KR101717654B1 - 액정표시장치 - Google Patents

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KR101717654B1
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Abstract

본 발명의 액정표시장치는 적색, 녹색 및 백색 컬러필터를 사용하는 동시에 청색 광원(light source)을 사용하여 빛의 삼원색을 만드는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 컬러필터 하부에 색 변환층(color conversion layer)을 추가하고, 상부 편광판을 인-셀(in-cell) 타입으로 적용함으로써 색 변화 없이 투과율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
그 결과 본 발명은 기존 대비 해상도 및 순색 휘도의 저하 없이 투과율을 30% ~ 40% 향상시킬 수 있으며, 색 온도 개선에 따른 휘도 손실을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

액정표시장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컬러필터의 투과효율을 향상시킨 액정표시장치에 관한 것이다.
최근 정보 디스플레이에 관한 관심이 고조되고 휴대가 가능한 정보매체를 이용하려는 요구가 높아지면서 기존의 표시장치인 브라운관(Cathode Ray Tube; CRT)을 대체하는 경량 박막형 평판표시장치(Flat Panel Display; FPD)에 대한 연구 및 상업화가 중점적으로 이루어지고 있다. 특히, 이러한 평판표시장치 중 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)는 액정의 광학적 이방성을 이용하여 이미지를 표현하는 장치로서, 해상도와 컬러표시 및 화질 등에서 우수하여 노트북이나 데스크탑 모니터 등에 활발하게 적용되고 있다.
액정표시장치는 크게 컬러필터(color filter) 기판과, 어레이(array) 기판 및 컬러필터 기판과 어레이 기판 사이에 형성된 액정층(liquid crystal layer)으로 구성된다.
이하, 도 1을 참조하여 일반적인 액정표시장치의 구조에 대해서 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 보여주는 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 액정표시장치는 크게 컬러필터 기판(5)과, 어레이 기판(10) 및 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10) 사이에 형성된 액정층(30)으로 구성된다.
이때, 컬러필터 기판(5)은 적과, 녹 및 청의 색상을 구현하는 다수의 서브-컬러필터(7)로 구성된 컬러필터(C)와, 서브-컬러필터(7) 사이를 구분하고 액정층(30)을 투과하는 광을 차단하는 블랙매트릭스(6), 그리고 액정층(30)에 전압을 인가하는 투명한 공통전극(8)으로 이루어져 있다.
어레이 기판(10)은 종횡으로 배열되어 다수의 화소영역(P)을 정의하는 다수의 게이트라인(16)과 데이터라인(17), 각각의 게이트라인(16)과 데이터라인(17)의 교차영역에 형성된 스위칭소자인 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)(T) 및 화소영역(P) 위에 형성된 화소전극(18)으로 이루어져 있다.
이와 같이 구성된 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10)은 화상표시 영역의 외곽에 형성된 실런트(sealant)(미도시)에 의해 대향하도록 합착되어 액정패널을 구성한다. 이때, 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10)의 합착은 컬러필터 기판(5) 또는 어레이 기판(10)에 형성된 합착키(미도시)를 통해 이루어진다.
액정표시장치에 사용되는 컬러필터(7)는 염료(dye) 또는 안료(pigment)를 이용하여 불필요한 색상의 광은 흡수하여 소멸시키고 구현하고자 하는 색상의 광만 투과시켜 컬러를 구현한다. 이에 따라 하나의 서브-화소를 기준으로 입사된 백색광에서 RGB 삼원색 중 한가지색만 투과시킴으로써 투과율이 30%이상 되기 어렵다. 이러한 이유로 액정패널의 투과효율이 매우 낮아 백라이트에 의한 전력 소비가 증가하게 된다.
도 2는 일반적인 액정표시장치의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이며, 컬러필터의 투과효율이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 백라이트 유닛은 광원(45), 도광판(41), 반사판(42), 광학시트(43)를 포함하며, 백라이트로부터 입사된 광은 편광판(11, 1), TFT 어레이, 액정층(30) 및 컬러필터(7)를 거치면서 광량이 줄어들게 됨에 따라 투과효율이 감소하게 된다.
즉, 기존의 액정표시장치는 백색 LED 패키지의 광원(45)으로부터 백색의 광이 생성되어 적색과, 녹색 및 청색의 3가지 서브-컬러필터(7r, 7g, 7b)를 통과하면서 빛의 삼원색을 만든다. 그리고, 액정패널의 상하에 부착된 상, 하부 편광판(1, 11) 및 액정패널 내부의 액정층(30)을 통해서 적색과, 녹색 및 청색에 대한 광량을 조절하여 총천연색을 구현한다.
이와 같이 적색과, 녹색 및 청색 서브-컬러필터(7r, 7g, 7b)를 모두 통과시켜서 삼원색을 만들어 내는데, 적색과, 녹색 및 청색 서브-컬러필터(7r, 7g, 7b)의 투과율이 각각 약 5%, 22%, 3%이기 때문에 액정패널 전체의 투과율(~ 30%)이 저하되게 된다.
특히, 적색과 청색 서브-컬러필터(7r, 7b)의 낮은 투과율로 인해 액정패널의 투과율이 낮아지게 되며, 또한 청색 서브-컬러필터(7b)의 낮은 투과율로 인해 휘도를 유지하면서 색 온도를 상승시키는 것이 어려워진다. 즉, 색 온도를 높이기 위해서는 더 밝은 백라이트가 필요하다.
또한, 기존에는 청색 LED 칩(chip)을 형광체를 이용하여 백색 광으로 변환하여 사용함에 따라 광 변환에 의한 1차 광효율 저하가 발생하고, 백색 광을 컬러필터(7)를 이용하여 필터링(filtering)하면서 2차 광효율 저하가 발생하게 된다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 액정패널의 투과율 향상을 통한 고휘도와 저 소비전력을 구현하도록 한 액정표시장치를 제공하는데 목적이 있다.
기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치는 적색 및 녹색 서브-컬러필터 위에 배치되어, 청색의 빛을 적색 및 녹색의 빛으로 변환시키는 색 변환층, 상기 색 변환층 위에 배치되는 제 1 편광판, 상기 제 1 기판과 합착되며, 상기 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터에 각각 대응하는 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소 구분되는 제 2 기판 및 상기 제 2 기판의 외측 면에 배치되어 상기 청색의 빛을 생성하는 광원을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 적색 및 녹색 서브-화소는 동일한 크기로 상기 청색 서브-화소에 비해 상대적으로 크기를 크게 설정할 수 있다.
상기 색 변환층은 상기 제 3 색상의 빛을 각각 상기 제 1 및 제 2 색상의 빛으로 변환시키는 제 1 및 제 2 색 변환층으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 액정표시장치는 제 1 기판의 내측 면에 배치되는 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터, 상기 적색 및 녹색 서브-컬러필터 위에 배치되는 색 변환층 및 상기 색 변환층 위에 배치되는 제 1 편광판을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제 2 기판 외측 면에 배치되는 제 2 편광판을 추가로 포함하며, 상기 제 2 기판의 외측 면은 상기 제 1 기판의 제 1 편광판과 대향하는 면의 반대 면일 수 있다.
또한, 상기 제 2 편광판 하부에 배치되어 청색의 빛을 생성하는 광원을 추가로 포함할 수 있다.
상기 백색 서브-컬러필터는 가시광선대 파장의 빛을 투과시킬 수 있다.
상기 색 변환층은 상기 적색 및 녹색 서브-컬러필터와 상기 제 1 편광판 사이에 각각 배치되어, 청색의 빛을 각각 적색 및 녹색의 빛으로 변환시키는 제 1 및 제 2 색 변환층으로 구성될 수 있다.
상기 색 변환층은 형광체나 양자 점으로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 기판은 상기 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터에 각각 대응하는 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소 구분되며, 상기 적색 및 녹색 서브-화소는 상기 청색 서브-화소에 비해 상대적으로 크기를 크게 설정할 수 있다.
이때, 상기 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소의 폭 비율을 1.25 : 1.25 : 0.5로 설정할 수 있다.
이때, 상기 적색 및 녹색 서브-컬러필터는 상기 청색 서브-컬러필터에 비해 상대적으로 크기를 크게 설정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치는 기존 대비 해상도 및 순색 휘도의 저하 없이 투과율을 30% ~ 40% 향상시킬 수 있으며, 색 온도 개선에 따른 휘도 손실을 방지할 수 있어 비용이 절감되는 효과를 제공한다.
도 1은 일반적인 액정표시장치의 구조를 개략적으로 보여주는 분해사시도.
도 2는 일반적인 액정표시장치의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도.
도 4는 도 3a 또는 도 3b에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치에 있어, 컬러필터 기판의 일부를 예로 들어 보여주는 평면도.
도 5는 백라이트 광이 일반적인 컬러필터를 통과하였을 때 나타나는 파장을 설명하기 위한 도면.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 1 실시예에 따라, 백라이트 광이 색 변환층 및 색 변환층과 컬러필터를 통과하였을 때 나타나는 파장을 설명하기 위한 도면.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치에 있어, 서브-화소의 구조를 예로 들어 보여주는 평면도.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정표시장치의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정표시장치의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장될 수 있다.
소자(element) 또는 층이 다른 소자 또는 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않는 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below, beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이며, 컬러필터의 투과효율이 도시되어 있다.
이때, 도 3a는 광원이 도광판 일측에 위치하는 에지 형(edge type) 백라이트 유닛을 예로 들어 도시하고 있으며, 도 3b는 광원이 액정패널의 하부에 위치하는 직하 형(direct type) 백라이트 유닛을 예로 들어 도시하고 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 에지 형에서 도광판이 삭제될 수 있으며, 기타 다양한 형태의 백라이트 유닛이 사용될 수 있다. 이하에서는 에지 형을 기준으로 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 3a 및 도 3b는 적색과, 녹색 및 청색 서브-컬러필터가 형성된 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소로 이루어진 하나의 화소 및 이와 이웃하는 적색 서브-화소 일부를 예로 들어 보여주고 있다.
그리고, 도 4는 도 3a 또는 도 3b에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치에 있어, 컬러필터 기판의 일부를 예로 들어 보여주는 평면도이다.
도 3a와, 도 3b 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치는 크게 제 1 기판인 컬러필터 기판(105)과, 제 2 기판인 어레이 기판(110) 및 컬러필터 기판(105)과 어레이 기판(110) 사이에 형성된 액정층(130)으로 구성될 수 있다.
컬러필터 기판(105)은 적과, 녹 및 청의 색상을 각각 구현하는 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터(107r, 107g, W)로 구성되는 컬러필터(107)와, 서브-컬러필터(107r, 107g, W) 사이를 구분하고 액정층(130)을 투과하는 광을 차단하는 블랙매트릭스(106)로 이루어질 수 있다.
컬러필터 기판(105)은 컬러필터(107)와 블랙매트릭스(106) 상부에 형성된 오버코트층(미도시)을 포함할 수 있다.
이때, 오버코트층은 서브-컬러필터(107r, 107g, W)와 블랙매트릭스(106) 사이의 단차를 제거하는 평탄화층의 역할을 하는 동시에, 서브-컬러필터(107r, 107g, W)를 구성하는 안료 이온의 용출을 막는 보호층의 역할을 하게 된다.
TN(Twisted Nematic) 방식의 액정표시장치의 경우에는 오버코트층이 형성된 컬러필터 기판(105) 위에 투명한 공통전극을 형성하게 된다. 반면에, IPS(In Plane Switching) 방식이나 FFS(Fringe Field Switching) 방식의 액정표시장치의 경우에는 공통전극을 화소전극과 함께 어레이 기판(110)에 형성하게 된다.
그리고, 자세히 도시하지 않았지만, 어레이 기판(110)은 종횡으로 배열되어 다수의 서브-화소(R, G, B)를 정의하는 다수의 게이트라인과 데이터라인, 각각의 게이트라인과 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자인 박막 트랜지스터 및 각각의 서브-화소(R, G, B)에 형성된 화소전극으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 구성된 컬러필터 기판(105)과 어레이 기판(110)의 대향 면에는 액정분자의 초기 배향방향을 결정하는 배향막(미도시)이 각각 형성될 수 있다.
또한, 컬러필터 기판(105)의 내측 면과 어레이 기판(110)의 외측 면에는 광투과축(또는, 광흡수축)이 서로 수직(orthogonal)하도록 상부 편광판(101)과 하부 편광판(111)이 각각 배치될 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 상부 편광판(101)은 컬러필터 기판(105)의 외측 면에 부착되는 기존의 필름 타입이 아닌, 액정패널 내부 예로 들어, 컬러필터 기판(105)의 내측 면에 형성되는 인-셀(in-cell) 타입인 것을 특징으로 한다.
하부 편광판(111)이 부착된 액정패널의 하부에는 백라이트 광을 생성하는 광원을 포함하는 백라이트 유닛이 구비될 수 있다.
광원(145)은 예로 들어, 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)로 이루어진 청색 LED 패키지로 구성될 수 있다.
이때, 백라이트 유닛은 광원(145)의 일측에 위치한 도광판(light guide plate)(141)과, 도광판(141)의 배면에 설치된 반사판(142) 및 도광판(141)의 상면에 설치된 다수의 광학시트(143)들을 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 직하 형의 경우 광원(145)이 액정패널 하부에 구비될 수 있다. 또한, 본 발명은 전술한 바와 같이 에지 형이더라도 도광판이 삭제될 수 있는 등 다양한 형태의 백라이트 유닛이 적용될 수 있다.
도광판(141)은 PMMA, MS 등의 플라스틱이나, 글라스로 이루어질 수 있다.
반사판(142)은 광원(145)으로부터의 광 및 도광판(141)으로부터의 광을 액정패널 측으로 반사하는 역할을 한다.
광학시트(143)들은 도광판(141)으로부터 출사되는 광의 효율을 향상시켜 액정패널에 조사하는 역할을 한다. 이러한 광학시트(143)들은 확산시트(diffuser sheet)와 상, 하부 프리즘 시트(prism sheet)를 포함하며, 보호시트가 추가될 수 있다.
프리즘 시트는 도광판(141)으로부터의 광을 집광하며, 확산 시트는 프리즘 시트로부터의 광을 확산하며, 보호 시트는 이들 프리즘 시트 및 확산 시트를 보호하는 역할을 한다.
다만, 본 발명이 전술한 백라이트 유닛의 구조에 한정되는 것은 아니며, 어떠한 구조의 백라이트 유닛이라도 본 발명에 따른 액정표시장치에 적용될 수 있다.
이때, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치의 경우, 광원(145)으로부터 생성된 청색 광은 백라이트 유닛을 거쳐 하부 편광판(111)에 도달한다. 참고로, 도 3a의 우측에는 온(ON)/오프(OFF) 구동에 따른 백라이트 광의 편광상태의 변화를 예로 들어 도시하고 있다.
이후, 하부 편광판(111)에 도달한 백라이트 광은 하부 편광판(111)에 의해 일 방향으로 선편광 된다. 그리고, 액정층(130)을 거쳐 온/오프 구동에 따라 편광방향이 실질적으로 수직하게 바뀌거나 그대로 인-셀 타입의 상부 편광판(101)에 도달하게 된다. 이후, 선편광된 광은 광투과축(또는, 광흡수축)이 하부 편광판(111)에 대해 실질적으로 수직하게 배치된 상부 편광판(101)에 의해, 구동 상태에 따라 투과(온 상태)되거나 흡수(오프 상태)된다(표준 블랙(normally black) 모드의 경우).
이때, 상부 편광판(101)을 투과하여 컬러필터(107)에 도달한 광은 청색 LED 패키지에서 방출된 청색 광이다. 따라서, 이로부터 청색 이외의 적색 및 녹색 광을 선택적으로 투과시키기 위해 본 발명에 따른 컬러필터(107)는 백색 서브-컬러필터(W) 이외에 적색 및 녹색 서브-컬러필터(107r, 107g)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 백색 서브-컬러필터(W)는 실질적으로 어떠한 컬러필터도 구성되지 않은 경우에 해당하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터(107r, 107g, W)는 각각 적색과 녹색 및 청색 서브-화소(R, G, B)에 대응되어 배치되며, 투과율이 높은 백색 서브-컬러필터(W)의 추가로 백색 휘도와 투과율이 높아진다.
더욱이, 기존 RGBW 컬러필터에 비해 적색과 녹색 및 청색 서브-화소(R, G, B)의 면적이 줄어들지 않아 순색에서의 휘도가 낮아지는 문제점이 발생하지 않는다. 참고로, 컬러필터의 투과율을 높여서 액정패널의 투과율을 높이는 방안으로 투과율이 높은 백색 서브-컬러필터를 추가하는 방안이 있는데, 이 경우 RGB 서브-컬러필터의 면적이 줄어들어 순색에서의 휘도가 낮아지는 문제점이 발생한다.
또한, 기존에는 청색 서브-컬러필터의 낮은 투과율(3% 이하)로 인해 휘도를 유지한 상태에서 색 온도 상승이 어려웠으나, 본 발명의 경우에는 투과율(95% 이상)이 높은 백색 서브-컬러필터(W)를 이용하여 청색을 구현함에 따라 색 온도 상승이 쉽게 이루어질 수 있다. 따라서, 색 온도를 높이기 위해 더 밝은 백라이트가 필요하지 않은 이점이 있다.
일 예로, 액정표시장치의 색 온도 10,000K(Kelvin)를 세트에서 12,000K로 바꿔 사용함에 따라 기존에는 10% 정도의 휘도 손실이 발생하였는데, 본 발명의 경우에는 청색 광량의 상승에 따라 액정표시장치의 색 온도 상승이 가능하다.
이러한 본 발명에 따른 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터(107r, 107g, W)의 배열, 즉 적색과 녹색 및 청색 서브-화소(R, G, B)의 배열은 가로 방향으로 R, G, B, R, G, B, R, G, B,... 배열로 설정할 수 있다(도 4 참조). 그리고, 세로 방향으로는 동일한 서브-컬러필터(107r, 107g, W)나 서브-화소(R, G, B)가 위치하도록 설정할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 청색 광의 적용에 따른 적색 및 녹색의 색 변화방지를 위하여 적색 및 녹색 서브-컬러필터(107r, 107g) 하부에 색 변환층(color conversion layer)(109)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이때, 색 변환층(109)은 적색 및 녹색 서브-컬러필터(107r, 107g)와 상부 편광판(101) 사이에 각각 배치되는 제 1 및 제 2 색 변환층(109r, 109g)으로 구성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
색 변환층(109)은 이러한 색 변화방지 이외에 효율을 향상시키는 목적을 가진다.
도 5는 백라이트 광이 일반적인 컬러필터를 통과하였을 때 나타나는 파장을 설명하기 위한 도면이다.
그리고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 1 실시예에 따라, 백라이트 광이 색 변환층 및 색 변환층과 컬러필터를 통과하였을 때 나타나는 파장을 설명하기 위한 도면이다.
즉, 도 5와, 도 6a 및 도 6b는 예로 들어, 청색 칩과 황색 형광체로 이루어진 백색 LED의 백라이트 파장이 컬러필터 또는/및 색 변환층을 통과하였을 때 나타나는 파장을 도시하고 있다.
도 5를 참조하면, 광원에서 생성된 백색 광은 적색과, 녹색 및 청색 서브-컬러필터(7r, 7g, 7b)를 각각 투과함에 따라 빛의 삼원색인 적색(r)과, 녹색(g) 및 청색(b)으로 분리되게 된다.
반면에, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 색 변환층(109)을 투과한 광은, 기존 컬러필터 대비, 적색 및 녹색의 광효율이 개선되어 투과율이 약 10% ~ 20% 향상되는 효과를 가진다.
일 예로, 제 1 색 변환층(109r)을 투과한 광은 기존의 적색(r) 외에 청색의 빛이 적색(r')으로 변환되어 적색의 광효율이 개선되는 한편, 제 2 색 변환층(109g)을 투과한 광은 기존의 녹색(g) 외에 청색의 빛이 녹색(g')으로 변환되어 녹색의 광효율이 개선되게 된다.
이와 같이 본 발명은 색 변환층(109)을 추가함에 따라 청색 광을 사용하는 경우에도 색이 변경되는 것을 방지하여 높은 화질이 요구되는 제품에도 적용 가능하며, 나아가 효율이 향상되는 효과를 가진다.
이러한 색 변환층(109)은 형광체나 양자 점(Quantum Dot; QD)으로 이루어질 수 있다.
참고로, 형광체는 외부로부터 에너지를 흡수하여 전자가 바닥상태에서 여기 상태로 들떴다가 다시 기저상태로 돌아올 때의 에너지 차에 따른 빛을 발산하게 된다.
나노 크기의 0차원 초미세 구조에서는 고전 물리학에서 관찰되지 않았던 양자구속 효과(quantum confinement effect)나 양자수송 효과(quantum transport effect)와 같은 양자 효과들이 나타나게 된다. 양자 점은 일반적인 형광물질보다 훨씬 강한 형광을 좁은 파장대에서 발생한다. 양자 점은 나노 크기의 II-IV 반도체 입자(CdSe, CdTe, CdS 등)가 중심을 이루는 입자이다. 색 변환층으로서의 양자 점의 형광은 외부 여기원으로부터 에너지를 흡수하여 가전자대(valence band)에 있는 전자를 전도대(conduction band)로 여기시킨 후, 전도대에서 가전자대로 들뜬 상태의 전자가 내려오면서 발생하는 빛이다. 입자의 크기가 작아질수록 짧은 파장의 형광을 내며, 크기를 조절하여 원하는 파장의 가시광선 영역의 형광을 낼 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 액정패널에서 투과율이 가장 낮은 청색의 광효율을 향상시키기 위해 청색 서브-컬러필터를 백색 서브-컬러필터로 변경하고, 광원을 백색에서 청색으로 변경한다. 그리고, 청색 광원의 사용에 따른 적색 및 녹색의 색 변화방지를 위해 색 변환층을 적색 및 녹색 서브-컬러필터 하부에 형성시키고, 색 변환층 통과 시 하부 편광판에 의해 구현된 편광 상태가 깨지는 것을 방지하기 위해 상부 편광판을 색 변환층 하부에 인-셀 타입으로 형성한다. 만약, 상부 편광판을 기존처럼 컬러필터 기판의 외측 면에 배치할 경우, (하부 편광판에 의해 구현된) 편광 상태가 색 변환층에 의해 깨지게 되고, 그에 따라 상부 편광판을 투과하지 못하게 되어 액정표시장치가 올바르게 동작하지 않게 된다.
이에 의하면, 청색 광원과 백색 서브-컬러필터에 의한 청색 투과율이 기존, 즉 백색 광원과 청색 서브-컬러필터에 비해 10배 이상 높기 때문에 청색 서브-화소의 크기를 최소화하는 동시에 적색 및 녹색 서브-화소의 크기를 최대화해서 적색과, 녹색 및 청색 모두에서 투과율이 높아질 수 있다. 즉, 청색 서브-화소의 면적을 최소화하여 추가 면적을 확보한 후에 적색 및 녹색 서브-화소에 할당함으로써 청색뿐만 아니라 적색 및 녹색 서브-화소의 투과율을 향상시킬 수 있다.
일 예로, 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소의 폭 비율을 1 : 1 : 1에서 1.25 : 1.25 : 0.5로 변경할 경우 투과율이 약 37.5% 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
즉, 기존 RGB 구조의 경우에 적색과, 녹색 및 청색 서브-컬러필터의 투과율은 각각 약 4.7%와, 21.7% 및 2.9%이다.
이에 비해 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소의 폭 비율을 1.25 : 1.25 : 0.5로 한 경우에 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터의 투과율은 각각 약 5.9%와, 27.1% 및 15.9%이다.
그리고, 색 변환층의 추가로 인한 효율 향상(~ 10%)을 고려하면, 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터의 투과율은 각각 약 6.6%와, 29.8% 및 15.9%이다.
또한, 서브-화소의 크기를 고려하면, 최종적으로 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터의 투과율은 각각 약 6.6%와, 29.8% 및 4.0%이다.
이 경우 컬러필터에 대한 총 투과율은 약 40.3%이며, 기존대비 약 37.5%의 투과율 향상이 이루어진 것을 알 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치에 있어, 서브-화소의 구조를 예로 들어 보여주는 평면도이다.
이때, 도 7a는 적색 서브-화소(또는, 녹색 서브-화소)의 구조를 예로 들어 도시하고 있으며, 도 7b는 청색 서브-화소의 구조를 예로 들어 도시하고 있다.
이때의 적색 및 청색 서브-화소의 폭 비율은 예로 들어 1.25(a) : 0.5(b)이며, 그에 따른 구성요소들의 배치 및 형태가 일부 변경된 것을 제외하고는 실질적으로 동일한 구성으로 이루어진다. 다만, 본 발명이 상기의 폭 비율에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 적색 및 녹색 서브-화소의 폭이 청색 서브-화소의 폭보다 넓은 경우에는 적용 가능하다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 게이트라인(116r, 116b)과 데이터라인(117r, 117b)이 교차하여 매트릭스 형태의 서브-화소(R, B)가 정의되며, 각각의 게이트라인(116r, 116b)과 데이터라인(117r, 117b)의 교차영역에는 스위칭소자인 박막 트랜지스터가 형성된다.
이때, 박막 트랜지스터는 게이트라인(116r, 116b)에 연결된 게이트전극(121r, 121b), 데이터라인(117r, 117b)에 연결된 소오스전극(122r, 122b) 및 화소전극(118r, 118b)에 연결된 드레인전극(123r, 123b)으로 구성된다. 또한, 박막 트랜지스터는 게이트전극(121r, 121b)과 소오스/드레인전극(122r,122b, 123r,123b) 사이의 절연을 위한 게이트절연막(미도시) 및 게이트전극(121r, 121b)에 공급되는 게이트전압에 의해 소오스전극(122r, 122b)과 드레인전극(123r, 123b) 사이에 전도채널을 형성하는 액티브층(미도시)을 포함한다.
그리고, 서브-화소(R, B)의 화소영역 내에는 횡전계를 발생시키기 위해 공통전극(108r, 108b)과 화소전극(118r, 118b)이 교대로 형성되어 있는데, 본 발명이 이러한 공통전극(108r, 108b)과 화소전극(118r, 118b)의 구조에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 IPS 방식 이외에 FFS, TN 또는 VA(Vertical Alignment) 방식의 액정표시장치에도 적용 가능하다.
이때, 화소전극(118r, 118b)은 콘택홀(114r, 114b)을 통해 드레인전극(123r, 123b)과 전기적으로 접속할 수 있다.
공통전극(108r, 108b)은 제 1 공통전극과 제 2 공통전극으로 구분할 수 있다. 제 1 공통전극은 화소영역 가장자리에 위치하여 상하좌우 사각형 형태의 프레임을 구성할 수 있다.
공통전극(108r, 108b)에 공통전압을 인가하기 위한 공통라인(128r, 128b)은 게이트 배선(즉, 게이트전극(121r, 121b)과 게이트라인(116r, 116b))과 동일한 도전물질로 이루어질 수 있다. 공통라인(128r, 128b)은 게이트라인(116r, 116b)과 평행한 방향으로 형성되어 좌우로 이웃하는 화소간 공통전압을 전달할 수 있다.
또한, 공통전극(108r, 108b)과 화소전극(118r, 118b)은 중앙을 중심으로 서로 대칭이 되도록 기울어지게 구성될 수 있으며, 이 경우 2-도메인(domain) 구조를 형성할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치는 적색 및 녹색의 색 변환층을 별도로 형성한 경우를 예로 들고 있다. 이 경우 휘도 및 고색재현에 유리하다.
다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 적색 및 녹색의 색 변환층을 하나의 색 변환층으로 형성할 수도 있으며, 이를 다음의 본 발명의 제 2 실시예를 통해 상세히 설명한다. 이 경우 전술한 본 발명의 제 1 실시예에 비해 포토공정이 하나 감소하게 되어 비용 면에서 유리하다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정표시장치의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
이때, 도 8에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정표시장치는 색 변환층의 구조만을 제외하고는 전술한 본 발명의 제 1 실시예의 구성과 실질적으로 동일하다.
전술한 바와 같이 도 8은 광원이 도광판 일측에 위치하는 에지 형 백라이트 유닛을 예로 들어 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 광원이 액정패널의 하부에 위치하는 직하 형이나 기타 다양한 형태의 백라이트 유닛이 사용될 수 있다. 또한, 에지 형에서 도광판이 삭제될 수 있다.
또한, 도 8은 적색과, 녹색 및 청색 서브-컬러필터가 형성된 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소로 이루어진 하나의 화소 및 이와 이웃하는 적색 서브-화소 일부를 예로 들어 보여주고 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정표시장치는 크게 제 1 기판인 컬러필터 기판(205)과, 제 2 기판인 어레이 기판(210) 및 컬러필터 기판(205)과 어레이 기판(210) 사이에 형성된 액정층(230)으로 구성될 수 있다.
컬러필터 기판(205)은 적과, 녹 및 청의 색상을 각각 구현하는 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터(207r, 207g, W)로 구성되는 컬러필터(207)와, 서브-컬러필터(207r, 207g, W) 사이를 구분하고 액정층(230)을 투과하는 광을 차단하는 블랙매트릭스(미도시)로 이루어질 수 있다.
컬러필터 기판(205)은 컬러필터(207)와 블랙매트릭스 상부에 형성된 오버코트층(미도시)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 TN 방식의 액정표시장치의 경우에는 오버코트층이 형성된 컬러필터 기판(205) 위에 투명한 공통전극을 형성하게 된다. 반면에, IPS 방식이나 FFS 방식의 액정표시장치의 경우에는 공통전극을 화소전극과 함께 하부 어레이 기판(210)에 형성하게 된다.
그리고, 자세히 도시하지 않았지만, 어레이 기판(210)은 종횡으로 배열되어 다수의 서브-화소를 정의하는 다수의 게이트라인과 데이터라인, 각각의 게이트라인과 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자인 박막 트랜지스터 및 각각의 서브-화소에 형성된 화소전극으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 구성된 컬러필터 기판(205)과 어레이 기판(210)의 대향 면에는 액정분자의 초기 배향방향을 결정하는 배향막(미도시)이 각각 형성될 수 있다.
또한, 컬러필터 기판(205)의 내측 면과 어레이 기판(210)의 외측 면에는 광투과축(또는, 광흡수축)이 서로 수직하도록 상부 편광판(201)과 하부 편광판(211)이 각각 배치될 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 상부 편광판(201)은 컬러필터 기판(205)의 외측 면에 부착되는 기존의 필름 타입이 아닌, 액정패널 내부 예로 들어, 컬러필터 기판(205)의 내측 면에 형성되는 인-셀 타입인 것을 특징으로 한다.
하부 편광판(211)이 부착된 액정패널의 하부에는 백라이트 광을 생성하는 광원(245)을 포함하는 백라이트 유닛이 구비될 수 있다.
광원(245)은 예로 들어, LED로 이루어진 청색 LED 패키지로 구성될 수 있다.
백라이트 유닛은 광원(245)의 일측에 위치한 도광판(241)과, 도광판(241)의 배면에 설치된 반사판(242) 및 도광판(241)의 상면에 설치된 다수의 광학시트(243)들을 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 직하 형의 경우 광원(245)이 액정패널 하부에 구비될 수 있다. 또한, 본 발명은 전술한 바와 같이 에지 형이더라도 도광판이 삭제될 수 있는 등 다양한 형태의 백라이트 유닛이 적용될 수 있다.
이때, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정표시장치의 경우에, 전술한 본 발명의 제 1 실시예와 동일하게 상부 편광판(201)을 투과하여 컬러필터(207)에 도달한 광은 청색 LED 패키지에서 방출된 청색 광이다. 따라서, 이로부터 청색 이외의 적색 및 녹색 광을 선택적으로 투과시키기 위해 본 발명에 따른 컬러필터(207)는 백색 서브-컬러필터(W) 이외에 적색 및 녹색 서브-컬러필터(207r, 207g)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 백색 서브-컬러필터(W)는 실질적으로 어떠한 컬러필터도 구성되지 않은 경우에 해당하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터(207r, 207g, W)는 각각 적색과 녹색 및 청색 서브-화소에 대응되어 배치되며, 투과율이 높은 백색 서브-컬러필터(W)의 추가로 백색 휘도와 투과율이 높아진다.
더욱이, 기존 RGBW 컬러필터에 비해 적색과 녹색 및 청색 서브-화소의 면적이 줄어들지 않아 순색에서의 휘도가 낮아지는 문제점이 발생하지 않는다.
또한, 기존에는 청색 서브-컬러필터의 낮은 투과율(3% 이하)로 인해 휘도를 유지한 상태에서 색 온도 상승이 어려웠으나, 본 발명의 경우에는 투과율(95% 이상)이 높은 백색 서브-컬러필터(W)를 이용하여 청색을 구현함에 따라 색 온도 상승이 쉽게 이루어질 수 있다. 따라서, 색 온도를 높이기 위해 더 밝은 백라이트가 필요하지 않은 이점이 있다.
또한, 본 발명의 제 2 실시예의 경우에는 청색 광의 적용에 따른 적색 및 녹색의 색 변화방지를 위하여 적색 및 녹색 서브-컬러필터(207r, 207g) 하부에 하나의 색 변환층(209)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
색 변환층(209)은 이러한 색 변화방지 이외에 효율을 향상시키는 목적을 가진다.
일 예로, 색 변환층(209)을 투과한 광은 기존의 적색이나 녹색 외에 청색의 빛이 적색이나 녹색으로 변환되어 적색이나 녹색의 광효율이 개선되게 된다.
이와 같이 본 발명은 색 변환층(209)을 추가함에 따라 청색 광을 사용하는 경우에도 색이 변경되는 것을 방지하여 높은 화질이 요구되는 제품에도 적용 가능하며, 나아가 효율이 향상되는 효과를 가진다.
이러한 색 변환층(209)은 형광체나 양자 점으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 액정패널에서 투과율이 가장 낮은 청색의 광효율을 향상시키기 위해 청색 서브-컬러필터를 백색 서브-컬러필터로 변경하고, 광원을 백색에서 청색으로 변경한다. 그리고, 청색 광원의 사용에 따른 적색 및 녹색의 색 변화방지를 위해 색 변환층을 적색 및 녹색 서브-컬러필터 하부에 형성시키고, 색 변환층 통과 시 하부 편광판에 의해 구현된 편광 상태가 깨지는 것을 방지하기 위해 상부 편광판을 색 변환층 하부에 인-셀 타입으로 형성한다.
이에 의하면, 청색 광원과 백색 서브-컬러필터에 의한 청색 투과율이 기존, 즉 백색 광원과 청색 서브-컬러필터에 비해 30배 이상 높기 때문에 청색 서브-화소의 크기를 최소화하는 동시에 적색 및 녹색 서브-화소의 크기를 최대화해서 적색과, 녹색 및 청색 모두에서 투과율이 높아질 수 있다. 즉, 청색 서브-화소의 면적을 최소화하여 추가 면적을 확보한 후에 적색 및 녹색 서브-화소에 할당함으로써 청색뿐만 아니라 적색 및 녹색 서브-화소의 투과율을 향상시킬 수 있다.
일 예로, 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소의 폭 비율을 1 : 1 : 1에서 1.25 : 1.25 : 0.5로 변경할 경우 투과율이 약 37.5% 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
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 정하여져야 한다.
101,201 : 상부 편광판 105,205 : 컬러필터 기판
107,207 : 컬러필터 107g,207g : 녹색 서브-컬러필터
107r,207r : 적색 서브-컬러필터 109,209 : 색 변환층
110,210 : 어레이 기판 111,211 : 하부 편광판
145,245 : 광원 W : 백색 서브-컬러필터

Claims (13)

  1. 제 1 기판의 내측 면에 배치되는 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터;
    상기 적색 및 녹색 서브-컬러필터 위에 배치되어, 청색의 빛을 적색 및 녹색의 빛으로 변환시키는 색 변환층;
    상기 색 변환층 위에 배치되는 제 1 편광판;
    상기 제 1 기판과 합착되며, 상기 적색과, 녹색 및 백색 서브-컬러필터에 각각 대응하는 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소 구분되는 제 2 기판; 및
    상기 제 2 기판의 외측 면에 배치되어 상기 청색의 빛을 생성하는 광원을 포함하며,
    상기 적색 및 녹색 서브-화소는 동일한 크기로 상기 청색 서브-화소에 비해 상대적으로 크기를 크게 설정하는 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 기판과 상기 광원 사이에 배치되는 제 2 편광판을 추가로 포함하며, 상기 제 2 기판의 외측 면은 상기 제 1 기판의 제 1 편광판과 대향하는 면의 반대 면인 액정표시장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 백색 서브-컬러필터는 가시광선대 파장의 빛을 투과시키는 액정표시장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 색 변환층은 상기 적색 및 녹색 서브-컬러필터와 상기 제 1 편광판 사이에 각각 배치되어, 상기 청색의 빛을 각각 상기 적색 및 녹색의 빛으로 변환시키는 제 1 및 제 2 색 변환층으로 구성되는 액정표시장치.
  6. 제 1 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 색 변환층은 형광체나 양자 점(Quantum Dot; QD)으로 이루어진 액정표시장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 적색과, 녹색 및 청색 서브-화소의 폭 비율을 1.25 : 1.25 : 0.5로 설정하는 액정표시장치.
  9. 삭제
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