KR20180053989A - 백 라이트 유닛 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20180053989A
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Abstract

개시된 발명의 일 측면은 콜레스테릭 액정과 편광부를 이용하여 매트릭스 형태의 로컬 디밍(local dimming)을 구현할 수 있는 백 라이트 유닛 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다. 개시된 실시예에 따른 디스플레이 장치는 백 라이트 유닛; 상기 백 라이트 유닛으로부터 방출된 광을 투과 또는 차단하여 영상을 생성하는 영상 형성 유닛;을 포함하고, 상기 백 라이트 유닛은, 도광판; 상기 도광판의 전면에 마련되고 상기 도광판에서 방출된 광을 투과시키거나 원편광시키는 콜레스테릭 액정층; 및 상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되어 상기 투과된 광을 전방으로 투과시키고, 상기 원편광된 광을 차단하는 편광부;를 포함한다.

Description

백 라이트 유닛 및 이를 포함하는 디스플레이 장치{BACK LIGHT UNIT AND DISPLAY APPARATUS COMPRISING THE SAME}
개시된 발명은 디스플레이 장치에 관한 것이다.
디스플레이 장치는, 획득 또는 저장된 전기적 정보를 시각적 정보로 변환하여 사용자에게 표시하는 출력 장치의 일종으로, 가정이나 사업장 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
디스플레이 장치로는, 개인용 컴퓨터 또는 서버용 컴퓨터 등에 연결된 모니터 장치나, 휴대용 컴퓨터 장치나, 내비게이션 단말 장치나, 일반 텔레비전 장치나, 인터넷 프로토콜 텔레비전(IPTV, Internet Protocol television) 장치나, 스마트 폰, 태블릿 피씨, 개인용 디지털 보조 장치(PDA, Personal Digital Assistant), 또는 셀룰러 폰 등의 휴대용 단말 장치나, 산업 현장에서 광고나 영화 같은 화상을 재생하기 위해 이용되는 각종 디스플레이 장치나, 또는 이외 다양한 종류의 오디오/비디오 시스템 등이 있다.
디스플레이 장치는, 다양한 종류의 디스플레이 수단을 이용하여 정지화상 또는 동화상을 사용자에게 표시할 수 있다. 이와 같은 디스플레이 수단으로는 음극 선관, 발광 다이오드(Light Emitting Diode), 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode), 능동형 유기 발광 다이오드(Active-Matrix Organic Light Emitting Diode), 액정 또는 전자 종이 등이 이용될 수 있다.
개시된 발명의 일 측면은 콜레스테릭 액정과 편광부를 이용하여 매트릭스 형태의 로컬 디밍(local dimming)을 구현할 수 있는 백 라이트 유닛 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
개시된 실시예에 따른 디스플레이 장치는 백 라이트 유닛; 상기 백 라이트 유닛으로부터 방출된 광을 투과 또는 차단하여 영상을 생성하는 영상 형성 유닛;을 포함하고, 상기 백 라이트 유닛은, 도광판; 상기 도광판의 전면에 마련되고 상기 도광판에서 방출된 광을 투과시키거나 원편광시키는 콜레스테릭 액정층; 및 상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되어 상기 투과된 광을 전방으로 투과시키고, 상기 원편광된 광을 차단하는 편광부;를 포함한다.
또한, 상기 편광부는, 상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되어 상기 원편광된 광을 선편광시키고, 상기 콜레스테릭 액정층을 투과한 광을 전방으로 투과시키는 파장판; 및 상기 파장판의 전면에 마련되고, 상기 선편광된 광을 차단하고 상기 파장판을 투과한 광을 선편광시키는 편광 필름;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 편광 필름은 입사된 광을 상기 파장판에 의해 선편광된 광의 편광 축과 다른 편광 축 방향으로 편광시킬 수 있다.
또한, 기 파장판은 사분 파장판(Quarter Wave Plate)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 백 라이트 유닛은, 콜레스테릭 액정층의 적어도 일부 콜레스테릭 액정이 플래이너(planar)상태가 되도록 상기 일부 콜레스테릭 액정에 전압을 인가하지 않고, 다른 콜레스테릭 액정이 호메오트로픽 또는 포컬 코닉 상태가 되도록 상기 다른 콜레스테릭 액정에 전압을 인가할 수 있다.
또한, 상기 콜레스테릭 액정층은, 콜레스테릭 액정; 상기 콜레스테릭 액정의 전면에 마련되는 전면 전극; 및 상기 콜레스테릭 액정의 후면에 마련되고, 상기 전면 전극과 직교하는 방향으로 배열되는 후면 전극;을 포함하는 디스플레이 장치.
또한, 상기 백 라이트 유닛은, 상기 도광판의 측면에 마련되어 상기 도광판으로 광을 입사시키는 광원;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 백 라이트 유닛은, 상기 편광부의 전면에 마련되는 양자점 시트;를 포함할 수 있다.
또한, 개시된 실시예에 따른 백 라이트 유닛은 도광판; 상기 도광판의 측면에 마련되어 상기 도광판으로 광을 입사시키는 광원; 상기 도광판의 전면에 마련되고 상기 도광판에서 방출된 광을 투과시키거나 원편광시키는 콜레스테릭 액정층; 및 상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되어 상기 투과된 광을 전방으로 방출시키고 원편광된 광을 차단하는 편광부;를 포함한다.
또한, 상기 편광부는, 상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되어 상기 원편광된 광을 선편광시키고, 상기 콜레스테릭 액정층을 투과한 광을 전방으로 투과시키는 파장판; 및 상기 파장판의 전면에 마련되고, 상기 선편광된 광을 차단하고 상기 파장판을 투과한 광을 선편광시키는 편광 필름;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 편광 필름은 입사된 광을 상기 파장판에 의해 선편광된 광의 편광 축과 다른 편광 축 방향으로 편광시킬 수 있다.
또한, 상기 파장판은 사분 파장판(Quarter Wave Plate)을 포함할 수 있다.
또한, 콜레스테릭 액정층은, 적어도 일부 콜레스테릭 액정이 플레이너(planar)상태가 되도록 상기 일부 콜레스테릭 액정에 전압을 인가하지 않고, 다른 콜레스테릭 액정이 호메오트로픽 또는 포컬 코닉 상태가 되도록 상기 다른 콜레스테릭 액정에 전압을 인가할 수 있다.
또한, 상기 콜레스테릭 액정층은, 콜레스테릭 액정; 상기 콜레스테릭 액정의 전면에 마련되는 전면 전극; 및 상기 콜레스테릭 액정의 후면에 마련되고, 상기 전면 전극과 직교하는 방향으로 배열되는 후면 전극;을 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 디스플레이 장치는 백 라이트 유닛; 상기 백 라이트 유닛으로부터 방출된 광을 투과 또는 차단하여 영상을 생성하는 영상 형성 유닛;을 포함하고, 상기 백 라이트 유닛은, 도광판; 상기 도광판의 전면에 마련되고 상기 도광판에서 방출된 광을 투과시키거나 원편광시키는 콜레스테릭 액정층; 상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되고, 상기 원편광된 광을 선편광시키고, 상기 콜레스테릭 액정층을 투과한 광을 전방으로 투과시키는 파장판; 및 상기 파장판의 전면에 마련되고, 상기 선편광된 광을 차단하고 상기 파장판을 투과한 광을 선편광시키는 편광 필름;을 포함한다.
또한, 상기 편광 필름은 입사된 광을 상기 파장판에 의해 선편광된 광의 편광 축과 다른 편광 축 방향으로 편광시킬 수 있다.
또한, 상기 파장판은 사분 파장판(Quarter Wave Plate)을 포함할 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 따르면, 엣지형 백 라이트 유닛을 포함하는 디스플레이 장치에서도 매트릭스 형 로컬 디밍을 구현할 수 있다.
또한, 명암비가 개선되어 화질이 향상될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 외관을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치를 분해 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 측단면을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 영상 형성 유닛에 포함된 하나의 화소의 측-단면을 도시한다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛을 분해 도시한다.
도 7은 콜레스테릭 액정의 구조를 도시한다.
도 8 내지 도 10은 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛의 콜레스테릭 액정층의 각각 다른 상태를 나타내는 측단면을 도시한다.
도 11은 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛에서 광이 방출되지 않는 경우를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛의 도광판에서 방출된 광을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛의 편광부에 입사된 광이 차단되는 경우를 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛에서 광이 방출되는 경우를 도시한다.
도 15는 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛의 편광부를 투과한 광을 도시한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다.
예를 들어, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 표현하고자 하는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합의 추가적인 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는다.
또한, "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위하여 사용되며, 상기 하나의 구성요소들을 한정하지 않는다.
또한, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 용어들은 FPGA (field-programmable gate array)/ ASIC (application specific integrated circuit) 등 적어도 하나의 하드웨어, 메모리에 저장된 적어도 하나의 소프트웨어 또는 프로세서에 의하여 처리되는 적어도 하나의 프로세스를 의미할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 개시된 발명의 일 실시예가 상세하게 설명된다. 첨부된 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 이용되는 용어를 간단히 정의하면, 백색 광은 적색 광, 녹색 광 및 청색 광이 혼합되거나 청색광과 황색 광이 혼합된 광을 나타낸다. 또한, 자연광은 가시광선 영역에 해당하는 모든 파장의 광이 혼합된 광을 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 외관을 도시한다.
디스플레이 장치(100)는 외부로부터 수신되는 영상 신호를 처리하고, 처리된 영상을 시각적으로 표시할 수 있는 장치이다. 이하에서는 디스플레이 장치(100)가 텔레비전(Television, TV)인 경우를 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 디스플레이 장치(100)는 모니터(Monitor), 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 통신장치 등 다양한 형태로 구현할 수 있으며, 디스플레이 장치(100)는 영상을 시각적으로 표시하는 장치라면 그 형태가 한정되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이 디스플레이 장치(100)는 본체(101), 영상을 표시하는 스크린(102), 본체(101)의 하부에 마련되어 본체(103)를 지지하는 지지대(103)를 포함할 수 있다.
본체(101)는 디스플레이 장치(100)의 외형을 형성하며, 그 내부에는 디스플레이 장치(100)가 영상을 표시하거나 각종 기능을 수행하기 위한 부품을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 본체(101)는 평평한 판 형상이나, 본체(101)의 형상이 도 1에 도시된 바에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본체(101)는 좌우 양단이 전방으로 돌출되고 중심부가 오목하도록 휘어진 형상일 수 있다.
스크린(102)은 본체(101)의 전면에 형성되며, 시각 정보인 영상을 표시할 수 있다. 예를 들어, 스크린(102)은 정지 영상 또는 동영상을 표시할 수 있으며, 2차원 평면 영상 또는 사용자의 양안의 시차를 이용한 3차원 입체 영상을 표시할 수 있다.
또한, 스크린(102)에는 복수의 화소(P)가 형성되며, 스크린(102)에 표시되는 영상은 복수의 화소(P)가 방출하는 광의 조합에 의하여 형성될 수 있다. 모자이크(mosaic)와 같이, 복수의 화소(P)가 방출하는 광이 조합됨으로써 스크린(102) 상에 하나의 정지 영상이 형성될 수 있다.
복수의 화소(P) 각각은 다양한 밝기 및 색상의 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 복수의 화소(P)는 다양한 색상의 영상을 형성하기 위하여 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)을 포함할 수 있다. 이때, 적색 화소(R)은 다양한 밝기의 적색 광을 방출할 수 있으며, 녹색 화소(G)은 다양한 밝기의 녹색 광을 방출할 수 있고, 청색 화소(B)은 다양한 밝기의 청색 광을 방출할 수 있다. 적색 광은 대략 620nm(nano-meter, 10억분의 1미터) 내지 750nm 범위의 파장을 갖는 광을 나타내고, 녹색 광은 대략 495nm 내지 570nm 범위의 파장을 갖는 광을 나타내며, 청색 광은 대략 450nm 내지 495nm 범위의 파장을 갖는 광을 나타낸다.
적색 화소(R)의 적색 광, 녹색 화소(G)의 녹색 광 및 청색 화소(B)의 청색 광의 조합에 의하여, 화소(P) 각각은 다양한 밝기 및 색상의 광을 생성할 수 있다.
지지대(103)는 본체(101)의 하부에 설치되어, 본체(101)가 바닥 면에서 안정적으로 자세를 유지할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 선택적으로, 지지대(103)는 본체(101)의 후면에 설치되어, 본체(101)가 벽면에 고정되도록 할 수 있다.
도 1에 도시된 지지대(103)는 본체(101)의 하부로부터 전방으로 돌출된 바(bar)의 형상이나, 지지대(103)의 형상의 도 1에 도시된 바에 의하여 한정되는 것은 아니며 지지대(103)는 본체(101)를 안정적으로 지지할 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치를 분해 도시한다. 도 3은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 측단면을 도시하고, 도 4는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 영상 형성 유닛에 포함된 하나의 화소의 측-단면을 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본체(101)는 그 내부에 스크린(102)에 영상을 생성하기 위한 각종 구성 부품들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본체(101)는 그 내부에 면광(面光)을 방출하는 백 라이트 유닛(50), 백 라이트 유닛(50)으로부터 방출된 광을 투과 또는 차단함으로써 영상을 생성하는 영상 형성 유닛(20)을 포함할 수 있다.
또한, 본체(101)는 영상 형성 유닛(20)과 백 라이트 유닛(50)을 고정하기 위하여 전방 샤시(11), 후방 샤시(13) 및 몰드 프레임(15)을 포함할 수 있다.
전방 샤시(11)는 전면에 개구가 형성된 판의 형상을 가질 수 있다. 사용자는 영상 형성 유닛(20)에서 생성된 영상을 전방 샤시(11)의 전면의 개구를 통하여 볼 수 있다.
후방 샤시(13)는 전면이 개방된 박스 형상이며, 디스플레이 장치(100)를 구성하는 영상 형성 유닛(20)과 백 라이트 유닛(50)을 수용한다. 후방 샤시(13)는 디스플레이 장치(100)에 포함된 각종 구성 부품이 외부로 노출되지 않도록 하고, 디스플레이 장치(100)에 포함된 각종 구성 부품을 외부 충격으로부터 보호한다.몰드 프레임(15)은 전방 샤시(11)와 후방 샤시(13) 사이에 마련될 수 있다. 특히, 몰드 프레임(15)은 영상 형성 유닛(20)과 백 라이트 유닛(50) 사이에 마련되어 영상 형성 유닛(20)과 백 라이트 유닛(50)을 각각 고정할 수 있다.
백 라이트 유닛(50)은 단색광 또는 백색광을 방출하는 점 광원을 포함할 수 있으며, 점 광원으로부터 방출되는 광을 균일한 면광으로 변환하기 위하여 광을 굴절, 반사 및 산란시킬 수 있다. 이처럼, 광을 굴절, 반사 및 산란시킴으로써, 백 라이트 유닛(50)은 전방을 향하여 균일한 면광을 방출할 수 있다.
백 라이트 유닛(50)의 구성 및 동작에 대해서는 아래에서 자세하게 설명하기로 한다.
영상 형성 유닛(20)은 백 라이트 유닛(50)의 전방에 마련되며, 영상을 형성하기 위하여 을 백 라이트 유닛(50)으로부터 방출되는 광을 차단 또는 투과시킨다.
영상 형성 유닛(20)의 전면은 앞서 설명한 디스플레이 장치(100)의 스크린(102)을 형성하며, 복수의 화소(P)로 구성된다.
영상 형성 유닛(20)에 포함된 복수의 화소(P)는 각각 독립적으로 백 라이트 유닛(50)의 광을 차단하거나 투과시킬 수 있다. 복수의 화소(P)에 의하여 투과된 광이 디스플레이 장치(100)가 표시하는 영상을 형성한다.
이러한, 영상 형성 유닛(20)은 전기장에 따라 광학적 성질이 변하는 액정 패널을 이용할 수 있다.
이하에서는 영상 형성 유닛(20)의 일 예로 액정 패널에 대하여 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 영상 형성 유닛에 포함된 하나의 화소의 측-단면을 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이 영상 형성 유닛(20)은 제1 편광 필름(111), 제1 투명 기판(112), 박막 트랜지스터(113), 화소 전극(114), 액정층(115), 공통 전극(116), 컬러 필터(117), 제2 투명 기판(118), 제2 편광 필름(119)를 포함할 수 있다. 개시된 실시예에 따른 액정 패널은 제1 투명 기판(112), 박막 트랜지스터(113), 화소 전극(114), 액정층(115), 공통 전극(116), 컬러 필터(117), 제2 투명 기판(118)을 포함하는 것으로 정의할 수 있다.
제1 투명 기판(112) 및 제2 투명 기판(118)은 영상 형성 유닛(20)의 외관을 형성하며, 제1 투명 기판(112) 및 제2 투명 기판(118) 사이에 마련되는 액정층(114) 및 컬러 필터(117)를 보호할 수 있다. 이러한, 제1 및 제2 투명 기판(112, 118)은 강화 유리 또는 투명 수지로 구성될 수 있다.
제1 및 제2 투명 기판(112, 118)의 외측에는 제1 편광 필름(111) 및 제2 편광 필름(119)이 마련된다.
광은 진행 방향과 직교하는 방향으로 진동하는 전기장과 자기장의 쌍으로 이루어진다. 또한, 전기장과 자기장의 진동 방향은 광의 진행 방향과 직교하는 모든 방향으로 진동할 수 있다. 이때, 전기장 또는 자기장이 특정한 방향으로만 진동하는 현상을 편광이라 하며, 미리 정해진 방향으로 진동하는 전기장 또는 자기장을 포함하는 광을 투과시키고 미리 정해진 방향 이외의 방향으로 진동하는 전기장과 자기장을 포함하는 광을 차단하는 필름을 편광 필름이라 한다. 다시 말해, 편광 필름은 미리 정해진 방향으로 진동하는 광은 투과시키고, 다른 방향으로 진동하는 광은 차단할 수 있다.
제1 편광 필름(111)는 제1 방향으로 진동하는 전기장 및 자기장을 갖는 광을 투과시키고, 다른 광을 차단한다. 또한, 제2 편광 필름(119)는 제2 방향으로 진동하는 전기장 및 자기장을 갖는 광을 투과시키고, 다른 광을 차단한다. 이때, 제1 방향과 제2 방향은 서로 직교한다. 다시 말해, 제1 편광 필름(111)이 투과시키는 광의 편광 방향과 제2 편광 필름(119)이 투과시키는 광의 진동 방향은 서로 직교한다. 그 결과, 일반적으로 광은 제1 편광 필름(111)와 제2 편광 필름(119)를 동시에 투과할 수 없다.
제2 투명 기판(118)의 내측에는 컬러 필터(117)가 마련될 수 있다.
컬러 필터(117)는 적색 광을 투과시키는 적색 필터(117r), 녹색 광을 투과시키는 녹색 필터(117g), 청색 광을 투과시키는 청색 필터(117b)를 포함할 수 있으며, 적색 필터(117r), 녹색 필터(117g) 및 청색 필터(117b)는 서로 나란하게 배치될 수 있다. 그리고, 컬러 필터(117)는 적색 필터(117r), 녹색 필터(117g) 및 청색 필터(117b) 간의 색 간섭을 방지하고 상기 적색 필터(117r), 녹색 필터(117g) 및 청색 필터(117b) 부분을 제외한 다른 부분으로는 백 라이트 유닛의 광이 새어 나가지 않도록 광을 차단하는 블랙 매트릭스(Black matrix)를 포함한다. 블랙 매트릭스(120)는 적색 필터(117r), 녹색 필터(117g) 및 청색 필터(117b) 사이에 마련된다.
컬러 필터(117)가 형성된 영역은 앞서 설명한 화소(P)에 대응된다. 또한, 적색 필터(117r)가 형성된 영역은 적색 화소(R)에 대응되고, 녹색 필터(117g)가 형성된 영역은 녹색 화소(G)에 대응되고, 청색 필터(117b)가 형성된 영역은 청색 화소(B)에 대응된다. 다시 말해, 적색 필터(117r), 녹색 필터(117g) 및 청색 필터(117b)에 의하여 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)가 형성되고, 적색 필터(117r), 녹색 필터(117g) 및 청색 필터(117b)의 조합에 의하여, 화소(P)가 형성된다.
제1 투명 기판(112)의 내측에는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT) (113)가 형성된다.
구체적으로, 박막 트랜지스터(113)는 적색 필터(117r), 녹색 필터(117g) 및 청색 필터(117b)의 사이에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 다시 말해, 박막 트랜지스터(113)는 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B) 사이에 위치할 수 있다.
박막 트랜지스터(113)는 아래에서 설명할 화소 전극(114)에 흐르는 전류를 통과시키거나 차단할 수 있다. 구체적으로, 박막 트랜지스터(113)의 턴온(폐쇄) 또는 턴오프(개방)에 따라, 화소 전극(114)과 공통 전극(116) 사이에 전기장이 형성되거나 제거될 수 있다. 이러한, 박막 트랜지스터는 폴리 실리콘(Poly-Slicon)으로 구성될 수 있으며, 리소그래피(lithography), 증착(deposition), 이온 주입(ion implantation) 공정 등 반도체 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
제1 투명 기판(112)의 박막 트랜지스터(113)의 내측에는 화소 전극(114)이 형성되고, 제2 투명 기판(118)의 컬러 필터(117)의 내측에는 공통 전극(116)이 형성될 수 있다.
화소 전극(114)과 공통 전극(116)은 전기가 도통되는 금속 재질로 구성되며, 아래에서 설명할 액정층(115)을 구성하는 액정 분자(115a)의 배치를 변화시키기 위한 전기장을 생성할 수 있다.
이때, 화소 전극(114)는 적색 필터(117r), 녹색 필터(117g) 및 청색 필터(117b)에 대응하는 영역에 형성되고, 공통 전극(116)은 패널 전체에 형성될 수 있다. 그 결과, 아래에서 설명한 액정 층(115) 중에 적색 필터(117r), 녹색 필터(117g) 및 청색 필터(117b)에 대응하는 영역에 선택적으로 전기장이 형성될 수 있다.
또한, 화소 전극(114)과 공통 전극(116)은 투명한 재질로 구성되며, 외부로부터 입사되는 광을 투과시킬 수 있다. 이러한, 화소 전극(114)과 공통 전극(116)은 인듐산화주석(Indium Tin Oxide: ITO), 인듐산화아연(Indium Zinc Oxide: IZO), 은나노와이어(Ag nano wire), 탄소나노튜브(carbon nano tube: CNT), 그래핀(graphene) 또는 PEDOT(3,4-ethylenedioxythiophene) 등으로 구성될 수도 있다.
화소 전극(114)과 공통 전극(116) 사이에는 액정 층(115)이 형성되며, 액정 층(115)은 액정 분자(115a)를 포함한다.
액정이란 고체(결정)과 액체의 중간 상태를 의미한다. 일반적인 물질은 고체 상태의 물질에 열을 가하면, 용융 온도에서 고체 상태에서 투명한 액체 상태로 변화한다. 이에 비하여, 고체 상태의 액정 물질에 열을 가하면, 액정 물질은 용융 온도에서 불투명하고 혼탁한 액체로 변화한 이후 투명한 액체 상태로 변화한다. 액정이란 명칭은 고체상과 액체상의 중간상태인 액정 상태를 나타내거나 이러한 액정 상태를 갖는 물질 그 자체를 나타내기도 한다.
이와 같은 액정 물질의 대부분은 유기화합물이며 분자형상은 가늘고 긴 막대 모양을 하고 있으며, 분자의 배열이 어떤 방향으로는 불규칙한 상태와 같지만, 다른 방향에서는 규칙적인 결정의 형태를 가질 수 있다. 그 결과, 액정은 액체의 유동성과 결정(고체)의 광학적 이방성을 모두 갖는다.
또한, 액정은 전기장의 변화에 따라 광학적 성질을 나타내기도 한다. 예를 들어, 액정은 전기장의 변화에 따라 액정을 구성하는 분자 배열의 방향이 변화할 수 있다. 액정 층(115)에 전기장이 생성되면 액정 층(115)의 액정 분자(115a)는 전기장의 방향에 따라 배치되고, 액정 층(115)에 전기장이 생성되지 않으면 액정 분자(115a)는 불규칙하게 배치되거나 배향막(미도시)을 따라 배치될 수 있다.
그 결과, 액정 층(115)의 전기장의 존부에 따라 영상 형성 유닛(20)의 광학적 성질이 달라질 수 있다.
예를 들어, 액정 층(115)에 전기장이 형성되지 않으면 액정 층(115)의 액정 분자(115a)의 배치로 인하여 제1 편광 필름(111)에 의하여 편광된 광이 제2 평광 필름(119)를 통과할 수 있다. 다시 말해, 액정 층(115)에 전기장이 형성되지 않은 화소(P)에서 광이 영상 형성 유닛(20)을 투과할 수 있다.
반면, 액정 층(115)에 전기장이 형성되면 액정 층(115)의 액정 분자(115a)의 배치로 인하여 제1 편광 필름(111)에 의하여 편광된 광이 제2 편광 필름(119)를 통과하지 못한다. 다시 말해, 액정 층(115)에 전기장이 형성된 화소(P)에서 광이 영상 형성 유닛(20)에 의하여 차단된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 영상 형성 유닛(20)은 화소(P)(더욱 상세하게는 화소에 포함된 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소) 별로 독립적으로 광 투과성을 제어할 수 있다. 그 결과, 복수의 화소(P)에 의한 광이 조합되어, 디스플레이 장치(100)의 스크린(102)에 영상이 표시될 수 있다.
이하에서는 백 라이트 유닛(50)에 대하여 설명한다.
백 라이트 유닛(50)은 광원의 위치에 따라 직하형 백 라이트 유닛(direct-tyep back light unit)과 엣지형 백 라이트 유닛(edge-type back light unit)으로 구분될 수 있다. 이하 엣지형 백 라이트 유닛을 일 예로 들어 설명한다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛을 분해 도시한다.
도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 엣지형 백 라이트 유닛(50)은 광을 생성하는 발광 모듈(51), 광을 분산시키는 도광판(waveguide plate) (53), 광을 반사시키는 반사 시트(55), 도광판(53)으로부터 출력되는 광을 차단 또는 투과시키는 광 조절부(58), 광 조절부(58)로부터 광을 입력받아 백색광을 출력하는 양자점 시트(Quantum Dot Sheet) (57) 및 광 휘도를 향상시키는 광학 시트(40)를 포함한다.
발광 모듈(51)은 광을 방출하는 복수의 광원(51a), 복수의 광원(51a)을 지지/고정하는 지지체(51b)를 포함할 수 있다.
복수의 광원(51a)은 도 5에 도시된 바와 같이 백 라이트 유닛(50)의 측면에 균일하게 배치될 수 있으며, 백 라이트 유닛(50)의 중심부를 향하여 광을 방출할 수 있다.
복수의 광원(51a)이 방출한 광이 가능한 한 균일한 휘도를 갖도록 복수의 광원(51a)은 등간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 광원(51a)은 백 라이트 유닛(50)의 좌우 측면에 각각 등간격으로 배치될 수 있다. 다만, 광원(51a)의 배치는 도 5에 도시된 바에 한정되는 것은 아니며, 백 라이트 유닛(50)의 좌우 측면 중 어느 하나의 측면에만 배치될 수도 있다.
광원(51a)은 전력이 공급되면 단색광(특정한 파장의 광, 예를 들어 청색 광) 또는 백색광(다양한 파장의 광이 혼합된 광)을 다양한 방향으로 방출할 수 있는 소자를 채용할 수 있다. 개시된 실시예에 따른 백 라이트 유닛(50)은 양자점 시트(57)를 포함하므로, 광원(51a)으로 단색광, 특히 파장이 짧은 청색광을 출력하는 광원이 이용될 수 있다. 이하에서는 광원(51)이 청색광을 출력하는 것으로 가정한다.
광원(51a)은 발열량이 적은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED) 또는 냉-음극관(Cold Cathode Fluorescence Lamp, CCFL) 등을 채용할 수 있다. 예를 들어, 광원(51a)은 고 에너지 광인 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 청색 발광 다이오드는 갈륨-질소 화합물(GaN)에 인듐(In)을 첨가한 인듐-갈륨-질소 화합물(InGaN)로 제조될 수 있다.
지지체(51b)는 광원(51a)의 위치가 변경되지 않도록 복수의 광원(51a)을 고정할 수 있다. 또한, 지지체(51b)는 광원(51a)이 광을 방출하기 위한 전력을 각각의 광원(51a)에 공급할 수 있다.
지지체(51b)는 광원(51a)과 함께 백 라이트 유닛(50)의 측면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 지지체(51b)는 백 라이트 유닛(50)의 좌우 측면에 배치될 수 있다. 그러나, 지지체(51b)의 배치는 도 4에 도시된 바에 한정되는 것은 아니며, 백 라이트 유닛(50)의 좌우 측면 중 어느 하나의 측면에만 배치될 수도 있다. 이러한, 지지체(51b)는 복수의 광원(51a)을 고정하고, 광원(51a)에 전력을 공급하기 위한 전도성 전력 공급 라인이 형성된 합성 수지로 구성되거나, 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB)로 구성될 수 있다.
도광판(53)은 측면의 발광 모듈(51)으로부터 입사되는 광의 진행 방향을 변경하여 전방을 향하여 방출한다. 또한, 도광판(53)는 측면의 발광 모듈(51)으로부터 입사되는 광을 도광판(53)의 전면(53a)에 분산시켜 방출한다.
도광판(53)은 광의 진행 방향을 변경하기 위하여 도광판(53)의 전면(53a)에는 복수의 볼록한 줄무늬가 형성될 수 있으며, 도광판(53)의 후면(53b)에는 복수의 도트(dot)가 형성될 수 있다. 또한, 도광판(53)의 전면(53a)을 향하여 균일한 광이 출사되도록 볼록한 줄무늬의 크기 및 간격이 조절될 수 있으며, 도트의 크기 및 간격이 조절될 수 있다. 또한, 도광판(53) 전면(53a)의 볼록한 줄무늬는 인쇄 기법을 통하여 양각으로 형성될 수 있으며, 도광판(53) 후면(53b)의 도트는 레이저를 이용하여 음각으로 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 발광 모듈(51)은 백 라이트 유닛(50)의 측면에 배치되므로, 발광 모듈(51)의 위치에 의하여 휘도의 불균일이 발생할 수 있다. 이에, 도광판(53)은 발광 모듈(51)의 위치로 인한 휘도의 불균일을 제거하기 위하여 발광 모듈(51)으로부터 방출된 광을 도광판(53) 내에서 확산시킬 수 있다. 예를 들어, 광을 확산시키기 위하여 도광판(53)은 우유빛의 색상을 가질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 도광판(53) 내부로 입사된 광 가운데 일부(L1)는 도광판(53)의 후면(53b)에 형성된 도트에 의하여 산란되어 도광판(53)의 전면(53a)으로 출사될 수 있으며, 다른 일부(L2)는 도광판(53)의 후면(53b)에 마련된 반사 시트(55)에 의하여 도광판(53) 내부로 반사된다. 또한, 반사된 일부의 광(L2)은 도광판(53)의 중심부까지 이동할 수 있으며, 도광판(53)의 중심부에서 산란되어 도광판(53)의 전면(53a)으로 출사될 수 있다.
이러한 도광판(53)은 폴리 메틸 메타아크릴레이트(poly methyl methacrylate, PMMA) 또는 투명 폴리 카보네이트(polycarbonate, PC) 등을 채용할 수 있다.
반사 시트(55)는 도광판(53)의 후방에 마련되며, 도광판(53)의 후면(53b)을 통하여 방출되는 광을 도광판(53)를 향하여 반사시킬 수 있다.
이러한 반사 시트(55)는 모재(base materials)에 반사율이 높은 물질을 코팅하여 제조될 수 다. 예를 들어, 페트(polyethylene terephthalate, PET) 등의 모재 상에 고반사율을 갖는 폴리머(polymer)를 코팅함으로써 반사 시트(55)가 제조될 수 있다.
양자점 시트(57)은 광 조절부(58)의 전면으로부터 출사된 광을 백색광으로 변환한다. 양자점 시트(57)는 양자점을 포함하는 형광 부재(미도시)와, 양자점이 산소 또는 수분 등에 노출되는 것을 차단해주는 배리어 필름(미도시)을 포함할 수 있다. 배리어 필름은 형광 부재의 전후면에 마련될 수 있다.
양자점은 나노미터(nm, 1,000,000,000분의 1 미터) 크기의 작은 구 형태의 반도체 입자를 의미하며, 대략 2나노미터[nm] 내지 10[nm] 크기의 중심체와 황화아연(ZnS)으로 이루어진 껍질로 구성될 수 있다. 여기서, 양자점의 중심체로는 카드뮴 셀레나이트(CdSe), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 또는 황화카드뮴(CdS)를 이용할 수 있다.
양자점은 전압을 가하면 자체적으로 발광하거나, 광을 흡수하여 특정한 파장의 광을 방출한다. 양자점의 전자는 안정된 상태에서 낮은 에너지 준위(또는 대역)에 위치한다. 이때, 양자점이 외부로부터 광을 흡수하면 낮은 에너지 준위의 전자가 높은 에너지 준위(또는 대역)로 이동한다. 높은 에너지 준위에 위치하는 전자는 불안정한 상태이므로 전자는 높은 에너지 준위로부터 낮은 에너지 준위로 자연스럽게 이동한다. 이처럼, 높은 에너지 준위로부터 낮은 에너지 준위로 이동하는 중에 전자는 높은 에너지 준위와 낮은 에너지 준위의 에너지 차이만큼의 광을 방출한다. 이때, 방출되는 광의 파장은 높은 에너지 준위와 낮은 에너지 준위의 에너지 차이에 의하여 결정된다.
특히, 양자점은 크기가 작을수록 짧은 파장의 광을 방출하고, 크기가 클수록 긴 파장의 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 직경이 2나노 미터[nm]인 양자점은 청색의 광을 방출할 수 있고, 직경이 대략 10나노 미터[nm]인 양자점은 적색의 광을 방출할 수 있다.
또한, 다양한 크기의 양자점을 이용하면 양자점이 적색광으로부터 청색광에 이르기까지 다양한 파장의 광을 출력하도록 할 수 있다. 다시 말해, 다양한 크기의 양자점을 이용하면, 백색광이 생성될 수 있다.
양자점 시트(57)의 형광 부재는 앞서 설명한 양자점을 수지(resin)에 분산시킴으로써 제조될 수 있다. 레진은 고분자 아크릴레이트(acrylate) 레진 재질로 형성될 수 있다.
배리어 필름은, 페트(polyethylene terephthalate, PET)로 형성되고 외력으로부터 형광 부재를 보호하도록 마련된 투명필름과 투명필름에 코팅되어 수분과 산소가 형광 부재에 침투하는 것을 막아주는 배리어 층을 포함할 수 있다. 배리어 층 또한 산화규소(SiO 또는 SiO2)로 형성되어 투명하게 마련될 수 있다.
광학 시트(40)는 디스플레이 장치(100)의 시야각을 넓히고 디스플레이 장치(100)의 휘도를 증가시키기 위하여 광을 굴절 또는 산란시킨다. 광학 시트(40)는 다양한 시트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 시트(40)는 도 2에 도시된 것처럼, 확산 시트(41), 프리즘 시트(43), 보호 시트(45), 및 휘도 향상 필름(DBEFTM film, Dual Brightness Enhancement Film) (47)을 포함할 수 있다.
확산 시트(41)는 백 라이트 유닛(50)으로부터 출사된 광을 면을 따라 확산시켜 디스플레이 장치(100)의 화면 전체적으로 색상 및 밝기가 균일하게 보이도록 한다. 도광판(53)으로부터 출사되는 광은 도광판(53) 전면(53a)에 형성된 패턴을 거쳐 출사되므로 도광판(53)으로부터 출사되는 광에서 도광판(53) 전면(53a)에 형성된 패턴이 시인될 수 있다. 도광판(53)으로부터 출사되는 광에서 도광판(53) 전면(53a)에 형성된 패턴이 시인되는 것을 방지하기 위하여 확산 시트(41)는 도광판(53)으로부터 출사되는 광을 출사 방향과 수직한 방향으로 확산시킨다.
다시 말해, 확신 시트는 백 라이트 유닛(50)으로부터 출사된 광을 확산시켜 전체 면의 밝기를 균일하게 유지시킨다. 다른 실시예로, 확산시트 대신 확신시트처럼 광을 확산시키고 시야각을 넓혀주는 마이크로 렌즈시트(microlens sheet)가 이용될 수도 있다.
확산 시트(41)를 통과한 광은 확산 시트(41)의 면과 수직한 방향으로 확산됨으로써 휘도가 급격히 감소한다. 프리즘 시트(43)는 확산 시트(41)에 의하여 확산된 광을 굴절 또는 집광시킴으로써 휘도를 증가시킨다.
프리즘 시트(43)는 삼각 프리즘 형상의 프리즘 패턴을 포함하고, 이 프리즘 패턴은 복수 개가 인접 배열되어 복수 개의 띠 모양을 이룬다. 즉, 프리즘 패턴은 산과 골이 반복되는 패턴으로 열을 지어 영상 형성 유닛(20)을 향하여 돌출되어 형성된다.
보호 시트(45)는 백 라이트 유닛(50)에 포함된 각종 구성 부품을 외부의 충격이나 이물질의 유입으로부터 보호한다. 특히, 프리즘 시트(43)는 스크래치(scratch)가 발생하기 쉬운데, 보호 시트(45)는 프리즘 시트(43)의 스크래치를 방지할 수 있다.
휘도 향상 필름(47)은 편광 필름의 일종으로 반사형 편광 필름이라고도 한다. 이러한 휘도 향상 필름(47)은 백 라이트 유닛(50)으로부터 출사된 광 가운데 휘도 향상 필름(47)의 편광 방향과 평행한 방향의 편광을 투과시키고, 휘도 향상 필름(47)의 편광 방향과 다른 방향의 편광을 반사한다.
광은 진행 방향과 수직한 방향으로 진동하는 횡파(transverse wave)로 알려져 있다. 편광 필름은 다양한 방향으로 진동하는 광 가운데 특정한 방향으로 진동하는 광을 투과시키고, 다른 방향으로 진동하는 광은 흡수한다.
이에 비하여, 휘도 향상 필름(47)은 휘도 향상 필름(47)의 편광 방향과 다른 방향의 편광은 반사시킨다. 여기서, 반사된 광은 백 라이트 유닛(50) 내부에서 재활용되며, 광 재활용(light recycle)에 의하여 디스플레이 장치(100)의 휘도가 향상된다.
개시된 실시예에 따른 백 라이트 유닛(50)은 도광판(53)과 양자점 시트(57) 사이에 마련되어, 도광판(53)으로부터 출사된 광을 투과시키거나 차단하는 광 조절부(58)를 포함한다.
도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 광 조절부(58)는 도광판(53)의 전면에 마련되는 콜레스테릭 액정층(58a), 콜레스테릭 액정층(58a)의 전면에 마련되어 콜레스테릭 액정층(58a)을 투과한 광을 편광시켜 투과시키거나 차단하는 편광부를 포함한다. 편광부는 콜레스테릭 액정층(58a)의 전면에 마련되는 사분 파장판(QWP, Quarter Wave Plate)(58b), 사분 파장판(58b)의 전면에 마련되는 편광 필름(58c)을 포함한다.
콜레스테릭 액정층(58a)은 콜레스테릭 액정의 상태에 따라, 도광판(53)으로부터 출사된 광을 원편광시켜 전방으로 투과시키거나, 편광시키지 않고 그대로 전면으로 투과시킬 수 있다. 도 7 내지 도 10을 참조하여 콜레스테릭 액정층(58a)에 대해 구체적으로 설명한다. 도 7은 콜레스테릭 액정의 구조를 도시하고, 도 8 내지 도 10은 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛(50)의 콜레스테릭 액정층(58a)의 각각 다른 상태를 나타내는 측단면을 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 콜레스테릭 액정(232)의 구조는 일정한 간격으로 분자의 꼬임을 반복한다. 이때 반복되는 길이를 피치(pitch)라고 한다. 콜레스테릭 액정(232)은 나선의 꼬인 방향과 반복구조의 피치(pitch)에 따라 광을 선택적으로 반사하는 특성을 갖는다.
반사 파장 대역은 피치(p)에 의해 정해지는데, 반사가 최대가 되는 파장(λ)은 브래그(Bragg) 법칙에 따라 콜레스테릭 액정(132) 분자의 평균 굴절률이 n일 때, λ=nㅇp로 정해진다.
콜레스테릭 액정(232)이 나선(helical) 구조를 갖도록 하기 위해서는 카이랄 도펀트(chiral dopant)가 첨가될 수 있으며, 피치는 카이랄 도펀트의 함유량에 따라 조절될 수 있다. 카이랄 도펀트의 함유량이 많아질수록 피치가 감소하여 반사 파장 대역이 낮아진다. 따라서, 카이랄 특성을 인위적으로 조절하여 콜레스테릭 액정(232)에 입사되는 외부 광 중 가시광 영역의 특정 파장을 반사시킴으로써 컬러를 구현하거나, 입사광의 투과율을 높여 투명하게 구현할 수 있다.
콜레스테릭 액정(232)은 전압이 인가되지 않은 상태에서도 광을 반사시키는 플래이너(planar) 상태와 광을 산란시키는 포컬 코닉(focal conic) 상태의 두 가지 안정적인 상태로 존재할 수 있는 쌍안정성(Bistability)을 가지고 있다. 또한, 콜레스테릭 액정(132)은 고전압이 인가되면 광을 투과시킬 수 있는 호메오트로픽(homeotropic) 상태로 전환될 수 있다.
플래이너 상태는 콜레스테릭 액정(232)의 나선축이 기판, 예컨대, 제 1기판(220)과 실질적으로 수직하게 배열된 상태를 의미하고, 포컬 코닉 상태는 콜레스테릭 액정(232)의 나선축이 제 1기판과 실질적으로 평행하게 배열된 상태를 의미한다.
플래이너 상태의 콜레스테릭 액정(232)에 저전압 펄스를 인가하면 제 1기판에 수직이었던 나선축이 제 1기판과 평행한 상태로 변화하여, 콜레스테릭 액정(232)들은 포컬 코닉 상태가 된다. 포컬 코닉 상태의 콜레스테릭 액정(232)에 고전압을 연속적으로 인가하면, 나선 구조가 풀어져(untwisted) 액정분자의 장축 방향이 기판과 수직으로 배열되는 호메오트로픽 상태가 된다. 호메오트로픽 상태에서, 인가되는 전압을 천천히 감소시키면 포컬코닉 상태로 전환되고, 인가되는 전압을 급격히 제거하면 플래이너 상태로 전환될 수 있다. 이러한 액정층(230)의 각 상태를 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명한다.
도 8은 호메오트로픽 상태의 액정 배열을 나타낸다. 호메오트로픽 상태의 액정은 나선 구조가 풀어져(untwisted) 액정 분자들이 전기장 방향으로 배열된다. 호메오트로픽 상태의 액정 분자들의 배열은 전극에 고전압이 인가되어 제1전극(222)과 제2전극(212)의 사이에 고전기장이 형성됐을 때의 배열이며, 광을 투과시키는 특성을 갖는다.
도 9는 플래이너 상태의 액정 배열을 나타낸다. 플래이너 상태는 콜레스테릭 액정(232)의 나선축이 기판, 예컨대, 제1기판(220)과 실질적으로 수직하게 배열된 상태를 의미한다. 플래이너 상태의 액정층(230)은 호메오트로픽 상태의 액정에 인가된 고전기장을 급격하게 제거했을 때 형성되는 배열이다. 콜레스테릭 액정(232)이 플래이너 상태에 있을 때에는 입사되는 광을 액정의 꼬임 방향에 따라 특정 방향으로 원편광(circular polarization)시켜 투과시키고, 반대 방향으로 원편광된 광을 반사시킬 수 있다. 예를 들면, 플래이너 상태의 콜레스테릭 액정은 도광판(53)으로부터 출사된 광을 좌원편광(left-handed circular polarization)시켜 투과시키고, 우원편광(right-handed circular polarization)된 광을 반사시킬 수 있다.
도 10은 포컬 코닉 상태의 액정 배열을 나타낸다. 포컬 코닉 상태는 콜레스테릭 액정(232)의 나선축이 제1기판(220)과 실질적으로 평행하게 배열된 상태를 의미한다. 포컬 코닉 상태의 액정 구조는 광을 산란 또는 난반사시키는 특성을 갖는다. 포컬 코닉 상태의 경우 액정층(230)의 기판이 투명 기판인 경우에는 입사한 빛이 액정층(230)을 투과하게 된다.
포컬 코닉 상태의 액정 구조는 호메오트로픽 상태의 액정에 인가된 고전압을 천천히 낮추었을 때 형성될 수 있다. 또한, 플래이너 상태의 콜레스테릭 액정(232)에 저전압 펄스를 인가할 때 형성될 수 있다. 포컬 코닉 상태의 콜레스테릭 액정(232)에 고전압을 연속적으로 인가하면, 나선 구조가 풀어져(untwisted) 액정 분자들이 전기장 방향으로 배열되는 호메오트로픽 상태가 될 수 있다. 또한, 포컬 코닉 상태의 콜레스테릭 액정(232)에 고전압 펄스를 인가하여 플래이너 상태로 전환시킬 수 있다.
콜레스테릭 액정들은 도 8 내지 도 10에 도시된 것처럼, 격벽에 의해 구획된 공간에 마련될 수 있다. 격벽에 의해 콜레스테릭 액정이 분리되는 것은 일 예일 뿐 캡슐에 의해 콜레스테릭 액정들이 분리될 수도 있다.
각 공간에 마련된 콜레스테릭 액정들은 제1전극 및 제2전극에 의해 인가되는 전압에 따라 전술한 호메오트로픽 상태, 플래이너 상태 또는 포컬 코닉 상태로 변환되면서, 도광판(53)으로부터 출사된 광을 원편광시켜 투과시키거나, 편광시키지 않고 그대로 투과시킬 수 있다.
개시된 실시예에 따른 백 라이트 유닛(50)의 광 조절부(58)는 전술한 콜레스테릭 액정층(58a)의 전면에 마련되는 사분 파장판(58b)을 포함한다.
사분 파장판(58b)은 파장 λ의 투과광에 대해 서로 수직 방향으로 진동하는 두 개의 편광성분 사이에 λ/4의 광행로차(光行路差)가 발생하도록 만들어진 광학적 이방성의 얇은 판을 포함할 수 있다. 사분 파장판(58b)의 내부에서 광의 진동방향이 입사광의 진동방향에 대해 45도가 되도록 선편광이 수직으로 입사되면, 사분 파장판(58b)을 투과한 광은 원편광(圓偏光)이 되고, 역으로 원편광이 입사되면 사분 파장판(58b)을 투과한 광은 선편광이 된다.
콜레스테릭 액정을 투과한 광은 전술한 것처럼, 콜레스테릭 액정의 상태에 따라, 원편광된 광 및 편광되지 않은 광 중 적어도 한 종류의 광을 포함한다. 원편광된 광이 사분 파장판(58b)으로 입사되면, 전술한 것처럼 사분 파장판(58b)은 원편광된 광을 선편광시켜 투과시킨다. 편광되지 않은 광이 사분 파장판(58b)으로 입사되면, 사분 파장판(58b)은 입사된 광을 편광시키지 않고 그대로 투과시킨다.
광 조절부(58)는 전술한 사분 파장판(58b)의 전면에 마련되는 편광 필름(58c)을 포함한다. 사분 파장판(58b)의 전면에 마련되는 편광 필름(58c)은 입사된 광을 선편광시켜 투과시키거나 반사시킬 수 있는 반사형 편광 필름으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 편광 필름(58c)은 이중 휘도 향상 필름(DBEFTM film, Dual Brightness Enhancement Film)을 이용하여 구현될 수도 있다. 여기서 이중 휘도 향상 필름은 등방성 필름과 이방성 필름이 상호 교차되어 적층된 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조를 이용하여 입사된 광을 편광시켜 반사하거나 또는 투과시킬 수 있다.
편광 필름(58c)은 사분 파장판(58b)을 투과한 선편광의 편광축과 다른 방향의 편광축을 갖도록 구현될 수 있다. 이러한 편광 필름(58c)에 사분 파장판(58b)을 투과한 선편광이 입사되면, 편광 필름(58c)은 입사된 광을 투과시키지 않고 반사시킴으로써, 광 조절부(58)로부터의 광의 출사를 차단할 수 있다.
또한, 편광되지 않은 광이 사분 파장판(58b)을 투과하여 편광 필름(58c)에 입사되면, 편광 필름(58c)은 편광 필름(58c)의 편광축 방향으로 선편광된 광을 투과시킴으로써, 광 조절부(58)로부터 광이 출사되도록 한다.
전술한, 콜레스테릭 액정층(58a), 사분 파장판(58b) 및 편광 필름(58c)을 포함하는 광 조절부(58)가 도광판(53)으로부터 출사된 광을 전방으로 투과시키거나 차단하는 예를 이하 도 11내지 도 15를 참조하여 설명한다.
도 11은 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛에서 광이 방출되지 않는 경우를 도시하고, 도 12는 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛의 도광판(53)에서 방출된 광을 도시한다. 도 13은 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛의 편광부에 입사된 광이 차단되는 경우를 도시하고, 도 14는 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛에서 광이 방출되는 경우를 도시한다. 도 15는 일 실시예에 따른 백 라이트 유닛의 편광부를 투과한 광을 도시한다.
도 11을 참조하면, 도광판(53)에서 출사된 광은 편광되지 않은 상태로 콜레스테릭 액정층(58a)으로 입사된다. 광(L)은 서로 직교하는 전기장과 자기장이 진동하면서 전파된다. 이 경우, 광(L)의 전기장 또는 자기장은, 도 12에 도시된 바와 같이, 진행 방향(z축)과 수직인 방향(x축, y축) 방향으로 진동하면서 진행하게 된다. 도광판(53)에서 출사된 편광되지 않은 광(L)은 도 12에 도시된 것처럼, 진행 방향(z축)과 수직인 모든 방향으로 진동하는 광이 혼합된 상태를 가진다.
도광판(53)에서 출사된 광이 콜레스테릭 액정층(58a) 중에서 플래이너 상태의 액정으로 입사하게 되면, 전술한 것처럼, 원편광(L1)되어 콜레스테릭 액정층(58a)을 투과한다. 원편광은 우원편광이거나 좌원편광일 수 있는데, 이는 콜레스테릭 액정의 꼬임방향에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 좌원편광이 투과되면, 우원편광은 콜레스테릭 액정에 의해 반사판 방향으로 반사된다. 이렇게 반사된 광은 도광판(53) 내부에서 재활용되어 디스플레이 장치의 휘도 향상에 기여할 수 있다.
플래이너 상태의 콜레스테릭 액정을 투과한 원편광(L1)은 사분 파장판(58b)으로 입사된다. 도 13에 도시된 것처럼, 원편광이 사분 파장판(58b)으로 입사되면, 사분 파장판(58b)은 원편광을 선편광시켜 투과시킨다. 전술한 것처럼, 편광 필름(58c)은 사분 파장판(58b)을 투과한 선편광(L2)과 다른 편광축을 갖도록 마련되므로, 선편광되어 편광 필름(58c)으로 입사되는 광은 편광 필름(58c)을 투과하지 못하고 반사된다.
즉, 콜레스테릭 액정층(58a) 중에서 플래이너 상태의 액정으로 입사되는 광은 광 조절부(58)를 투과하지 못하게 된다. 따라서, 콜레스테릭 액정층(58a)의 플래이너 상태의 액정에 대응되는 화소는 주변 화소에 비해 더 어둡게 표현되어, 블랙 컬러를 더 깊게 표현할 수 있으므로 명암비의 개선에 기여할 수 있다.
한편, 도 14에 도시된 것처럼, 도광판(53)에서 출사된 광이 콜레스테릭 액정층(58a) 중에서 호메오트로픽 상태 또는 포컬 코닉 상태의 액정으로 입사하게 되면, 전술한 것처럼 편광되지 않은 상태로 콜레스테릭 액정층(58a)을 투과한다.
편광되지 않은 광(L3)이 사분 파장판(58b)으로 입사되면, 사분 파장판(58b)은 편광되지 않은 광을 그대로 투과시킨다. 사분 파장판(58b)을 투과한 광(L4)은 전술한 것처럼, 편광 필름(58c)의 편광축 방향으로 선편광되어 편광 필름(58c)을 투과하게 되고, 양자점 시트(57)로 입사하게 된다.
편광되지 않은 광(L4)이 편광 필름(58c)을 통과하게 되면 광은 진행 방향(z축)에 대해 수직한 특정 평면 상에서만 진동하는 전기장 또는 자기장을 포함하게 되는데, 이를 광이 편광, 특히 선편광되었다고 한다. 선편광된 광(L5)은, 소정의 방향으로 진동(p)하면서 진행하게 된다. 예를 들어, 선편광된 광(L5)은 도 15에 도시된 바와 같이 수평 축(x축)과 진행 방향(z축)에 의해 형성된 평면인 수평면 상에서만 진동(p)하며 진행 방향(z축)으로 이동한다. 또는, 편광축에 따라 수직 축(y축)과 진행 방향(z축)에 의해 형성된 평면인 수직면 상에서만 진동하며 이동할 수도 있다. 앞서 사용한 편광축이라는 용어는 설명의 편의를 위하여, 편광이 진동하는 축, 일례로 도 15의 x축을 편광 축이라고 정의한다.전술한 것처럼, 콜레스테릭 액정층(58a) 중에서 플래이너 상태의 액정으로 입사되는 광은 광 조절부(58)를 투과하지 못하게 되고, 호메오트로픽 상태의 액정이나 포컬 코닉 상태의 액정으로 입사되는 광은 광 조절부(58)를 투과하게 된다. 따라서, 콜레스테릭 액정층(58a)의 플래이너 상태의 액정에 대응되는 화소는 주변 화소에 비해 더 어둡게 표현되고, 호메오트로픽 상태의 액정이나 포컬 코닉 상태의 액정에 대응되는 화소는 주변 화소에 비해 더 밝게 표현되어, 명암비의 개선에 기여할 수 있다.
이처럼 개시된 실시예에 따른 디스플레이 장치는 엣지형 백 라이트 유닛을 채용함에도 직하형 백 라이트 유닛을 채용한 경우처럼, 매트릭스 형태의 로컬 디밍(local dimming)을 구현할 수 있다. 따라서, 개시된 실시예에 따른 디스플레이 장치는 직하형 백 라이트 유닛을 채용한 경우의 로컬 디밍처럼 현저히 향상된 명암비를 제공할 수 있다.
이상에서는 개시된 발명의 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 요지를 벗어남 없이 개시된 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능함을 물론이고 이러한 변형실시들은 개시된 발명으로부터 개별적으로 이해될 수 없다.
100: 디스플레이 장치 20: 영상 형성 유닛
50: 백 라이트 유닛 51: 발광 모듈
53: 도광판 55: 반사 시트
40: 광학 시트

Claims (17)

  1. 백 라이트 유닛;
    상기 백 라이트 유닛으로부터 방출된 광을 투과 또는 차단하여 영상을 생성하는 영상 형성 유닛;을 포함하고,
    상기 백 라이트 유닛은,
    도광판;
    상기 도광판의 전면에 마련되고 상기 도광판에서 방출된 광을 투과시키거나 원편광시키는 콜레스테릭 액정층; 및
    상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되어 상기 투과된 광을 전방으로 투과시키고, 상기 원편광된 광을 차단하는 편광부;를 포함하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 편광부는,
    상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되어 상기 원편광된 광을 선편광시키고, 상기 콜레스테릭 액정층을 투과한 광을 전방으로 투과시키는 파장판; 및
    상기 파장판의 전면에 마련되고, 상기 선편광된 광을 차단하고 상기 파장판을 투과한 광을 선편광시키는 편광 필름;을 포함하는 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편광 필름은 입사된 광을 상기 파장판에 의해 선편광된 광의 편광 축과 다른 편광 축 방향으로 편광시키는 디스플레이 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 파장판은 사분 파장판(Quarter Wave Plate)을 포함하는 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 백 라이트 유닛은,
    콜레스테릭 액정층의 적어도 일부 콜레스테릭 액정이 플레이너(planar)상태가 되도록 상기 일부 콜레스테릭 액정에 전압을 인가하지 않고, 다른 콜레스테릭 액정이 호메오트로픽 또는 포컬 코닉 상태가 되도록 상기 다른 콜레스테릭 액정에 전압을 인가하는 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 콜레스테릭 액정층은,
    콜레스테릭 액정;
    상기 콜레스테릭 액정의 전면에 마련되는 전면 전극; 및
    상기 콜레스테릭 액정의 후면에 마련되고, 상기 전면 전극과 직교하는 방향으로 배열되는 후면 전극;을 포함하는 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 백 라이트 유닛은,
    상기 도광판의 측면에 마련되어 상기 도광판으로 광을 입사시키는 광원;을 포함하는 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 백 라이트 유닛은,
    상기 편광부의 전면에 마련되는 양자점 시트;를 포함하는 디스플레이 장치.
  9. 도광판;
    상기 도광판의 측면에 마련되어 상기 도광판으로 광을 입사시키는 광원;
    상기 도광판의 전면에 마련되고 상기 도광판에서 방출된 광을 투과시키거나 원편광시키는 콜레스테릭 액정층; 및
    상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되어 상기 투과된 광을 전방으로 방출시키고 원편광된 광을 차단하는 편광부;를 포함하는 백 라이트 유닛.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 편광부는,
    상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되어 상기 원편광된 광을 선편광시키고, 상기 콜레스테릭 액정층을 투과한 광을 전방으로 투과시키는 파장판; 및
    상기 파장판의 전면에 마련되고, 상기 선편광된 광을 차단하고 상기 파장판을 투과한 광을 선편광시키는 편광 필름;을 포함하는 백 라이트 유닛.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 편광 필름은 입사된 광을 상기 파장판에 의해 선편광된 광의 편광 축과 다른 편광 축 방향으로 편광시키는 백 라이트 유닛.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 파장판은 사분 파장판(Quarter Wave Plate)을 포함하는 백 라이트 유닛.
  13. 제9항에 있어서,
    콜레스테릭 액정층은,
    적어도 일부 콜레스테릭 액정이 플레이너(planar)상태가 되도록 상기 일부 콜레스테릭 액정에 전압을 인가하지 않고, 다른 콜레스테릭 액정이 호메오트로픽 또는 포컬 코닉 상태가 되도록 상기 다른 콜레스테릭 액정에 전압을 인가하는 백 라이트 유닛.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 콜레스테릭 액정층은,
    콜레스테릭 액정;
    상기 콜레스테릭 액정의 전면에 마련되는 전면 전극; 및
    상기 콜레스테릭 액정의 후면에 마련되고, 상기 전면 전극과 직교하는 방향으로 배열되는 후면 전극;을 포함하는 백 라이트 유닛.
  15. 백 라이트 유닛;
    상기 백 라이트 유닛으로부터 방출된 광을 투과 또는 차단하여 영상을 생성하는 영상 형성 유닛;을 포함하고,
    상기 백 라이트 유닛은,
    도광판;
    상기 도광판의 전면에 마련되고 상기 도광판에서 방출된 광을 투과시키거나 원편광시키는 콜레스테릭 액정층;
    상기 콜레스테릭 액정층의 전면에 마련되고, 상기 원편광된 광을 선편광시키고, 상기 콜레스테릭 액정층을 투과한 광을 전방으로 투과시키는 파장판; 및
    상기 파장판의 전면에 마련되고, 상기 선편광된 광을 차단하고 상기 파장판을 투과한 광을 선편광시키는 편광 필름;을 포함하는 디스플레이 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 편광 필름은 입사된 광을 상기 파장판에 의해 선편광된 광의 편광 축과 다른 편광 축 방향으로 편광시키는 디스플레이 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 파장판은 사분 파장판(Quarter Wave Plate)을 포함하는 디스플레이 장치.
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