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차세대 반사형 액정기술

자료제공: 국제테크노정보연구소
관련자료안내: 액정 디스플레이 시스템 설계

반사형 컬러 LCD의 고휘도화, 고 콘트라스트화광색역화를 동시에 달성하기 위하여 지향성 컬러 반사막을 개발하여, 1장 편광자와 조합하여 TFT 구동으로 지향성 컬러 반사에 의한 동영상 표시를 실증하고, 컬러바 표시의 특성평가에 의해, 시야각의 절반에 상당하는 지향성각 이내에서는 반사이득에 의한 고휘도화, off-axis 반사에 의한 고 콘트라스트화 및 홀로그램 컬러 반사에 의한 광색역화를 확인한 결과를 샤프사의 기술자료를 토대로 그 개요를 해설한다.

서론

투과형 컬러액정의 백라이트를 확산 반사판으로 치환한 반사형 컬러 LCD가 MIM 구동에 의해 실현되었다. 반사형 표시의 밝기를 우선하기 때문에 색역이 좁았지만, 밝기(B) 14%, 콘트라스트(CR) 8을 얻을 수 있었다. 컬러필터를 사용하지 않는 전계제어 복굴절 모드에 의해, 표시성능 B=20% 및 CR=3이 보고되었다. 풀컬러 표시에 이르지 않았지만, 전자시스템 메모장의 멀티컬러화로 실용화 되었다. 편광자를 사용하지 않는 게스트호스트 액정을 적용해서 계조제어를 가능하게 하여 4096색을 표시할 수 있게 되었다. 표시특성은 B=30%, CR=5. 게스트호스트 액정보다 고속 응답 및 고 콘트라스트가 기대되는 1장 편광표시 모드를 이용한 반사형 TFT 패널이 시제되어 초기특성으로 B=30%, CR=10가 달성되어, 64계조 표시에 의해 26만색 표시가 가능해졌다.
신문지(B 50%, CR5) 정도 이상의 컬러인쇄 성능을 표시하려면, 특히 반사휘도의 향상이 요망되고 있다. 여기서는 지향성 컬러 반사에 의한 고휘도화, 고 콘트라스트화, 광색역화에 대해 보고한다.

지향성 컬러 반사 기능에 대하여

확산 반사막으로 금속 요철 반사판이 실용화되고 있다. 이 반사판은 입사광을 정반사하여, 요철면에 의한 확산반사 성분을 부여하는 기능을 가지고 있다. 그러나, 입사광을 반사판의 법선방향으로 반사하는 off-axis 반사 기능이 없다. 따라서, 디스플레이의 법선방향으로부터 직시하면 반사이득은 작다. 정반사 방향의 밝을 방향으로부터 직시하면 액정 디바이스 구조에 기인하는 계면반사가 중첩하여, 높은 콘트라스트 표시를 얻기 어렵다. 이와 같은 과제를 해결하는 시도로서 off-axis 반사 기능을 가진 지향성 반사에 의한 고휘도화와 고 콘트라스트화를 동시에 만족시키는 기술이 요망된다.

그림 1은 경사각이 Gauss 분포했을 때의 요철 반사판의 반사이득을 정리한 것이다. 30도 입사 수직수광의 측정조건하에서는 요철면의 평균 경사각을 함수로 하는 반사이득은 최대 1.6으로 예측된다. 여기서는 가로축의 경사각은 경사각 제곱평균의 평방근을 의미하고 있다. 반사이득이 최대 1.6이라는 것은 실험적으로도 확인되고 있다. 한편, 확산반사하는 표준 백색판에 off-axis 반사와 지향성 반사기능을 부여하여, 지향성각 θd까지 반사각 폭을 좁히면 휘도 반사이득(1/(Sinθd)²)가 얻어진다. 따라서, 지향성 각을 30도로 하면 반사이득으로 4가 예측되지만, 요철 반사판에는 off-axis 기능이 없고, 또 요철면이 랜덤 배향하고 있으므로 요철 반사판의 이득은 작은 값으로 되어 있다. 그런데, 지향성 반사막은 반사이득으로 3.5가 실측되었다.

흡수형 컬러 필터를 사용한 반사형 컬러 액정 표시에서는 밝기를 우선하기 때문에, 색역을 작게 하는 경향이 있었다. 한편, 지향성 반사 및 off-axis 반사 기능을 창출하기 위해, 반사형 체적 홀로그램을 이용하고 있으므로 컬러 반사 기능도 반사판에 부여할 수 있다. 그런데, 이 홀로그램 형성에는 레이저광을 이용하므로 반사파장폭은 통상 20nm 정도이며, 반사율 100%가  얻어진다. 따라서, 반사형 컬러필터로서 넓은 색역이 얻어지지만, 파장 380에서 780nm에 이르는 주위광의 이용 효율은 낮아진다. 이것을 피하기 위해 반사파장폭을 투과형 액정소자 수준의 투과 파장폭 100nm 부근까지 확대할 필요가 있다. 반사파장폭을 확대할 수 있으면 투과형 액정 디바이스 수준의 색역을 반사형 표시에서도 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 이상과 같은 사실에서, 홀로그램을 응용한 지향성 반사기술은 반사형 표시의 고휘도화, 고 콘트라스트화 및 광색역화를 동시에 달성한다는 것을 알 수 있다.

지향성 반사막의 제작

지향성 반사기능을 실현하기 위해, 2광속 간섭 노광법을 적용했다. 지향성 각을 규정하기 위해, 마이크로렌즈 어레이를 이용했다. 이 어레이를 수직으로 투과한 레이저광을 물체광으로 하고, 게다가 홀로그램 기록매체의 이면에서 off-axis각만 법선방향으로부터 어긋나게 입사하는 레이저광을 참조광으로 하여 간섭노광을 실시했다. 지향성막 재료로서는 DuPont사 제품의 홀로그램 기록매체를 사용했다.

지향성각 0도일 때는 off-axis각이 있어도 홀로그램 간섭무늬는 지향성 박막내에서 기울어진 평면구조로 된다. 따라서, 백표시 상태는 경면반사로 되어, 주위 광원이 비쳐들어오는 현상이 발생하고, 또한 컬러 표시상태는 메탈릭 컬러로 된다. 이것을 피하기 위해서는 유한의 지향성각이 필요하다. 지향성각(극각:θd )이 작을 때, 표시휘도는 높아지지만, 시야각 2θd 는 작아진다.

반사형 컬러필터로서 RGB 패턴의 형성에는 홀로그램 기록매체를 2장의 포토마스크(photomask)로 끼우고, B반사 노광후 매체를 상대적으로 시프트시켜, G반사 노광을 했다. 또 그후, R반사 노광을 반복했다. 이러한 노광공정은 상온 상압 드라이프로세스이다. RGB 서브 픽셀화 후에, 각 반사파장폭을 확대하기 위해 포토모노머를 포함한 필름을 홀로그램 기록매체에 붙이고, 모노머의 확산온도와 확산시간을 최적화하여 챠프 구조를 부여하는 조건을 특정했다. 챠프 구조 형성후에, 자외선 조사(약 1J)와 열처리(120℃, 2시간)를 하여 홀로그램 구조의 안정화를 꾀했다.

이상과 같은 사실에서, 지향성 컬러 반사막내에 있어서의 각 RGB 반사 서브 픽셀 영역은 반사파장의 차이에 따라 간섭주기 구조가 각각 다르지만, 반사 프로파일이 동일하게 되는 간섭 구조의 변형은 각각 동일하게 되어 있다. 이것은 지향성각 이내에서는 가법혼색에 의해 풀컬러 표시하기 위해 필요한 것이다. 그림 2는 최적화한 반사 프로파일을 투과 스펙트럼으로 나타내고 있다. 또, 그림 3은 TFT 구동기판에 맞추어 픽셀화한 지향성 컬러 반사막(도트피치=96mm)의 외관을 나타낸 것이다.

TFT 구동패널의 실증 시제

지향성 컬러 반사막과 1장 편광자를 사용하여 TFT 구동패널을 시제했다. 시제에 앞서, 지향성각과 밝기의 관계를 파악했다. 그 결과를 그림 4에 나타낸다. 입사광의 이용효율은 편광자로 인해 43%로 저감하고, 게다가, 투과형 액정 디바이스에 이용되는 흡수형 컬러필터가 있으므로 30.7%로 저감한다. 따라서 패널의 개구율을 50%로 하면 에너지 이용효율로서 6.25%가 예측된다. 반사형 패널에서나 투과형 패널에서도 흡수형 컬러필터 정도의 색역을 목표로 하는 한, 에너지 이용효율은 6% 정도가 된다. 그러나, 지향성 반사에 의해 휘도 향상이 기대된다. 그림 4에서 지향성각 20도(시야각 40도)에서 밝기 60%를 달성할 수 있다는 것을 알 수 있다.

1장 편광판과 지향성 컬러 반사막을 사용하는 표시 디바이스의 표시성능을 최적화하려면, 지향성 반사막상에서 반사 위상차의 발생이 180도에서의 편차로서 작은 것이 필요하다. 이 때문에, 챠프 구조를 형성한 녹반사 샘플에 대해 30도 입사각에 있어서 진폭 반사율과 위상차를 분광 에리프소미터로 실측했다. 그 결과를 그림 5에 나타낸다. 또, 그림 5에는 챠프량으로서 간섭무늬당 0.01% 팽윤을 상정한 시료의 계산결과도 함께 나타내었다. 이론과 실험에서, 반사위상차는 180도에 가깝다는 것을 확인할 수 있었다.

패널 시제 공정에 있어서 지향성 반사막의 특성 열화를 저감하는 overcoat를 형성하고, 반사막을 패널 내부에 배치할 수도 있지만, 이번에는 실험의 사정으로, 지향성 반사막과 액정층의 분리막으로서 50mm 두께의 얇은 유리판을 사용하여 시차의 발생을 억제했다. 또한 대략적인 시야각 10도, 20도 및 30도에 상당하는 지향성 반사막을 준비하여, 1장 편광 표시모드를 이용한 패널(각각 DDA10, DDA20, DDA30 이라 부른다)을 시제했다.

패널의 TFT 구동에는 시판의 휴대정보단말기(투과형 자우르스)를 이용하여 8색의 컬러를 표시하고, 밝기 및 반사 프로파일은 백표시 상태에서 측정, 흑표시 상태의 밝기를 측정하여 콘트라스트를 산출했다. 또, RGB 표시영역에서 각 반사 색도좌표를 구하여 색역을 평가했다. 수직 입사광에 대한 시감 반사율의 반사 프로파일을 그림 6에 종합했다. 여기서, 극각 방향 및 방위각 방향에 있어서의 프로파일로부터 반사 피크값과 지향성각(반치반폭)을 구했다. RGB 영역에 있어서의 반사 스펙트럼을 측정하여 색역을 그림 7에 종합했다. 이상의 결과를 표 1에 나타낸다.

시야각 20도에서 밝기 42%, 콘트라스트 28, 색역 72%를 얻을 수 있었다. 밝기 60%를 달성하려면 개구율의 향상(50%에서 70%)을 생각할 수 있다. 이미 시제한 바 있는 8색 컬러바 표시 셀(개구율 80%)에서는 시야각 17도에서 밝기 127%, 콘트라스트 29, 색역 100%를 달성하고 있다.

시제한 지향성 컬러 반사막은 개구율 50%의 조건하에서 11-12%의 에너지 이용효율을 나타내지만, 1장 편광표시 모드에 의해 효율은 5-6%로 예측된다. 실측값은 2.5%였다. 이 낮은 값의 원인으로 이번 시제에서는 지향성 반사막이 액정셀의 외측에 배치되었던 점을 생각할 수 있다. 반사막과 얇은 글래스 기판의 사이를 반사광이 도광하는 사실이 관찰되었기 때문이다. MIM 구동기판에 의한 패널 시제도 했지만, 이때 반사막은 패널내 배치이며, 상기의 도광하는 반사광은 발생하지 않았다. 또, 에너지 반사율로서 5%가 얻어진 사실을 덧붙인다.

종론

지향성 컬러 반사기능을 이용하면 밝고, 보기 쉬우며, 색이 깨끗한 반사형 디스플레이가 실현 가능하다는 전망을 얻을 수 있었다. 시야각을 희생시키고 있지만, 네트워크에 연결된 방대한 수가 상정되는 개인 전용의 모바일 디스플레이로서, 장래의 전자상거래를 포함한 전자 단말기의 캐쉬 기능화의 시큐리티 향상에 도움이 될 것으로 생각하고 있다. 이번에, 지향성 반사막을 이용한 디바이스 기능을 실증할 수 있었지만, 홀로그램 기술을 응용한 신규 제작 프로세스의 개발이 향후 필요하게 된다.