[논문]꼬인 네마틱 액정 셀의 Normally Black 모드 광학설계

김기한; 백종인; 김재창; 윤태훈

doi:10.3807/hkh.2008.19.1.048

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본 논문에서는 $90^{\circ}$ 꼬인 네마틱 액정 셀에 전계를 인가하지 않았을 때 어두운 상태를 나타내는 normally black 모드 구현 시, 높은 명암비를 제공하는 광학구조를 제안하였다. 제안된 구조에서 +A 필름과 ${\lambda}/2$ 필름을 각각 1 장씩 사용하여 $90^{\circ}$ 꼬인 액정층을 통과한 빛의 가시광 파장대에서 편광 상태가 거의 동일하게 만들어 줌으로써, 어두운 상태의 분광특성을 향상시킬 수 있다. PSD(Parameter Space Diagram) 방법을 사용하여 최적조건을 구해 계산한 결과 500: 1 이상의 높은 명암비를 확보할 수 있었으며, 어두운 상태뿐만 아니라 밝은 상태의 분광특성도 향상됨을 시뮬레이션 및 실험을 통해 확인할 수 있었다.

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We propose an optical configuration to compensate dispersion characteristics in the dark state of normally black twisted nematic (NB-TN) liquid crystal display (LCD). We employed a half-wave plate (HWP) and a +A plate to achieve the superior dark state. By using the parameter space diagram (PSD) met...

We propose an optical configuration to compensate dispersion characteristics in the dark state of normally black twisted nematic (NB-TN) liquid crystal display (LCD). We employed a half-wave plate (HWP) and a +A plate to achieve the superior dark state. By using the parameter space diagram (PSD) method, we could obtain the optimum values of parameters and the high contrast-ratio over 500 : 1 could be obtained. Furthermore, excellent dispersion characteristics were also obtained in the bright state. We could confirm the performance of the proposed structure using both the numerical calculations and the experiments.

주제어

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문제 정의

[5] 본 논문에서는, NB-TN 모드 구현 시 두 장의 positive uniaxial 필름을 사용하여 NB-TN 모드 구현 시 우수한 분광특성을 확보할 수 있는 광학구조를 제안하였다.
본 논문에서는, λ/2 필름과 +A 필름을 사용하여 NB-TN 모드의 어두운 상태의 분광 특성을 개선하여 명암비를 향상 시킬 수 있는 광학 구조를 제안하였다.

제안 방법

그림 7(a)는 제안하는 방법으로 보상한 구조와 기존의 NB-TN 모드, 그리고 투과축이 서로 직교하는 편광판 조건을 제외한 몇 가지 조합의 광학필름으로 어두운 상태를 만들어서 분광특성을 비교하여 살펴본 것이다. 투과축이 서로 평행한 편광판 사이에서, 광대역 λ/2 구조는 광축이 각각 22.
그림 3. NB-TN 모드의 어두운 상태에서 분산특성을 개선하기 위해 제안하는 구조.
이는 상하 편광판의 투과축이 이루는 각도가 90°보다 작기 때문에 확보할 수 있는 추가적인 장점이다. 명암비는 밝은 상태에서의 투과율을 어두운 상태에서 투과율로 나누어 계산하였으며, 밝은 상태와 어두운 상태 각각의 투과율은 450 nm에서 700 nm까지의 파장별 투과율의 평균으로 구하여 계산하였다. 그 결과, 보상 전에는 50:1의 낮은 명암비를 나타내는 NB-TN 모드에 제안한 광학 구조 및 최적값을 적용하여 500:1 이상의 높은 명암비를 확보할 수 있었다.
전 파장대에서 우수한 분산특성을 얻을 수 있었으며, 그림 8(b)와 같이 밝은 상태에서도 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 우수한 분광특성을 얻을 수 있었다. 보상하지 않은 NB- TN의 밝은 상태에서 분광특성은 투과축이 서로 평행한 두장의 편광판만 있는 조건과 거의 같을 것이기 때문에, 밝은 상태의 분광특성은 전압을 인가하지 않은 NW-TN모드와 비교하였다.
본 시뮬레이션에서는, 편광판의 투과축 각도와 +A 필름의 위상지연 값의 최적 조건으로 각각 (-45°, 145 nm), (-37°, 165 nm), (-40°, 170 nm)인 세 가지 조합을 확보하여 고려하였다.
이때, 광학설계 시 중심 파장이 되는 Green은, λ/2 필름의 광축 각도를 편광판의 투과축 각도와 TN 액정층 입력단 액정의 배향 각도의 중심각을 갖도록 설계함으로써 뽀앙까레 구면 상의 점 (1, 0, 0)에 위치하도록 하였다.
제안하는 원리로 NB-TN 모드에서 높은 명암비를 확보하기 위해, 본 논문에서는 그림 3과 같은 광학 구조를 제안한다. 그림 4는 제안하는 구조의 동작 원리를 나타낸다.

대상 데이터

TN 모드 샘플의 제작에 사용된 액정은 Merck사의 ZLI-3412-000(Δn: 0.0792)이며, 셀 갭은 6.01 um로 설계하였다.
투과축이 서로 평행한 편광판 사이에서, 광대역 λ/2 구조는 광축이 각각 22.5°, 67.5°인 두 장의 λ/2 필름을 사용하였고, 광대역 λ/4 구조는 광축이 각각 15°, 75°, 15°인 세 장의 λ/2 필름을 사용하였다.

이론/모형

+A 필름의 광축은 -90º로 고정한 상태에서, 위상지연 값(Δnd)을 두 번째 변수로 설정하여 최적값을 찾을 수 있다. 두 변수들의 최적값을 찾기 위해, PSD(Parameter Space Diagram) 방법을 사용하였다.^[7] PSD 방법은 두 개의 변수에 대한 함수값을 계산하는 데 유용한 방법으로써, 여기서는 변수로 지정한 두 가지 값들의 변화에 따른 초기 어두운 상태에서의 투과율 값을 확인할 수 있다.

성능/효과

본 논문에서는, λ/2 필름과 +A 필름을 사용하여 NB-TN 모드의 어두운 상태의 분광 특성을 개선하여 명암비를 향상 시킬 수 있는 광학 구조를 제안하였다. PSD를 통해 최적값을 찾아서 기본 특성을 확인하였으며, 실험에서는 최적 조건이 아닌 +A 필름을 사용하였으나 역시 우수한 분광특성을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션을 통하여, 50:1 이하의 낮은 명암비를 갖는 NB-TN 액정표시소자에 제안하는 구조를 적용할 경우 500:1 이상의 높은 명암비를 확인할 수 있었다.
[9] 실험에서 사용한 +A 필름의 위상지연 값은 159 nm 였는데, 이 값은 시뮬레이션에서 확보한 최적조건과 다르기 때문에 이에 맞는 편광판 투과축의 최적값을 PSD를 통해 다시 계산한 결과, -42°에서 가장 우수한 특성을 확인할 수 있 었다.
명암비는 밝은 상태에서의 투과율을 어두운 상태에서 투과율로 나누어 계산하였으며, 밝은 상태와 어두운 상태 각각의 투과율은 450 nm에서 700 nm까지의 파장별 투과율의 평균으로 구하여 계산하였다. 그 결과, 보상 전에는 50:1의 낮은 명암비를 나타내는 NB-TN 모드에 제안한 광학 구조 및 최적값을 적용하여 500:1 이상의 높은 명암비를 확보할 수 있었다.
그림 9는 제안한 구조로 보상한 후 실험을 통해 측정한 NB-TN모드의 각 파장에 대한 명암비를 나타낸 것으로, 중심 파장 영역 부근에서 다소 명암비가 감소하는 파장대가 확인되지만 단파장과 장파장 영역에서도 80:1 이상의 명암비를 확보함으로써, 40:1의 낮은 명암비를 갖는 보상하지 않은 NB-TN 모드에 비해 200:1 이상의 높은 명암비를 확보할 수있었다.
PSD를 통해 최적값을 찾아서 기본 특성을 확인하였으며, 실험에서는 최적 조건이 아닌 +A 필름을 사용하였으나 역시 우수한 분광특성을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션을 통하여, 50:1 이하의 낮은 명암비를 갖는 NB-TN 액정표시소자에 제안하는 구조를 적용할 경우 500:1 이상의 높은 명암비를 확인할 수 있었다. 실험을 통해서도 확인한 결과, 명암비가 약 5배 이상 높아짐을 확인할 수 있었고, 밝은 상태의 분광 특성 또한 기존의 NW-TN 모드에 비해 개선됨을 확인할 수 있었다.
시뮬레이션을 통하여, 50:1 이하의 낮은 명암비를 갖는 NB-TN 액정표시소자에 제안하는 구조를 적용할 경우 500:1 이상의 높은 명암비를 확인할 수 있었다. 실험을 통해서도 확인한 결과, 명암비가 약 5배 이상 높아짐을 확인할 수 있었고, 밝은 상태의 분광 특성 또한 기존의 NW-TN 모드에 비해 개선됨을 확인할 수 있었다. 제안된 설계 방법은, 다양한 장점을 갖는 TN 액정표시소자로 NB 모드를 구현 시에 가장 문제되었던 명암비 특성을 개선시킬 수있는 중요한 역할을 할 수 있으리라 기대된다.

후속연구

실험을 통해서도 확인한 결과, 명암비가 약 5배 이상 높아짐을 확인할 수 있었고, 밝은 상태의 분광 특성 또한 기존의 NW-TN 모드에 비해 개선됨을 확인할 수 있었다. 제안된 설계 방법은, 다양한 장점을 갖는 TN 액정표시소자로 NB 모드를 구현 시에 가장 문제되었던 명암비 특성을 개선시킬 수있는 중요한 역할을 할 수 있으리라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TN 모드의 장점은 무엇인가?	액정표시소자는 경량, 박형, 저 소비전력 등의 장점으로 휴대전화, PDA등의 소형 기기에서부터 노트북이나 TV와 같은 중대형 기기까지 널리 사용되어 왔다. 액정표시소자에는 TN(Twisted Nematic),[1] VA(Vertical Alignment),[2] IPS(In-Plane Switching),[3] FFS(Fringe-Field Switching)[4] 등 여러 가지 모드가 있는데, 그 중에서도 TN 모드는 높은 개구율, 우수한 분광특성 및 높은 셀 갭 마진 등의 장점으로 널리 사용되어왔다.
	액정표시소자에 존재하는 모드에는 무엇이 있는가?	액정표시소자는 경량, 박형, 저 소비전력 등의 장점으로 휴대전화, PDA등의 소형 기기에서부터 노트북이나 TV와 같은 중대형 기기까지 널리 사용되어 왔다. 액정표시소자에는 TN(Twisted Nematic),[1] VA(Vertical Alignment),[2] IPS(In-Plane Switching),[3] FFS(Fringe-Field Switching)[4] 등 여러 가지 모드가 있는데, 그 중에서도 TN 모드는 높은 개구율, 우수한 분광특성 및 높은 셀 갭 마진 등의 장점으로 널리 사용되어왔다.
	NB-TN 모드에서 전계를 인가하지 않은 어두운 상태에서 상하 편광판의 투과축을 서로 평행하게 위치시켰을 때 중심파장 이외의 영역에서 빛 샘이 발생하게 되는데, 이는 어떤 특성 때문인가?	그림 1은 편광판에 의해 0º로 선형 편광된 빛이 90º TN 액정 층을 통과할 때, 450 nm(Blue), 550 nm(Green), 650 nm (Red) 각 파장의 편광 상태의 변화를 뽀앙까레 구면 상에 나타낸 것을 S1-S2 평면과 S2-S3 평면으로 각각 옮겨 그린 것이다.[6] 그림에서, 전파장대에서 동일한 편광상태를 갖는 빛이 입사하더라도 TN 액정층을 통과한 후에는 파장 별로 서로 다른 편광상태를 갖게 되는 것을 확인할 수 있다. Green(G) 을 기준으로, 액정 층을 통과 시 파장이 짧은 Blue(B)가 더큰 위상지연 값을 갖게 되어 뽀앙까레 구면상에서는 더 작은 곡률반경을 갖게 되고, 파장이 긴 Red(R)는 더 작은 위상지연 값을 갖게 되어 뽀앙까레 구면상에서는 더 큰 곡률반경을 갖게 된다. 이러한 분산 특성으로 인해, NB-TN 모드는 전계를 인가하지 않은 어두운 상태에서 상하 편광판의 투과축을 서로 평행하게 위치시켰을 때 중심파장 이외의 영역에서 빛 샘이 발생하게 되며, 이는 명암비를 저하시키는 주 원인이 된다.

참고문헌 (9)

C. Z. van Doorn, 'Dynamic behavior of twisted nematic liquid-crystal layers in switched fields,' J. Appl. Phys., vol. 46, pp. 3738-3745, 1975

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M. F. Schiekel and K. Fahrenschon, 'Deformation of nematic liquid crystals with vertical orientation in electric fields,'Appl. Phys. Lett., vol. 19, pp. 391-393, 1971

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M. Oh-e and K. Kondo, 'Electro-optical characteristics and switching behavior of the in-plane switching mode,' Appl. Phys. Lett., vol. 67, pp. 3895-3897, 1995

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S. H. Lee, S. L. Lee, and H. Y. Kim, 'Electro-optic characteristics and switching principle of a nematic liquid crystal cell controlled by fringe-field switching,' Appl. Phys. Lett., vol. 73,pp. 2881-2883, 1998

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T. Sergan, W. Liu, J. Kelly, and H. Yoshimi, 'Achromatic normally black twisted nematic device with wide viewing angle using negative-in-plane compensation films,' Jpn. J. Appl. Phys., vol. 37, pp. 889-894, 1998

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J. E. Bigelow, and R. A. Kashnow, 'Poincare sphere analysis of liquid crystal optics,' Appl. Opt., vol. 16, pp. 2090-2096, 1997

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H. S. Kwok, 'Parameter space representation of liquid crystal display operating modes,' J. Appl. Phys., vol. 80, pp. 3687-3693, 1996

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Tae-Hoon Yoon, Gi-Dong Lee, and Jae Chang Kim, 'Nontwist quarter-wave liquid-crystal cell for a high-contrast reflective display,' Opt. Lett., vol. 25, pp. 1547-1549, 2000

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C. H. Gooch and H. A. Tarry, 'The optical properties of twisted nematic liquid crystal structures with twist angles $\le 90 ^\circ$ ,' J. Phys. D: Appl. Phys., vol . 8, pp. 1575-1584, 1975

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