KR20010051811A - 디스플레이 디바이스 - Google Patents

디스플레이 디바이스

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KR20010051811A
KR20010051811A KR1020000068853A KR20000068853A KR20010051811A KR 20010051811 A KR20010051811 A KR 20010051811A KR 1020000068853 A KR1020000068853 A KR 1020000068853A KR 20000068853 A KR20000068853 A KR 20000068853A KR 20010051811 A KR20010051811 A KR 20010051811A
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포만 제프리 엘
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Abstract

본 발명은 1-도메인 또는 2-도메인 TN 셀에 대해 음의 복굴절율을 갖는 각 디스코틱형 액정 또는 액체 결정질 막을 이용하는 특수한 보상 방안에 관한 것으로서, 이에 의해 보다 나은 시야각(view-angle), 인가 전압의 함수로서 보다 적은 색채-쉬프트(color-shift), 표준-각 1-도메인 또는 2-도메인 TN 셀의 응답 시간보다 빠른 응답 시간을 달성할 수 있다.

Description

디스플레이 디바이스{DISCOTIC-TYPE TWIST-FILM COMPENSATED SINGLE-DOMAIN OR TWO-DOMAIN TWISTED NEMATIC LIQUID CRYSTAL DISPLAYS}
본 발명은 액정(LC) 디스플레이(LCDs)의 설계에 관한 것이며, 특히 수직 입사부(normal incidence) 근처로부터 대면하는 높은 대비율(contrast ratio)을 유지하여 LCD의 시계(field of view)(또는 시각(viewing angle))를 최대화하며, 광범위한 시각상의 그레이 레벨(gray level)의 분산(variance)을 최소화하는 기술에 관한 것이다. 막의 두께를 교차하는 음의 복굴절을(negative birefringence)의 트위스트 광학축(twisted optical axis)을 가진 광학 보상 막을 이용함으로써 이러한 목적을 달성한다.
트위스트 네마틱(twisted nematic)(TN) 액정 디스플레이는 1991년에 Schadt 및 Helfrich에 의해서 발명되었다(M.Schadt 및 W.Helfrich, Applied Physics Letters Vol. 18,127(1971)). 통상적으로, 액정(LC) 셀(cell)은 그 사이에 캐비티(cavity)를 형성하는 2개의 기판으로 구성되어 네마틱 LC 혼합물(mixture)을 포함한다. 각각의 기판과 LC 매개체사이에는 기판상에 피복된 도전성 전극 및 LC 매개체와 직접적으로 접촉하여 인접한 LC 도파기(director)를 한 방향으로 정렬시키는 LC 정렬층(alignment layer)이 존재한다. TN LC 셀에 있어서, 하나의 기판에 인접한 LC 도파기의 방향은 다른 기판에 인접한 LC 도파기의 방향에 수직(90°)이어서, 셀내의 LC 도파기는 하나의 기판으로부터 다른 기판을 향하여 90° 트위스트된다. 정지 상태(quiescent state)에서, TN 셀의 도파기는 LC 셀내에서 0° 내지 90°까지 연속하여 트위스트한다. 제 1 근사에서, TN 셀의 dΔn 값-d는 셀 갭(cell gap), Δn은 셀내의 LC 매개체의 복굴절율-은 입사광 빔(incident light beam)이 을 진입 LC 도파기를 따라서 편광되는 경우에, LC 셀내의 주어진 어떠한 포인트(point)에서의 편광 방향은 그 포인트에서의 네마틱 LC 도파기에 평행하도록 선택된다. 즉, 입사광의 편광은 TN 셀내의 LC 도파기에 의해서 인도되어 출력 편광은 입사 편광에 대하여 회전된다. 디스플레이 애플리케이션에서, TN 셀은 편광기의 투과축(transmitting axes)이 인접한 LC 도파기에 평행하거나 수직한 상태로 2개의 편광기 사이에 위치한다. TN 셀을 그 사이에 끼우는 2개의 편광기의 투과축이 서로 교차되는 경우, TN 디스플레이는 TN 셀의 정지 상태가 디스플레이의 밝은 상태인 노말리 화이트인 경우(normally-white case)에서 작동된다. 반면에, 투과축이 서로 평행인 경우에는, TN 디스플레이는 TN 셀의 정지 상태가 어두운 상태를 나타내는 노말리 블랙인 경우(normally-black case)에서 작동된다.
제조상의 능숙도 및 수행 능력에 기인하여, TN 액정(LC) 디스플레이는 상업적 박막 트랜지스터(TFT) 구동 플랫 패널(flat panel) 액정 디스플레이(LCDs) 분야에서 광범위하게 이용되었다. TFT 구동 TN의 콘트래스트 비(contrast ratio), 휘도(brightness) 및 그레이 스케일(grayscale)의 강한 시각(viewing angle)에의 의존도는 이러한 디스플레이의 주된 단점으로 인식되었다. TN LC 셀의 시각(viewing-angle) 문제를 설명하기 위하여, 상이한 시향(viewing direction)을 가지는 TN 방향이 정의되어야 한다.
도 1은 2개의 기판(12,14)을 가지는 TN 셀(10)을 도시한다. 마찰 폴리이미드 막(rubbed polyimid film)(도 1에는 도시되지 않음)은 통상적으로 LC 도파기를 정렬하는 데에 이용된다. 기판(12,14)상의 폴리이미드 막의 마찰 방향은 각기 점선의 화살표(16) 및 실선의 화살표(18)로 도시되어 있다. 디스플레이 애플리케이션에서, TN 셀은 편광기의 투과축이 인접한 LC 도파기에 평행하거나 수직한 상태로 편광기(20,22)사이에 위치한다. TN 셀을 그 사이에 끼우는 2개의 편광기의 투과축(24,26)이 서로 교차되는 경우, TN 셀은 TN 셀의 정지 상태가 디스플레이의 밝은 상태인 노말리 화이트인 모드(normally-white mode)에서 작동된다. 반면에, 축(24,26)이 서로 평행인 경우에는, TN 셀은 노말리 블랙인 모드(normally-black mode)에서 작동된다. 노말리 화이트인 경우에는 정상 광선(o-) 및 초정상 광선(e-)의 2개의 고유 모드(eigen mode)가 존재하는데, 이 경우에 광학 필드는 TN 셀내의 네마틱 LC 도파기에 각기 수평하거나 수직하게 전파한다. 이러한 e- 및 o-모드는 편광기(20,22)의 투과축이 도시된 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 TN 디스플레이의 구성은, 디스플레이를 면하여, 4개의 시영역을 정의할 수 있는데, 이는 12시 방향으로부터 보는 상부 시영역, 6시 방향으로부터 보는 하부 시영역, 9시 방향에서 보는 좌측 시영역 및 3시 방향에서 보는 우측 시영역이다. 하부 및 좌측 시영역의 각의 기호는 음(negative)인 반면에, 상부 및 우측 시영역의 각의 기호는 양(positive)이다. 통상적으로, o- 모드는 2 레벨(bi-level) 디스플레이에 이용되었다. 최근에는, Takano 등은 아날로그 그레이 스케일 풀 컬러 디스플레이(analog-gray scale full color displays)에 대한 제 1 최소 TN 셀(first-minimum TN 셀)인 NW의 o- 및 e- 모드사이를 상세히 비교하였다(H.Takano, M.Ikezaki, 및 S.Suzuki "Threshold Voltage Biased E-mode TN LCD-Optimum Optical Design for Grayscale Application", the IV International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals, Oct. 7-11,1991,Cocoa Beach, Florida). 이들은 특히 적절한 그레이스케일 순서(그레이스케일 반전이 없는)를 유지하는 시영역의 최적화, 즉, 8개의 그레이 레벨의 비에 대해 그레이스케일 반전들의 각도 영역을 최소화하는 것에 관심을 가졌다.
이들은 아날로그 그레이 스케일 적용에 대해 거의 임계 전압 바이어스를 갖는 e-모드가 o-모드보다 더 우세하다고 결론지었다. 본 발명의 나머지 부분에서는, e-모드를 예로 들어 논의할 것이다. 이 결과들은 o-모드에도 적용될 수 있다.
아날로그 그레이 스케일 디스플레이에 대한 TN의 시야각 문제를 설명하기 위해, 도 2에는 투과율을 상이한 다섯 방향으로부터 TN 셀을 볼 때, 통상적인 TN 셀에 대해 인가된 전압의 함수로서 나타내었다. 도 2의 곡선 1, 2, 3, 4, 5는 수직 입사로부터의 시야, 좌측 시영역으로부터 40°, 우측 시영역으로부터 50°, 하부 시영역으로부터 30°, 상부 시영역으로부터 30°에 각각 대응하며, 여기서 각도는 디스플레이 패널의 수직에 대한 보는 방향의 각으로서 정의된다. 도 2는 TN 셀에 인가된 소정 전압에서, 디스플레이의 휘도(또는 콘트래스트 비)가 전술한 다섯 개의 보는 방향으로부터 상이하게 나타남을 나타낸다.
통상적인 TN 셀의 시야각 문제를 정량화하기 위해, 디스플레이의 가장 어두운 상태에 대한 휘도로부터 시작해서 8개의 거의 동등한 간격의 그레이 레벨을 얻도록 TN 셀에 인가된 8개의 상이한 전압 레벨을 선택한다. 이들 8개의 레벨의 변화는 통상적인 TN 셀에 대해, 도 3 및 도 4의 수평 및 수직 방향에 시야각의 함수로서 각각 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, +40°또는 -40°의 수평 시야각(horizontal viewing angle)에서, 그레이 레벨(8)(수직 입사에 가까운 가장 어두운 레벨(darkest level)의 투과율은 그레이 레벨(7)의 투과율보다 더 높다. 이 경우에, 우리는 시야각을 위해 그레이 레벨 8(g8)과 그레이 레벨 7(g7)사이에 콘트래스트(contrast) 또는 그레이-레벨 역전(gray level reversal)을 갖는다. 그레이스케일 역전이 레벨 1 내지 레벨 8사이의 임의의 두 그레이 레벨 사이에서 발생한다면 디스플레이에 악영향을 미치는 것 처럼 보일 것이다. 도 5는 전형적인 TN 디스플레이를 위한 시야각의 함수로서 이소-콘트래스트 곡선(iso-contrast curve)을 도시한다. 우리는 시야각이 수직 입사에서 더 멀리 벗어날 때 콘트래스트율이 감소한다는 것을 알수 있다. TN 셀은 통상적으로 수직 입사에 가까운 최상의 콘트래스트율을 갖는다. 또한, 도 5는 그것이 화상 반전(image reversal)을 가지는 이들 시영역으로부터 보여질 때 디스플레이에 악영향을 미치는 것처럼 보여지도록 두꺼운 실선 밖에서 영상(또는 그레이 스케일) 역전이 발생한다.
TN 셀의 좁은 시야각 특성은 뷰잉 방향이 수직 입사로부터 떨어져 변화될 때 어두운 상태에서의 효과적인 지연에 의해 발생된다. 대부분의 종래 기술은 보통 백색 모드 및 보상막(compensation film)을 사용하여 필드-온의 어두운 상태(field-on dark state)의 지연을 보상한다. 제 1 근사치에 대해, 임의의 인가 전압(V)하의 수직 입사에서의 네마틱 LC 셀의 지연은 d△n(v)에 비례하며, 이때 d는 셀갭(cell gap)이고 △n(v)은 인가 전압(V)하의 LC 매체의 복굴절율이다. 교차 편광자(crossed polarizers)간의 이 상태에서의 전송은 sin2(πd△n(v)/λ)에 비례하며, 이때 λ는 입사광의 파장이다. 수직 입사에서 200 대 1 보다 큰 콘트래스트율을 수행하기 위해, πd△n(v)/λ의 값은 대략 0.07 이하여야 한다. 기울어진 방향(oblique direction)으로부터 LC 셀이 보여질 때, 지연은 수직 입사에서의 지연보다 비교적 크거나 또는 비교적 작아지므로 수직 입사에서보다 더 선명해지거나 또는 더 희미해질 수 있으며, 이 결과 뷰잉 방향에 따른 상이한 휘도(brightness)를 갖는 동일한 그레이 레벨을 보게 된다. 시야각의 함수로서 효과적인 복굴절의 종속을 감소시키기 위해, 즉 넓은 시야각의 범위에 걸쳐있는 상대적인 그레이 레벨에서의 분산을 감소시키는 TN 셀상에 부착된 보상막을 이용하는 다양한 종래기술이 존재한다.
초기의 종래 기술 중 하나의 개요(N.Yamagishi,H.Watanabe,K. Yokoyama, "Wide Viewing Angle LCD Using Retardation Films,"Japan Display'89,page 316) 가 도 6에 도시되며, TN 셀(40) 및 두개의 지연막(44,46)이 두개의 교차된 편광자(48,49)사이에 개재(sandwiched)된다. TN 셀(40)의 상부 정렬층상에서의 마찰 방향(41)은 지연막(44)의 광학축(optical axis)에 수직하므로 그것은 TN 셀의 상부 기판에 인접한 비변형된 경계 LC 층(undefromed boundary LC layer)을 보상할 수 있다. 유사하게, TN 셀(40)의 바닥 정렬 층상에서의 마찰 방향(42)은 지연막(46)의 광학축(또는 슬로우 축(slow axis))에 수직하므로, 그것은 TN 셀의 바닥 기판에 인접한 비변형된 경계 LC 층을 보상할 수 있다. 이 종래기술은 시야각만을 약간 개선하는데, 이는 그것이 대부분의 경사-뷰잉 방향에 대해 하나의 축을 가진(비-스플레이(non-splay)) 복굴절 보상기에 의해 필드상의 TN 셀의 복굴절을 완전히 보상하는 것이 불가능하기 때문이다.
최근에 발표된 또 다른 종래 기술(Hiroyuki Mori, Yoji Itoh, Taku Nakamura, Yukio Shinagawa, Jpn, J, Appl.Phys.Vol. 36, 143(1997))의 개요가 도 7에 도시되어 있으며, 두개의 보상막(54,56)사이에 개재된 TN 셀(50)은 두개의 교차 편광자(58,59)사이에 위치된다. TN 셀의 정렬막상에서의 마찰 방향(51,52)은 인접한 보상막(54,56) 제각각의 광학축에 평행한다. 그러나, 대시 화살표(dash)에 의해 나타내진 보상막(54,56)은 통상적으로 도 6에서 (44,46)으로 도시된 하나의 축을 가진 복굴절판은 아니지만, 음의 복굴절율을 가지는 스플레이 디스코틱막(splay discotic film)의 광학축은 평면안으로부터(in-plane) 계속적으로 변화하여 막두께의 방향에 따른 평면으로부터 기울어진다. 이러한 기법의 보상 메카니즘이 도 8에 도시되며, 인가 전계하의 TN 셀(70)내의 LC 도파기(LC director)는 상위 70U 및 하위 70D에 의해 나타내질 수 있다. 마찰된 정렬층상에 고정된 LC 도파기는 이들이 임의의 인가 전압(또는 전계)에 의해 변형되지 않는 방식으로 고정된다. 한편, TN 셀의 기판에 인접한 경계 LC 층은 대략 스플레이 LC 층에 의해 나타내지며 그 스플레이 LC 층의 기판상의 LC 도파기는 마찰 방향에 따르며, 이는 인가 전계에 의한 TN 셀의 중심에서 수직 정렬 방향으로 기울어진다. 양의 복굴절율을 가진 스플레이 LC 층의 지연을 상쇄(cancel)시키기 위해 인접한 디스코틱 보상막은 음의 복굴절율을 가진 구조에서 이 스플레이 LC 층을 모방한다. 그러므로, 인가 전압(또는 전계)만이 TN 셀 중심에 인접한 LC 도파기를 70U 및 70D에 도시된 바와 같은 전계 방향에 평행하게 변형시키며, 이 LC 도파기는 다른 측면상의 전계 방향에 수직인 한 측면상의 전계 방향에 평행한 스플레이 상태를 형성한다. 스플레이 상태 70U를 보상하기 위해, 스플레이 디스코틱 타입 LC 또는 디스코틱 타입 액정 중합체 막이 사용된다. 우리가 TN 셀의 상위, 70U 및 보상막(54)을 n층(n은 정수이고 2보다는 큼)으로 분할하면, 70U내의 임의의 층으로 빠진 복굴절은 보상막(54)내의 대응층에 의해 보상된다. 예를 들면, 도 8에서, 우리는 70U를 두께 (d1,d2,d3)를 제각각 갖는 3개의 층(701,702,703)으로 분할하고 또한 보상막(54)을 두께 (d1',d2',d3')를 제각각 갖는 (521,542,543)으로 분할한다. (541)을 갖는 (701)층의 보상은 도 9에 의해 도시될 수 있으며, 층(701)의 타원면의 인덱스는 디스코틱 타입 LC 도파기에 평행한 광학축을 갖는 음의 복굴절율(negation birefringence)을 갖는 81로 도시되고, (541)의 타원면의 인덱스는 네마틱 LC 도파기에 평행한 광학축을 가지는 양의 복굴절율을 갖는 82로 도시된다. 보상막의 대응층(541)에 의한 TN 셀에서 층(701)을 보상하기 위한 조건은 (ne-no)d1+(ne'-no')d1'=0이며, 이때 ne' 및 no'는 보상층(541)에 관련된 타원면(81)의 초정상(extra-ordinary) 및 정상 광선(ray)의 귤절율 제각각을 나타낸다. ne및 no는 LC 층(701)에 관련된 타원면(82)의 초정상 및 정상 광선의 굴절률을 각각 나타낸다. 유사한 조건은 층(702,542) 및 층(703,543) 제각각에도 행해진다. 정확한 보상 메카니즘은 또한 하부 TN 셀, 70D 및 보상막(56)사이에서 발생한다.
Hiroyuki Mori 등에 의한 이 종래 기술에는 몇가지 단점이 존재한다. 인가 전계하의 TN 셀의 반, 예를 들면 70U는 트위스트-스플레이 상태인데 이는 원래의 45°(90°의 반)가 인간 전계에 의해 완전히 제거되지 않으므로 순 스플레이 상태를 갖는 편광막이 이상적인 보상을 수행할 수 없기 때문이다. 보상막의 스플레이 프로파일은 고정된 셀갭위의 선택된 인가 전압와 함께 지시된 LC 혼합기를 매칭시켜야 한다. TN 셀의 전술된 3개의 파라미터(즉, LC 혼합기, 셀 갭, 어두운 상태를 위한 전압) 중 하나에서의 임의의 변화는 매칭될 상이한 스플레이 프로파일 및 파라미터와 함께 새로운 보상막을 요구한다. 90°트위스트 TN 셀로 인하여 다른 것에 대해 그 하나는 다른 하나에 대해 90°회전된 상태를 갖는 두개의 경계 LC 층을 생성하는 두개의 기판이 존재하므로 , 두개의 보상막(예를 들면 도 7 또는 도 8)을 사용하는 것이 필요하며, 각각은 그것의 인접한 경계 LC 층에 매칭하여 단일 도메인 TN에 대한 충분한 보상을 달성한다. 만약 우리가 단일 도메인 TN을 적어도 3개의 상이한 스플레이 경계 LC 층을 갖으며, 3개의 스플레이 경계 LC 층 중 하나가 효과적으로 보상하지 못할 두개의 도메인(또는 분할된 도메인) TN으로 대체한다면(즉, 디스플레이 화소 또는 유닛내에 상이한 TN 배향의 두개의 서브 도메인이 존재한다면), 도 7 및 도 8에 도시된 이들 두 보상막은 효율적이지 않다(또는 유용적이지 못함).
90°트위스트 단일 도메인 또는 두개의 도메인 TN에 걸쳐있는 넓은-시야각 LCD는 디스코틱 액정 또는 음의 복굴절율을 갖는 디스코틱 액정 중합체로 구성된 디스코틱 막으로 트위스트된 단일층을 이용함으로써 달성되어 왔다. 발명된 LCD는 보다 넓은 시야각, 보나 낮은 동작 전압, 보다 낮은 인가 전압의 함수로서의 컬러-시프트 및 보상된 또는 비보상된 단일 도메인 또는 두개의 도메인의 종래 기술보다 보다 빠른 반응 시간을 갖는다.
도 1은 특별한 (e-) 모드 및 일반적인 (o-) 모드를 갖는 노멀리 화이트 경우에 동작하는 TN 디스플레이의 구조를 도시한 도면(좌우측 및 상하측 시야 영역을 결정하도록 TN 셀의 배향이 선택된다).
도 2는 상이한 다섯 개의 상이한 보는 방향을 파라미터로서 이용하는 TN 셀에 대한 투과율대 인가된 전압 곡선을 도시한 도면(TN 셀의 콘트래스트 비는 시각에 따라 크게 좌우된다).
도 3은 8개의 그레이 레벨 투과율대 수평 시야각을 도시한 도면.
도 4는 8개의 그레이 레벨 투과율대 수직 시야각을 도시한 도면.
도 5는 화상 반전의 시작을 나타내기 위해 5, 20, 100의 콘트래스트 비를 갖는 이소 콘트래스트(iso-contrast) 곡선을 도시한 도면(상부 시영역에 있어서, 화상 반전 곡선은 그레이 레벨 1 및 2 또는 그레이 레벨 2 및 3, 또는 그레이 레벨 3 및 4 사이에서 발생하는 화상 반전의 경계를 나타내고, 하부 시영역에 있어서, 화상 반전 곡선은 그레이 레벨 7 및 8 사이에서 발생하는 화상 반전의 경계를 나타낸다).
도 6은 TN 셀의 필드 온 상태를 보상하기 위해 양의 복굴절율을 갖는 두 개의 단축 광 보상막을 이용하는 종래 기술을 도시한 도면.
도 7은 음의 복굴절율을 갖는 두 개의 스플레이 디스코틱형 보상막에 의해 TN 셀의 필드 온 상태를 보상하는 다른 종래 기술의 개략도.
도 8은 도 7에 도시된 종래 기술과 관련된 보상 메커니즘의 설명도.
도 9는 스플레이 보상막의 단일 서브레이어와 이에 대응하는 필드 온 TN 셀의 서브레이어에 대한 타원체의 인덱스를 도시한 도면.
도 10은 통상적인 디스코틱형 LC 또는 LC 중합체를 (a), (b), (c) 및 (d)에 도시하고, 대응하는 타원체의 인덱스를 (e)에 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 개략적인 측면도.
도 12는 도 11의 상면도.
도 13은 트위스트 디스코틱형 보상막의 일부와 이에 대응하는 타원체의 필드 오프 TN 셀 부분의 인덱스를 도시한 도면.
도 14a는 본 발명의 실시예 1에서 입사된 화이트 광을 이용하여 이소 콘트래스트 비들을 측정한 곡선을 도시한 도면.
도 14b는 인가된 전압을 파라미터로 이용하여 본 발명의 실시예 1에서 측정된 투과율을 입사광의 파장 함수로서 도시한 도면.
도 15a는 대비예 1a에서 입사된 화이트 광을 이용하여 이소 콘트래스트 비를 측정한 곡선을 도시한 도면.
도 15b는 인가된 전압을 파라미터로 이용하여 대비예 1a에서 측정된 투과율을 입사광의 파장의 함수로서 도시한 도면.
도 16a는 대비예 1b에서 입사된 화이트 광을 이용하여 이소 콘트래스트 비를 측정한 곡선을 도시한 도면.
도 16b는 인가된 전압을 파라미터로 이용하여 대비예 1b에서 측정된 투과율을 입사광의 파장의 함수로서 도시한 도면.
도 17a는 본 발명의 실시예 2에 대해 측정된 투과율을 그레이 레벨 1 내지 8에 대한 수평 시야각의 함수로서 도시한 도면.
도 17b는 본 발명의 실시예 2에 대해 측정된 투과율을 그레이 레벨 1 내지 8에 대한 수직 시야각의 함수로서 도시한 도면.
도 18a는 본 발명의 실시예 3에 대해 측정된 투과율을 그레이 레벨 1 내지 8에 대한 수평 시야각의 함수로서 도시한 도면.
도 19a는 본 발명의 실시예 4에 대해 측정된 투과율을 그레이 레벨 1 내지 8에 대한 수평 시야각의 함수로서 도시한 도면.
도 19b는 본 발명의 실시예 4에 대해 측정된 투과율을 그레이 레벨 1 내지 8에 대한 수직 시야각의 함수로서 도시한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 보상막 102 : TN 셀
104 : 편광기 106 : 분석기
본 발명은 디스코틱형 액정 또는 디스코틱 중합체로 이루어진 디스코틱 막을 포함한다. 양호하게는 본 발명의 디스코틱 막은 부의 복굴절을을 가지며 TN 셀의 정지(필드-오프) 상태를 보상하는데 이용된다.
디스코틱형 액정(LC) 또는 디스코틱형 액정 중합체(LCP)는 도 10a 내지 10d에 도시된 바와 같은 디스크형 분자 구조를 특징으로 하며, 상기 분자는 x-y 평면상에 평평하게 놓여지며 디스크형 공간을 차지한다. 도 10a 내지 10d의 R1내지 R6는 각각 단일 기능 또는 두 기능을 갖는 치환분 그룹이다. 상기 디스크형 구조로 인해, 디스코틱 LC 또는 LCP는 디스크면에 평행한 굴절율이 디스크면에 직각인 굴절율보다 더 큰 광학적 특성을 갖는다. 도 10e는 도 10a 내지 10d에 표시된 디스코틱형 LC 또는 LCP의 타원체의 인덱스를 도시한 것이다. 도 10e에서, no'〉ne'이며, 여기서 no' 및 ne'는 각각 일반적인(디스크면에 평행한 광학 E-필드) 광선의 굴절율과, 특별한(디스크면에 직각인 광학 E-필드) 광선의 굴절율이며, 반면에 TN 셀에 사용된 규칙적인 로드형(rod-like) 네마틱 LC 분자에 대해서는 ne〉no이다.
본 발명에서, 디스코틱 LC 또는 LCP 구조는 셀의 직각 축(Z 축)에 대하여 꼬인다. 도 11은 본 발명의 기본 구조의 측면도로서, 투과축이 각각 x 축 및 y 축을 따르는 편광기(104)와 분석기(106) 사이에, 양의 복굴절율을 갖는 두께 d1c의 노말 트위스트 로드형 네마틱 LC 셀(102)을 보상하는데 사용된 음의 복굴절율을 갖는 역 트위스트 디스코틱 LC 또는 LCP로 이루어진 두께 df의 보상막(100)이 있다. 만약 LC 셀(102)의 바닥 기판에 인접한 LC 지시기들이 x 축을 따르고 LC 셀의 상부 기판에 대해 셀 두께 방향(z 축)을 따라서 φ의 크기만큼 우측으로 꼬이면, 디스코틱형 LC 또는 LCP가 막(100)의 바닥으로부터 상부까지 반대로(즉, 이 경우에는 좌측) 총 비틀림 각 φ를 갖는 방법으로 역 트위스트 디스코틱형 보상막(100)을 설계할 수 있다. 즉, 보상막(100)의 바닥 근방의 디스코틱형 LC 또는 LCP의 지시기는 셀(102)의 상부 기판에 인접한 LC 지시기와 평행하고, 동시에, 보상막(100)의 상부 근방의 디스코틱형 LC 또는 LCP의 지시기는 셀(102)의 하부 기판에 인접한 LC 지시기와 평행하다. 또한, Δnd1c의 절대치와 거의 동일한 Δn'df의 절대치를 설계할 수 있다. 여기서, Δn'(negative)은 보상막(100)의 복굴절율이고 Δn(postive)는 LC 셀(102)의 복굴절율이다.
본 발명을 간단히 설명하기 위하여, 동일한 네 개의 막(1001, 1002, 1003, 1004)으로 구성된 디스코틱형 막(100)을 예로 들어 설명한다. 이들 각각의 막의 지시기는 균일하지만 연속하는 막들 간의 일정 각만큼 1001로부터 1004까지 점진적으로 꼬여져 있다. 또한, 셀 두께를 가로지르는 동일한 네 부분(1021, 1022, 1023, 1024)으로 이루어진 TN 셀(102)을 설명한다. 이들 네 부분의 지시기는 균일하지만 연속하는 부분들 간에 일정 각만큼 1021로부터 1024까지 점진적으로 꼬여져 있다. 도 11 및 12는 상기 예의 측면도 및 평면도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 디스코틱형 막(100) 내의 막(1001, 1002, 1003, 1004)의 지시기들은 각각 TN 셀의 부분들(1024, 1023, 1022, 1021)의 지시기들과 평행하게 설정된다. 상기 지시기는 디스코틱형 막(100) 내에서는 1001로부터 1004까지 우측으로 꼬여지지만, TN 셀(102) 내에서는 1021로부터 1024까지 좌측으로 꼬여진다.
전술한 본 발명의 보상 구조는 다소 심플하다. 만약, 역 트위스트 디스코틱형 보상막(100)과 정상(normal) 트위스트 LC 셀(102)을 모두 n 개의 층(n은 2 이상의 정수)으로 분할하면, 도 12에 도시된 바와 같이, 보상막(100)의 바닥으로부터 임의의 j번째 층(j는 1 내지 n) 및 이에 대응하는 LC 셀(102)의 상부로부터 j번째 층(j는 1 내지 n)의 타원체의 인덱스는 각각 100J 및 102J로 표현될 수 있다. 100J는 음의 복굴절율을 가지며, 그 지시기는 양의 복굴절율을 갖는 102J의 지시기와 평행하다. 100J의 복굴절 효과에 의해 102J에 의한 복굴절 효과의 소거는 수직 입사 근방에서 발생할 뿐만 아니라 비스듬한 입사에 대해서도 발생한다. 본 발명은 도 9에 나타낸 보상 메커니즘을 갖는 종래 기술과는 완전히 상이하다. 이하, 본 발명의 상세한 실시예를 설명한다.
(실시예 1)
대략 5㎛의 셀 갭(cell gap)을 가지는 LC 혼합체, 즉 치사오사(Chisso Corporation)의 TC5065라는 제품을 사용하는 90° 트위스트 각의 라이트 핸드 트위스트 단일 도메인 TN(right-hand-twist, single-domain TN)은 550㎚의 파장에서 측정된 대략 0.475㎛의 지연량(Δn'df)을 갖는 90°레프트 핸드 트위스트 디스코틱 타입의 보상막에 의해 보상된다. 단일 도메인 TN 및 디스코틱 타입의 보상막뿐아니라 교차형 편광기의 상대적인 위치 및 방위는 도 1에 도시된 바와 같이 정렬된다. 본 발명자는 디스플레이상의 입사광으로서 백색 광원을 사용하여 시야각(viewing angle)의 함수로서 본 발명의 iso-콘트라스트(iso-contrast) 곡선을 측정했다. 그 결과는 도 14a에 도시되며, 최대 편광각은 60°이며, 100, 50, 30, 20, 10 및 5개의 iso-콘트라스트 비 곡선이 도시되어 있다. 디스플레이는 법선 입사각으로부터 ±30°의 뷰잉 콘(viewing cone) 내에서 100대 1 보다 더 큰 콘트라스트 비를 갖고 있다. 또한 본 발명자는 인가된 전압을 파라미터로 사용하여 파장의 함수로서 투과량을 측정했다. 그 결과는 도 14b에 도시되며, 0에서 3.4 볼트의 인가된 전압 레벨하에서 400 내지 700㎚의 평판 스펙트럼 응답에 의하면 디스플레이는 인가된 전압에 대해 무시할만한 컬러 변화를 보이고 있다는 것을 나타낸다.
(대비예 1(a))
다음에, 본 발명자는 실시예 1에서 트위스트 디코스틱 타입의 보상막을 제거하고 그리고 교차형 평광기들 간에 트위스트 디스코틱 타입의 보상막을 갖지 않는 단일 도메인 TN을 설치하여 정규형 노말리 화이트 90° TN을 형성했다. 다음에, 본 발명자는 시야각의 함수로서 iso-콘트라스트 비 곡선을 측정하였으며 그 결과는 도 15a에 도시되며 최대 편광각은 60°이며, 100, 50, 30, 20, 10 및 5개의 iso-콘트라스트 곡선이 도시되어 있다. 도 15a에 도시된 보트형의 중앙 영역은 100대 1보다 큰 콘트라스트 비를 나타내며, 도 14a에 도시된 것보다 훨씬 작다. 또한 본 발명자는 인가된 전압을 파라미터로 사용하여 파장의 함수로서 투과량을 측정했다. 그 결과는 도 15a에 도시된다. 도 14와 도 15를 비교하면, 이 대비예에 대해 인가된 전압의 함수로서 보다 낮은 시야각과 심각한 컬러 변화를 볼 수 있다.
(대비예 1(b))
이 실시예는 교차형 편광기를 병렬 편광기로 교환하여 정규형 노말리 블랙 90°TN 디스플레이를 형성하는 것을 제외하면 대비예 1(a)와 동일하다. 다음에, 본 발명자는 시야각의 함수로서 iso-콘트라스트 비 곡선을 측정하였으며 그 결과는 도 16a에 도시되며 최대 편광각은 60°이며, 100, 50, 30, 20, 10 및 5개의 iso-콘트라스트 곡선이 도시되어 있다. 도 16a에 도시된 보트형의 중앙 영역은 100대 1보다 큰 콘트라스트 비를 나타내며, 도 14a에 도시된 것보다 훨씬 작다. 또한 본 발명자는 인가된 전압을 파라미터로 사용하여 파장의 함수로서 투과량을 측정했다. 그 결과는 도 16b에 도시된다. 도 14와 도 16을 비교하면, 이 대비예에 대해 인가된 전압의 함수로서 보다 낮은 시야각과 심각한 컬러 변화를 볼 수 있다.
(실시예 2)
이 실시예는 단일 도메인 TN 셀이 2-도메인 TN 셀에 의해 대체되는 것을 제외하면 실시예 1과 동일하다. 전형적인 2-도메인 TN 셀은 주기적인 디스플레이 픽셀 또는 유닛으로 구성되며, 두 개의 상이한 TN 방위를 가지며, 각각이 픽셀 면적의 대략 절반을 차지한다. 양(Yang)에 의한 1991년 캘리포니아 샌디아고에서의 국제 디스플레이 리서치 컨퍼런스의 컨퍼런스 레코드 68-72페이지의 "능동 매트릭스 애플리케이션에 대한 2-도메인 트위스트형 네마틱 및 틸트형 호메오트로픽 액정 디스플레이"과, 코이케 등에 의한 SID 92년 다이제스트 798-801페이지의 "도메인 분할 트위스트형 네마틱 구조를 갖는 전색 TFT-LCD"과, 스즈키 등에 의한 SID 94년 다이제스트 267-270페이지의 "워크스테이션에 사용하기 위한 33-cm-대각선형 전색 광역 시야각 C-TN LCD"와 같은 2-도메인 TN 디스플레이를 제조하는 여러 가지 방법이 있다. 본 발명자는 수평 시야각(9시 방향의 60°에서 3시 방향의 60°까지)과 수직 시야각(6시 방향의 60°에서 12시 방향의 60°까지)의 함수로서 그레이 레벨 1 내지 8의 투과율을 측정했다. 그 결과는 각각 도 17a 및 도 17b에 도시되어, 트위스트 디스코틱 타입의 보상막이 수평 및 수직 뷰잉 방향의 광역 시야각을 달성하도록 2-도메인 TN을 보상하는데 사용될 수 있다는 것을 나타내고 있다.
(실시예 3)
이 실시예는 a 및 c 플레이트로 지칭되는 2개의 여분의 보상막이 분석기와 트위스트 디스코틱 타입의 보상막 간 혹은 편광기와 2-도메인 TN 셀 간에 삽입되는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하다. a 플레이트는 전자에 대해서는 분석기에 인접하게 위치되며, 후자에 대해서는 편광기에 인접하게 위치되었다. a 플레이트는 막 평면과 편광기 혹은 분석기 중의 어느 하나의 인접한 투과축 모두에 대해 나란한 광축을 갖는 포지티브 2방향 굴절의 단축 2방향 굴절판이다. 이 실시예에서, 본 발명자는 대략 100㎚의 지연을 갖는 a 플레이트를 사용했다. c 플레이트는 막의 법선에 대해 나란한 광축을 갖는 포지티브 혹은 네가티브 2방향 굴절의 단축 2방향 굴절판이다. 본 발명자는 본 실시예에서 막 두께 방향으로 대략 140㎚의 지연을 갖는 c 플레이트를 사용했다. 단일 도메인 TN 셀에 a 플레이트 및 c 플레이트를 부가함으로써 교차형 편광기에 의해 설정된 한계치를 넘어선 시야각에서의 개량이 첸 등에 의해 공표되었다("SID 98년 다이제스트의 315-318페이지의 TN 및 VA LCD에 대한 최적의 막 보상 방식"). 본 발명자는 수평 시야각(9시 방향의 60°에서 3시 방향의 60°까지)과 수직 시야각(6시 방향의 60°에서 12시 방향의 60°까지)의 함수로서 그레이 레벨 1 내지 8의 투과율을 측정했다. 그 결과는 각각 도 17a 및 도 17b에 도시되어, 트위스트 디스코틱 타입의 보상막이 수평 및 수직 뷰잉 방향의 광역 시야각을 달성하도록 부가된 a 플레이트와 c 플레이트를 갖는 2-도메인 TN을 보상하는데 사용될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 도 17과 도 18을 비교하면, 디스플레이의 다크 상태(dark state)(그레이 레벨 1)가 상기 a 플레이트와 c플레이트의 부가에 의해 개선되었음을 알 수 있다. 또한, (nx-ny)db=100㎚과 (nx-nz)db=140㎚(여기서, nx, ny, nz(z는 막의 법선을 따르는 축)는 2방향 보상막의 굴절율이며, db는 2방향 보상막의 두께이다)을 갖는 2방향 보상막이 광역 시야각에서 유사한 결과를 갖는 a 플레이트와 c 플레이트의 조합을 대체하는데 사용될 수 있다. (nx-ny)db=100㎚의 효과는 a 플레이트의 효과와 동등하며, (nx-nz)db=140㎚의 효과는 c 플레이트의 효과와 동등하다.
(실시예 4)
이 실시예는 2-도메인 셀의 셀 갭이 5에서 3㎛로 변화되고 트위스트 디스코틱 타입의 보상막의 지연값이 0.475에서 0.285㎛로 변화되는 것을 제외하면 실시예 2와 동일하다. 본 발명자는 수평 시야각(9시 방향의 60°에서 3시 방향의 60°까지)과 수직 시야각(6시 방향의 60°에서 12시 방향의 60°까지)의 함수로서 그레이 레벨 1 내지 8의 투과율을 측정했다. 그 결과는 각각 도 19a 및 도 19b에 도시되어, 트위스트 디스코틱 타입의 보상막의 지연값이 수평 및 수직 뷰잉 방향의 광역 시야각을 여전히 유지하면서 2-도메인의 셀 갭의 감소에 부합하도록 실질적으로 감소될 수 있다는 것을 나타내고 있다. TN 셀 갭의 감소는 디스플레이의 응답 시간을 개선시키는 가장 효과적인 방법들 중의 하나이다. 이 경우, 5에서 3㎛의 TN 셀 갭의 감소는 대략 2.8 배 정도로 디스플레이의 응답 시간을 감소시킬 수 있다. 고속 응답 시간의 LCD는 비디오 이미지를 디스플레이하는데 매우 매력적이다.
본 발명에 의하면, 2 개의 보상막을 이용하여 활성화(activated) 또는 필드-온(field-on) 상태를 보상하는 대신 1 개의 보상막을 이용하여 비활성화된 정지(unactivated quiescent) 상태 또는 필드-오프(field-off) 상태를 보상할 수 있다.
또한, 1-층 보상막을 사용하여 1-도메인 또는 2-도메인(또는 분할-도메인) TN을 보상하여, 시계각(viewing angle)을 확장(enlarge)할 수 있다. 2 개의 통일되지 않은(unstructured) 보상막을 이용하는 종래의 모든 기술은 1-도메인 TN을 보상함에 있어서만 효과적이며, 2-도메인(또는 분할-도메인) TN을 보상함에 있어서는 적절하지 않다.
1-도메인 또는 2-도메인 TN 셀 상의 1-층 각 디스코틱형 보상막을 사용하면, 1-도메인 또는 2-도메인 TN의 셀 갭(gap)이 (Δn이 LC 매질의 복굴절율이고, λ가 입사광(incident light)의 파장이며, d가 제 1 구치-테리 최소갑(the first Gooch-Tarry minimum)에서의 셀 갭일 때, d = 0.866 Δnλ으로 정의되는) 소위 제 1 구치-테리 최소값보다 실질적으로 작아지고, 높은 명암비(contrast ratio)와 광시계각(wide-viewing angles)을 유지할 수 있다. 짧은 셀 갭을 갖는 TN은 비디오 이미지를 디스플레이하기에 우수한, 신속한 응답 시간을 갖는다.
1-도메인 또는 2-도메인 TN 셀 상의 1-층 각 디스코틱형 보상막을 이용하면, 특히 거의 직각인 입사각부터 디스플레이를 볼 수 있도록, 인가 전압의 함수로서 훨씬 적은 색채-쉬프트를 달성할 수 있다.

Claims (18)

  1. 수직축(a normal axis)에 대하여 다양한 각도로 바라보는(view) 디스플레이 디바이스에 있어서,
    ① 한 쌍의 기판과,
    ② 상기 기판 사이에 위치하며, 액정 매질(a liquid crystal medium) 및 그 정지 상태(quiescent state)가 상기 액정 매질을 통한 상기 수직축에 대한 방위각(an azimuthal twist)을 나타내는 액정 지시기(liquid crystal directors)를 포함하는 액정 셀(a liquid crystal cell)과,
    ③ 상기 수직축에 대한 방위각을 나타내는 지시기를 포함하는 디스코틱 보상막(a discotic compensation film) - 상기 수직축에 대한 방위각의 감지(sense)는 상기 액정 셀의 상기 액정 지시기의 상기 수직축에 대한 방위각의 감지와 반대임 -
    을 포함하는 디스플레이 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정 지시기의 최대 방위각은 상기 디스코틱 보상막의 지시기의 최대 방위각과 동일한 디스플레이 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정 지시기는 상기 기판의 면으로부터 작은 경사각(a small pretilt angle)을 나타내고,
    상기 디스코틱 보상막은 액정 재료(a liquid-crystal material)나 액체 결정질 재료(liquid-crystalline material)를 포함하는
    디스플레이 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스코틱 보상막은 음의 복굴절율(negative birefringence)을 나타내는 디스플레이 디바이스.
  5. 제 2 항에 있어서,
    ④ 병합축(an absorbing axis)을 갖는 편광기(a polarizer)와,
    ⑤ 상기 편광기층의 상기 병합축과 실질적으로 수직인 병합축을 갖는 분광기(an analyzer)
    를 더 포함하는 디스플레이 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액정 셀은 상기 편광기층과 상기 분광기층 사이에 위치하고,
    상기 디스코틱 보상막은 상기 편광기와 상기 액정 셀 사이 또는 상기 분광기와 상기 액정 셀 사이에 위치하는
    디스플레이 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    ⑥ 상기 기판 중 하나에 인접하는 제 1 전극(a first electrode)과,
    ⑦ 상기 기판 중 다른 하나에 인접하는 제 2 전극(a second electrode)
    을 더 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 전극은 전극이 전원에 접속될 때 상기 액정 매질에 전압을 인가하는
    디스플레이 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정 매질을 통한 방위각은 방위각의 총합이 오른쪽 또는 왼쪽으로 0° 내지 360°, 바람직하게는 0° 내지 180° 사이인 디스플레이 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스코틱 보상막은 방위각의 총합이 오른쪽 또는 왼쪽으로 0° 내지 360°, 바람직하게는 0° 내지 180° 사이인 방위 감지(a twist sense)를 갖는 디스플레이 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정 매질은 양의 유전체 이방성(a positive dielectric anisotropy)과 양의 복굴절율을 갖는 디스플레이 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스코틱 보상막에 인접하는 상기 기판의 내부 표면 상에 고정된 경계 LC층(boundary LC layer)의 지시기는 상기 디스코틱 보상막의 표면 근처의 인접한 디스코틱 보상막의 지시기와 평행하거나 거의 평행한 디스플레이 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정 셀의 감속((retardation)의 절대값은 상기 디스코틱 보상막의 감속의 절대값과 동일하거나 거의 동일한 디스플레이 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 액정 셀의 감속의 절대값은 대략 0.01 ㎛ 내지 3 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 2 ㎛인 디스플레이 디바이스.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 디스코틱 보상막의 감속의 절대값은 대략 0.01 ㎛ 내지 3 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 2 ㎛인 디스플레이 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀은 총 방위각이 0° 내지 360°, 바람직하게는 0° 내지 180° 사이인 1-도메인 방위 네마틱 셀(a single-domain twisted nematic cell)인 디스플레이 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀은 각 도메인의 총 방위각이 0° 내지 360°, 바람직하게는 0° 내지 180° 사이인 2-도메인 또는 분할 도메인(divided-domain) 방위 네마틱 셀인 디스플레이 디바이스.
  17. 제 5 항에 있어서,
    상기 막면(the film plane)에 평행하거나 수직인 광축(optical axis)을 갖고 양 또는 음의 복굴절율을 갖는 임의 개수의 단축(uniaxial) 보상막이 상기 편광기와 상기 분광기 사이의 어떠한 위치에도 삽입될 수 있는 디스플레이 디바이스.
  18. 제 5 항에 있어서,
    nx, ny, nz(z축이 막 법선(film normal)과 나란함)이 2축(biaxial) 보상막의 굴절률일 때, nx-ny〉0이고 nx-nz〉0이거나 nx-nz〈0인 2축 보상막이 상기 편광기와 상기 분광기 사이의 어떠한 위치에도 삽입될 수 있는 디스플레이 디바이스.
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