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KR920003853Y1 - 트위스티드 네마틱형 액정표시소자 - Google Patents

트위스티드 네마틱형 액정표시소자 Download PDF

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KR920003853Y1
KR920003853Y1 KR2019900011934U KR900011934U KR920003853Y1 KR 920003853 Y1 KR920003853 Y1 KR 920003853Y1 KR 2019900011934 U KR2019900011934 U KR 2019900011934U KR 900011934 U KR900011934 U KR 900011934U KR 920003853 Y1 KR920003853 Y1 KR 920003853Y1
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polarizer
display device
crystal display
polarizers
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미끼오 가나자끼
야스히꼬 간도
도시히꼬 도조
신지 하세가와
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가부시기가이샤 히다찌세이사구쇼
미따 가쯔시게
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Abstract

내용 없음.

Description

트위스티드 네마틱형 액정표시소자
제1도는 본 고안에 의한 액정표시소자에 있어서의 전극기판의 액정분자 배열방향과, 액정분자의 트위스트방향 및 편광기의 축간의 일반적인 상관관계도.
제2도는 본 고안에 의한 액정표시소자의 사시도.
제3도는 본 고안의 구체적인 실시예에 있어서의 제1도와 유사한 설명도.
제4도는 트위스트방향이 시계방향인 경우에 있어서의 제1도와 유사한 설명도.
제5도는 뉴우트럴편광기의 분광투과율 특성의 일실시예를 도시하는 특성도.
제6도는 편광기의 편광측과 전극기판의 액정분자배열방향간의 불일치에 의해 발생하는 액정표시소자 투과율의 파장의존도를 설명하는 특성도.
제7도는 본 고안에 사용가능한 색편광기의 일예의 분광투과율 특성도.
제8도는 본 고안의 제3도의 실시예에 의한 액정표시소자의 분광투과율 특성도.
제9도는 본 고안에 사용가능한 색편광기의 분광투과율의 바람직한 영역을 도시하는 특성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
6 : (11)의 러빙방향 7 : (12)의 러빙방향
8 : (15)의 편광축 9 : (16)의 편광축
10 : 트위스트방향 11 : 상측전극기판
12 : 하측전극기판 15 : 상측편광기
16 : 하측편광기 17 : 액정분자
20 : 반사판
본 고안은 트위스티드네마틱(TN)형 액정표시소자에 관한 것으로서, 특히 트위스트각이 큰 트위스티드네마틱형 액정표시소자에 관한 것이다.
공지된 트위스티드네막틱형 액정표시소자는 정의 유전이방성을 가지는 네마틱 액정의 90°트위스트된 나선구조를 가지는 한편, 투명전극이 배열된 두기판간에 소정의 표시패턴으로 밀봉된다. 편광판(편광기)은 전극기판에 인접한 액정분자의 주축과 수직 또는 평행한 편광축(또는 흡수축)을 가지는 전극기판의 외측면상에 배열된다.
그러나, 공지된 바와같이, 휘도전압특성, 시각의존도 및 시분할성을 포함하는 상기 형태의 액정표시소자의 시분할구동특성은 충분치가 못하다. 이에 따라, 주사전극의 수에 대응하는 시분할수의 실제적인 최대허용치는 32 내지 64이다.
이러한 허용범위에서는 액정표시소자의 화질개선 및 주사전극수에 대한 표시데이터의 수증가의 요구를 해결할 수 없다.
종래예인 일본국 공개특허공보 특개소 60-50511호(1984년 8월 27일 출원된 미국 일련번호 644,766호에 해당)는 선광성물질(광학적으로 활성)이 첨가된 네마틱액정의 160°내지 200°의 트위스트된 나선구조를 가지므로써, 우수한 시분할구동특성은 물론 시분할수가 32 이상이더라도 화질이 우수한 액정표시소자를 제안하였다.
또한, 종래예인 일본국 공개특허공보 특개소60-107020호는 180°내지 360°의 트위스트된 나선구조를 가지는 액정표시소자를 제안하였다. 이 액정표시소자에 있어서, 액정층의 두께 d(㎛)의 네마틱액정의 광학이방성 Δn의 곱 Δn·d이 0.7㎛ 내지 1.2㎛ 범위내에 있는 액정층이 협지된 한쌍의 편광기 각각은 그 편광축(또는 흡수축)이 전극기판에 인접한 액정분자의 주축(또는 광축)에 대하여 소정의 각도만큼 경사지도록 배열되어 있다.
표시현상은 편광기의 축과 액정분자의 광축간의 불일치에 의한 광의 복굴절 효과를 기초로 한다. 따라서, 상기 액정표시소자는 표시현상에 있어서 표시광이 색을 띠는 문제가 생긴다. 문제가 되는 대표적인 예로 바탕은 황녹색이고 여기점은 어두운 청색이다.
본 고안의 목적은 대략 무채색화된 바탕을 가지도록 표시현상이 개선된 큰 트위스트각을 가지는 트위스티드 네마틱형 액정표시소자를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 서로 대향배열되어 그 사이에 액정층이 협지된 한쌍의 전극기판(11), (12)을 구비하고, 상기 액정층은 정의 유전이방형을 가지는 네카닉액정을 포함함과 동시에 선관성물질이 첨가되고, 상기 액정층의 두께 d(㎛)와 상기 네마틱액정의 광학이방성 Δn의 곱 Δn·d은 0.7㎛ 내지 1.2㎛ 범위내에 있고, 상기 각 전극기판(11), (12)은 전극기판(11), (12)에 인접한 액정분자(17)가 소정방향으로 배열되는 표면구조를 가지고, 상기 액정층은 그 두께방향을 따라서 160°내지 360°범위내에서 트위스트된 나선구조를 가지고, 상기 액정층 양측의 상기 전극기판(11), (12)에 인접배열된 한쌍의 편광기(15), (16)를 구비하고, 상기 각 편광기(15), (16)는 이 편광기(15), (16)에 인접한 전극기판(11), (12)의 액정분자(17)의 배열방향에 대하여 소정의 각 만큼 경사진 편광측(8), (9)을 가진 트위스티트네막틱형 액정표시소자에 있어서, 상기 편광기(15), (16)중 적어도 하나는 편광기(15), (16)의 편광측(8), (9)과 전극기판(11), (12)의 액정분자(17) 배열방향간의 불일치로 인해 야기 되는 복굴절 효과에 의한 발색을 상보 보상하는 분광특성을 가지도록 하므로써 소자로부터의 표시광을 대략 무채식화 하는 색편광기로 구성된 트위스티드네막틱형 액정표시소자가 제공된다.
색편광기는 전극기판의 액정분자 배열방향과 편광기의 편광축간의 불일치하므로써 투과율(또는 복굴절로 인한 발색)의 파장의존도를 보상하는 분광특성을 가진다. 이 결과, 상기 소자의 표시광은 색을 띠지 않거나, 대략 무채색화할 수 있다.
편광기 편광방향의 경사각은 전극기판의 액정분자배열방향에 대하여 20°내지 70°범위내에 있는 것이 바람직하다.
본 고안을 첨부된 도면을 참조하면서 이하 설명한다. 특히, 본 고안의 특징을 한층 더 명확하게 하기 위하여 종래예(일본국 공개특허공보 특개소 60-50511호와 일본국 공개특허공보 특개소 60-107020호)를 부가하여 설명한다.
제1도는 본 고안에 의한 액정표시소자에 있어서, 액정표시소자를 상측방향에서 관찰하는 경우에 전극기판의 액정분자배열방향(예를들어, 러빙방향)과, 액정분자의 트위스트방향과, 편광기의 편광축(또는 흡수축)간의 상관관계를 도시한다. 제2도는 상기 관계를 도시하는 사시도이다.
실제로, 제2도에 도시된 부재들은 일체로 조립된다.
종래예와 마찬가지로, 기판에 인접한 액정분자의 주측이 소정방향으로 배향되도록 배향처리된 표면구조를 가지는 상측전극기판(11) 및 하측전극기판(12)는 밀봉제로써 밀봉되고, 양전극기판간에 형성된 공간에는 선관성(또는 광학활성) 물질이 첨가된 네마틱액정이 채워진다.
그러나 본 고안에 따르면, 후술하는 바와 같이, 상측편광기(15) 및 하측편광기(16)중의 적어도 하나는 색편광기가 사용된다. (20)은 액정표시소자가 반사형인 경우에 하측편광기(16) 하부에 배열되는 반사판을 나타낸다.
종래예와 마찬가지로, 액정분자(17)의 트위스트방향(10)(커브형 화살표로 표시)과 트위스트각(α)는 상측전극기판(11)의 러빙방향(6)과, 하측전극기판(12)의 러빙방향(7)과, 네마틱액정에 첨가된 선광성물질의 종류 및 첨가량에 의해 결정된다. 특히, 트위스트방향은 선광성물질의 종류에 의해 결정된다.
트위스트각은 상측 및 하측전극기판(11) 및 (12)의 러빙방향(6) 및 (7)에 의해서 결정된다. 액정분자의 배향안정도는 선광성물질의 특정피치와, 그 첨가량과, 액정층의 두께에 의해 결정된다. 트위스트각(α)가 큰(예를들어, 대략 270°정도)경우에는, 배열처리방법으로서 러빙법대신에 공지된 경사증발법을 사용하는 것이 바람직하다.
예를들면, 산화규소(SiO)는 전극기판 표면에 대한 경사각이 3°내지 10°인 방향에서부터 증발되어 액정분자배향막을 형성한다. 즉, 전극기판에 인접한 액정분자의 기판에 대한 경사각(즉, 기울기각)이 커진다.
이러한 경우에, 제1도 및 제2도에 화살표로 표시된 러빙방향에 대한 역방향이 경사증발법의 방향으로서 채택된다. 트위스트각(α)가 360°이상인 액정구조는 광이 산란하도록 재배향되고, 이에 따라 액정층이 ON 상태에서 대략 문턱 전압정도의 전압이 인가되는 경우에는 표시콘트라스트가 열화되기 때문에 트위스트각(α)의 최대치는 360°로 제한된다.
트위스트각(α)의 하한은 콘트라스트와 시분할구동특성에 의해 결정되고 160°로 주어진다.
본 고안에 따르면, 상기 종래예의 구성에 부가하여 상측편광기(15)의 편광축(8)과 상측전극기판(11)의 러빙방향(6)간의 각β1과 하측편광기(16)의 편광축(9)와 하측전극기판(12)의 러빙방향(7)간의 각β2는, 콘트라스트, 밝기, 색깔등을 고려할때 20°내지 70°범위내에 있는 것이 바람직하다.
또한, 종래예와 마찬가지로 액정의 광학이방성과액정층의 두께가 각각 Δn과 d(㎛)로 주어지는 경우에, 본 고안에 의한 액정표시소자는 Δn·d 즉, 광경로차에 의존한다. 콘트라스트, 밝기, 색깔등을 고려하여 조건 0.7㎛Δn·d1.2㎛를 만족하는 경우에는 만족한 결과가 얻어진다.
광학이방성 Δn은 일반적으로 파장에 의존한다. 광학이방성은 단파장인 경우에는 증가하는 반면에 장파장인 경우에는 감소한다.
본 명세서에 사용된 광학이방성(Δn)의 값은 25℃의 온도에서 파장 6,328Å의 He-Ne 레이저비임을 이용하여서 측정된다.
광학이방성이 다른 파장에서 측정되는 경우에는, 본 명세서에 개시된 것과는 약간 다르게 된다.
다음은 본 고안의 특정실시예에 의한 액정표시소자의 구성 및 측정결과를 설명한다.
제3도는 액정표시소자를 상측방향에서 관찰하는 경우에 기판의 러빙방향과, 나선구조 액정분자의 트위스트방향 및 각과, 편광기의 편광측간의 상관관계를 도시한다. 사용된 액정은 네마틱액정으로 구성된다.
이 네마틱액정은 주성분으로서 비페닐액정과 에스테프시클로헥산(ECH)액정을 포함한다. 또 네마틱액정은 첨가물로서 무게비로 0.5%의 메르크코퍼레이션제선광성물질 (S 8110)을 포함한다.
상기 네마틱액정의 광학이방성 Δn은 0.123이다. 액정의 구성성분은 표1에 주어진다.
[표 1]
제3도에 있어서, 상측 및 하측전극기판(11)과(12)의 러빙방향(6)과(7)은 서로 평행하다. 트위스트방향(l0)과 180°의 트위스트각(α)은 선광성물질 S811에 의해서 결정된다. 상측편광기(15)의 편광축(8)은 하측편광기(16)의 편광축(9)에 평행하고, 편광축(8)과 러빙방향(6)간의 각β1과 편광축(9)의 러빙방향(7)간의 각β2는 각각 45°이다.
본 고안에 의한 액정표시소자에 있어서, 편광기의 편광축과 흡수축은 액정분자의 광축 또는 전극기판의 액정분자배열방향과 일치하지 않는다.
이에 따라, 액정분자는 복굴절을 행하게 되므로 상기 소자를 통한 광의 투과율은 파장에 의존하는 한편 소자의 표시광의 발색을 수반하게 된다.
그러나, 본 고안에 따르면, 액정층의 전후에 배열된 한쌍의 편광기중 적어도 하나는 소자의 표시광을 대략 무채색화하도록 하기 위해서 색편광기로 구성된다.
본 고안에서 사용가능한 색편광기의 분광특성을 최적화 하기에 앞서, 제5도에 도시된 바와 같은 분광특성을 가지는 뉴우트럴편광기(neutral polarizer)를 제2도에 도시한 상측(15) 및 하측편광기(16)으로서 사용되는 경우를 평가하였다.
제5도에 있어서, 커브(I)은 뉴우트럴편광기 분광투과율 특성을, 커브(Ⅱ)는 커브(I)로 표시한 분광투과율 특성을 가지는 두개의 뉴우트럴편광기가 서로 평행한 편광축을 가지도록 중첩되는 경우의 분광투과율 특성을, 커브(Ⅲ)은 두개의 뉴우트럴편광기가 서로 교차되는 편광축을 가지도록 중첩되는 경우의 분광투과율 특성을 표시한다.
상측(15) 및 하측편광기(16)으로서 뉴우트럴편광기를 사용하는 것을 제외하고는 제3도와 동일한 구성을 가지는 액정셀에 있어서 액정층 두께(d)의 다양한 값에 따라서 다양한 값의 Δn·d가 적용되는 경우의 표시색과 밝기를 상술한 종래예인 일본국 공개특허공보 특개소 60-50511호에서 시험하였다.
시험결과를 표 2에 나타낸다. 종래예인 일본국 공개특허공보 특개소 60-50511호에 개시되어 있는 바와 같이, Δn·d의 값이 0.7㎛ 내지 1.2㎛ 범위일때 발색문제가 제거된 실제로 유용한 표시소자가 제공된다.
[표 2]
종래예인 일본국 특허공개공보 특개소 60-50511호는 Δn·d의 값이 0.98㎛ 액정셀의 시분할구동특성의 측정결화를 개시하였다. 이 결과는 표 3의(8)에 도시된다. 표 3의(A)에는 Δn·d의 값이 각각 0.5㎛ 와 1.0㎛인 통상의 90°트위스트된 네마닉액정셀의 측정결과를 나타낸다.
표 3에서 있어서, r, Δø 및 m은 각각 휘도진압특성, 시각의존성 및 시분할성능을 표시한다.
[표 3]
시각(ø) 10°에서 휘도 90%에 대응하는 전압이 문턱전압(Vth1)으로 표시되고, 동일한 시각에서 휘도 50%에 대응하는 전압이 포화전압(Vsat1)으로 표시되고, 시각 40°에서 휘도 90%에 대응하는 전압이 문턱전압(Vth2)으로 표시될 때, r, Δø 및 m은 다음과 같이 정의된다.
r=Vsat1/Vth1Δø=Vth2/Vth1m=Vth2/Vsat1
시분할구동특성은 r의 값이 작을수록, Δø의 값 및 m의 값이 클수록 좋다. 따라서, 제3도에 도시된 구성에 있어서 특성 r, Δø 및 m 모두 통상의 90°트위스트된 셀보다 현저하게 개량된다는 사실을 표 3으로부터 알 수 있다.
제3도와 동일한 구성을 가지는 한편 상측(15) 및 하측편광기(16)이 뉴우트럴편광기이고 Δn·d의 값이 약 1㎛인 액정표시소자에 있어서 하측편광기(16)를 통해서 투과된 광의 분광투과율 특성은 제6도에 도시한다. 제6도에서 표시현상의 바탕은 황색임을 알 수 있다.
따라서, 제5도에 도시된 바와같은 분광특성을 가지는 뉴우트럴편광기가 상측 및 하측편광기로서 사용되는 경우에, 본 장치를 통한 분광투과율의 강도는 청색 영역으로 저하된다.
이러한 현상을 방지하기 위해서, 본 고안의 실시예에서는 제7도에 도시된 바와 같이 녹색영역 및/또는 대략 녹색영역에서의 투과율이 다른 분광영역에서보다 낮은 분광특성을 가지는 색편광기, 예를들면, 자홍색 또는 청자색 내지 적자색영역의 색을 나타내는 편광기를 하측편광기(16)으로서 사용한다. 제7도에 있어서, 커브(I)은 색편광기의 분광투과율특성을, 커브(Ⅱ)는 커브(Ⅰ)로 표시한 분광투과율 특성을 가지는 두개의 색편광기가 서로 평행한 편광축을 가지도록 중첩되는 경우의 분광투과율특성을, 커브(Ⅲ)은 두개의 색편광기가 서로 교차되는 편광축을 가지도록 중첩되는 경우의 분광투과율특성을 표시한다.
본 고안자들은 제3도와 동일한 구성을 가지는 한편 제5도의 커브(I)로 표시되는 분광투과율 특성을 가지는 뉴우트럴편광기와 제7도의 커브(I)로 표시되는 분광투과율특성을 가지는 색편광기가 각각 상측 및 하측편광기(15), (16)으로 사용되고 Δn·d의 값이 대략 1㎛인 액정표시소자의 하측편광기(16)을 통해서 투과된 광의 분광특성을 측정하였다. 특정결과는 제8도에 도시된다. 제8도에서 명백히 알 수 있는 바와 같이, 분광투과율특성은 제6도에 비하여 가시파장의 넓은 영역에서 대략 일정하다. 이 결과, 본 장치의 표시광은 대략 무색이 된다. 즉, 액정표시소자의 표시배경이 무채색화됨으로써 표시특성의 질이 대폭 개량된다.
제8도의 평가는 하측편광기(16)을 통해서 투과된 광에 의거하여 행하였다. 제2도의 반사판(20)에 의해 반사된 후에 다시 상측편광기(15)를 통과한 광의 분광특성과 유사한 결과에 얻어졌다.
특정 실시예에 의한 본 고안의 설명을 통해서, 본 고안의 주요점은 한쌍의 편광기중의 적어도 하나는 편광기의 편광축(또는 입사광의 편광면)과 전극기판의 배열방향(또는 기판에 인접한 액정분자의 광축)간의 불일치로 인하여 투과율의 파장의존도를 보상하는 색편광기로 구성된다는 것이다. 본 고안자들은, 트위스트각(α)이 160°내지 360°이고, Δn·d의 값이 0.7㎛ 내지 1.2㎛인 종래 기술에 부가하여, 제9도에 도시한 커브(A) 및 (B)간에 구획된 영역내의 분광특성을 가지는 색편광기를 사용하여 경사각(β1)과 (β2)이 각각 20°내지 70°이면, 실제로 만족할만한 결과를 얻는다는 사실을 밝혀냈다.
제3도에 있어서, 편광기의 편광축 대신에 흡수축을 배열하여도 동일 효과를 얻는다.
특정 실시예에서는 비페닐액정과 ECH 액정의 혼합물을 사용하였지만, 정의 유전 이방성을 가지는 다른 네마틱액정을 사용하여도 유사한 효과를 얻을 수 있다. 상기 실시예에서는 나선구조의 트위스트방향을 반시계방향으로 도시하였지만, 제4도에 도시된 바와같이 시계방향이더라도 상기 실시예에서와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
선광성물질의 종류는 개시된 물질에만 특별시 극한되는 것이 아니라, 제1도, 제3도 및 제4도에 도시한 러빙방향과 트위스트방향간의 상관관계를 가지는한 어느것이라도 사용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 서로 대향배열되어 그 사이에 액정층이 협지된 한쌍의 전극기판(11), (12)을 구비하고, 상기 액정층은 정의 유전이방성을 가지는 네마틱액정을 포함함과 동시에 선광성 물질이 첨가되고, 상기 액정층의 두께 d(㎛)와 상기 네마틱액정의 광학이방성 Δn의 곱 Δn·d은 0.7㎛ 내지 1.2㎛ 범위내에 있고, 상기 각 전극기판(11), (12)은 전극기판(11), (12)에 인접한 액정분자(17)가 소정방향으로 배열되는 표면구조를 가지고, 상기 액정층은 그 두께방향을 따라서 160°내지 360°범위내에서 트위스트된 나선구조를 가지고, 상기 액정층 양측의 상기 전극기판(11), (12)에 인접배열된 한쌍의 편광기(15), (16)를 구비하고, 상기 각 편광기(15), (16)은 이 편광기(15), (16)에 인접한 전극기판(11), (12)의 액정분자(17) 배열방향에 대하여 소정의 각 만큼 경사진 편광축(8), (9)을 가진 트위스티드네마틱형 액정표시소자에 있어서, 상기 편광기(15), (16)중 적어도 하나는 편광기(15), (16)의 편광축(8), (9)과 전극기판(11), (12)의 액정분자(17) 배열방향간에 불일치로 인해 야기되는 복굴절 효과에 의한 발색을 상보보상하는 분광특성을 가지도록 하므로써 소자로 부터의 표시광을 대략 무채색화 하는 색편광기로 구성되는 것을 특징으로 하는 트위스티드네마틱형 액정표시소자.
  2. 제1항에 있어서, 전극기판(11), (12)의 액정분자(17) 배열방향에 대한 편광축(8), (9)의 상기 소정의 경사각은 20°내지 70°범위내에 있는 것을 특징으로 하는 트위스티드네막틱형 액정표시소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 색편광기의 분광특성은 제9도의 커브(A)와 커브(B)간에 구획된 영역에 해당하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 트위스티드네마틱형 액정표시소자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 편광기중의 하나에 인접배열된 반사판(20)을 포함하고, 한 편광기는 상기 색편광기로 구성되는 한편, 다른 편광기는 뉴우트럴 편광기로 구성되는 것을 특징으로 하는 트위스티드네마틱형 액정표시소자.
  5. 제2항에 있어서, 상기 색편광기는 자홍색편광기인 것을 특징으로 하는 트위스티드네막틱형 액정표시소자.
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