KR20010113739A - 디스플레이 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 옆에서 입사하는 광(20)을, 상호 반대인 원편광을 갖는 두 개의 광선(21,22)으로 분할하는 광학 도파관(18)이 제공된 트랜스플렉티브(transflective) 디스플레이 디바이스(1)에 관한 것이다. 편광 분할은 키랄 네마틱 구조를 갖는 광학 도파관(18) 내 영역의 계면(interface)에서 얻어진다.
Description
상기 언급된 유형의 디스플레이 디바이스는 WO 99/22268(PHN 16.374)에 설명되어 있다. 상기 문서에서 설명된 광학 도파관에서는, 광원으로부터 비편광된(unpolarized) 빔이 두 개의, 상호 직교하도록 편광된 빔 성분(beam component)으로 분할된다. 편광 분리(polarization separation)는 상기 비편광된 빔이, 굴절률 np를 갖는 등방성 물질의 영역과 굴절률 no및 ne를 갖는 이방성 물질의 영역 사이의 계면 상에 입사하도록 함으로써 얻어지는데, 상기 두 굴절률 no또는 ne중 하나는 np와 같거나, 실질적으로 같다. 비편광된 빔이 그러한 계면 상에 입사하면, 등방성 및 이방성 물질 사이의 전환부에서, 어떠한 굴절률 차이를 경험하지 않는 빔 성분은 비편향된(undeflected) 형태로 통과되는 반면에, 이와 다른 빔 성분은 편향되거나 반사된다. 그런 후에, 상기 두 빔 성분 중 하나는 편광기(polarizer)에 의해 반사성 액정 패널로 보내진다. 도시된 광학 도파관(optical waveguide)은 상기 광학 도파관의 시청하는 측(viewing side) 상에, 홈(groove) 구조(마이크로프리즘)를 지닌 알려진 광학 도파관보다 훨씬 더 적은 이미지 찌그러짐을 보여준다. 상기 이미지 찌그러짐은 상기 홈 구조가 서로 다른 경사를 지녀서, 다중 이미지 형성을 초래하기 때문에 생성된다. 일반적으로, 이러한 다중 이미지 형성은 상보형(complementary) 홈 구조를 지닌 광학 보상기(optical compensator)를 제공함으로써 방지된다.
그러나, WO 99/22268 (PHN 16.374)에 설명된 디스플레이 디바이스에서는, 등방성 및 이방성 물질로 이루어진 영역 사이의 계면 상에서, 시청되는 방향으로 떠도는(stray) 광이 생성된다.
게다가, 이미지 디스플레이 패널의 방향으로 편향되는 광은 반사 픽셀에 광이 도착하기 전에, 때때로, 이미지 디스플레이 패널 및 광학 도파관에서 부분 반사를 겪게 된다.
이러한 단점들은 홈 구조에 기초를 둔 광학 도파관에, 동등하거나 훨씬 더 큰 정도로 적용된다.
본 발명은 픽셀의 영역에 광-반사 전극이 제공된 제 1 기판을 구비한 이미지 디스플레이 패널과; 상기 이미지 디스플레이 패널에 면한 하나의 출구 면(exit face) 및 복수의 단부면(end face)를 구비한 광학적으로 투명한 물질로 된 광학 도파관(optical waveguide)을 포함하며, 상기 단부면(end face) 중 적어도 하나는 광의 입구면(entrance face)이 되며, 한편 광은 상기 광학 도파관의 상기 단부면으로 연결될 수 있는 조명 시스템을 포함하는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
상기 이미지 디스플레이 패널은 (두 기판 사이에) 액정 물질이나 전기변색(electrochromic) 물질과 같은 전기-광학 매체를 포함할 수도 있다. 이는 또한 정전력(electrostatic forces)에 기초할 수도 있다(변형 가능한 거울).
본 발명은 또한 그러한 디스플레이 디바이스를 위한 조명부(illumination unit){또는 프런트 광(front light)} 및 그러한 조명부를 제작하는 방법에 관한 것이다.
그러한 반사성 디스플레이 디바이스는 예를 들면, 랩탑 컴퓨터, 이동 전화, 개인용 전자 수첩(personal organizers) 등과 같은 휴대용 장치에 사용된다. 에너지 절감의 면에서는, 충분한 주변(ambient) 광이 있는 경우, 광원이 스위칭 오프될 수 있는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 반사성 디스플레이 디바이스의 실시예의 횡단면도를 도시한 도면.
도 2는 광학 도파관의 횡단면도를 도시한 도면.
도 3 및 도 4는 도 2의 변형을 도시한 도면.
도 5 내지 도 10은 복수의, 가능한 제작 방법의 한 단계 동안 광학 도파관의 횡단면도를 도시한 도면.
상기 도면들은 개략적이며, 축척에 맞추어지지 않았다. 대응하는 성분은 일반적으로 같은 참조 번호를 지닌다.
그 중에서도 특히, 본 발명의 목적은 상기 언급된 문제에 해결책을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스는, 이미지 디스플레이 패널과 원편광기 사이에 광학 도파관이 존재하며, 상기 광학 도파관은 입사하는 광을 실질적으로 원편광시키는 편광 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 출원에서, 원이란 단어는 "타원"으로도 해석된다. 특정 환경에서(더 적은 콘트라스트로 충분할 때), 타원으로 편광된 광으로 작업하는 것 역시 가능하다.
편광기가 디스플레이 디바이스 안에 집적될 수 있다.
편광 수단은 상기 알려진 디바이스에서와 유사한 기능, 즉, 광원으로부터 나온 광선을 편광시키는 기능을 하고, 여기서, 일종의 편광(예를 들면, 좌회전 편광)하는 광은 이미지 디스플레이 패널의 방향으로 편향된다. 관련 경우에 있어서, 시청되는 면 상에서 퇴장하는 광(동일한 예에서 우회전 편광된 광)은 편광기에 의해통과되지 않는다.
편광으로 인해, 광원으로부터 나온 비편광된 빔은 두 개의 상호 반대로 편광된 빔 성분(좌회전 및 우회전)으로 분할된다. 그러한 편광 분리는 예를 들면, 상기 비편광된 빔이, 등방성 물질의 영역과 키랄 네마틱 물질, 예를 들면, 예컨대 홈 구조 안에 또는 (임의 형태를 갖는) 키랄 네마틱 망(network) 안에 제공된 키랄 네마틱 액정 물질의 영역 사이의 계면 상에 입사하도록 함으로써 얻어진다. 비편광된 빔이 그러한 계면 상에 입사하면, 하나의 방향(handedness)을 갖는 빔 성분은 등방성 및 키랄 네마틱 물질 사이의 전환부에서, 비편향되어 통과되며, 반면에, 다른, 반대의 방향을 갖는 빔 성분은 편향되거나 반사된다.
적합한 실시예는, 홈 내의 키랄 네마틱 액정 물질 또는 키랄 네마틱 폴리머 망의 피치가 변화하는 것을 특징으로 한다. 그로 인해, 반사된 광의 더 큰 대역을 얻을 수 있다.
입사광을 원(또는 타원)편광시키는 편광 수단이 제공된 그러한 조명부(또는 프런트 광)를 제작하는 첫 번째 방법은 투과 본체의 표면에 홈을 제공하고, 상기 홈 내의 투과 본체에는 키랄 네마틱 액정 물질이나 키랄 네마틱 폴리머 망을 제공하는 것을 특징으로 한다.
두 번째 방법은, 투과 본체의 표면에 국소적으로 등방성 물질로 변환되는 키랄 네마틱 물질 층을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이와 같은, 그리고 이와 다른 양상은 이 후에 설명되는 실시예를 참조하여 명백해지고 명료해질 것이다.
도 1에 개략적으로 도시된 디스플레이 디바이스(1)는 이미지 디스플레이 패널(2)과 조명 시스템(또는 프런트 광)(8)을 포함한다.
이미지 디스플레이 패널(2)은 입사광의 편광 방향을 조절하기 위해, 트위스트 네마틱(TN: twisted nematic), 수퍼 트위스트 네마틱(STN: supertwisted nematic)이나 강유전성(ferroelectric) 효과에 기초하여, 두 개의 기판(3,4) 사이에 액정 물질(5)을 포함한다. 상기 이미지 디스플레이 패널은 예를 들면, 광-반사 화상 전극(6)이 기판(3) 상에 제공되는 픽셀의 매트릭스를 포함한다. 기판(4)은 광-투과이며, 예를 들면, ITO{인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide)}로 된, 하나 이상의 광-투과 전극(7)을 구비한다. 상기 화상 전극에는 접속 와이어(6',7')를 통해 전기 전압이 제공되는데, 상기 접속 와이어에는 구동부(9)에 의해 구동 전압이 제공된다. 기판 및 전극은 알려진 방식으로, 배향(orientation) 층(15)으로 코팅된다.
조명 시스템(8)은 광학 도파관(18)을 포함하는데, 상기 광학 도파관은 광학적으로 투명한 물질로 되어 있으며, 네 개의 단부면(end faces)(10,10')을 지닌다. 그 광이 상기 단부면 중의 하나, 예를 들면 10을 통해서 상기 광학 도파관(18)으로 연결되는 광원(12)은 상기 단부면과 대향하도록 놓여진다. 광원(12)은 예를 들면, 심 모양의(rod-shaped) 형광 램프일 수도 있다. 광원은 예를 들면, 특히 휴대용 전화와 같은 조그만 이미지 디스플레이 패널을 구비한 평판(flat) 패널 디스플레이 디바이스에서, 하나 이상의 발광 다이오드(LED: light-emitting diodes)에 의해 대안적으로 구성될 수도 있다. 게다가, 광원(12)은 분리 가능하다.
광학 도파관(8)의 출구면(exit face)(16)은 이미지 디스플레이 패널(2)에 면한다. 광이 연결되지 않는 투과 플레이트의 각 단부면(10')에는 반사기(reflector)가 제공될 수도 있다. 이런 식으로, 상기 출구 면(16) 상에서 연결 방출되지 않고, 그 결과, 광학 도파관을 통해 전파되어 단부면에 도달하는 광은 그리하여, 상기 단부면(10')를 거쳐 광학 도파관(18)을 떠나지 못하게 된다.
광이 조명 시스템의 광 출력에 기여하지 않고 상기 광 도파관(18)을 떠나지 못하도록 하기 위하여, 램프(12)의 광은, 출구면(16)에 대해 입사 광선의 각도를 예를 들면, 15도로 한정하는, 예를 들면, 웨지(wedge) 모양의 광학 도파관에 의해, 연결 수단(13)을 통해 광학 도파관(18)으로 연결되는 것이 바람직하다. 게다가, 그 콘트라스트는 떠도는 광이 없기 때문에 높아진다.
램프(12)로부터 나온 광 빔(20)은 아래에 설명될 방식으로, 원편광된 광으로 변환되어, 하나의 방향을 갖는 주요 광이 반사성 이미지 디스플레이 패널(2) 쪽으로 편향되고{빔(21)}, 픽셀의 상태에 의존하여, 동일하거나 반대쪽 방향으로 반사된다{빔(22)}. 픽셀 상에서 반사된 후에, 상기 반대쪽 방향을 갖는 원편광된 광은 위상 플레이트나 제동기(retarder)(24)에서 선형으로 편광된 광으로 변환되어, 본 실시예에서 상기 반사된 광이 흡수되는 그러한 전달(transmission) 축의 방향을 갖고 편광기(25)에 도달한다. 마찬가지로, 동일한 방향을 갖는, 타원 편광된 광은 편광기(25)를 통과한다.
내부 표면에서{예를 들면, 표면(16)} 반사된, 떠도는 광은 빔(22)의 방향과 반대인 방향을 가지며, 또한, 편광기(25)에 의해 흡수되는 선형으로 편광된 광{빔(26)}으로, 상기 제동기(24)에 의해 변환된다. 또한, 내부 반사로 인하여 광학 도파관(18)에서 생성된 기생(parasitic) 광이 편광기(25)에 의해 흡수된다{빔(27)}.
도 2는 상기 언급된 효과가 얻어질 수 있는 광학 도파관의 첫 번째 실시예에 대한 횡단면도이다. 출구 면(19) 상에서, 광학 도파관(18)은 복수의 홈(30)을 구비하는데, 상기 복수의 홈은 키랄 네마틱 액정 혼합물로 채워져 있으며, 예를 들면, 아크릴이나 유리로 된 20-50 ㎛ 두께의 플레이트(31)로 덮여있다. 광원에 면한 쪽에서, 홈(30)은 표면(19)으로 45도의 각도로 연장하여 홈에 의해 연결되어 방출된 광(21)이 디스플레이 패널(2)의 방향으로 표면(16)과 실질적으로 직각 되게 광 도파관을 떠나도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 반사성 디스플레이 패널(2)의 매우 효율적인 조명이 얻어진다. 상기 홈이 키랄 네마틱 액정 물질로 채워지기 때문에, 좌회전 또는 우회전 원편광된 광이 사용된 물질과 표면 처리에 따라 반사된다{빔(21)}. 본 실시예에서, 좌회전 광은 키랄 네마틱 액정 물질의 피치 p와 굴절률 ne, no {ne: 비정상(extraordinary) 굴절률 및 no: 정상(ordinary) 굴절률}로써 결정된 스펙트럼 범위에서 반사되며; 파장이=ne.p 및=no.p 사이의 범위에 있는 광은 반사된다. 우회전 편광된 광(20')은 표면(16,19) 상에서의 반사 및 선호적으로 선택되는 빔(20)의 입사 각도로 인해 광학 도파관(18) 내에 남아 있게 되며, 내부 반사 후에는 홈(30) 상에서 다시 반사될 수 있다.
도 3의 실시예에서, 홈(30)에는 키랄 네마틱 폴리머 망이 제공된다. 각 홈(30R, 30G, 30B)에서 키랄 네마틱 물질의 피치는 적{빔(21R)}, 청{빔(21B)} 및 녹{빔(21G)} 광이 반사되어, 디스플레이 패널(2)의 방향으로 표면(16)에 실질적으로 직각 되게 광학 도파관을 떠나는 방식으로 적용된다. 참조 번호가 도 2에서와 동일한 성분을 다시금 나타낸다. 이런 식으로, 서로 다른 홈들은 스펙트럼의 서로 다른 부분을 연결시키는데, 특히 좁은 방출 스펙트럼을 가진 LED들이 이 목적을 위해 사용될 때, 광원(들)(12)의 파장에 매우 우수하게 적용 가능하다. 액정 물질 및 피치의 선택이 반사 대역을 (기껏해야 상기 LED에 의해 방출된 스펙트럼의 대역에 해당하는)매우 좁은 대역으로 한정할 때, 반사될 광 및 반사된 광은 {광원(12)이 스위칭 오프될 때} 반사에 사용되는 동안 극미하게(minimally) 교란된다.
홈(30) 내의 키랄 네마틱 물질의 피치는 광대역 스펙트럼이 반사되어, 각홈(30)이 빔(21R, 21G 및 21B)을 반사하도록(도 4) 할 정도로 또한 변화할 수도 있다.
상호 관계가 있는(mutual) 부분들(디스플레이 디바이스, 광학 도파관 및 제동기-편광기 조합체)은 낮은 굴절률을 가진 투과 접착제에 의해 서로 고착되는 것이 바람직하다. 낮은 굴절률을 선택하면 상기 언급된 기생 반사가 또한 방지된다.
도 5 내지 도 10은 광학 도파관을 제작하는 방법을 도시하는데, 상기 광학 도파관은 마이크로홈을 가지지는 않으나, 반사성 이미지 디스플레이 패널(2) 쪽으로 편향된 원편광되는 광을 생성한다. 키랄 네마틱 액정 폴리머 물질로 된 얇은 층(33)이 예를 들면 유리로 된 기초(basic) 기판(32) 상에 제공되고, 필요하다면, 등방성의 투과 보호 코팅(34)으로 코팅된다. 다음으로, 상기 코팅(34)은 이 경우에, 45도의 각도로 입사하는 레이저 광선(35)에 의해서 국소적으로 등방성으로 만들어진다. 키랄 네마틱 액정 폴리머 물질은 조사되지 않은 영역에서는 이방성으로 남는다. 등방성 및 이방성 영역 사이의 비율을 적절히 선택함으로써, 광학 도파관(18)은 영역(30)을 얻는데, 상기 영역(30)은 디스플레이 패널(2)의 방향으로 광학 도파관을 떠나는 광 빔(21)으로 입사광 빔을 변환시킨다.
도 8에 도시된 방법에서, 기판은 키랄 네마틱 단량체(monomers)의 혼합물로 코팅되는데, 상기 혼합물은 이어서, 마스크(36)를 거쳐{예를 들면, 45도의 각도로 다시 입사하는 UV 방사선(37)으로써} 등방성의 천이 온도 아래의 온도에 이르도록 노출된다. 키랄 네마틱 배열(ordering)은 이로써 국소적으로 얼게 된다{영역(30)}. 그런 후에, 상기 어셈블리는 등방성 천이 온도 위의 온도까지(예를 들면 열 방사를통해) 가열되어서, 비노출된 부분(39)이 등방성이 되며, 국소 조명(38)에 의해{다량(flood) 노출} 폴리머 망에 고정된다.
마지막으로, 도 10에 도시된 방법은 "광-이성화가 가능한(photo-isomerizable)" 키랄 네마틱 폴리머를 사용하며, 상기 "광-이성화가 가능한(photo-isomerizable)" 키랄 네마틱 폴리머 층은, 기초 기판과 코팅 사이에 또한 제공된다. 상기 물질은 그것이 목표된(desired) 파장을 반사하도록 하는 (피치, 굴절률)이 되도록 선택된다. 마스크(36)를 통한 국소 UV 조명에 의해서, 상기 반사된 파장의 값은 더 높은 값, 예를 들면, 적외선으로 바뀐다. 비노출된 부분(30)은 목표된 파장을 계속 반사시키는 한편, 이와 다른 반사는 사람 눈에는 보이지 않는다.
본 발명의 보호 범위는 설명된 실시예에 한정되지는 않는다. 비록 떠도는 광을 억압하지만, 타원 편광된 광이 대안으로서 사용될 수도 있다는 것이 이미 주목되었다. 또한, 다른 전기-광학 효과가 사용될 수도 있는데, 예를 들면, 전기변색 효과가 있다. 서장(opening paragraph)에서 언급한 바와 같이, 변형 가능한 거울을 포함하는 디스플레이 또한 사용될 수도 있다. 원편광된 광 역시, (하나의) 선형 반사기 및/또는 거울(들)과 결합되어, 1/4λ플레이트(들)(의 패턴)를 제공함으로써 광학 도파관에서 얻어질 수도 있다. 본 발명은 새로운 모든 특색 있는 특징, 그리고 모든 특색 있는 특징들의 조합한 것에 귀속된다. 청구 범위의 참조 번호는 청구 범위의 보호 영역을 한정하지는 않는다. 동사 "포함하는" 및 그 동사 활용의 사용은 청구 범위에서 언급된 것과는 다른 소자의 존재를 배제하지 않는다. 소자에 선행하는 단수적 표현의 사용은 그러한 소자가 복수로 존재함을 배제하지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 픽셀의 영역에 광-반사 전극이 제공된 제 1 기판을 구비한 이미지 디스플레이 패널 등을 포함하는 디스플레이 디바이스 등에 이용된다.
Claims (16)
- 픽셀의 영역에 광-반사 전극이 제공된 제 1 기판을 구비한 이미지 디스플레이 패널과, 상기 이미지 디스플레이 패널에 면한 하나의 출구면(exit face) 및 복수의 단부면(end face)을 구비한 광학적으로 투명한 물질로 된 광학 도파관을 포함하며, 상기 단부면 중 적어도 하나는 광에 대해 입구면(entrance face)이 되며, 한편 광은 상기 광학 도파관의 상기 단부면으로 연결될 수 있는 조명 시스템을 포함하는 디스플레이 디바이스로서,상기 광학 도파관은 상기 이미지 디스플레이 패널과 원편광기(circular polarizer) 사이에 존재하며, 상기 광학 도파관은 상기 입사광을 실질적으로 원편광시키는 편광 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이미지 디스플레이 패널은 제 2의 광-투과 기판과 상기 두 기판 사이에 전기-광학 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 편광 수단은 키랄 네마틱 액정 물질(chiral nematic liquid crystal material)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 편광 수단은 키랄 네마틱 폴리머 망(chiral nematicpolymer network)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 편광 수단은 상기 이미지 디스플레이 패널에 면한 상기 광학 도파관의 상기 출구면(exit face)의 홈에 존재하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
- 제 5 항에 있어서, 홈 내의 상기 키랄 네마틱 액정 물질이나 상기 키랄 네마틱 폴리머 망의 피치는 변화하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 편광 수단은 상기 광학 도파관에 임의의 형태를 갖는(patterned) 키랄 네마틱 폴리머 망을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
- 단부면 중 적어도 하나는 광에 대해 입구 면이며, 한편 광은 광학 도파관의 상기 단부면으로 연결될 수 있는, 광학적으로 투명한 물질로 된 상기 광학 도파관과 상기 복수의 단부면을 포함하는 프런트 광(front light)으로서,상기 광학 도파관은 입사광을 원편광시키는 편광 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 프런트 광.
- 제 8 항에 있어서, 상기 편광 수단은 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 프런트 광.
- 제 8 항에 있어서, 상기 편광 수단은 키랄 네마틱 폴리머 망을 포함하는 것을 특징으로 하는, 프런트 광.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 편광 수단은 상기 광학 도파관의 상기 출구 면의 홈에 존재하는 것을 특징으로 하는, 프런트 광.
- 제 11 항에 있어서, 홈 내의 상기 키랄 네마틱 액정 물질이나 상기 키랄 네마틱 폴리머 망의 피치는 변화하는 것을 특징으로 하는, 프런트 광.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 편광 수단은 상기 광학 도파관 안에 임의의 형태를 갖는 키랄 네마틱 폴리머 망을 포함하는 것을 특징으로 하는, 프런트 광.
- 입사광을 원편광시키는 편광 수단을 포함하는 프런트 광을 제작하는 방법으로서,투명한 본체의 표면에 홈이 제공되며, 상기 홈 내의 상기 투명한 본체에는 키랄 네마틱 액정 물질이나 키랄 네마틱 폴리머 망이 제공되는 것을 특징으로 하는, 프런트 광 제작 방법.
- 입사광을 원편광시키는 편광 수단을 포함하는 프런트 광을 제작하는 방법으로서,투명한 본체의 표면에는 국소적으로 등방성 물질로 변환되는 키랄 네마틱 물질 층이 제공되는 것을 특징으로 하는, 프런트 광 제작 방법.
- 입사광을 원편광시키는 편광 수단을 포함하는 프런트 광을 제작하는 방법으로서,투명한 본체의 표면에는, 가시 영역(visible range) 밖의 반사 대역을 가지는 키랄 네마틱 물질로 국소적으로 변환하는 키랄 네마틱 물질 층이 제공되는, 프런트 광 제작 방법.
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