KR20070097438A - 위상차 보상기, 광 변조 시스템, 액정 디스플레이, 및 액정프로젝터 - Google Patents

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겐이치 나카가와
다카미치 후지이
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후지필름 가부시키가이샤
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Abstract

투명 유리 기판 (10) 상에, 무기 물질로 형성된 제 1 위상차 보상층 (12) 및 제 2 위상차 보상층 (14) 이 제공된다. 제 1 위상차 보상층 (12) 은, 네거티브 C-플레이트가 되도록 기준 파장 보다 상당히 얇은 2 종류의 적층된 증착막을 포함하는데, 하나는 높은 굴절률을 갖고, 다른 하나는 낮은 굴절률을 갖는다. 제 2 위상차 보상층 (14) 은, 포지티브 O-플레이트가 되도록, 2 이상의 경사 증착막들을 포함한다. 제 1 위상차 보상층 (12) 은 액정층 내에 수직 배향의 액정 분자들로 부터의 위상차를 보상하고, 제 2 위상차 보상층 (14) 은 액정층 내에 하이브리드 배향의 액정 분자들로부터의 위상차를 보상한다.
위상차 보상기, 광 변조 시스템, 액정 디스플레이, 액정 프로젝터, 투명 유리 기판.

Description

위상차 보상기, 광 변조 시스템, 액정 디스플레이, 및 액정 프로젝터{PHASE DIFFERENCE COMPENSATOR, LIGHT MODURATING SYSTEM, LIQUID CRYSTAL DISPLAY AND LIQUID CRYSTAL PROJECTOR}
기술 분야
본 발명은 한 쌍의 편광 소자 사이에 사용된 위상차 보상기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시야각 의존성을 개선한 위상차 보상기와, 이 위상차 보상기를 이용한 광 변조 시스템, 액정 디스플레이, 및 액정 프로젝터에 관한 것이다.
배경 기술
편광 소자로서 편광판이, 액정 분자들의 광학 회전 및 복굴절을 이용하여 광 변조를 수행하는 액정 셀에 적용된다. 투과성 액정 셀에서, 편광판들은 액정 셀의 광입사면측과 광출사면측 모두에 배치된다. 편광판들은 액정 셀의 광학축과 직각을 이룬다. 광입사면측의 편광판은 비-편광 광을 액정 셀에 입사하는 직선 편광 광으로 변환하는 편광기로서 기능한다. 광출사면측의 편광판은 변조된 광의 편광 방향에 따라 액정 셀에서 변조된 광을 차단하거나 투과하는 분석기로서 기능한다. 편광 소자로서, 와이어 그리드 편광기는 편광판과 동일한 것으로 알려져 있다. 그러나, 일반적으로 편광판이 이용된다. 일반적으로, 편광판은, 요오드와 염료가 흡수된 PVA (폴리비닐알콜) 막이 1축 배향되고 보호층 사이에 샌드위치된 구조를 갖고, 광학축에 직교하는 면내에서 서로 직교하는 투과축과 흡 수축을 갖는다. 비편광 광이 편광판에 입사할 때, 서로 직교하는 2개의 편광 성분으로 분리된다. 흡수축에 평행하는 편광 광 성분은 차단되고, 투과축에 평행하는 편광 광 성분은 투과된다.
편광판이 예를 들어, TN (트위스티드 네마틱) 액정 소자에 적용된다. TN 액정 소자는 액정 소자의 다양한 오퍼레이션 모드들 중 우수한 대량 생산성을 갖고, 직시형 평면 디스플레이 및 액정 프로젝터와 같은 이미지 디스플레이 디바이스로서 폭넓게 사용된다. TN 액정 소자는 투명 전극들과 배향막들이 형성된 한 쌍의 기판들 사이에 채워진 막대형 액정 분자들을 갖는다. 액정 분자들은 액정층을 구성한다. 액정 분자들의 긴 축의 배향들은 기판에 대략 평행하게 유지되고, 액정층의 두께 방향 주위를 점차적으로 회전하여 액정 분자의 긴 축이 한 기판에서 다른 기판으로의 경로를 따라 90도까지 매끄럽게 트위스팅한다. 액정층에 전압이 인가되지 않을 때, 직선 편광 광의 편광 방향이 한 기판에서 다른 기판으로 진행하는 동안 액정 분자들의 배향을 따라 90도까지 회전한다. 일정 레벨의 전압이 액정층에 인가되고, 액정 분자들의 트위스팅이 사라지고, 두께 방향의 중심 근처의 액정 분자들은 이것의 긴 축이 기판에 수직으로 융기한 상태에 있다. 따라서, 직선 편광 광의 편광 방향은 한 기판에서 다른 기판으로 진행하는 동안 변경되지 않는다.
한 쌍의 편광판이 상기 설명된 TN 액정 소자의 광입사 측과 광출사 측 사이에 배치될 때, 편광판의 편광 방향이 서로 직교하고 (크로스 니콜 구성), 입사광이 제 1 편광판에 의해 직선으로 편광된다. 전압이 액정층에 인가되지 않을 때, 액정층의 액정 분자들이 트위스트되어 직선 편광 광의 편광 방향이 90도까지 회전한다. 액정층을 통과하는 직선 편광 광은 명상태 (light state;노멀리 화이트) 로서 제 2 편광판을 통과할 수 있다. 일정 레벨의 전압이 액정층에 인가될 때, 직선 편광 광의 편광 방향은 액정층에서 회전하지 않아, 직선 편광 광이 블랙 상태로서 제 2 편광판에 의해 차단된다. 한 쌍의 편광판의 편광 방향이 서로 평행하도록 한 쌍의 편광판이 배열되면 (평행 니콜 구성), 액정층에 전압이 인가되지 않으면 암상태 (dark state) 가 되고 (노멀리 블랙), 액정층에 일정 레벨의 전압이 인가될 때 명상태가 되는 경우를 주목한다. TN 액정 소자가 노멀리 블랙 시스템에서 사용될 수 있지만, 콘트라스트 성능을 고려하여 노멀리 화이트 시스템에서 TN 액정 소자를 사용하는 것이 효과적이다.
부가적으로, 크로스 니콜로 구성된 한 쌍의 편광판이 편광 현미경에 인가될 수 있다. 광물과 같은 샘플이 편광판 사이에 위치되고 샘플이 편광기를 통해 비춰질 때, 전체 샘플이 광학 등방성을 갖는다면, 편광기를 통한 직선 편광 광은 편광 방향의 변경 없이 분석기로 진행하고 분석기에 의해 차단된다. 따라서, 현미경의 관찰 시야는 어둡다. 그러나, 샘플이 광학 이방성을 갖는 결정 구조라면, 입사된 직선 편광 광은 샘플의 복굴절 영향으로 인해 변조되고, 이후, 변조된 광이 분석기를 통해 통과한다. 따라서, 현미경의 관찰 시야를 통해 변조된 광이 관찰된다.
TN 액정 소자는 액정 분자들의 복굴절로 인해 좁은 시야각을 갖는 불이익을 갖는다. 노멀리 화이트의 TN 액정 소자에서, 복굴절은 액정층에 인가된 전압이 증가함에 따라 우세해진다. 액정 소자에 직교하는 입사광이 블랙 상태로 완전히 차단되지만, 액정층은 비스듬한 입사광에 대한 복굴절을 나타내어 직선 편광 광을 타원 편광 광으로 변경시킨다. 타원 편광 광이 제 2 편광판을 통과할 수 있기 때문에 입사광의 누설은 선택된 픽셀의 블랙 밀도를 감소시킨다. 액정 분자들의 이러한 복굴절이 화이트 상태에서 블랙 상태로의 전이를 점차 나타내어, 그라데이션 디스플레이에서도 비스듬한 입사광이 부분적으로 누설된다. 따라서, 비스듬하게 보여질 경우, 액정 소자 상의 이미지의 콘트라스트 비가 감소한다.
TN 액정 소자의 이러한 시야각 특성 때문에, 블랙의 컬러 및 밀도는 직시형 평면 디스플레이를 관찰하는 방향에 따라 변경되고, 스크린 상에 투영된 이미지의 콘트라스트가 액정 프로젝터에서 감소된다. 일본특허 공개공보 제 2004-102200 호에서 공지된 바와 같이, 교대로 적층된 상이한 굴절률을 갖는 2 종류의 박막층과, 각각의 박막층의 광학 두께가 광의 기준 파장의 1/100 내지 1/5로 구성된 위상차 보상기를 이용함으로써 이러한 결함이 개선될 수 있다. 위상차 보상기는 네거티브 C-플레이트이다. 직선 편광 광이 암상태 디스플레이에 대한 수직 배향의 액정 분자들로 비스듬하게 입사될 때, 복굴절에 의해 통상의 광 (ordinary light) 및 이상의 광 (extraordinary light) 이 된다. 네거티브 C-플레이트는 네거티브 복굴절 값을 갖는 1축의 복굴절 판과 같은 역할을 하고, 입사광에 따라 통상의 광과 이상의 광 사이의 위상차를 보상한다. 따라서, 타원 편광 광은 직선 편광 광으로 새로운 형태가 되고, 분석기에서 광이 누설되는 것이 방지된다. 이외에도, 위상차 보상기는 우수한 내열성, 내광성, 및 물리적, 화학적 안정성을 갖는 무기 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 이 유형의 위상차 보상기는 직시형 액정 디스플레이와 동일하게 액정 프로젝터 용으로 효과적으로 사용될 수 있다.
미국 특허 제 5,638,197 호는 O-플레이트가 TN 액정 소자의 시야각 특성을 개선하는데 효과적이라고 설명한다. O-플레이트는 주요 광학축이 (액정의 기판과 같이) 기준면에 비스듬한 복굴절체이다. 주요 광학축의 방향에서, 복굴절이 발생되지 않는다. O-플레이트는 경사 방향으로부터 무기 물질을 기판에 증착함으로써 쉽게 형성될 수 있다 (경사 증착). 이외에도, O-플레이트는 C-플레이트 및 A-플레이트와 조합하여 사용될 수 있다.
히로유키 모리 등의 "와이드뷰 SA의 개발, LCD들의 시야각을 넓히는 막 제조 (Development of WideView SA, a Film Product Widening the Viewing Angle of LCDs)" FUJIFILM RESEARCH & DEVELOPMENT 제 46-2001 호 p51-55는 디스코틱 화합물이 베이스로서 TAC막 상에 하이브리드 배향으로 고정되도록 형성된 WV막을 개시한다. WV막은 이미 실질적으로 사용된다. 암상태 디스플레이에 있을 때, 액정층의 두께 방향으로 분포된 대부분의 액정 분자들은 수직 배향되지만, 기판 주위의 액정 분자들은 하이브리드 배향된다. 즉, 액정 분자들의 긴 축들이, 기판으로부터의 거리에 따라 기판에 평행한 배향으로부터 수직 배향으로 점차적으로 융기하는 것이다. 일본특허 공개공보 제 2004-102200 호의 복굴절체는 하이브리드 배향의 액정 분자들에 의해 위상차를 효과적으로 보상할 수 없다. 그러나, WV막은, 상기 설명된 바와 같이 디스코틱 화합물이 하이브리드 배향에 있기 때문에 하이브리드 배향의 액정 분자들에 의해 위상차 또한 효과적으로 보상할 수 있다.
크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광판들 (편광기 및 분석기) 이 편광 현미경 등에서 사용될 때, 분석기를 통해 샘플을 관찰하는 일정한 시야각에서 충분한 광 차폐 특성을 얻을 수 없다. 편광기로부터의 입사광의 모든 광속 (luminous flux) 이 광학축에 평행하다면, 분석기로부터 방사되는 광선은 없다. 그러나, 실제로는, 광의 발산성 때문에 일반적인 광원으로부터의 광속은 광학축으로부터 경사진 광선을 포함한다. 예를 들어, 리플렉터를 갖는 초고압력 수은 램프, 금속 할로겐화물 램프 등이 액정 프로젝터 등에 적용된다. 이들 광원들로부터의 광은 광학축으로부터 경사진 많은 플럭스들을 포함한다. 이 유형의 입사 광은 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광판만을 사용함으로써 충분하게 차폐될 수 없다.
도 33에서, 분석기에서 방사된 광의 상대 휘도 값이 동일한 점들이 이어져 있다. 그래프의 중심은 0°의 시야각에 해당하고, 동심원은 개별적인 시야각을 도시하고, 그래프의 외주를 따라 그려진 각각의 각도는 관찰 방향의 각각의 방위각을 도시한다. 그래프는 시야각이 더 커짐에 따라 상대 휘도 값이 보다 높아지는 것을 도시한다. 시야각이 60°이상일 때, 10% 이상의 입사광이 관찰된다. 관찰된 광은 누설광이다. 이외에도, 0°및 90°방위각을 갖는 한 쌍의 편광판의 흡수축이 서로 직교하기 때문에, 광 누설은 흡수축으로부터 45°위치에서 최대가 되고, 광 차폐 특성은 방위각을 따라 90°만큼 회전하여 대칭된다.
다양한 유형의 위상차 보상기가 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광판들 사이의 광학 경로 상에 배치되어, 광 차폐 특성, 특히 편광판의 시야각 특성을 개선시킬 수 있음이 알려져 있다. Clair Gu & Pochi Yeh의 "Extended Jones matrix method. Ⅱ" 미국 광학 협회 저널 A/Vol.10 No.5/1993년 5월 p966-973은 C-플레이트 및 A-플레이트의 조합들, 특히 포지티브 C-플레이트 및 1/4 파장 플레이트의 조합과 네거티브 C-플레이트 및 3/4 파장 플레이트의 조합으로 형성된 위상차 보상기들은 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광판의 시야각 특성을 개선하는데 효과적이다.
일본 특허 공개 공보 제 2004-102200 호의 위상차 보상기를 고려하면, TN 액정 소자가 노멀리 화이트 모드에서 암상태 디스플레이용일 때, 입사광이 수직 배향의 액정 분자들로 비스듬하게 입사되어 발생된 위상차를 효과적으로 보상할 수 있다. 그러나, 상기 설명된 바와 같이, 하이브리드 배향의 액정 분자들에 대한 효과적인 위상차 보상은 수행할 수 없다. 미국 특허 제 5,638,197 호의 O-플레이트를 고려하면, 그 자체로 또는 C-플레이트 등으로 조합하여 사용될 구조를 최적화하는 정보가 부족하여 원하는 시야각 특성을 얻을 수 없기 때문에 실제로 사용되지 않는다. "Development of WideView SA"의 WV막을 고려하면, 직시형 액정 디스플레이 등에 대한 효과적인 위상차 보상을 수행할 수 있다. 그러나, 막이 단파장 광을 포함하는 고밀도 광에 오랜 시간 동안 노출되는 액정 프로젝터 등에 WV막이 적용될 때 WV막에 대해 10,000 시간 이상의 내구 시간을 제공하는데 많은 문제들이 있다.
이들 문제들을 해결하기 위해, 일본특허 공개공보 제 2004-102200 호의 위상차 보상기에 하이브리드 배향이 주어지는 것이 이상적이다. 그러나, 하이브리드 배향을 가진 무기 물질로 형성된 위상차 보상기를 제조 및 이용하는 것은 매우 곤란하다. 일본특허 공개공보 제 2004-102200 호의 네거티브 C-플레이트와 미 국 특허 제 5,638,197 호의 O-플레이트를 조합하는 것도 이상적이다. 그러나, 이 개념은 이것의 구체적인 구성 및 실질적 효과들과 관련한 정보의 부족 때문에 상업성이 없다.
크로스 니콜 구성의 편광판 쌍의 시야각 특성을 개선하기 위해, "Extended Jones matrix method. Ⅱ"에 설명된 바와 같이, C-플레이트 및 A-플레이트의 조합으로 형성된 위상차 보상기가 효과적이다. 그러나, 과거에는, 이 유형의 위상차 보상기는 1축으로 드로잉된 폴리머막을 이용할 때만 형성될 수 있다. 이러한 유기 물질은 온도 의존성 및 흡습성과, 광학 특성이 장시간의 이용 또는 이용 환경에 의해 쉽게 변경된다는 문제를 갖는다. 이외에도, 실제로 시야각이 60°이상이면, 약 10%의 입사광이 누설된다. 2개의 광학적 2축 위상차 플레이트의 조합으로 형성된 위상차 보상기가 주로 공지되어 있음을 주목한다. 그러나, 광학적 2축 위상차 플레이트는 폴리머막을 이용할 때만 형성될 수 있고, 형성 과정이 매우 어렵다.
본 발명의 목적은 하이브리드 배향의 액정 분자들로 인한 위상차를 효과적으로 보상하고 절감된 비용으로 제작될 수 있는 위상차 보상기를 제공하고, 위상차 보상기를 효과적으로 이용하여 액정 프로젝터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광판들에 대해 개선된 광 차폐 특성 및 개선된 시야각 의존성을 갖는 위상차 보상기를 제공하는 것이고, 위상차 보상기를 효과적으로 이용하여 광변조 시스템 및 액정 프로젝터를 제공하는 것이다.
본 발명의 개시
상기 목적들 및 다른 목적들을 성취하기 위해, 본 발명의 제 1 실시 형태의위상차 보상기는 액정층에서 수직 배향의 액정 분자들로 인한 위상차를 보상하는, 각각 무기 물질로 형성된 구조성 복굴절체 (form birefringence body) 인 다층 막들을 포함하는 제 1 위상차 보상층; 및 액정층에서 하이브리드 배향의 액정 분자들로 인한 위상차를 보상하는, 각각 무기 물질로 형성된 구조성 복굴절체인 다층 막들을 포함하는 제 2 위상차 보상층을 포함한다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층 중 하나 이상은 각각 진공 증착 방법으로 형성된 다층 막들을 포함하는 것이 바람직하다. 제 2 위상차 보상층은 증착 표면에 대한 증착 방향의 방위각 및 극각 중 하나 이상이 상이한 복수 종류의 적층된 경사 증착막들을 포함하는 것이 바람직하다. 제 2 위상차 보상층은 3개 이상이 적층된 경사 증착막들을 포함하는 것이 바람직하다. 하나의 경사 증착막의 증착 방향의 방위각 및 극각 모두는 다른 경사 증착막들의 그것들과 상이할 것이 요구되지 않는다. 그러나, 하나의 경사 증착막의 증착 방향의 방위각 및 극각의 조합은 다른 경사 증착막들의 그것과는 상이할 것이 요구된다. 경사 증착막들의 적층 수는, 제 2 위상차 보상층의 총 두께와 생산성을 고려하여, 10 이하인 것이 바람직하다.
각각의 경사 증착막들의 증착 방향의 방위각은 TN 액정 셀의 배향막에 의해 주어진 액정 분자들의 방위각과 상이하도록 결정된다. 각각의 광학축 벡터가 각각의 경사 증착막의 방위각, 극각, 및 리타데이션으로부터 결정되고, 광학축 벡터들의 합성 벡터 (A) 가 투명 기판 또는 TN 액정 셀의 기판과 같은 지지체에 평행 한 증착 표면 상에 직교로 투영될 때, X 및 Y 좌표값 (Ax, Ay) 은 다음 식을 만족한다:
-200nm ≤ Ax ≤ 200nm 및
-500nm ≤ Ay ≤ 0nm
제 1 위상차 보상층의 리타데이션 (dㅿn) 과, TN 액정 셀의 액정층의 두께 (d) 와 복굴절의 프로덕트 (dㅿn)LC 사이의 관계가 다음과 같은 것이 바람직하다:
-2 × (dㅿn)LC ≤ (dㅿn) ≤ -0.5 × (dㅿn)LC
제 1 위상차 보상층은 교대로 적층된 상이한 굴절률을 갖는 2 종류의 증착막으로 구성되고, 각각의 증착막의 광학 두께는 광의 간섭 효과를 이용하여 일반적 광학 박막들의 광학 두께보다 충분히 얇은 기준 파장의 1/100 내지 1/5이다. 반사 방지층 (anti-reflection layer) 은 위상차 보상기의 광입사 표면측 및/또는 광출사 표면측에서 제공되어, 위상차 보상기의 인터페이스 반사를 방지하는 것이 바람직하다.
제 1 실시 형태의 위상차 보상기는 TN 액정 셀들을 갖는 직시형 액정 디스플레이와 같은 액정 디스플레이 디바이스들, 바람직하게는 액정 프로젝터에 적용될 수 있다. 위상차 보상기가 3개의 성분 컬러 광 각각에 대응하는 3개의 TN 액정셀들을 포함하는 3-패널형 컬러 액정 프로젝터에 적용될 때, 각각의 TN 액정셀에 각각 대응하는 3개의 위상차 보상기들은 성분 컬러 광 각각의 기준 파장에 따라 서로 상이한 리타데이션을 각각 갖는 적어도 2종류의 위상차 보상기들을 포함한다. 스크린의 전면 측에서 이미지가 투영되는 전면 프로젝터와, 스크린의 후면 측에서 이미지가 투영되는 후면 프로젝터 모두는 위상차 보상기를 포함하는 액정 프로젝터일 수도 있음을 주목한다.
상기 목적들 및 다른 목적들을 성취하기 위해, 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광 소자들 사이에 이용되는 본 발명의 제 2 실시 형태의 위상차 보상기는, 한 쌍의 편광 소자에 수직한 광학축에 수직한 투명 기판, 투명 기판에 수직한 광학축을 갖는 투명 기판에 의해 지지된 제 1 위상차 보상층, 및 투명 기판의 법선에 대해 경사진 광학축을 각각 갖는 3 이상의 적층막들을 포함하는 제 2 위상차 보상층을 포함하는데, 투명 기판 상에 직교하여 투영된 2개의 적층막들의 광학축들이 방향은 서로 약 180°떨어진다. 각각의 광학축은, 광학 등방성을 갖고 통상의 광빔 및 이상의 광빔의 굴절률들이 동일해지는 입사광의 방향에 대응함을 주목한다. 이외에도, 제 1 및 제 2 위상차 보상층들은 무기 물질로 형성될 수 있다.
제 1 및 제 2 위상차 보상층들은 증착 또는 스퍼터링에 의해 형성된 증착막으로부터 효율적으로 제조될 수 있다. 제 1 위상차 보상층은 교대로 적층된 상이한 귤절율을 갖는 2 종류의 증착막으로 구성되고, 각각의 층착막들의 광학 두께는 기준 파장의 1/100 내지 1/5인데, 이는 광의 간섭 효과를 이용하여 일반적 광학 박막들의 광학 두께보다 충분히 얇다.
제 2 위상차 보상층의 적층막 중 하나의 광학축의 방향은 위상차 보상기의 광 입사측의 편광 소자의 투과축의 방향과 동일하게 하는 것이 효과적이다. 이외에도, 반사 방지층은 위상차 보상기의 광입사면측 및/또는 광출사 표면측에 제공 될 수 있다. 위상차 보상기가 액정셀을 포함한 광 변조 시스템에 적용될 때, 위상차 보상기는 액정 셀의 광입사면측에 배치되는 것이 바람직하다. 액정 셀로서 투과 형태 및 반사 형태 모두가 사용될 수 있다. 반사 형태 액정셀이 사용될 때, 액정 셀로부터 변조된 광이 오프 액시스 (off-axis) 의 투영 렌즈에 입사되어, 스크린 상에 투영된다.
본 발명의 제 1 실시 형태의 위상차 보상기에 따르면, 하이브리드 배향의 액정 분자들에 의해 발생된 위상차를 보상하는 제 2 위상차 보상층은 각각의 막이 구조성 복굴절체인 다층 막들로 형성되어 있고, 효율적인 위상차 보상이 수행될 수 있다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층들 중 적어도 하나는 각각의 막이 진공 증착 방법에 의해 형성된 다층 막들을 포함하는 단계에 의해 효율적으로 제작될 수 있다. 제 2 위상차 보상층은 증착 표면에 대한 증착 방향의 방위각 및 극각 중 적어도 하나에서 상이한 복수 종류의 적층된 경사 증착막들을 포함하기 때문에, 효과적인 위상차 보상이 수행된다. 위상차 보상기가 노멀리 화이트 모드에서 사용된 TN 액정 소자에 적용될 때, 디스플레이된 이미지의 콘트라스트는 비스듬한 입사광으로 인해 발생된 암상태 디스플레이의 누설광이 효율적으로 감소되기 때문에 개선된다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층은 우수한 내열성, 내광성, 물리 및 화학적 안정성을 갖는 무기 물질로 형성되기 때문에, 위상차 보상기는 직시형 액정 모니터 등과 같은 액정 디스플레이와 동일한 고-밀도 광원을 포함하는 액정 프로젝터에 적용될 수 있다. 제 1 위상차 보상층은 제 2 위상차 보상층과 동일한 무기 물질의 증착막으로 이루어지기 때문에, 제 1 및 제 2 위상차 보상층은 동일한 공정에서 효율적으로 제작될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 형태의 위상차 보상기에 따르면, 광학축이 투명 기판에 수직한 제 1 위상차 보상층은 비스듬한 입사광의 입사 각도에 따른 위상차를 보상하는 C-플레이트로서 수행하는 것으로 여겨진다. 부가적으로, 각각 다양한 방향을 향하는 광학축들을 갖는 다층 막들을 포함하는 제 2 위상차 보상층은 입사광의 입사 각도에 따라 직선 편광 광의 편광 방향을 회전시키는 컴플렉스 O-플레이트로서 수행하는 것으로 여겨진다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층들의 이러한 효과들의 시너지에 의해, 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광 소자들을 포함하는, 광 변조 광학 시스템의 시야각 특성이 개선될 수 있다. 이외에도, 2개의 적층막의 광학축들의 방향이 대략 180°서로 떨어져 있을 때, 시야각 특성이 더욱 개선됨을 실험적으로 발견한다. 바람직하게는, 2개의 광학축이 180°±5°서로 떨어지고, 상세하게는 180°±2°서로 떨어지고, 주로 180°서로 떨어진다.
제 2 위상차 보상층의 적층막 중 하나의 광학축의 방향이 편광 소자의 투과축의 방향과 동일할 때, 효율적인 광 차폐가 수행될 수 있다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층들이 무기 물질로 형성될 때, 위상차 보상기는 우수한 내열성, 내광성 및 대량 생산성을 갖는다.
제 2 실시 형태의 위상차 보상기는 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광 소자를 포함하는 다양한 광변조 시스템들, 바람직하게는 직시형 액정 모니터와 같은 액정 디스플레이, 및 액정셀에 의한 변조 이후 이미지가 스크린 상에 투영되는 액정 프로젝터에 적용될 수 있다. 액정셀로서, 오프 액시스의 반사 형태가 투과 형태 와 동일하게 사용될 수 있다. 이외에도, 프로젝터로서 전면 투영 형태 및 후면 투영 형태 모두가 사용될 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태의 위상차 보상기를 이용한 액정 디스플레이의 개략도이다.
도 2는 제 1 실시 형태의 위상차 보상기의 단면도이다.
도 3은 제 1 위상차 보상층 구성의 개략도이다.
도 4는 제 2 위상차 보상층 구성의 개략도이다.
도 5는 경사 증착막을 형성하는 증착 디바이스의 개략도이다.
도 6은 경사 증착막의 방위각 및 극각을 도시하는 설명도이다.
도 7은 경사 증착막의 광학축 벡터를 도시하는 설명도이다.
도 8은 TN 액정 소자의 구성을 도시하는 설명도이다.
도 9는 합성 벡터를 도시하는 설명도이다.
도 10은 TN 액정 소자의 콘트라스트 비 곡선 시트이다.
도 11은 실험 1의 위상차 보상기를 갖는 TN 액정 소자의 콘트라스트 비 곡선 시트이다.
도 12은 실험 2의 위상차 보상기를 갖는 TN 액정 소자의 콘트라스트 비 곡선 시트이다.
도 13은 실험 3의 위상차 보상기를 갖는 TN 액정 소자의 콘트라스트 비 곡선 시트이다.
도 14는 실험 4의 위상차 보상기를 갖는 TN 액정 소자의 콘트라스트 비 곡선 시트이다.
도 15는 실험 5의 위상차 보상기를 갖는 TN 액정 소자의 콘트라스트 비 곡선 시트이다.
도 16은 실험 6의 위상차 보상기를 갖는 TN 액정 소자의 콘트라스트 비 곡선 시트이다.
도 17은 제 1 실시 형태의 위상차 보상기를 이용한 3-패널형 컬러 액정 프로젝터의 개략도이다.
도 18은 TN 액정 소자의 리타데이션의 파장 의존성을 도시하는 차트이다.
도 19는 제 1 위상차 보상층의 리타데이션의 파장 의존성을 도시하는 차트이다.
도 20은 TN 액정 소자 및 제 1 위상차 보상층의 리타데이션 특성들을 도시하는 그래프이다.
도 21은 개선된 제 1 위상차 보상층의 리타데이션의 파장 의존성을 도시하는 차트이다.
도 22는 개선된 제 1 위상차 보상층의 리타데이션 특성들을 도시하는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 제 2 실시 형태의 위상차 보상기의 기능을 체크하는 광학 시스템의 개략도이다.
도 24는 제 2 실시 형태의 위상차 보상기의 단면도이다.
도 25는 제 2 위상차 보상층 구성의 개략도이다.
도 26은 경사 증착막의 방위각 및 극각을 도시하는 설명도이다.
도 27은 X-Y 평면 상에 직교하여 투영된 광학축 벡터인 프로젝트 벡터를 도시하는 설명도이다.
도 28은 실험 7의 위상차 보상기의 광 차폐 특성을 도시하는 휘도 곡선 차트이다.
도 29는 위상차 보상기의 비교 가능한 샘플의 광 차폐 특성을 도시하는 휘도 곡선 차트이다.
도 30은 제 2 실시 형태의 위상차 보상기가 적용되는 투과형 TN 액정 소자를 이용한 액정 디스플레이의 개략도이다.
도 31은 제 2 실시 형태의 위상차 보상기가 적용된 반사형 TN 액정 소자를 이용한 액정 디스플레이의 개략도이다.
도 32는 제 2 실시 형태의 위상차 보상기를 이용한 3-패널형 컬러 액정 프로젝터의 개략도이다.
도 33은 일반적 광원을 이용할 때, 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광판의 광 차폐 특성을 도시하는 휘도 곡선 차트이다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 모드
이제, 본 발명의 제 1 실시 형태의 위상차 보상기를 설명한다. 위상차 보상기를 이용하는 액정 디스플레이는 도 1에 도시된 바와 같은 개념의 구조를 갖는다. 편광판 (3,4) 이 TN 액정 소자 (2) 의 광입사면측과 광출사면측에 각각 배치된다. 노멀리 화이트 모드에서 사용된 편광판 (3,4) 의 편광축들은 서로 수직한다 (크로스 니콜 구성). 편광판 (3) 은 조사광을 직선 편광 광으로 변환하는 편광기이다. 편광판 (4) 은 TN 액정 소자 (2) 에 의해 변조된 광의 일부를 투과시키는 분석기이고, TN 액정 소자 (2) 의 편광 방향은 편광판 (4) 의 편광 방향과 일치하고, TN 액정 소자 (2) 로부터의 잔여광을 차폐한다.
TN 액정 소자 (2) 와 편광판 (4) 사이에, 본 발명의 제 1 실시 형태의 위상차 보상기 (6) 가 끼워진다. TN 액정 소자 (2) 의 액정 분자들은 복굴절 효과를 갖는데, 이는 직선 편광 광을 액정 분자들의 배향과 조사광의 입사 각도에 따라 다양한 타원 편광 광으로 변경한다. 따라서, 편광판 (4) 에서 차폐된 광의 일부가 이미지 광 상에 오버랩될 가능성이 있다. 위상차 보상기 (6) 는 액정 분자들의 복굴절 효과에 의해 생성된 통상의 광 및 이상의 광 사이의 위상차를 보상하여, 타원 편광 광을 직선 편광 광으로 역으로 변경한다. 무기 물질의 증착에 의해 형성된 박막에 의한 구성 때문에, 위상차 보상기 (6) 는 지지체로서 유리 기판과 같은 투명 기판을 포함한다. TN 액정 소자 (2) 의 투명 기판과 편광판 (4) 의 투명 기판이 지지체로서 사용될 수도 있음을 주목한다. 동일한 효과를 성취하기 위해 위상차 보상기 (6) 가 TN 액정 소자 (2) 와 편광판 (3) 사이에 끼워질 수도 있음을 주목한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 위상차 보상기 (6) 는 지지체로서 유리 기판 (10) 의 일 측 상에 올려진 제 1 위상차 보상층 (12) 과 제 2 위상차 보상층 (14) 을 갖고, 반사 방지층 (15, 16) 이 제 2 위상차 보상층 (14) 과 유리 기판 (10) 의 다른 측 상에 각각 형성된다. 반사 방지층 (15, 16) 은 표면 반사를 방지하기 위한 것이다. 반사 방지층으로서, 예를 들어 저-굴절률을 갖는 MgF2로부터 형성된 λ/4 광학 두께를 갖는 단일층 막이 사용될 수 있다. 부가적으로, 상이한 증착 재료들로부터 형성된 복수의 층들을 갖는 반사 방지막이 사용될 수 있다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층 (12, 14), 및 반사 방지층 (15, 16) 이 증착막들로 형성될 때, 저항 가열 또는 전자빔 가열에 의한 진공 증착 방법, 또는 스퍼터링 증착 방법이 사용될 수 있음을 주목한다. 제 1 위상차 보상층 (12) 과 제 2 위상차 보상층 (14) 의 상대 위치는 그들의 광학 효과를 감소시킴 없이 반대가 될 수 있고, 유리 기판 (10) 각각의 측 상에 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 위상차 보상층 (12) 은 유리 기판 (10) 상에 적층된 복수의 박막 (L1, L2) 을 포함한다. 박막 (L1,L2) 의 굴절률은 서로 상이하다. 각각의 증착 방향은 증착 표면에 수직한다. 각각의 박막의 광학 두께 (물리적 두께 및 굴절률의 프로덕트) 는 입사광의 파장 (λ;예를 들어 550nm) 보다 충분히 작다. 각각의 박막의 광학 두께는 λ/100 내지 λ/5 가 바람직하고, λ/50 내지 λ/5 가 보다 바람직하고, λ/30 내지 λ/10 이 실용적인데, 이는 광학 간섭을 이용한 일반적인 광학 박막들보다 매우 얇다. 형성된 다층 막은 C-플레이트의 네거티브 복굴절이다 (1축 복굴절 플레이트). C-플레이트의 네거티브 복굴절이고, 다층 막이 아닌 다른 유형의 제 1 위상차 보상층 (12) 이 사용될 수 있다.
제 1 위상차 보상층 (12) 이 다음과 같이 설계된다. Kogaku (Japanese Journal of Optics), vol. 27, no.1 (1998), pp. 12-17에 설명된 바와 같이, 복굴절 (△n) 은 상이한 굴절률을 갖는 2 개의 증착막 (L1, L2) 의 광학 두께 비로 정의된다. 복굴절 (△n) 은 굴절률의 차만큼 커진다. 리타데이션 (d·△n) 은 제 1 위상차 보상층 (12) 의 총 물리적 두께 (d) 와 복굴절 (△n) 의 프로덕트로 정의된다. 2 개의 막의 광학 두께의 비는 큰 복굴절 (△n) 을 얻도록 설계된다. 이후, 제 1 위상차 보상층 (12) 의 총 물리적 두께 (d) 는 원하는 리타데이션 (d·△n) 에 기초하여 결정된다.
다층 증착막의 샘플은 유리 기판 (10) 상에 40개의 TiO2 층들과 40개의 SiO2 층들을 교대로 증착함으로써 준비된다. 각 층의 물리적 두께는 15nm이다. 분광식 엘립소미터가 샘플의 리타데이션을 측정하는데 사용된다. 결과적으로, 샘플은 208nm의 리타데이션을 갖는 네거티브 복굴절을 나타내고, 샘플의 통상의 광학축 (광학 이방성이 없는 축) 은 유리 기판 (10) 에 수직한다. 따라서, 샘플은 네거티브 C-플레이트로서 역할함이 명백하다.
증착막 (L1, L2) 을 위한 증착 재료들로서, 고-굴절률 박막을 위한 물질들의 예들은 TiO2 (2.20 내지 2.40) 및 ZrO2 (2.20) 이다. 괄호내의 수치값은 굴절률을 나타낸다. 저-굴절률 박막을 위한 물질들의 예들은 SiO2 (1.40 내지 1.48), MgF2 (1.39), 및 CaF2 (1.30) 이다. 증착막 (L1, L2) 을 위한 증착 재료들로서, CeO2 (2.45), Nb2O5 (2.31), SnO2 (2.30), Ta2O5 (2.12), In2O3 (2.00), ZrTiO4 (2.01), HfO2 (1.91), Al2O3 (1.59 내지 1.70), MgO (1.70), AlF3, 다이아몬드 박막, LaTiOx, 및 사마륨 산화물과 같은 물질들을 사용하는 것이 가능하다. 고-굴절률 및 저-굴절률 박막들을 위한 조합들의 예로 TiO2/SiO2, Ta2O5/Al2O3, HfO2/SiO2, MgO/Mgf2, ZrTiO4/Al2O3, CeO2/CaF2, ZrO2/SiO2, 및 ZrO2/Al2O3 이다.
복수의 증착막 (L1, L2) 이 증착 디바이스를 이용하여 증착된다. 증착 디바이스는 원재료들로부터 유리 기판 (10) 을 차폐하는 셔터들을 갖는다. 셔터들은 교대로 개방 및 폐쇄되어 2 개의 증착막 (L1, L2) 이 유리 기판 (10) 상에 교대로 증착된다. 셔터들 대신, 유리 기판 (10) 은 미리 결정된 속도로 기판을 이동시키는 홀더 상에 홀딩될 수도 있다. 증발된 원재료들 상에 기판을 통과시킴으로써 2 개의 증착막 (L1, L2) 이 교대로 증착된다. 복수의 박막들을 얻기 위해 증착 디바이스가 단일 진공 공정을 필요로 하기 때문에, 생산성을 증가시키는 것이 가능하다.
제 2 위상차 보상층 (14) 은 무기 화합물로부터 형성된 O-플레이트 기능을 갖는 적층된 층이다. 제조 방법에 따라, 경사 증착법, 일본특허 공개공보 제 2004-212468 호에 설명된 바와 같은 포토리소그래피, 막대형상 분자들의 얼라인먼트 등이 있다. 경사 증착법이 생산성면에서 가장 바람직하다. 경사 증착에 의해 형성된 제 2 위상차 보상층 (14) 은 다음과 같다. 경사 증착을 이용할 때, 제 1 및 제 2 위상차 보상층들은 동일한 진공 방법에 의해 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 위상차 보상층 (14) 은, 적층된 3개의 경사 증착막 (S1, S2, S3) 을 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 경사 증착막 (S1) 은 제 1 위상차 보상층 (12) 상에 적층된다. 그러나, 제 1 경사 증착막 (S1) 이 유리 기판 (10) 상에 형성되고, 제 2 및 제 3 경사 증착막 (S2, S3) 이 제 1 경사 증착막 (S1) 상에 순차적으로 형성되도록, 제 1 및 제 2 위상차 보상층 (12, 14) 의 위치가 교환되고, 이후 제 1 위상차 보상층 (12) 이 제 3 경사 증착막 (S3) 상에 형성되는 것도 가능하다. 부가적으로, 제 1 위상차 보상층 (12) 및 제 2 위상차 보상층 (14) 이 각각 유리 기판 (10) 의 양측 상에 각각 형성되고, 반사 방지막 (15, 16) 은 제 1 및 제 2 위상차 보상층들 (12, 14) 의 최외각 층들 상에 각각 형성되는 것도 가능하다.
제 1 위상차 보상층 (12) 의 증착막 (L1, L2) 과 상이하게, 제 2 위상차 보상층 (14) 의 경사 증착막들 (S1 내지 S3) 이 증착 표면 (S0) 에 대해 경사 방향으로부터 증착된다. 각각의 증착막들 (S1 내지 S3) 은 증착 방향에 대해 경사져 연장된 미세한 원주형 소자들 (M1 내지 M3) 을 각각 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이들 원주형 소자들 (M1 내지 M3) 의 연장 방향들은 서로 평행하지 않다. 단일층으로서 경사 증착막들 (S1 내지 S3) 각각은 구조성 복굴절 효과를 나타낼 수 있고 포지티브 복굴절을 갖는 O-플레이트로서 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 제 2 위상차 보상층 (14) 내에, 고유의 광학 효과를 얻기 위해 복수의 경사 증착막들이 적층된다.
예를 들면 도 5에 도시된 증착 디바이스에 의해 경사 증착막들 (S1 내지 S3) 이 형성될 수 있다. 터릿 방식으로 회전하는 재료 홀더 (21) 가 베이스 플레이트 (20) 상에 제공된다. 재료 홀더 (21) 내에, 증착 재료들 (22, 23) 이 포함된다. 진공 챔버 (24) 를 진공시킨 후, 증착 재료 (22) 를 증발시키기 위해 전자총 (25) 이 증착 재료 (22) 를 향해 전자빔 (27) 을 방출한다. 따라서, 진공 증착이 수행될 수 있다. 셔터 (29) 는 진공 증착의 개시 및 정지를 위해 재료 홀더 (21) 를 개방 및 폐쇄한다. 재료 홀더 (21) 는 증착을 위해 증착 재료 (22, 23) 중 하나를 선택하도록 회전한다. 기본적으로, 제 2 위상차 보상층 (14) 은 하나의 증착 재료로부터 복수막 층으로 형성된다. 그러나, 재료 홀더 (21) 를 이용함으로써, 필요에 따라 복수의 증착 재료가 사용될 수 있다.
재료 홀더 (21) 상에, 샘플 기판 (26) 을 지지하는 기판 홀더 (30) 가 비스듬하게 제공된다. 기판 홀더 (30) 의 지지 표면의 법선이 증착 재료 (22) 로부터 수직으로 연장된 선 (P) 에 대해 각도 (β) 로 기울어져 있다. 따라서, 샘플 기판 (26) 의 증착 표면도 선 (P) 에 대해 각도 (β) 로 기울어져 있다. 축 (30a) 에 수직한 축 둘레로 기판 홀더 (30) 를 회전시킴으로써 각도 (β) 가 제어될 수 있다. 이외에도, 축 (30a) 둘레로 기판 홀더 (30) 를 회전시킴으로써 증착 표면의 선 (P) 의 방위각과 대응하는 각도 (α) 가 제어될 수 있다. 선 (P) 이 증착 표면에 대한 증착 방향에 대응하기 때문에, 증착 표면에 대한 증착 방향은 각도 (α, β) 를 변경함으로써 2가지 방법으로 제어될 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 각도 (α) 는 증착 표면의 증착 방향의 방위각에 대응하고, 각도 (β) 는 증착 표면에 대한 증착 방향의 기울기를 나타내는 극각에 대응한다. 따라서, 이하 각도 (α) 는 방위각 (α) 이라 칭하고, 각도 (β) 는 극각 (β) 이라 칭한다.
석영 결정형의 막 두께 모니터 (31) 는 측정면 상의 증착막의 두께를 모니터하여 샘플 기판 (26) 상의 증착막의 두께를 상대적으로 측정한다. 경사 증착막을 형성하는 동안, 엘립소미터 (32) 는 모니터 기판 (28) 을 통해 발광기 (33) 로부터 측정광을 수용하여 복굴절을 수반하는 위상차를 상대적으로 측정한다. 모니터 기판 (28) 을 포함하는 위상차 측정 시스템과 막 두께 모니터 (31) 의 측정면은 기판 홀더 (30) 의 극각 (β) 에 대응하여 회전할 수 있다. 이외에도, 마스크 플레이트의 배치에 의해, 경사 증착막의 각각의 층 형성이 종료할 때마다 측정면과 모니터 기판의 새로운 깨끗한 표면들이 노출될 수 있다. 따라서, 경사 증착막의 하나의 층 각각의 위상차가 모니터링될 수 있다. 경사 증착막의 리타데이션은 엘립소미터 (32) 에 의해 측정된 위상차의 데이터로부터 추정될 수 있다. 따라서, 원하는 리데데이션을 각각 갖는 복수의 층들을 포함하는 경사 증착막은 엘립소미터 (32) 및 막 두께 모니터 (31) 로부터 데이터를 모니터링하여 증착을 수행함으로써 얻어질 수 있다.
상기 설명된 공정에 따라, 다층 경사 증착막을 포함하는 제 2 위상차 보상층이 하나의 층 각각의 위상차를 모니터링하여 샘플 기판 (26) 상에 형성될 수 있다. 우선, 제 1 위상차 보상층 (12) 이 도 2에 도시된 바와 같은 유기 기판 (10) 상에 형성되는 경우, 기판 홀더 (30) 상에 유리 기판 (10) 을 홀딩하고 각각의 층이 미리 설계된 리타데이션을 갖도록 경사 증착을 수행함으로써 다층 제 2 위상차 보상층 (14) 이 제 1 위상차 보상층 (12) 상에 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 증착 표면 (S0) 상의 X-Y 좌표 상에 직교하여 투영될 때, X-축부터 반시계 방향으로 측정된 방위각 (α) 과 Z-축부터 측정된 극각 (β) 에 의해 증착 표면 (S0) 에 대한 증착 방향 (P) 이 보여진다. 극각 (β) 은 포지티브 및 네거티브 방향성이 없는 Z-축부터의 기울기 각이고, 방위각 (α) 은 X-축에 대한 방향성을 갖는다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 액정 분자 (38) 에 90°트위스팅된 배향을 주기 위해 TN 액정 소자 (2) 의 기판 (35, 36) 내부에 배향막 (35a, 36a) 이 제공된다. 배향막 (35a) 은 액정 분자들 (38) 에게 도 8이 도시된 페이퍼에 평행한 배향을 부여한다. 배향막 (36a) 은 액정 분자들 (38) 에게 지면에 수직한 배향을 부여한다. 배향막 (35a, 36a) 각각의 배향을 위해 편광판 (3,4) 의 편광 방향이 개별적으로 조정된다. 포화 전압이 인가될 때, 도 8에 도시된 바와 같이, 셀의 두께 방향의 중심 영역에 분포된 액정 분자들 (38) 은 수직 배향된다. 그러나, 기판 (35,36) 근처는 액정 분자들 (38) 의 경사각이 연속적으로 변하는 영역이다. 위상차 보상기 (6) 의 제 1 위상차 보상층 (12) 은 수직 배향의 액정 분자들 (38) 의 복굴절 효과에 의한 위상차를 보상한다. 제 2 위상차 보상층 (14) 은 액정 분자들의 경사각이 연속적으로 변하는, 즉, 하이브리드 배향 영역의 액정 분자들 (38) 의 복굴절 효과에 의한 위상차를 보상한다.
액정 분자들 (38) 의 배향 방향은 배향막 (35a, 36a) 을 제작하는 러빙 방향 에 의존한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 러빙 공정은 화살표 (35b, 36b) 로 표시된 방향으로 배향막 (35a, 36a) 에 적용된다. 그것에 따라, 액정 분자들 (38) 의 배향 방향이 결정된다. 도 6, 도 7의 X-Y-Z 좌표계는 스페이스에서 동일한 방향으로 정의됨을 주목한다. 배향막 (35a) 의 러빙 방향 (35b) 이 X-축부터 각도 (δ) = 45°가 되도록 X-축의 방향이 결정된다. 따라서, 배향막 (36a) 의 러빙 방향 (36b) 은 X-축부터 -45°방향과 일치한다. 이 배열에서 전압이 TN 액정 소자 (2) 에 인가될 때, 액정셀의 두께 방향의 중심 영역에 분포된 액정 분자의 긴 축이 Y-Z 평면 내에서 이동하고, 이것의 경사각이 Y-축의 포지티브 방향부터 Z-축의 포지티브 방향으로 이동한다.
증착 방향 (P) 은 경사 증착막 (S1) 의 광학축과 거의 일치한다. 경사 증착막 (S1) 은 구조성 복굴절 효과를 나타내는 O-플레이트 특성을 갖는다. 그러나, 경사 증착막 (S1) 은 원주형 소자 (M1) 의 방향에 평행한 광에 대해 광학 등방성을 나타낸다. 그러나, 광학축은 (공기와 같이) 굴절률이 1 인 매개물과 증착막 (S1) 사이의 인터페이스에서 굴절을 갖는 증착막 (S1) 으로 엔터링된 후, 원주형 소자 (M1) 의 방향과 일치한다. 광학축은 원주형 소자의 방향부터 경사 증착막의 굴절률에 따른 각도로 기울어진다. 따라서, 정밀하게는, 증착 방향 (P) 과 광학축은 정확하게 동일한 방향은 아니다.
따라서, 원점 (O) 이 베이스 점일 때, 방위각 (α) 과 극각 (β) 에 의해 정의된 증착 방향 (P) 과, 경사 증착막 (S1) 의 복굴절 및 막 두께에 의해 정의된 리 타데이션 (dㅿn)S1 으로부터 광학축 벡터 (P1) 가 결정된다. 경사 증착막 (S1) 의 광학축 벡터 (P1) 와 동일하게, 경사 증착막 (S2, S3) 의 광학축 벡터 (P2, P3) 가 결정된다. 일반적으로, 광학축 벡터 (Pi) 는 리타데이션 (dㅿn)Si, 방위각 (αi), 및 극각 (βi) 의 조합에 의해 다음과 같다:
Figure 112007043242646-PCT00001
상기 식의 아래 첨자 i는 (S1, S2, S3 와 같은) 경사 증착막의 수를 나타냄을 주목한다. 이들 광학축 벡터들 (Pi) 의 합성 벡터 (A) 를 다음과 같이 나타낸다:
Figure 112007043242646-PCT00002
합성 벡터 (A) 는 층 각각의 리타데이션 (dㅿn)Si에 의해 가중된 다층 경사 증착막의 평균 벡터에 대응한다.
3개의 층을 갖는 제 2 위상차 보상층 (14) 을 형성하기 위해, 광학축 벡터 (P1 내지 P3) 와 리타데이션 (dㅿn)Si의 선택을 결정하는 방법, 광학축 벡터 (P1 내지 P3) 를 얻기 위한 방위각 (αi) 및 극각 (βi) 에 따라 경사 증착막 (S1 내지 S3) 의 다양한 조합이 있다. 본 발명에서, 제 2 위상차 보상층 (14) 을 최적화하기 위해, 합성 벡터 (A) 가 증착 표면 (S0) 상에 직교하여 투영될 때, 평가의 기초는 X 및 Y 좌표값 (Ax, Ay) 이다.
보다 상세하게, X-Y 표면이 도 6의 Z-축의 포지티브 방향에서 보여진 도 9에 도시된 바와 같이, 경사 증착막 (S1 내지 S3) 의 광학축 벡터 (P1 내지 P3) 가 합성되고 합성 벡터 (A) 가 증착 표면 (S0) 상에 직교하여 투영될 때, 합성 벡터 (A) 의 X 및 Y 좌표값 (Ax, Ay) 에 대한 조건식 (1) 에 만족하도록 합성 벡터 (A) 가 결정된다. 조건식 (1) 은 다음과 같다:
(조건식 1-I)
-200nm ≤ Ax ≤ 200nm 및
-500nm ≤ Ay ≤ 0nm
Ax 및 Ay 는 도 6 및 도 7에 도시된 XYZ 좌표계와 동일한 좌표계로 정의되고, 액정셀의 두께 방향의 중심 영역에 분포된 액정 분자들의 긴 축의 방향에 대응하여 결정된다. Ay 및 Ay는 액정 분자들의 트위스트 방향과 관계없다. Ax, Ay의 보다 바람직한 값은 다음과 같다:
(조건식 1-Ⅱ)
-100nm ≤ Ax ≤ 100nm 및
-300nm ≤ Ay ≤ -50nm
TN 액정 소자 (2) 에서, 수직 배향이 되는 액정 분자들 (38) 의 비는 암상태 디스플레이를 위해 인가된 포화 전압의 값에 따라 변한다. 제 1 위상차 보상층 (12) 은 수직 배향의 액정 분자들 (38) 의 복굴절 효과에 의한 광학 이방성을 보상하기 위한 것이기 때문에, 제 1 위상차 보상층 (12) 의 리타데이션 값은 수직 배향의 액정 분자들 (38) 의 비율이 커질수록 더 커진다. 수직 배향의 액정 분자들 (38) 의 리타데이션은 전체 TN 액정 셀의 리타데이션의 50% 내지 90% 범위 내에 있다.
제 1 위상차 보상층 (12) 의 리타데이션을 결정하기 위해, 다른 인자를 고려할 필요가 있다. 즉, 제 2 위상차 보상층 (14) 에 의해 발생된 포지티브 Z-축 방향의 위상차를 초과하는 보상을 제거할 필요가 있다. 경사 증착층 (S1 내지 S3) 은 TN 액정 소자 (2) 의 기판 주위의 액정 분자들에 의한 위상차의 각도 의존성을 보상한다. 그러나, 기판에 대략 평행한 액정 분자들에 의한 위상차를 보상하기 위해, 광학축이 기판에 대략 평행한 경사 증착막, 즉, 극각 (β) 이 약 90°이므로 원주형 소자의 방향이 기판에 대략 평행할 필요가 있다. 이러한 경사 증착막을 제작하는 것은 실제로 매우 까다롭다.
따라서, 기판에 대략 평행한 액정 분자들에 의한 위상차를 보상하기 위해 이론상의 각도보다 작은 극각을 갖는 경사 증착 박막을 사용할 것이 요구된다. 결과적으로, 기판에 수직하는 방향에서, 위상차의 초과 보상이 수행된다. 이러한 이유 때문에, 제 1 위상차 보상층 (12) 은 제 2 위상차 보상층 (14) 에 의한 초과 보상을 감소시키는 효과를 가질 필요가 있다. 제 2 위상차 보상층 (14) 의 보상 수행에 의해 발생된 초과 포지티브 위상차를 제거하기 위해 네거티브 위상차를 발생시키도록 제 1 위상차 보상층 (12) 의 리타데이션량이 결정된다. 리타데이션량의 하한이 "0"이라도, 리타데이션량의 상한은 초과 포지티브 위상차량에 의존한다. 실제로, 막 두께는 막 형성에 대한 비용과 곤란함과 같은 조건들에 의해 제한된다.
상기 인자들을 고려하면, 제 1 위상차 보상층 (12) 의 네거티브 리타데이션 (d△n) 과 TN 액정 소자의 포지티브 리타데이션 (d△n)LC 사이의 바람직한 관계는 다음과 같다:
(조건식 2)
Figure 112007043242646-PCT00003
제 2 위상차 보상층 (14) 의 증착 재료가 제 1 위상차 보상층 (12) 의 증착 재료과 동일하기 때문에, TiO2, SiO2, ZrO2, 및 Ta2O3와 같은, 경사 증착막의 형태로 파장과 관계없이 충분한 광학 투명성을 갖는 물질들이 사용될 수 있다.
이후, 본 발명의 위상차 보상기 (6) 의 구체적인 실험이 설명된다. 이들 실험은 콘트라스트 비 곡선에 기초하여, TN 액정 소자에 적당한 제 1 및 제 2 위상차 보상층의 최적의 구조 조건을 평가하기 위한 것이다. TN 액정 소자는 550nm의 파장에서 복굴절 (△n) 이 0.124, 셀의 두께 (액정층의 두께) 는 4500nm이고, 리타데이션 (d△n)LC 의 값이 558nm인 조건에 있다. 콘트라스트 비 곡선은, 액정의 명상태와 암상태 사이의 휘도 비가 각각의 시야각에서 콘트라스트 비로서 측정되고, 동일한 콘트라스트 비를 갖는 시야각이 연결되도록 형성된다. TN 액정 소자 그 자체의 콘트라스트 비 곡선이 도 10에 도시된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 콘트라스트는 시야각에 따라 크게 변한다. 아래에 설명된 실험들에서, 막 형성은, 제 1 및 제 2 위상차 보상층의 기준 파장이 550nm인 조건에서 수행됨을 주목한다.
(실험 1)
유리 기판으로서 코닝 1737 (50mm×50mm) 을 아세톤으로 세척하고 충분히 건조한 후, 법선의 전면 증착 (β=0°) 을 수행하기 위해 증착 디바이스에 세팅했다. 공기가 방출된 진공 챔버는 1×10-4Pa이고, 3중층 반사 방지막을 형성하기 위해 유리 기판을 300℃로 가열했다. 반사 방지막을 λ/4 광학 두께의 SiO2, λ/2 광학 두께의 TiO2, λ/4 광학 두께의 SiO2 가 유리 기판 측부터 순서대로 적층했다. 기준 파장 (λ) 은 550nm이다.
반사 방지층을 형성한 후, 제 1 위상차 보상층을 형성하기 위해, 유리 기판을 진공 챔버 내에서 안을 밖으로 뒤집었다. 제 1 위상차 보상층은, 두 종류의 증착막 (L1, L2) 이 도 3에 도시된 바와 같이 교대로 적층된 다층 막을 포함한다. 제 1 위상차 보상층의 리타데이이션 (d△n) 은 네거티브이다. 리타데이이션 (d△n) 은 전체 물리막 두께 (d) 와 복굴절 (△n) 을 변경함으로써 어느 정도는 제어될 수 있기 때문에, 제 1 이상차 보상층의 리타데이션 값은 -600nm에서 설정된다.
제 1 위상차 보상층의 추가적인 설명은 다음과 같다. 굴절률 (n1,n2) 및 물리막 두께 (a, b) 를 각각 갖고, 실질적으로 파장보다 짧은 피치 (a+b) 로 교대로 적층되는 박막들을 포함하는 라미네이션은 네거티브 복굴절 (△n) 을 갖는 구조성 복굴절체가 된다고 알려져 있다. 전자기파가 구조성 복굴절체에 수직으로 입사할 때, 전기장이 각 층의 면에 평행하게 진동하는 TE 파만이 존재한다. 따 라서, 구조성 복굴절체는 복굴절 특성을 나타내지 않는다. 그러나, 전자기파가 복수 층의 각 라미네이션 표면에 비스듬하게 입사할 때, 전기장이 각 층의 면에 평행하게 진동하는 TE 파와 전기장이 각 층의 면에 수직하게 진동하는 TM 파가 존재하고, TE 파와 TM 파의 유효 굴절률 (NTE, NTM) 은 상이하다. 유효 굴절률 (NTE, NTM) 은 다음과 같다:
Figure 112007043242646-PCT00004
이들 유효 굴절률 (NTE, NTM) 사이의 차는 복굴절 특성을 발생시키는 인자이고, 복굴절 (△n) 은 식에 의해 계산된다.
Figure 112007043242646-PCT00005
상기 식은, 증착층 (L1, L2) 의 굴절률 (n1, n2) 과 증착층의 물리막 두께 (a, b) 를 선택함으로써 복굴절 (△n) 이 결정될 수 있음을 보여준다. 더욱이, 증착층 (L1, L2) 의 라미네이션 수를 변경함으로써 전체 물리막 두께 (d) 가 결정될 수 있다. 따라서, 광학 투명성과 우수한 증착 적합성을 갖는 증착 재료를 선택하여 막을 설계함으로써, 제 1 위상차 보상층의 리타데이션 (d△n) 값은 TN 액정 소자의 리타데이션 (d△n)LC 값에 근접할 수 있다.
상기 설명된 바와 같이 제 1 위상차 보상층이 형성되는 유리 기판을 진공 챔버에서 꺼냈다. 유리 기판을 다시 아세톤으로 세척하고 충분히 건조한 후, 도 5에 도시된 증착 디바이스에 세팅했다. 증착 표면이 제 1 위상차 보상층의 상부막이 되도록 2개의 막을 갖는 제 2 위상차 보상층의 증착을 수행했다. 제 1 막은 방위각 (α) 이 -137°, 극각 (β) 이 45°, 리타데이션 (d△n)S1 이 150nm 인 경사 증착막 (S1) 이었다. 제 2 막은 방위각 (α) 이 -45°, 극각 (β) 이 33°, 리타데이션 (d△n)S1 이 180nm 인 경사 증착막 (S2) 이었다. 엘립소미터 (32) 및 막 두께 모니터 (31) 로부터 측정 데이터를 모니터링하여 제 2 위상차 보상층을 형성한 후, 도 5에 도시된 증착 디바이스에서 샘플을 꺼내고 법선의 전면 증착을 수행하기 위해 증착 디바이스에 세팅하여 제 1 실험에서 형성된 3중층 반사 방지막과 동일한 3중층의 반사 방지막을 형성한다.
제 2 위상차 보상층의 경사 증착막 (S1, S2) 을 위한 증착 재료로서, 10 중량%의 TiO2와 혼합된 ZrO2 를 사용했다. 막 형성을 위해, 진공 챔버에 1×10-4Pa 까지 진공 공정을 적용한 후, 막을 충분히 산화시키기 위해 1×10-2Pa 까지 산소 기체를 진공 챔버에 주입했다. 상기 설명된 실험 (1) 에서, 얻어진 제 1 및 제 2 위상차 보상층들의 구성 및 파라미터들이 표 1에 도시된다.
실험 (1) 방위각 (α°) 극각 (β°) (d△n)(nm)
제 2 위상차 보상층 S2 -45 33 180
S1 -137 45 150
제 1 위상차 보상층 -600
유리 기판
실험 (1) 의 위상차 보상기가 TN 액정 소자에 적용될 때, 콘트라스트 비 곡선은 도 11 에 도시된 상태가 된다. 도 11의 콘트라스트 비 곡선의 시야각 특성은 TN 액정 소자 그 자체의 콘트라스트 비 곡선을 도시하는 도 10의 시야각 특성으로부터 개선됨이 명백하다.
경사 증착막 (S1) 의 광학축 벡터 (P1) 가 증착 표면 상에 직교하여 투영 될 때 X 및 Y 좌표값이 (83, -83) 이고, 경사 증착막 (S2) 의 광학축 벡터 (P2) 가 증착 표면 상에 직교하여 투영될 때 X 및 Y 좌표값이 (-110, -102) 이기 때문에, 광학축 벡터 (P1, P2) 의 합성 벡터 (A) 의 X 및 Y 좌표값은 (-27, -183) 이 되었다. 따라서, 조건식 (1) 을 만족했다. 이외에도, 제 1 위상차 보상층의 리타데이션 (d△n) 이, TN 액정 소자의 리타데이션이 558nm일 때 조건식 (2) 의 최소값 (-1118nm) 부터 최대값 (-279nm) 의 범위 내에 인 -600nm 이었기 때문에, 조건식 (2) 또한 만족한다.
(실험 2)
실험 (1) 과 동일하게, 실험 (2) 의 샘플을 형성했다. TN 액정 소자 및 반사 방지층의 구성은 실험 (1) 과 동일하고, 제 1 및 제 2 위상차 보상층의 막 구성은 실험 (1) 과 상이했다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층의 구성들 및 파라미터들은 표 (2) 에 도시된다. 실험 (2) 에서, 제 2 위상차 보상층은 3개 층을 갖고, 각각의 막의 방위각 (α) 은 동일한 방향으로 회전한다. 따라서, 광학축 벡터 (P1 내지 P3) 는 증착 표면 상에 나선 방식으로 반시계 방향으로 순차적으로 회전된다.
실험 (2) 방위각 (α°) 극각 (β°) (d△n)(nm)
제 2 위상차 보상층 S3 -15 44 70
S2 -41 27 80
S1 -127 45 190
제 1 위상차 보상층 -370
유리 기판
실험 (2) 의 콘트라스트 비 곡선이 도 12에 도시된다. 콘트라스트가 높은 영역 (high contract region) 이 실험 (1) 에서 콘트라스트가 높은 영역보다 커지고, 시야각 의존성은 실험 (1) 의 시야각 의존성보다 낮아졌다. 경사 증착막 (S1 내지 S3) 의 광학축 벡터 (P1 내지 P3) 의 합성 벡터 (A) 의 X 및 Y 좌표값은 (-18, -196) 이 되었다. 제 1 위상차 보상층의 리타데이션이 -370nm 이기 때문에 조건식 (1) 과 조건식 (2) 모두를 만족했다.
(실험 3)
실험 (3) 에서, 제 1 위상차 보상층의 리타데이션은 -440nm 이고, 제 2 위상차 보상층은 실험 (2) 와 동일하게 3개 층을 갖는다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층의 구성 및 파라미터는 표 3에 도시된다. 실험 (3) 의 제 2 위상차 보상층의 제 3 층의 방위각 (α) 은, 광학축 벡터 (P1 내지 P3) 가 나선 방식으로 한 방향으로 회전하는 실험 (2) 와는 대조적으로, 제 1 및 제 2 층 각각의 방위각 (α) 의 회전 방향과 반대 방향으로 회전한다.
실험 (3) 방위각 (α°) 극각 (β°) (d△n)(nm)
제 2 위상차 보상층 S3 -44 42 110
S2 -22 44 50
S1 -131 45 180
제 1 위상차 보상층 -440
유리 기판
실험 (3) 의 콘트라스트 비 곡선이 도 13에 도시된다. 시야각 특성이 잘 유지된다. 경사 증착막 (S1 내지 S3) 의 광학축 벡터 (P1 내지 P3) 의 합성 벡터 (A) 의 X 및 Y 좌표값은 (-2, -223) 이 되었다. 제 1 위상차 보상층의 리타데이션이 -440nm 이기 때문에 조건식 (1) 과 조건식 (2) 모두를 만족했다. 제 2 위상차 보상층에서 3 개 막의 3 개의 광학축 벡터가 나선 방식으로 회전하지 않음에도 불구하고, 도 12와 도 13 을 비교하여 볼 수 있는 바와 같이, 콘트라스트 비 곡선의 형상이 변하지 않아도 시야각 특성에는 거의 영향이 없음을 주목한다.
(실험 4)
실험 (4) 에서, 제 1 위상차 보상층의 리타데이션은 -500nm 이고, 제 2 위상차 보상층은 4개의 막을 갖는다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층의 구성 및 파라미터가 표 4에 도시된다. 각각의 막의 방위각 (α) 가 동일한 방향으로 회전하도록 제 2 위상차 보상층의 경사 증착막 (S1 내지 S4) 을 결정한다. 따라서, 광학축 벡터 (S1 내지 P4) 는 나선 방식으로 반시계 방향으로 순차적으로 회전한다.
실험 (4) 방위각 (α°) 극각 (β°) (d△n)(nm)
제 2 위상차 보상층 S4 -138 40 104
S3 -116 24 214
S2 -16 24 72
S1 22 24 104
제 1 위상차 보상층 -550
유리 기판
실험 (4) 의 콘트라스트 비 곡선이 도 14에 도시된다. 시야각 특성이 개선된다. 경사 증착막 (S1 내지 S4) 의 광학축 벡터 (P1 내지 P4) 의 합성 벡터 (A) 의 X 및 Y 좌표값은 (-32, -77) 이 되었다. 제 1 위상차 보상층의 리타데이션이 -550nm 이기 때문에, 조건식 (1) 과 조건식 (2) 모두를 만족했다.
(실험 5)
실험 (5) 에서, 제 1 위상차 보상층의 리타데이션은 -470nm 이고, 제 2 위상차 보상층은 4개 막을 갖는다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층의 구성 및 파라미터는 표 5에 도시된다. 제 2 위상차 보상층의 경사 증착막 (S1 내지 S4) 각각의 방위각 (α) 은 실험 (4) 의 방위각과 반대 방향으로 회전한다. 따라서, 광학축 벡터 (P1 내지 P4) 가 나선 방식으로 시계 방향으로 순차적으로 회전한다.
실험 (5) 방위각 (α°) 극각 (β°) (d△n)(nm)
제 2 위상차 보상층 S4 5 40 106
S3 -40 45 40
S2 -117 44 120
S1 -130 34 130
제 1 위상차 보상층 -470
유리 기판
실험 (5) 의 콘트라스트 비 곡선이 도 15에 도시된다. 유리한 시야각 특성이 얻어졌다. 경사 증착막 (S1 내지 S4) 의 광학축 벡터 (P1 내지 P4) 의 합성 벡터 (A) 의 X 및 Y 좌표값은 (8, -191) 이 되었다. 제 1 위상차 보상층의 리타데이션이 -470nm 이기 때문에 조건식 (1) 과 조건식 (2) 모두를 만족했다. 제 2 위상차 보상층의 막의 광학축 벡터의 나선 방향이 예 (4) 및 예 (5) 모두와 같이 결정될 때, 유리한 시야각 특성이 얻어질 수 있음을 발견했다. 그러나, 광학축 벡터의 나선 방향이 시야각 특성에 영향을 미치지 않는다는 것을 의미하는 것은 아니다. 나선 방향이 변할 때, 각각의 막의 방위각 (α) 과 극각 (β), 제 2 위상차 보상층의 각각의 막의 리타데이션과 제 1 위상차 보상층의 리타데이션을 포함하는 조합의 최적값이 변했다.
(실험 6)
실험 (6) 에서, 제 1 위상차 보상층의 리타데이션은 -350nm 이고, 제 2 위상차 보상층은 5개 막을 갖는다. 제 1 및 제 2 위상차 보상층의 구성 및 파라미터는 표 6에 도시된다. 경사 증착막 (S1 내지 S5) 의 광학축 벡터 (P1 내지 P5) 가 나선 방식으로 회전한다.
실험 (6) 방위각 (α°) 극각 (β°) (d△n)(nm)
제 2 위상차 보상층 S5 -130 45 200
S4 -116 43 80
S3 -46 45 70
S2 -10 45 50
S1 30 45 80
제 1 위상차 보상층 -350
유리 기판
실험 (6) 의 콘트라스트 비 곡선이 도 16에 도시된다. 유리한 시야각 특성이 얻어졌다. 경사 증착막 (S1 내지 S5) 의 광학축 벡터 (P1 내지 P5) 의 합성 벡터 (A) 의 X 및 Y 좌표값은 (6, -239) 이 되었다. 제 1 위상차 보상층의 리타데이션이 -350nm 이기 때문에 조건식 (1) 과 조건식 (2) 모두를 만족했다.
실험 (1 내지 6) 에서 설명된 바와 같이, 제 1 위상차 보상의 리타데이션과 복수의 막을 갖는 제 2 위상차 보상층의 적절한 구성의 조합은 TN 액정 소자의 시야각 의존성을 효과적으로 보상할 수 있다. 특히, 제 2 위상차 보상층의 적절한 막 구성은 제 1 위상차 보상층의 리타데이션에 의해 영향을 받는데, 이는 최적의 시야각 특성을 얻기 위해 대단히 많은 양의 파라미터들의 조합이 있음을 의미한다. 그러나, 상기 실험은 제 1 및 제 2 위상차 보상층의 조합이 적어도 조건식 (1, 2) 을 만족할 필요가 있음을 보여준다.
근본적으로, 제 1 위상차 보상층의 리타데이션 값은 액정 분자들의 포지티브 복굴절 및 액정층의 두께에 따라 결정될 필요가 있다. 그러나, TN 액정 소자의 일부 종류에서, 전압이 인가될 때 수직 배향이 되는 액정 분자들의 비는 일정하지 않다. 따라서, 제 1 위상차 보상층의 리타데이션 값은 비의 변동 범위를 고려하여 결정해야 한다. 이외에도, 리타데이션 값은 제 2 위상차 보상층의 포지티브 복굴절에 따라 조정해야 한다.
이외에도, 상기 언급된 바와 같이, 본 발명의 위상차 보상기의 위치는 TN 액정 소자의 광출사면측으로 제한되지 않고, TN 액정 소자의 광입사 표면측이 될 수 있다. 또한, 제 1 위상차 보상층 및 제 2 위상차 보상층은 각각의 유리 기판들 상에서 형성되고 그들 사이에 거리를 두고 사용될 수 있다. 더욱이, TN 액정 소자의 광입사면측 및 광출사면측에 각각 배치된 한 쌍의 편광판의 베이스 플레이트들 중 하나 이상은 제 1 위상차 보상층 및/또는 제 2 위상차 보상층의 베이스로서 사용되는 것이 바람직한 실시 형태들 중 하나이다.
제 1 및 제 2 위상차 보상층을 형성하기 위해 기준 파장이 예를 들어 550nm에서 설정될 때, 본 발명의 위상차 보상기는 디스플레이 소자로서 TN 액정 소자의 싱글 패널을 갖는 풀 컬러 직시형 액정 디스플레이에 적용될 수 있다. 그러나, 액정 분자들과 위상차 보상기 각각의 복굴절 효과가 파장에 따라 변하기 때문에, 위상차 보상기 내의 막의 특정 구성들은 성분 컬러 광 각각의 기준 파장에 대응하여 제공되는 것이 바람직하다. 이 유형의 액정 디스프레이에서, 적색, 녹색, 및 청색광 중 하나를 각각 투과시키는 마이크로 컬러 필터들이 통상적으로 TN 액정 소자에 포함된다. 따라서, 각각의 컬러 필터에 대응하는 상이한 막 구성을 갖는 3가지 유형의 위상차 보상기들을 사용하는 것이 바람직하다.
성분 컬러 광 각각의 기준 파장에 따른 위상차 보상기의 막 구성을 변경하는 것은 각각의 성분 컬러 광에 대응하여 3개의 TN 액정 소자 구성 요소들을 포함하는 3-패널형 액정 프로젝터에 적용하는 것이 효과적이다. 3-패널형 액정 프로젝터의 구성이 도 17에 개략적으로 도시된다.
도 17에서, 3개의 액정 소자 (50R, 50G, 50B) 는 적색, 녹색, 및 청색의 성분 컬러 광 각각의 이미지에 따른 투과 밀도를 갖는 단색 이미지를 각각 디스플레이한다. 광원 (52) 으로부터의 방출 광은 자외선 및 적외선 성분을 차단하는 차단 필터 (53) 에 의해 적색, 녹색, 및 청색광을 포함하는 백색광이 된다. 백색광은 조사광 축 (도면에서 점선) 을 따라 진행하고 인티그레이터로서 유리 막대 (54) 로 입사한다. 유리 막대 (54) 의 입사면이 광원 (52) 의 포물형 반사기의 초점 위치 가까이 위치하기 때문에, 차단 필터 (53) 로부터의 백색광이 큰 손실 없이 유리 막대 (54) 의 입사면으로 입사한다.
유리 막대 (54) 를 통과한 후, 백색광은 릴레이 렌즈 (55) 및 시준 렌즈 (56) 에 의해 시준된다. 시준된 백색광은 적색광을 통과시키고 청색 및 녹색광을 반사시키는 다이크로익 미러 (dichroic mirror; 58R) 를 향하는 미러 (57) 상에서 반사된다. 적색 이미지를 위한 액정 소자 (50R) 는 미러 (59) 상에서 반사된 적색광에 의해 후면에서부터 조사된다. 다이크로익 미러 (58R) 상에서 반사된 청색 및 녹색광은 녹색광만이 반사되는 다이크로익 미러 (58G) 에 도달한다. 다이크로익 미러 (58G) 상에서 반사된 녹색광은 녹색 이미지 (50G) 를 위한 액정 소자를 후면에서부터 조사한다. 미러들 (58B, 60) 상에서 반사된 청색광이 청색 이미지 (50B) 를 위한 액정 소자를 후면에서부터 조사한다.
액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 은 TN 액정 소자층을 포함하고, 적색, 녹색, 및 청색 밀도 이미지들을 각각 디스플레이한다. 컬러 재조합 프리즘 (64) 은, 컬러 재조합 프리즘 (64) 의 중앙부터 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 까지의 광학 거리가 동일한 장소에 위치된다. 컬러 재조합 프리즘 (64) 은, 적색, 녹색, 및 청색 이미지광이 풀 컬러 이미지 광으로 혼합되도록, 적색광 및 청색광을 각각 반사하는 두 개의 다이크로익 평면 (64a, 64b) 을 갖는다. 투영 렌즈 시스템 (5) 은 컬러 재조합 프리즘 (64) 의 출사 평면부터 스크린 (70) 까지의 투영 광학축 상이 위치된다. 투영 렌즈 시스템 (65) 의 물체측 초점은 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 의 출사면들 상에 있다. 투영 렌즈 시스템 (65) 의 물체측 초점은 스크린 (70) 상에 있다. 따라서, 컬러 재조합 프리즘 (64) 으로부터의 풀 컬러 이미지광은 투영 렌즈 시스템 (65) 에 의해 스크린 (70) 상에 초점이 맞춰진다.
편광기로서 전면 편광판 (66R, 66G, 66B) 이 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 의 입사 평면의 전면에 각각 제공된다. 분석기로서 위상차 보상기들 (67R, 67G, 67B) 및 후면 편광판들 (68R, 68G, 68B) 이 액정 소자 (50R, 50G, 50B) 의 출사면 측에 배열된다. 전면 편광판 (66R, 66G, 66B) 및 후면 편광판들 (68R, 68G, 68B) 의 편광 방향은 서로 수직한다 (크로스 니콜 구성). 각각의 위상차 보상기들 (67R, 67G, 67B) 은, 상기 설명된 바와 같이 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 각각의 컬러의 위상차를 각각 보상하기 위해, 제 1 위상차 보상층과 제 2 위상차 보상층을 포함한다.
액정 소자 (50R, 50G, 50B) 가 동일한 TN 액정 소자를 가질지 라도, 리타데이션 (d△n)LC 은 통상적으로 파장에 따라 변하는 것으로 알려져 있다. 도 18은 두께가 4.5㎛ 인 TN 액정 소자의 위상 의존성을 도시한다. 복굴절 (△n) 이 파장에 따라 변하고, 리타데이션 (d△n)LC 또한 파장에 따라 변한다. 도면에서, Re는 전압의 인가에 따라 수직 배향이 되는 액정 분자들의 비가 70% 일 때의 유효 리타데이션을 의미한다. 상기 설명된 제 1 위상차 보상층은 유효 리타데이션 (Re) 에 의한 포지티브 위상차를 보상하기 위한 것이다. 수직 배향의 액정 분자들의 비는 70%로 제한되지 않고, TN 액정 소자의 구성, 두께, 밀도, 및 포화 전압 값과 같은 인자들에 의해 변한다.
TN 액정 소자의 유효 리타데이션 (Re) 을 효과적으로 보상하기 위해, 제 1 위상차 보상층은, 기판상에 교대로 적층된, 각 30nm 두께를 갖는 40개의 TiO2 막과 각 20nm 두께를 갖는 40개의 SiO2 막으로 구성되어 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 제 1 위상차 보상층의 네거티브 리타데이션 (d△n) 의 절대값은 파장에 의존하는데, TiO2 막과 SiO2 막의 굴절률이 파장 의존성을 갖기 때문이다. 제 1 위상차 보상층은 가시 영역에서 높은 시인성을 갖는 550nm 파장에서의 위상차를 효과적으로 보상하도록 설계된다. 그러나, 도 20에 도시된 바와 같이, 단파장 측에서 위상차의 적절한 보상을 수행할 수 없다.
상기 문제를 고려하여, 본 발명은, 두께가 파장보다 충분히 짧은 증착막을 포함하는 제 1 위상차 보상층의 특성을 이용함으로써, 각각의 위상차 보상기 (67R, 67G, 67B) 의 제 1 위상차 보상층의 두께는 각각의 컬러 채널에 따라 변한다. 즉, 네거티브 복굴절 (△n) 은 두 종류의 증착막들의 굴절률과 두께 비에 의해 결정되고, 리타데이션 값은, 복굴절 (△n) 이 곱해지는 전체 막 두께 (적층된 각 층의 수) 를 변경함으로써 제어될 수 있다. 일 예가 도 21에 도시된다.
본 예에서, 제 1 위상차 보상층의 두께는 청색, 녹색, 적색광에 대해 각각 변경된다. 증착막의 TiO2 막과 SiO2 막의 물리적 두께는 모든 컬러 채널들에서 30nm 및 20nm 이다. 그러나, 청색 성분 광의 대략적인 중심 파장인 기준 파장 (λ) 이 450nm 일 때의 TN 액정 소자의 리타데이션 (413nm) 에 따르면, 청색광에 대한 제 1 위상차 보상층은 72개의 적층막들과 1.8㎛의 전체 막 두께 (d) 를 갖는다. 동일한 방식으로, 녹색 성분 광에 대한 기준 파장 (λ) 이 550nm 일 때, 녹색광에 대한 제 1 위상차 보상층은 80개의 적층막들과 2.0㎛의 전체 막 두께 (d) 를 갖는다. 적색 성분 광에 대한 기준 파장 (λ) 이 650nm 일 때, 적색광에 대한 제 1 위상차 보상층은 82개의 적층막들과 2.1㎛의 전체 막 두께 (d) 를 갖는다.
결과적으로, 도 22에 도시된 바와 같이, 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 의 각각의 컬러 채널의 리타데이션은 컬러 광 각각의 각 파장에 따라 충분히 보상될 수 있음이 증명된다. 입체 청색 배경 (solid-blue background) 이 스크린 (70) 상에 투영되는 경우, 액정 소자 (50B) 의 전체 영역은 명상태이고, 액정 소자 (50R, 50G) 의 전체 영역들은 암상태에 있다. 이 시점에서, 포화 전압의 인가에 의해 액정 소자들 (50R, 50G) 에 수직하게 배향된 액정 분자들의 복굴절 효과로부터의 포지티브 위상차는 위상차 보상기 (67R, 67G) 내에 각각 제공된 적색광 및 녹색광에 대한 제 1 위상차 보상층들로부터의 네거티브 리타데이션에 의해 효과적으로 보상된다. 따라서, 분석기로서 편광판 (68R, 68G) 으로부터 방출된 광이 거의 발생하지 않는데, 이는 블러링없는 선명한 입체 청색 배경의 투영을 가능하게 한다.
동일한 이유에 의해, 백색광이 스크린의 전체 영역 상에 투영될 때와 스크린의 전체가 암상태에 있을 때의 콘트라스트 비는 500:1에서 700:1로 개선된다. 이외에도, 통상적인 풀-컬러 이미지를 투영하기 위해, 흑색을 강화시킴으로써 이미지 선명도를 개선한다. 도 22에서 보는 바와 같이, 녹색 및 적색광에 대한 제 1 위상차 보상층들의 파장 의존성은 청색광에 대한 제 1 위상차 보상층들의 파장 의존성보다 낮다. 따라서, 동일한 전체 막 두께를 갖는 제 1 위상차 보상층들을 녹색 및 적색광에 대해 각각 사용하는 것이 가능하다. 이 경우, 전체 막 두께는 600nm 파장에 대하여 결정된다.
상기 설명된 바와 같이, 본 발명의 위상차 보상기가 3-패널형 컬러 액정 프로젝터에 적용될 때, 제 1 위상차 보상층의 전체 막 두께가 적어도 2개의 컬러 채널마다 조정되는 것이 효과적이다. 상기 설명들은 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 의 리타데이션 (d△n)LC 의 파장 의존성만을 고려한다. 그러나, 각각의 위상차 보상기 (67R, 67G, 67B) 내의 제 2 위상차 보상층도 컬러 채널이 각각 상이한 기준 파장을 갖고, 각각의 기준 파장에 대응하는 특정 구성을 갖는다. 제 2 위상차 보상층은 액정 분자들과 동일한 포지티브 리타데이션을 갖는다. 따라서, 제 1 위상차 보상층의 전체 막 두께를 조정을 위해 증가시키는 것이 바람직하다. 조정이 수행되더라도, 각 컬러 채널의 제 1 위상차 보상층의 네거티브 리타데이션은 조건식 (2) 을 만족할 수 있음을 주목한다.
상기 언급된 위상차 보상기들 (67R, 67G, 67B) 은 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 각각의 광입사 표면측에 각각 위치되는 것이 바람직하다. 이외에도, 어퍼처 효율을 개선시키기 위해 각각의 픽셀에 각각 대응하는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이가 액정 소자들에서 사용되는 경우가 있다. 이 유형의 액정 소자들에서, 액정층으로 입사하는 조사광의 통상적인 입사 각도 분포는 마이크로 렌즈 어레이로 입사하는 조사광의 입사각도 분포보다 넓다. 따라서, 효율적인 위상차 보상을 위해, 위상차 보상기들 (67R, 67G, 67B) 은 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 의 광출사면측에 각각 위치되는 것이 바람직하다.
상기 설명된 바와 같이 제 1 및 제 2 위상차 보상층들이 최적화되는 위상차 보상기들 (67R, 67G, 67B) 을 이용함으로써, 스크린 (70) 상의 콘트라스트 비가 1000:1 이상이 될 수 있다. 이외에도 위상차 보상기가 무기 물질만으로 형성되므로, 내열성 또는 내광성 문제는 없다. 따라서, 본 발명의 위상차 보상기는 장기간에 걸쳐 사용되는 가정용 후면 투사 방식 텔레비전과 같은 제품들에 효율적으로 적용될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 제 1 실시 형태의 위상차 보상기 및 액정 프로젝터를 설명하였다. 위상차 보상기 형성을 위한 기판으로서, 몇몇 투명 무기 물질들이 유리 기판과 동일하게 사용된다. 액정 프로젝터에 적용하는 바람직한 재료들은 높은 열 전도성을 갖는 사파이어 기판과 석영 기판이다. 이외에도, 제 1 위상차 보상층 및 제 2 위상차 보상층을 개별 투명 기판 상에 각각 형성하는 것이 가능하다. 그리고, 광학 시스템에 있는 렌즈들, 프리즘들, 몇 종류의 필터들, 및 액정 소자의 기판들이 위상차 보상층들을 위한 투명 기판들로서 사용될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시 형태의 위상차 보상기가 설명된다. 제 1 실시 형태들에서도 사용된 제 2 실시 형태의 구성 요소는 제 1 실시 형태와 동일한 번호가 적용되고, 이들 구성 요소들의 상세한 설명은 생략한다. 도 23에 도시된 바와 같이, 위상차 보상기 (102) 가 판광판 (103, 104) 사이에 배치되고, 이들 구성 요소들 (102-104) 은 광학축 (105) 에 수직하게 향한다. 편광판 (103, 104) 은, 편광판 (103, 104) 의 투과축이 서로 직각을 이루는 크로스 니콜 구성이다. 조사광 (107) 이 광학축 (105) 에 평행한 광 빔들만을 포함할 때, 위상차 보상기 (102) 가 없더라도 광출사 측의 편광판 (104) 으로부터 광이 발출되지 않는다. 그러나, 조사광 (107) 이 광학축 (105) 에 평행하지 않는 광 빔을 포함할 때, 위상차 보상기 (102) 가 없다면 편광판 (104) 으로부터 광이 방출된다. 위상차 보상기 (102) 를 이용함으로써, 조사광이 광학축 (105) 에 대해 경사진 광을 포함하더라도 편광판 (104) 으로부터의 방출광 (108) 을 크게 감소시킬 수 있다.
도 24에 도시된 바와 같이, 위상차 보상기 (102) 는 도 2에 도시된 위상차 보상기 (6) 의 구성과 기본적으로 동일한 구성을 갖는다. 그러나 도 25에 도시된 바와 같이, 제 2 위상차 보상층 (114) 은 네 종류의 경사 증착막들 (S1 내지 S4) 을 포함한다. 이 실시 형태에서, 제 1 경사 증착막 (S1) 은 제 1 위상차 보상층 (12) 상에 적층된다. 그러나, 제 1 및 제 2 위상차 보상층들 (12, 14) 의 위치들이 서로 교환되어, 제 1 경사 증착막 (S1) 이 유리 기판 (10) 상에 형성되고, 제 2 내지 제 4 경사 증착막들 (S2 내지 S4) 은 제 1 경사 증착막 (S1) 상에 순차적으로 형성되고, 이후, 제 1 위상차 보상층 (12) 은 제 4 경사 증착막 (S4) 상에 형성되는 것이 가능하다. 이외에도, 제 1 위상차 보상층 (12) 및 제 2 위상차 보상층 (114) 이 유리 기판 (10) 의 양 측 상에 각각 형성되고, 반사 방지층 (15, 16) 이 제 1 및 제 2 위상차 보상층들 (12, 114) 의 최외각 층들 상에 각각 형성되는 것도 가능하다.
제 1 위상차 보상층 (12) 의 증착막 (L1, L2) 과 상이하게, 제 2 위상차 보상층 (114) 의 경사 증착막들 (S1 내지 S4) 이 증착 표면 (S0) 을 향하여 경사 방향부터 증착된다. 증착막 (S1 내지 S4) 각각은 증착 방향을 향해 비스듬하게 연장된 초미세 원주형 소자 (M1 내지 M4) 를 각각 갖는다. 단일층과 같이 각각의 경사 증착막들 (S1 내지 S4) 은 구조성 복굴절 효과를 보여줄 수 있고 포지티브 복굴절을 갖는 O-플레이트로서 사용될 수 있다. 그러나, 경사 증착막들 (S1 내지 S4) 은 원주형 소자 (M1 내지 M4) 의 방향에 평행한 광에 대해 광학 등방성을 보여준다. 따라서, (공기와 같이) 굴절률이 1인 매질과 막들 (S1 내지 S4) 사이의 인터페이스에서의 반사에 의해, 광학축이 막들 (S1 내지 S4) 로 엔터링하고, 이후, 원주형 소자 (M1) 의 방향과 일치한다. 즉, 광학축은, 원주형 소자의 방향에서부터, 경사 증착막의 굴절률에 따른 각도로 기울어진다. 경사 증착막 (S1 내지 S4) 의 증착 방향들은, 원주형 소자 (M1 내지 M4) 의 방향들이 서로 상이하도록, 증착 표면 (S0) 에 수직하지 않고 서로 상이하다. 따라서, 각각의 막 (S1 내지 S4) 의 광학축의 방위각은, 광학축이 증착 표면 (S0) 상에 직교로 투영될 때, 서로 상이하다.
경사 증착막들 (S1 내지 S4) 은 제 1 실시 형태의 위상차 보상기 (6) 의 제 2 위상차 보상층 (14) 과 동일하게 도 5에 도시된 증착 디바이스에 의해 형성될 수 있다. 도 26에 도시된 바와 같이, 증착 표면 (S0) 상의 X-Y 좌표 상에 직교하여 투영될 때, 증착 표면 (S0) 을 향하는 증착 방향 (P) 은, 반시계 방향으로 X-축에서부터 측정된 방위각 (α) 과 Z-축에서부터 측정된 극각 (β) 으로 제시된다. 극각 (β) 은 포지티브 및 네거티브의 방향성이 없는 Z-축으로부터의 경사각이고, 방위각 (α) 은 X-축을 기준으로 방향성을 갖는다. 편광판 (103, 104) 의 투과축 (103a, 104a) 로부터 각 (δ) = 45°를 갖도록 X-축의 방향이 결정된다. X-축의 방향은 경사 증착막들 (S1 내지 S4) 과 공통이다. 도 33에 도시된 바와 같이, 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광판들 (3, 4) 의 시야각 특성이 90°씩 회전하여 대칭을 갖기 때문에, X-축 방향이 제한되지 않음을 주목한다.
경사 증착막들 (S1 내지 S4) 각각의 광학축들은 그 각각의 증착 방향에 대략적으로 일치한다. 단일층과 같이 경사 증착막들 (S1 내지 S4) 각각은 구조성 복굴절 효과를 보여줄 수 있고, 포지티브 복굴절을 갖는 O-플레이트로서 사용될 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 경사 증착막들 (S1 내지 S4) 각각의 광학축들은 정밀성에 있어서 각각의 증착 방향 (P) 과 정확하게 동일하지 않다. 그러나, 이 약간의 정렬 불량에 의해 발생한 효과들은 실질적인 사용에 있어서 무시할 수 있기 때문에, 각각의 경사 증착막의 광학축의 방향을 방위각 (α) 및 극각 (β) 에 의해 어림잡을 수 있다.
제 2 위상차 보상층 (114) 을 형성하기 위해, 경사 증착막 (S1 내지 S4) 각각의 방위각 (α) 및 극각 (β) 이 결정될 수 있다. 경사 증착막 (S1 내지 S4) 각각의 증착 재료의 굴절률이 주어지고, 경사 증착막 (S1 내지 S4) 각각의 광학축의 방향이 그 증착 방향에 대략적으로 일치하도록 가정될 수 있다. 따라서, 경사 증착막 (S1 내지 S4) 각각의 광학축은 경사 증착 방향과 같이 원하는 값에서 설정될 수 있다. 발명자는 각각의 경사 증착막 (S1 내지 S4) 의 방위각 (α) 및 극각 (β) 을 제어함으로써, 경사 증착막들 (S1 내지 S4) 을 포함하는 제 2 위상차 보상층 (114) 의 다양한 샘플들을 제작하고, 각 샘플의 시야각 의존성을 평가하였다. 결과적으로, 제 2 위상차 보상층 (114) 의 시야각 특성은, 특히 3 이상의 경사 증착막을 포함하고 이 중 2 개의 증착막이 서로 180°떨어진 증착 표면 상에 투영된 광학축들을 각각 가질 때 개선됨이 확인되었다.
시야각 특성을 개선하기 위해, 방위각 (α) 및 극각 (β) 이외에도, 각각의 경사 증착막의 막 두께와 리타데이션과 같은 다양한 파라미터들이 있음을 주목한다. 이들 파라미터들 및 시야각 특성 사이의 관계를 철저하게 조사하는 것은 매우 어렵지만, 이후 설명되는 바와 같은 실험 (7) 은 실용적인 우수한 시야각 특성을 갖도록 제공된다. 제 2 위상차 보상층 (114) 의 증착 재료로서, 제 1 위상차 보상층 (12) 의 증착 재료과 동일한, TiO2, SiO2, ZrO2, 및 Ta2O3와 같은, 경사 증착막의 형태로 파장의 충분한 광학 투명 독립성을 갖는 물질들이 사용될 수 있다.
(실험 7)
지금까지, 본 발명의 위상차 보상기 (102) 의 구체적인 실험을 설명한다. 실험 (1 내지 6) 과 동일하게 반사 방지층을 형성한 후, 도 2에 도시된 제 1 위상차 보상층을 형성하기 위해, 유리 기판을 진공 챔버 내에서 안을 밖으로 뒤집었다. 제 1 위상차 보상층은 네거티브 C-플레이트이고, 그 리타데이션 (d△n) 은 -341nm이다.
상기 설명된 바와 같이 제 1 위상차 보상층 (12) 이 형성되는 유리 기판을 진공 챔버에서 꺼냈다. 유리 기판을 아세톤으로 세척하고 충분히 건조한 후, 도 5에 도시된 증착 디바이스에 세팅했다. 증착 표면이 제 1 위상차 보상층의 최상부 막이 되도록, 4 개의 막을 갖는 제 2 위상차 보상층의 증착을 수행했다. 제 1 막은 방위각 (α) 이 -46.5°, 극각 (β) 이 14°, 및 리타데이션 (d△n)S1 이 106nm 인 경사 증착막 (S1) 이었다. 제 2 막은 방위각 (α) 이 135°, 극각 (β) 이 45°, 및 리타데이션 (d△n)S2 이 111nm 인 경사 증착막 (S2) 이었다. 제 3 막은 방위각 (α) 이 -42°, 극각 (β) 이 10°, 및 리타데이션 (d△n)S3 이 87nm 인 경사 증착막 (S3) 이었다. 제 4 막은 방위각 (α) 이 -45°, 극각 (β) 이 12.5°, 및 리타데이션 (d△n)S4 이 88nm 인 경사 증착막 (S4) 이었다. 경사 증착막들 (S1 내지 S4) 을 포함하는 제 2 위상차 보상층을 형성한 후, 도 2에 도시된 반사 방지막 (15) 과 동일한 3중층 반사 방지막을 형성하기 위해, 도 5에 도시된 증착 디바이스에서 샘플을 꺼내고 법선 전면 증착을 수행하기 위해 증착 디바이스에 세팅했다.
제 2 위상차 보상층 (114) 의 경사 증착막 (S1 내지 S4) 을 위한 증착 재료로서, 10 중량%의 TiO2와 혼합된 ZrO2 를 사용했다. 막 형성을 위해, 진공 챔버에 1×10-4Pa 까지 진공 공정을 적용한 후, 막을 충분히 산화시키기 위해 1×10-2Pa 까지 산소 기체를 진공 챔버에 주입한다. 상기 설명된 실험 (7) 에서, 얻어진 제 1 및 제 2 위상차 보상층들의 구성 및 파라미터들이 표 7에 도시된다.
실험 (7) 방위각 (α°) 극각 (β°) (d△n)(nm)
제 2 위상차 보상층 S4 -45 12.5 88
S3 -42 10 87
S2 135 45 111
S1 -46.5 14 106
제 1 위상차 보상층 -341
각각의 경사 증착막 (Si,i=1 내지 4) 을 고려하면, 방위각 (α) 및 극각 (β), 및 경사 증착막 (Si) 의 막 두께와 복굴절에 의해 정의된 리타데이션 (d△n)S1 에 의해 정의된 증착 방향 (P) 으로부터 광학축 벡터 (Pi) 가 결정된다. 통상적으로, 광학축 벡터 (Pi) 는 리타데이션 (d△n)Si, 방위각 (αi) 및 극각 (βi) 의 조합으로 다음과 같이 나타난다:
Figure 112007043242646-PCT00006
광학축 벡터 (Pi) 가 도 26에 도시된 X-Y 평면 상에 직교하여 투영된, 프로젝트 벡터 (Ai) 가 계산된다. 계산 결과는 다음과 같다:
Figure 112007043242646-PCT00007
도 27은 이들 계산 결과들을 도시한다.
표 7 과 도 27에서 볼 수 있는 바와 같이, 프로젝트 벡터 (A1 내지 A4) 의 특징은, 경사 증착막 각각의 광학축의 방위각과 근사하게 동일한 프로젝트 벡터들 (A2, A4) 각각의 방위각 (α) 이 서로 180°떨어져 있는 것이다. 제 2 위상차 보상층 (114) 을 설계하기 위해, 경사 증착막의 수, 각각의 막의 두께, 및 광학축의 방위각 등과 같은 파라미터들을 변경하는 것이 가능하다. 예들을 평가하고 막 구성을 계산함으로써, 상기 설명된 바와 같이, 제 1 위상차 보상층 (12) 과 함께 사용된 제 2 위상차 보상층 (114) 이 3 이상의 경사 증착막들을 포함하고, 이중 적어도 2 개의 증착막은 광학축 각각의 방위각이 서로 180°떨어져 있는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 광학축의 방위각은 경사 증착막 방향의 방위각을 어림잡을 수 있음을 주목한다. 이외에도, 이 실험에서, 경사 증착막 (S2, S4) 각각의 방위각 (α) 의 방향은 광입사 측의 편광판 (103) 의 투과축 (103a) 의 방향과 일치한다.
실험 (7) 의 위상차 보상기 (102) 가 도 23에 도시된 바와 같이 편광판 (103, 104) 사이에 위치될 때, 광 차폐 특성이 도 28과 같이 도시된다. 도면에서, 시야각 의존성이 잔존하지만, 편광판 (104) 의 출사 측으로부터의 누설광의 휘도는 전체적으로 낮아진다. 광 차폐 특성을 비교하기 위한 샘플이 도 29와 같이 도시된다. 이 비교 샘플에, 리타데이션이 -220nm 인 제 1 위상차 보상층 (12) 과, 단일의 경사 증착막을 포함하고 증착 방향의 방위각이 135°이고 리타데이션이 413nm인 제 2 위상차 보상층 (114) 이 있다. 비교 샘플과 같이, 네거티브 C-플레이트의 제 1 위상차 보상층과 포지티브 O-플레이트의 제 2 위상차 보상층의 조합인 위상차 보상기는 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광판의 광 차폐 특성을 개선할 수 있다. 그러나, 실험 7의 위상차 보상기는 광 차폐 효과를 보다 효과적으로 개선할 수 있음을 확인한다.
제 1 위상차 보상층 (12) 및 제 2 위상차 보상층 (114) 을 포함하는 본 발명의 위상차 보상기를 설계하기 위해, 바람직한 광 차폐 특성을 얻기 위한 수 많은 파라미터들의 조합들이 있는데, 제 1 위상차 보상층 (12) 각각의 막의 복굴절 및 두께에 의해 결정된 리타데이션, 제 2 위상차 보상층 (114) 의 막의 수, 광학축의 방위각 (경사 증착의 방위각), 및 제 2 위상차 보상층 (114) 의 각각의 막의 복굴절 및 두께와 같은 많은 파라미터들이 있기 때문이다. 그러나, 제 1 위상차 보상층 (12) 이 3개 이상의 경사 증착막들을 포함하고, 이 중 2 개 이상의 증착막은 광학축 각각의 방위각이 180°(경사 증착의 방위각이 180°) 서로 떨어진 광학축을 가질 때, 광 차폐 특성이 효율적으로 개선됨이 명백하다.
도 30에 도시된 바와 같이, 위상차 보상기 (102) 는 액정 디스플레이에 바람직하게 적용될 수 있다. 이미지를 디스플레이하는 액정 소자로서, TN 액정 소자 (106) 가 사용된다. 본 발명의 위상차 보상기 (102) 는 광입사 측의 편광판 (103) 과 TN 액정 소자 (106) 사이에 삽입된다. 광입사 측의 편광판 (103) 과 광출사 측의 편광판 (104) 은 노멀리 화이트 모드에서 액정 디스플레이를 사용하기 위해 그 투과축이 방향이 90°로 교차하는 크로스 니콜 구성이다. 조사광 (134) 은 편광판 (103) 에 의해 직선으로 편광된 광으로 변환되고, 위상차 보상기 (102), TN 액정 소자 (106), 및 편광판 (104) 을 통해 통과함으로써 이미지 광 (135) 으로서 방출된다. TN 액정 소자 (106) 이 암상태에 있을 때, 조사광 (134) 이 광학축 (105) 에 평행하지 않은 광속을 포함하더라도, 위상차 보상기 (102) 의 수행에 의해, 누설광의 발생이 방지되고 양호한 광 차폐 특성 및 시야각 특성이 얻어진다.
이 예에서, TN 액정 소자 (106) 의 한 쌍의 투명 기판들 사이에 포함된 액정 분자들의 복굴절을 고려하여, 위상차 보상층 (102) 의 제 1 위상차 보상층 (12) 의 리타데이션 값을 제어할 필요가 있다. 즉, 제 1 위상차 보상층 (12) 은 TN 액정 소자 (106) 의 액정 분자들의 복굴절에 의해 발생된 통상의 광 및 이상의 광 사이의 위상차를 보상하는 것 이외에도, 편광판 (103) 에 비스듬하게 입사된 광 빔으로부터의 위상차를 보상할 것이 요구된다. 위상차 보상력은 TN 액정 소자 (106) 의 액정 셀의 두께에 따라 제 1 위상차 보상층 (12) 의 두께를 제어함으로써 제어될 수 있다.
도 31에 도시된 바와 같이, 위상차 보상기 (102) 가 이미지 디스플레이를 위해 반사형 TN 액정 소자 (136) 를 갖는 오프 액시스 형 액정 디스플레이에 바람직하게 적용될 수 있다. 반사형 TN 액정 소자 (136) 에서, 액정 셀의 후면 측은 반사 표면이고, 입사 광학축 (105a) 및 출력 광학축 (105) 은 동심이 아니다. 편광판 (103) 을 통해 투과된 조사광 (134) 은 직선으로 편광된 입사광처럼 액정 셀을 통과한다. 이후, 입사광이 반사 표면 상에서 반사되고 다시 액정 셀을 통과하여 방출광이 된다. 노멀리 화이트 모드에서의 사용을 고려하여, 반사형 TN 액정 소자 (136) 가 암상태에 있을 때 입사광의 편광 방향이 90°회전하면서 방출광이 되도록 액정 셀의 두께가 결정된다. 이외에도, 광입사 측의 편광판 (103) 및 광출사 측의 편광판 (104) 은 크로스 니콜 구성이다.
또한 액정 디스플레이의 오프 액시스 형에서, 반사형 TN 액정 소자 (136) 가 암상태에 있을 때, 위상차 보상기 (102) 의 수행에 의해, 편광판 (104) 으로부터의 누설 광 발생이 방지되고, 시야각 특성이 얻어진다. 도 30의 예와 동일하게, 이 예에서, 반사형 TN 액정 소자 (136) 의 액정 분자들의 복굴절을 고려하여, 위상차 보상기 (102) 의 제 1 위상차 보상층 (12) 의 리타데이션 값을 제어할 필요가 있다. 제 1 위상차 보상층 (12) 의 두게를 제어할 때, 액정 셀의 광학 경로 길이가 반사형 TN 액정 소자 (136) 의 셀 두께의 두 배인 것을 고려할 필요가 있음을 주목한다.
본 발명의 제 2 실시 형태의 위상차 보상기는, 제 1 및 제 2 위상차 보상층들을 형성하기 위해 기준 파장을 예를 들어 550nm에서 설정할 때, 디스플레이 소자로서 TN 액정 소자의 싱글 패널을 갖는 풀 컬러 직시형 액정 디스플레이에도 적용될 수 있다. 이 경우도, TN 액정 소자에 포함된 각각의 컬러 필터에 대응하는, 상이한 막 구성을 갖는 3가지 유형의 위상차 보상기가 제공되는 것이 바람직하다.
이외에도, 성분 컬러 광 각각의 기준 파장에 따라 위상차 보상기의 막 구성을 변경하는 것은 성분 컬러 광 각각에 대응하는 3개의 TN 액정 소자 구성 요소들을 포함하는 3-패널형 액정 프로젝터에 효율적으로 적용된다. 3-패널형 액정 프로젝터의 구성은 도 32에 개략적으로 도시된다.
도 32에 도시된 액정 프로젝터의 구성은 도 17에 도시된 액정 프로젝터와 기본적으로 동일하지만, 본 발명의 제 2 실시 형태의 위상차 보상기들 (167R, 167G, 167B) 은 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 의 광입사면측에 각각 제공된다. 상기 설명된 바와 같이, 액정 소자들 (50R, 50G, 50B) 각각의 컬러의 위상차를 각각 보상하기 위해, 위상차 보상기들 (167R, 167G, 167B) 각각은 제 1 위상차 보상층 및 제 2 위상차 보상층을 포함한다. 이외에도, 위상차 보상기들 (167R, 167G, 167B) 은 크로스 니콜 구성의 편광판들 (66R, 66G, 66B) 과 편광판들 (68R, 68G, 68B) 에 의해 광 차폐 성능을 개선한다.
본 발명의 제 2 실시 형태의 위상차 보상기가 3-패널형 컬러 액정 프로젝터에 적용될 때, 제 1 위상차 보상층은 제 1 실시 형태의 위상차 보상기와 동일하게 설계된다. 이외에도, 위상차 보상기들 (167R, 167G, 167B) 각각의 제 2 위상차 보상층도 각각의 컬러 채널에 대응하는 특정 구성을 갖도록 설계된다. 제 2 위상차 보상층은 액정 분자들과 동일한 포지티브 리타데이션을 갖는다. 따라서, 적응을 위해, 제 1 위상차 보상층의 전체 막 두께를 증가시키는 것이 바람직하다.
제 1 및 제 2 위상차 보상층들이 상기 설명된 바와 같이 최적화되는 위상차 보상기들 (167R, 167G, 167B) 을 이용함으로써 스크린 (70) 상의 콘트라스트 비가 1000:1 이상이 된다. 이외에도, 위상차 보상기가 무기 물질로만 형성되기 때문에, 내열성 또는 내광성의 문제가 없다. 따라서, 본 발명의 위상차 보상기는 장기간에 걸쳐 사용되는 가정용 후면 투사 방식 텔레비전과 같은 제품에 효율적으로 적용될 수 있다.
제 2 실시 형태의 위상차 보상기에서, 직선 편광 광을 발생시키는 편광기와 광의 편광 방향에 따라 광 차폐 특성을 갖는 분석기로서, 와이어 그리드 편광기가 편광판과 동일하게 사용될 수 있다. 이외에도, 제 1 위상차 보상층은 다중 증착막들의 구성과 동일하게 짧은 피치의 콜레스터릭 액정으로부터 발생된 폴리머로 구성될 수 있다. 즉, 액정 분자들의 나선의 피치가 광 파장의 1/10 및 1/5 사이고 나선축이 기판에 수직하는 콜레스터릭 액정과 동일한 구조를 갖는 층은 네거티브 C-플레이트로서 수행하는 것으로 알려진다. 예를 들어, 다음 설명과 같이 형성된다. 먼저, 기판의 표면이 액정 분자들의 긴 축이 평행한 배향을 갖도록 처리된다. 다음, 상기 설명된 콜레스터릭 구조를 형성하기 위해, 중합 가능 분자 구조를 갖는 콜레스터릭 액정이 기판 상에서 코팅된다. 이후, 유동성을 제거하기 위해 광중합 공정 등이 콜레스터릭 액정에 적용된다.
이외에도, 포지티브 C-플레이트가 제 1 위상차 보상층에 적용될 수 있다. 이 경우, 먼저, 기판의 표면이 액정 분자들의 긴 축이 수직한 배향을 갖도록 처리된다. 다음으로, 모노도메인 배향막을 형성하기 위해 중합 가능 분자 구조를 갖는 막대형 액정 모노머를 기판 상에 코팅한다. 이후, 유동성을 제거하기 위해 공중합 공정 등이 모노도메인 배향막에 적용된다.
제 1 실시 형태의 위상차 보상기와 동일하게, 제 2 실시 형태의 위상차 보상기를 형성는 기판으로서, 일부 투명 무기 물질이 유리 기판과 동일하게 사용될 수 있다. 액정 프로젝터에 사용하는 바람직한 재료들은 높은 열 전도성을 갖는 사파이어 기판과 석영 기판이다. 이외에도, 제 1 위상차 보상층 및 제 2 위상차 보상층을 개별 투명 기판 상에 각각 형성하는 것이 가능하다. 그리고, 광학 시스템에 있는 렌즈들, 프리즘들, 몇 가지 종류의 필터들, 및 액정 소자의 기판들이 위상차 보상층들을 위한 투명 기판들로서 사용될 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명은 편광 광을 이용하는 디바이스들, 특히 액정과 관련된 디바이스들에 바람직하게 적용될 수 있다.

Claims (21)

  1. TN 액정 셀과 조합하여 사용되며,
    상기 TN 액정 셀 내의 액정층을 통과하는 광의 위상차의 각도 의존성을 보상하기 위한 위상차 보상기로서,
    상기 위상차는 상기 액정층의 복굴절에 의해 발생되고,
    상기 위상차 보상기는,
    상기 액정층의 수직 배향의 액정 분자들에 의해 발생된 위상차를 보상하는, 각각 무기 물질로 형성된 구조성 복굴절체 (form birefringence body) 인 다층 막들을 포함하는 제 1 위상차 보상층; 및
    상기 액정층의 하이브리드 배향의 액정 분자들에 의해 발생된 위상차를 보상하는, 각각 무기 물질로 형성된 구조성 복굴절체인 다층 막들을 포함하는 제 2 위상차 보상층을 포함하는, 위상차 보상기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 위상차 보상층과 제 2 위상차 보상층 중 하나 이상은 각각 진공 증착 방법에 의해 형성된 다층 막들을 포함하는, 위상차 보상기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 위상차 보상층은 증착 표면을 향하는 증착 방향의 방위각과 극각 중 하나 이상이 상이한 복수 종류의 적층된 경사 증착막들을 포함하는, 위상차 보상기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 위상차 보상층은 3 이상의 적층된 경사 증착막들을 포함하는, 위상차 보상기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 위상차 보상층은 복수의 적층된 경사 증착막들을 포함하고,
    경사 증착막들 각각의 증착 방향의 방위각이 상기 TN 액정 셀의 배향막에 의해 주어진 상기 액정 분자들의 방위각과 상이하도록 결정될 때, 각각의 광학축 벡터는 상기 방위각, 극각, 및 경사 증착막 각각의 리타데이션으로부터 결정되고, 상기 광학축 벡터들의 합성 벡터 (A) 는 증착 표면 상에 직교하여 투영되고, X 및 Y 좌표값 (Ax, Ay) 은 다음 식들,
    -200nm ≤ Ax ≤ 200nm, 및
    -500nm ≤ Ay ≤ 0nm
    을 만족하는, 위상차 보상기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 위상차 보상층의 리타데이션 (d△n) 과, 상기 TN 액정 셀의 상기 액정층의 상기 복굴절과 두께 (d) 의 프로덕트 (d△n)LC 사이의 관계는,
    Figure 112007043242646-PCT00008
    인, 위상차 보상기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 위상차 보상층은 상이한 굴절률을 갖는 2 종류의 증착막들로 구성되고, 상기 2 종류의 증착막은 교대로 적층되며, 상기 증착 막들 각각의 광학 두께는 기준 파장의 1/100 내지 1/5 인, 위상차 보상기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상차 보상기의 광입사면측 및/또는 광출사면측에서 제공되는 반사 방지층을 더 포함하는, 위상차 보상기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 위상차 보상기 및 TN 액정 셀을 포함하는 액정 디스플레이로서,
    상기 위상차 보상기는 상기 TN 액정 셀의 광입사면측 및/또는 광출사면측에 위치되는, 액정 디프플레이.
  10. TN 액정 셀, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 위상차 보상기, 및 상기 TN 액정 셀에 의해 변조된 광을 투영하는 투영 렌즈를 포함하는 액정 프로젝터로서,
    상기 위상차 보상기는 상기 TN 액정 셀의 광입사면측 및/또는 광출사면측에 위치되는, 액정 프로젝터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    3 개의 성분 컬러 광들 각각의 이미지를 각각 디스플레이하는 3개의 상기 TN 액정 셀들; 및
    상기 각각의 TN 액정 셀과 각각 대응하는 3 개의 상기 위상차 보상기들을 포함하고,
    상기 3 개의 위상차 보상기들은 상기 성분 컬러 광 각각의 기준 파장에 따라 서로 상이한 리타데이션을 각각 갖는 2 종류 이상의 상기 위상차 보상기를 포함하는, 액정 프로젝터.
  12. 크로스 니콜 구성의 한 쌍의 편광 소자들 사이에 사용된 위상차 보상기로서,
    상기 한 쌍의 편광 소자들에 수직한 광학축에 수직한 투명 기판;
    상기 투명 기판에 의해 지지되고, 광학축이 상기 투명 기판에 수직한 제 1 위상차 보상층; 및
    상기 투명 기판의 법선에 대해 경사진 광학축을 각각 갖는 3 개 이상 적층된 막들을 포함하는 제 2 위상차 보상층을 포함하고,
    상기 투명 기판 상에 직교하여 투영된 2 개의 상기 적층막들의 상기 광학축들의 방향은 서로 약 180°떨어지는, 위상차 보상기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 위상차 보상층 및 상기 제 2 위상차 보상층은 무기 물질로 형성되는, 위상차 보상기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 위상차 보상층의 상기 적층막들은 경사 증착막들인, 위상차 보상기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 위상차 보상층은 상이한 굴절률을 갖는 두 종류의 증착막들로 구성되고, 상기 두 종류의 증착막은 교대로 적층되며, 상기 증착막들 각각의 광학 두께는 기준 파장의 1/100 내지 1/5 인, 위상차 보상기.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 투명 기판 상에 직교하여 투영된, 상기 제 2 위상차 보상층의 상기 적층막 중 하나의 광학축의 방향은 상기 위상차 보상기의 광입사 측의 상기 편광 소자의 투과축의 방향과 동일한, 위상차 보상기.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 위상차 보상기의 광입사면측 및/또는 광출사면측에 제공된 반사 방지층을 더 포함하는, 위상차 보상기.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 기재된 위상차 보상기와, 상기 위상차 보상기의 광출사면측에 배치된 액정 셀을 포함하는, 광 변조 시스템.
  19. 투과형 액정 셀과, 제 16 항 또는 제 17 항에 기재된 위상차 보상기를 포함하는 액정 디플레이로서,
    상기 투과형 액정 셀은 상기 위상차 보상기의 광출사면측에 위치되는, 액정 디스플레이.
  20. 투과형 액정 셀, 제 16 항 또는 제 17 항에 기재된 위상차 보상기, 및 상기 액정 셀에 의해 변조된 광을 투영하는 투영 렌즈를 포함하는 액정 프로젝터로서,
    상기 액정 셀은 상기 위상차 보상기의 광출사면측에 위치되는, 액정 프로젝터.
  21. 반사형 액정 셀, 제 16 항 또는 제 17 항에 기재된 위상차 보상기, 및 상기 액정 셀에 의해 변조된 광을 투영하는 오프 액시스 형 투영 렌즈를 포함하는 액정 프로젝터로서,
    상기 액정 셀은 상기 위상차 보상기의 광출사면측에 위치되는, 액정 프로젝터.
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