JP3789912B2 - コレステリック液晶カラーフィルターを利用した反射型液晶表示装置 - Google Patents
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Description
このような液晶表示装置のうち、各画素(pixel)別に電圧のオン/オフを調節することができるスイッチング素子が備わったアクティブマトリックス型液晶表示装置が解像度及び動映像具現能力が優れていて最も注目を浴びている。
一般的に、液晶表示装置は、スイッチング素子及び画素電極を形成するアレイ基板製造工程とカラーフィルター及び共通電極を形成するカラーフィルター基板製造工程を通じて、各々アレイ基板及びカラーフィルター基板を形成して、この両基板間に液晶を介在する液晶セル工程を経て完成される。
そして、前記液晶表示装置は、非発光素子であるために、別途の光源であるバックライトを通じて供給される光を利用して画面を具現する透過型液晶表示装置が主流を形成している。
しかし、前記バックライトから生成された光は、液晶表示装置の各セルを通過しながら実際画面上では7%程度だけ透過されて、高輝度の液晶表示装置を提供するためにはバックライトをさらに明るくしなければならないので、電力消耗量が大きくなって充分な電源供給のためにバッテリー(battery)を備える場合にも使用時間に制限がある短所がある。
このような反射型液晶表示装置としては、既存の透過型液晶表示装置でのように顔料または染料で構成された吸収型カラーフィルター及び別途の反射層を通じて外部光を反射光として用いる方式、または光を選択的に反射及び透過させる特性を有するコレステリック液晶(cholesteric liquid crystal、以下「CLC」と言う)をカラーフィルター及びこれを反射層兼用として利用する方式を挙げることができる。後者方式の場合CLC自体から光を選択的に反射及び透過させるによって色純度特性が優れて、別途の反射層を省略できるために画質特性及び工程効率上注目を浴びている。
すなわち、反射される中心波長は、前記に記述したピッチとCLC液晶の平均屈折率の関数(λ=n(avg)・pitch)である。[n(avg);平均屈折率]
例えば、平均屈折率が1.5であるCLC液晶のピッチが430nmである場合に中心反射波長は大体650nmになって赤色を帯びるようになる。その他に緑色と青色に対しては適しているCLC液晶のピッチを与えることによって具現することができる。
図示したように、相互に一定間隔離隔されるように対向して第1基板10、第2基板30が配置されていて、第1基板10、第2基板30間に液晶層50が介在している構造において、第2基板30の透明基板1内部面には画面を具現する最小単位であるサブピクセル単位で電圧をオン/オフ(on/off)するスイッチング素子である薄膜トランジスタTと、薄膜トランジスタTと連結した画素電極32が形成されている。
第1基板10の透明基板1内部面にはサブピクセル単位で赤、緑、青CLC16a、16b、16cが逐次配列されてCCF16を形成しており、CCF16を覆う基板全面には共通電極18が形成されている。
そして、前記CCF16と第1基板10の透明基板1間区間にはCCF16の容易な配向のためのCLC用配向膜14及びCCF16から選択的に光を吸収する光吸収層12が順序通り形成されている。
また、第2基板30の透明基板1外部面には位相差補償素子である位相差板34及び偏光板36が順序通り配置されている。
一般的に、前記位相差板34は、λ/4だけの位相差を与えるQWP(Quater Wave Plate)で構成されて、前記偏光板36は偏光軸と一致する光だけを透過させる線偏光板で構成される。
前記CCF16は、色彩を表現する役割だけでなく、光を反射させる反射板役割も兼ねるようになるので、反射型液晶表示装置ではCLCの反射特性に依存して画面の輝度を決定する。
図示したように、CCF反射型液晶表示装置において、赤、緑、青カラー別中心波長Ia、Ib、Icは逐次大体650nm、550nm、450nmであり、CLC物質の制限された屈折率差(約0.15)によって各カラー別中心波長を基準に反射波長幅は最大50nmであって、吸収型カラーフィルターを含む反射型液晶表示装置の反射波長帯100nmと比較してみる時、非常に狭くて反射率低下の原因になる。
すなわち、前記CCFにおける赤、緑、青カラーは、各サブピクセルに該当するCLCのピッチ大きさと屈折率差により調節及び具現されるが、屈折率差は大きいほど反射波長領域が広くなって該反射波長帯域における反射度の調節で要求される色純度及び輝度を具現する。しかし、屈折率差が大きいCLC物質の開発が容易でなくて、屈折率差が大きいほど材料費用が上昇する問題点があった。
これのために、本発明においてはCCFを該カラー別中心波長を中心に前/後波長帯域を有するCCFを二重層で構成して、カラー別反射波長帯域を拡張しようとする。
図3は、人間の目の視感特性グラフを示した図面である。
図示したように、本グラフは波長別目の視感特性度に対するものであって、人間が目で見られる波長領域は400〜700nm間であり、この時目の視感特性度は500〜600nm間で最も高い数値を示す。
すなわち、本発明においては前記目の視感特性度の中心波長に近接した波長帯値の範囲内で色の波長帯を拡大することを前提とする。
また、本発明においては前記第1CLC層の上部表面改質処理段階は、前記第1CLC層と第2配向膜間の接触角大きさを15゜未満とし、前記基板上に第1配向膜を形成する段階前に光吸収層を形成する段階を含むことを特徴とする。
第一に、CCFの反射波長範囲を容易に調節することができる。
第二に、CLC層上部に形成される配向膜のコーティング特性を向上させて、生産収率を高めることができる。
第三に、高色純度特性及び高輝度特性が付加された製品の開発を通じて、市場競争力を向上させることができる。
図4は、本発明によるCCF反射型液晶表示装置に対する断面図である。
図示したように、相互に一定間隔離隔されるように対向して第1基板110、第2基板130が配置されていて、第1基板110、第2基板130間に液晶層150が介在している構造において、第2基板130の透明基板100内部面にはサブピクセル単位で薄膜トランジスタT及び薄膜トランジスタTと連結した画素電極132が形成されている。
図面に提示しなかったが、前記薄膜トランジスタTは、ゲート信号電圧が印加されるゲート電極及びデータ信号電圧が印加されるソース電極及びドレイン電極で構成される。
また、第2基板130の透明基板100外部面には位相差補償素子である位相差板134及び偏光板136が順序通り配置されている。
一般的に、前記位相差板134は、λ/4だけの位相差を与えるQWPで構成されて、前記偏光板136は偏光軸と一致する光だけを透過させる線偏光板で構成される。
そして、前記第1基板110の透明基板100内部面には光吸収層112及び二重層構造のCCF 125が順序通り形成されている。
前記CCF 125は、下部層を形成する第1CLC層116と、第1CLC層116の上部層を形成する第2CLC層120の積層構造で構成されて、第1CLC層116の下部には第1配向膜114をさらに含んで、前記第1CLC層116と第2CLC層120間接触界面には第2配向膜118をさらに含む。第2CLC層120を覆って共通電極122が形成される。
前記第1CLC層116は、サブピクセル単位で第1赤、緑、青CLC層116a、116b、116cで構成されて、前記第2CLC層120は第2赤、緑、青CLC層120a、120b、120cで構成される。前記第2CLC層120の第2赤、緑、青CLC層120a、120b、120cは前記第1赤、緑、青CLC層116a、116b、116cとカラー別に対応するよう配置して形成される。
前記光吸収層112は、CCF 125を形成する物質または製品特性によって省略することができる。
図面に提示しなかったが、前記液晶層150と接する第1基板110、第2基板130の内部面には配向処理された第1配向膜、第2配向膜をさらに含む。
一例として、緑色CCFの場合中心波長550nmを基準に第1緑色CLC層は、500nm〜550nm、第2緑色CLC層は550nm〜600nmの反射波長帯域を有するようにして、全体緑色CCFの反射波長幅を100nm水準に高めることを特徴とする。
また、本発明においては前記第1CLC層116の上部表面を表面改質(surface reforming)処理を通じて第1CLC層116と第2配向膜118間に接触特性を向上させたことを特徴とする。
前記第1CLC層116の表面改質は、プラズマを利用することが望ましく、反応ガスとしては表面改質前/後にして接触特性及びCLCの透過度特性が良好に示されるH2にすることがさらに望ましい。
この段階では、基板上に配向液を500Å〜2,000Å厚さにコーティングして焼成して第1配向膜を形成する段階と、第1配向膜表面を一定角度に配向処理する段階を含む。
前記第1配向膜の配向処理は、ローラを利用した機械的な摩擦を通じて一定角度にラビング処理する方法を選択でき、CLC液晶分子とのプリチルト角が10゜以下であるものが望ましい。
前記第1配向膜を形成する配向液物質は、ポリイミドまたはポリアミック酸系TN用配向液物質のうちいずれか一つから選択されることができる。
この段階では、単分子物質または高分子物質から選択されたネマティック液晶とキラルドーパントを1:1ないし10:1の比率に混合して初期状態の反射中心波長を200nm〜400nmに決定する段階を経て、第1CLC層を形成する。
前記混合された液晶物質は、要求される膜厚さを考慮して、35%ないし55%の溶液になるように溶媒に溶かした後0.2mm以下のフィルターでろ過してパーティクルを除去する。用いられる溶媒としてはトルエン(Toluene)、キシレン(Xylene)、NMP(N−methyl−2−pyrrolidone)のうちいずれか一つから選択されることができる。
ST1段階を経て形成された第1配向膜上に前記混合液晶物質をスピンコーティング(spin coating)方法により2mm〜5mm厚さに形成する。前記混合液晶物質が単分子物質である場合には、全体溶液の0.2%〜5.0%の光開始剤を含むことが望ましく、さらに望ましくは1.0%〜2.0%を含むものである。
前記ST2段階を経て形成された第1CLC層は、300〜400nm近くの紫外線(UV)を吸収する。前記CLCは螺旋構造の回転周期長さで定義されるピッチを持っていて、ピッチの長さすなわち反射波長はUV吸光量によって変わる特性を有する。一例として、365nmのUV照射線の露光量を100mJ〜700mJになるように調節して第1CLC層に所望する量だけ365nmのUVを照射する方法で第1赤、緑、青CLC層を形成してこれらで構成された第1CLC層を完成する。
すなわち、この段階では365nmのUV照射線露光量が100mJ〜700mJになるように調節して、前記1次的に形成した第1CLC層に照射して、第1赤、緑、青CLC層で構成される第1CLC層を完成する。
本発明に利用されるCLC物質は、300〜400nmのUVで構造が変わる分子構造を持っており、UV照射量によってCLCのピッチが変わることによって波長変化を有する。
前記第1赤、緑、青CLC層を形成した次に、前記CLC層物質を安定に硬化させるために400〜450nmのUV照射線を露光量が100mJ〜30,000mJになるように調節することが望ましく、さらに望ましくは600mJ〜18,000mJにする。望ましくはUVの波長を450nmにする。
また、この段階は、400〜450nmで最も反応性が高い光開始剤を選択することが望ましく、これのためには光開始剤の種類及び濃度を調節する方法がある。
この段階では、400nm以下を遮断するフィルターを用いて300〜400nmで起こるCLCピッチ変化を除いて光硬化反応だけを效果的に遂行させるようにする。また、硬化度を高めるために窒素(N2)、アルゴン(Ar)などのガスを除去(purging)しながら光硬化反応を進行することがさらに望ましい。
図示したように、表面改質処理段階を経る前、第1CLC層表面の接触角は配向膜溶液に対して45゜以上の値を有するに反し、水素及び酸素プラズマ処理による表面改質処理後には15゜未満の値を有することが分かる。
前記表面改質段階に利用される反応ガス種類及びプラズマチャンバー(chamber)の条件、処理時間によって表面改質の程度は変わって、そのうちからコーティング性、接着性面で有利な条件を探すことが重要である。
すなわち、水素プラズマ処理が配向膜のコーティング性及び配向膜形成後CLC層の透過度特性に影響をおよぼさない最も良い結果を与えることが分かる。
しかし、酸素プラズマ処理後にはCLC層に損傷を与えてプラズマ処理前、後に透過スペクトラムが変化してCLC層の設計された中心波長を移動させることが分かる。
結論的に、反応ガスの種類及び処理条件によって多様にCLC層の表面を改質させることができるので、改質しようとする物質の種類または状態によって適正な条件を探すことが望ましい。
前記第2配向膜を形成する段階は、前記ST1の段階を適用できる。
すなわち、前記表面改質処理された第1CLC層上部に配向液物質をコーティングして、焼成して第2配向膜を形成する段階と、前記第2配向膜表面を配向処理する段階を経る。
本発明においては、前記ST3段階を経て第2配向膜と接する第1CLC層の表面改質段階を経たために、前記第1CLC層と第2配向膜間の接触特性を向上させることができる。
この段階は、前記ST2の第1CLC層を形成する段階を適用でき、前記第1CLC層とカラー別に対応するように第2CLC層を形成することが重要である。
この段階では、二重層構造CCFをさらに固めるために硬化処理する段階を含み、一例に150℃〜250℃のオーブンで1〜2時間熱硬化させることができる。
図示したように、赤、緑、青CCFは、逐次660nm、550nm、450nm附近で中心波長IIa、IIb、IIcを有して、カラー別反射波長幅は各々100nm水準であることが分かる。
しかし、本発明は前記実施例に限定されなくて、本発明の趣旨に外れない限度内で多様に変更して実施しても構わない。
110 第1基板
112 光吸収層
114 第1配向膜
116 第1CLC層
116a 第1赤CLC層
116b 第1緑CLC層
116c 第1青CLC層
118 第2配向膜
120 第2CLC層
120a 第2赤CLC層
120b 第2緑CLC層
120c 第2青CLC層
122 共通電極
125 CCF
130 第2基板
132 画素電極
134 位相差板
136 偏光版
150 液晶層
T 薄膜トランジスタ
Claims (37)
- 相互に一定間隔離隔されるように対向していて複数のサブピクセルが定義された第1基板、第2基板と;
前記第1基板、第2基板間に介在した液晶層と;
前記第2基板内部面に画面を具現する最小単位であるサブピクセル単位で形成されたスイッチング素子及び前記スイッチング素子と連結した画素電極と;
前記第2基板の外部面に順序通り形成された位相差板及び偏光板と;
前記第1基板内部面にサブピクセル単位で二個ずつの赤、緑、青カラーを相互に対応するよう配置し、該波長帯の光だけを選択的に反射させる二重層構造のCCFと;
前記CCFを覆う基板全面に形成された共通電極と;
前記二重層構造のCCFは、第1CLC層、第2CLC層の積層構造で構成され、前記第1CLC層下部には第1配向膜が形成されていて、第1CLC層、第2CLC層間区間には第2配向膜が形成されていて、前記第2配向膜と接触される第1CLC層の上部表面は機械的ラビング処理、アルカリ溶液処理、プラズマ処理またはイオンビーム処理による表面改質処理がなされていることを特徴とする反射型液晶表示装置。 - 前記CCFの該カラーの二個の積層されたCCFのそれぞれの中心波長は、該カラー範囲内で相異なるように形成されて該カラーの反射波長領域を広げることを特徴とする請求項1に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記第1CLC層は、第1反射波長帯だけを反射して第2CLC層は第2反射波長帯だけを反射することを特徴とする請求項1に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記第1反射波長帯は、前記第2反射波長帯と中心波長の差が50nm以下であることを特徴とする請求項3に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記第1反射波長帯は、500から550nmの波長帯を形成して、第2反射波長帯は550から600nmの波長帯を形成することを特徴とする請求項4に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記第1CLC層は、サブピクセル単位で各々第1反射波長帯を反射する第1赤、緑、青色のCLCカラーフィルムを含み、前記第2CLC層もサブピクセル単位で各々第2反射波長帯を反射する第2赤、緑、青色のCLCカラーフィルムを含むことを特徴とする請求項4に記載の反射型液晶表示装置。
- 第1赤色CLCカラーフィルム、第2赤色CLCカラーフィルムは同じサブピクセルに対応するように形成されて、第1緑色CLCカラーフィルム、第2緑色CLCカラーフィルムも同じサブピクセルに対応するように形成され、第1青色CLCカラーフィルム、第2青色CLCカラーフィルムも同じサブピクセルに対応するように形成されることを特徴とする請求項6に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記第1赤、緑、青色カラーフィルム、第2赤、緑、青色カラーフィルムは一つのピクセルを形成することを特徴とする請求項7に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記二重層構造のCCFにより反射されるそれぞれの赤、緑、青色は、100nmの波長帯幅を有していることを特徴とする請求項1に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記第1配向膜、第2配向膜の厚さは、500から2000Åのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項1に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記CCFを形成する第1配向膜下部には光吸収層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記位相差板は、λ/4だけの位相差を与えるQWPで構成されて、前記偏光板は偏光軸と一致する光だけを透過させる線偏光板であることを特徴とする請求項1に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記第1CLC層の上部表面改質処理は、プラズマ処理により行われたことを特徴とする請求項1に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記プラズマ処理に利用される反応ガスは、水素(H2)ガスであることを特徴とする請求項13に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記プラズマ処理に利用される反応ガスは、酸素(O2)ガスであることを特徴とする請求項13に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記第1CLC層の上部表面改質処理は、イオンビーム処理により行われたことを特徴とする請求項1に記載の反射型液晶表示装置。
- 画面を具現する最小単位であるサブピクセルが定義された基板上に第1配向膜を形成する段階と;
前記第1配向膜上部に、第1反射波長帯を反射してサブピクセル単位で第1赤、緑、青カラーフィルムを含む第1CLC層を形成する段階と;
前記第1CLC層上部表面を機械的ラビング処理、アルカリ溶液処理、プラズマ処理またはイオンビーム処理によって表面改質処理する段階と;
前記改質処理された第1CLC層上部に第2配向膜を形成する段階と;
前記第2配向膜上部に位置し、前記第1CLC層カラーと対応して第2反射波長帯を反射して第2赤、緑、青カラーフィルムを有する第2CLC層を形成する段階を含み、前記第2赤、緑、青カラーフィルムは前記第1赤、緑、青カラーフィルムと同じサブピクセルに同じ色が対応するように形成することを特徴とする二重層構造CCFの製造方法。 - 前記第1、2赤、緑、青カラーフィルムは、一つのピクセルを構成することを特徴とする請求項17に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1反射波長帯は、前記第2反射波長帯と中心波長の差が50nm以下であることを特徴とする請求項17に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1反射波長帯は、500から550nmの波長帯を形成して、第2反射波長帯は550から600nmの波長帯を形成することを特徴とする請求項19に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記二重層構造のCCFにより反射されるそれぞれの赤、緑、青色は、100nmの波長帯幅を有していることを特徴とする請求項17に記載の反射型液晶表示装置。
- 前記第1配向膜、第2配向膜を各々形成する段階では、基板上に配向液を500Å〜2,000Å厚さにコーティングして焼成処理を経て配向膜を形成する段階と、前記配向膜表面を一定角度に配向処理する段階を含むことを特徴とする請求項17に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1配向膜を形成する配向液物質は、ポリイミドまたはポリアミック酸系TN用配向液物質のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項22に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1配向膜の配向処理は、ローラを利用した機械的な摩擦を通じて一定角度にラビング処理することであってCLC液晶分子とのプリチルト角が10゜以下に形成することを特徴とする請求項22に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1CLC層、第2CLC層を各々形成する段階では、ネマティック液晶とキラルドーパントを1:1ないし10:1の比率に混合して、前記混合液晶物質の初期状態の反射中心波長を200nm〜400nmに決定する段階と;
前記混合液晶物質に露光量が100mJ〜700mJである第1UV照射線を照射して赤、緑、青カラーフィルターを有するCLC層を形成する段階と;
前記CLC層に露光量が100mJ〜30,000mJである第2UV照射線を照射して前記CLC層を硬化させる段階とを含むことを特徴とする請求項17に記載の二重層構造CCFの製造方法。 - 前記ネマティック液晶とキラルドーパントの混合物は、35%ないし55%の溶液になるように溶媒に溶かした後0.2mm以下のフィルターでろ過してパーティクルを除去することを特徴とする請求項25に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記溶媒としてはトルエン(Toluene)、キシレン(Xylene)、NMP(N−methyl−2−pyrrolidone)のうちいずれか一つから選択されたことを特徴とする請求項26に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1UV照射線は、300から400nmのうち一つの波長を有しており、前記第2UV照射線は400から450nmのうち一つの波長を有していることを特徴とする請求項25に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1UV照射線は、365nmの波長を有しており、前記第2UV照射線は405nmの波長を有していることを特徴とする請求項25に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記赤、緑、青カラーフィルムの形成は、前記第1UV照射線の露光量により決定されることを特徴とする請求項25に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記赤、緑、青カラーフィルムを硬化する段階の前記第2UV照射線の露光量は、600mJ〜18000mJであることを特徴とする請求項25に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1CLC層上部表面を改質処理する段階は、プラズマ処理を通じて行われることを特徴とする請求項17に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記プラズマ処理段階に利用される反応ガスは水素及び酸素ガスのうち一つであることを特徴とする請求項32に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記プラズマ処理時間は、60秒であることを特徴とする請求項32に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1CLC層上部表面を改質処理する段階は、イオンビーム処理を通じて行われて、同一エネルギーのパーティクルだけろ過する過程を含むことを特徴とする請求項17に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記第1CLC層の上部表面改質処理段階は、前記第1CLC層と第2配向膜間の接触角大きさを15゜未満とすることを特徴とする請求項17に記載の二重層構造CCFの製造方法。
- 前記基板上に第1配向膜を形成する段階前に、光吸収層を形成する段階を含むことを特徴とする請求項17に記載の二重層構造CCFの製造方法。
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