KR100415334B1 - 액정디스플레이장치및지연호일 - Google Patents

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Abstract

액정 디스플레이 셀은, 셀을 가로질러 관찰할 때, 파상(비회전) 대칭 굴절률 패턴이나 굴절률 타원체를 갖는 보상층을 포함한다. 작은 각도 의존도를 얻기 위해, 보상층의 관련 복굴절은 상기 액정 셀에 걸친 소정의 전압과 관련된 복굴절에 상호 보완된다. 그 결과로 보상층의 광축은 구동된 상태의 디렉터 방향과 거의 일치한다. 보상층은 많은 다양한 방법으로, 디스코틱 액정 물질을 근거로 한 호일이나 콜레스테릭 호일을 이용함으로서 제조될 수 있다.

Description

액정 디스플레이 장치 및 지연 호일
본 발명은 청구범위 제18항의 전제부에 따른 지연 호일에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이와 같은 지연 호일을 구비한 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다.
이러한 유형의 디스플레이 장치는 일반적으로 예를 들어, 모니터, TV 애플리케이션, 자동차 및 계측기등에서의 디스플레이 장치에 사용된다.
서문에 기술된 유형의 디스플레이 장치는 EP0.576.342 A1에 공개되어 있다. 이러한 디스플레이 장치에서 나선 배열을 갖는 폴리머 물질로 된 광학적 이방성층으로 구성된 보상 호일은 트위스트 네마틱 디스플레이 장치에서 복굴절을 보상하고 높은 콘트라스트를 얻기 위해 사용된다. 폴리머 물질은, 나선 축이 상기 층에 소정 각도를 가지도록 하여 분자 나선이 구별될 수 있는 방식으로 배열된다.
그러나, 실제로 이와 같은 보상 호일을 구비한 디스플레이 장치는 너무 두꺼워질 것이다. 따라서 본 발명에 따른 지연층은, 광학적 이방성층이 양호하게는 그 경계면들중 적어도 하나 상에서 톱니 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 복수의 픽셀을 사용하는 장치에 있어서, 톱니 구조의 피치는 양호하게는 픽셀 크기 정도이거나 그보다 작다.
만일 양쪽 경계면 모두가 톱니 구조로 형성된다면, 톱니의 방향, 즉, 각 톱니의 두께가 증가하는 방향은 서로에 대하여 예를 들어 90도로 회전될 수 있다. 이와 같은 구조는 보다 작은 지연을 가진다(정상 광경로 길이와 비정상 광경로 길이간의 차이는 d.△ n으로 표시되고, 여기서 d 는 물질의 두께이고, △ n은 광학적 이방성이다).
다른 방법으로서, 광학적 이방성층은 서브층들로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 이 층은 서브층으로서 일축성 호일(uniaxial foil)을 포함할 수 있다. 또한 광학적 이방성층은 폴리머화된 디스코틱 액정 물질층을 포함할 수도 있다.
도면에 있어서, 제 1 도는 본 발명에 따른 액정 디스플레이 장치의 일부의 단면도이며, 제 2 도는 제 1 도의 장치 일부를 도시한 도면이며, 제 3 도는 제 2 도의 장치의 광학적 거동을 굴절률 타원체로 도시하는 도면이며, 제 4a 도 내지 제 4c 도는 제 1 도의 장치의 다수의 변형을 도시하는 도면이며, 제 5 도는 콜레스테릭 배열을 갖는 광학적 이방성층에서 사용되는 액정 구성의 구조 공식을 도시하는 도면이며, 제 6a 도 및 제 6b 도는 제조하는 동안 이러한 광학적 이방성층에서 디렉터 패턴의 가능한 외부 영향을 도시하는 도면이며, 제 7 도는 이러한 외부 영향이후 디렉터 패턴에서의 가능한 분포를 도시하는 도면이고, 제 8a 도 및 제 8b 도는 투과/전압 특성내의 여러 전압에서 광학적 이방성축에 의해 각도 의존도가 줄어드는 방법을 도시하는 도면이다.
제 1 도는 전극(5),(6)을 구비한 2개의 기판(예를 들어, 유리)(3),(4) 사이에 있는 꼬인 네마틱 상태의 액정 물질(2)로 이루어진 액정 셀(1)을 포함하는 액정 디스플레이 장치의 일부 단면도이다. 이 장치는 또한 편광 방향이 서로 수직으로 교차되는 두개의 편광자(7),(8)를 구비한다. 이 장치는 기판 내벽상의 액정 물질을, 이 실시예의 경우 상기 편광자의 편광축의 방향으로 배향시키는 배향층(도시되지 않음)을 더 포함하여, 셀이 90°의 꼬임각을 갖게 한다. 이 경우, 액정 물질은 양의 광학적 이방성과 양의 유전 이방성을 갖는다. 전극(5),(6)에 전압이 가해지면, 분자 및 디렉터는 전기장의 방향으로 배향된다. 이상적인 경우, 모든 분자는 두 기판에 거의 수직(제 2 도 (11)의 위치)이 된다. 그러나, 실제적으로는 이러한 위치는 너무 높은 전압을 요구하므로, 통상의 전압에서 분자는 제 2 도의 위치(12)와 같이, 기판(3),(4)의 법선에 대해 작은 각도로 연장된다. 방향(13)에서, 시야각은 분자의 방향과 다소 일치하므로 이 전압에서 투과되는 광에 여전히 각도 의존도가 발생된다. 이 각도 의존도는 광의 전계 성분 벡터가 진동할 수 있는 각 방향에 대한 굴절률의 3 차원 기하학적 표시인 '굴절률 타원체(optical indicatrix)'에 의해 설명될 수 있다. 굴절률 타원체는, 광학적 등방성 물질에 대하여 볼록(convex)하고, 이중축의 물질에 대해서는 타원형이고, 단일축의 물질에 대해서는 축 대칭의 타원형이다. 이상적인 경우에서 구동 상태의 액정 물질은 전 두께에 걸쳐 실질적으로 단일 축이므로(기판 근처의 일부 분자층을 제외하고, 모든 분자층에서 분자가 기판에 수직임), 제 2 도의 위치(11)는 제 3 도의 굴절률 타원체(14)에 의해 표시될 수 있다. 굴절률 타원체(14)는 주축이 액정층을 가로지르는 타원형이고, 기판에 수직인 굴절률(nz)은 기판에 평행인 평면에서의 굴절률(nx= ny)보다 크다.
액정은 등방성이 아니므로 복굴절이 있다. 타원형이고 축이 액정층을 가로지르는, 제 3 도의 굴절률 타원체(15)로 복굴절을 보상할 수 있다. 여기서 기판에 수직인 굴절률(nz)이 기판에 평행인 평면의 굴절률(nx= ny)보다 작다. 유럽특허 EP-A 0,372,973에서 기술된 보상층은, 상기 관련된 굴절률 타원체가 상기 조건을 만족시키도록 제조될 수 있다. 이러한 보상층은 나선의 축이 그 층을 가로지르는 콜레스테릭 물질을 포함하므로, 그 층에 가로질러 관찰할 때, 디렉터 패턴은 회전대칭이 된다.
보다 실제적인 제 2 도의 위치(12)에 있어서, 굴절률 타원체(14')는 주축이 액정층에 가로지르는 축에 대해 작은 각도로 연장된다. 즉, 약간 기울어진다. 이 경우, 액정 물질과 편광자(8) 사이에 위치하고, 굴절률 타원체가 위치(11)에 적합한 보상층(9)은 효과가 거의 없다.
본 발명은, 예를 들어 위치(12)를 더욱 실제적으로 조정하여 복굴절이 거의 완전히 보상되도록 굴절률 타원체(15')를 갖는 광학적 이방성 보상층(9)을 제공한다. 이 굴절률 타원체(15')는 굴절률 타원체(14')와 동일한 방식으로 주축이 대하여 기울어진다. 기판에 대하여 수직인 방향에서 관찰할 때, 광학적 이방성층의 디렉터 패턴은 비회전 대칭 패턴을 갖는다.
광학적 이방성층의 디렉터 패턴은, 예를 들어 EP-A 0,423,881에 개시된 광학적 이방성층을 구비한 콜레스테릭 호일이 이용되면, 회전 대칭이 될 수 있다. 대안적으로, 이방성 보상층(9)에 대한 기본 물질로 디스코틱(디스크 형상) 액정 물질이 사용될 수 있다. 물질을 폴리머화하기 위하여 이러한 디스코틱 분자에는 반응군(reactive group)이 제공될 수 있다. 폴리머화에 의하여, 그리고 예들 들어온도나 다른 주변 조건에 따라서, 원하는 배열이 제공될 수 있다. 여기서, 이방성 보상층을 가로지르고, 이방성 보상층과 평행인 평면의 굴절률(nx= ny)보다 작은 굴절률(nz)을 갖는 층이 얻어진다.
상기 호일(9)을 약간 기울임으로써(제 4a 도), 기판을 가로질러 관찰할 때, 파상 디렉터 패턴이 구해진다. 반사를 피하기 위해, 사이 간격을 기판 물질 또는 호일 물질과 동일한 굴절률의 물질(10)(예를 들면, UV 폴리머화 물질(UV-polymerized ethoxylated bisphenol-A diacrylate))로 메울 수 있다.
전체적 크기로 볼 때, 이러한 구조는 매우 흐리게 될 수 있다. 콜레스테릭 필터를 제조하는 공정, 즉 기판상에 제 5 도에서 도시된 액정 모노머(liquid chiral crystal monomer)를 박막으로 제공한 후 폴리머화하는 공정 중, 제 6 도에 도시된 바와 같이 바람직한 결과를 산출하는 다수의 변화가 있다. 예를 들면, 제조 공정은 톱니 형태의 기판을 근거하여 제 4b 도에 도시된 호일(9)을 만들 수 있다. 이 광학적 이방성층은 양측에 톱니 구조를 갖고, 톱니의 긴 측은 기판(3),(4)에 대해 작은 각도로 연장된다. 제조 공정 중, 특별한 방법이 취해지지 않으면, 호일(9)을 구성하는 콜레스테릭 액정 물질내 분자 디렉터는 상기 긴 측에 평행한 방향으로 배향된다. 이것은 제 1 도 및 제 4 도의 광학적 이방성층(호일)(9)내의 빗금친 구조에 의해 도시된다. 호일(9)의 광축은 기판(3)과 액정 물질(2)로 형성된 액정 셀의 광축과 더 이상 일치하지 않고(본 실시예에서는 톱니와 같은 표면 방해를 무시하고, 광학적 이방성층내 적어도 일부의 디렉터 프로파일이 경계면에 대해 소정 각도로 제공되고, 호일과 경계를 이루는 표면으로 간주되는 경계면이 호일을 가로지르기 때문임), 결과적으로 기판을 가로지르는 방향과 기판에 대하여 소정 각도로 연장한다. 그래서, 호일내 디렉터 프로파일은 기판(3),(4)에 가로질러 관찰할 때, 파상 대칭이다. 톱니 패턴에 의한 광학적인 방해를 피하도록 톱니의 피치는 디스플레이 장치의 픽셀 치수보다 작게 선택된다. 호일의 양측에서의 톱니 패턴은 서로에 대해, 예를 들면 90°로 회전될 수 있다. 그러면 전체 구조는 더 작은 지연을 갖는다.
대안적으로, 한 경계면에만 톱니 구조를 제공하여 스플레이 변형을 호일(9)(제 4c 도)에 도입할 수 있다. 이때, 디렉터는 호일의 두께 일부에 걸쳐 기판에 평행한 평면에 대하여 소정 각도를 가지므로, 다시 파상 축 대칭이 얻어진다. 제조 공정 중, 평평한 기판을 이용하고 액체 콜레스테릭 물질이 제공될때 하나 또는 양 표면에 예비 경사를 유도함으로서 동일한 결과를 얻을 수 있다. 다음, 상기 구조를 동결(freeze)한 후 그 구조를 유지함으로써, 파상 축 대칭이며 기판에 평행한 평면에 대해 소정 각도를 갖는 많은 수의 디렉터를 얻을 수 있다.
디스코틱 액정 물질에 근거한 이방성층 또한 상기한 구조를 만들 수 있다. 디스코틱 분자의 디렉터는 법선에 대해 소정 각도로 연장되고, 호일은 기판(3),(4)을 가로질러 관찰할 때, 파상 대칭이 된다.
한 경계면에만 톱니 구조를 제공하여, 호일(9)에 휨(bend) 변형을 도입할 수 있다. 디렉터는 호일의 두께 일부에 걸쳐 기판을 가로지르는 방향으로 배향되지 않으므로, 파상 축 대칭이 다시 얻어질 수 있다.
광폴리머화(photopolymerization) 동안, 콜레스테릭층을 제조하는 경우, 본 실시예의 디렉터(17)가 위치한 표면(16)에 수직인 전기장(제 6a 도에서 화살표(18)로 표시함)을 인가할 수 있다. 이 전기장의 영향하에서(이 전기장은 예를 들어, 형성될 층에 평행한 전극상에 제공되며, 이 전극 중 하나는 액정 셀의 기판 상에 제공될 수 있음), 분자는 기울어진다. 모든 분자를 동일한 방향으로 기울어지게 하기 위하여(균일 경사), 상술한 방식으로 예비 경사가 도입된 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 경사가 자기장에 의해 도입되면, 제 6b 도에서의 화살표(9)로 표시된 바와 같이 표면(16)에 비스듬히 배향될 수 있다.
특별한 방법 없이, 디렉터는 보상층의 두께에 대해 작은 피치를 갖는 보상층에 가로지르는 나선을 따라 위치한다. 이러한 보상기는 축대칭이다. 즉, 디렉터는 모든 방향에서 실질적으로 동일한 정도로 나타난다. 제 7 도에서 점선으로 도시된 바와 같이, 소정의 방위각(θ)에 대한 선호성이 없다. 폴리머화하는 동안, 콜레스테릭층에 그 층을 가로지르는 자기장을 노출시킴으로써 이 축대칭을 파괴할 수 있다. 따라서 제 7 도에서 선(21)으로 도시한 바와 같이, 소정 방위각에 대한 선호성을 도입할 수 있다.
작은 △n을 갖는 단일축 호일을 호일(9)에 부가함으로서 비대칭 범위를 증가시킬 수 있다. 모노머층(예를 들어, (팽창된)셀룰로 트리아세테이트 또는 (팽창된)폴리카보네이트)이 배치된 기판이 예가 될 수 있다. 대안적으로, 폴리머화가 일부 종료된 후에 층이 약간 팽창되고, 모노머 층이 배치된 팽창 기판의 복굴절이 또한 대칭의 파괴에 기여할 수 있다.
이전에 언급한 수단(전기장이나 자기장으로 영향을 주고, 작은 복굴절을 갖는 단일축의 호일을 제공하고, 층을 팽창시킴)은 또한 디스코틱 물질을 기초로한 층내 호일의 축 대칭을 방해하는데 사용될 수 있다.
대칭의 '굴절' 범위는 또한 완전한 흡광(extinction)을 얻기 위하여 복굴절이 반드시 보상되어야 하는 전압 범위로 결정된다. 예를 들어, 액정 물질내 디렉터 위치가 제 2 도의 위치(11)에 도시된 것에서 거의 벗어나지 않은 소정 전압(Vcomp)(제 8a 도) 부근의 영역(22)이 투과/전압 곡선에서 선택될 수 있다. 이 경우에는 약간의 파상 대칭이면 충분하다. 액정 물질내 디렉터 위치가 제 2 도의 위치(11)에서와 상당히 벗어난 소정의 전압(Vcomp') (제 8b 도) 부근의 영역(22')이 투과/전압 곡선에서 선택되면 훨씬 더 강한 파상 대칭이 사용되어야 한다. 필요하다면, 액정층에 대해 보상층을 회전시켜 최적의 흡광을 얻을 수 있다. 대안적으로, 이방성층(9)은 다소의 파상 대칭 영역을 구비할 수 있다. 제 1 영역에서 시야각 의존도가 약간 과도하게 보상되고, 다른 영역에서는 거의 보상되지 않는다. 이 영역의 치수는 픽셀보다 작다. 이 방식으로, 대칭적인 시야각 의존도가 얻어진다. 본 발명은 물론 도시된 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다수의 호일(이방성층)(9)이 연속으로 배열될 수 있고, 예를 들면, 각각이 다른 소정의 전압 (Vcomp)에 대해 최적으로 보상할 수 있다. 대안적으로, 예를 들면 액정층의 다른 면에 두 개의 호일이 제공될 수 있다.
요약하면, 본 발명은, 하나 이상의 보상층을 포함하고, 셀을 가로질러 관찰할 때, 파상(비회전 대칭) 굴절률 패턴 또는 굴절률 타원체를 갖는 액정 디스플레이 셀을 제공한다. 작은 각도 의존도를 얻기 위해, 보상층의 관련 복굴절이 액정 셀에 걸친 소정의 전압과 관련된 복굴절과 상보적이 된다. 보상층은 콜레스테릭 또는 디스코틱 호일을 이 층에 대해 이용함으로서 많은 다른 방법으로 제조될 수 있다.

Claims (6)

  1. 폴리머 물질의 광학적 이방성층을 포함하는 지연 호일에 있어서, 상기 광학적 이방성층의 광축은 상기 광학적 이방성층의 가로 방향에 대해 소정 각도로 연장되고, 상기 광학적 이방성층은 그 경계면들중 적어도 하나 상에서 톱니 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 지연 호일.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학적 이방성층의 양쪽 모두의 면들이 톱니 구조를 가지며, 그 방향은 서로에 대하여 회전되어 있는, 지연 호일.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광학적 이방성층은 일축성 대칭(uniaxial symmetry)을 갖는 층을 포함하는, 지연 호일.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광학적 이방성층은 콜레스테릭 배열을 갖는 폴리머 물질 층을 갖는, 지연 호일.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광학적 이방성층은 폴리머화된 디스코틱 액정물질층(a layer of polymerized discotic liquid crystal material)을 포함하는, 지연 호일.
  6. 전극을 구비한 2개의 기판 사이에 네마틱 액정 물질층을 포함하는 디스플레이 셀을 갖는 액정 디스플레이 장치로서, 상기 셀은 편광자들을 더 구비하며 적어도 제 1 항, 제 2 내지 5항 중 어느 한 항에 따른 지연 호일을 포함하는, 액정 디스플레이 장치.
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