광시야각 면상 스위칭 모드 액정표시장치{Wide viewing in-plane switching mode liquid crystal display}
본 발명은 경사면에서의 광시야각 확보가 가능한 면상 스위칭 모드 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치(liquid crystal display; LCD)는 대중적인 화상 표시장치로 널리 사용되고 있다. 그러나 여러 우수한 특성에도 불구하고 좁은 시야각이 대표적인 단점으로 지적되고 있다. 개발 초기 액정표시장치는 시야각이 좁아 정면이 아닌 경사면에서는 왜곡된 화상이 보였으나, 현재는 위상차 필름을 적용해 경사면에서도 어느 정도의 화질 구현이 가능하다. 더욱이 액정모드 기술의 발달로 위상차 필름을 사용하지 않아도 어느 정도의 광시야각 기술 구현이 가능한 액정모드가 등장하였으며, 상기 액정모드에 위상차 필름을 사용하는 기술을 조합하여 개발 초기의 액정표시장치와는 비교할 수 없을 정도의 좋은 화질을 구현할 수 있게 되었다. 그러나 액정표시장치에 사용되는 광학 소자들의 위상차는 파장에 따라 각각 다른 값을 가지기 때문에 파장 분산성을 고려하지 않고서는 빛샘이 없는 완벽한 암(Black) 상태를 구현하기 어려운 문제가 있으며, 또한 대형화된 액정표시장치에 적용하는 경우에는 화질이 더욱 떨어져 얼룩처럼 보이게 되는 문제가 있었다. 이에 본 발명자는 공개특허 제2011-12129호를 통해 수직 배향(VA) 모드 액정표시장치에서 파장 분산성을 고려한 위상차 보상 개념을 제안한 바 있었다.
본 발명은 경사면에서 투과되는 빛의 파장 분산성을 조절함으로써 광시야각 확보가 가능한 면상 스위칭 모드 액정표시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
1. 백라이트 유닛에서 출사되어 액정셀을 통과한 광이 제1 위상차층, 제2 위상차층 및 편광자의 순서로 통과하도록 구성된 상판 편광판을 포함하고, 제1 위상차층은 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 정파장 분산성 및 음의 굴절률비(NZ)에 대한 등분산성을 나타내고 포지티브 이축성 A의 특성을 나타내는 층이며, 제2 위상차층은 양의 굴절률비(NZ)에 대한 정파장 분산성 및 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 역파장 분산성을 나타내고 네거티브 이축성 A의 특성을 나타내는 층인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 2. 위 1에 있어서, 제1 위상차층은 -1.2≤NZ<0이고 40≤Ro≤120인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 3. 위 1에 있어서, 상기 제1 위상차층은 하기 수학식 4에서 c가 0인, 음의 굴절률비(NZ)에 대한 등분산성을 나타내고, 하기 수학식 5에서 a가 음수인, 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 정파장 분산성을 나타내는 면상 스위칭 모드 액정표시장치: [수학식 4] [수학식 5] (위 식들에서, λ0는 590nm의 기준파장이며, λ는 380 내지 780nm의 입사 파장을 나타냄). 4. 위 3에 있어서, -0.5≤a<0인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 5. 위 1에 있어서, 제2 위상차층은 1<NZ≤3.5이고 20≤Ro≤100인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 6. 위 1에 있어서, 제2 위상차층은 수학식 4에서 c가 음수인, 양의 굴절률비(NZ)에 대한 정파장 분산성을 나타내고 수학식 5에서 a가 양수인, 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 역파장 분산성을 나타내는 면상 스위칭 모드 액정표시장치: [수학식 4] [수학식 5] (위 식들에서, λ0는 590nm의 기준파장이며, λ는 380 내지 780nm의 입사 파장을 나타냄). 7. 위 6에 있어서, 0.0≤a≤2.2이고, -0.4≤c≤0.0인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 8. 위 6에 있어서, 0.6≤a≤1.6이고, -0.4≤c≤0.0인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 9. 위 6에 있어서, 0.6≤a≤2.2이고, -1.0≤c≤-0.6인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 10. 위 6에 있어서, 0.8≤a≤2.2이고, -1.0≤c≤-0.6인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 11. 위 6에 있어서, 1.2≤a≤1.8이고, -1.0≤c≤-0.6인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 12. 위 6에 있어서, 0.6≤a≤2.2이고, -1.4≤c≤-1.2인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 13. 위 6에 있어서, 1.0≤a≤2.2이고, -1.4≤c≤-1.2인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 14. 위 6에 있어서, 1.4≤a≤2.2이고, -1.4≤c≤-1.2인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 15. 위 6에 있어서, 0.8≤a≤2.2이고, -1.8≤c≤-1.6인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 16. 위 6에 있어서, 1.2≤a≤2.2이고, -1.8≤c≤-1.6인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 17. 위 6에 있어서, 1.6≤a≤2.2이고, -1.8≤c≤-1.6인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 18. 위 1에 있어서, 제1 위상차층은 필름이고 제2 위상차층은 필름 상에 형성된 코팅층인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 19. 위 18에 있어서, 코팅층은 반응성 액정 단량체를 포함하는 코팅 조성물로 형성된 것인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 20. 위 1에 있어서, 상판 편광판은 편광자를 통과한 빛이 지나가는 위치에 제1 보호 필름을 포함하는 것인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 21. 위 1에 있어서, 백라이트 유닛에서 출사된 광이 제2 보호 필름, 편광자 및 제3 위상차층의 순서로 통과하도록 구성된 하판 편광판을 포함하는 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 22. 위 21에 있어서, 제3 위상차층은 정면 위상차(Ro)가 0~10nm이고 두께 방향 위상차(Rth)가 0~10nm인 면상 스위칭 모드 액정표시장치. 23. 위 21에 있어서, 제3 위상차층은 트리아세틸셀룰로오스계 필름인 면상 스위칭 모드 액정표시장치.
본 발명은 경사면에서 투과된 빛의 분산성이 효과적으로 제어된 면상 스위칭 모드 액정표시장치를 제공할 수 있다. 본 발명의 면상 스위칭 모드 액정표시장치는 경사면에서의 빛샘이 줄어 보다 완벽한 암(Black) 상태를 구현할 수 있고 보다 광범위한 시야각을 제공할 수 있다. 본 발명의 면상 스위칭 모드 액정표시장치는 두 층의 위상차층의 파장 분산성이 통합적으로 고려된 위상차 보상 개념에 따라 설계되었기 때문에 단일 층의 위상차층의 광학 특성(NZ, Ro, Rth, 파장 분산성 등)을 제어하여 위상차를 보상하는 다른 액정표시장치들에 비해 세밀하고 정확하게 위상차 보상을 할 수 있다. 본 발명의 면상 스위칭 모드 액정표시장치가 제2 위상차층을 코팅층 형태로 포함하는 경우에는 필름 형태의 제1 위상차층을 기재로 그 위에 바로 형성시킬 수 있어 공정이 보다 간단해 질 수 있다.
도 1은 본 발명의 면상 스위칭 모드 액정표시장치의 구조의 한 예를 나타낸다.
도 2는 위상차 필름의 굴절률(n x , n y , n z )에 대해 설명한다.
도 3은 빛의 분산 정도를 푸앙카레구 상의 좌표를 이용하여 계산하는 방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 경사면(θ=60°, Φ=45°) 방향으로 나오는 빛의 편광 상태 변화를 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 경사면(θ=60°, Φ=45°) 방향에서의 암(black) 상태의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 비교예에서 경사면(θ=60°, Φ=45°) 방향으로 나오는 빛의 편광 상태 변화를 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 비교예에서 경사면(θ=60°, Φ=45°) 방향에서의 암(black) 상태의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예의 경사면(θ=60°, Φ=45°)에서의 블랙 휘도를 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 좌표계에서 θ 및 Φ의 정의를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 백라이트 유닛에서 출사되어 액정셀을 통과한 광이 제1 위상차층, 제2 위상차층 및 편광자의 순서로 통과하도록 구성된 상판 편광판을 포함하고, 상기 제1 위상차층은 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 정파장 분산성 및 음의 굴절률비(NZ)에 대한 등분산성을 나타내고 포지티브 이축성 A의 특성을 나타내는 층이며, 상기 제2 위상차층은 양의 굴절률비(NZ)에 대한 정파장 분산성 및 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 역파장 분산성을 나타내고 네거티브 이축성 A의 특성을 나타내는 층으로 구성됨으로써 경사면에서 투과되는 광의 분산성을 줄일 수 있어 광시야각 확보가 가능한 면상 스위칭 모드 액정표시장치에 관한 것이다. 이하 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명의 면상 스위칭 모드 액정표시장치의 구조는 예컨대 도 1과 같다. 통상의 액정표시장치와 같이, 본 발명의 면상 스위칭 모드 액정표시장치는 백라이트 유닛(40), 하판 편광판(10), 면상 스위칭 모드 액정셀(30) 및 상판 편광판(20)을 포함한다. 상판 편광판(20)은 백라이트 유닛(40)에서 출사되어 액정셀(30)을 통과한 광이 제1 위상차층(21), 제2 위상차층(22) 및 편광자(23)의 순서로 통과하도록 구성된다. 제1 위상차층(21), 제2 위상차층(22) 및 편광자(23)는 위와 같은 순서로 위치하기만 하면 이들 사이에 통상의 점착제층, 접착제층, 보호층 등을 포함하는 것은 무방하다. 다만, 본 발명에서 설계된 위상차 보상에 영향이 없도록 광의 위상차를 변화시키지 않는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 편광자(23)를 통과한 광이 지나가는 위치에 통상의 경우와 같이 제1 보호 필름(24)이 구비될 수 있다. 제1 보호 필름(24)은 물리적으로 약한 편광자를 보호하는 역할을 담당한다. 제1 보호 필름(24)으로는 광의 위상차에 영향을 되도록 적게 주는 필름을 사용하는 것이 좋다. 제1 보호 필름(24)의 외각에는 액정표시장치의 시인 측 표면에 포함될 수 있는 다양한 기능성층들이 추가로 포함될 수 있다. 예컨대, 접착층 또는 점착층, 보호층, 위상차층, 방현층, 반사방지층, 대전방지층 및 하드코팅층 등이다. 하판 편광판(10)은 백라이트 유닛(40)에서 출사된 광이 제2 보호 필름(13), 편광자(12) 및 제3 위상차층(11)의 순서로 통과하도록 구성된다. 제2 보호 필름(13), 편광자(12) 및 제3 위상차층(11)이 위와 같은 순서로 위치하기만 하면 이들 사이에 통상의 점착제층, 접착제층, 보호층 등이 포함되는 것은 무방하다. 다만, 이들 층은 백라이트 유닛(40)에서 출사된 광의 위상차를 거의 변화시키지 않는 것이 바람직하다. 제2 보호 필름(13)은 제1 보호 필름(24)과 마찬가지로 물리적으로 약한 편광자를 보호하는 역할을 담당하고, 백라이트 유닛(40)에서 출사된 광의 위상차에 영향을 되도록 적게 주는 필름을 사용하는 것이 좋다. 제3 위상차층(11)으로는 예컨대 정면 위상차(Ro)가 0~10nm이고 두께 방향 위상차(Rth)가 0~10nm인 트리아세틸셀룰로오스계 필름을 사용할 수 있다. 제3 위상차층(11)은 트리아세틸셀룰로오스계 이외의 다른 재료로 제조될 수 있으나 트리아세틸셀룰로오스계 재료가 바람직하다. 이하 제1 위상차층(21) 및 제2 위상차층(22)에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 제1 위상차층(21)은 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 정파장 분산성 및 음의 굴절률비(즉, NZ가 음수인 경우)에 대한 등분산성을 나타내고 포지티브 이축성 A의 특성을 나타내는 층으로 구성된다. 제2 위상차층(22)은 양의 굴절률비(즉, NZ가 양수인 경우)에 대한 정파장 분산성 및 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 역파장 분산성을 나타내고 네거티브 이축성 A의 특성을 나타내는 층으로 구성된다. 본 발명에서 '파장 분산성'은 기준 파장에서의 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)에 대한, 파장 380 내지 780nm에서의 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)의 변화 경향을 의미한다. 즉, 기준 파장에서의 굴절률비(NZ)에 대한 파장 380 내지 780nm에서의 굴절률비(NZ)의 변화 경향을 '굴절률비(NZ)에 대한 파장 분산성'이라 하고, 기준 파장에서의 정면 위상차값(Ro)에 대한 파장 380 내지 780nm에서의 정면 위상차값(Ro)의 변화 경향을 '정면 위상차값(Ro)에 대한 파장 분산성'이라 한다. 파장 분산성에는 파장이 증가할수록 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값 (Ro)이 감소하는 정파장 분산성(normal dispersion)과 반대로 파장이 증가할수록 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)이 함께 증가하는 역파장 분산성(inverse dispersion)이 포함된다. 또한 파장 변화에 따라 굴절률비 또는 위상차값의 변화가 없는 경우는 등분산(flat dispersion)이라 한다. 이러한 파장 분산성은 380 내지 780nm의 입사 파장에 따른 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)을 측정한 후, 입사 파장 중 임의의 2점 또는 3점 사이의 굴절률비(NZ) 또는 정면 위상차값(Ro)의 변화량(기울기)으로 표현할 수 있다. 따라서 기준 파장을 590nm로 보는 경우, 위상차 필름의 정면 위상차값(Ro)에 대한 파장 분산성은 입사 파장 590nm의 정면 위상차값(Ro(590nm))에 대한 입사 파장 380nm에서의 정면 위상차값(Ro(380nm))의 비(Ro(380nm)/Ro(590nm))로 나타낼 수 있다. 액정표시장치의 위상차 제어에 사용되는 위상차 필름의 광학 특성은 가시광선 영역 내의 전 파장에 대해서 하기 수학식 1 내지 3에 의해 정의된다. 일반적으로 위상차 필름의 광학 특성은 광원의 파장에 대한 언급이 없는 경우 가장 쉽게 얻을 수 있는 590nm에 대한 광학특성으로 나타낸다. 이러한 위상차 필름의 광학특성은 굴절률로 정의된다. 도 2는 위상차 필름의 굴절률을 설명하기 위한 모식도로, 통상의 경우와 같이 Nx는 면상에서 굴절률이 가장 큰 방향의 굴절률이고, Ny는 면상에서 Nx의 수직 방향 굴절률이고, Nz는 두께 방향의 굴절률을 나타낸다. [수학식 1] Rth = [(Nx + Ny) / 2 - Nz] × d (여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny이며, Nz는 필름의 두께 방향 굴절률, d는 필름의 두께를 나타냄) [수학식 2] Ro = (Nx - Ny) × d (여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny이며, d는 필름의 두께를 나타냄) [수학식 3] NZ = (Nx - Nz) / (Nx - Ny) = Rth / Ro + 0.5 (여기서, Nx, Ny는 면상 굴절률로서 Nx ≥ Ny, Nz는 필름의 두께 방향 굴절률을 나타냄) 상기 수학식 1의 Rth는 면상 평균 굴절률에 대한 두께 방향의 굴절률의 차이를 나타낸 두께 방향 위상차값이고, 수학식 2의 Ro는 빛이 필름의 법선방향 (수직방향)을 통과했을 때 실질적인 위상차인 정면 위상차 값이다. 또한 수학식 3의 NZ는 굴절률비로 이에 따라 위상차 필름으로 사용되는 플레이트의 종류가 구분될 수 있다. 이론적으로는 1) 위상차가 존재하지 않는 광축이 필름의 면상 방향으로 존재하는 경우는 A 플레이트; 2) 광축이 필름 면의 수직방향으로 존재하는 경우는 C 플레이트; 3) 광축이 두 개 존재할 때는 이축성 플레이트라고 한다. 보다 구체적으로는 1) NZ가 1일 경우 굴절률은 Nx>Ny=Nz 관계를 가지고 '포지티브 A 플레이트(POSITIVE A PLATE)' 라고 하며; 2) 1<NZ 인 경우 굴절률은 Nx>Ny>Nz를 만족하고 '네가티브 이축성 A 플레이트(NEGATIVE BIAXIAL A PLATE)'라고 하며; 3) 0<NZ<1인 경우 굴절률은 Nx>Nz>Ny의 관계를 가지고 'Z축 배향 필름'이라고 하며; 4) NZ=0인 경우 굴절률은 Nx=Nz>Ny의 관계를 가지고 '네가티브 A 플레이트(NEGATIVE A PLATE)'라고 하며; 5) NZ<0인 경우 굴절률은 Nz>Nx>Ny의 관계를 가지고 '포지티브 이축성 A 플레이트(POSITIVE BIAXIAL A PLATE)'라고 하며; 6) NZ=∞인 경우 굴절률은 Nx=Ny>Nz의 관계를 가지고 '네가티브 C 플레이트(NEGATIVE C PLATE)'라고 하며; 7) NZ=-∞인 경우 굴절률은 Nz>Nx=Ny의 관계를 가지고 '포지티브 C 플레이트(POSITIVE C PLATE)'라고 한다. 본 발명의 제1 위상차층(21)은 Nz>Nx>Ny의 관계에 있어 NZ<0인 포지티브 이축성 A의 특성을 나타낸다. 제1 위상차층(21)의 굴절률비는 -1.2≤NZ<0인 것이 바람직하며, 정면 위상차값(Ro)은 40≤Ro≤120인 것이 바람직하다. 본 발명의 제2 위상차층(22)은 Nx>Ny>Nz를 만족하여 NZ>1인 네거티브 이축성 A의 특성을 나타낸다. 제1 위상차층(21)의 굴절률비는 1<NZ≤3.5인 것이 바람직하며, 정면 위상차값(Ro)은 20≤Ro≤100인 것이 바람직하다. 제1 위상차층(21) 및 제2 위상차층(22)은 연신 타입으로 제조될 수 있다. 위상차 필름은 보통 연신을 통해서 위상차를 부여하는 데 연신 방향으로 굴절률이 커지는 필름을 '양(+)의 굴절률 특성' 이라 하고 연신 방향으로 굴절률이 작아지는 필름을 '음(-)인 굴절률 특성'이라고 한다. 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 위상차 필름은 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 시클로올레핀폴리머(COP), 시클로올레핀코폴리머(COC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰(PSF) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군에서 선택된 것으로 제조할 수 있다. 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 위상차 필름은 변성폴리스티렌(PS) 또는 변성폴리카보네이트(PC)로 제조할 수 있다. 상기 연신 방법은 고정단 연신과 자유단 연신으로 구분된다. 고정단 연신은 필름의 연신 공정 중 연신하는 방향 이외의 다른 방향의 길이를 고정시키는 방법이고, 자유단 연신은 필름의 연신 공정 중 연신하는 방향 이외의 다른 방향에 자유도를 부여하는 방법이다. 일반적으로 필름은 연신하면 연신 방향 이외의 다른 방향은 수축하게 되나 Z축 배향필름은 연신 공정 이외에 별도의 수축 공정이 요구된다. 연신 공정 시 롤(Roll) 상태의 필름이 풀리는 방향은 MD방향(Machine Direction, 기계방향)이라고 하며, 이에 수직한 방향을 TD방향(Transverse Direction)이라고 한다. 자유단 연신은 MD방향으로 연신하는 것이고, 고정단 연신은 TD방향으로 연신하는 것이다. 이러한 연신방법(단 1차 공정만 적용했을 때)에 따라 NZ 및 플레이트의 종류가 달라지는데 이를 구체적으로 정리하면 다음과 같다. 1) 포지티브 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신하고; 2) 네가티브 이축성 A 플레이트는 양(+)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 고정단 연신하고; 3) Z축 배향필름은 양(+)의 굴절률 특성 또는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신 후 고정단 수축시키고; 4) 네가티브 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 자유단 연신하고; 5) 포지티브 이축성 A 플레이트는 음(-)의 굴절률 특성을 갖는 필름을 고정단 연신하여 제조할 수 있다. 이외에도 위상차 필름은 상기 1차 연신 이외에 2차 연신 및 첨가물 적용 등의 추가 공정을 적용하여 지상축(Slow Axis)의 방향, 위상차값 및 NZ의 값 등의 광학특성을 제어할 수 있다. 이의 추가 공정은 당 분야에서 일반적으로 적용되는 공정으로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않는다. 또한, 제1 위상차층(21) 및 제2 위상차층(22)은 연신 필름 형태인 제2 위상차층(22) 및 제1 위상차층(21) 상에 형성된 코팅층일 수 있다. 즉, 제1 위상차층(21)이 필름 형태인 경우 제2 위상차층(22)은 그 필름을 기재로 그 위에 형성된 코팅층일 수 있고 제2 위상차층(22)이 필름 형태인 경우 제1 위상차층(21)은 그 필름을 기재로 그 위에 형성된 코팅층일 수 있다. 코팅층은 반응성 액정 단량체(reactive mesogens) 등의 위상차를 부여할 수 있는 것으로 알려진 재료들을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명에서 반응성 액정 단량체는 중합이 가능한 말단기를 포함한 액정 물질로서 액정성을 발현하는 메조겐(mesogen)과 중합이 가능한 단말기를 포함하여 액정상을 갖게 되는 단량체 분자를 의미한다. 특정한 구조의 반응성 메조겐으로 한정되지 않는다. 예컨대, 반응성 메조겐은 말단의 (메타)아크릴레이트기에 형성된 자유 라디칼에 의해 광중합 반응이 일어나는 구조일 수 있다. 반응성 메조겐 말단의 자유 라디칼(free radical)이 안정화되어 유지되어야 광경화 반응에 유리하다. 반응성 메조겐의 코어 부분이 평면 구조를 가지는 경우, 인접한 반응성 메조겐들이 상대적으로 쉽게 적층되는 구조를 형성할 수 있다. 이에 따라 반응성 메조겐의 페닐 링들 간의 파이-파이 작용이 발생하여 공명이 증가되며 더 많은 광경화 반응이 일어날 수 있다. 반응성 액정 단량체는 코팅액 조성물 중에 예컨대 0.1 내지 5 중량% 포함될 수 있다. 코팅층을 구성하는 조성물에는 반응성 액정 단량체 외에 개시제가 포함될 수 있다. 개시제는 반응성 메조겐(RM)의 경화 반응을 촉진시키기 위해 이용될 수 있다. 개시제는 약 300nm 내지 약 400nm의 UV를 흡수하여 아주 쉽게 라디칼로 분해되어 UV에 의한 광중합반응을 촉진시킨다. 개시제를 포함하는 경우 장파장 UV를 사용하기 때문에 다른 유기재료에 치명적인 단파장 UV를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 개시제는 예컨대 반응성 액정 단량체의 전체 중량에 대해 0.1중량% 내지 5중량% 포함될 수 있다. 본 발명의 제1 위상차층(21)은 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 정파장 분산성 및 음의 굴절률비(NZ)에 대한 등분산성을 나타낸다. 이에 대해서는 하기 수학식 4 내지 6을 참고하여 설명한다. 하기 수학식 4 내지 6은 위상차 필름의 파장 분산성을 나타내는 일례의 방법이다. 각 수학식은 입사 파장과 굴절률비(NZ)의 관계(수학식 4), 입사 파장과 정면 위상차값(Ro)의 관계(수학식 5) 및 입사광의 파장과 두께 방향 위상차값(Rth)의 관계(수학식 6)로 나타낸다. 이때, 입사 파장(λ)은 380nm 내지 780nm이다. 수학식 4 내지 6은 각각 NZ(λ)/NZ(λ0)=λ/λ0, Ro(λ)/Ro(λ0)=λ/λ0, 및 Rth(λ)/Rth(λ0)=λ/λ0인 경우(단, λ0=590nm)의 a, b 및 c를 각각 1로 정의하였다. 상기 정의는 액정이 정파장 분산성일 때 이를 완벽하게 보상하기 위한 위상차 필름의 역파장 분산성을 수식으로 정의한 것이다. 수학식 4 내지 6에서 a, b 및 c는 각각 λ0=590nm에서 Ro(λ)/Ro(λ0)=λ/λ0, Rth(λ)/Rth(λ0)=λ/λ0 및 NZ(λ)/NZ(λ0)=λ/λ0일 때를 기준으로 임의의 입사 파장의 값을 상대적으로 표현한 것이다. 이를 통해 위상차층의 파장분산성이 각각의 경우 a, b, c의 값을 통해 표현될 수 있다. [수학식 4] 상기 식에서, λ는 380 내지 780nm의 입사파장이고, λ0는 590nm의 기준파장이다. 상기 식에서 c=1일 때 [NZ(λ)/NZ(590)]=[λ/590]이다. 수학식 4는 1차 방정식의 일반적인 형태로 보면 NZ(λ)/NZ(λ0)=c[(λ-λ0)/λO]+1으로 NZ(λ)/NZ(λ0)=Y와 (λ-λ0)/λ0=X의 관계로 나타낼 수 있다. 구체적으로 c는 기준파장의 굴절률비[NZ(λ0)]에 대한 입사파장의 굴절률비[NZ(λ)]의 비인 Y와, 기준파장[λ0]에 대한 입사파장과 기준파장의 차이값[(λ-λ0)]의 비인 X의 관계로부터 얻어지는 기울기를 나타낸다. 하기 a 및 b도 유사한 패턴으로 기울기를 나타낸다. [수학식 5] 상기 식에서, λ는 380 내지 780nm의 입사파장이고, λ0는 590nm의 기준파장이다. 상기 식에서 a=1일 때 [Ro(λ)/Ro(590)]=[λ/590]이다. [수학식 6] 상기 식에서, λ는 380nm 내지 780nm의 입사파장이고, λ0는 590nm의 기준파장이다. 상기 식에서 b=1일 때 [Rth(λ)/Rth(590)]=[λ/590]이다. 본 발명에서, 제1 위상차층(21)의 모든 정면 위상차값(Ro)에 대한 파장분산성이 정파장 분산성을 나타낸다는 것은 상기 수학식 5에서 a가 음수임을 나타내며, 음의 굴절률비(NZ)에 대한 등분산성을 나타낸다는 것은 상기 수학식 4에서 c가 0임을 나타낸다. 본 발명에서 제1 위상차층(21)의 정면 위상차값(Ro)에 대한 파장분산성 기울기(a)는 -0.5 내지 0 사이의 값을 가지며(-0.5≤a<0), 바람직하게는 상기 기울기(a)가 0(등분산)에 가까워지는 경우 더 좋은 특성을 갖는다. 또한, 본 발명에서 제2 위상차층(21)의 파장분산성이 굴절률비(NZ)가 양수일 때 정파장 분산성을 나타낸다는 것은 상기 수학식 4에서 c가 음수임을 나타낸다. 푸앙카레구상에서 굴절률비(NZ)는 빛이 이동하는 경로의 방향을 나타내므로 c가 양수가 되면 액정의 편광상태 변화와 동일한 방향으로 이동하게 되어 빛샘이 더 커지는 문제가 있다. 또한 파장분산성이 정면 위상차값(Ro)이 모든 수(0, 양수)일 때 역파장 분산성을 나타낸다는 것은 상기 수학식 5에서 a가 양수임을 나타낸다. 액정표시장치의 위상차를 효과적으로 제어하기 위해서 상기 a와 c는 0≤a≤2.2, -1.8≤c≤0의 범위를 만족하는 것이 좋다. 상기 c는 면상 스위칭 모드 액정표시장치에서 상판 편광판의 편광자를 통과하기 직전의 380nm 및 780nm 파장의 각 편광상태가 푸앙카레구 상에서 원점을 기준으로 이루는 각도인 사이각을 0°에 가깝도록 하는 범위를 유지하는 것이 좋다. 상기 c가 작아질수록 사이각의 크기는 작아지게 되나, c가 -1.8 미만으로 감소하는 경우 Rth의 범위가 단파장에서는 양수, 장파장에서는 음수를 갖게 되어 구현이 불가능해지게 된다. 하기의 표 1은 상기 a와 c의 값에 따른 사이각의 변화를 나타낸 것이다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 0.0≤a≤2.2 및 -0.4≤c≤0.0, 0.6≤a≤2.2 및 -1.0≤c≤-0.6, 0.6≤a≤2.2 및 -1.4≤c≤-1.2, 또는 0.8≤a≤2.2 및 -1.8≤c≤-1.6 중 하나의 범위를 만족할 경우 상기 사이각은 약 40°이내의 범위를 유지할 수 있게 된다. 또한, 바람직하게는 상기 a와 c의 값은 0.6≤a≤1.6 및 -0.4≤c≤0.0, 0.8≤a≤2.2 및 -1.0≤c≤-0.6, 1.0≤a≤2.2 및 -1.4≤c≤-1.2, 또는 1.2≤a≤2.2 및 -1.8≤c≤-1.6 중 하나의 범위를 만족할 경우 상기 사이각은 약 30°이내의 범위를 유지할 수 있게 된다. 또한, 더욱 바람직하게는 상기 a와 c의 값은 1.2≤a≤1.8 및 -1.0≤c≤-0.6, 1.4≤a≤2.2 및 -1.4≤c≤-1.2, 또는 1.6≤a≤2.2 및 -1.8≤c≤-1.6 중 하나의 범위를 만족할 경우 상기 약 20°이내의 범위를 유지할 수 있게 된다. 본 발명에 따른 액정표시장치의 파장 분산성을 푸앙카레구상의 편광상태 변화로 설명하면 다음과 같다. 본 발명에서 액정표시장치의 파장 분산성을 설명하기 위한 경사각은 도 9에 나타난 반원좌표계에서 θ=60°, Φ=45°방향을 의미하며(이때 z축 방향이 액정표시장치의 정면 방향을 의미함), 이 방향으로 나오는 빛의 편광상태 변화를 전파장에 대해 푸앙카레구상에 표현함으로써 파장 분산성을 확인할 수 있다. 액정표시장치를 경사각(θ=60°, Φ=45°)에서 바라봤을 때 액정표시장치의 380nm와 780nm 파장에서의 편광상태는 푸앙카레구(Poincare Sphere) 표면상에 두 점으로 표현된다. 이러한 두 점과 푸앙카레구상에서 원점을 연결하면 도 3과 같은 그림으로 표현된다. 이때 두 점간의 간격은 파장에 따라 편광상태의 차이를 의미하고, 두 점간의 간격은 상판 편광판의 편광자를 통과하기 직전에 가장 넓게 벌어지게 되어 경사면에서 화질이 떨어진다. 구체적으로 푸앙카레구상에서 파장 380nm에 대한 편광상태는 x, y, z 직교좌표계상, 파장 780nm에 대한 편광상태는 x', y', z' 직교좌표계상으로 표현된다. 푸앙카레구(Poincare Sphere)는 반지름이 1이므로 파장 380nm와 파장 780nm의 편광상태를 나타내는 두 점의 거리의 반(1/2)과, 좌표계의 원점과 두 점을 연결한 사이각의 반(1/2)은 하기 수학식 7과 같이 표현된다. 이때 하기 수학식 8로 표현되는 사이각은 파장 분산의 정도를 나타내는 것으로 각 광학소자를 통과할수록 커지게 되며 상판의 편광자를 통과하기 직전에 최대가 된다. [수학식 7] [수학식 8] 상기 380nm와 780nm은 가시광선 영역의 최대 및 최소값에 해당하는 것으로 통상 광학소자의 분산특성을 가장 명확하게 보여주는 파장이다. 380nm와 780nm 파장 사이에 존재하는 임의의 두 파장의 사이각은 380nm와 780nm 파장에서 형성된 사이각 보다 항상 작기 때문에 380nm와 780nm 파장에서 형성된 사이각이 가시광선 범위내의 사이각들 중 최대값이 된다. 따라서 380nm와 780nm에서 사이각만으로 액정표시장치의 광학특성을 명확하게 제시할 수 있다. 본 발명의 푸앙카레구상에서 380nm와 780nm 파장에서 형성된 사이각은 빛샘 방지 측면에서 0에 가까울수록 좋으나, 적어도 45°이하(0 내지 45°), 바람직하기로는 40°이하를 유지하는 것이 좋다. 이하에서는, 상기 구성에 의한 액정표시장치의 전압 비인가 시 전시야각에서 암상태 구현에 대한 효과를 실시예와 비교예에서 정리하였다. 본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 첨부된 특허청구범위에 의하여 확정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 도 1에 도시된 바와 같이 각 광학필름과 액정셀을 적층하여 면상 스위칭 모드 액정표시장치를 구성하였다. 이중 하판 편광판(10)의 위상차층(11)으로는 Ro, Rth가 0~10nm인 NRT를 사용하였고, 상판 편광판(20)의 제1 위상차층(21)으로는 Ro가 60, Rth가 -90nm, NZ가 -1의 값을 가지도록 구성하였다. 제2 위상차층(22)으로는 590nm를 기준으로 Ro가 93.5nm, Rth가 81.95nm, NZ가 1.37의 값을 가지도록 구성하였으며, 각각 수학식 4 내지 6을 만족할 때 Ro의 기울기(a)가 2.0, NZ의 기울기(c)가 -1.8이 되도록 구성하였다. 상기와 같은 면상 스위칭 모드 액정표시장치의 파장에 따른 푸앙카레구상의 편광상태 변화는 도 4에 나타내었다. 구체적으로 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에서 하판 편광자(12)를 통과했을 때 편광상태는 1, 하판 위상차 필름(11)을 통과했을 때 편광상태 2, 액정셀(30)을 통과했을 때 편광상태 3 및 제1 위상차 필름(21)을 통과했을 때 편광상태 4, 제2 위상차 필름(22)을 통과했을 때 편광상태는 5로 표현된다. 이 중 액정표시장치의 푸앙카레구상의 직교 좌표계에서 상판의 편광자(23)를 지나기 직전의 편광상태 5의 380nm 파장(도면에서 A로 표시된 부분)과 780nm 파장 (도면에서 B로 표시된 부분)의 편광상태가 푸앙카레구의 원점을 기준으로 이루는 각도는 8.19666°라는 것을 확인할 수 있었다. 도 5는 상기 면상 스위칭 모드 액정표시장치의 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸 것으로, 스케일상의 범위는 투과율 0% 내지 0.2%이다. 이때, 중앙의 검정색의 범위가 넓을수록 넓은 시야각을 나타내는 것으로 실시예의 경우 전 범위에서 투과율의 최대값이 0.03%이며, 검정색의 범위가 넓은 것을 보아 광시야각의 확보가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
비교예 상기 실시예와 동일하게 실시하되, c가 1이고 a가 1인 제2 위상차 필름을 사용하여 면상 스위칭 모드 액정표시장치를 제조하였다. 상기 면상 스위칭 모드 액정표시장치의 파장에 따른 푸앙카레구상의 편광상태 변화는 도 6에 나타내었다. 구체적으로 푸앙카레구(Poincare Sphere)상에서 하판 편광자(12)를 통과했을 때 편광상태는 1, 하판 위상차 필름(11)을 통과했을 때 편광상태 2, 액정셀(30)을 통과했을 때 편광상태 3 및 제1 위상차 필름(21)을 통과했을 때 편광상태 4, 제2 위상차 필름(22)을 통과했을 때 편광상태는 5로 표현된다. 이 중 액정표시장치의 푸앙카레구상의 직교 좌표계에서 상판의 편광자(23)를 지나기 직전의 편광상태 5의 380nm 파장(도면에서 A'로 표시된 부분)과 780nm 파장 (도면에서 B'로 표시된 부분)의 편광상태가 푸앙카레구의 원점을 기준으로 이루는 각도는 약 48°라는 것을 확인할 수 있었다. 도 7은 암(BLACK)을 화면에 표시할 경우의 시감도 전방위 투과도 분포를 나타낸 것으로, 실시예에 비해 밝게 표시된 부분이 많은 것을 보아 경사면에서의 빛샘이 많은 것을 확인할 수 있었다. 도 8은 본 발명의 실시예와 비교예의 사면에서의 암부 휘도를 비교한 그래프이다. 그래프에서 X축은 경사각, Y축은 휘도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 비교예(ref.)의 경우 경사각이 커질수록 휘도가 증가하나 실시예의 경우에는 휘도의 증가 정도가 현저히 낮은 것을 알 수 있다.
10: 하판 편광판
11: 제3 위상차층
12: 편광자(하판)
13: 제2 보호층
20: 상판 편광판
21: 제1 위상차층
22: 제2 위상차층
23: 편광자(상판)
24: 제1 보호층
30: 면상 스위칭 모드 액정셀
40: 백라이트 |
