에 공급되는 광을 CLC로 이루어지 좌원편광된 광(또는 우원 편광된 광)은 투과하고 우원편광된 광(또는 좌원편광된 광)은 반사한 후 다시 좌원편광된 광(또는 우원편광된 광)으로 변환하여 투과시키는 편광시트에 의해 편광하여 공급하므로, 편광시트에 의한 광흡수가 없게 되므로, 휘도를 향상할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 좌원편광된 광(또는 우원편광된 광)이 액정패널로 공급될 때 편광상태를 조절하여 화상을 구현하기 위해, 액정패널의 셀갭을 λ/4로 구현함과 아울러 제1기판 및 제2기판에 각각 공통전극과 화소전극를 형성한다. 다시 말해서, 본 발명에서는 종래에 비해 셀갭을 대폭 감소하게 되므로, 액정표시소자의 두께를 감소시킬 수 있으며, 액정분자의 스위칭속도를 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래 액정표시소자의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 액정표시소자의 구조를 나타내는 분해사시도.
도 3은 본 발명에 따른 액정패널의 구조를 나타내는 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 액정표시소자의 제1기판 및 제2기판의 구조를 나타내는 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 편광시트의 구조를 나타내는 도면.
도 6a 및 도 6b는 각각 광의 편광 및 이에 대응하는 푸앵카레벡터를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에서의 광학시트 및 편광판의 투과축을 푸앵카레구에나타내는 도면.
도 8는 본 발명에 따른 액정표시소자의 푸앵카레구에서의 광의 편광상태를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명에 따른 액정표시소자의 배향방향 및 전극의 연장방향, 액정분자의 배열방향을 나타내는 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
액정표시소자의 휘도를 향상시키는 가장 좋은 방법은 액정패널에 입력되는 광량을 증가시키는 것이다. 비록 액정패널로 입력된 광이 백라이트에서 발광된 광의 약 5%에 불과하지만, 입력되는 광량을 증가시키면 액정패널에 공급되는 광량도 증가하게 되므로(대부분의 광은 액정패널에 의해 흡수되지만 백라이트에서 증가하는 광량과 동일한 비율로 액정패널을 투과하는 광량도 증가하게 된다)액정표시소자의 휘도를 향상시킬 수 있게 된다.
이와 같이 액정패널에 공급되는 광량을 증가시키기 위해서는, 광을 발광하는 광원의 갯수를 증가시키거나 광원에 인가되는 전력을 증가하여 광원의 휘도를 증가시켜야만 한다. 그러나, 광원의 숫자를 증가시키는 경우에는 제조비용이 증가하며 광원에 공급되는 전력을 증가시키는 경우 전력소모가 증가하며 액정표시소자의 부피가 증가하는 문제가 있다. 또한, 이러한 경우에도 액정패널에 공급된 대부분의 광(약 95%의 광)이 액정패널에 의해 흡수되므로 이러한 광원의 갯수 증가나 전력 증가로는 휘도를 향상시키는데에는 한계가 있었다.
본 발명에서는 액정패널에 부착되는 편광판을 제거함으로서 액정표시소자의 휘도를 향상시킨다. 통상적으로, 백라이트장치에서 발광된 광이 액정패널로 입사될 때, 입사되는 광의 약 40%가 편광판에 흡수되고 0.7%가 유리기판에 의해 흡수되며 약 30%가 컬러필터층에 의해 흡수된다. 다시 말해서, 액정표시소자의 모든 구성 요소중에서 편광판에 의한 광휘도의 저하요인이 가장 크다는 것이다. 본 발명에서는 이와 같이 휘도저하의 가장 큰 원인인 편광판을 제거함으로써 액정표시소자의 광휘도를 향상시킨다. 광원의 갯수나 전력을 증가하여 휘도를 증가시키는 것은 액정패널내에서의 광흡수 요인을 그대로 두기 때문에, 휘도증가에 한계가 있지만, 본 발명에서는 광휘도 저하의 근본원인을 제거하기 때문에, 휘도를 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 입력되는 광을 편광시킴과 동시에 액정패널에 의해 입력되는 광이 흡수되지 않고 반사된 후 다시 입력되기 때문에 편광판이 없이도 편광된 광을 액정패널로 공급함과 아울러 액정표시소자의 휘도를 최대화할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 액정표시소자의 구조를 나타내는 분해사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 액정표시소자(100)는 액정패널(140)과 백라이트장치(110)로 구성된다. 이때, 상기 백라이트장치(110)는 액정패널(140)의 하부에 위치하여 액정패널(140)에 광을 공급한다.
백라이트장치(110)는 광을 발광하여 액정패널(140)로 공급하는 광원(111), 측면이 상기 광원(111)과 접하도록 상기 액정패널(140)의 하부에 배치되어 측면을 통해 광원(111)으로부터 입력되는 광을 상기 액정패널(140)에 공급하는 도광판(113), 상기 도광판(113)의 하부에 배치되어 도광판(113)의 하부로 입사되는 광을 액정패널(140)로 반사시키는 반사판(117), 상기 액정패널(140)과 도광판(113) 사이에 배치되어 도광판(113)에 의해 인도되는 광을 확산시키는 확산시트(115)와, 상기 확산시트(115)와 액정패널(140) 사이에 배치되고 프리즘이 일방향을 따라 복수개 배열되어 확산시트(115)에서 확산된 광을 정면으로 굴절시키는 제1프리즘시트(120), 상기 제1프리즘시트(120) 위에 배치되고 프리즘이 상기 제1프리즘시트(120)의 프리즘과는 다른 방향으로 배열되어 상기 제1프리즘시트(120)에서 굴절된 광을 다시 굴절시키는 제2프리즘시트(130)와, 상기 제2프리즘시트(130) 위에 형성되어 액정패널(140)로 공급되는 광을 편광시켜 액정패널(140)에 공급하는 편광시트(160)로 구성된다.
또한, 상기 액정패널(140)의 상면에는 편광판(105)이 부착되어 있다. 그러나, 종래와는 달리 액정패널(140)이 하면에는 편광판이 부착되어 있지 않다. 본 발명에서는 반사형 편광판(160)이 종래 액정패널(140)의 하부에 부착되는 편광판의 역할을 하게 된다.
백라이트장치(110)에서 발광된 광은 도광판(113)을 거쳐 확산시트(115) 및 프리즘시트(120,130)에서 확산되고 집광된 후, 상기 편광시트(160)로 입력되며, 상기 편광시트(160)에서는 입력된 광을 편광시켜 액정패널(140)로 공급한다. 이때, 편광시트(160)에서는 일축성분으로 편광된 광을 투과할 뿐만 아니라 타축성분의 광의 편광상태를 반사시켜 다시 일축성분으로 변화하여 투과시킴으로서 대부분의 광이 편광시트(160)에 의해 흡수되지 않고 편광된 상태로 액정패널(140)로 공급된다.
액정패널(140)로 입사된 광은 액정층을 투과하면서 그 편광상태가 변경된 후, 편광판(105)을 통해 외부로 출력된다. 이때, 액정층의 액정분자의 배향에 따라 편광판(105)을 투과하는 광의 투과율이 조절되어 액정표시소자에서 화상을 구현할 수 있게 되는 것이다. 도 3과 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상기 액정패널(140)의 구조를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 액정패널의 구조를 나타내는 단면도이고 도 4a 및 도 4b는 각각 제1기판(210)과 제2기판(240)의 전극구조를 나타내는 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 액정패널은 제1기판(210)과 제2기판(240) 및 그 사이의 액정층(260)으로 이루어진다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제1기판(210)에는 종횡으로 배치된 제1게이트라인(202) 및 제2데이터라인(203)에 의해 정의되는 복수의 화소가 형성되어 있다. 도면에는 비록 (n,m)번째의 화소만을 도시하고 있지만 실제의 액정표시소자에는 상기한 제1게이트라인(202)과 제1데이터라인(203)이 각각 n개 및 m개 배치되어 액정표시소자 전체에 걸쳐서 n×m개의 화소를 형성한다.
상기 화소내의 제1게이트라인(202)과 제1데이터라인(203)의 교차영역에는 제1박막트랜지스터(220)가 형성되어 있다. 도 3 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 제1박막트랜지스터(220)는 제1기판(210) 위에 형성되어 제1게이트라인(202)으로부터 주사신호가 인가되는 제1게이트전극(221)과, 상기 제1게이트전극(221)이 형성된 제1기판(210) 전체에 걸쳐 형성된 제1게이트절연층(216)과, 상기 제1게이트절연층(216) 위에 형성되어 주사신호가 인가됨에 따라 활성화되어 채널층을 형성하는 제1반도체층(222)과, 상기 제2반도체층(22) 위에 형성되어 제1데이터라인(203)을 통해 화상신호가 인가되는 소스전극(224) 및 드레인전극(225)으로 구성되어 외부로부터 입력되는 화상신호를 액정층에 인가한다. 박막트랜지스터(220)가 형성된 제1기판(210) 위에는 유기절연물질 또는 무기절연물질로 이루어진 제1보호층(218)이 형성되어 있다.
화소내에는 제1데이터라인(203)과 실질적으로 평행하게 배열된 복수의 제1공통전극(232)과 제1화소전극(234)이 배치되어 있다. 또한, 화소의 상부영역에는 상기 제1공통전극(232)과 접속되는 제1공통라인(208)이 배치되어 있으며, 상기 제1공통라인(208) 위에는 제1화소전극(234)과 접속되는 제1화소전극라인(209)이 배치되어 상기 제1공통라인(208)과 오버랩되어 있다. 상기 제1공통라인(208)과 제1화소전극라인(209)의 오버랩에 의해 횡전계모드 액정표시소자에는 축적용량(storage capacitance)이 형성된다.
도면에서는 상기 제1공통전극(232)과 제2화소전극(234)이 모두 제1보호층(218) 위에 형성되어 있지만, 제1공통전극(232)과 제2화소전극(234) 모두 제1게이트절연층(216) 위에 형성될 수도 있고 하나는 제1게이트절연층(216)위에 형성되고 다른 하나는 제1보호층(218) 위에 형성될 수도 있을 것이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제2기판(240)에는 종횡으로 배치된 제2게이트라인(242) 및 제2데이터라인(243)에 의해 정의되는 복수의 화소가 형성되어 있다. 상기 화소내의 제2게이트라인(242)과 제2데이터라인(243)의 교차영역에는 제2박막트랜지스터(250)가 형성되어 있다.
도 3 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 제2기판(240) 위에는 화상비표시영역으로 광이 누설되는 것을 차단하는 블랙매트릭스(272)와 R(Red), G(Green), B(Blue) 컬러필터로 이루어져 실제 화상을 구현하는 컬러필터층(274)이 형성되어 있으며, 상기 컬러필터층(274) 위에 절연물질로 이루어진 버퍼층(276)이 형성된다.
상기 버퍼층(276) 위에는 제2박막트랜지스터(250)가 형성된다. 이때, 상기 제2박막트래지스터(250)는 제2기판(240) 위에 형성되어 제2게이트라인(242)으로부터 주사신호가 인가되는 제2게이트전극(251)과, 상기 제2게이트전극(251)이 형성된 제2기판(240) 전체에 걸쳐 형성된 제2게이트절연층(276)과, 상기 제2게이트절연층(246) 위에 형성되어 주사신호가 인가됨에 따라 활성화되어 채널층을 형성하는 제2반도체층(252)과, 상기 제2반도체층(2522) 위에 형성되어 제2데이터라인(243)을 통해 화상신호가 인가되는 소스전극(282) 및 드레인전극(284)으로 구성되어 외부로부터 입력되는 화상신호를 액정층에 인가한다. 제2박막트랜지스터(250)가 형성된 제2기판(240) 위에는 제2보호층(248)이 형성되어 있다.
또한, 화소내에는 제2데이터라인(243)과 실질적으로 평행하게 배열된 복수의 제2공통전극(282)과 제2화소전극(284)이 배치되어 있다. 또한, 화소의 상부영역에는 상기 제2공통전극(282)과 접속되는 제2공통라인(248)이 배치되어 있으며, 상기 제2공통라인(248) 위에는 제2화소전극(284)과 접속되는 제1화소전극라인(249)이 배치되어 상기 제2공통라인(248)과 오버랩되어 있다. 상기 제2공통라인(248)과 제2화소전극라인(249)의 오버랩에 의해 횡전계모드 액정표시소자에는 축적용량이 형성된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 제1기판(210) 뿐만 아니라 제2기판(240)에도 제1 및 제2박막트랜지스터(220,250)이 형성되며, 화소내에는 각각 제1 및 제2공통전극(232,282)와 제1 및 제2화소전극(234,284)이 배치된다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2공통전극(232,282)와 제1 및 제2화소전극(234,284)은 제1게이트라인(202) 및 제2게이트라인(242)에 대하여 일정 각도 비스듬히 형성된다. 이때, 제1기판(210)의 제1공통전극(232)과 제1화소전극(234)은 제1게이트라인(202)의 수직방향에 대하여 좌측으로 약 15도 각도로 기울어져 있는 반면에, 제2기판(240)의 제2공통전극(282)과 제2화소전극(284)은 제2게이트라인(242)의 수직방향에 대하여 우측으로 약 15도 각도로 기울어져 있다. 따라서, 제1기판(210)의 제1공통전극(232)과 제1화소전극(234)은 제2기판(240)의 제2공통전극(282)과 제2화소전극(284)은 제2게이트라인(242)에 대하여 약 45의 각도로 배열되는 것이다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1기판(210) 및 제2기판(240)에는 각각 제1배향막 및 제2배향막이 도포되어 있으며, 제1배향막 및 제2배향막은 각각 데이터라인(203,243)과 수평방향, 즉 게이트라인(202,242)와 평행하게 러빙되어 있어, 제1화소전극(234) 및 제2화소전극(284)에 신호가 인가되지 않을 때 액정분자가 상기 러빙방향을 따라 데이터라인(203,243)과 수평방향으로 배열된다.
액정층(260)은 λ/4의 셀갭으로 형성된다. 종래 횡전계모드 액정표시소자의 경우 셀갭이 λ/2로 형성되는데 반해, 본 발명에서는 액정층(260)의 셀갭을 λ/4으로 하기 때문에, 종래 횡전계모드 액정표시소자에 비해 액정층(260)의 두께를 감소시킬 수 있게 되며, 따라서 액정표시소자의 두께를 감소시킬 수 있게 된다.
상기와 같은 구성의 액정표시소자에서는 제1기판(210) 및 제2기판(240)에 각각 형성된 화소전극(234,284)에 신호가 인가되면, 상기 공통전극(232,282) 및 화소전극(234,284) 사이에 전계가 발생하여 액정층(260)의 액정분자가 스위칭되어 상기 액정층(260)을 투과하는 광의 투과율을 조절함으로써 화상을 구현할 수 있게 된다.
편광시트(160)은 백라이트로부터 액정패널(140)로 공급되는 광을 원편광시킨다. 이때, 상기 편광시트(160)에서는 특정 방향으로 편광된 광의 흡수 없이 모든 광을 모두 원편광시켜 액정패널(140)로 공급한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 편광시트(160)는 제1베이스필름(161) 및 제2베이스필름(162)과, 상기 제1베이스필름(161) 및 제2베이스필름(162) 사이에 배치되고 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal)으로 이루어져 좌원편광 성분의 광은 투과하고 우원편광 성분의 광은 반사하는 편광부(166)와, 상기 평광부(166) 하부에 부착되어 상기 편광부(166)에서 반사되는 우원편광된 광을 좌원편광된 광으로 반사시켜 편광부(166)로 입력하는 반사시트(165)로 이루어진다.
상기 편광부(166)는 주기적인 나선구조를 갖는 콜레스테릭 액정으로 이루어져 있기 때문에, 나선형 구조와 동일한 방향의 원편광된 광은 투과하고 다른 방향의 원편광된 광은 반사한다.
상기에서는 좌원편광된 광이 편광부(166)를 투과하고 우원편광된 광이 편광부(166)에서 반사되지만, 상기 편광부(166)의 콜레스테릭 액정의 나선구조의 방향에 따라 우원편광된 광이 편광부(166)를 투과하고 좌원편광된 광이 편광부(166)에서 반사될 수도 있을 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 백라이트장치로부터 편광시트(160)의 편광부(166)로 광이 입사되면, 좌원편광된 광(left handed circular polarized light)은 상기 편광부(166)를 진행하여 상기 편광부(166)를 투과하는 반면에, 우원편광된 광(right handed circular polarized light)은 편광부(166)로 입사되지 못하고 반사된다.
또한, 편광부(166)에서 반사된 우원편광된 광(right handed circular polarized light)은 반사시트(163)에 의해 반사된 후 다시 편광시트(160)로 입사된다. 이때, 상기 반사시트(163)에 의해 반사된 광은 우원편광된 광(right handed circular polarized light)이 좌원편광된 광(left handed circular polarized light)으로 편광상태가 변환된다. 상기 편광시트(160)는 좌원편광된 광은 투과하므로, 상기 좌원편광으로 편광상태가 변환된 반사된 광은 다시 편광시트(160)로 입사되어 상기 편광시트(160)를 투과한 후, 액정패널(140)로 공급된다.
이와 같이, 본 발명에서는 광을 편광시키는 편광시트(160)가 좌원편광된 광은 투과시키고 우원편광된 광은 반사하여 좌원편광된 광은 변환하여 액정패널(140)에 광을 공급하므로, 편광시트(160)에 의한 광흡수가 발생하지 않게 되어 고휘도를 발휘할 수 있게 된다.
종래 액정표시소자에서는 액정패널에 공급되는 광의 편광을 위해 일반적인 편광판을 사용한다. 이러한 편광판은 입력되는 광을 선편광시켜 액정패널로 공급하며, 액정패널을 투과한 광이 다시 선형 편광판을 투과하는 것이다.
반면에, 본 발명에서는 액정패널(140)에 공급되는 광이 선편광된 광이 아니라 원편광된 광이라 종래 액정패널(140)과는 액정패널을 투과하는 광의 편광상태가 다르게 된다. 특히, 본 발명에서는 액정패널(140) 하부에 배치되어 액정패널(140)에 공급되는 광을 편광시키는 광학시트(160)는 원편광 광학시트이고 액정패널(140)의 상부, 즉 액정패널(140)로부터 출력되는 광을 편광시키는 편광판은 선형 편광판이므로, 실제 화상을 구현할 때 빛샘 등의 불량이 발생하게 된다.
본 발명에서는 액정패널(140)의 셀갭을 종래 λ/2에서 λ/4로 변경하였고 제1기판(210) 뿐만 아니라 제2기판(240)에도 제1 및 제2공통전극(232,282)와 제1 및 제2화소전극(234,284)을 형성하여 상기와 같은 불량을 방지한다.
이하에서는 본 발명에 따른 액정표시소자의 구동을 설명한다. 이때, 각각의 편광시트(160)와 액정패널(140) 및 편광판(105)을 투과하는 광의 편광상태를 설명하여 본 발명의 액정표시소자의 구동을 설명한다.
광의 편광상태는 존즈행렬(Jones Matrix)에 의해 분석될 수 있으며, 존즈연산에서는 경계면에서의 빛의 반사를 무시하기 때문에 투명한 매질의 편광투과특성을 나타내는 존즈행렬은 유니터리행렬인데, 이러한 유니터리행렬은 포앙카레구(Poincare shpere)에 의해 나타낼 수 있다.
존즈벡터는 완전편광만 나타낼 수 있으므로 부분편광을 표현하기 위해서는 다음의 수학식 1에 의해 정의되는 스토크스변수(Stokes parameter)를 사용해야만 한다.
Figure pat00001
여기서, <>는 시간평균을 나타내며, Ex 및 Ex는 각각 x축 및 y축방향으로의 전계성분이다. 이때, 이들 네변수 사이에는
Figure pat00002
의 부등식이 성립하는데, 이 부등식은 완전편광에서만 맞는다. 즉, 완전편광의 경우, S1, S2 및 S3를 빛의 밝기 S0로 나눈 규격화된 변수 s1, s2 및 s3 사이에는 다음의 수학식 2의 관계가 성립한다.
Figure pat00003
이것은 3차원 공간에서 반지름 1인 포앙카레구의 방정식으로, (s1, s2, s3)은 포앙카레구의 직교좌표의 점이다.
이때, 상기 푸앙카레구에서 적도선 위의 모든 점들은 선편광에 대응되고 북극점은 좌원편광, 남극점은 원원편광에 대응된다. 그리고, 북반구의 모든 점은 좌 타원편광에 대응되며, 남반구의 모든 점은 우 타원편광에 대응된다.
도 6a 및 도 6b는 각각 직교좌표계에서 임의의 편광과 이에 대응하는 푸앙카레 벡터를 나타내는 도면이다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 편광타원의 장축의 방위각(azimuthal angle)이 Ψ이고 타원각도가 x인 타원편광에 대응되는 뽀앙카레 벡터 P의 위도각(latitude angle)은 2x이고 방위각은 2Ψ이며 직교좌표는 (cons(2Ψ)cons(2x),sin(2Ψ)cos(2x),sin(2x))이다. 이 점이 북반구에 있으면 전기장 벡터의 회전방향이 시계방향이고 남반구에 있으면 반시계방향이다. 이때, 푸앙카레구 위의 대척점들은 서로 직교하는 편광 상태를 나타낸다.
또한, 빛이 투명한 매질을 지나올 때의 편광상태의 변화를 기술하는 유니타리 존즈행렬은 푸앙카레구 위에서 회전변환으로 해석할 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 구조의 본 발명의 모드액정표시소자에서의 제1편광판(152) 및 제2편광판(154)의 편광상태를 나타내는 포앙카레구를 나타내는 도면이다.
상기 포앙카레구에서 대척점은 서로 직교하는 편광상태를 나타내므로, A지점은 편광시트(160)의 좌원편광 투과축을 나타내고 B지점은 편광판(105)의 광흡수축을 나타내며, C지점은 제2편광판(105)의 광투과축을 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액정표시소자에서 광판시트(160)의 북극점인 A지점에 위치하는 반면에, 편광판(105)의 광흡수축은 수평면상인 B지점에 위치하고 광투과축은 C지점에 위치하게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 광학시트(160)의 광투과축인 A지점과 편광판(105)의 광흡수축인 B지점 및 광투과축인 C지점이 일치하지 않게 되어, 본 발명에 따른 액정표시소자의 노멀리화이트 및 노멀리블랙시 빛샘이 발생하여 화이트 및 블랙을 구현하지 못하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 빛샘현상을 방지하기 위해서는 상기 광학시트(160)의 광투과축인 A지점을 편광판(105)의 광흡수축 및 광투과축인 B지점 및 C지점과 일치시켜야만 하는데, 본 발명에서는 이러한 문제를 셀갭을 λ/4로 형성하고 제1기판(210) 및 제2기판(240)에 제1 및 제2공통전극(232,282)와 제1 및 제2화소전극(234,284)을 형성함으로써 해결한다.
도 8은 실제 본 발명에서의 액정표시소자로 입력되는 광의 편광상태를 나타내는 푸앙카레구로서, 이를 참조하여 본 발명에 따른 액정표시소자의 구동을 좀더 자세히 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 백라이트(110)로부터 편광되지 않은 광이 편광시트(160)로 입사되면, 상기 광이 좌원편광되는데, 이때 좌원편광된 광의 편광상태는 푸앙카레구의 북극점인 A지점에 위치하게 된다. 즉, 광이 편광시트(160)의 편광부(166)로 입사된 광중에서 좌원편광된 광은 편광부(166)를 투과하며 우원편광된 광은 편광부(166)에서 반사된 후, 다시 반사시트(165)에서 반사되어 좌원편광된 광으로 되어 편광부(166)를 투과하게 되므로, 백라이트(110)에서 입력된 광이 모두 반사나 흡수 없이 편광시트(160)를 투과하게 되며, 이때 투과된 광의 편광상태는 A지점이 된다.
우선, 제1기판(210)에 형성된 제1화소전극(234)에 신호가 인가되고 제2기판(240)에 형성된 제2화소전극(284)에는 신호를 인가되지 않으면, 제1기판(210)에 형성된 제1공통전극(232)과 제1화소전극(234) 사이에 전계가 형성된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 러빙방향, 즉 액정분자의 배향방향은 데이터라인(203,243)의 연장방향과 수평이고 제1공통전극(232) 및 제1화소전극(234)은 데이터라인(203,243)의 연장방향에 대하여 θ1의 각도로 배열되므로, 제1화소전극(234)에 전압이 인가되는 경우 액정분자는 러빙방향을 기준으로 우측으로 일정 각도(φ1)로 회전한다. 이때, 상기 회전각도(φ1)는 러빙방향을 중심으로 약 0-45도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1화소전극(234)에 풀전압(full voltage)가 인가되어 φ1=45도의 회전각도(φ1)로 배열될 때, 편광시트(160)에서 좌원편광된 광이 액정패널(140)을 투과하면 광의 편광상태가 S2축을 중심으로 시계반대방향으로 90도 회전하여 C지점에 위치하게 된다.
상기 C지점은 푸앙카레구의 적도선에 위치하므로 액정패널(140)을 투과한 광의 편광상태가 선편광상태임을 의미한다. 또한, C지점은 편광판(105)의 광투과축이므로, 액정패널(140)을 투과한 선편광된 광의 편광방향은 편광판(105)의 투과축방향과 평행하게 된다. 따라서, 액정패널(140)을 투과한 광이 그대로 편광판(105)을 투과하게 되어, 화면상에는 화이트가 구현된다.
제2기판(240)에 형성된 제2화소전극(284)에 신호가 인가되고 제1기판(210)에 형성된 제1화소전극(234)에는 신호가 인가되지 않으면, 제1기판(240)에 형성된 제2공통전극(282)과 제2화소전극(284) 사이에 전계가 형성된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 러빙방향, 즉 액정분자의 배향방향은 데이터라인(203,243)의 연장방향과 수평이고 제2공통전극(282) 및 제2화소전극(284)은 데이터라인(203,243)의 연장방향에 대하여 θ2의 각도로 배열되므로, 제2화소전극(284)에 전압이 인가되는 경우 액정분자는 러빙방향을 기준으로 좌측으로 일정 각도(φ2)로 회전한다. 이때, 상기 회전각도(φ2)는 러빙방향을 중심으로 약 0?-45도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제2화소전극(284)에 풀전압가 인가되어 액정분자가 러빙방향에 대해 φ2=-45도의 회전각도(φ2)로 배열될 때, 편광시트(160)에서 좌원편광된 광이 액정패널(140)을 투과하면 광의 편광상태가 S2축을 중심으로 시계방향으로 90도 회전하여 B지점에 위치하게 된다.
상기 B지점은 푸앙카레구의 적도선에 위치하므로 액정패널(140)을 투과한 광의 편광상태가 선편광상태임을 의미한다. 또한, B지점은 편광판(105)의 광흡수축이므로, 액정패널(140)을 투과한 선편광된 광의 편광방향은 편광판(105)의 광흡수과 평행하게 된다. 따라서, 액정패널(140)을 투과한 광이 모두 편광판(105)에 의해 흡수되어 편광판(105)을 통해 광이 투과되지 않게 되어, 화면상에는 블랙이 구현된다.
중간계조시, 즉 제1화소전극(234)에 풀전압(full voltage)가 인가되지 않고 중간계조의 전압이 인가되는 경우 액정분자는 러빙방향에 대하여 0＜φ1＜45도의 각도로 배열된다. 따라서, 편광시트(160)에서 좌원편광된 광이 액정패널(140)을 투과하면 광의 편광상태가 S1축과 S2축 사이의 축을 중심으로 시계반대방향으로 90도 회전하여 적도선상의 D지점에 위치하게 된다. 따라서, 액정패널(140)을 투과한 광의 일부분은 편광판(105)에 의해 흡수되고 일부분은 투과하여 원하는 계조의 화상을 표시하게 된다.
또한, 제2화소전극(284)에 풀전압(full voltage)가 인가되지 않고 중간계조의 전압이 인가되는 경우 액정분자는 러빙방향에 대하여 -45＜φ2＜0도의 각도로 배열된다. 따라서, 편광시트(160)에서 좌원편광된 광이 액정패널(140)을 투과하면 광의 편광상태가 S1축과 S2축 사이의 축을 중심으로 시계방향으로 90도 회전하여 적도선상의 E지점에 위치하게 된다. 따라서, 액정패널(140)을 투과한 광의 일부분은 편광판(105)에 의해 흡수되고 일부분은 투과하여 원하는 계조의 화상을 표시하게 된다.
제1화소전극(234) 및 제2화소전극(284)에 전압이 인가되지 않는 경우, 액정분자는 러빙방향을 따라 배열되므로, 편광시트(160)에서 좌원편광된 광이 액정패널(140)을 투과하면 광의 편광상태가 S1축을 중심으로 시계반대방향으로 90도 회전하여 적도선상의 F지점이나 G지점에 위치하게 된다. 따라서, 액정패널(140)을 투과한 광의 50%가 편광판(105)에 의해 흡수되고 나머지 50%는 투과하여 원하는 화면상에는 50%의 휘도가 구현된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 액정패널(140)에 공급되는 광을 CLC로 이루어지 좌원편광된 광(또는 우원 편광된 광)은 투과하고 우원편광된 광(또는 좌원편광된 광)은 반사한 후 다시 좌원편광된 광(또는 우원편광된 광)으로 변환하여 투과시키는 편광시트(160)에 의해 편광하여 공급하므로, 편광시트(160)에 의한 광흡수가 없게 되므로, 휘도를 향상할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 좌원편광된 광(또는 우원편광된 광)이 액정패널(140)로 공급될 때 편광상태를 조절하여 화상을 구현하기 위해, 액정패널(140)의 셀갭을 λ/4로 구현함과 아울러 제1기판(220) 및 제2기판(240)에 각각 공통전극(232,282)과 화소전극(282,284)를 형성한다. 다시 말해서, 본 발명에서는 종래에 비해 셀갭을 대폭 감소하게 되므로, 액정표시소자의 두께를 감소시킬 수 있으며, 셀갭의 감소시키고 제1기판(220) 및 제2기판(240)에 각각 공통전극(232,282)과 화소전극(282,284)을 형성하므로, 액정분자의 스위칭속도를 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 상술한 상세한 설명에서는 본 발명을 특정한 구조로 설명하고 있지만, 본 발명이 이러한 구조에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상세한 설명에서는 제1기판 및 제2기판 각각에 공통라인과 화소전극라인 및 박막트랜지스터가 형성되어 있지만, 상기 공통라인과 화소전극라인 및 박막트랜지스터을 제1기판 및 제2기판에만 형성하고 공통라인과 화소전극라인 및 박막트랜지스터이 형성되지 않은 기판의 화소전극 및 공통전극에는 다른 기판으로부터 신호를 인가할 수도 있을 것이다. 또한, 본 발명에서는 액정패널에 사용되는 액정으로서 양성 또는 음성 액정을 사용할 수 있다.
다시 말해서, 상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정해져야만 할 것이다.
105 : 편광판 110 : 백라이트
140 : 액정패널 160 : 광학시트
210,240 : 기판 220,250 : 박막트랜지스터
260 : 액정층

Claims (16)

  1. 제1기판 및 제2기판;
    상기 제1기판에 형성되어 제1기판과 평행한 횡전계를 형성하는 제1공통전극 및 제1화소전극;
    상기 제2기판에 형성되어 제2기판과 평행한 횡전계를 형성하는 제2공통전극 및 제2화소전극;
    상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성되어 셀갭이 λ/4인 액정층;
    상기 제1기판 하부에 배치되어 액정층으로 인가되는 광을 제1편광된 광으로 편광시켜 출력하며, 제2편광 성분의 광을 제1편광성분의 광으로 변환하여 출력하는 편광시트; 및
    상기 제2기판 상부에 배치되어 액정층을 투과하는 광을 편광시키는 편광판으로 구성된 액정표시소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1기판 및 제2기판에 각각 형성된 제1배향막 및 제2배향막을 추가로 구비하며, 상기 제1배향막 및 제2배향막은 각각 러빙되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  3. 제2항에 있어서, 제1공통전극 및 제1화소전극은 러빙방향에 대하여 0?45도의 각도로 배치되고 제2공통전극 및 제2화소전극은 러빙방향에 대하여 0?-45도로 배치되는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 편광시트는,
    제1베이스필름 및 제1베이스필름; 및
    상기 제1베이스필름과 제2베이스필름 사이에 구비되어 입력되는 광을 제1편광방향으로 편광시켜 출력하며, 제2편광 성분의 광을 제1편광성분의 광으로 변환하여 출력하는 편광부로 구성된 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 편광부는 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal)으로 이루어져 제1방향으로 원편광된 성분의 광은 투과하고 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 원편광 성분의 광은 반사시키는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판 및 제2기판중 적어도 하나의 기판에 에 형성되어 복수의 화소를 정의하는 복수의 게이트라인 및 데이터라인; 및
    상기 복수의 화소 각각에 형성된 박막트랜지스터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1편광은 좌원편광이고 제2편광은 우원편광인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1편광은 우원편광이고 제2편광은 좌원편광인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  9. 화상을 구현하며 셀갭이 λ/4인 액정패널;
    상기 액정패널 하부에 배치되어 액정패널로 인가되는 광을 제1편광된 광으로 편광시켜 출력하며, 제2편광 성분의 광을 제1편광성분의 광으로 변환하여 출력하는 편광시트; 및
    상기 액정패널 상부에 배치되어 액정층을 투과하는 광을 편광시키는 편광판으로 구성된 액정표시소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 액정패널은,
    제1기판 및 제2기판;
    상기 제1기판에 형성되어 제1기판과 평행한 횡전계를 형성하는 제1공통전극 및 제1화소전극;
    상기 제2기판에 형성되어 제2기판과 평행한 횡전계를 형성하는 제2공통전극 및 제2화소전극; 및
    상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 액정패널은 상기 제1기판 및 제2기판에 각각 형성된 제1배향막 및 제2배향막을 추가로 구비하며, 상기 제1배향막 및 제2배향막은 각각 러빙되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  12. 제11항에 있어서, 제1공통전극 및 제1화소전극은 러빙방향에 대하여 0?45도의 각도로 배치되고 제2공통전극 및 제2화소전극은 러빙방향에 대하여 0?-45도로 배치되는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  13. 제10항에 있어서, 상기 편광시트는,
    제1베이스필름 및 제1베이스필름; 및
    상기 제1베이스필름과 제2베이스필름 사이에 구비되어 입력되는 광을 제1편광방향으로 편광시켜 출력하며, 제2편광 성분의 광을 제1편광성분의 광으로 변환하여 출력하는 편광부로 구성된 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  14. 제13항에 있어서, 상기 편광부는 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal)으로 이루어져 제1방향으로 원편광된 성분의 광은 투과하고 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 원편광 성분의 광은 반사시키는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  15. 제9항에 있어서, 상기 제1편광은 좌원편광이고 제2편광은 우원편광인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  16. 제9항에 있어서, 상기 제1편광은 우원편광이고 제2편광은 좌원편광인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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