KR102347474B1 - 코팅형 편광판 및 이를 구비한 액정표시소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 제조비용이 절감되고 편광도와 투과율이 좋은 코팅형 편광판을 제공한다. 코팅형 편광판에는 복수의 편광층이 형성되며, 각각의 편광층에는 서로 다른 이색성 염료가 약 5-7wt% 함유됨으로서 해당 컬러에 대응하는 파장의 광중에서 이색성 염료의 배열방향과 평행한 광성분이 흡수되어 편광특성을 갖게 된다.

Description

코팅형 편광판 및 이를 구비한 액정표시소자{COTALABLE POLARIZER AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE HAVING THEREOF}
본 발명은 편광판에 관한 것으로, 특히 편광도와 투과율이 높고 저렴한 코팅형 편광판 및 이를 구비한 액정표시소자에 관한 것이다.
일반적으로, 액정표시소자는 일정한 간격을 두고 마주하도록 배치된 2개의 기판과 상기한 두 기판 사이에 주입되는 액정층으로 이루어진다. 이때, 액정은 단축과 장축에 대한 굴절율 이방성을 가지고 있으므로, 상기 액정층을 투과하면서 광의 굴절율이 변하게 되며, 광의 투과도를 조절함으로써 원하는 화상을 구현하는 것이다.
이러한 광의 투과도를 조절하기 위해, 두 기판에는 각각 편광판이 부착된다. 이때, 상기 편광판의 광학축방향을 서로 평행 또는 수직으로 배열되어 액정층으로 입사되고 출사되는 광의 투과도를 조절하여 화상이 구현되도록 한다.
일반적으로 편광판은 폴리비닐알콜(PVA)계 수지필름에 이색성 색소의 흡착에 의한 염색 및 일축 또는 이축 연신을 실시하여 그 이색성 색소를 배향시킨 편광자의 일면 또는 양면에 접착층을 통해 투명수지필름, 특히 트리아세틸셀룰로오스(TAC)로 대표되는 아세트산 셀룰로오스계의 편광자 보호필름을 적층한 구성으로 되어 있다. 이러한 편광판은 액정패널에 점착제로 접합된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 방식에 의하여 편광판을 제조할 경우, 편광판의 두께가 상대적으로 두꺼워지며, 제작된 편광판의 내열성 및 내습성이 나쁘다는 단점이 있을 뿐만 아니라, 특히 PVA 편광자에 대한 연신공정 및 염색 공정의 수행으로 인하여 공정시간이 길어지고 제조비용이 증가하는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 근대 코팅방식으로 편광판을 제작한 코팅형 편광판 등이 제안되고 있다.
코팅형 편광판으로는 호스트인 액정에 게스트인 R,G,B 염료를 혼합하여 하부의 배향막의 배향방향에 따라 호스트가 배열될 때 R,G,B 염료가 함께 배열되어 염료의 정렬방향(흡수방향)과 평행한 광은 흡수하고 수직한 광은 투과시켜 광을 편광시키는 호스트-게스트형 편광판, 유방성(lyotropic) 중합체를 일렬로 배열하여 광을 편광시키는 유방형 편광판 등이 있다. 또한, 기판상에 금속나노선을 일정 방향으로 배열하여 상기 금속나노선의 배열방향에 따라 입사되는 광의 편광방향을 결정하는 와이어-그리드형 편광판 등도 제안되고 있다.
이러한 다양한 편광판 중에서 제작의 용이함 및 제작비용의 저렴함을 감안하여 현재 호스트-게스트형 편광판이 주로 연구되고 있다.
그러나, 이러한 호스트-게스트형 편광판에는 다음과 같은 문제가 있다.
상술한 바와 같이 호스트-게스트형 편광판은 호스트인 액정에 게스트인 R,G,B 염료가 혼합되어 액정을 배열함에 따라 R,G,B 염료를 특정방향으로 배열한다. 이때, 게스트물질인 염료는 모든 가시광선을 흡수하지 못하므로, 3-5종류의 염료를 혼합하여 사용함으로써 특정 편광성분의 광을 흡수한다.
그러나, 종래 편광판에서는 상기와 같이, 호스트에 여러 종류의 게스트를 혼합하기 때문에, 호스트와 게스트를 적정 비율로 혼합하기가 쉽지 않게 되어 호스트를 따라 게스트를 정밀하게 배열할 수가 없었다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 호스트와 게스트를 적정 비율로 혼합하여 게스트를 정밀하게 배열하는 경우에는 여러 종류의 게스트가 충분히 혼합되지 않기 때문에, 가시광선 전 영역에서 편광도를 균일하게 유지하지 못하여 편광도가 감소하게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 제조비용이 절감되고 투과율과 편광도가 좋은 코팅형 편광판 및 이를 구비한 액정표시소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 편광판은 기판; 및 상기 기판에 형성된 복수의 편광층으로 구성되며, 각각의 편광층에는 호스트와 서로 다른 컬러의 이색성 염료가 포함되는 것을 특징으로 한다.상기 이색성 염료는 레드, 그린, 블루 염료 또는 시아, 옐로우, 마젠타 염료이며, 편광층은 각각 다른 컬러의 염료가 포함된 3층의 편광층으로 이루지거나 한종류 컬러의 염료가 포함된 층과 두종류 컬러의 염료가 포함된 층의 2층으로 이루어질 수 있다.
각각의 편광층에 포함되는 이색성 염료의 함유량은 1-7wt%, 바람직하게는 3-7wt%이며, 2층으로 이루어진 편광층의 한종류의 이색성 염료가 포함된 편광층의 함유량은 1-7wt%이고 2종류의 이색성 염료가 포함된 편광층의 함유량은 1-3wt%이다.
또한, 본 발명에 따른 액정표시소자는 화상이 구현되는 액정패널; 및 상기 액정패널 양면의 적어도 일면에 부착된 편광판으로 구성되며, 상기 편광판은 기판, 상기 기판에 형성되며 각가의 층에 서로 다른 컬러의 이색성 염료가 포함되는 복수의 편광층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 액정성 고분자나 저분자와 이색성 염료를 혼합하여 기판에 코팅하여 편광판을 제작하기 때문에, 제조비용을 절감할 수 있으며, 내열성 및 내습성을 향상시킬 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명에서는 편광층이 복수의 층으로 형성되고, 각각의 편광층에는 서로 다른 컬러의 이색성 염료가 포함되므로, 다양한 종류의 염료가 단일 편광층에 포함되는 경우보다 많은 양의 염료가 포함될 수 있게 된다. 그 결과 단일 편광층 보다 얇은 두께로 편광층을 형성하는 경우에도 해당 염료의 컬러에 대응하는 파장의 광을 완전하게 흡수할 수 있게 되어 편광도가 증가함과 동시에 투과율도 증가하게 된다.
도 1a는 본 발명에 따른 액정표시소자의 구조를 나타내는 단면도.
도 1b는 도 1a의 I-I'선 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 편광판의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 편광판에서 호스트와 게스트의 배열을 나타내는 도면.
도 4a-도 4d는 본 발명에 따른 편광판을 제조하는 방법을 나타내는 도면.
도 5a-도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광판의 구조를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 편광판의 구조를 나타내는 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 액정표시소자의 구조를 나타내는 도면으로, 도 1a는 평면도이고 도 1b는 도 1a의 I-I'선 단면도이다. 이때, 도면에 도시된 액정표시소자는 IPS(In Plane Switching)모드 액정표시소자이지만, 본 발명이 이러한 특정 표시모드의 액정표시소자에 한정되는 것이 아니라 TN(Twisted Nematic모드 액정표시소자, VA(Vertical Alignment)모드 액정표시소자, FFS(Fringe Field Switching)모드 액정표시소자와 같은 다양한 모드의 액정표시소자에 적용될 수 있을 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 액정패널(1)의 화소는 종횡으로 배치된 게이트라인(3) 및 데이터라인(4)에 의해 정의된다. 도면에는 비록 (n,m)번째의 화소만을 도시하고 있지만 실제의 액정패널(1)에는 상기한 게이트라인(3)과 데이터라인(4)이 각각 n개 및 m개 배치되어 액정패널(1) 전체에 걸쳐서 n×m개의 화소를 형성한다. 상기 화소내의 게이트라인(3)과 데이터라인(4)의 교차영역에는 박막트랜지스터(10)가 형성되어 있다. 상기 박막트랜지스터(10)는 게이트라인(3)으로부터 주사신호가 인가되는 게이트전극(11)과, 상기 게이트전극(11) 위에 형성되어 주사신호가 인가됨에 따라 활성화되어 채널층을 형성하는 반도체층(12)과, 상기 반도체층(12) 위에 형성되어 데이터라인(4)을 통해 화상신호가 인가되는 소스전극(13) 및 드레인전극(14)으로 구성되어 외부로부터 입력되는 화상신호를 액정층(40)에 인가한다.
화소내에는 데이터라인(4)과 실질적으로 평행하게 배열된 복수의 공통전극(5)과 화소전극(7)이 배치되어 있다. 또한, 화소의 중간에는 상기 공통전극(5)과 접속되는 공통라인(16)이 배치되어 있으며, 상기 공통라인(16) 위에는 화소전극(7)과 접속되는 화소전극라인(18)이 배치되어 상기 공통라인(16)과 오버랩되어 있다. 상기 공통라인(16)과 화소전극라인(18)의 오버랩에 의해 횡전계모드 액정표시소자에는 축적용량(storage capacitance)이 형성된다.
액정층(40)의 액정분자는 양성 또는 음성 액정분자이다. 따라서, 상기와 같이 구성된 IPS모드 액정표시소자에서 액정분자는 공통전극(5) 및 화소전극(7)과 실질적으로 수평 또는 수직으로 배향된다. 액정분자가 양성 액정분자인 경우 상기 액정분자는 전극과 거의 일치하도록 수평 배향되고, 액정분자가 음성인 경우 상기 액정분자는 전극의 방향과 거의 수직으로 배향된다.
박막트랜지스터(10)가 작동하여 화소전극(7)에 신호가 인가되면, 공통전극(5)과 화소전극(7) 사이에는 액정패널(1)과 실질적으로 평행한 횡전계가 발생하게 된다. 액정분자는 상기 횡전계를 따라 액정패널(1)과 평행하게 회전하게 되므로, 액정분자의 굴절율 이방성에 의한 측면에서의 계조반전을 방지할 수 있게 된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 제1기판(20) 위에는 게이트전극(11)이 형성되어 있으며, 상기 제1기판(20) 전체에 걸쳐 게이트절연층(22)이 적층되어 있다. 상기 게이트절연층(22) 위에는 반도체층(12)이 형성되어 있으며, 그 위에 소스전극(13) 및 드레인전극(14)이 형성되어 있다. 또한, 상기 제1기판(20) 전체에 걸쳐 보호층(passivation layer;24)이 형성되어 있으며, 그 위에 러빙 등의 방법에 의해 액정분자를 특정 방향으로 배향하기 위한 배향방향이 결정된 제1배향막(28a)이 형성되어 있다.
또한, 상기 제1기판(20) 위에는 복수의 공통전극(5)이 형성되어 있고 게이트절연층(22) 위에는 화소전극(7) 및 데이터라인(4)이 형성되어, 상기 공통전극(5)과 화소전극(7) 사이에 횡전계(E)가 발생한다.
제2기판(30)에는 블랙매트릭스(32)와 컬러필터층(34)이 형성되어 있다. 상기 블랙매트릭스(32)는 액정분자가 동작하지 않는 영역으로 광이 누설되는 것을 방지하기 위한 것으로, 도면에 도시한 바와 같이 박막트랜지스터(10) 영역 및 화소와 화소 사이(즉, 게이트라인 및 데이터라인 영역)에 주로 형성된다. 컬러필터층(34)은 R(Red), B(Blue), G(Green)로 구성되어 실제 컬러를 구현하기 위한 것이다. 컬러필터층(34) 위에는 상기 컬러필터층(34)을 보호하고 기판의 평탄성을 향상시키기 위한 오버코트층(overcoat layer;36)가 형성되어 있으며, 그위에 배향방향이 결정된 제2배향막(28b)이 형성되어 있다.
상기 제1기판(20) 및 제2기판(30) 사이에는 액정층(40)이 형성되며, 제1기판(20) 및 제2기판(30)에는 각각 제1편광판(50) 및 제2편광판(60)이 부착되어 액정패널로 입력되고 출력되는 광을 선편광시켜 액정패널을 투과하는 광의 투과율을 조절한다.
상기 제1편광판(50) 및 제2편광판(60)의 광학축방향은 액정표시소자의 표시모드에 따라 다르게 형성된다.
노멀리블랙모드(Normally Black Mode)에서는 제1편광판(152) 및 제2편광판(154)의 편광축은 서로 수직이다. 따라서, 제1편광판(50)을 투과한 광은 x축방향으로 선형편광되어 액정표시소자로 입력된다. 액정패널에 신호가 인가되지 않았을 때, 상기 액정패널의 액정분자는 y축방향, 즉 액정패널과 수평으로 배열되므로, 상기 액정패널로 입사된 광은 선편광된 상태로 액정패널을 투과한다. 한편, 제2기판(30)에 부착된 제2편광판(60)의 편광축은 액정층을 투과한 광의 편광방향과는 수직으로 상기 상부기판의 편광판에 의해 광이 모두 흡수되어 상기 제2편광판(60) 외부로 광이 출력되지 않게 되어 화면이 블랙으로 표시된다.
노멀리화이트모드(Normally White Mode)에서는 제1편광판(152) 및 제2편광판(154)의 편광축은 서로 평행이다. 따라서, 제1편광판(50)을 투과한 광은 x축방향으로 선형편광되어 액정표시소자로 입력된다. 액정패널에 신호가 인가되지 않았을 때, 상기 액정패널의 액정분자는 y축방향, 즉 액정패널과 수평으로 배열되므로, 상기 액정패널로 입사된 광은 선편광된 상태로 액정패널을 투과한다. 한편, 제2기판(30)에 부착된 제2편광판(60)의 편광축은 액정층을 투과한 광의 편광방향과는 수평으로 상기 상부기판의 편광판에 의해 광이 모두 투과되어 상기 제2편광판(60) 외부로 광이 출력되어 화면이 화이트로 표시된다.
상기 제1편광판(50) 및 제2편광판(60)은 호스트-게스트형 편광판으로서, 복수의 층으로 이루어지는데, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 편광판의 구조가 도시되어 있다. 이때, 도 1b에 도시된 제1편광판(50) 및 제2편광판(60)은 동일한 구조로 이루어져 있으므로, 도 2에서는 제1편광판(50)을 대표로서 설명하되, 제1편광판이라는 구체적인 명칭을 생략하고, 그냥 편광판이라 통칭하여 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 편광판(50)은 기판(52)과, 상기 기판(52) 위에 형성된 배향층(54)과, 상기 배향층(54) 위에 형성된 제1-3편광층(56,57,58)로 이루어진다.
상기 기판(52)은 유리나 플라스틱과 같은 투명한 물질 또는 투명한 필름으로 이루어지며, 상기 배향층(54)은 폴리이미드나 폴리아미드로 형성된다. 상기 배향층(54)에 러빙과 같은 배향처리가 실행됨에 따라 배향층(54) 전체에 걸쳐 일정 방향을 따라 수많은 미세홈(micro groove)가 형성된다.
제1-3편광층(56,57,58)은 각각 호스트물질과 게스트물질로 이루어진다. 상기 호스트물질은 주로 액정성을 나타내는 액정성 고분자나 반응성 액정단량체(reactive mesogens)를 사용한다. 이때, 상기 반응성 액정단량체는 중합이 가능한 말단기를 포함한 액정물질로서, 액정성을 발현하는 메조겐(mesogen)과 중합이 가능한 단말기를 포함하여 액정상을 갖게 되는 단량체 분자이다.
제1-3편광층(56,57,58)이 배향층(54) 위에 도포됨에 따라 상기 호스트물질이 배향층(54)에 형성된 미세홈과 상호작용하여 호스트물질이배향방향을 따라 배열하게 된다.
게스트물질은 이색성 염료(dichroic dye)로 이루어진다. 상기 이색성 염료는 광의 두개의 편광성분중에서 하나의 성분은 흡수하고 다른 하나의 성분은 투과한다. 상기 이색성 염료로는 요오드계, 안트라퀴논(anthraquinone)계 프로피린 아조, 비아조, 트리아조 등이 사용될 수 있다.
상기 이색성 염료는 특정 파장영역의 광을 흡수하거나 투과하는데, 본 발명에서는 R,G,B컬러에 대응하는 파장대의 광을 흡수하고 투과시킴으로써, 가시광선을 편광시킨다.
또한, 상기 이색성 염료는 R,G,B염료가 아니라 시안(cyan), 마젠타(magenta), 옐로우(yellow)염료일 수도 있다. 즉, 본 발명에서는 편광층이 3층으로 이루어지고, 각각의 편광층에서 R,G,B컬러의 대응하는 파장대의 광성분이나 시안(cyan), 마젠타(magenta), 옐로우(yellow)컬러에 대응하는 파장대의 광성분을 흡수함으로써 특정 방향(이색성 염료가 배열된 방향)의 가시광선을 흡수하여 가시광선을 편광시킬 수 있게 된다.
이러한 점에서, 본 발명의 편광판의 편광층은 도면에 도시된 바와 같이 3층으로 한정되는 것이 아니라, 편광층에 포함되는 이색성 염료의 종류, 즉 가시광선중 해당 편광층에서 흡수하는 파장대에 따라 편광층을 2층 또는 4층 이상으로 형성할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 다양한 종류의 이색성 염료가 사용될 수 있지만, 설명의 편의를 위해 이하에서는 R,G,B컬러에 대응하는 이색성 염료에 대해서만 설명한다.
상기 R,G,B컬러의 이색성 염료는 호스트물질에 혼합되어, 호스트물질이 배열될 때, 상기 호스트물질을 따라 배열된다. 즉, R,G,B염료의 배열방향이 배향층(54)의 미세홈의 방향, 즉 배향층(54)에 실행된 러빙방향을 따라 배열된다.
이와 같이, R,G,B염료가 일정 방향으로 배열됨에 따라 광이 입력될 때 상기 R,G,B염료의 배열방향, 즉 흡수방향과 평행한 편광성분은 흡수되고 흡수방향과 수직한 편광성분은 투과됨으로써, 입사되는 광을 특정 편광방향을 갖는 광으로 편광시킨다.
도 3은 배향막에 도포된 편광물질의 호스트물질과 게이트물질의 배향방향 및광흡수층을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, y-방향으로 러빙된 배향층(54) 위에 호스트물질인 액정성 고분자나 반응성 액정단량체(62)와 게스트인 R,G,B염료(64)가 혼합된 편광층(56)을 도포하면, 배향층(54)에 형성된 미세홈과 호스트물질이 상호 작용하여 반응성 액정단량체(62)(또는 액정성 고분자)가 y-방향을 따라 배열되며, R,G,B염료(55)도 상기 반응성 액정단량체(62)를 따라 배열되며, 고분자화 진행됨에 따라 배열 방향은 유지된다. 상기와 같이 반응성 액정단량체(62)와 이색성 염료(64)가 배열된 편광층(56)에 광이 조사되면, 이색성 염료(64)의 배열과 평행한 y-방향의 편광성분은 이색성 염료(55)에 의해 흡수되므로, y-방향이 광흡수축이 되고 이색성 염료(55)의 배열과 수직한 x-방향의 편광성분은 이색성 염료(55)에 흡수되지 않고 그대로 투과하여 x-방향이 광투과축이 된다.
한편, 본 발명에서는 상기 제1편광층(156), 제2편광층(157) 및 제3편광층(158)에 각각 다른 컬러의 염료가 포함되는데, 그 이유는 다음과 같다.
본 발명에서 편광층을 하나의 편광층을 형성한 후, 하나의 편광층에 R,G,B염료를 모두 포함시킬 수 있다. 그러나, 이 경우, 하나의 호스트에 여러 종류의 게스트를 혼합하기 때문에, 호스트와 게스트를 적정 비율로 혼합할 수가 없어서 호스트를 따라 게스트를 정밀하게 배열할 수가 없었다. 따라서, 특정방향(예를 들면, x-방향)의 광을 완전하게 흡수하지 못하고 일부가 투과되어 편광도가 저하되는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 호스트와 게스트를 적정 비율로 혼합하여 게스트를 정밀하게 배열하는 경우에는 여러 종류의 게스트가 충분히 혼합되지 않기 때문에, 가시광선 전 영역에서 편광도를 균일하게 유지하지 못하여 편광도가 감소하게 되는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에서는 편광층을 복수의 층으로 형성하고 각각의 편광층(156,157,158)에 서로 다른 컬러의 이색성 염료를 포함시킨다. 즉, 본 발명에서는 하나의 편광층에는 호스트와 동일한 컬러의 게스트를 혼합시키므로, 호스트와 게이트를 정적비율로 혼합할 수 있게 되므로, 호스트를 따라 게스트를 정밀하게 배열할 수 있게 되어 해당 컬러에 대응하는 파장의 광중에서 해당 방향의 광성분을 완전하게 흡수할 수 있게 된다.
이때, 제1편광층(156), 제2편광층(157) 및 제3편광층(158)에는 각각 R,G,B염료가 포함되는데, 동일한 염료가 제1편광층(156), 제2편광층(157) 및 제3편광층(158)중 두개의 층에 이중으로 포함되지 않으며, 각각의 제1편광층(156), 제2편광층(157) 및 제3편광층(158)에 포함되는 R,G,B염료는 랜덤하게 포함될 수 있다.
상기 제1편광층(156), 제2편광층(157) 및 제3편광층(158)에는 각각 1-7wt%, 바람직하게는 3-7wt%의 이색성 염료가 혼합되는데, 이때의 이색성 염료는 R,G,B염료 뿐만 아니라 시안(cyan), 마젠타(magenta), 옐로우(yellow)염료도 포함한다.
편광층(156,157,158)에 혼합되는 이색성 염료의 1wt% 미만이면, 조사되는 광의 흡수가 불완전하게 되어 편광도가 저하되며, 이색성 염료의 7wt%를 초과하면, 투과되는 광의 투과율이 저하된다.
각각의 편광층(156,157,158)에 서로 다른 컬러의 이색성 염료가 포함되며, 각 편광층의 이색성 염료가 호스트를 따라 정밀하게 배열되므로, 상기 복수의 편광층(156,157,158)으로 입사된 광은 R,G,B컬러에 대응하는 파장대의 광의 특정 방향의 광성분을 완전하게 흡수하여 입사되는 가시광선을 완전하게 편광시킬 수 있게 된다.
표 1은 본 발명에 따른 편광판의 편광도 및 투과율을 나타내는 표로서, 종래 PVA 편광판과 하나의 편광층에 복수의 염료를 혼합하는 단층 편광판의 편광도 및 투과율을 비교하였다.
투과율(Ts) 편광도(P.E)
PVA편광판 43% 99.995%
단층 호스트-게스트 편광판
 두께 5㎛ 25% 99.2%
3.5㎛ 33% 97.5%
2㎛ 40% 90.3%
본 발명의 다층 편광판
 두께 5㎛ 40% 99.5%
3.5㎛ 43% 99.3%
2㎛ 42% 99.1%
표1에 본 발명에 따른 다층 편광판에서는 편광판의 두께에 따라 투과율(Ts)이 40-43%이고 편광도(P.E)가 99.1-99.5%로서, 두께에 따른 투과율과 편광도의 편차가 크지 않다. 따라서, 종래 PVA 편광판에 비해 본 발명의 편광판을 사용하여도 PVA편광판과 유사한 투과율 및 편광도를 발휘할 수 있게 된다.
한편, 하나의 편광층에 R,G,B 염료가 모두 포함되는 단층 호스트-게스트 편광판은 두께에 따라 투과율이 약 25-40%이고 편광도가 90.3-99.2%로서, 두께에 따른 투과율과 편광도의 편차가 크다. 반면에, 본 발명이 편광판에서는 두께에 따른 편차가 거의 발생하지 않는다. 따라서, 단층 호스트-게스트 편광판에 비해, 본 발명에 따른 편광판이 얇은 두께에서도 원하는 투과율과 편광도를 확보할 수 있으므로, 액정표시소자에 적용했을 때 표시소자의 두께 및 무게를 감소할 수 있게 된다. 본 발명에서는 제1-3편광층(56,57,58)의 전체 두께를 10㎛ 이하, 바람직하게는 5㎛ 이하로 하여도, 원하는 투과율과 편광도를 얻을 수 있게 된다.
본 발명에서 단일 염료가 포함된 편광층을 복수개 형성하는 경우, 각각의 편광층에 1-7wt% 바람직하게는 3-7wt%의 단일 염료가 포함되기 때문에, 다양한 종류의 염료가 단일 편광층에 포함되는 경우 보다 많은 양의 염료가 포함될 수 있으며, 그 결과 해당 염료의 컬러에 대응하는 파장의 광을 완전하게 흡수할 수 있게 된다.
이하에서는 상기 구조의 편광판을 제작하는 방법을 상세히 설명한다.
도 4a-도 4d는 본 발명에 따른 편광판 제조방법을 나타내는 도면이다. 이때에도 이색성 염료는 다양한 염료가 사용될 수 있지만, 설명의 편의를 위해 R,G,B염료에 대해 설명한다.
우선, 도 4a에 도시된 바와 같이, 유리나 플라스틱과 같은 투명한 물질, 또는 투명한 필름과 기판(52) 위에 배향물질을 도포하여 배향층(54)을 형성한다. 이때, 상기 배향물질은 폴리이미드나 폴리아미드로서, 상기 폴리이미드나 폴리아미드를 도포한 후 열을 인가하여 경화함으로써 배향층(54)을 형성한다.
이후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 배향층(54)의 일측에 러빙롤(59)를 위치시킨 후, 배향층(54)의 타측으로 러빙롤(59)을 진행하거나 기판(52)을 이동시켜 배향층(54)을 러빙함으로써 배향층(54)에 러빙방향으로 배열되는 복수의 미세홈(도면표시하지 않음)을 형성한다.
이어서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 액정성 고분자나 액정성 저분자 또는 올리고머 등의 호스트에 3-7wt%의 레드(R)컬러의 이색성 염료가 혼합된 제1편광물질을 배향층(54) 위에 도포하고 경화하여 제1편광층(56)을 형성한다. 제1편광물질의 도포시 호스트가 배향막의 미세홈과 상호작용하여(즉, 배향막의 배향력(anchoring energy)에 의해 제어되어) 일정 방향을 따라 배열되며, 동시에 게스트인 R컬러의 이색성 염료가 상기 호스트를 따라 배열하게 된다. 이러한 상태에서 상기 제1편광층(56)이 경화되어 R컬러의 이색성 염료가 항상 설정된 방향으로 배열된다.
이때, 상기 제1편광물질로는 호스트에 3-7wt%의 그린(G)컬러의 이색성 염료를 혼합할 수도 있고 3-7wt%의 블루(B)컬러의 이색성 염료를 혼합할 수도 있다. 상기 제1편광층(56)이 경화는 열을 인가하거나 광을 조사함으로써 이루어진다.
그 후, 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 제1편광층(56) 위에 그린(G)컬러의 이색성 염료가 혼합된 제2편광물질을 도포하고 경화하여 제2편광층(57)을 형성하고 이어서 상기 제2편광층(57) 위에 블루(B)컬러의 이색성 염료가 혼합된 제2편광물질을 도포하고 경화하여 제3편광층(58)을 형성한다.
제2편광물질과 제3편광물질의 도포시, 배향막의 배향력이 여전히 제2편광물질과 제3편광물질의 호스트에 영향을 미쳐 제2편광물질과 제3편광물질의 호스트가 설정된 방향(러빙방향)을 따라 배열되고 이와 함께 이색성 염료 역시 호스트를 따라 배열된다. 이 상태에서 제2편광층(57) 및 제3편광층(58)을 경화함에 따라 G컬러 및 B컬러의 이색성 염료가 항상 설정된 방향으로 배열된다.
도 5a-도 5c는 본 발명이 다른 실시예에 따른 편광판의 구조를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 실시예의 편광판에서는 3층의 편광층으로 구성되어 각각의 편광층에 한 종류의 이색성 염료가 포함되는데 반해, 이 실시예에서는 편광판이 2층으로 이루어져 한층의 편광층에는 2종류의 이색성 염료가 포함되고 다른 한층에는 1종류의 이색성 염료가 포함된다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 편광판(150)은 기판(152)과, 상기 기판(152) 위에 형성된 배향층(154)과, 상기 배향층(154) 위에 형성된 제1편광층(156) 및 제2편광층(157)로 이루어진다.
제1편광층(156)에는 반응성 액정단량체(162)(또는 액정성 고분자), R컬러의 이색성 염료(164r) 및 G컬러의 이색성 염료(164g)가 포함되어, 상기 반응성 액정단량체(162)가 배향층(154)의 러빙방향을 따라 배열되고 상기 R컬러의 이색성 염료(164r) 및 G컬러의 이색성 염료(164g)가 반응성 액정단량체(162)을 따라 배열된다. 이때, 제1편광층(156)에는 1-3wt%의 R컬러의 이색성 염료(164r) 및 G컬러의 이색성 염료(164g)이 각각 포함된다.
제2편광층(157)에는 반응성 액정단량체(162)(또는 액정성 고분자), B컬러의 이색성 염료(164b) 가 포함되어, 상기 반응성 액정단량체(162)가 배향층(154)의 러빙방향을 따라 배열되고 상기 B컬러의 이색성 염료(164b)가 반응성 액정단량체(162)을 따라 배열된다. 이때, 제2편광층(157)에는 1-7wt%의 B컬러의 이색성 염료(164b)가 포함된다.
이 구조의 편광판에서도 배향층(154)의 러빙방향을 따라 반응성 액정단량체(162) 및 이색성 염료(164r,164g,164b)가 배열되므로, R,G,B 컬러에 대응하는 파장대의 광중에서 상기 방향과 평행한 광성분이 흡수되어 입사광이 편광된다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 이 구조의 편광판은 제1편광층(156)에 반응성 액정단량체(162)(또는 액정성 고분자), G컬러의 이색성 염료(164g) 및 B컬러의 이색성 염료(1644)가 포함되어, 상기 반응성 액정단량체(162)가 배향층(154)의 러빙방향을 따라 배열되고 상기 G컬러의 이색성 염료(164g) 및 B컬러의 이색성 염료(164b)가 반응성 액정단량체(162)을 따라 배열된다.
또한, 제2편광층(157)에는 반응성 액정단량체(162)(또는 액정성 고분자), R컬러의 이색성 염료(164r)가 포함되어, 상기 반응성 액정단량체(162)가 배향층(154)의 러빙방향을 따라 배열되고 상기 R컬러의 이색성 염료(164b)가 반응성 액정단량체(162)을 따라 배열된다.
이때, 제1편광층(156)에는 1-3wt%의 G컬러의 이색성 염료(164g) 및 B컬러의 이색성 염료(164b)이 각각 포함되고 제2편광층(157)에는 1-7wt%의 R컬러의 이색성 염료(164r)가 포함된다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 이 구조의 편광판은 제1편광층(156)에 반응성 액정단량체(162)(또는 액정성 고분자), R컬러의 이색성 염료(1644) 및 B컬러의 이색성 염료(1644)가 포함되어, 상기 반응성 액정단량체(162)가 배향층(154)의 러빙방향을 따라 배열되고 상기 R컬러의 이색성 염료(164r) 및 B컬러의 이색성 염료(164b)가 반응성 액정단량체(162)을 따라 배열된다.
또한, 제2편광층(157)에는 반응성 액정단량체(162)(또는 액정성 고분자), G컬러의 이색성 염료(164g)가 포함되어, 상기 반응성 액정단량체(162)가 배향층(154)의 러빙방향을 따라 배열되고 상기 G컬러의 이색성 염료(164g)가 반응성 액정단량체(162)을 따라 배열된다.
이때, 제1편광층(156)에는 1-3wt%의 R컬러의 이색성 염료(164r) 및 B컬러의 이색성 염료(164b)이 각각 포함되고 제2편광층(157)에는 1-7wt%의 G컬러의 이색성 염료(164g)가 포함된다.
이와 같이, 도 5a-도 5c 구조의 편광판에서는 편광층이 2개의 층으로 이루어지고 하나의 층은 2종류 컬러의 이색성 염료가 포함되고 다른 층에는 1종류 컬러의 이색성 염료가 포함된다. 따라서, 하나의 층에 3종류의 이색성 염료가 포함되는 경우에 비해 많은 양의 염료가 포함될 수 있으므로, 해당 염료의 컬러에 대응하는 파장의 광을 완전하게 흡수할 수 있게 된다. 또한, 도 2에 도시된 구조에 비해, 편광층의 개수가 감소하므로, 공정의 단순화되고 편광판의 두께를 감소할 수 있게 된다.
한편, 도 5a-도 5c에서는 2종류 컬러의 이색성 염료가 포함된 편광층 하부에 형성되고 1종류 컬러의 이색성 염료가 포함된 편광층이 상부에 형성되지만, 1종류 컬러의 이색성 염료가 포함된 편광층이 하부에 형성되고 2종류 컬러의 이색성 염료가 포함된 편광층이 그 위에 형성될 수도 있다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 편광판의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이 구조의 편광판(250)은 기판(252)과, 상기 기판(252) 위에 형성된 제1-3편광층(256,257,258)로 이루어진다. 도 2에 도시된 구조의 편광판과 이 실시예의 편광판의 구조를 비교하면, 도 2에 도시된 구조의 편광판에서는 기판과 편광층 사이에 배향층이 형성되어 편광층의 호스트를 일정 방향으로 배열하지만, 이 실시예에서는 배향층이 형성되지 않고 편광층(256,257,258)이 직접 기판(152) 위에 형성된다.
이 실시예에서는 호스트물질로서 선편광된 광이 조사됨에 따라 광학적 이방성을 나타내는 감광성기와 특정 온도구간에서 액정성을 액정성 고분자나 액정성 저분자 등의 광배향성 또는 광반응성 폴리머를 사용할 수 있다. 이러한 호스트물질은 폴리아크릴레이트계의 메인체인(main chain)과 상기 메인체인에 연결된 하나 또는 복수의 사이드체인(side chain)으로 이루어지며, 각각의 사이드체인에는 하나 또는 두개의 방향족 물질이 구비되고 사이드체인의 단말기로서 광반응물질이 구비되어 광-이성질화(photo-isomerization) 반응이나 광-이합(photo-dimerization) 반응이 발생하게 된다. 또한, 단말기로서 수소결합기가 구비될 수도 있다.
이러한 호스트물질에 선편광된 광이 조사되면, 호스트물질인 광반응성 폴리머에 광-이성질화 반응과 광-이합 반응이 발생하게 되어 광반응성 폴리머에 이방성이 발생하게 되어 광반응성 폴리머를 일정 방향으로 배열시킬 수 있게 되는데, 이를 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
호스트물질인 광반응성 폴리머에 광이 조사되면, 광반응성 폴리머의 사이드체인에 부착된 단말기가 광-이성질화 반응 및 광-이합반응을 일으킨다. 즉, 광학적 이방성을 가진 광반응성 폴리머에 선편광된 광이 조사되면, 광의 편광방향, 즉 광이 전계방향과 평행한 광고분자의 사이드체인의 분자들이 조사된 광의 에너지를 흡수하여 광- 이성질화 반응이 일어난다.
이에 따라 광이 편광 방향, 즉 전계의 방향과 평행한 사이드체인은 Z-isomer를 형성하고, 전계의 방향과 수직한 사이드 체인은 E-isomer로 남아있게 되어, 남아있는 E-isomer 방향으로 약한 이방성을 갖게 되므로 전체 호스트물질의 사이드체인의 방향은 광의 편광방향과 수직으로 결정된다.
상기와 같은 광반응성 폴리머를 호스트물질로 사용하여 편광판을 제작하는 경우, 호스트물질에는 R,G,B컬러의 이색성 염료와 같은 게스트물질이 혼합되며, 상기 R,G,B염료는 상기 광반응성 폴리머의 사이드체인의 방향을 따라 배열된다. 즉, R,G,B염료가 조사되는 광의 선편광방향과 수직으로 배열된다.
이와 같이, R,G,B염료가 일정 방향으로 배열됨에 따라 광이 입력될 때 상기 R,G,B염료의 배열방향, 즉 흡수방향과 평행한 편광성분은 흡수되고 흡수방향과 수직한 편광성분은 투과됨으로써 입사되는 광을 편광시킨다.
상기 구조의 편광판에서는 이러한 편광층이 각각 서로 다른 컬러의 이색성 염료를 포함하는 복수의 층으로 형성되어, 각각의 층에서 대응하는 파장대의 광을 흡수하므로, 입사되는 광을 완전하게 편광시킬 수 있게 된다.
이 구조의 편광판의 제조방법은 도 4a-도 4d에 도시된 제조방법과 거의 유사하다. 도 2에 도시된 구조의 편광판에서는 배향막을 구비하므로, 배향막을 러빙하는 공정이 필요하지만, 이실시예에서는 배향막이 필요없이 광조사에 의해 호스트를 배열하므로, 배향막 형성 및 러빙공정이 필요없이 기판(252)상에 직접 제1편광물질을 도포한 후 선편광된 광을 조사하여 제1편광물질을 경화시킴과 동시에 제1편광물질의 호스트 및 게스트를 설정된 방향(선편광 방향 등)으로 배열함으로써 특정 방향으로 흡수축 및 투과축을 갖는 제1편광층(256)을 형성할 수 있게 된다. 또한, 상기 편광물질 및 광조사 공정을 반복하여 제2편광층(257) 및 제3편광층(258)을 형성할 수 있게 된다.
이와 같이, 이 실시예에서는 별도의 배향막이 필요없기 때문에 제조비용을 절감할 수 있게 되며, 편광판의 구조를 단순화하고 두께를 최소화할 수 있게 된다. 또한, 이 구조의 편광판에서는 배향막을 러빙하는 공정이 필요없게 되므로, 제조공정을 단순화할 수 있게 된다.
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.
50 : 편광판 52 : 기판
54 : 배향층 56,57,58 : 편광층

Claims (27)

  1. 기판; 및
    상기 기판 위에 배치된 제1편광층 및 제2편광층으로 구성되며,
    상기 제1편광층에는 감광성기와 광반응성 폴리머를 포함하는 호스트와 서로 다른 컬러의 제1이색성 염료 및 제2이색성 염료가 포함되고 상기 제2편광층에는 감광성기와 광반응성 폴리머를 포함하는 호스트와 상기 제1이색성 염료 및 상기 제2이색성 염료와는 다른 컬러의 제3이색성 염료를 포함하며,
    상기 광반응성 폴리머는 선편광된 광이 조사됨에 따라 사이드체인이 상기 광의 편광방향과 수직으로 배열되어 상기 편광층의 편광방향을 결정하며,
    상기 제1편광층 및 상기 제2편광층은 직접 접촉하고, 상기 제1편광층 및 상기 제2편광층중 어느 하나는 상기 기판 위에 형성되어 상기 기판의 상면과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 편광판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3이색성 염료는 각각 레드, 그린, 블루 염료인 것을 특징으로 하는 편광판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3이색성 염료는 시아, 옐로우, 마젠타 염료인 것을 특징으로 하는 편광판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판은 투명한 유리, 플라스틱 또는 필름인 것을 특징으로 하는 편광판.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서, 제1편광층에 포함되는 이색성 염료의 함유량은 1-3wt%이고 제2편광층에 포함되는 이색성 염료의 함유량은 1-7wt%인 것을 특징으로 하는 편광판.
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1편광층 및 상기 제2편광층의 전체 두께는 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 편광판.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1편광층 및 상기 제2편광층의 전체 두께는 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 편광판.
  18. 화상이 구현되는 액정패널; 및
    상기 액정패널 양면의 적어도 일면에 부착된 편광판으로 구성되며,
    상기 편광판은 기판, 상기 기판 상부 위에 배치되는 제1편광층 및 제2편광층을 포함하며,
    상기 제1편광층은 감광성기와 광반응성 폴리머를 구비하는 호스트와 서로 다른 컬러의 제1이색성 염료 및 제2이색성 염료가 포함되고 상기 제2편광층은 감광성기와 광반응성 폴리머를 포함하는 호스트와 상기 제1이색성 염료 및 상기 제2이색성 염료와는 다른 컬러의 제3이색성 염료를 포함하며,상기 광반응성 폴리머는 선편광된 광이 조사됨에 따라 사이드체인이 상기 광의 편광방향과 수직으로 배열되어 상기 제1편광층 및 상기 제2편광층의 편광방향을 결정하며,
    상기 제1편광층 및 상기 제2편광층은 직접 접촉하고, 상기 제1편광층 및 상기 제2편광층중 어느 하나는 상기 기판 위에 형성되어 상기 기판의 상면과 직접 접촉하는것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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  21. 제18항에 있어서, 상기 제1 내지 제3이색성 염료는 각각 R,G,B컬러의 이색성 염료인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  22. 삭제
  23. 제18항에 있어서, 상기 제1 내지 제3이색성 염료는 각각 시안, 마젠타, 옐로우컬러의 이색성 염료인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 제21항 또는 제23항에 있어서, 제1편광층에 포함되는 이색성 염료의 함유량은 1-3wt%이고 제2편광층에 포함되는 이색성 염료의 함유량은 1-7wt%인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  27. 제18항에 있어서, 상기 액정패널은 IPS(In Plane Switching)모드 액정패널, VA(Vertical Alignment)모드 액정패널, FFS(Fringe Field Switching)모드 액정패널, TN(Twisted Nematic)모드 액정패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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