KR100297686B1 - 쌍안정액정셀의계조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 쌍안정 액정 셀의 계조 방법은, 인가되는 전압 레벨에 따라, 초기 각도 θ1에서 액정 분자들의 전이 각도 θ2를 감산한 각도 θ1- θ2로 트위스트되는 제1 준안정 상태와, 초기 각도 θ1와 액정 분자들의 전이 각도 θ2를 가산한 각도 θ1+ θ2로 트위스트되는 제2 준안정 상태의 특성을 갖는 쌍안정 액정 셀에 의하여 다계조를 표시하는 계조 방법이다. 이 방법은 리셋 단계 및 계조 표시 단계를 포함한다. 리셋 단계에서는, 쌍안정 액정 셀의 커먼 전극에 리셋 펄스를 인가하여, 쌍안정 액정 셀이 제2 준안정 상태가 되게 한다. 계조 표시 단계에서는, 쌍안정 액정 셀의 커먼 전극에 선택 펄스를 인가함과 동시에 쌍안정 액정 셀의 세그먼트 전극에 선택 펄스와 반대 극성의 가변적 전압 레벨의 계조 펄스를 인가하되, 선택 펄스의 전압과 계조 펄스의 전압이 합쳐진 인가 전압의 범위가 역치 전압과 포화 전압의 사이이다. 여기서, 역치 전압은 제2 준안정 상태와 제1 준안정 상태가 서로 혼재되기 시작하게 하는 전압이다. 또한, 포화 전압은 제2 준안정 상태와 제1 준안정 상태의 혼재 상태에서 제1 준안정 상태로 전환되게 하는 전압이다.

Description

쌍안정 액정 셀의 계조 방법{Method of the gray-leveling for bistable twisted nematic cell}
본 발명은 쌍안정 액정 셀(Bistable Twisted Nematic Cell)의 계조 방법에 관한 것으로, 특히 두 가지 준안정 상태를 갖는 쌍안정 액정 셀에 인가하는 전압 레벨을 두가지 준안정 상태가 혼재되는 혼재 영역(multi domain) 내에서 조절함으로써 다계조를 구현할 수 있는 계조 방법에 관한 것이다.
액정 조성물은 물질 특성상 분자축에 대해 장축과 단축 방향의 유전율이 다르기 때문에 외부의 전계에 대해서 배열 방향을 달리한다.
특히, 쌍안정 액정 셀은 네마틱 액정에 카이랄 물질을 첨가하여 0도와 360도의 두가지 준안정 상태를 갖게 한 것으로, 이러한 쌍안정 액정 셀을 채용한 액정표시장치는 그 스위칭 속도를 빠르게 할 수 있으면서도 저전력 구동이 가능하기 때문에 동영상의 구현에 유리하고, 그 시야각이 넓고 콘스트라스트 비가 높다는 장점을 갖고 있는 등, 전반적으로 우수한 특성을 얻을 수 있으므로 미래의 정보화 시대에 주도적 역할을 할 표시장치의 하나로 주목되고 있다.
쌍안정 액정 셀은 인가되는 전계에 따라 두 가지의 준안정 상태로 되는 쌍안정 특성을 갖고 있어서 다계조를 구현하는 데 유리하다.
이러한 특성을 갖는 쌍안정 액정 셀의 스위칭 타임을 줄여 다계조를 구현할 수 있도록 한 구동방식에 관하여 동출원인에 의해 출원된 대한민국 특허출원 제 98 - 852호에 상세히 명시되어 있다.
여기에서는 단지 쌍안정 액정 셀에 인가하는 구동신호인 리셋 펄스와 선택 펄스의 사이에 휴지시간을 주어 액정 분자들이 응답되는 스위칭 타임을 2㎲까지 줄일 수 있도록 함으로써 프레임 변조에 의한 동영상의 다계조를 구현할 수 있도록 한다.
그러나, 전술한 종래의 쌍안정 액정 셀의 계조 방법은 복수 개의 프레임을 하나의 단위로 하여 계조 표시를 행하는 것이어서 몇 단계까지의 계조가 가능한지는 상기의 스위칭 타임에 의존하게 된다. 이로 인해, 고해상도 화면에서 동영상으로 다계조를 구현하는 데에는 한계가 있고, 현재로는 이러한 스위칭 타임을 지원하는 구동 소자마저도 개발되지 못하고 있는 실정이어서 실용화가 어렵다는 문제점을 안고 있다.
본 발명의 목적은, 쌍안정 액정 셀이 갖는 쌍안정 특성을 이용하여 아날로그적인 다계조 표시를 구현함으로써, 고속의 구동 소자를 사용하지 않고서도 고해상도의 칼라 영상을 정확하게 표시할 수 있는 계조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 전압 변화에 따른 액정 셀의 투과도 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 액정 셀의 구동 신호의 파형도이다.
도 3은 도 2 의 파형으로 구동시킨 액정 셀의 투과도 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4 은 본 발명의 실시예에 의한 혼재 영역을 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b 는 각각 본 발명에 의해서 구현되는 두 가지 준안정의 혼재상태를 보인 패널의 전면도 및 이 패널을 이루는 화소의 액정층 배열 상태도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 관련된 통상적인 쌍안정 액정 셀의 트위스트 상태도이다.
도 7 및 도 8 은 본 발명에 관련된 통상적인 쌍안정 액정 셀의 구동 펄스의 파형도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
24-단위 화소, W-화이트 영역,
MD-혼재 영역. B-블랙 영역.
상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 쌍안정 액정 셀의 계조 방법은, 인가되는 전압 레벨에 따라, 초기 각도 θ1에서 액정 분자들의 전이 각도 θ2를 감산한 각도 θ1- θ2로 트위스트되는 제1 준안정 상태와, 상기 초기 각도 θ1와 액정 분자들의 전이 각도 θ2를 가산한 각도 θ1+ θ2로 트위스트되는 제2 준안정 상태의 특성을 갖는 쌍안정 액정 셀에 의하여 다계조를 표시하는 계조 방법이다. 이 방법은 리셋 단계 및 계조 표시 단계를 포함한다.
상기 리셋 단계에서는, 상기 쌍안정 액정 셀의 커먼 전극에 리셋 펄스를 인가하여, 상기 쌍안정 액정 셀이 상기 제2 준안정 상태가 되게 한다.
상기 계조 표시 단계에서는, 상기 쌍안정 액정 셀의 커먼 전극에 선택 펄스를 인가함과 동시에 상기 쌍안정 액정 셀의 세그먼트 전극에 상기 선택 펄스와 반대 극성의 가변적 전압 레벨의 계조 펄스를 인가하되, 상기 선택 펄스의 전압과 상기 계조 펄스의 전압이 합쳐진 인가 전압의 범위가 역치 전압과 포화 전압의 사이이다. 여기서, 상기 역치 전압은 상기 제2 준안정 상태와 제1 준안정 상태가 서로 혼재되기 시작하게 하는 전압이다. 또한, 상기 포화 전압은 상기 제2 준안정 상태와 제1 준안정 상태의 혼재 상태에서 상기 제1 준안정 상태로 전환되게 하는 전압이다.
본 발명의 상기 계조 방법에 의하면, 표시될 계조에 상응하여 상기 인가 전압의 레벨이 상기 역치 전압과 포화 전압 사이에서 변함에 의하여, 상기 혼재 상태의 정도가 제어된다. 이에 따라, 쌍안정 액정 셀이 갖는 쌍안정 특성을 이용하여 아날로그적인 다계조 표시를 구현함으로써, 고속의 구동 소자를 사용하지 않고서도 고해상도의 칼라 영상을 정확하게 표시할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 상세히 설명된다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 본 발명에 관련된 통상적인 쌍안정 셀의 동작 특성에 대해 설명하면 다음과 같다.
무전계의 초기상태에서 쌍안정 액정 셀 내의 액정 분자들은 도 6a와 같이 트위스트 각도가 θ1인 배향상태를 이루게 된다.
이러한 초기상태에서 도 7 에 도시된 바와같은 일정전압(Freedericksz전압) 이상의 리셋 펄스를 소정전압(Vr)으로 소정시간(Wr)동안 인가하면, 액정 분자들은 도 6b와 같이 기판면에 대해 수직으로 일어서는 호메오트로픽(homeotropic) 상태가 되며, 리셋 전압(Vr)은 떨어지고 휴지시간(Wd)이 경과한 후, 액정 분자들의 트위스트 각도는 초기의 θ1의 상태로 되돌아가지 않고 도 6d에 도시된 바와같이 θ1+ θ2의 제2 준안정 상태(블랙 모드)가 되어 이를 메모리 효과에 의해 소정시간동안 유지하다가 초기 상태로 돌아가게 된다.
한편, 쌍안정 액정 셀에 리셋 펄스를 인가한 후 휴지시간을 준 다음에 다시 역치 전압보다 높은 선택 펄스의 전압(Vs)을 일정시간(Ws)동안 인가하면, 액정 분자들은 호메오프로픽 상태에서 도 6c에 도시된 바와같이 θ1- θ2의 제1 준안정상태(화이트 모드)가 되어 이를 소정시간동안 유지하게 된다. 여기서, θ1은 배향막의 러빙 각도에 따라 달라지게 되는 초기 배향각이며, θ2는 액정 분자들이 트위스트되는 전이 각도로서 현재까지 알려진 바로는 180도 정도이다.
따라서, θ1을 180도로 되게 액정 분자들을 배향시키고, 도 8과 같은 파형으로 펄스를 인가한 경우, PS1 구간에서 액정 분자들은 0도로 트위스트되는 화이트 모드가 되고, PS2 구간에서 액정 분자들은 360도로 트위스트되는 블랙 모드가 된다. 단, 화이트 모드와 블랙 모드는 편광판의 부착 각도에 따라 서로 반전되는 것이다.
본 발명은 상술한 바와 같이 쌍안정 액정 셀이 갖는 화이트 모드와 블랙 모드의 두 가지 준안정 상태를 이용하여 다계조를 구현할 수 있도록 한 것이다.
이를 위해서, 도 5a 및 도 5b 에 도시된 바와같이, 패널(2)상의 단위 화소(24) 내에 쌍안정 액정 셀의 제1 준안정상태 동작에 의해서 표시되는 화이트모드(W)와 제2 준안정상태에 의해서 표시되는 블랙모드(B)를 혼재시킴과 아울러, 이 혼재 비율은 액정 셀에 인가하는 전압 레벨을 변화시켜 조절함으로써 동영상의 풀 칼라를 구현할 수 있도록 한다.
즉, 본 발명은 초기 각도 θ1에서 액정 분자들의 전이 각도 θ2를 감산한 각도 θ1- θ2로 트위스트 되어 화이트 모드를 표시하는 제1 준안정 상태와, 초기 각도 θ1에 액정 분자들의 전이 각도 θ2를 가산한 각도 θ1+ θ2로 트위스트 되어 블랙 모드를 표시하는 제2 준안정 상태가 단위 화소(24) 내에 혼재되어 나타나는 혼재 영역 내에서, 액정 셀의 단위 전극들로 인가하는 전압을 변화시킴으로써, 상기 두 가지 준안정 상태, 즉 화이트 모드와 블랙 모드의 혼재 비율을 변화시키는 것이다. 여기서, 혼재 영역은 제1 준안정 상태와 제2 준안정 상태가 혼재되기 시작하는 역치 전압과, 제1 준안정상태와 제2 준안정상태가 혼재된 상태로부터 제1 준안정상태로 돌입되게 하는 포화 전압의 사이가 된다.
따라서, 쌍안정 액정 셀에 인가하는 구동신호의 전압 레벨을 역치 전압과 포화 전압의 사이에서 조절하면, 단위 화소내에 분포된 액정 분자들을 트위스트각 θ1- θ2인 제1 준안정상태와, 트위스트각 θ1+ θ2인 제2 준안정상태로 혼재시킬 수 있게 되는 것이고, 이 혼재되는 비율을 조절하여 액정의 투과도를 변화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 전압변화에 따른 액정 셀의 투과도 변화를 보인 특성선도로서, 여기에서는 일정구간에서 액정 셀에 인가하는 리셋 펄스 및 선택 펄스의 전압에 비례하여 액정의 투과도가 변화됨을 보여준다.
이러한 결과 데이터는 쌍안정 액정 셀에 인가하는 리셋 펄스의 전압(Vr)과 선택 펄스의 전압(Vs)의 비는 50:7, 리셋 펄스의 폭(Wr)은 500 ㎳, 선택 펄스의 폭(Ws)은 50 ㎲, 리셋 펄스와 선택 펄스의 사이에 주는 휴지시간의 폭(Ws)은 500 ㎳, 그리고 리셋 펄스의 전압(Vr)을 30 V부터 50 V까지 서서히 변화시키면서 액정 셀의 투과도 변화를 측정하여서 얻은 것이다.
이 결과에 의하면, 전술한 바와같이 액정의 투과도를 가변시킬 수 있는 혼재 영역(MD)은 액정 셀에 인가되는 전압이 역치 전압 Vth로 되는 시점, 즉 블랙모드(B)의 영역이 끝나는 부분부터 나타나며, 상기 혼재 영역(MD) 내에서의 혼재비율은 액정 셀에 인가하는 전압을 상승시킴에 따라 변화하여 액정의 투과도를 증가시키고, 액정 셀에 인가되는 전압이 포화 전압 Vsat에 이르면 혼합영역(MD)은 사라지고 화이트모드(W)의 영역으로 되는 것을 알 수 있다.
따라서, 리셋 펄스 및 선택 펄스의 전압을 같은 변동비율로 하여 가변시키면다계조를 표시할 수 있다.
이와 같이 리셋 펄스와 선택 펄스의 전압을 조절하기 위해서는 도 2 에 도시된 바와 같이 커먼 전극에 인가되는 커먼 전압과 세그먼트 전극에 인가되는 세그먼트 전압의 전위차를 주는 전압 평균화법을 사용하는 것이 바람직하다. 도 2에서 커먼 전압의 하이레벨 VH는 리셋 펄스의 전압을 만들어 주기 위한 것이고, 커먼 전압의 로우레벨 VL은 선택 펄스의 전압을 만들어 주기 위한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 쌍안정 액정 셀의 계조 방법은 리셋 단계 및 계조 표시 단계가 주기적으로 반복 수행된다.
제1 리셋 단계에서는, 쌍안정 액정 셀의 커먼 전극에 부극성(-) 전압 VH의 리셋 펄스가 인가되어, 쌍안정 액정 셀이 상기 제2 준안정 상태가 되게 한다. 제1 계조 표시 단계에서는, 선택된 쌍안정 액정 셀의 커먼 전극에 부극성(-) 전압 VL의 선택 펄스가 인가됨과 동시에 상기 쌍안정 액정 셀의 세그먼트 전극에 정극성(+)의 가변적 전압 레벨(도 2의 경우, Vd)의 계조 펄스가 인가된다. 여기서, 선택 펄스의 전압(VL)과 계조 펄스의 전압(도 2의 경우, Vd)이 합쳐진 인가 전압(도 2의 경우, VL + Vd)의 범위가 역치 전압과 포화 전압의 사이이다. 여기서, 역치 전압은 상기 제2 준안정 상태와 제1 준안정 상태가 서로 혼재되기 시작하게 하는 전압이다. 또한, 상기 포화 전압은 상기 제2 준안정 상태와 제1 준안정 상태의 혼재 상태에서 제1 준안정 상태로 전환되게 하는 전압이다.
전압 평균화법에 따라, 이어지는 제2 리셋 및 계조 표시 단계에서는 제1 리셋 및 계조 표시 단계에서 적용되었던 전압의 극성이 반전되어 적용된다. 또한,상기 제1 및 제2 리셋 및 계조 표시 단계들은 지속적으로 반복 수행된다.
도 3에서는 전술한 바와같이 커먼 전압을 VH와 VL로 고정하고 세그먼트 전압을 변화시키면서 측정한 액정의 투과도 특성을 보여준다.
이러한 측정 데이터는 본 출원인에 의해서 반복 실험에 의해서 얻어진 것으로, 다음의 실시예를 통해서 실험에 사용된 액정표시장치의 시방과 구동조건에 대해서 설명한다.
〈실시예〉
본 발명의 실시예에 사용된 액정표시장치의 시방을 설명하면 다음과 같다.
- 사용 액정 : ZLI - 1557 (Merk 제품, Germany)
- 배향제 : SE - 3140 (Nissan 화학, Japan)
- Cell Gap : 2.2 ㎛
- 액정의 초기 배향각 : 180 도
- 상하 편광판의 각도 : 배향막의 러빙 각도에 대해 45 도로 하되, 두 편광 판은 서로 크로스 되게 함.
그리고, 전술한 시방으로 제작된 액정표시장치를 도 2 에 도시된 바와같이 커먼 전압과 세그먼트 전압에 의한 전압평균화법으로 구동시키되, 그 전압 레벨은 커먼 전압의 VH를 50 V로 하여 500 ㎳, 커먼 전압의 VL을 2 V로 하여 50 ㎲동안 인가하는 것으로 고정하고, 세그먼트 전압의 시간폭을 50 ㎲로 하여 -3 V 부터 -6 V까지 서서히 변화시킨다.
이와 같이 커먼 전압의 VH 및 VL을 각각 리셋펄스 및 선택펄스의 역치 전압Vth미만으로 고정하고 세그먼트 전압을 변화시킴으로써, 리셋 펄스 및 선택 펄스의 전압을 각각 역치 전압 Vth 과 포화 전압 Vsat 사이에서 가변시킬 수 있다. 이에 따라 단위 화소(24) 내에 함께 분포되는 제1 준안정상태의 화이트모드(W)와 제2 준안정상태의 블랙모드(B)의 혼재비율을 조절하여 액정의 투과도를 변화시킴으로써 다계조를 구현할 수 있다. 하지만, 단위 화소 당 투과도를 조절할 수 있는 쌍안정 액정 셀에 있어서, 혼재 영역(MD) 내에서도 그 액정 분자들이 0도 및 360도의 준안정 상태에서와 같이 메모리 특성을 가져야 다계조의 구현이 가능하다.
이를 확인하기 위해서 행한 본 출원인의 수회 반복된 실험에 의하면, 상기의 혼재 영역(MD) 내에서 액정 분자들은 0도 및 360도의 준안정 상태와 동일하게 메모리 효과를 가지는 것이 확인되었으며, 그 메모리 시간은 다음의 표 1과 같다.
세그먼트 전압(V) -4.0 -4.2 -4.5 -4.7 -5.0 -5.2 -5.5 -5.7 -6.0
메모리시간(㎳) 300 250 250 300 300 400 450 500 500
(단, 커먼 전압은 VH를 50V로 하여 500㎳, VL를 2V로 하여 50㎲동안 인가함)
따라서, 쌍안정 액정 셀의 액정 분자들은 혼재 영역(MD) 내에서도 메모리 효과를 가지므로 다계조의 화상표시를 가능하게 한다.
한편, 혼재 영역(MD)은 액정 재료의 물성이나 펄스 인가방법에 따라 다수회 나타날 수도 있으므로, 본 발명의 계조 방법은 상술한 바와 같이 한번의 혼재 영역의 특성을 갖는 쌍안정 액정 셀에 적용하는 것에 한정하지 않고, 복수회의 혼재 영역의 특성을 갖는 액정 셀에도 적용될 수 있다.
예를 들어, 도 4 에 도시된 바와같이, 액정 셀에 인가하는 전압의 상승에 따라 제1 역치 전압 Vth1 과 제1 포화 전압 Vsat1 사이에 존재하는 제1 혼재 영역(MD1)과, 제2 역치 전압 Vth2 과 제2 포화 전압 Vsat2 사이에 존재하는 제2 혼재 영역(MD2)을 나타내는 경우, 이러한 특성을 갖는 액정 셀을 채용한 액정표시소자는 상기 제1 혼재 영역(MD1)과 제2 혼재 영역(MD2) 중에서 한 영역만을 선택하여 액정 셀에 인가하는 전압을 조절함으로써 다계조를 표시할 수 있다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 쌍안정 액정 셀의 계조 방법에 의하면, 표시될 계조에 상응하여 인가 전압의 레벨이 역치 전압과 포화 전압 사이에서 변함에 의하여, 혼재 상태의 정도가 제어된다. 이에 따라, 쌍안정 액정 셀이 갖는 쌍안정 특성을 이용하여 아날로그적인 다계조 표시를 구현함으로써, 고속의 구동 소자를 사용하지 않고서도 고해상도의 칼라 영상을 정확하게 표시할 수 있다.
본 발명은, 상기 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에서 정의된 발명의 사상 및 범위 내에서 당업자에 의하여 변형 및 개량될 수 있다.

Claims (1)

  1. 인가되는 전압 레벨에 따라, 초기 각도 θ1에서 액정 분자들의 전이 각도 θ2를 감산한 각도 θ1 - θ2로 트위스트되는 제1 준안정 상태와, 상기 초기 각도 θ1와 액정 분자들의 전이 각도 θ2를 가산한 각도 θ1 + θ2로 트위스트되는 제2 준안정 상태의 특성을 갖는 쌍안정 액정 셀에 의하여 다계조를 표시하는 계조 방법에 있어서,
    상기 쌍안정 액정 셀의 커먼 전극에 리셋 펄스를 인가하여, 상기 쌍안정 액정 셀이 상기 제2 준안정 상태가 되게 하는 리셋 단계; 및
    상기 쌍안정 액정 셀의 커먼 전극에 선택 펄스를 인가함과 동시에 상기 쌍안정 액정 셀의 세그먼트 전극에 상기 선택 펄스와 반대 극성의 가변적 전압 레벨의 계조 펄스를 인가하되, 상기 선택 펄스의 전압과 상기 계조 펄스의 전압이 합쳐진 인가 전압의 범위가 역치 전압과 포화 전압의 사이이며, 상기 역치 전압이 상기 제2 준안정 상태와 제1 준안정 상태가 서로 혼재되기 시작하게 하는 전압이고, 상기 포화 전압이 상기 제2 준안정 상태와 제1 준안정 상태의 혼재 상태에서 상기 제1 준안정 상태로 전환되게 하는 전압인 계조 표시 단계를 포함하는 쌍안정 액정 셀의 계조 방법.
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