KR100865843B1 - 금속격자를 이용한 단일갭형 반투과형 프린지 필드 스위칭액정표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프린지 필드 스위칭 모드 (Fringe Field Switching : 이하 FFS라 칭함)에서 금속격자(Wire Grid)를 이용한 단일갭형 반투과형 액정 표시소자를 개시하며, 투과영역과 반사영역의 셀갭이 동일한 프린지 필드 스위칭 모드 액정표시장치에 있어서, 개시된 본 발명은 반사영역에 금속격자를 사용함으로써 기존의 반투과형 액정 표시소자에서 반사영역과 투과영역의 광학특성을 같게 하기 위해 사용됐던 보상필름과 내장형 위상자와 같은 위상지연필름을 사용하지않아 비용이 감소하고, 반사영역과 투광영역 사이의 서로 다른 응답시간과 이중 감마커브를 해결하며 높은 투과율과 반사율 효과를 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다.

반투과형 액정 표시소자, 금속격자, 프린지필드 스위칭 모드

Description

금속격자를 이용한 단일갭형 반투과형 프린지 필드 스위칭 액정표시소자 {A single gap transflective fringe-field switching display using Wire Grid}

도1은 FFS모드의 미세 패턴한 금속격자를 이용한 단일갭형 반투과형 액정표시소자에서 전압인가 전의 단면도

도2는 FFS모드의 미세 패턴한 금속격자를 이용한 단일갭형 반투과형 액정표시소자에서 전압인가시 단면도

도3은 반사영역에서 전압인가 여부에 따른 빛의 편광상태

도4는 투과영역에서 전압인가 여부에 따른 빛의 편광상태

도5는 미세 패턴 된 금속격자의 구조

도 6은 반사영역과 투과영역의 위상지연 값이 변함에 따라 전압인가에 따른 투과율 및 반사율곡선

본 발명은 금속격자를 이용한 단일갭형 반투과형(transflective) 액정표시소자(liquid crystal display: 이하 LCD라 칭함)에 관한 것으로, 특히 하부 기판의 반사영역에 공통전극을 플레이트(plate) 형태로 패턴 하지 않고 격자 모양으로 패턴시켜 와이어 그리드(wire grid) 편광판 효과를 갖게 하고, 보상필름을 사용하지않아 비용의 절감효과를 가지는 FFS모드의 반투과형 액정 표시소자에 관한 것이다.

반투과형 액정 표시소자는 주위의 광원이 어두운 실내의 환경에서는 투과형의 백라이트(backlight)의 광을 액정의 방향자 변화에 의해 스위칭하고 밝은 실외의 환경에서는 외부의 광을 반사판에 의해 반사시켜 액정 방향자의 변화에 의해 스위칭 되기 때문에 옥내외에서 좋은 시인성을 확보할 수 있다. 이로써 사용환경이 다양한 모바일 액정표시소자에 반투과형 액정 표시소자가 사용되고 있다. 최근에 이러한 이동형 장치(Cellular Phone, Personal Digital Assistant)를 통한 TV나 영화와 같은 동영상의 시청을 위하여 고화질의 액정표시소자가 요구되어 지고 있다. 한편, 종래의 액정표시소자는 비틀린 네마틱(Twisted Nematic : TN) 모드를 주로 사용해 왔다. 그러나 이러한 비틀린 네마틱(Twisted Nematic : TN) 모드는 화질이 시야각 의존성을 갖는다는 문제가 제기 되어서 그 해결 방안으로서 FFS 모드가 제안되었으며, 이러한 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD에 대해서도 활발하게 연구되어 지고 있다.

하지만 지금까지 제시된 FFS 반투과형 LCD들은 반사영역과 투과영역의 광학상태를 맞추기 위해 보상필름이나 내장형 위상자와 같은 위상지연필름을 사용하기 때문에 비용이 증가하고, 필름를 사용함으로써 생기는 여러 가지 문제점과, 반사 영역과 투과 영역에서의 구동 조건이 다르기 때문에 구동시 두 영역을 각각 구동해야 하는 문제점 등이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 반사영역의 공통전극을 플레이트(plate)형태가 아닌 격자형태로 패턴 시켜 와이어그리드(wire grid)효과를 갖게 하여 보상필름과 내장형 위상자와 같은 위상지연필름을 사용하지않아 비용을 절감시켰고, 반사영역과 투과영역의 셀갭을 동일하게 하는 동시에 같은 전압에서 반사율과 투과율이 최대로 발생하기 때문 하나의 회로로 구동시키고, 반사율과 투과율이 높은 프린지 전기장을 이용한 반투과형 LCD를 제작하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이격 배치된 하부기판과 상부기판; 상기 하부기판의 내측 면 상에 프린지 필드를 형성하도록 절연막의 개재하에 형성되며, 투과영역은 ITO(Indium Tin Oxide)로 된 플레이트 형태의 공통전극과 격자 형태의 화소전극; 반사영역은 금속전극을 격자모양으로 미세 패턴시킨 공통전극과 ITO(Indium Tin Oxide)로 된 격자 형태의 화소전극; 상기 상부 기판; 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이에 개재되는 수개의 액정 분자들로 구성된 액정층; 상부 편광축과 하부 편광축이 서로 수직이며 액정 방향자가 편광판축에 수직 또는 수평방향으로 러빙되어 배열하는 정규암흑(Normally Black)상태를 나타내며 반사영역과 투과 영역의 샐갭이 동일한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 화소 전극의 폭과 전극간 거리를 각각 6μm이하와 10μm이하로 하였다.

이하, 본 발명에 따른 FFS모드를 이용한 반투과형 LCD에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도1은 FFS모드의 미세 패턴 한 금속격자를 이용한 단일갭형 반투과형 액정표시소자에서 전압인가 전의 단면도이다. 도시한 바와 같이, 하부 기판은 하부 편광판(9)과 하부 편광판 상부에 위치한 하부 유리 기판(8)과, 하부 유리 기판(8) 상부에는 공통전극이 반사영역에는 격자형태로 미세패턴 된 금속(4)이 형성되어져 있으며, 투과 영역에는 플레이트 형태의 ITO(7)가 형성되어있고, 공통전극(4,7) 상부에는 반사영역과 투과영역에 동일한 격자 모양을 갖는 화소 전극이 존재한다. 화소 전극과 공통전극 사이에는 절연막(6)이 존재하고 화소 전극 상부에는 액정 층(3)이 위치한다. 액정 층(3)의 상부에는 상부 유리기판(2)이 위치하고 ,상부 유리 기판(2)의 상부에는 상부 편광판(1)이 존재한다. 여기에서 반사영역에 공통전극을 격자모양으로 미세패턴 시키는 이유는 프린지 필드에 영향을 그대로 가져가면서 와이어그리드(wire grid) 편광판의 효과까지 동시에 갖게 해서 비용을 줄이고 셀구조를 단순화시키기 위함이다.

도2는 FFS모드의 미세 패턴 한 금속격자를 이용한 단일갭형 반투과형 액정표시소자에서 전압인가시 단면도이다. 액정표시소자에 구동전압인가시 반사영역과 투과영역에 관계없이 액정 방향자(3)는 45도 회전되어 밝음 상태를 구현한다.

도3는 반사영역에서 전압인가 여부에 따른 빛의 편광상태를 보여주고 있다. 전압을 인가하지 않은 상태에서 빛이 반사영역으로 들어가는 경우 전기장이 형성되지 않으므로 액정이 기판에 수평한 형태로 러빙방향에 일치하거나 수직인 방향성을 갖고 존재한다. 따라서 입사된 빛은 상부편광판(1)에 의해 선편광(a)되며(금속격자의 길이방향과 수직인 방향) 그 빛(a)이 편광변화 없이 액정(3)을 통과하며, 상부 편광판과 액정의 러빙축이 일치하거나 수직이기 때문에 통과된 빛의 회전은 없다. 액정을 통과한 빛(b)이 금속격자의 길이 방향과 수직으로 되게 설계되었기 때문에 그대로 미세 패턴된 금속격자를 통과하게 된 빛(c)은 하부 편광판(9)의 흡수축에 흡수된다. 따라서 전압을 인가하지 않은 상태에서 입사된 빛은 액정(3)을 통과하는 동안 편광방향의 변화는 없으며 하부편광판(9)에 의해 모두 차단된다. 하지만 전압을 인가하게 되면 액정이 프린지 전기장에 의해 45도 회전되기 때문에 상부편광판을 통과해 선편광된 빛(a)이 45도 회전된 액정층을 통과하게 되면 90도 회전된 선편광된 빛(b)이되고, 이 빛(b)이 미세패턴된 금속격과의 길이방향과 일치하기때문에 금속격자에 의해 반사되어 나온 빛(d)은 다시 45도 회전된 액정층(3)을 통과하게되어 상부 편광판의 투과축과 일치하는 빛(e)이나와 밝음 상태를 구현한다.

도4는 투과영역에서 전압인가 여부에 따른 빛의 편광상태를 보여주고 있다. 전압을 인가하지 않은 상태에서 편광되지 않은 빛이 투과영역으로 들어가는 경우 전기장이 형성되지 않으므로 액정이 기판에 수평한 형태로 러빙방향에 일치하거나 수직인 방향성을 갖고 존재한다. 따라서 백라이트에 의해 편광되지 않은 빛이 하부편광판(8)에 의해 선편광(a)되며, 이 선편광된 빛(a)이 편광변화 없이 플레이트 형태의 공통전극(7)과 액정(3)을 통과하며, 하부 편광판과 액정의 러빙축이 일치하거나 수직이기 때문에 통과된 빛의 회전은 없다. 액정을 통과한 빛(c)이 상부 편광판(9)의 흡수축에 흡수된다. 따라서 전압을 인가하지 않은 상태에서 입사된 빛은 액정(3)을 통과하는 동안 편광방향의 변화가 발생하지 않으므로 90도로 교차되 있는 두장의 편광판에 의해 어둠 상태가 된다. 하지만 전압을 인가하게 되면 액정이 프린지 전기장에 의해 45도 회전되기 때문에 하부편광판을 통과해 선편광된 빛(a)이 45도 회전된 액정층을 통과하게 되면 90도 회전된 선편광된 빛(c)이되고, 이 빛(c)이 상부 편광판의 투과축과 일치하여 밝음 상태를 구현한다.

도 5는 미세 패턴된 금속격자의 구조를 보여준다. 전극 높이(h)는 50nm~500nm이고, 전극폭(d₁)과 전극간격(d₂)의 합을 1이라 할 경우, 전극폭은 0.3~0.7의 범위를 가지도록 하며, 전극간격은 전극폭 및 간격의 합에서 전극폭의 너비를 차감한 값을 가지는 수십에서 수백 nm 의 금속격자를 이용한다. 이렇게 미세하게 패턴된 금속 격자는 와이어그리드(wire grid) 편광판 효과를 가져와 특정한 편광상태의 빛을 투과하거나 반사시키는 특징이 있다.

도 6은 반사영역과 투과영역의 위상지연값이 변함에 따라 전압인가에 따른 투과율 및 반사율곡선을 보여준다. 반사영역과 투과영역 모두 위상지연값이 증가함에따라 투과율과 반사율이 증가하지만 0.40um부터는 더 이상 증가하지않음을 보여주고 있다. 또한, 투과영역과 반사영역의 구동전압은 4.2v로 구동전압이 일치하는 것을 알수 있다.

따라서 본 발명은 FFS 모드를 이용한 단일갭형 반투과형 액정 표시 장치의 제작이 가능한 효과가 있으며 보상필름을 사용하기 않기 때문에 단가 절감의 효과가 있다. 또한 반사형과 투과형으로 구동 가능하기 때문에 외부 광원의 세기와 관계없이 어떤 환경에서도 시인성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한 반사영역의 공통전극을 미세한 격자모양으로 패턴함으로서 와이어그리드(wire grid)효과를 발생시켜 반사영역의 액정층과 투과영역의 액정층이 동일한 전압에서 구동되게 함으로써 하나의 구동회로를 사용하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 하부 편광판과;

   상기 하부 편광판의 상부에 위치한 하부 기판과;

   상기 하부 기판의 상부에 위치한 공통전극과;

   상기 공통 전극의 반사영역에는 반사율이 뛰어난 금속을 미세한 격자형태로 패턴한것과;

   상기 공통전극의 투과영역에는 투과율이 좋은 전극으로 플레이트 형태로 패턴한것과;

   상기 공통전극 상부와 화소 전극 하부에 위치한 절연층과;

   상기 절연층 상부에 위치한 화소 전극 폭이 6㎛이하이고, 화소 전극 간 간격은 10㎛이하의 격자 형태의 투명 전극인 화소 전극과;

   상기 상부 화소 전극의 상부에 위치한 수평 배열된 액정층과;

   상부 기판과;

   상기 상부 기판 상부에 위치한 상부편광판과;

   상기 공통전극의 반사영역을 미세한 격자형태로 패턴 함으로써 와이어그리드(wire grid) 편광판효과와 전극역할을 동시에 하는 금속격자를 이용한 단일갭형 반투과형 FFS 모드의 액정표시소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 반사영역의 공통전극을 격자 형태로 미세 패턴 하는 구조인 경우,

   전극 높이는 50nm~500nm이고, 전극 폭과 전극간격의 합을 1이라 할 경우, 전극 폭은 0.3~0.7의 범위를 가지도록 하며, 전극간격은 전극폭 및 간격의 합에서 전극 폭의 너비를 차감한 값을 가지는 수십에서 수백 nm 의 금속격자를 이용한 단일갭형 반투과형 FFS 모드의 액정표시소자.

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