KR100350644B1 - 수직 배향형 액정 표시 장치 - Google Patents

Abstract

하부 절연 기판에 화소 전극과 스위칭 소자인 박막 트랜지스터가 형성되어 있고, 하부 기판에 대향하는 상부 절연 기판에 공통 전극이 형성되어 있다. 화소 전극과 공통 전극에는 화소 영역을 다수의 도메인으로 분할할 수 있도록 개구 패턴이 형성되어 있다. 상하부 기판의 사이에는 액정 물질이 주입되어 있다. 이 때, 액정 물질은 수평 방향 유전 상수(ε∥)에 대한 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 비(ε⊥/ε∥)가 2.57 이하이다. 이렇게 하면, V-T 곡선의 완만도를 증가시킬 수 있고 이를 통해 표시 불량을 감소시킬 수 있다.

Description

수직 배향형 액정 표시 장치{A VERTICALLY ALIGNED MODE LIQUID CRYSTAL DISPLAY}

본 발명은 수직 배향 모드 액정 표시 장치에 관한 것으로서, 특히 수직 배향 모드 액정 표시 장치에 사용되는 액정 물질에 관한 것이다.

액정 표시 장치는 일반적으로 공통 전극과 컬러 필터(color filter) 등이 형성되어 있는 상부 기판과 박막 트랜지스터와 화소 전극 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 주입해 놓고 화소 전극과 공통 전극에 서로 다른 전위를 인가함으로써 전계를 형성하여 액정 분자들의 배열을 변경시키고, 이를 통해 빛의 투과율을 조절함으로써 화상을 표현하는 장치이다.

그 중에서도 수직 배향 모드 액정 표시 장치는 대비비가 크고 광시야각 구현이 용이하여 각광받고 있다.

그런데 수직 배향 모드는 V-T 곡선(전압에 따른 투과율의 변화를 나타내는 그래프)이 매우 가파르게 상승하여 다른 모드에 비해 다음과 같은 불리한 점이 있다. 즉, 구동 IC(integrated circuit)의 출력 편차와 기판 간격의 불균일성에 민감하여 화질이 불량해지기 쉽다. 예를 들어, 바탕 화면을 5에서 35 계조로 표시한 경우에 바탕 화면에 비해 다소 어둡거나 밝은 여러 가지 형태의 띠가 나타나 표시품질을 떨어뜨리는 세로줄 불량이 발생하기 쉽다. 세로줄 불량은 구동 IC의 출력 편차가 계조간 전압 차이와 비슷한 것이 원인이다. 종래의 수직 배향 모드에서는 유전율 이방성이 -3.0에서 -5.0 사이의 범위이고, 분자축에 수직한 방향의 유전 상수는 6.5에서 10.0 사이이며, 수평 방향의 유전 상수는 3.0에서 4.5 사이의 값을 갖는 액정 물질을 사용하고 있다.

이러한 액정 물질을 사용하여 얻을 수 있는 V-T 곡선의 완만도(가장 밝은 상태의 투과율을 100%라 할 때 투과율이 10%인 전압(V₁₀)과 투과율이 90%가 되는 계조 전압(V₉₀)의 차)는 1.25V에서 1.32V 사이의 값이다. 이 정도의 완만도에서는 전술한 세로줄 표시 불량이 나타난다.

도 1은 TN(twisted nematic) 모드와 PVA(patterned vertically alined) 모드의 계조간 전압차를 나타내는 그래프이다.

PVA 모드는 대략 13에서 30 계조 사이에서 최소값을 나타내고, TN 모드의 경우는 대략 30에서 45 계조 사이에서 최소 값을 나타낸다. V-T 곡선이 가파를수록 계조간 전압차는 작아지고 세로줄 표시 불량과 같은 표시 불량은 증가한다.

이러한 표시 불량을 제거하는 방법으로는 구동 IC의 출력 편차를 줄이는 방법과 V-T 곡선을 완만하게 하는 방법이 있다. 전자의 경우는 출력 편차가 작은 구동 IC를 사용하여야 하는데 이러한 IC는 가격이 비싼 문제점이 있다. 후자의 경우는 액정 물질을 달리함으로써 해결할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 액정 표시 장치의 화질을 개선하는 것이다.

도 1은 TN(twisted nematic) 모드와 PVA(patterned vertically alined) 모드의 계조간 전압차를 나타내는 그래프이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장의 단면도이고,

도 3은 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 변화에 대한 V-T 곡선의 완만도의 변화를 나타내는 그래프이고,

도 4는 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 값이 다른 다수의 경우에 있어서 인가 전압에 대한 투과율의 변화 곡선(V-T 곡선)을 나타내는 그래프이고,

도 5는 휘도 변화에 따른 사람의 인지도를 나타내는 그래프이고,

도 6은 수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)가 다른 다수의 경우에 대한 V-T 곡선을 나타내는 그래프이고,

도 7은 수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)의 변화에 대한 V-T 곡선의 완만도의 변화를 나타내는 그래프이고,

도 8a 및 도 8b는 탄성 정수비가 다른 8가지 경우에 있어서의 V-T 곡선을 나타내는 그래프이고,

도 9는 K33/K11이 다른 8가지 경우에 있어서의 V-T 곡선을 나타내는 그래프이고,

도 10은 K33/K11의 변화에 따른 V-T 곡선의 완만도의 변화를 나타내는 그래프이다.

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 유전 상수의 크기나 탄성 정수비를 최적화한 액정 물질을 사용한다.

구체적으로는, 제1 전극이 형성되어 있는 제1 기판과 제2 전극이 형성되어 있는 제2 기판 사이에 액정 분자의 장축 방향이 제1 및 제2 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있는 액정 물질이 주입되어 있다. 이 때, 액정 물질의 수평 방향 유전 상수(ε∥)에 대한 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 비(ε⊥/ε∥)가 2.57 이하이다.

여기서, 액정 물질의 유전율 이방성(Δε)의 값은 -4.7에서 -1.5 사이의 값을 가질 수 있고, 액정 물질의 수평 방향 유전 상수(ε∥)는 3.0에서 3.5 사이의 값을 가지며, 액정 물질의 수직 방향 유전 상수(ε⊥)는 7.7 이하의 값을 가질 수 있다.

또는 액정 물질의 수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)는 1.2에서 2.7 사이의 값을 되어야 한다.

또는 액정 물질의 펼쳐짐에 대한 탄성 정수(K11)와 구부러짐에 대한 탄성 정수(K33)의 비(K33/K11)가 0.65에서 1.23 사이가 되어야 한다.

이 때, 액정 물질의 굴절률 이방성은 0.067에서 0.12 사이인 것이 보통이고, 카이럴 도펀트가 0.15 내지 0.28 중량% 첨가되어 있는 경우에는 액정 물질의 굴절률 이방성은 0.07에서 0.15 사이인 것이 보통이다.

제1 전극과 제2 전극의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 화소 영역을 수 개의 영역으로 분할하는 개구 패턴이 형성되어 있을 수 있다.

그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구조에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장의 단면도이다.

하부 절연 기판(10) 위에 화소 전극(11)이 형성되어 있고, 화소 전극(11)은 스위칭 소자인 박막 트랜지스터(12)에 연결되어 있다. 박막 트랜지스터(12)는 게이트선(도시하지 않음)을 통하여 인가되는 주사 신호 전압에 따라 데이터선(도시하지 않음)을 통하여 인가되는 화상 신호 전압을 화소 전극(11)에 전달 또는 차단한다. 하부 절연 기판(10)과 대향하고 있는 상부 절연 기판(20)에는 공통 전극(21)이 형성되어 있다. 이 때, 공통 전극(21)은 ITO(indium tin oxide)나 IZO(indium zinc oxide) 등의 투명한 도전 물질로 형성되어 있다. 화소 전극은 ITO나 IZO 등의 투명 도전 물질로 형성하기도 하고 알루미늄 등의 빛을 잘 반사하는 도전체로 형성하기도 한다. 이는 액정 표시 장치가 투과형이냐 반사형이냐에 따라 선택된다.

상부 기판(20)과 하부 기판(10)의 사이에는 액정 물질이 주입되어 액정층(30)을 형성하고 있다. 액정층(30)은 화소 전극(11)과 공통 전극(21) 사이에 전계가 형성되지 않은 상태에서 액정 분자의 장축 방향이 두 기판(10, 20)에 대하여 수직을 이루도록 배향되어 있다. 여기서, 액정층(30)은 액정 물질의 유전 상수, 유전율 이방성, 탄성 정수비 및 굴절률 이방성에 따라 전기 광학적 특성이 달라진다. 이 때, 액정 물질에는 전기 광학적 특성을 조절하기 위하여 카이럴 도펀트(chiral dopant)를 첨가하기도 한다.

화소 전극(11)과 공통 전극(21)에는 일정한 형태로 개구 패턴(13, 23)이 형성되어 있다. 개구 패턴(13, 23)은 화소 전극(11)과 공통 전극(21) 사이에 전압이 인가되었을 때, 도 2에 점선으로 나타난 바와 같이, 프린지 필드(fringe field)를 만들기 위하여 형성한다. 프린지 필드는 액정 분자의 기우는 방향을 제어하여 화소 영역을 수 개의 도메인(domain)으로 분할함으로써 넓은 시야각을 확보할 수 있도록 해 준다.

광시야각을 얻기 위하여 프린지 필드를 형성하는 방법에는 개구 패턴을 형성하는 방법 이외에도 돌기를 형성하는 방법도 있다.

그러면 이러한 수직 배향형 액정 표시 장치에 있어서 표시 불량을 감소시키기 위하여 V-T 곡선을 개선하는 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 액정 물질의 유전 상수를 달리하는 것이다.

도 3은 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 변화에 대한 V-T 곡선의 완만도의 변화를 나타내고 있다.

도 3을 보면, V-T 곡선의 완만도는 수직 방향 유전 상수(ε⊥)가 작아질수록 완만해진다. 즉 V-T 곡선의 완만도가 커진다. 이 때, 세로줄 표시 불량이 나타나지 않기 위해서는 V-T 곡선의 완만도가 1.32 보다 커야 한다. 따라서 수직 방향 유전 상수는 약 7.7 보다 작은 값이 되어야 한다. 그런데 일반적으로 사용되는 액정 물질의 수평 방향 유전 상수(ε∥)는 약 3.0에서 3.5 사이의 값을 가지므로 수평 방향 유전 상수(ε∥)에 대한 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 비(ε⊥/ε∥)는 약 2.57(= 7.7/3.0)보다 작은 값을 가져야 한다. 또한 유전율 이방성(Δε= ε∥- ε⊥)은 -4.7(= 3 - 7.7)보다 큰 값을 가져야 한다. 그런데 수직 배향형 액정 표시 장치에서 필요로 하는 전기 광학적 특성을 나타내기 위하여 액정 물질이 가질 수 있는 유전율 이방성의 최대값이 약 -1.5 정도가 된다. 따라서 액정 물질의 유전율 이방성(Δε)의 값은 약 -4.7에서 -1.5 사이가 되어야 한다.

도 4는 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 값이 다른 다수의 경우에 있어서 인가 전압에 대한 투과율의 변화 곡선(V-T 곡선)을 나타내고 있다.

도 4를 보면, 앞서 설명한 바와 같이 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 값이 작을수록 V-T 곡선이 완만하게 상승하는 것을 알 수 있다. 즉, 수직 방향 유전 상수(ε⊥)가 5.2일 때 가장 완만하고 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 값이 증가할수록 V-T 곡선이 점점 가팔라지고 11.2일 때 가장 가파른 상승 곡선이 나타난다.

V-T 곡선을 완만하게 만듦으로써 표시 불량을 방지함에 있어서 가장 큰 효과를 얻을 수 있는 방법은 V-T 곡선을 특히 낮은 휘도 부분에서 완만하게 상승하도록 하는 것이다. 그 이유를 도 5를 참고로 하여 설명한다.

도 5는 휘도 변화에 따른 사람의 인지도를 나타내는 그래프이다.

도 5를 보면, 낮은 휘도에서는 약간의 휘도 변화에도 사람의 인지도는 급격히 증가한다. 즉, 낮은 휘도에서는 휘도가 조금만 변화해도 사람이 쉽게 그 변화를 인지할 수 있다는 것이다. 그러나 휘도가 높아질수록 휘도가 크게 변화해도 사람의 인지도는 크게 증가하지 않는다. 즉, 휘도 변화에 대하여 둔감해진다는 의미이다. 따라서 액정 분자가 전압에 의하여 기울어지기 시작하여 휘도가 0에서 증가하기 시작하는 전압 부분에서 V-T 곡선의 기울기를 완만하게 만들면 사람이 인지할 수 있는 표시 불량은 크게 감소한다.

도 6은 수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)가 다른 다수의 경우에 대한 V-T 곡선을 나타내고 있다.

도 6으로부터 수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)가 작아질수록 V-T 곡선은 완만하게 상승함을 알 수 있다.

도 7은 수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)의 변화에 대한 V-T 곡선의 완만도의 변화를 나타내는 그래프이다.

수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)와 V-T 곡선의 완만도는 거의 반비례 관계에 있다.

세로줄 표시 불량 등이 발생하는 것을 방지하기 위해서는 V-T 곡선의 완만도를 1.32 이상이 되도록 하여야 하므로 수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)는 약 2.7 이하가 되어야 한다. 또 수직 배향형 액정 표시 장치에 사용될 수 있는 전기 광학적 특성을 나타내기 위해서는 수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)가 약 1.2 이상은 되어야 한다. 따라서 Δε/ε⊥는 1.2 이상 2.7 이하의 값을 가져야 한다.

이 때, 액정 물질의 굴절률 이방성은 0.067에서 0.12 사이인 것이 보통이다. 만약 카이럴 도펀트가 0.15 내지 0.28 중량% 첨가된 경우에는 액정 물질의 굴절률이방성은 0.07에서 0.15 사이의 것을 사용하는 것이 일반적이다.

다음은 탄성 정수비를 조정하여 V-T 곡선의 완만도를 증가시키는 방법을 살펴본다.

도 8a 및 도 8b는 탄성 정수비가 다른 8가지 경우에 있어서의 V-T 곡선을 나타내는 것이다.

도 8a와 도 8b의 모든 경우에 있어서 비틀림(twist)에 대한 탄성 정수(K22)는 6.55이다. 각 경우에 있어서 펼쳐짐(splay)에 대한 탄성 정수(K11)와 구부러짐(bend)에 대한 탄성 정수(K33)의 값은 다음과 같다.

경우 1 : K11=13.3, K33=17.2

경우 2 : K11=15.3, K33=17.2

경우 3 : K11=17.3, K33=17.2

경우 4 : K11=19.3, K33=17.2

경우 5 : K11=19.3, K33=15.2

경우 6 : K11=19.3, K33=13.3

경우 7 : K11=19.3, K33=11.2

경우 8 : K11=19.3, K33=9.2

도 8a를 보면, 경우 8의 V-T 곡선이 가장 완만하고 K11이 고정된 상태에서 K33의 값이 커질수록 점점 가팔라진다. 경우 1이 가장 가파른 V-T 곡선을 나타낸다. 경우 1은 경우 5, 6, 7 및 8과는 달리 K11과 K33이 모두 변화하므로 K11과 K33을 통한 직접적인 비교는 어렵지만 이들의 비(K33/K11)를 통하여 경우 5, 6, 7및 8과 비교할 수 있다. 비교해보면 K33/K11이 작을수록 V-T 곡선은 완만하다.

도 8b를 보면, 경우 4의 V-T 곡선이 가장 완만하고 K33이 고정된 상태에서 K11이 작아질수록 점점 가팔라진다. 따라서 K11에 대한 K33의 비(K33/K11)를 통하여 경우 1, 2, 3 및 4를 비교하면 역시 K33/K11이 작을수록 V-T 곡선은 완만하다.

도 9는 K33/K11이 다른 8가지 경우에 있어서의 V-T 곡선을 나타내고 있다.

앞서 설명한 바와 같이 K33/K11이 가장 큰 값인 1.29일 때가 V-T 곡선은 가장 가파르고 K33/K11의 값이 작아질수록 1.29일 때의 곡선을 중심으로 하여 양쪽으로 점점 완만한 곡선을 나타낸다.

도 10은 K33/K11의 변화에 따른 V-T 곡선의 완만도의 변화를 나타내는 그래프이다.

K33/K11과 V-T 곡선의 완만도는 거의 반비례 관계에 있음을 알 수 있다.

세로줄 표시 불량 등이 발생하는 것을 방지하기 위해서는 V-T 곡선의 완만도를 1.32 이상이 되도록 하여야 하므로, 도 10을 참고로 할 때, K33/K11은 약 1.23 이하가 되어야 하고, 또 수직 배향형 액정 표시 장치에 사용될 수 있는 전기 광학적 특성을 나타내기 위해서는 K33/K11은 적어도 0.65 이상은 되어야 한다. 따라서, K33/K11은 0.65에서 1.23 사이의 값을 가져야 한다.

이 경우 역시 액정 물질의 굴절률 이방성은 0.067에서 0.12 사이인 것이 보통이다. 만약 카이럴 도펀트가 0.15 내지 0.28 중량% 첨가된 경우에는 액정 물질의 굴절률 이방성은 0.07에서 0.15 사이의 것을 사용하는 것이 일반적이다.

이상과 같이, 적절한 유전 상수 또는 탄성 정수를 갖는 액정 물질을 사용하면 V-T 곡선의 완만도를 증가시킬 수 있고 이를 통해 표시 불량을 감소시킬 수 있다.

Claims (8)

1. (정정) 제1 기판,

   상기 제1 기판 위에 형성되어 있는 제1 전극,

   상기 제1 기판과 나란하게 마주보고 있는 제2 기판,

   상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 제2 전극,

   상기 제2 기판 위에 형성되어 있으며 상기 제2 전극에 인가되는 전압을 스위칭하는 스위칭 소자,

   상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 주입되어 있으며 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전계가 형성되지 않은 상태에서 액정 분자의 장축 방향이 상기 제1 및 제2 기판과 수직을 이루도록 배향되어 있는 액정물질

   을 포함하는 액정 표시 장치에 있어서,

   상기 액정 물질의 수평 방향 유전 상수(ε∥)에 대한 수직 방향 유전 상수(ε⊥)의 비(ε⊥/ε∥)가 2.57 이하인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
2. 제1항에서,

   상기 액정 물질의 유전율 이방성(Δε)의 값은 -4.7에서 -1.5 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
3. 제2항에서,

   상기 액정 물질의 수평 방향 유전 상수(ε∥)는 3.0에서 3.5 사이의 값을 가지며, 상기 액정 물질의 수직 방향 유전 상수(ε⊥)는 7.7 이하의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
4. (정정) 제1 기판,

   상기 제1 기판 위에 형성되어 있는 제1 전극,

   상기 제1 기판과 나란하게 마주보고 있는 제2 기판,

   상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 제2 전극,

   상기 제2 기판 위에 형성되어 있으며 상기 제2 전극에 인가되는 전압을 스위칭하는 스위칭 소자,

   상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 주입되어 있으며 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전계가 형성되지 않은 상태에서 액정 분자의 장축 방향이 상기 제1 및 제2 기판과 수직을 이루도록 배향되어 있는 액정물질을 포함하는 액정 표시 장치에 있어서,

   상기 액정 물질의 수직 방향 유전 상수(ε⊥)에 대한 유전율 이방성(Δε)의 비(Δε/ε⊥)는 1.2에서 2.7 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
5. (정정) 제1 기판,

   상기 제1 기판 위에 형성되어 있는 제1 전극,

   상기 제1 기판과 나란하게 마주보고 있는 제2 기판,

   상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 제2 전극,

   상기 제2 기판 위에 형성되어 있으며 상기 제2 전극에 인가되는 전압을 스위칭하는 스위칭 소자,

   상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 주입되어 있으며 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전계가 형성되지 않은 상태에서 액정 분자의 장축 방향이 상기 제1 및 제2 기판과 수직을 이루도록 배향되어 있는 액정물질을 포함하는 액정 표시 장치에 있어서,

   상기 액정 물질의 펼쳐짐에 대한 탄성 정수(K11)와 구부러짐에 대한 탄성 정수(K33)의 비(K33/K11)가 0.65에서 1.23 사이인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
6. 제4항 또는 제5항에서,

   상기 액정 물질의 굴절률 이방성은 0.067에서 0.12 사이인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
7. 제4항 또는 제5항에서,

   상기 액정 물질에는 카이럴 도펀트가 0.15 내지 0.28 중량% 첨가되어 있고, 상기 액정 물질의 굴절률 이방성은 0.07에서 0.15 사이인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
8. 제1항, 제4항 및 제5항 중의 어느 한 항에서,

   상기 제1 전극과 제2 전극의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 화소 영역을 수 개의 영역으로 분할하는 개구 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.