KR100288774B1

KR100288774B1 - 액정표시장치

Info

Publication number: KR100288774B1
Application number: KR1019980005288A
Authority: KR
Inventors: 이계헌; 유진태; 심정욱
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 2001-06-01
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: KR19990070438A

Abstract

기판 안쪽 면 위에 투명한 면형 전극이 가로 방향으로 형성되어 있으며, 그 위를 절연막이 덮고 있다. 절연막 위에는 투명 또는 불투명한 다수의 줄무늬 전극이 세로 방향으로 서로 평행하게 형성되어 있다. 두 전극에 전압을 인가하여 두 전극 사이에 전위차를 주면 줄무늬 전극 위의 세로 방향 중앙선 및 줄무늬 전극 사이 영역의 세로 방향 중앙선에 대하여 대칭이며, 두 전극 사이의 경계선에 중심을 둔 포물선 또는 반타원형의 전기력선을 가지는 전기장이 형성된다. 이러한 전기력선은 두 전극 위와 두 전극 사이의 경계선 상에서 수직 및 수평 성분을 가지며, 이러한 전기장에 의하여 액정 분자들은 비틀림각 및 경사각을 가지면서 재배열된다. 이러한 액정 분자의 재배열로 인하여 입사된 빛의 편광이 변화하고 이에 따라 표시 동작이 가능해진다.

Description

전극 배치를 달리한 액정 표시 장치

본 발명은 새로운 구동 방식의 액정 표시 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

일반적으로 액정 표시 장치는 양 기판 또는 한 기판의 내면에 전극을 가지고 있으며, 광학적 스위칭 매개체로서 두 전극 사이에 액정 물질층을 둔 표시 장치로서, 양 전극에 전위차를 주면 그 전위차로 인하여 액정 분자들이 재배열되고, 재배열된 액정 분자들이 빛을 산란시키거나 빛의 투과 특성을 변화시킴으로써 화상을 표시한다.

종래의 액정 표시 장치의 한 예로서, 아래 위 두 기판의 내면에 각각 형성되어 있는 위 전극과 아래 전극 사이에 네마틱형 액정 물질이 삽입되어 있으며, 액정 분자들은 기판에 평행하게 비틀려 배향되어 있는 미국 특허 제5,576,861호에 개시된 비틀린 네마틱형 액정 표시 장치를 들 수 있다. 이 액정 표시 장치에서는 아래 위 전극에 전압을 인가하여 전위차를 주면 양 기판에 수직한 전기장이 형성되고, 액정 분자의 장축 방향을 전기장의 방향과 평행하게 배열시키려는 토크(torque)(이 토크의 크기는 전기장의 세기에 의존함), 즉 유전율 이방성으로 인한 토크와 러빙 등의 배향 처리를 통하여 발생하며 액정 분자의 장축 방향을 특정한 방향을 향하도록 배열시키려는 탄성 토크가 평형을 이루도록 액정 분자들이 재배열된다.

종래의 액정 표시 장치의 또다른 예로는, 한쪽 기판 위에 줄 모양의 두 전극을 서로 평행하게 배치하고 그 사이에 액정 물질층을 두며, 액정 분자들은 기판에 평행하게 배향한 미국 특허 제5,598,285호에 개시되어 있는 액정 표시 장치를 들 수 있다. 이 액정 표시 장치에서는 전극 사이에 전위차를 주어, 본질적으로 기판에 평행하고 두 전극에 수직한 방향으로 전기장을 형성하고, 액정 물질의 유전율 이방성으로 인한 토크와 배향 처리로 인한 탄성 토크가 평형을 이루도록 액정 분자들이 재배열한다.

이러한 종래의 액정 표시 장치는 각각 문제점을 가지고 있다.

비틀린 네마틱형 액정 표시 장치의 가장 큰 문제점은 시야각이 좁다는 것이다. 이 액정 표시 장치에서는, 표시 장치를 바라보는 사람의 눈의 방향과 표시 장치의 표면에 수직인 방향과 이루는 각이 커질수록, 액정 분자들의 장축 방향과 단축 방향의 굴절률 차이인 복굴정성(Δn)과 액정층의 두께(d)의 곱, 즉 Δnㆍd 값이 커지고, 이에 따라 대비(contrast : 가장 밝은 상태의 휘도를 가장 어두운 상태의 휘도로 나눈 값)가 급격히 저하된다. 그 뿐 아니라, 밝기가 뒤바뀌는 계조 반전의 현상도 나타난다. 따라서 시야각(통상 대비가 10을 유지하는 각도를 시야각이라 함)이 매우 좁고, 그 시야각보다 큰 각도로 표시 장치를 바라보는 경우 정면에서 보는 화상에 비하여 화질이 급격히 나빠진다.

시야각을 보상하기 위하여, 앞에서 언급한 미국 특허 제5,576,861호에서와 같이, 위상차 보상판 등을 이용하여 시야각을 넓히는 방법이 제시되고 있으나, 부가적인 부분인 보상판을 부착하는 부가적인 공정이 필요하기 때문에 비용이 높아지고 공정이 늘어날 뿐 아니라, 보상판을 사용하더라도 시야각의 한계는 여전히 남아 있다.

두 번째 장치에서는 두 전극 사이의 영역에 위치하는 전기장이 두 전극으로부터 멀어질수록 작아지기 때문에, 노멀리 블랙 모드(normally black mode)에서 빛을 통과시키기 위한 최소의 전압(문턱 전압)이 높을 뿐 아니라 빛을 최대한 통과시키는 전압(포화 전압) 또한 높아서 전체적으로 소비 전력이 커지는 문제점이 있다. 또한 모든 전극이 하나의 기판에 형성되어 있을 뿐 아니라, 충분한 정전 용량을 확보하기 위하여 화소 전극과 공통 전극이 절연막을 사이에 두고 중첩되는 부분을 두어야 하므로 빛이 통과하는 개구율이 작은 문제점이 있다.

본 발명의 한 과제는 넓은 시야각을 확보하는 것이다.

본 발명의 또다른 과제는 낮은 전압으로 액정을 구동하여 소비 전력을 낮추는 것이다.

본 발명의 또다른 과제는 개구율을 크게 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 전극을 나타내는 배치도이고,

도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ'선을 잘라 도시한 단면도로서, 위 기판 및 아래 기판과 두 기판 사이의 등전위선 및 전기력선을 함께 도시한 스티치선이고,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에서 액정 분자들의 비틀림각 변화를 설명하기 위한 스티치선이고,

도 4는 본 발명의 제1 실시예에서 기판에 수평이고 줄무늬 전극에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각 변화를 도시한 그래프이고,

도 5는 본 발명의 제1 실시예에서 기판의 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각 변화를 도시한 그래프이고,

도 6은 본 발명의 제1 실시예에서 액정 분자들의 경사각 변화를 설명하기 위한 스티치선이고,

도 7은 본 발명의 제1 실시예에서 기판의 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각 변화를 도시한 그래프이고,

도 8은 본 발명의 제1 실시예에서 기판에 수평이고 줄무늬 전극에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 경사각 변화를 도시한 그래프이고,

도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 위치에 따른 투과율 변화를 도시한 그래프이고,

도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 인가 전압에 따른 투과율 변화를 도시한 그래프이고,

도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 시야각을 나타내는 그래프이고,

도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치도이고,

도 13은 도 12의 ⅩⅢ-ⅩⅢ' 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,

도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치도이고,

도 15는 도 14의 ⅩⅤ-ⅩⅤ' 선을 잘라 도시한 단면도이며,

도 16은 도 14의 ⅩⅤ-ⅩⅤ' 선을 잘라 도시한 단면도이고,

도 17, 도 23, 도 29는 각각 본 발명의 제4, 제5, 제6 실시예에서 액정 분자들의 비틀림각 변화를 설명하기 위한 스티치선이고,

도 18, 도 24, 도 30은 각각 본 발명의 제4, 제5, 제6 실시예에서 기판에 수평이고 줄무늬 전극에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각 변화를 도시한 그래프이고,

도 19, 도 25, 도 31은 각각 본 발명의 제4, 제5, 제6 실시예에서 기판의 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각 변화를 도시한 그래프이고,

도 20, 도 26, 도 32는 각각 본 발명의 제4, 제5, 제6 실시예에서 액정 분자들의 경사각 변화를 설명하기 위한 스티치선이고,

도 21, 도 27, 도 33은 각각 본 발명의 제4, 제5, 제6 실시예에서 기판의 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각 변화를 도시한 그래프이고,

도 22, 도 28, 도 34는 각각 본 발명의 제4, 제5, 제6 실시예에서 기판에 수평이고 줄무늬 전극에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 경사각 변화를 도시한 그래프이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 전극의 배열을 새롭게 한다.

즉, 서로 절연되어 있는 제1 전극 및 제2 전극이 가장자리가 서로 중첩되도록 배치되어 있고, 제2 전극은 제1 전극들 사이에서 연속적인 면으로 이루어져 있는 구조를 가지고 있으며, 하나의 화소는 적어도 하나의 제1 전극과 제2 전극으로 이루어진다.

이러한 액정 표시 장치에서 제1 전극과 제2 전극에 전압을 인가하여 전위차를 주면 전기장이 발생하고, 그 전기력선의 모양은 제1 전극과 제2 전극의 경계선 또는 경계 영역을 중심으로 하는 반타원형 또는 포물선형이 되고, 이에 따라 각 전극 위에서도 전기장이 수직 및 수평 성분을 가지게 된다.

제1 전극 또는 제2 전극 위, 그리고 두 전극 사이의 경계 영역의 액정 분자들은 전기장의 수평 및 수직 성분에 의하여 비틀림각과 경사각을 가지며 재배열되고 이러한 재배열된 액정 물질층에 의하여 빛의 편광이 변화한다.

이와 같이 액정 분자들이 비틀림각과 경사각을 모두 가지며 재배열하기 때문에 시야각이 넓어진다.

또한 전기장은 두 전극의 경계 영역뿐 아니라, 제1 전극 및 제2 전극 위에서도 수직 및 수평 성분을 가지므로, 제1 전극 및 제2 전극 위의 액정 분자들도 화상의 표시에 간여한다.

또한, 전기장의 세기가 제1 전극과 제2 전극의 경계 영역에서 크므로, 그 위의 액정층을 구동하는 문턱 전압 및 포화 전압이 낮기 때문에 소비전력이 낮다.

또한 스위칭 소자로서 박막 트랜지스터를 두어 제1 전극과 제2 전극에 전압을 인가하는 경우에, 두 전극이 절연막을 사이에 두고 중첩되므로 정전 용량을 확보하기 위하여 별도로 유지 축전기를 마련할 필요가 없으므로 개구율을 크게 할 수 있다.

두 기판 사이에 주입되는 액정 물질은 양 또는 음의 유전율 이방성을 가지고 있을 수 있으며, 네마틱 액정 또는 카이럴 첨가제가 첨가된 네마틱 액정이 사용될 수 있다.

두 기판의 안쪽에는 액정 분자의 배열을 일정하게 하는 배향막이 형성되어 있을 수 있으며, 수평 배향막 또는 수직 배향막이 사용될 수 있다. 배향막은 일정한 방향으로 버핑되어 있을 수 있으며, 두 배향막의 버핑 방향은 일치할 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.

그러면, 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 첨부한 스티치선을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 대하여 도 1 내지 도 11을 통하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 전극의 배치를 도시한 스티치선이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ'선을 잘라 도시한 단면도로서 위 기판과 아래 기판 모두를 도시한 것이며 전기력선 및 등전위선을 함께 도시하였다.

먼저, 전극이 형성되어 있는 아래 기판의 구조에 대하여 설명한다.

유리나 석영 따위의 투명한 절연 물질로 이루어진 아래 기판(10) 안쪽 면 위에 ITO(indium tin oxide) 따위의 투명한 도전 물질로 이루어져 있으며 일정 폭을 가지는 면형 전극(2)이 가로 방향으로 길게 형성되어 있다. 면형 전극(2) 위를 절연막(3)이 덮고 있으며, 그 위에는 폭이 좁은 다수의 줄무늬 전극(1)이 세로 방향으로 서로 평행하게 형성되어 있다. 줄무늬 전극(1)은 투명 또는 불투명 물질로 사용될 수 있으며, 그 폭은 줄무늬 전극(1) 사이의 간격, 즉 인접한 두 줄무늬 전극(1)의 인접 경계선 사이의 거리보다 작다. 줄무늬 전극(1)의 위에는 폴리이미드(polyimide) 따위의 물질로 만들어진 배향막(30)이 도포되어 있다. 한편, 아래 기판(10)의 바깥 면에는 편광판(20)이 부착되어 있다.

유리나 석영 따위의 투명한 절연 물질로 이루어진 위 기판(11) 안쪽 면에는 폴리이미드 따위의 물질로 만들어진 배향막(31)이 형성되어 있고, 바깥 면에는 편광판(21)이 부착되어 있다.

마지막으로, 두 기판(10, 11)의 배향막(30, 31) 사이에는 광학 이방성을 가지는 액정 물질층이 삽입되어 있다.

이 액정 표시 장치는 아래 기판(10)의 하부에 위치하는 백라이트 유닛(backlight unit)(도시하지 않음)으로부터의 빛의 투과율을 조절하여 표시 동작을 할 수도 있지만, 위 기판(11)의 상부로부터 들어오는 자연광을 이용하여 표시 동작을 할 수도 있으며 이 경우에는 아래 편광판(20)은 필요하지 않다. 자연광을 이용한 반사형 액정 표시 장치의 경우에는 줄무늬 전극(1)과 면형 전극(2) 모두를 불투명하고 반사율이 높은 물질, 예를 들면 알루미늄(Al) 등의 물질로 만드는 것이 바람직하다.

그러면, 이러한 액정 표시 장치의 전기장의 개괄적인 형태에 대하여 도 2를 통하여 상세히 설명한다.

두 전극(1, 2)에 전압을 인가하여 두 전극(1, 2) 사이에 전위차를 주면 도 2에 도시한 바와 같은 전기장이 생성된다. 도 2에 실선으로 도시한 것은 등전위선을 나타낸 것이고, 점선으로 도시한 것은 전기력선을 나타낸 것이다.

도 2에서 알 수 있듯이, 전기장의 형태는 줄무늬 전극(1) 위의 좁은 영역(NR)의 세로 방향 중앙선(C)(실제로는 면에 해당함) 및 줄무늬 전극(1) 사이의 넓은 영역(WR)의 세로 방향 중앙선(B)(실제로는 면에 해당함)에 대하여 대칭이다. 좁은 영역(NR)의 중앙선(C)으로부터 넓은 영역(WR)의 중앙선(B)까지의 영역에는 좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR)의 경계선(A)(실제로는 면에 해당함)에 정점을 두고 있는 반타원 모양 또는 포물선 모양(이하에서는 편의상 반타원 모양인 것으로 설명한다)의 전기력선 형태를 가지는 전기장이 생성된다. 전기력선의 접선은 좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR)의 경계선(A) 상에서 기판(10)에 대하여 거의 평행하고, 좁은 영역(NR) 및 넓은 영역(WR)의 중앙 위치에서는 기판(10)에 대하여 거의 수직이 된다. 또한, 타원의 중심 및 세로 방향 정점은 좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR)의 경계선(A) 상에 위치하고, 가로 방향의 두 정점은 각각 넓은 영역(WR) 및 좁은 영역(NR)에 위치한다. 이때, 좁은 영역(NR)에 위치하는 가로 방향 정점은 넓은 영역(WR)에 위치하는 가로 방향 정점에 비하여 타원의 중심으로부터의 거리가 짧기 때문에 타원은 경계선(A)에 대하여 대칭을 이루지 않는다. 또한, 전기력선의 밀도가 위치에 따라 달라지고 전기장의 세기도 이에 비례하여 달라진다. 따라서, 좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR) 사이의 경계선(A-A) 상에서 전기장의 세기가 가장 크고, 좁은 영역(NR) 및 넓은 영역(WR)의 중앙선(C-C, B-B)으로 갈수록, 그리고 위 기판(11)으로 갈수록 작아진다.

그러면, 이러한 전기장에 의하여 액정 분자가 재배열된 상태를 기판에 수평인 성분과 이에 수직인 성분으로 나누어 살펴본다.

먼저, 초기 상태를 설명한다.

두 배향막(30, 31)은 러빙 또는 자외선 조사법으로 배향 처리되어, 액정 분자들이 모두 한 방향으로 배열하되, 기판(10, 11)에 대하여 약간의 선경사각을 가지지만 거의 수평이 되고, 기판(10, 11)에 평행한 면상에서 볼 때 줄무늬 전극(1) 방향 및 이에 수직인 방향에 대하여 일정 각을 이루도록 배열되어 있다. 이 때의 선경사각은 7。 이내인 것이 바람직하고, 배향 방향이 줄무늬 전극(1)에 대해 이루는 각은 45。 이내인 것이 바람직하다. 편광판(20, 21)의 편광축은 서로 직교하도록 배치하며, 아래 편광판(20)의 편광축은 버핑 방향과 거의 일치한다. 두 배향막(30, 31) 사이에 들어 있는 액정 물질은 유전율 이방성이 양인 네마틱 액정이다.

다음, 줄무늬 전극(1) 및 면형 전극(2)에 각각 전압을 인가하되, 줄무늬 전극(1)에 높은 전압을 인가한다. 이 때 액정 분자의 배열은 전기장에 의한 힘(전기장의 방향과 세기에 의존)과 배향 처리로 인하여 발생하는 탄성 복원력이 평형을 이룸으로써 결정된다.

이러한 액정 분자의 재배열 상태를 기판에 평행한 성분과 수직인 성분으로 나누어 살펴본다. 설명의 편의상 기판에 수직인 방향을 z축, 기판에 수직이고 줄무늬 전극(1) 방향에도 수직인 방향을 x축, 줄무늬 전극(1)의 방향에 평행한 방향을 y축으로 잡자. 즉, 도 1에서 왼쪽에서 오른쪽을 향하는 방향을 x축, 줄무늬 전극(1)을 따라 아래에서 위로 향하는 방향을 y축, 도 2에서 아래 기판(11)에서 위 기판(10)을 향하는 방향을 z축으로 잡자.

먼저, 액정 분자의 비틀림각, 즉, x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 평행한 면, 즉 xy 평면 위에서 이루는 각의 변화를 도 3, 도 4 및 도 5를 참고로 설명한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 버핑 방향은 벡터 로, 전기장의 x-y 평면 성분은 벡터 로, 아래 편광판(20)의 광축은 벡터 로 나타내었으며, 버핑 방향이 x축과 이루는 각은 ψ_R로, 액정 분자의 장축이 x축과 이루는 각을 ψ_LC로 나타내었다. 그런데 여기에서 아래 편광판(20)의 광축은 버핑 방향과 일치하므로 아래 편광판(20)의 광축이 x축과 이루는 각 ψ_P=ψ_R이다.

전기장의 x-y 평면 성분( )의 방향은 경계선(A)으로부터 넓은 영역(WR)의 중앙선(B)에 이르기까지는 양의 x 방향이고, 넓은 영역(WR)의 중앙선(B)으로부터 다음 경계선(D)까지는 음의 x 방향이다. 전기장 성분의 세기는 경계선(A, D) 상에서 가장 크고 중앙선(B-B) 쪽으로 갈수록 작아져 중앙선(B-B) 상에서는 0이 된다.

배향 처리에 의한 탄성적 복원력의 크기는 xy 평면상에서는 위치에 관계없이 일정하다.

액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 하므로, 도 4에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)에서는 액정 분자의 장축 방향이 전기장 성분( )에 대하여 거의 평행하고 버핑 방향에 대해서는 큰 각도를 가지지만, 영역(NR, WR)의 중심선(C, B)으로 갈수록 액정 분자의 장축이 버핑 방향에 대하여 이루는 각(

|ψ_R-ψ_LC|

)이 작아지고, 중심선(B, C)에서는 액정 분자의 장축과 버핑 방향이 동일해진다. 아래 편광판(20)의 광축은 버핑 방향과 평행하므로, 아래 편광판(20)의 광축과 액정 분자의 장축이 이루는 각도도 이와 동일한 분포를 가지며, 이 값은 빛의 투과율과 밀접한 관련이 있다.

좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR)의 폭의 비를 변화시켜 다양한 형태의 전기장을 만들어 낼 수 있다. 줄무늬 전극(1)을 불투명 전극으로 하는 경우에는 줄무늬 전극(1) 위의 좁은 영역(NR)을 표시 영역으로 사용할 수 없으나, 투명한 물질로 만드는 경우에는 좁은 영역(NR) 또한 표시 영역으로 사용할 수 있다.

한편, 전기장의 xy 평면 성분( )은 아래 배향막(30)으로부터 위 배향막(31)에 이르기까지, 즉 z축을 따라가며 점점 작아지며, 배향에 의한 탄성적 복원력은 배향막(30, 31)의 표면에서 가장 크고, 두 배향막(30, 31) 사이 액정층의 중앙으로 갈수록 점점 작아진다.

아래 배향막(30)으로부터 위 배향막(31)에 이르는 위치에서, 즉 z축을 따라가며 액정 분자의 장축 방향이 x축과 이루는 비틀림각을 도시하면, 도 5와 같이 나타나는데, 두 배향막 사이의 간격, 즉 셀 간격이 d인 경우를 도시한 것이다. 여기에서 가로축은 아래 배향막(30)으로부터의 높이를 뜻하고, 세로축은 비틀림각을 나타낸다.

도 5에서 보면, 비틀림각은 배향막(30, 31)의 표면에서는 배향력에 의한 힘이 강하기 때문에 크고, 액정층의 중앙으로 갈수록 작아져 전기장의 방향에 가깝게 되는 것을 알 수 있으며, 배향막(30, 31) 바로 위에서는 액정 분자의 장축이 버핑 방향과 동일한 방향으로 배열한다. 여기에서 인접한 액정 분자의 비틀림각의 차이를 비틀림(twist)이라고 하면, 도 5에서 비틀림은 곡선의 기울기에 해당되고, 이는 배향막(30, 31)의 표면에서는 크고 액정층의 중앙으로 갈수록 작아진다.

다음, 액정 분자의 경사각, 즉, x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 수직인 면, 예를 들면 zx 평면 위에서 이루는 각의 변화를 도 6, 도 7 및 도 8을 참고로 설명한다. 도 6에서는 편의상 기판(10, 11)만을 도시한 것이며, 도 3에서 도시한 버핑 방향을 나타내는 벡터 의 zx 평면에 대한 성분을 벡터 로, 전기장의 zx 평면 성분은 벡터 로 나타내었으며, 전기장의 zx 평면 성분 가 x축과 이루는 각은 θ_E로, 액정 분자의 장축이 x축과 이루는 경사각을 θ_LC로 나타내었다. 그런데, 여기에서 벡터 은 xy 평면상에 존재하므로(선경사각은 무시) 는 x 방향이 된다.

전기장의 zx 평면 성분( )의 크기는 아래 기판(10)에서 위 기판(11)으로 갈수록 작아지고, 각도 θ_E또한 아래 기판(10)에서 위 기판(11)으로 갈수록 작아진다.

앞서 설명한 것처럼 배향 처리에 의한 탄성적 복원력의 크기는 두 기판(10, 11)의 표면에서 가장 크고, 액정층의 중앙으로 갈수록 작아진다.

액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 한다. 도 7에 나타낸 것처럼, 아래 기판(10) 표면에서는 배향력이 강하므로 액정 분자들이 x축과 평행하게 배열하지만, 위로 올라갈수록 전기장에 의한 힘이 상대적으로 커지므로 경사각(θ_LC)의 크기가 어느 정도 지점까지는 계속해서 증가하다가 다시 감소하여 위 기판(11) 표면에서는 다시 x축과 평행하게 배열한다. 이때, 곡선의 정점은 아래 기판(10)에 가까운 위치에서 나타난다.

한편, 전기장의 zx 평면 성분( )이 x축에 대하여 이루는 각 θ_E는 경계선(A, D) 상에서는 0에 가깝고 중앙선(B-B) 쪽으로 갈수록 커지며, 전기장의 zx 평면 성분( )의 크기는 경계선(A, D) 상에서 가장 크고 중앙선(B-B) 쪽으로 갈수록 작아진다.

배향 처리에 의한 탄성적 복원력의 크기는 x 축 상에서는 위치에 관계없이 일정하다.

따라서, 도 8에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)에서는 액정 분자의 경사각이 거의 0에 가깝지만 중심선(C, B)으로 갈수록 커져 전기장의 zx 평면 성분( )이 x축과 이루는 각(θ_E)과 유사한 분포를 가진다. 그러나, θ_E보다는 완만하게 변화한다.

이와 같이 두 전극(1, 2)에 전압이 인가되면 액정 분자들은 비틀림각 및 경사각을 가지며 재배열하는데, 그 비틀림각 및 경사각의 변화로 인하여 빛의 투과율이 변화한다. 경계선(A, D) 상에서는 z축을 따라 볼 때 경사각의 변화는 거의 없지만 비틀림각의 변화는 크다. 반면에, 중앙선(B, C) 상에서는 z축을 따라 볼 때 비틀림각의 변화는 거의 없지만 경사각은 약간 변화한다. 따라서, 경계선(A, D)과 중앙선(B, C) 사이의 영역에서는 비틀림각과 경사각이 모두 변화하는 영역이 된다. 결국, 위치에 따른 투과율 곡선은 전기력선의 형태와 유사한 형태가 된다.

그러면, 실험예를 들어 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 투과율 및 시야각 특성에 대하여 도 9, 도 10 및 도 11을 참고로 설명한다.

본 실험예에서, 줄무늬 전극(1)은 불투명 물질로 만들어져 있으며, 좁은 영역(NR)의 폭은 5 μm, 넓은 영역의 폭은 17 μm이고, 면형 전극(2)에 인가된 전압은 0 V, 줄무늬 전극(1)에 인가된 전압은 5 V이며, ψ_R은 80°, 선경사각은 약 1.5°, 셀 간격은 4.5 μm로 하였다.

도 9는 본 실험예에 따른 투과율 그래프로서 도 3에서 가장 왼쪽의 줄무늬 전극(1)의 왼쪽 경계선을 원점으로 잡고 원점으로부터 x축 방향으로 이동하면서 투과율 변화를 살펴본 것이다.

도 9에 나타난 바와 같이, 투과율은 불투명한 좁은 영역(NR)에서 0이 되고, 넓은 영역(WR)의 중앙선(B) 부근에서 감소하며, 경계선(A, D)과 중앙선(B) 사이 영역의 중앙에서 최대가 된다.

또한, 인가 전압에 따른 투과율 변화를 살펴보면, 가로축을 인가 전압으로 하고 세로축을 투과율로 하여 도시한 도 10에 나타난 바와 같이, 문턱 전압이 약 1.5 V이고, 포화 전압은 약 3 V임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 액정 표시 장치는 낮은 전압으로도 구동이 가능하다.

도 11은 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 방향에 따라서 시야각 특성을 나타낸 그래프로서 대비 10 이상인 영역의 경계가 상하좌우 거의 60도 이상임을 확인할 수 있다.

본 실험예에서 편광판과 기판 사이에 광위상차 보상판을 사용하면 더욱 넓은 시야각을 얻을 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에서는 두 기판에 형성되어 있는 배향막을 같은 방향으로 배향 처리하여 투과축이 서로 수직을 이루는 편광판을 부착한 경우 전압을 인가하지 않은 상태에서 암상태(black state)가 되는 노멀리 블랙 모드(normally black mode)를 취하였지만, 두 기판에 형성되어 있는 배향막의 배향 처리 방향을 다르게 하여 초기 상태에서 액정 분자의 배열을 비틀리도록 하여 전압을 인가하지 않은 상태가 명상태(white state)가 되는 노멀리 화이트 모드(normally white mode)를 취하는 액정 표시 장치를 만들 수도 있다. 이 때 두 배향막의 배향 처리 방향은 서로 0。 이상 90。 이하의 각을 이루도록 하는 것이 좋다.

앞의 실시예 및 실험예에서, 액정 물질의 종류, 배향막의 종류, 배향 방법, 선경사각, 편광판의 방향, 셀 간격, 위상차 보상판의 종류 및 유무, 전극을 이루는 물질, 전극의 폭 및 간격 등은 액정 표시 장치의 설계에 따라서 변화 가능한 것이다.

예를 들어, 줄무늬 전극(1)을 투명한 물질로 형성하면, 줄무늬 전극(1) 상의 액정 분자들도 빛의 조절에 이용하므로 보다 큰 투과율을 얻을 수 있다.

그러면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 도 12 및 도 13을 참고로 하여 설명한다.

본 실시예에서는 제1 실시예에서와는 달리 두 전극이 중첩되는 부분을 제거한다. 다만, 이웃하는 두 화소의 면형 전극(2)이 서로 연결되어야 하는데, 이 연결부가 도 12에서처럼 줄무늬 전극(1)과 중첩될 수도 있지만, 그렇지 않고 중첩되지 않도록 줄무늬 전극(1)의 바깥쪽으로 형성할 수도 있다. 도 12에서는 면형 전극(2) 중 줄무늬 전극(1)과 중첩되는 부분의 가운데 부분만이 제거되어 개구부(5)를 이루고, 신호의 전달을 위하여 중첩되는 부분 중 아래 위 부분은 그대로 남겨 둔다. 설명의 편의상 줄무늬 전극(1) 상의 영역을 좁은 영역(NR), 개구부(5)가 있는 영역을 경계 영역(BR), 두 인접 개구부(5) 사이의 면형 전극(2) 부분이 차지하고 있는 영역을 넓은 영역(WR)이라고 하고, 좁은 영역(NR)의 폭을 a, 경계 영역(BR)의 폭을 c, 넓은 영역(WR)의 폭을 b라 하자.

도 12에서 ⅩⅢ-ⅩⅢ' 선의 단면도인 도 13에서 보면, 전기력선은 좁은 영역(NR)의 중앙선(C)과 넓은 영역(WR)의 중앙선(B) 사이에서 포물선 또는 반타원형의 형태로 발생한다. 경계 영역(BR)의 폭(c)이 일정한 경우, a/b의 값에 따라서 변화하지만 대략 경계 영역(BR)의 중앙선(I) 상에 정점이 위치하는 포물선형의 전기력선을 얻는다. 포물선의 모양은 a와 b가 다른 경우에는 비대칭이지만, a와 b가 동일한 경우에는 거의 대칭이다. 여기에서 c가 0인 경우는 앞의 제1 실시예와 거의 유사한 전기장이 형성되고, c가 0이 아니더라도 면형 전극(2) 또는 줄무늬 전극(1) 상에 수평 및 수직 성분을 갖는 전기장이 형성된다.

따라서, 두 전극 중 하나 또는 두 전극 모두를 투명한 물질로 형성하는 투과형 표시 장치에서, 투명 전극을 통과한 빛은 그 전극 위에 위치하는 액정층의 비틀림과 경사에 의하여 제어된다. 이때, 액정 물질의 문턱 전압은 c 값이 작을수록 낮아진다.

두 전극(1, 2) 모두를 반사율이 높은 금속, 예를 들면, A1 등의 금속으로 사용하는 반사형의 경우에는 c가 작을수록 높은 반사율을 가진다. 이 경우에는, 앞에서 설명한 바와 같이 비틀림각과 경사각의 변화를 가지고 재배열된 전극 위의 액정층이 전극으로 입사되는 빛 및 전극에서 반사되는 빛의 편광을 변화시켜 화상을 표시한다.

다음은, 본 발명의 제3 실시예로서 앞의 제1 및 제2 실시예에서 제시한 전극의 구조에 박막 트랜지스터를 스위칭 소자로 부가한 액정 표시 장치에 대하여 도 14 내지 도 16을 참고로 하여 설명한다.

도 14는 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 아래 기판에 형성되어 있는 한 화소의 배치도를 도시한 것으로서, 액정 표시 장치에는 이러한 화소 수십만 개가 행렬 구조로 배치되어 있다.

투명한 절연 기판(10) 위에 가로로 주사 신호선(40)이 형성되어 있고, 주사 신호선(40) 사이에는 가로로 면 모양의 공통 전극(2)이 형성되어 있다.

주사 신호선(40) 및 공통 전극(2)은 게이트 절연막(3)으로 덮여 있으며, 게이트 절연막(3) 중에서 주사 신호선(40) 위에 위치한 부분(이하 게이트 전극이라 한다)(41) 일부 위에는 비정질 규소층(60)이 형성되어 있다. 비정질 규소층(60) 위에는 게이트 전극(41)에 대하여 양쪽으로 n형 불순물로 고농도로 도핑된 비정질 규소층(71, 72)이 각각 형성되어 있다.

한편, 게이트 절연막(3) 위에는 또한 세로 방향으로 데이터선(80)이 형성되어 게이트선(40)과 교차하고 있으며, 데이터선(80)의 일부가 연장되어 도핑된 비정질 규소층(71) 위에 형성되어 소스 전극(81)을 이루며, 게이트 전극(41)에 대하여 소스 전극(81)의 맞은 편에 위치한 도핑된 비정질 규소층(72) 위에는 드레인 전극(82)이 형성되어 있다. 이러한 게이트 전극(41), 소스 전극(81) 및 드레인 전극(82)은 박막 트랜지스터의 각 전극을 이루며 비정질 규소층(60)에는 전자가 이동하는 채널이 형성되고, 도핑된 비정질 규소층은 소스 및 드레인 전극(81, 82)과 비정질 규소층(60)의 저항성 접촉을 향상시키는 역할을 한다.

드레인 전극(82)은 연장되어 세로 방향의 줄무늬 모양을 하고 있는 다수의 화소 전극(1)을 이루며, 이러한 데이터선(80), 소스 및 드레인 전극(81, 82) 및 화소 전극(1)은 보호막(90)에 의하여 덮여 있고, 이 위에는 다시 배향막(30)이 형성되어 있다.

여기에서, 공통 전극(2)은 이웃하는 화소의 공통 전극으로부터 공통 전극 신호를 전달받아야 하므로 이웃하는 화소의 공통 전극과 연결되어 있어야 한다. 그러기 위해서는 공통 전극(2)과 데이터선(80)이 중첩되며 이러한 중첩 부분은 기생 용량을 발생시켜 화상 신호의 RC 지연을 크게 한다. 이를 줄이기 위해서는 공통 전극(2)과 데이터선(80)이 중첩되는 면적을 최소화하여야 하며, 공통 전극(2) 중에서 데이터선(80)과 중첩되는 데이터선(80)의 하부에 위치한 부분을 제거한다. 그러나, 이웃하는 화소의 공통 전극과의 연결이 끊기지 않도록 중첩부의 아래 위 부분은 그대로 둔다.

또한, 보호막(90)은 표시 영역, 즉 화소 전극(1) 및 공통 전극(2)이 위치한 부분에서는 제거되어 충분한 전기장이 생성될 수 있도록 한다.

그러면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 액정 표시 장치를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, ITO 따위의 투명 도전 물질을 적층하고 패터닝하여 공통 전극(2)을 형성한 다음, Cr, Al, Mo, Ti, Ta막 또는 이들의 합금막을 증착하고 패터닝하여 주사신호선(40) 및 게이트 전극(41)을 형성한다. 질화막 따위의 물질로 이루어진 게이트 절연막(3)을 적층하여 공통 전극(2)과 게이트 전극(41) 및 주사 신호선(40)을 덮고, 게이트 절연막(3) 위에 비정질 규소층(60) 및 n+형 비정질 규소층(71, 72)을 연속하여 적층한다. n+형 비정질 규소층(71, 72) 및 비정질 규소층(60)을 패터닝하고, Cr, Al, Mo, Ta, 또는 이들의 합금을 증착하고 패터닝하여 데이터선(80), 소스 전극(81) 및 드레인 전극(82), 그리고 화소 전극(10)을 형성한 후, 이들을 마스크로 하여 드러난 n+형 비정질 규소층(71, 72)을 식각하여 저항성 접촉층(71, 72)을 완성한다. 이어, 보호막(80)을 증착하고 패터닝하여 화소 전극(1) 위에 개구부를 형성한 후, 배향막(30)을 도포함으로써 본 실시예에 따른 액정 표시 장치용 기판이 완성된다.

다음으로 본 발명의 제1 실시예에서와는 달리, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 두 기판 사이에 주입한 본 발명의 제4 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대해 설명한다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 액정 표시 장치는 도 1 및 도 2에 나타난 제1 실시예의 구조와 유사하다. 그리고 두 전극의 구조가 유사하므로 두 전극에 전압을 인가하였을 때 형성되는 전기장의 형태도 유사하다. 다만, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 사용하므로 전기장이 인가되었을 때의 액정 분자의 배열 상태는 달라진다.

초기 상태에서, 두 배향막(30, 31)은 러빙 또는 자외선 조사법으로 배향 처리되어, 액정 분자들이 모두 한 방향으로 배열하되, 기판(10, 11)에 대하여 약간의 선경사각을 가지지만 거의 수평이 되고, 기판(10, 11)에 평행한 면상에서 볼 때 줄무늬 전극(1) 방향 및 이에 수직인 방향에 대하여 일정 각을 이루도록 배열되어 있다. 이 때의 선경사각은 7。 이내인 것이 바람직하고, 배향 방향이 줄무늬 전극(1)에 대해 이루는 각은 45。 이내인 것이 바람직하다. 편광판(20, 21)의 편광축은 서로 직교하도록 배치하며, 아래 편광판(20)의 편광축은 버핑 방향과 거의 일치한다. 이 때 아래 편광판(20)과 액정층을 통과한 빛은 위 편광판(21)에 의해 차단되어 전압이 인가되지 않은 상태에서 암상태를 나타내는 노멀리 블랙 모드가 된다.

설명의 편의상 본 발명의 제1 실시예를 설명할 때와 마찬가지로, 기판에 수직인 방향을 z축, 기판에 수직이고 줄무늬 전극(1) 방향에도 수직인 방향을 x축, 줄무늬 전극(1)의 방향에 평행한 방향을 y축으로 잡자. 즉, 도 1에서 왼쪽에서 오른쪽을 향하는 방향을 x축, 줄무늬 전극(1)을 따라 아래에서 위로 향하는 방향을 y축, 도 2에서 아래 기판(11)에서 위 기판(10)을 향하는 방향을 z축으로 잡는다.

먼저, 액정 분자의 비틀림각, 즉 x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 평행한 면, 즉 xy 평면 위에서 이루는 각의 변화를 도 17, 도 18 및 도 19를 참고로 설명한다.

도 17에 도시한 바와 같이, 버핑 방향은 벡터 로, 전기장의 x-y 평면 성분은 벡터 로, 아래 편광판(20)의 광축은 벡터 로 나타내었으며, 버핑 방향이 x축과 이루는 각은 ψ_R로, 액정 분자의 장축이 x축과 이루는 각을 ψ_LC로 나타내었다. 그런데 여기에서 아래 편광판(20)의 광축은 버핑 방향과 일치하므로 아래 편광판(20)의 광축이 x축과 이루는 각 ψ_P=ψ_R이다.

액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 하므로, 도 18에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)에서는 액정 분자의 장축 방향이 전기장 성분( )에 대하여 거의 수직을 이루고 버핑 방향과도 거의 수직을 이루지만, 영역(NR, WR)의 중심선(C, B)으로 갈수록 액정 분자의 장축이 버핑 방향에 대하여 이루는 각(

|ψ_R-ψ_LC|

아래 배향막(30)으로부터 위 배향막(31)에 이르는 위치에서, 즉 z축을 따라가며 액정 분자의 장축 방향이 x축과 이루는 비틀림각을 도시하면, 도 19와 같이 나타나는데, 두 배향막 사이의 간격, 즉 셀 간격이 d인 경우를 도시한 것이다. 여기에서 가로축은 아래 배향막(30)으로부터의 높이를 뜻하고, 세로축은 비틀림각을 나타낸다.

도 19에서 보면, 비틀림각은 배향막(30, 31)의 표면에서는 배향력에 의한 힘이 강하기 때문에 크고, 액정층의 중앙으로 갈수록 작아져 전기장의 방향에 가깝게 되는 것을 알 수 있으며, 배향막(30, 31) 바로 위에서는 액정 분자의 장축이 버핑 방향과 동일한 방향으로 배열한다. 여기에서 인접한 액정 분자의 비틀림각의 차이를 비틀림(twist)이라고 하면, 도 19에서 비틀림은 곡선의 기울기에 해당되고, 이는 배향막(30, 31)의 표면에서는 크고 액정층의 중앙으로 갈수록 작아진다.

다음, 액정 분자의 경사각, 즉, x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 수직인 면, 예를 들면 zx 평면 위에서 이루는 각의 변화를 도 20, 도 21 및 도 22를 참고로 설명한다. 도 20에서는 편의상 기판(10, 11)만을 도시한 것이며, 도 17에서 도시한 버핑 방향을 나타내는 벡터 의 zx 평면에 대한 성분을 벡터 로, 전기장의 zx 평면 성분은 벡터 로 나타내었으며, 전기장의 zx 평면 성분 가 x축과 이루는 각은 θ_E로, 액정 분자의 장축이 x축과 이루는 경사각을 θ_LC로 나타내었다. 그런데, 여기에서 벡터 은 xy 평면상에 존재하므로(선경사각은 무시) 는 x 방향이 된다.

액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 한다. 도 21에 나타낸 것처럼, 아래 기판(10) 표면에서는 배향력이 강하므로 액정 분자들이 x축과 평행하게 배열하지만, 위로 올라갈수록 전기장에 의한 힘이 상대적으로 커지므로 경사각(θ_LC)의 크기가 어느 정도 지점까지는 계속해서 증가하다가 다시 감소하여 위 기판(11) 표면에서는 다시 x축과 평행하게 배열한다. 이때, 곡선의 정점은 아래 기판(10)에 가까운 위치에서 나타난다.

따라서, 도 22에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)에서는 액정 분자의 경사각이 거의 0에 가깝지만 중심선(C, B)으로 갈수록 커져 전기장의 zx 평면 성분( )이 x축과 이루는 각(θ_E)과 유사한 분포를 가진다. 그러나, θ_E보다는 완만하게 변화한다.

이와 같이 본 발명의 제4 실시예에서도 두 전극(1, 2)에 전압이 인가되면 액정 분자들은 비틀림각 및 경사각을 가지며 재배열하는데, 그 비틀림각 및 경사각의 변화로 인하여 빛의 투과율이 변화한다. 경계선(A, D) 상에서는 z축을 따라 볼 때 경사각의 변화는 거의 없지만 비틀림각의 변화는 크다. 반면에, 중앙선(B, C) 상에서는 z축을 따라 볼 때 비틀림각의 변화는 거의 없지만 경사각은 약간 변화한다. 따라서, 경계선(A, D)과 중앙선(B, C) 사이의 영역에서는 비틀림각과 경사각이 모두 변화하는 영역이 된다. 결국, 위치에 따른 투과율 곡선은 전기력선의 형태와 유사한 형태가 된다.

본 발명의 제4 실시예에서도 제1 실시예에서와 같이 두 기판에 형성되어 있는 배향막의 배향 처리 방향을 다르게 하여 초기 상태에서 액정 분자의 배열을 비틀리도록 하여 전압을 인가하지 않은 상태가 명상태가 되는 노멀리 화이트 모드를 취하는 액정 표시 장치를 만들 수도 있다. 이 때 두 배향막의 배향 처리 방향은 서로 0。 이상 90。 이하의 각을 이루도록 하는 것이 좋다.

다음으로 본 발명의 제1 실시예에와 같이 양의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 사용하지만, 액정 분자의 초기 상태를 두 기판에 수직인 방향으로 배향시킨 본 발명의 제5 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대해 설명한다.

본 발명의 제5 실시예에 따른 액정 표시 장치 역시 도 1 및 도 2에 나타난 제1 실시예의 구조와 유사하다. 그리고 두 전극의 구조가 유사하므로 두 전극에 전압을 인가하였을 때 형성되는 전기장의 형태도 유사하다. 다만, 액정 표시 장치에 전압이 인가되지 않은 초기 상태에서 액정 분자가 기판에 수직으로 배향된 상태이고, 초기 상태가 달라지므로 전기장이 인가되었을 때의 액정 분자의 배열 상태 역시 달라진다.

초기 상태에서, 액정 분자들은 기판(10, 11)에 대하여 약간의 선경사각을 가지지만 거의 수직이 되도록 배열되어 있고, 두 배향막(30, 31)은 러빙 또는 자외선 조사법으로 한 방향 배향 처리되어 있다. 이 배향 처리 방향은 기판(10, 11)에 평행한 면상에서 볼 때 줄무늬 전극(1) 방향 및 이에 수직인 방향에 대하여 일정 각을 이루는 방향이다. 편광판(20, 21)의 편광축은 서로 직교하도록 배치하며, 편광판(20, 21)의 편광축은 인접하는 배향막(30, 31)의 버핑 방향과 거의 일치한다. 이 때 아래 편광판(20)과 액정층을 통과한 빛은 위 편광판(21)에 의해 차단되어 전압이 인가되지 않은 상태에서 암상태를 나타내는 노멀리 블랙 모드가 된다. 두 기판 사이에 주입되어 있는 액정 물질은 양의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정이나, 카이럴 첨가제가 0.0 - 3.0 wt% 첨가된 네마틱 액정이다.

먼저, 액정 분자의 비틀림각, 즉, x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 평행한 면, 즉 xy 평면 위에서 이루는 각의 변화를 도 23, 도 24 및 도 25를 참고로 설명한다.

도 23에 도시한 바와 같이, 버핑 방향은 벡터 로, 전기장의 x-y 평면 성분은 벡터 로, 아래 편광판(20)의 광축은 벡터 로 나타내었으며, 버핑 방향이 x축과 이루는 각은 ψ_R로, 액정 분자의 장축이 x축과 이루는 각을 ψ_LC로 나타내었다. 그런데 여기에서 아래 편광판(20)의 광축은 버핑 방향과 일치하므로 아래 편광판(20)의 광축이 x축과 이루는 각 ψ_P=ψ_R이다.

액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 하므로, 도 24에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)에서는 액정 분자의 장축 방향이 전기장 성분( )에 대하여 거의 평행하고 버핑 방향에 대해서는 큰 각도를 가지지만, 영역(NR, WR)의 중심선(C, B)으로 갈수록 액정 분자의 장축이 버핑 방향에 대하여 이루는 각(

|ψ_R-ψ_LC|

아래 배향막(30)으로부터 위 배향막(31)에 이르는 위치에서, 즉 z축을 따라가며 액정 분자의 장축 방향이 x축과 이루는 비틀림각을 도시하면, 도 25와 같이 나타나는데, 두 배향막 사이의 간격, 즉 셀 간격이 d인 경우를 도시한 것이다. 여기에서 가로축은 아래 배향막(30)으로부터의 높이를 뜻하고, 세로축은 비틀림각을 나타낸다.

도 25에서 보면, 비틀림각은 배향막(30, 31)의 표면에서는 배향력에 의한 힘이 강하기 때문에 크고, 액정층의 중앙으로 갈수록 작아져 전기장의 방향에 가깝게 되는 것을 알 수 있으며, 배향막(30, 31) 바로 위에서는 액정 분자의 장축이 버핑 방향과 동일한 방향으로 배열한다. 여기에서 인접한 액정 분자의 비틀림각의 차이를 비틀림(twist)이라고 하면, 도 25에서 비틀림은 곡선의 기울기에 해당되고, 이는 배향막(30, 31)의 표면에서는 크고 액정층의 중앙으로 갈수록 작아진다.

이와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 전기장이 형성되었을 때의 액정 분자의 비틀림각의 변화는 제1 실시예의 경우와 유사하다.

다음, 액정 분자의 경사각, 즉, x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 수직인 면, 예를 들면 zx 평면 위에서 이루는 각의 변화를 도 26, 도 27 및 도 28을 참고로 설명한다. 도 26에서는 편의상 기판(10, 11)만을 도시한 것이며, 도 23에서 도시한 버핑 방향을 나타내는 벡터 의 zx 평면에 대한 성분을 벡터 로, 전기장의 zx 평면 성분은 벡터 로 나타내었으며, 전기장의 zx 평면 성분 가 z축과 이루는 각은 θ_E로, 액정 분자의 장축이 z축과 이루는 경사각을 θ_LC로 나타내었다. 그런데, 여기에서 벡터 은 xy 평면 상에 존재하므로(선경사각은 무시) 는 x 방향이 된다.

전기장의 zx 평면 성분( )의 크기는 아래 기판(10)에서 위 기판(11)으로 갈수록 작아지고, 각도 θ_E는 아래 기판(10)에서 위 기판(11)으로 갈수록 커진다.

액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 한다. 도 27에 나타낸 것처럼, 아래 기판(10) 표면에서는 배향력이 강하므로 액정 분자들이 z축과 평행하게 배열하지만, 위로 올라갈수록 전기장에 의한 힘이 상대적으로 커지므로 경사각(θ_LC)의 크기가 어느 정도 지점까지는 계속해서 증가하다가 다시 감소하여 위 기판(11) 표면에서는 다시 z축과 평행하게 배열한다. 이때, 곡선의 정점은 아래 기판(10)에 가까운 위치에서 나타난다.

한편, 전기장의 zx 평면 성분( )이 z축에 대하여 이루는 각 θ_E는 경계선(A, D) 상에서는 90도에 가깝고 중앙선(B-B) 쪽으로 갈수록 작아지며, 전기장의 zx 평면 성분( )의 크기는 경계선(A, D) 상에서 가장 크고 중앙선(B-B) 쪽으로 갈수록 작아진다.

경계선(A, D) 상에서는 액정 분자의 배열 방향과 전기장의 방향은 거의 수직을 이루고 따라서 액정 분자는 움직이지 않으므로 경계선(A, D)은 불연속면을 이루에 된다. 그러나 도 28에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)을 벗어나면 액정 분자의 경사각이 거의 90도에 가깝게 커지고 중심선(C, B)으로 갈수록 작아져 전기장의 zx 평면 성분( )이 z축과 이루는 각(θ_E)과 유사한 분포를 가진다. 그러나, θ_E보다는 완만하게 변화한다.

초기 상태에서 액정 분자들이 약간의 선경사각을 갖도록 배향하게 되면, 경계선(A, D) 상에서 나타나는 불연속면을 없앨 수 있다.

이와 같이 본 발명의 제5 실시예에서도 두 전극(1, 2)에 전압이 인가되면 액정 분자들은 비틀림각 및 경사각을 가지며 재배열하는데, 그 비틀림각 및 경사각의 변화로 인하여 빛의 투과율이 변화한다. 경계선(A, D) 상에서는 z축을 따라 볼 때 경사각과 비틀림각의 변화가 모두 크다. 반면에, 중앙선(B, C) 상에서는 z축을 따라 볼 때 비틀림각과 경사각은 모두 거의 변화가 없다. 그리고 경계선(A, D)과 중앙선(B, C) 사이의 영역에서는 비틀림각과 경사각이 모두 변화하는 영역이 된다. 결국, 본 발명의 제5 실시예에서도 위치에 따른 투과율 곡선은 전기력선의 형태와 유사한 형태가 된다.

마지막으로 본 발명의 제4 실시예에와 같이 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 사용하고, 액정 분자의 초기 상태를 두 기판에 수직인 방향으로 배향시킨 본 발명의 제6 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대해 설명한다.

본 발명의 제6 실시예에 따른 액정 표시 장치 역시 도 1 및 도 2에 나타난 제1 실시예의 구조와 유사하다. 그리고 두 전극의 구조가 유사하므로 두 전극에 전압을 인가하였을 때 형성되는 전기장의 형태도 유사하다. 다만, 액정 표시 장치에 전압이 인가되지 않은 초기 상태에서 액정 분자가 기판에 수직으로 배향된 상태이므로 초기 상태는 제5 실시예와 유사하고, 전기장이 인가되었을 때의 액정 분자의 배열 상태는 달라진다.

초기 상태에서, 액정 분자들은 기판(10, 11)에 대하여 약간의 선경사각을 가지지만 거의 수직이 되도록 배열되어 있고, 두 배향막(30, 31)은 러빙 또는 자외선 조사법으로 한 방향 배향 처리되어 있다. 이 배향 처리 방향은 기판(10, 11)에 평행한 면상에서 볼 때 줄무늬 전극(1) 방향 및 이에 수직인 방향에 대하여 일정 각을 이루는 방향이다. 편광판(20, 21)의 편광축은 서로 직교하도록 배치하며, 편광판(20, 21)의 편광축은 인접하는 배향막(30, 31)의 버핑 방향과 거의 일치한다. 이 때 아래 편광판(20)과 액정층을 통과한 빛은 위 편광판(21)에 의해 차단되어 전압이 인가되지 않은 상태에서 암상태를 나타내는 노멀리 블랙 모드가 된다. 두 기판 사이에 주입되어 있는 액정 물질은 음의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정이나, 카이럴 첨가제가 0.0 - 3.0 wt% 첨가된 네마틱 액정이다.

먼저, 액정 분자의 비틀림각, 즉, x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 평행한 면, 즉 xy 평면 위에서 이루는 각의 변화를 도 29, 도 30 및 도 31을 참고로 설명한다.

도 29에 도시한 바와 같이, 버핑 방향은 벡터 로, 전기장의 x-y 평면 성분은 벡터 로, 아래 편광판(20)의 광축은 벡터 로 나타내었으며, 버핑 방향이 x축과 이루는 각은 ψ_R로, 액정 분자의 장축이 x축과 이루는 각을 ψ_LC로 나타내었다. 그런데 여기에서 아래 편광판(20)의 광축은 버핑 방향과 일치하므로 아래 편광판(20)의 광축이 x축과 이루는 각 ψ_P=ψ_R이다.

액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 하므로, 도 30에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)에서는 액정 분자의 장축 방향이 전기장 성분( )에 대하여 거의 수직을 이루고 버핑 방향과도 거의 수직을 이루지만, 영역(NR, WR)의 중심선(C, B)으로 갈수록 액정 분자의 장축이 버핑 방향에 대하여 이루는 각(

|ψ_R-ψ_LC|

아래 배향막(30)으로부터 위 배향막(31)에 이르는 위치에서, 즉 z축을 따라가며 액정 분자의 장축 방향이 x축과 이루는 비틀림각을 도시하면, 도 31과 같이 나타나는데, 두 배향막 사이의 간격, 즉 셀 간격이 d인 경우를 도시한 것이다. 여기에서 가로축은 아래 배향막(30)으로부터의 높이를 뜻하고, 세로축은 비틀림각을 나타낸다.

도 31에서 보면, 비틀림각은 배향막(30, 31)의 표면에서는 배향력에 의한 힘이 강하기 때문에 크고, 액정층의 중앙으로 갈수록 작아져 전기장의 방향에 가깝게 되는 것을 알 수 있으며, 배향막(30, 31) 바로 위에서는 액정 분자의 장축이 버핑 방향과 동일한 방향으로 배열한다. 여기에서 인접한 액정 분자의 비틀림각의 차이를 비틀림(twist)이라고 하면, 도 31에서 비틀림은 곡선의 기울기에 해당되고, 이는 배향막(30, 31)의 표면에서는 크고 액정층의 중앙으로 갈수록 작아진다.

다음, 액정 분자의 경사각, 즉, x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 수직인 면, 예를 들면 zx 평면 위에서 이루는 각의 변화를 도 32, 도 33 및 도 34를 참고로 설명한다. 도 32에서는 편의상 기판(10, 11)만을 도시한 것이며, 도 29에서 도시한 버핑 방향을 나타내는 벡터 의 zx 평면에 대한 성분을 벡터 로, 전기장의 zx 평면 성분은 벡터 로 나타내었으며, 전기장의 zx 평면 성분 가 z축과 이루는 각은 θ_E로, 액정 분자의 장축이 z축과 이루는 경사각을 θ_LC로 나타내었다. 그런데, 여기에서 벡터 은 xy 평면상에 존재하므로(선경사각은 무시) 는 x 방향이 된다.

액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 한다. 도 33에 나타낸 것처럼, 아래 기판(10) 표면에서는 배향력이 강하므로 액정 분자들이 z축과 평행하게 배열하지만, 위로 올라갈수록 전기장에 의한 힘이 상대적으로 커지므로 경사각(θ_LC)의 크기가 어느 정도 지점까지는 계속해서 증가하다가 다시 감소하여 위 기판(11) 표면에서는 다시 z축과 평행하게 배열한다. 이때, 곡선의 정점은 아래 기판(10)에 가까운 위치에서 나타난다.

따라서, 도 34에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)에서는 액정 분자의 경사각이 거의 0에 가깝지만 중심선(C, B)으로 갈수록 커져 전기장의 zx 평면 성분( )이 x축과 이루는 각(θ_E)과 유사한 분포를 가진다. 그러나, θ_E보다는 완만하게 변화한다.

이와 같이 본 발명의 제6 실시예에서도 두 전극(1, 2)에 전압이 인가되면 액정 분자들은 비틀림각 및 경사각을 가지며 재배열하는데, 그 비틀림각 및 경사각의 변화로 인하여 빛의 투과율이 변화한다. 경계선(A, D) 상에서는 z축을 따라 볼 때 경사각의 변화는 거의 없지만 비틀림각의 변화는 크다. 반면에, 중앙선(B, C) 상에서는 z축을 따라 볼 때 비틀림각의 변화는 거의 없지만 경사각은 약간 변화한다. 따라서, 경계선(A, D)과 중앙선(B, C) 사이의 영역에서는 비틀림각과 경사각이 모두 변화하는 영역이 된다. 결국, 위치에 따른 투과율 곡선은 전기력선의 형태와 유사한 형태가 된다.

본 발명은 앞서 기재한 실시예에 한정되지 않으며, 이 실시예들을 근거로 하여 당업자가 변형하거나 개량할 수 있는 기술적인 내용들 또한 본 발명에 포함된다.

이와 같은 액정 표시 장치에서는 전극 구조를 새롭게 함으로써, 시야각을 넓힐 수 있고, 구동 전압을 낮출 수 있으며, 개구율을 크게 할 수 있다.

Claims

서로 마주 대하고 있는 제1 및 제2 기판,

상기 제1 및 제2 기판 사이에 봉합되어 있는 액정 물질층,

상기 제1 기판 위에 형성되는 게이트선, 데이터선 및 박막 트랜지스터,

상기 제1 기판 위에 상기 박막 트랜지스터에 전기적으로 연결되는 제1 전극, 상기 제1 기판 위에 상기 제1 전극과 절연되어 형성되어 있으며 상기 제1 전극과 적어도 일부분 중첩되어 있고 상기 제1 전극 사이에서 연속적인 면으로 이루어지고, 이웃하는 화소 영역의 소정의 전극과 공통으로 연결되는 제2 전극,

상기 제1 기판 및 제2 기판 위에 각각 형성되어 있으며 상기 액정 물질층의 액정 분자축을 일정한 방향으로 배향하는 제1 및 제2 배향막,

상기 제1 기판 및 제2 기판의 바깥쪽에 각각 부착되어 있는 편광판을 포함하는 액정 표시 장치.
제1항에서,

상기 액정 물질층은 양 또는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정 표시 장치.
제2항에서,

상기 제1 및 제2 배향막은 상기 액정 물질층의 액정 분자축을 기판에 대해 수평으로 배향하는 액정 표시 장치.
제3항에서,

상기 제1 및 제2 배향막은 한 방향으로 버핑되어 있는 액정 표시 장치.
제4항에서,

상기 액정 물질층의 액정 분자는 선경사각을 가지는 액정 표시 장치.
제5항에서,

상기 선경사각은 7。 이하인 액정 표시 장치.
제6항에서,

상기 제1 및 제2 배향막은 같은 방향으로 버핑되어 있는 액정 표시 장치.
제7항에서,

상기 제1 및 제2 배향막은 상기 제1 전극에 대해 0。 초과 45。 미만의 각을 이루도록 버핑되어 있는 액정 표시 장치.
제8항에서,

상기 편광판의 투과축은 서로 수직으로 배치되어 있는 액정 표시 장치.
제6항에서,

상기 제1 및 제2 배향막은 서로 다른 방향으로 버핑되어 있는 액정 표시 장치.
제10항에서,

상기 제1 및 제2 배향막은 서로 0。 이상 90。 이하의 각을 이루도록 버핑되어 있는 액정 표시 장치.
제11항에서,

상기 편광판의 투과축은 서로 수직으로 배치되어 있는 액정 표시 장치.
제12항에서,

상기 편광판의 투과축은 인접하는 상기 제1 및 제2 배향막의 버핑 방향과 일치하는 액정 표시 장치.
제2항에서,

상기 액정 물질층은 네마틱 액정 또는 카이럴 첨가제가 혼합된 네마틱 액정으로 이루어진 액정 표시 장치.
제14항에서,

상기 제1 및 제2 배향막은 상기 액정 물질층의 액정 분자축을 기판에 대해 수직으로 배향하는 액정 표시 장치.
제15항에서,

상기 제1 및 제2 배향막은 서로 다른 방향으로 버핑되어 있는 액정 표시 장치.
제16항에서,

상기 제1 및 제2 배향막은 서로 0。 이상 90。 이하의 각을 이루도록 버핑되어 있는 액정 표시 장치.
제17항에서,

상기 편광판의 투과축은 서로 수직으로 배치되어 있는 액정 표시 장치.
제18항에서,

상기 편광판의 투과축은 인접하는 상기 제1 및 제2 배향막의 버핑 방향과 일치하는 액정 표시 장치.