KR920006145Y1 - 컬러액정 표시장치 - Google Patents

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내용 없음.

Description

컬러액정 표시장치

제1도는 TN액정표시소자의 표시원리도.

제2도는 액정의 (n의 파장 분산을 표시한 도면.

제3도는 액정셀의 분광투과특성의 일례를 표시한 도면.

제4도는 종래의 컬러액정셀 단면도.

제5도는 적, 녹, 청컬러필터의 배치의 일례를 표시한 도면.

제6도는 적, 녹, 청컬러필터의 분광투과 특성을 표시한 도면.

제7도는 형광등의 발광분광 스펙트럼 도면.

제8도는 적, 녹, 청 각 색소의 전압무인가시의 액정셀 분광투과특성의 액정층의 두께의존성을 표시한 도면.

제9도는 d=5. 7μm의 정규의 흑색, 정규의 백색 액정셀의 분광투과율을, 인가전압을 파라미터로 표시한 도면.

제10도는 d=8μm인 셀의 각 파장에서의 인가전압에 대한 투과율의 변화를 표시한 도면.

제11도는 종래형의 액정셀과 멀티갭 액정셀의 적, 녹. 청 각 색광의 인가전압에 대한 투과율의 변화를 표시한도면.

제12도는 종래형의 액정셀과 멀티갭 액정셀의 전압인가시의 분광투과율의 계산예를 표시한 도면.

제13도는 산란광 조명에서 적, 녹, 청 각 색광의 전압무인가시의 액정셀 투과율의 액정층의 두께 의존성을 표시한 도면.

제14도는 평행광 조명과 산란광 조명에서의 전압무인가시의 최소투과 파장과 액정층의 두께관계를 표시한도면.

제15도는 본 고안의 컬러필터의 두께를 변화한 경우의 컬러액정셀 단면도.

제16도는 본 고안의 기판에 요철(凹凸)을 형성한 경우의 컬러액정셀의 단면도.

제17도는 미리 요철을 형성한 투명기판의 사시도.

제l8도는 제17도에 표시한 투명기판 중앙부(원내)의 확대도.

제19도는 본 고안의 컬러필터와 투명층을 적층한 제1의 경우의 컬러액정셀의 단면도.

제20도는 본 고안의 컬러필터와 투명층을 적층한 제2의 경우의 컬러액정셀의 단면도.

제21도는 본 고안의 컬러필터와 투명층을 적층한 제3의 경우의 컬러액정셀의 단면도.

제22도는 본 고안의 컬러필터와 투명층을 적층한 제4의 경우의 컬러액정셀의 단면도.

제23도는 본 고안의 액정셀의 녹색의 컬러필터에 대응하는 액정층의 두께와, 전압무인가시의 적, 녹, 청 각색광의 투과율의 관계를 표시한 도면.

제24도는 본 고안을 적용한 액정패널의 적, 녹, 청 각 색광의 인가전압에 대한 투과율의 변화를 표시한 도면.

제25도는 본 고안을 적용한 액정패널의 콘트라스트의 파장의존성을 표시한 도면.

제26도는 종래형의 액정패널과 본 고안을 적용한 멀티갭 액정패널과 현행 CRT의 색 재현범위를 CTE색도도상에 표시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 액정 2a,2b : 투명기판

3a, 3b : 편광판 4 : 컬러필터

5a, 5b : 투명전도막 6a,6b : 배향막

7 : 투명막

본 고안은, 컬러필터와 액정, 특히 트위스티드·네마틱액정을 조합시켜 구성되는 컬러액정표시장치의 개선에 관한 것으로서. 콘트라스트, 색재현성등이 뛰어난 컬러 액정표시장치를 제공하는 것이다.

본 고안은, 텔레비전이나 비데오모니터, 뷰우파인더등의 컬러영상표시장치 혹은 컴퓨터 단말기기등에 사용되어지는 것이다.

액정표시장치는, 박형(薄型)이고, 저전압구동이 가능하며, 소비전력이 작다고 하는 특징을 가진 것이므로, 평면형 표시소자로서 최근 급속히 시장의 요구가 높아지고 있다. 종래에는 모노컬러의 것이 주류이었으나, 컬러필터를 사용한 컬러 액정표시장치도 상품화될려고 하고 있다.

이와같은 컬러액정표시장치에 사용되어지는 액정의 모우드로서는, 동적산란(이후, DSM이라약칭함), 트위스티드·네마틱(이후, TN이라 약칭함), 게스트-호스트(이후, GH이라 약칭함)등이 고려되어지고 있으나, 그중에서도 TN액정은 구동에 요하는 전압이 작고, 밝은 표시를 할 수 있는등의 특징을 가지고 있다.

여기에서는 TN액정과 적(이하, R라 약칭함), 녹(이하, G라약칭함), 청(이하, B라약칭함)색의 컬러필터를 조합해서 구성되는 컬러액정표시장치에 대하서 설명한다.

종래예의 구성을 설명하기 전에, 본 고안의 기본개념이 되는 TN액정의 광학적 성질에 대해서 간단하게 설명한다.

제1도는 투과형의 TN액정표시소자의 표시원리를 표시한다. 액정(1), 투명기판(2a)(2b)이 액정셀을 구성하고, 편광판(3a)(3b)은 각각의 편광축이 평행하게 되도록 배치되어 있다. 도면중의 화살표는 입사광의 진행방향 및 편파면을 나타낸다.

이때, 전압무(無)인가시에는 액정셀은 광을 차단하고[제1도(a)], 어떤 역치(이하, V_th라 약칭함)이상의 전압을 인가하면[제1도(b)], 액정은 전계방향으로 재배열되어(액정의 유전율이방성은 정(正)으로 함), 입사된광은 그대로 액정셀을 통과한다. 이렇게 하므로서 명암의 콘트라스트를 형성할 수 있다. 위에서 설명된 바와같은 전압무인가시에 어두운 상태가 되는 것을, 정규의 흑색이라고 정의한다.

제1도에 표시한 바와 같은 광학계, 즉 정규의 흑색에 있어서 전압무인가시의 투과율(T)은, 이상적으로 0으로 된다고 생각될 수 있는 것이지만, 실제로는 TN액정의 선광분산(旋光分散)에 의해, 셀에 입사된 직선편광이 타원편광으로되어 일부셀을 통과한다. 전압무인가시 액정셀에 수직으로 입사하는 핑행광의 투과율(T)은 다음식 [C H. Gooch, H. A. Tarry : J. Phys. d : App]. Phys. 8, 1575(1975)]으로 표현된다.

여기서, d는 액정층의 두께,n은 액정의 복굴절을. θ는 TN액정의 트위스트각, λ는 입사광의 파장을 각각 나타낸다.

식 [1]은을 만족할 때에만 T=0이 된다. 여기서 (m)의 정수이다.

일반적으로 액정의n에는 파장의존성이 있다. 제2도에 액정으로서 (주)칫소사제품 LIXON9150을 예로 들어, (이하 이 액정을 모델로 설명을 진행함) 그n의 파장의존성을 표시한다. 이n의 파장의존의 데이터에 기초해서, 트위스트각(θ)이 90°인 셀의 전압무인가시의 분광투과특성을 Gooch-Tarry의 식[1]로부터 d가 5μm와8μm인 경우에 대해서 도시한 것이 제3도이다.

제3도로부터도 알수 있는 바와 같이 가시영역(400∼70mm)에 있어서, 피이크에서는 최대 10%정도의 투과율을 표시하고, 광을 완전히 차단하지 못한다. 이 때문에, d가 5μm인 셀에서는 적자(赤紫)색으로, 8μm셀은 황색으로 착색되어 보인다. 다만 5μm셀은 파장 570nm부근, 8μm셀은 440nm부근의 광을 차단한다.

이와 같은 구체적인 예에서 보는 바와 같이, TN모우드의 액정을 사용하면, 전압 무인가시의 어두운 상태에서의 광의 누설 및 착색이라고 하는 문제가 존재한다. 모노컬러의 표시를 행할 경우에는 이것은 그다지 큰 문제가 되지 않으나, 완전히 컬러 표시를 행할 경우에는 큰 장해가 된다.

제4도에 종래의 컬러액정표시장치의 셀단면도를 표시한다. 제4도에서, (a)는 예를들면 제5도에 표시한 바와같은 매트릭스상으로 배치된 R, G. B의 컬러필터, (6a)(6b)는 전압무인가시의 액정(1)의 초기배향을 제어하기위한 배향막이다. 투명전도막(5a)(5b) 사이에 전압을 인가하면, 액정(1)의 분자배열을 변화시켜, 액정셀을 통과하는 광을 변조할 수 있다.

따라서, R, G, B의 각 컬러필터에 대응하는 액정을 역치전압(V_th)이상의 적당한 전압폭으로 구동하면, R, G, B를 더하여 혼합하는 방법에 의해 완전히 컬러로 표시할 수 있다. 또한, R, G, B의 각 컬러필터의 분광특성의 일례를 제6도에 표시한다.

여기서 문제가 되는 것은, 앞에서 설명된 전압무인가시의 광의 누설과 바람직하지 않은 착색이다.

콘트라스트비는 (밝은 상태의 광 투과율)/(어두운 상태의 광투과율)로 정의되지만, 상술한 바와 같이 종래의 구성에서는 전압무인가시 즉 어두운 상태에서의 광의 누설이, 콘트라스, 트비를 낮춘다고 하는 문제가 있었다.

또 종래의 구성에서는 액정층의 두께(d)가 R, G, B의 각 컬러필터부에서 균일하기 때문에, 예를들면 d=5μm인경우에는, 제3도, 제6도로부터도 알수 있는 바와같이, 전압무인가시, G, R의 컬러필터부에서는 광을 차단하지만, B의 필터부에서는 광을 차단하지 않고, 전압무인가시에, 전체로서 이미 청 혹은 자색으로 착색된다고하는 문제가 있었다. 이것은 완전히 컬러표시하는 데에 상당히 큰 방해가 되는 것이다.

그러므로, Gooch-Tarry의 식[1]로부터도 일 수 있는 바와 같이, 액정층의 두께가 커지면(막 10μm이상), 전압무인가시 액정셀의 광의 누설은 감소하고, 그에 따라 착색도 비교적 작게 된다. 그러나, 액정층의 두께(d)가 커지면, 전압의 온-오프절환에 대한 액정의 응답시간이 길게되어, 시야각(視野角)도 좁아지며, 이 시야각의편차에 의한 색어긋남도 일어난다. 따라서, 컬러액정표시장치의 성능으로서는 상당히 열악한 것이 된다

TN모우드의 액정을 사용하는 컬러액정표시장치에 있어서는 응답시간, 시야각이 중시되기 때문에, [1]식에서 녹색광으로을 만족하도록 d와 △n의 관계가 선택되는 일이 많다. 그러나, 이와 같은 얇은 액정셀을 사용한 경우,으로부터 떨어진 조건의 파장을 가진 광의 투과가 많게 되며, 패널은 부자연스럽게 착색된다. 이들 문제를 동시에 해결하는 것은, 종래와 같은 R, G, B부에서 균일한 액정셀두께를 가지는 구성을 취하는한 불가능하였다.

본 고안은 상술한 종래예의 결점을 감안한 것으로서, 전압무인가시의 액정셀의 광의 누설과 착색을 최소한으로하며, 또한 콘트라스트가 높고 색 재현성이 뛰어나며, 시야각이 넓은 컬러액정표시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 고안은, TN모우드의 액정을 사용하여, R, G, B등의 각 컬러필터에 대응하는 액정층의 두께를 각각 광학적으로 최적화하므로서 뛰어난 성능의 컬러액정표시장치를 제공하는 것이다.

여기에서는 TN모우드의 액정을 사용한 투과형의 컬러액정표시장치를 실시예로서 첨부도면에 의해 상세히 설명한다.

그리고, 제6도에 표시한 바와 같은 분광특성을 가진 R, G, B의 각 컬러필터에 맞추어서, 제7도에 표시한 바와같은 분광발광분포를 가진 백색광원 [(주) 마쯔시다전자공업제품 PA-LOOK 형광등]을 선택한다. 그리고, R, G, B는 610nm, 545nm, 450nm의 각 파장으로 대표되는 것으로 한다.

광원은 제7도의 분광투과특성을 보면 알 수 있는 바와 같이. R, G, B의 각 파장에 대하여 선스펙트럼에 가까운특성을 가진 백색광원이며, 이것은 본 고안의 실시예에 대하여 상당히 유효하다. 단, 태양광에 대해서도 효과를 발휘하는 것은 물론이다

그래서, 앞에서 설명한 LlXON 9150을 액정재료로 사용하기로 한다 [1]식에 의하면, R, G, B의 각 파장의광은, 액정층의 두께 (d)에 따라서 정규의 흑색이고 전압무인가시에는 제8도에 표시한 바와 같은 투과특성을 표시한다. 제8도에서 그래프의 왼쪽단부는 생략되어 있으나 R, G, B의 각 곡선은 d가 0에 가깝게 됨에 따라 단조증가하고, d=Oμm에서 모두 1이 된다.

이 그래프로부터도 알 수 있는 바와 같이, R, G, B의 각 파장의 광에 대하여, 액정층의 두께(d)가 작은 쪽으로부터 보아가면, 각각 5. 4μm, 4. 8μm, 3. 7μm일때에 T=0으로 되어 액정층에서 완전히 광은 차단된다. 즉 R, G, B의 각 컬러필터에 대응하는 액정층의 두께를 각각 d_R, d_G, d_B로 하였을 때 d₃=5. 4μm, d₆=4. 8μm, d₉=3. 7μm로하면, 전압무인가시 각 필터부에서 광을 완전히 차단하고, 액정패널 전면에 걸쳐서 광은 차단되어 상술한 착색의 문제도 일어날 수 없다.

[실 험 1]

상기와 같이 전압무인가시의 TN액정의 투과광과 △n·d의 관계는 Gooch-Tarry의 식에서 설명되어 있다. 그러나, 중간조표시(中間調表示)가 필요한 영상표시용장치에 있어서는, TN액정의 역치전압(V_th)과 포화전압(V_sat)사이에서 액정을 구동하여야 한다.

이와 같은 낮은 인가전압하에서의 TN액정의 광학특성을 명확하게 하기 위하여 이하의 실험을 행하였다. 표-1에 표시한 액정층의 두께(셀두께)를 가진 시료 18종류를 제작하였다. 이들을 2종류의 그룹으로 나누어, 전압무인가시 흑색인 것(정규의 흑색 : NB)과, 전압무인가시 백색인 것(정규의 백색 : NW)을 편광판의 붙이는 방향을 변화해서 제작하였다. 이들 시료의 분광투과특성을, 인가전압을 파라미터로해서 측정하였다.

그결과의 일례(d=5. 7μm셀)를 제9도에 표시한다

λ=600nm에서 식[1]의을 만족하는 이 셀에서는, 인가전압(도면중 곡선의 오른쪽에 단위 "V" 로 표시함) 0에서 600nm부근의 적색광을 완전히 차단한다. 한편 청색광은 일부 투과하고 있다. 역치(V_th) 부근의 1. 8V를 인가하면, 완전 차단파장이 단파장쪽으로 이동함과 동시에 청색광의 투과는 일단 감소한다. 또 전압을 올리면 상대적으로 장파장광의 투과가 우선해서 상승한다. 포화전압에 가까운 비교적 높은 전압인가(도면에서는 3V이상)에 의해, 점차로 청, 녹, 적색광 모두 거의 균일한 투과율을 표시한다. 즉 비교적 낮은 인가전압영역(1. 8∼2. 8V)에서는 항상 적색투과가 우선하고 있다. 반면에 NW셀에서는 적색광의 투과율 감소가 먼저 일어난다. 이와같이 NB셀과 NW셀의 전압인가에 의한 투과광변화의 모양은 상호보완의 관계에 있다.

[표-1]

제10도에 또 두꺼운 셀(NB, d=80. μm)의 투과율의 인가전압에 대한 응답특성을 파장을 파라미터로 해서 표시한다. 도면으로부터 명백한 바와 같이, 이 셀에서도 장파장광은 상대적으로 낮은 인가전압에서 상대적으로 높은 투과율을 표시한다. 또 이와 같이 비교적 두꺼운 셀에서는, 동도면의 삽입도면에 표시한 바와 같이 역치 부근의 인가전압에서 투과율이 감소하는 현상을 나타낸다. 이 현상을 영상표시의 관점에서 고려해 보면, 이 현상은 이와같은 낮은 인가전압의 영역에서는 영상의 명암관계가 역전하기 때문에 발생한다.

광투과율의 인가전압의존성의 다른 예를 제11도에 표시한다. 도면의 STD는 5. 2μm의 두께를 갖는 셀의 투과특성을 표시하며, 세곡선은 각각 610nm, 545nm, 450nm의 파장에 대응한다. 이와 같은 투과율과 인가전압의 관계는 파장에 따라 다르며, 인가전압에 의해 임의적으로는 결정되어 않는다. 한편, 동도면의 오른쪽의 M. G로 표시한 곡선은 d가 4.1μm, 5.2μm, 5.7μm인 셀의 각각의 파장 450nm, 545nm, 610nm광의 투과특성을 표시한다. 이 결과는 투과파장마다에 셀두께(d)를 최적화해서 설정하면, 투과율이 0으로부터 포화값까지 단조롭게 변화하며, 또한 투과율의 파장의존성의 결점이 나타나지 않는 것을 나타내고 있다.

이와 같이 분광기를 사용하여, 분광된 평행광선을 시료표면에 수직으로 입사시키는 조건에서 또한 인가전압 0에서는 투과율은 Gooch-Tarry의 식으로부터 예견되는 특성과 좋은 일치를 나타낸다. 전압인가의 것으로서는, 비교적 낮은 전압에서 장파장광의 투과가 항상 우선한다. 또 액정셀의 두께(d)를 투과파장에 맞추어서 설정하면, 투과율은 0으로부터 포화까지 단조롭게 변화하며, 또한 투과율의 파장의존성도 소실되는 것이 밝혀졌다.

다음에 제6도에 표시한 분광특성을 가지는 적(R), 녹(G), 청(B)의 필터의 각각에 맞추어서 액정층의 두께를 변화시킨 3종류의 액정셀(MG, d_R=5. 4μm, d_G=4. 8μm, d_V=4. 0μm)과, 액정셀의 두께가 균일한 셀(STD)의, 인가전압 0에 있어서의 분광투과특성을 다음식에 의해 계산하였다.

식[3], [4]는 d=d₃, △n=△n·(λ)로해서 사용액정의 복굴절율(△n)의 파장분산을 고려한 값을 상기 식(1)에 대입한 것이다. 또, (T_F3)은 적색필터의 분광투과율을 표시한다. 첨자(R), (G), (B)는 각각 적, 녹. 청을 표시한다. 제12도에 이 계산결과를 표시한다. 곡선(MG)은 R, G, B마다에 액정층의 두께를 변화한 [3]식에의한 결과이며, 곡선(STD)은 동[4]식에 의한 결과이다. 종래의 d가 일정한 셀에서는을 만족하는 조건(녹색광)에서 투과율은 0이지만, 이 조건으로부터 벗어난 적. 청색광은 큰 투과를 가진다. 한펀, 필터의 분광특성에 맞추어서 d를 변화시켰을 경우(곡선 (MG))는, 넓은 파장영역에 걸쳐서 투과는 작다. 비교적 투과가 증가하는 파장영역에서는 사람의 시감도는 상당히 작게되며, 전체로 어둡게 보여지는 것을 표시하고 있다.

[실 험 2]

액색 산란광으로 조명된 NB셀의, 인가전안 0에 있어서의 광투과율을 포화전압인가시의 것으로 규격화하고, 액정셀두께와의 관계로서 제13도에 표시한다. 청색광(B), 녹색광(G), 적색광(R) 각각에 대해서 다른 막두께의존성을 표시한다. 이 도면을 정성적으로는 상출한 Gooch-Tarry의 식으로부터 예견되는 투과율 대 막두께 의존성이 좋은 유사한 결과를 표시하고 있다.

그러나, 이와 같은 산란광으로 조명된 경우, NB셀에서 투과극소를 표시한 파장(λmin)과 셀두께(d)와의 관계는 식[1]의 결과와는 다르다. 이 관계는 제14도에 표시한다. 도면에서 (P)로 표시한 점선은 사용된 액정의 굴절율 의존성을 고려하여, 안에서 나타낸 식[1]로부터의 계산결과이다. 또 직선(O)은 △n=O. 1로해서 마찬가지로식[1]로부터 계산된 것이다. 평행광으로 실을 수직으로 조명한 경우, (λmin)의 측정결과는, 이들 계산결과와 양호한 일치를 나타낸다. 반면에 도면에서 (S)로 표시한 쇄선은 셀을 산란광으로 조명한 경우의 (λmin)의 평균적분포의 중심이다. 그 결과위 점은 이 쇄선(S)을 중심으로해서, 점선(P)과 쇄선(S)의 간격정도의 폭으로 분포하고 있다.

액정표시장치는 평행광보다도 산란광으로 조명되는 것이 통상이며, 각 색표시소자의 셀두께(d)는 제14도의 쇄선(S)에 맞추어서 설계하는 것이 바람직하다.

각 색표시소자의 셀두께를 변화시키는 수단으로서, 미리 한쪽 또는 양쪽의 기판에, 대응하는 수단을 구성해놓는 것을 생각할 수 있다. 각 색의 중심파장을 결정할 것 같으면 청과 녹, 녹과 적 각 표시소자 사이의 단차(△d_BG), (△d_GR) 제14도로부터 용이하게 구해진다. 도면으로부터 명백한 바와 같이 평행광 조명인 경우의 단차(△d_BG(P)), (△d_GR(P)) 와 산란광 조명인 경우의 단차(△d_BG(S)). (△d_GR(s)) 와 거의 근사한 값을 나타낸다.

상기 단차의 크기 자체가, 엄밀히 설계, 제작되는 것은 바람직하지만 반드시 엄밀한 계약을 요하는 것은 아니다. 단차관계가 각 표시색요소를 투과하는 광의 중심파장의 길고 짧음에 대응해서 설정되어 있으면, 종래의 평탄한 것에 비해서 효과를 발휘한다.

이하, 본 고안의 제1의 구체적 구성을 제15도를 기초로 설명한다.

투명기판(2b)의 위에 R, G, B의 두께를 변화시켜 컬러필터층(4)을 형성한다. 앞에서 설명한 바와 같이, d_R, d_G, d_B를 각각 5. 4μm. 4. 8μm, 3. 7μm로 하기 위하여, 예를 들면 필터(R)부의 두께를 1μm로 하고, (G)부의 두께를 l. 6μm, (B)부의 두께를 2. 7μm로 되도록 한다.

컬러필터(4)의 형성방법으로서는 젤라틴등을 주성분으로 한 유기물질의 도포, 선택제거, 염색율 3회 반복하므로서 이루어질 수 있으나, 그밖에 스크리인인쇄, 색소의 증착, 전착도장등의 방법에 의해서도 가능하다.

이와 같이 해서 형성된 컬러필터(4)의 상부에 In₂O₃, SnO₂등의 투명전도막(5b)을 형성하고, 그위에 배향막(6b)을 형성한다. 배향막으로서는 동상 폴리이미드, 폴리비닐알코올등의 유기재료를 스피너, 인쇄등에 의해 도포하고, 표면을 러빙처리해서 사용하지만, SiO를 일정한 각도에서 도포증착해도 마찬가지로 배향막으로서의 기능을 달성한다.

또 한쪽의 투명기판(2a)에도 앞에서 설명한 것과 마찬가지 방법으로 투명전도막(5a), 배향막(6a)을 형성하여 d_B가 3. 7μm로 되도록, 양투명기판(2a)(2b)를 대향시켜(이것에 의해 d_G, d_R은 각각 4. 8μm, 5. 4μm로 됨), 이대향 공간내에 액정(1)을 봉입한다.

편광판(3a)(3b)은 각각의 편광축이 평행으로 되도록 배향막의 러빙방향에 평행 혹은 수직으로 설치된다.

다음에, 본 고안의 제2의 구체적인 구성을 제16도를 기초로 설명한다.

먼저 한쪽의 면에 소정의 반복으로 3단계의 요철이 있는 투명기판(2b)을 준비한다. 그 전체사시도를 제17도에, 제17도의 원내의 확대도를 제18도에 표시한다. 이 투명기판(2b)은 플라스틱 혹은 유리등의 성형 또는 예칭등으로 제작한다.

이 위에 R, G, B의 컬러필터를 형성하게 되지만, 제18도의 경사부의 면적에 일종의 컬러필터가 설치된다. 동도면종의 X부에는 B의 컬러필터, Y부에는 G의 컬러필터, Z부에는 R의 컬러필터가 대응한다. 그 배제에는 제5도에 표시한 바와 같다. 컬러필터형성의 방법으로서는 젤라틴등을 주성분으로 하는 유기물질의 도포, 선택제거. 염색을 3회 반복하므로서 이루어질 수 있으나, 그외에 인쇄, 색소의 증착, 전착도장 등의 방법에 의해서도 가능하다. 또 제18도에서는 투명기판의 요철이 과장되어 도시되어 있기 때문에 상당히 급격하게 보여지지만, 요철이 기껏해야 1∼2μm정도인 것에 대하여, 사선부의 각 변의 길이는 통상 그 100배∼1000배 정도로 한 것이므로, 컬러필터의 형성이나 이 면과 간접적으로 접하는 액정의 배향제어에 어떤 지장을 주는 것은 아니다.

본 고안의 제3의 구체적인 구성을 제19도를 기초로 설명한다.

제19도에서, 먼저 투명기판(2b)위에 R, G, B의 컬러필터(4)를 형성한다. 컬러필터(4)의 형성방법으로서는, 젤라틴을 주성분으로 하는 유기물질의 도포, 선택제거, 염색을 3회 반복하므로서 이루어지지만, 그외에 스크리인인쇄, 색소의 증착, 전착도장법 등의 방법에 의해 가능하다.

이와 같이 해서 형성된 균일한 두께를 가지는 컬러필터(4)중, G, B의 상부에 투명막(7)을 두께를 변화시켜 형성한다. 앞에서 설명된 바와 같이 d_R, d_G, d_B가 각각 5. 4μm, 4. 8μm, 3. 7μm가 되게 하기 위하여 예를들면 G위의 투명막(7)은 0. 6μm, B위의 투명막(7)은 1. 7μm가 되도록 한다. 투명막(7)의 재질로서는, 가시영역(400∼700nm)에서, 가능한 한 투과율이 높게, 또한 분광투과특성이 균일한 재료를 선택하며, 유기, 무기를 문제삼지않는다. 재료에 따라서 스피너도포, 인쇄, 증착, 스퍼터링등의 방법으로 형성한 후, 불필요부분을 선택제거하고, 이들을 반복하므로서, 상기한 소정 막두께의 투명막을 형성한다.

이 투명막(7)은 액정층의 두께를 최적치로 제어하는 기능을 달성하는 것이므로, 제20도에 표시한 바와 같이G, B의 컬러필터(4)의 하부에 미리 형성되어 있어도 된다. 또, 제21도, 제22도에 표시한 바와 같이 R, G, B모두의 컬러필터의 상부 홈은 하부에 형성해도 된다. 이때(제21도, 제22도의 경우)의 R, G, B의 각 컬러필터에 대응하는 투명막의 막두께는 예를들면 R에서 0. 1μm, G에서 0. 7μm, B에서 1. 8μm로 한다. 또한, 컬러필터와 투명막은 독립으로 형성할 필요는 없고, 제20도나 제22도에 표시한 구조에서는 우선 요철이 있는 투명막을 형성한 후, 먼저 G와 B에 해당하는 부분의 투명막을 마스크해서 R을 염색, 다음에는 염색한 R과, B에 해당하는 부분의 투명막을 마스크해서 G를 염색, 최후로 R과 G를 마스크해서 B를 염색해서 R, G, B의 컬러필터층을 형성해도된다. 이때의 투명막으로서는 젤라틴을 주성분으로 하는 유기막을 선택하는 것이 적당하다.

이상의 설명에서는 [1]식에 있어서 T=0을 부여하는 최소의 U() 의 부근, 즉 제8도에서 d가 5μm의 부근에서 광학적 경로차(d·△n/λ)를 보정하는 경우의 실시예를 설명하였다.

한편, 제8도에서는 d_G=1. 7μm, d_R=12μm, d_B=12. 7μm에서도 각 색의 투과광은 0이 되며, 또한 이들 액정막두께차는 작다. 본 고안은 이와 같은 U가 큰 영역() 에 대해서도 적용할 수 있다. 그리고 상기를 결합시켜 보정할 경우에는, R. G, B 각 색필터에 대응하는 액정층의 두께의 대소관계는 상기 실시예와는 다르게 된다.

본 고안의 실시예에서는, 컬러필터로서 R, G, B의 3종류에 한해서 설명하였으나, 그 이외의 색이 섞여서 4종류이상인 경우에도, 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다. 또, 컬러필터는 한쪽의 기판쪽에만 형성할 필연성은 없고, 상하 양쪽의 기판에 형성되어도 되며. 일부의 색은 한쪽의 기판에, 그외의 색은 다른쪽의 기판에 형성되어도 상관없다. 어떤 경우에도 d_R, d_G, d_B가 광학적으로 최척화된 값으로 되어 있으면 문제는 없다.

본 고안의 사상은, TN액정을 사용한 컬러액정표시장치 전반에 결쳐서 적용될 수 있는 것이므로, 단순한 매트릭스구동의 것만이 아니라, 한쪽의 기판에. MOSFET, TET, MIM등의 비선형소자가 짜넣어져 있는 경우, 또투과형의 경우뿐만 아니라 반사형의 경우에도 적용할 수 있다.

또 본 고안의 설명에서는 정규의 흑색의 경우에 한정하였으나, 전압무인가시에 밝은 상태가 되는 정규의 백색의 경우에도 그대로 활용할 수 있다. 이상 설명한 구성으로 하므로서, 전압무인가시의 광의 누설 및 착색을 없게하고, 콘트라스트, 색재현성이 뛰어난 컬러액정표시장치를 제공할 수 있다. 이것은 액정재료를 적당하게 선택하므로서, 비교적 작은 액정층의 두께로 실현할 수 있으므로, 액정의 응답시간도 빠르고, 시야각도 넓으며, 또 시차에 의한 편차도 없어, 표시소자로서의 성능은 극히 양호하다.

또, 다른 관점에서 보면, 예를들면 액정셀 조립시에 액정층의 두께가 약간 어긋난다 하여도, R, G, B의 각 컬러필터부의 액정층의 두께의 최적설계치로부터 약간 어긋나게 되는 것만으로, 이것에 의해, 급격히 전압무인가시의 광의 누설이 커지기도 하며, 소위 백색균형이 틀어져서 액정셀이 착색되는 일은 일어나지 않는다. 이것을 제10도에 표시한다.

제23도는 본 고안에 의해, 각 필터에 대응하는 액정층의 두께를 각 필터마다에 최적한 후, 조립오차에 의해 액정층의 두께가 설계치보다 변화한 경우의 각 색의 투과율을 녹색필터위의 액정층의 두께와의 관계로서 표시한다. 제23도로부터 명백한 바와 같이 설계중심치 d=4. 8μm에서는 각 색광 모두 투과는 0이 된다. 한편 d가 이값보다 변화한 경우, R, G, B 각 색광 모두 투과율은 거의 균등하게 증가한다. 이 때문에 액정셀의 백색균형은 유지되고, 표시색조의 변화도 작다. 반면에 종래의 셀구성을 취하면, 셀두께의 변화에 의해, 색조등이 대폭적으로 변화하는 것은 제8도로 부터 자명하다.

본 고안은 TN액정을 사용한 컬러액정표시장치의 기본설계에 관계되는 매우 중요한 것으로서, 그 응용분야는극히 넓다.

이하. 응용예에 대해서 설명한다.

처음에 R, G, B에서 액정층의 두께가 다른 구조(이하 멀티캡구조라 칭함)를 비정질실리콘(이하 a-si이라 칭함) TFT와 조합하여, 영상표시패널에 응용한 경우에 실제 얻어진 특성에 대해서 설명한다.

영상표시용 액정패널은, TFT배열, 액정, 편광판, 컬러필터등의 기능부품, 그것에 조명시스템을 추가한 구성으로 이루어지며, 전기적 영상신호로 구동되는 전기광학 시스템이다. 이들 기능부품은 모든 특성상 독특한 성질을 가진다. 시스템으로서는 이들 기능부품의 성질을 충분히 인식하고, 액정패널 구성기술, 구동기술에 의해 높은 화질 표시를 가능하게 해야만 한다. 직접의 광변조재료인 TN액정의 행동은 극히 복잡하다. 광화적 입장으로부터 신호돼 투과특성을 단순화하기 위한 한 수법으로서 선광분산 보상의 고안을 앞에서 설명하였다. 여기서는 ① R, G. B 각 표시요소 액정층의 두께를 투과광의 파장에 맞추어서 조정하는 수단으로서. 요소필터의 두께를바꾼 구조의 필터배열 및 ② 동 필터배열과 a-SiTFT배열을 조합한 액정패널의 영상표시특성에 대해서 설명한다.

실제의 액정표시판에 사용되는 산란광 조명의 경우, R. G, B의 각 투과파장과 각 액정층의 두께(d_R) (d_G) (d_B)와의 관계는, 앞에서 설명된과는 다르다. 3원색 발광피이크를 가전 PA-LOOK형광등((주) 마쯔시다전자공업제) 조명을 전제로해서 투과주파장을 610nm, 545nm, 450nm라고 하면, d_R=6. 4, d_G=5. 8, d_B=4. 9μm가 실험적으로 결정된다. 이것에 의해 각 요소필터 사이의 단차는, △d_RG=0. 5μm, △d_GB=0. 8μm로 정해진다. 즉 종래의 컬러피에 대하여 앞에서 설명된 바와 같이 상기의 단차를 만들어 넣으면 된다. 또 필터쪽의 유리기판에는 패널로서 조립하였을때, 영상신호가 인가되지 않는 부분에 검은 줄무늬가 형성되어, 영상에 관계없는 광의투과를 방지하고 있다. 또 TFT직접 상부에는 광투과율이 0. 5%이하의 차광층이 형성된다.

실험제작된 필터의 각 요소사이의 단차는 표면측정기로 측정하였다. a-SiTFT배열과 필터를 결합시킨 패널의 액정층 두께는 간섭법에 의해 구하였다. 패널의 인가 전압 대 광응답특성은 다음 방법으로 측정하였다. 할로겐램프로부터의 백색광을 광파이버를 통하여, 패널의 한쪽면에 설치된 광학산판을 조명한다. TFT배열의 게이트버스와 소오스버스에 측정용의 전압을 인가하여 약 10mm테두리내의 모든 TFT를 동시에 구동한다. 패널의 투과광을 측정용 광파이버로 받아 포토멀티플라이어로 검출한다. 분광특성이 필요한 경우, 측정용마이버와 포토멀티플라이어 사이에 10nm의 절반폭을 갖는 대역 통과필터를 삽입하였다. 콘트라스트는 소오스전압 6Vrms인가시와 0V시의 투과 광강도의 비(比)로 하였다. 여기서는 패널수직방향으로부터 투과광을 관찰한 데이터를 설명한다. 여기서 데이터취득용 패널에 사용된 시험제작필터의 단차는 △d_RG=0. 9μm, △d_GB=0. 6μm이었다. 단차는 적. 녹사이가 실제값보다 크고. 녹. 청사이는 0. 6μm로서 약간 작았다.

상기 실험장치의 구동특성에 대해서 설명한다.

TFT배열(252×240회소, 2. 4"형)과 컬러필터를 조합시킨 패널의 통상 구동 조건에서의 소오스버스라인에의 신호입력전압(Vs)대 투과특성을 제24도에 표시한다. 종래의 단일 갭형(STD : d=6. 2μm)에서는 3색 모두 투과특성이 일치하지 않고, 항상 적색(쇄선)투과가 우선한다. 또 청색(점선) 색광은10%에 미치는 잔류투과를 표시하며, 이것이 일단 감소한 후 증가로 이동한다. 한편 멀티갭(MG)화 한 패널(d_R=6. 62, d_G=5. 74, d_B=5. 14μm에서는, 적색(610nm)과 녹색(550nm)의 응답은 일치하고, 청색(450nm)만 다른 특성을 표시하고 있다. 50%투과의 전압(v₅₀) 인가시 상온에서의 상승시간, 하강시간은 각각 약 50msec, 30msec이다. 각 색의 갭차에 의한 응답시간의 차는 알수 있으나, 대체로 d₂에 편승하여, 화상으로서 걱정할 만큼의 것은 아니다.

다음에 콘트라스트이지만. (MG)패널의콘트라스트(이하 CR로 칭함) 의 일례를 제25도에 표시한다 460nm<λ<700nm의 모든 파장영역에서 CR>30을 표시한다. 특히, 630nm, 560nm의 파장에서는 투과광파장과 d가 일치하여 CR>100이다. 청색에 대해서는 CR은 상대적으로 약간 작다. 이것은 적색필터로부터의 청색광의 누설이 주원인이다. 또 측정상 모든 회소의 액정광스위치를 동시에 개폐한 것도, 외관상 청색의 CR을 작게하고 있다.

다음에 색 재현범위를 종래형(STD : d=6. 2μm)과 멀티갭 액정패널(MG) 및 현행의 CRT에 대해서 제26도에 표시한다. 동도면에서 알 수 있는 바와 같이 R, G, B의 각 파장에 대해서 액정층의 두께를 최적화한 멀티갭화에의해 색 재현 영역은 확대된다. 또 R, G, B의 좌표점은 적색을 제외하고 현행 CRT와 대체로 동등하다.

또 색조에 대해서는 종래형 패널에서는 중간조로서 항상 적색광의 투과가 우선하고, 암갈색으로 착색한다. 양호한 표시를 행하는데는, 미묘한 구동전압의 보정이 필요하다. 한편 멀티갭 패널에서는 전압보정없이 색조의 차가 없는 표시가 가능하다.

이와 같이 실제의 용융시에 있어서도 R, G, B의 각 파장에 대하여 액정층의 두께를 최적화하므로서 최초에 예견한 콘트라스트의 증대, 색 재현범위의 확대등이 뛰어난 효과를 확보할 수 있었다.

Claims (8)

1. 2개의 편광자(3a, 3b) 및 적어도 한족이 투명하여 폐쇄공간부를 사이에 형성하는 2개의 기판(2a, 2b)을 구비한 셀과, 상기 두 기판 중 적어도 한쪽의 복수의 미소부상에 형성된 분 광투과특성이 다른 복수종류의 컬러필터(4)와, 다른 미소부의 위치에서 상기 셀의 공간부에 전압을 선택적으로 인가하기 위하여 상기 기판상에 형성된 전극(5a, 5b)과, 상기 폐세공간부내에 봉입된 트위스터드네마틱액정층(1)으로 구성되고, 상기 두 기판사이의 공간부의 복수의 미소부는. 상기 컬러필터의 위치에 대응하는 위치에서 상기 컬러필터의 분광투과특성에 따라 서로 상이한 두께를 지니는 것을 특징으로 하는 컬러액정표시
2. 제1항에 있어서, 컬러필터가 적, 녹, 청의 광을주로 투과하는 분광투과특성을 나타내는 3종류로 이루어진 것을 특징으로 하는 컬러액정표시장치.
3. 제2항에 있어서, 적, 녹, 청의광을 주로 투과하는 분광투과 특성을 나타내는 3종류로 이루어진 두께가, 적색에서 크고, 청색에서 작으며, 녹색에서는 양자의 중간값을 취하는 것을 특징으로 하는 컬러액정표시장치.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 컬러필터가 상기 한쪽 기판의 안쪽면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 컬러액정표시장치.
5. 제1항 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 기판의 안쪽면에 투명한 상기 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 컬러액정표시장치.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 컬러필터의 두께가, 적, 녹, 청에서 다른 것을 특징으로 하는 컬러액정표시장치.
7. 제1항에 있어서, 컬러필터의 적어도 한 종류에 표시장치.
8. 제2항에 있어서, 상기 셀에는 광원으로서, 적 녹, 청의 각 파장에 대해서 선스펙트럼에 가까운 분광방사 특성을 가진 백색광원을 사용하는 것을 특징으로 하는 컬러액정표시장치.