KR100299376B1 - 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치 - Google Patents

다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컬러 쉬프트를 제거하기 위하여 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치를 개시한다. 개시된 본 발명은, 상하 기판은 일정 셀갭을 두고 대향하고, 이 상하 기판 사이에 액정 분자를 포함하는 액정이 개재된다. 하부 기판의 내측면에 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극이 서로 소정 거리 이격되면서, 제 1 방향으로 평행하게 연장된다. 상부 기판의 내측면에 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극이 서로 소정 거리 이격되면서, 제 1 방향과 실질적으로 수직인 제 2 방향으로 평행하게 연장된다. 여기서, 액정 분자들은 상기 전극들 사이에 전계가 이전에는 기판 표면과 그것의 장축 거의 수직으로 배열되다가, 전계가 형성되면 전계의 형태로 재 배열되고, 셀갭은 상기 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극간의 거리 및 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 거리보다 작으며, 제 1 구동 전극 및 제 3 구동 전극에 동일 전압이 인가되고, 제 2 구동 전극 및 제 4 구동 전극에는 제 1 구동 전극에 인가되는 전압과 소정의 전압차를 갖는 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 다중 도메인을 형성하여, 컬러 쉬프트(color shift)를 제거하기 위한 수직 배향 모드의 액정 표시 장치에 관한 것이다.
현재 노트북 컴퓨터 및 그 밖의 표시 장치등에 광범위하게 이용되는 TN(twist nematic) 모드의 액정 표시 장치는 활발한 연구 개발을 통한 기술력을 바탕으로 우수한 광효율성과 안정한 신뢰성을 지닌다.
그러나, 이러한 TN 모드의 액정 표시 장치는 시야각이 좁다는 고질적인 문제점을 지니고 있어, CRT를 대체하여 모니터, 벽걸이 TV 등으로 사용되기 어렵다.
이에 따라, 상기한 시야각을 개선하기 위하여, 일본국 히다찌사에서 기판에 평행한 전계에 의하여 액정이 동작되도록 하는 IPS(in-plan switching) 모드 액정 표시 장치가 제안되었다(M.oh-e, Mohta, S.Aratani, and K.Kondo, Proceeding of the 15th International Display Research Conference(Society for Information Display and the intrinsic of Television Engineer of Japan, hamamatsu, Japan 1995) p577).
그러나, IPS 모드의 액정 표시 장치는 보는 방향 즉, 방위각을 달리하여 볼 때, 컬러 쉬프트가 발생된다는 문제점을 지니고 있다.
따라서, 종래에는 광시야각을 유지하면서 컬러 쉬프트를 제거할 수 있는 액정 표시 장치가 본 출원인에 의하여 특허 출원번호 97-30378호로 출원된 바 있다.
상기 종래 기술에 대하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1a를 참조하여, 상, 하부 기판(10,20)이 액정(30)을 사이에 두고 대향 배치된다. 여기서, 하부 기판(20) 상부에는 일반적인 IPS모드의 액정 표시 소자와 마찬가지로, 액정내 분자(이하 액정 분자: 30A)들을 구동시키기 위한 제 1 구동 전극(21)과 제 2 구동 전극(22)이 x 방향으로 서로 평행하게 배치된다.
또한, 상부 기판(10)의 액정 대향면에도 상부 기판(10) 가까이의 액정 분자들(30A)의 응답 속도를 개선시키기 위하여, 제 3 및 제 4 구동 전극(11,12)이 x 방향과 실질적으로 수직인 y 방향으로 서로 평행하게 배치된다. 여기서, 제 1 구동 전극(21)과 제 2 구동 전극(22) 사이의 거리(l1)와 제 3 구동 전극(11)과 제 4 구동 전극(12) 사이의 거리(l2)는 동일하거나, 거의 유사하며, 이들 거리(l1,l2)보다 상하 기판간의 거리(d: 이하 셀갭)가 크도록 설계하여, 각각 기판 표면에 평행한 전계가 형성되도록 한다.
액정(30)은 유전율 이방성이 양인 액정으로서, 전계 인가시 액정 분자의 장축이 전계와 평행하도록 배열된다.
또한, 상, 하 기판(10, 20)의 내측면 각각에는 액정 분자(30A)들의 초기 구동상태를 결정하는 배향막(도시되지 않음)이 형성되어 있다. 여기서, 배향막은 전계 형성 이전에, 액정 분자(30A)들의 장축이 기판(10,20)면에 대하여 약 85。 내지 90。의 각도차를 갖도록, 바람직하게는 수직으로 배열되도록 하는 수직 배향막이다.
그리고, 상, 하부 기판(10,20)의 외측면에는 입사되는 빛과 출사되는 빛을 일정한 방향으로 편향시키기 위한 편광자(23)와 검광자(13)가 구비된다. 편광자(23)의 편광축은 도면에서 P 방향 즉, 제 1 및 제 2 전극 사이에 형성되는 전계와 소정 각도 바람직하게는 45°를 이루도록 배치되고, 검광자(13)의 편광축은 편광축의 방향(P)과 수직인 A 방향으로 배치된다.
액정 표시 장치에서 액정 분자를 등방성으로 보이도록 하여, 콘트라스트비를 증대시키기 위하여, 상부 기판(10)과 검광자(13) 사이에 위상 보상 필름(14)이 개재된다.
이러한 구성을 갖는 액정 표시 소자의 전극들(11,12,21,22)에 전압이 인가되지 않을때에는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 액정 분자(30A)들은 수직 배향막(도시되지 않음)의 영향으로 상 하부 기판(10,20)에 대하여 수직으로 배열된다. 이에 따라, 화면은 다크 상태를 띠고, 위상 보상 필름에 의하여 어느면에서나 완전한 다크를 이룬다.
한편, 전극들(11,12,21,23)에 전압이 인가되면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 구동 전극(21,22) 간에 전계가 형성되고, 제 3 및 제 4 구동 전극(11,12)간에 전계가 형성된다. 이때, 전계는 각각의 기판(10,20) 부근에서는 전극들 사이에 기판 표면과 평행한 전계가 형성되고, 기판(10,20)과 멀어질수록 타원 형태의 전계가 형성된다. 따라서, 전체적인 전계는 액정(30)의 중앙을 중심으로 90°회전된 형태를 갖는다. 이때, 각각 기판에 평행한 전계를 형성하기 위하여는 셀갭(d)이 구동 전극간의 거리(l1,l2)가 큰 조건을 만족시켜야 한다.
이에따라, 수직 배열되었던 액정분자들(30A)은 전계(F1,F2)의 형태로 틸트되어, 광을 누설하게 된다. 이때, 액정 분자들은 90°회전된 전계에 의하여, 그것들의 장축이 상하좌우 대칭적으로 배열되어, 별도의 러빙없이 4중 도메인이 형성된다. 그러므로, 4중 도메인에 의하여 컬러 쉬프트가 방지되고, 액정 분자들이 상하 좌우로 대칭적으로 배열되어 있으므로, 시야각도 개선된다.
상기한 종래의 액정 표시 장치는 다음과 같은 몇가지 문제점을 갖는다.
첫째로, 상기한 종래의 액정 표시 장치는 화이트 상태(전계 인가)이고, 액정 표시 장치가 수평으로 배열되어 있는 경우에는, 수평 배열시에는 어떠한 방위각에서나 컬러 쉬프트가 발생되지 않다. 하지만, 액정 표시 장치를 기울였을 경우, 즉, 액정 표시 장치가 x-y 평면과 소정 각도를 이루도록 비스듬하게 배치시켰을 경우에는 컬러 쉬프트가 발생된다.
이를 보다 자세히 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 액정 표시 장치가 비스듬하게 배치되어 있으면, 액정 분자 자체는 전계에 의하여 대칭적으로 배열되어 있다하더라도, 사용자 관점에서는 전계 자체가 기울어지게 보이므로 대칭적으로 보이지 않게 되고, 셀갭또한 직선거리가 아니고 사선 거리를 보게 되므로 셀갭이 상대적으로 증대되는 것으로 보인다. 이에 따라, 컬러 쉬프트를 결정하는 굴절율 이방성(Δn) 및 셀갭(d) 팩터가 변화되므로, 컬러 쉬프트를 유발한다.
또한, 상기한 종래의 액정 표시 장치는 90°회전된 형태의 전계를 얻기 위하여 구동 전극간의 거리 보다 셀갭을 크게 하였다. 그러나, 상기와 같이 셀갭을 크게 함에 의하여, 액정 표시 장치의 응답 속도가 저하되는 문제점 또한 발생된다.
또한, IPS 관련된 액정 표시 장치의 문턱 전압은 다음 식 1로 구현된다.
Vth=πl/d(K2/ε0Δε)1/2-------(식 1)
Vth : 문턱 전압
l : 전극 사이의 거리
d : 셀갭
K2 : 트위스트 탄성 계수
ε0: 유전 상수
Δε : 유전율 이방성
상기 식 1에서와 같이 구동 전압은 l/d에 따라 변화되는데, 상기 액정 표시 장치를 식 1에 적용하여 보면, l보다 d가 상대적으로 큼으로 인하여 문턱 전압이 증대되고, 이로 인하여 큰 구동 전압이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 액정 표시 장치를 기울였을 경우에도 컬러 쉬프트가 발생을 방지하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 응답 속도를 개선하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 저전압 구동을 가능케하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치의 사시도.
도 2는 종래의 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치를 비스듬하게 배치시킨 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 전극 배열을 나타낸 평면도.
도 5는 도 4의 전극에 전계 형성시, 액정 분자의 배열을 나타낸 도면.
도 6a는 편광축 및 편광축을 제 1 상태로 배치한 상태를 보여주는 도면.
도 6b 내지 도 6d는 편광자 시스템을 도 6a와 같이 배열하였을 때, 전압에 따른 화면의 빛투과 상태를 나타낸 도면.
도 7a는 편광축 및 편광축을 제 2 상태로 배치한 상태를 보여주는 도면.
도 7b 내지 도 7d는 편광자 시스템을 도 7a와 같이 배열하였을 때, 전압에 따른 화면의 빛투과 상태를 나타낸 도면.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 전압에 따른 투과도 곡선.
도 8b는 종래의 액정 표시 장치의 전압에 따른 투과도 곡선.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 시야각에 대한 밝기를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 시야각에 따른 등-콘트라스트를 나타낸 그래프.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
50 : 하부 기판 51 : 제 1 구동 전극
52 : 제 2 구동 전극 55, 65 : 수직 배향막
57 : 편광자 60 : 상부 기판
61 : 제 3 구동 전극 62 : 제 4 구동 전극
67 : 검광자 70 : 액정
70A, 70B: 액정 분자 80 : 디스클리네이션 라인
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상하 기판은 일정 셀갭을 두고 대향하고, 이 상하 기판 사이에 액정 분자를 포함하는 액정이 개재된다. 하부 기판의 내측면에 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극이 서로 소정 거리 이격되면서, 제 1 방향으로 평행하게 연장된다. 상부 기판의 내측면에 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극이 서로 소정 거리 이격되면서, 제 1 방향과 실질적으로 수직인 제 2 방향으로 평행하게 연장된다. 여기서, 액정 분자들은 상기 전극들 사이에 전계가 이전에는 기판 표면과 그것의 장축 거의 수직으로 배열되다가, 전계가 형성되면 전계의 형태로 재 배열되고, 셀갭은 상기 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극간의 거리 및 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 거리보다 작으며, 제 1 구동 전극 및 제 3 구동 전극에 동일 전압이 인가되고, 제 2 구동 전극 및 제 4 구동 전극에는 제 1 구동 전극에 인가되는 전압과 소정의 전압차를 갖는 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상하 기판은 일정 셀갭을 두고 대향하며, 상기 상하 기판에는 수개의 단위 화소 공간이 한정된다. 상하 기판 사이에는 액정이 개재된다. 그리고, 하부 기판의 단위 화소 각각에는 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극이 서로 소정 거리 이격되면서 교대로 배열되며, 제 1 방향을 향하여 서로 평행하게 연장된다. 상부 기판의 단위 화소 공간에는 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극이 소정 거리 이격되면서 교대로 배열되며, 상기 제 1 방향과 실질적으로 수직인 제 2 방향을 향하여 서로 평행하게 연장된다. 하부 기판의 내측면 표면 및 상부 기판의 내측면 표면에는 수직 배향막이 형성되며, 하부 기판의 외측면에는 편광축을 갖는 편광자가 배치되고, 상기 상부 기판의 외측면에는 상기 편광축과 직교되는 방향으로의 편광축을 갖는 검광자가 배치된다. 그리고, 상부 기판과 검광자 사이에 상기 액정 분자를 등방성으로 보이게 하는 위상 보상 필름이 개재되며, 상기 제 1 구동 전극 및 제 3 구동 전극에 동일 전압이 인가되고, 제 2 구동 전극 및 제 4 구동 전극에는 제 1 구동 전극에 인가되는 전압과 소정의 전압차를 갖는 전압이 인가되고, 상기 셀갭은 상기 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극간의 거리 및 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 거리보다 작도록 하여, 상기 제 1 구동 전극과 제 4 구동 전극 사이 및 제 2 구동 전극과 제 3 구동 전극사이에 전계가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 하부 기판에 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극이 평행하게 배열되고, 상부 기판에는 제 1 및 제 2 구동 전극들과 실질적으로 수직인 방향으로 제 3 및 제 4 구동 전극이 평행하게 배열되며, 상기 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극간의 간격 및 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 간격 보다 셀갭이 더 작도록한다. 이와같이 하면, 동일 기판에 형성된 전극간에 전계가 형성되기 보다는 상하 기판 사이에 유효 전계가 형성된다. 이에 따라, 전계 형성시, 액정 분자들이 서로 대칭되는 방향으로 배열되어, 어떠한 방향에서도 컬러 쉬프트가 발생되지 않는다.
또한, 액정 표시 장치를 기울여 보았을 경우에도, 셀갭이 좁으므로 컬러 쉬프트가 발생되지 않는다.
아울러, 응답 속도를 개선할 수 있으며, 저전압 구동이 가능하다.
(실시예)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
첨부한 도면 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 전극 배열을 나타낸 평면도이고, 도 5는 도 4의 전극에 전계 형성시, 액정 분자의 배열을 나타낸 도면이다. 또한, 도 6a는 편광축 및 편광축을 제 1 상태로 배치한 상태를 보여주는 도면이고, 도 6b 내지 도 6d는 편광자 시스템을 도 6a와 같이 배열하였을 때, 전압에 따른 화면의 빛투과 상태를 나타낸 도면이고, 도 7a는 편광축 및 편광축을 제 2 상태로 배치한 상태를 보여주는 도면이고, 도 7b 내지 도 7d는 편광자 시스템을 도 7a와 같이 배열하였을 때, 전압에 따른 화면의 빛투과 상태를 나타낸 도면이다. 도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 전압에 따른 투과도 곡선이고, 도 8b는 종래의 액정 표시 장치의 전압에 따른 투과도 곡선이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 시야각에 대한 밝기를 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 시야각에 따른 등-콘트라스트를 나타낸 그래프이다.
본 실시예에서는 전극간의 간격보다 셀갭을 좁게 형성하여, 유효 전계(effective field)를 유발시킨다. 이에따라, 액정 표시 장치를 기울였을 경우에도 컬러 쉬프트의 발생을 방지하고, 빠른 응답 속도 및 저전압 구동을 가능하게 한다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 먼저, 도 3을 참조하여, 하부 기판(50)과 상부 기판(60)은 소정 거리를 두고 이격되어 있다. 이때, 본 실시예에서, 하부 기판(50)과 상부 기판(60)간의 거리(D), 즉 셀갭은 예를들어 3 내지 10㎛, 본 실시예에서는 5㎛로 한다. 하부 기판(50)과 상부 기판(60) 사이에는 액정(70)이 개재되어 있다. 본 실시예에서 액정으로는 유전율 이방성(Δε)이 양인 물질을 사용하였으며, 보다 구체적으로는 상온에서 유전율 이방성(Δε)은 7.4, 굴절율 이방성(Δn)은 0.088인 물질을 사용한다. 아울러, 본 실시예에서의 위상 지연(액정 분자의 굴절율 이방성(Δn)과 셀갭(D))값은 약 0.2 내지 0.7㎛가 되도록 하며, 본 실시예에서는 하나의 단위 화소 공간을 예를들어 설명한다.
하부 기판(50)의 내측면에는 한 쌍의 제 1 구동 전극(51)과 제 1 구동 전극(51) 사이에 제 2 전극(52)이 x 방향으로 서로 평행하게 배열된다. 제 1 구동 전극(51)과 제 2 구동 전극(52)은 역시 소정 폭을 지니면서, 소정 간격만큼 이격되어 있다. 여기서, 제 1 구동 전극(51)과 제 2 구동 전극(52)간의 간격(L1)은 상기 셀갭(D)보다 커야 하며, 제 1 및 제 2 구동 전극(51,52)의 폭(w) 보다도 커야 한다. 본 실시예에서는 제 1 구동 전극(51)과 제 2 구동 전극(52)간의 간격(L1)을 5 내지 25㎛로 하고, 제 1 구동 전극(51)과 제 2 구동 전극(52)의 폭(w)을 3 내지 10㎛ 정도로 한다. 본 실시예에서는 제 1 구동 전극(51)과 제 2 구동 전극(52)간의 간격(L1)을 20㎛로 하고, 제 1 구동 전극(51)과 제 2 구동 전극(52)의 폭(w)을 10㎛로 한다.
또한, 상부 (의 내측면에는 한 쌍의 제 3 구동 전극(61)과 제 3 구동 전극(61) 사이에 제 4 구동 전극(62)이 x 방향과 실질적으로 수직인 y방향으로 서로 평행하게 배열된다. 제 3 구동 전극(61)과 제 4 구동 전극(62)은 역시 소정 폭(w)을 지니면서, 소정 간격(L2)만큼 이격되어 있다. 이때, 제 3 구동 전극(61)과 제 4 구동 전극(62) 역시 상기 셀갭(D)보다 커야 한다. 그리고, 제 3 구동 전극(61)과 제 4 구동 전극(62) 간의 간격(L2)과 제 1 구동 전극(51)과 제 2 구동 전극(52)간의 간격(L1)은 동일함이 바람직하며, 본 실시예에서는 제 3 구동 전극(61)과 제 4 구동 전극(62)간의 간격(L1)을 5 내지 20㎛로 하고, 제 3 구동 전극(61)과 제 4 구동 전극(62)의 폭(w)을 3 내지 10㎛ 정도로 한다. 본 실시예에서는 제 3 구동 전극(61)과 제 4 구동 전극(62)간의 간격(L2)을 20㎛로 하고, 제 3 구동 전극(61)과 제 4 구동 전극(62)의 폭(w)을 10㎛로 한다. 그리고, 제 1 및 제 3 구동 전극(51,61)에 동일 신호를 인가하며, 제 2 및 제 4 구동 전극(52,62)에 동일 신호를 인가하도록 한다. 본 실시예에서는 제 1 구동 및 제 3 구동 전극(51,61)에 (-) 단자를 연결하고, 제 2 및 제 4 구동 전극(52,62)에 (+) 단자를 연결한다.
하부 기판(50)의 내측면 표면 및 상부 기판(60)의 내측면 표면에는 각각 배향막(55,65)이 형성된다. 각각의 배향막(55,65)은 전계 형성이전에 액정 분자(도시되지 않음)의 장축이 기판(50,60) 표면에 대하여 거의 수직을 이루도록 하는 수직 배향막이다. 그리고, 이들 배향막(55,65)은 도메인을 형성하기 위한 러빙 처리가 이루어지지 않았다.
하부 기판(50)의 외측면에는 광원의 빛을 1차적으로 편광시키기 위한 편광자(57)가 구비되고, 상부 기판(60)의 외측면에는 액정(70)을 통과한 빛을 2차적으로 편광시키는 검광자(67)가 구비된다. 여기서, 편광자(57)의 편광축은 검광자(67)의 편광축과 직교되도록 배치되어야하고, 편광자(57)의 편광축은 제 1 상태, 즉, x축과 45도 각도차를 갖도록 P1 방향과 일치되도록 배치되거나, 또는 제 2 상태, 즉, x축과 일치하는 P2 방향으로 배치된다.
상부 기판(60)과 검광자(67) 사이에 액정 분자의 이방성을 보상하기 위한 위상 보상 필름(69)가 개재된다. 위상 보상 필름(69)은 부(negative)의 굴절율 이방성을 갖는 편광 물질을 이축 연신한 필름 타입이거나, 액정 분자들로 이루어진 경화 필름으로, 즉, 디스크 타입이다. 아울러, 위상 보상 필름의 위상 지연값(phase retardation:위상 보상 필름내 액정 분자의 굴절율 이방성과 위상 보상 필름의 두께의 곱)은 상기 액정(70)의 위상 지연값(액정 분자의 굴절율 이방성과 셀갭의 곱)의 절대값과 동일하다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 동작을 설명한다.
먼저, 각 구동 전극(51,52,61,62) 사이에 전압차가 없을 경우, 편광자와 검광자(이하 편광자 시스템)가 제 1 상태 또는 제 2 상태이든, 편광축(P1,P2)과 편광축(A1,A2)은 교차되어 있고, 액정 분자(70A)의 장축이 기판에 대하여 수직으로 서 있으므로, 화면은 다크 상태를 띤다. 즉, 편광축(P1,P2)을 통과한 빛은 액정(70)내의 액정 분자(70A)의 단축을 지나므로, 액정(70)을 통과한 빛은 편광상태가 변하지 않는다. 이에따라, 액정(70)을 통과한 빛은 편광축(P)과 교차 배치된 편광축(A)을 통과하지 못하여 화면은 다크 상태가 되는 것이다.
한편, 제 1 및 제 3 구동 전극(51,61)과 제 2 및 제 4 구동 전극(52,62) 각각에 전압이 인가되면, 제 1 및 제 3 구동 전극(51,61)과 제 2 및 제 4 구동 전극(52,62)간의 전압차에 의하여 전계(f)가 형성된다. 이때, 전계(f)는 동일 기판에 형성된 구동 전극간의 거리(L1,L2) 보다 셀갭(D)이 훨씬 좁으므로, 동일 기판에 형성된 구동 전극간에 전계가 형성되기 보다는, 하부 기판(50)에 형성된 제 1 구동 전극(51)과 상부 기판(60)에 형성된 제 3 구동 전극(61)간의 교점(71)과 하부 기판(50)에 형성된 제 2 구동 전극(52)과 상부 기판(60)에 형성된 제 4 구동 전극(62)간의 교점(72)간에 전계가 형성된다. 이때, 전계(f)는 유효 전계로서, 가장 근거리에서 전압차가 나는 전극들 사이에 형성된다. 즉, 제 1 구동 전극(51)과 제 3 구동 전극(61)이 교차 부분(71), 제 2 구동 전극(52)과 제 4 구동 전극(62)의 교차 부분(72)에서 거의 사선 형태로 형성된다. 이때, 전계(f)는 기판(50)에 투영시켰을 때, 제 1 및 제 2 구동 전극(51,52)과 45도 각도를 이루게된다. 여기서, 전계(f)의 배열과 수직으로 배열된 라인(e)는 등전위면(equipotential surface)이다.
이러한 전계가 형성되면, 액정 분자(70A)들은 그것의 장축이 기판과 수직을 이루도록 배열되다가, 도 5와 같이 전계(f)와 장축이 평행하도록 틸트된다. 이때, 액정 분자(70A)의 장축은 등전위면(e)과는 수직으로 배열된다. 그리고, 전계의 정중앙에 위치되는 액정 분자(70B)는 그것 양측의 액정 분자(70A)들로 부터 동일한 크기를 갖으며, 방향은 반대인 힘을 받으므로 초기 상태 즉 수직 배향 상태를 유지한다. 이에따라, 전계의 정중앙에 위치하는 액정 분자(70A)들은 빛의 누설을 차단하여, 화면에서 디스클리네이션 라인(disclination line)으로 나타내어 진다. 이때, 디스클리네이션 라인은 동일한 방향으로 배열되는 액정 분자들의 그룹 즉, 도메인(domain)을 경계짓는 역할을 한다.
이때, 편광자 시스템을 제 1 상태, 즉 도 6a와 같이 배치하면, 편광자의 편광축(P1)과 전계의 방향이 일치하므로, 전압을 상승시켜도 투과율이 거의 제로(zero)에 가깝다(도 6b 내지 도 6d). 하지만, 편광자 시스템을 제 2 상태 즉 도 7a와 같이 배치하면, 편광자의 편광축(P2)과 전계(f)의 투영면과 이루는 각이 45도가 되므로, 최대 투과율에 이르게 된다.
즉, 다음 식 2의 투과율 공식에 의거하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
T≒T0sin2(2χ)·sin2(π·Δnd/λ)..............(식 2)
T: 투과율
T0: 참조(reference)광에 대한 투과율
χ: 액정 분자의 광축과 편광자의 편광축이 이루는 각
Δn : 굴절율 이방성
d : 상하 기판 사이의 셀갭
λ: 입사되는 광 파장
식 2에 따르면, χ가 π/4 즉, 45°일 경우에 최대 투과율을 얻게되는데, 상기 편광자 시스템을 제 1 상태로 하였을 경우에는, 편광자의 편광축(P1)과 전계(f)가 일치하므로, χ가 0이 되어, 투과율은 상술한 바와 같이 0이 된다. 이 경우, 전압을 도 6b 내지 도 6d와 같이, 6V에서 9V, 14V로 상승시켜도, 약간의 광 누설만이 발생될 뿐 투과율이 매우 낮다.
하지만, 편광자 시스템을 제 2 상태로 하는 경우에는 편광자의 편광축(P2)과 전계(f)의 투영면이 이루는 각이 45°가 되므로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 6V 정도의 전압을 인가하였을 경우에도 어느 정도의 투과율을 보이게 되며, 도 7c 및 도 7d에서와 같이, 9V, 14V 정도의 전압을 인가하게 되면, 더욱 높은 투과율을 보이게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 편광자 시스템을 제 2 상태 즉, 하부 기판에 형성된 전극 배열과 편광축을 일치시키도록 배치함이 바람직하다. 상기 도면에서 미설명 부호 80은 상술한 디스클리네이션 라인을 나타낸다. 이때, 상기 도면들에 의하면, 전압이 증가될수록 디스클리네이션 라인이 감소됨을 알 수 있다.
또한, 편광자의 편광축을 상기 하부 기판에 형성된 구동 전극과 수직으로 배치시키고, 검광자의 편광축을 편광자의 편광축과 수직으로 배치시켜도 동일한 효과를 거둘 수 있다. 이에 대하여 설명하면, 전계형성 이전에는 제 1 상태 및 제 2 상태와 동일하고, 전계가 형성되어도, 전계의 투영면과 편광자의 편광축이 이루는 각은 45도이므로 최대 투과율을 보이기 때문이다.
도 8a은 본 실시예에 따른 전압에 따른 투과도를 나타낸 그래프로서, 도면에 의하면 전압을 인가할수록 투과도가 상승하는 것을 알 수 있으며, 인가 전압이 20V일 때, 투과도가 거의 100%에 달함을 알 수 있다. 그러나, 동일한 조건에서 셀갭을 60㎛로 증가시켰을 때의 전압에 따른 투과도 곡선(도 8b)을 비교하면, 30 V이상에서 100%에 가까운 투과도를 보이므로, 본 발명의 액정 표시 장치가 저전압 구동면에서도 더욱 우수함을 알 수 있다.
또한, 도 9는 시야각에 따른 밝기(brightness)를 나타낸 그래프로, 노말(normal) 방향에서, 전압을 20V 인가한 것이다. 도면에 의하면, 화면의 중앙 영역에서는 밝기가 70% 이상을 나타내고, 화면의 전 영역에서는 30% 이상의 높은 밝기를 나타낸다.
도 10은 시야각에 따른 등 콘트라스트(iso-contrast)를 나타낸 그래프로서, 화면의 전 영역이 콘트라스트비가 10 이상을 나타낸다. 아울러, 본 실시예와 같이 전극이 90도 방향 및 180도 방향으로 배열되어 있고, 전계가 45도, 135도, 225도, 315도 방향으로 형성되므로, 화면에서, 90도, 180도, 270도, 360도 방향에서 콘트라스트비가 더욱 우수하다. 이는 사용자가 45도, 135도, 225도, 315도 방향에서 화면을 보는 경우보다는 90도, 180도, 270도, 360도 즉, 상하 좌우에서 보는 경우가 더욱 많으므로, 사용자적 측면에서 유리하다.
이와같이, 본 발명의 실시예와 같은 전극 구조 및 액정 배열에 따르면, 전계가 상하 좌우 대칭적인 형태로 형성되고, 각각의 전계 당, 그것의 정중앙 즉, 디스클리네이션 라인을 중심으로 액정 분자들이 서로 대칭적으로 배열되므로, 다중 도메인이 형성된다.(도 5 참조)
이에 따라, 사용자가 어떠한 방향에서 화면을 보았을 경우에도, 액정 분자의 장축 및 단축이 동시에 보이게 되어, 컬러 쉬프트가 발생되지 않는다.
또한, 전계가 상부 기판(60)의 전극(61,62)과 하부 기판(50)의 전극(51,52) 사이에서 형성되므로, 액정 표시 장치를 기울여 보았을 경우에도 액정 분자(70A)들이 대칭적으로 배열되며, 셀갭 자체가 미소하므로, 기울였을 경우에도 셀갭의 변화가 종래보다 크지않아, 컬러 쉬프트 현상이 발생되지 않는다.
또한, 초기 액정 분자(70A)가 수직 배향되어 있다가, 전계에 의하여 틸트되므로, 액정 분자가 누워있는 채로 재배열되는 IPS 모드보다 응답 속도가 우수하다.
또한, 구동 전압 측면에서 볼 때, 전극간의 간격(L1,L2)보다 셀갭(D)이 더 작으므로, 상기 식 1에 의거하여 볼 때, 저전압 구동을 할 수 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명에 의하면, 하부 기판에 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극이 평행하게 배열되고, 상부 기판에는 제 1 및 제 2 구동 전극들과 실질적으로 수직인 방향으로 제 3 및 제 4 구동 전극이 평행하게 배열되며, 상기 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극간의 간격 및 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 간격 보다 셀갭이 더 작도록한다. 이와같이 하면, 동일 기판에 형성된 전극간에 전계가 형성되기 보다는 상하 기판 사이에 유효 전계가 형성된다. 이에 따라, 전계 형성시, 액정 분자들이 서로 대칭되는 방향으로 배열되어, 어떠한 방향에서도 컬러 쉬프트가 발생되지 않는다.
또한, 액정 표시 장치를 기울여 보았을 경우에도, 셀갭이 좁으므로 컬러 쉬프트가 발생되지 않는다.
아울러, 응답 속도를 개선할 수 있으며, 저전압 구동이 가능하다.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (18)

  1. 일정 셀갭을 두고 대향하는 상하 기판;
    상기 상하 기판 사이에 개재되며, 액정 분자를 포함하는 액정;
    상기 하부 기판의 내측면에 서로 소정 거리 이격되면서, 제 1 방향으로 평행하게 연장되는 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극;
    상기 상부 기판의 내측면에 서로 소정 거리 이격되면서, 제 1 방향과 실질적으로 수직인 제 2 방향으로 평행하게 연장되는 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극을 포함하며,
    상기 액정 분자들은 상기 전극들 사이에 전계가 이전에는 기판 표면과 그것의 장축 거의 수직으로 배열되다가, 전계가 형성되면 전계의 정중앙을 기준으로 좌우 틸트되고,
    상기 셀갭은 상기 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극간의 거리 및 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 거리보다 작으며,
    상기 제 1 구동 전극 및 제 3 구동 전극에 동일 전압이 인가되고, 제 2 구동 전극 및 제 4 구동 전극에는 제 1 구동 전극에 인가되는 전압과 소정의 전압차를 갖는 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 인가시, 전계는 제 1 구동 전극과 제 3 구동 전극 사이의 교점 부위와 제 2 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 교점 부위 사이에서 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 액정은 유전율 이방성이 양인 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 기판의 내측면 표면 및 상기 상부 기판의 내측면 표면에는 각각 수직 배향막이 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 기판의 외측면에는 편광자가 부착되고, 상기 상부 기판의 외측면에는 검광자가 추가로 부착되며, 상기 편광자의 편광축은 검광자의 분해축과 직교되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 편광자의 편광축은 상기 제 1 방향 또는 제 2 방향과 일치되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 상부 기판과 검광자 사이에는 상기 액정을 등방성으로 보이게 하는 위상 보상 필름이 설치되는 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 위상 보상 필름은 부의 굴절율 이방성을 갖는 액정 분자들이 경화된 필름이나, 편광 물질을 이축 연신한 필름으로, 상기 액정과 위상 지연값의 절대값이 동일한 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 위상 지연값의 절대값은 0.2 내지 0.6㎛인 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 셀갭은 3 내지 10㎛이고, 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극간의 간격 및 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 간격은 5 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전극들의 폭은 3 내지 10㎛ 정도 인 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  12. 일정 셀갭을 두고 대향하며, 서로 대응되는 수개의 단위 화소 공간이 한정된 상하 기판;
    상기 상하 기판 사이에 개재되며, 액정 분자를 포함하는 액정;
    상기 하부 기판의 단위 화소 각각에 형성되는 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극으로, 상기 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극은 서로 소정 거리 이격되면서 교대로 배열되며, 제 1 방향을 향하여 서로 평행하게 연장되는 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극;
    상기 상부 기판의 단위 화소 공간에 형성되는 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극으로, 상기 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극은 서로 소정 거리 이격되면서 교대로 배열되며, 상기 제 1 방향과 실질적으로 수직인 제 2 방향을 향하여 서로 평행하게 연장되는 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극;
    상기 하부 기판의 내측면 표면 및 상부 기판의 내측면 표면에 각각 형성되는 수직 배향막;
    상기 하부 기판의 외측면에 배치되는 편광축을 갖는 편광자;
    상기 상부 기판의 외측면에 배치되며 상기 편광축과 직교되는 방향으로의 편광축을 갖는 검광자; 및
    상기 상부 기판과 검광자 사이에 개재되며, 상기 액정 분자를 등방성으로 보이게 하는 위상 보상 필름을 포함하며,
    상기 제 1 구동 전극 및 제 3 구동 전극에 동일 전압이 인가되고, 제 2 구동 전극 및 제 4 구동 전극에는 제 1 구동 전극에 인가되는 전압과 소정의 전압차를 갖는 전압이 인가되고,
    상기 셀갭은 상기 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극간의 거리 및 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 거리보다 작도록 하여, 상기 제 1 구동 전극과 제 3 구동 전극의 교점 부위와 제 2 구동 전극과 제 4 구동 전극 교점 부위 사이에 전계가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 액정은 유전율 이방성이 양인 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 편광자의 편광축은 상기 제 1 방향 또는 제 2 방향과 일치되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 위상 보상 필름은 부의 굴절율 이방성을 갖는 액정 분자들이 경화된 필름으로, 상기 액정과 위상 지연값의 절대값이 동일한 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 위상 지연값의 절대값은 0.2 내지 0.6㎛인 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 셀갭은 3 내지 10㎛이고, 제 1 구동 전극과 제 2 구동 전극간의 간격 및 제 3 구동 전극과 제 4 구동 전극간의 간격은 5 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 전극들의 폭은 3 내지 10㎛ 정도 인 것을 특징으로 하는 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치.
KR1019980019610A 1998-05-29 1998-05-29 다중 도메인을 갖는 수직 배향 모드의 액정 표시 장치 KR100299376B1 (ko)

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