KR100453937B1 - Method for dissolving a gray scale instability in a liquid crystal display using surface geometrical gratings and Liquid crystal display apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면 기하학 격자를 이용한 액정 디스플레이 장치의 계조 표시 불안정성 해소 방법 및 이를 적용한 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다. 특히, 표면 기하학 격자에 의한 액정 물질내의 등전위면 왜곡 현상을 이용하여, TN 액정 디스플레이 장치안에 멀티-도메인을 유도하기 위하여, 액정 물질안에서 단위 두께당 인가되는 평균 전압을 표면 기하학 격자안에서 단위 두께당 인가되는 전압으로 스케일한 값(α)을 기준으로, 표면 기하학 격자 및 액정 물질을 선택하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 방법에 의하면, 적절한 물성 상수를 가지는 표면 기하학 격자를 TN 액정 디스플레이 장치의 배향막으로 사용함으로써, 러빙 공정과 같은 별도의 추가 공정이 없이도, 액정 물질 안에 멀티-도메인이 유도되어 계조 표시 안정성이 크게 향상될 수 있다. 표면 기하학 격자는 반도체 기술을 이용하여 제작되므로 그 파라미터를 정밀하게 제어하면서 용이하게 구현할 수 있다.The present invention relates to a method for eliminating gradation display instability of a liquid crystal display device using a surface geometry grating and a liquid crystal display device using the same. In particular, in order to derive a multi-domain in a TN liquid crystal display device by using an equipotential plane distortion phenomenon in the liquid crystal material by the surface geometry grating, an average voltage applied per unit thickness in the liquid crystal material is applied per unit thickness in the surface geometry grating. The surface geometry grating and the liquid crystal material are selected based on the value α scaled by the voltage. According to the method according to the present invention, by using a surface geometry grating having an appropriate physical property constant as the alignment layer of the TN liquid crystal display device, multi-domains are induced in the liquid crystal material without additional processing such as a rubbing process, and thus gray scale display stability is achieved. This can be greatly improved. Surface geometry gratings are fabricated using semiconductor technology, so they can be easily implemented with precise control of their parameters.
Description
본 발명은 액정 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 특히 액정 디스플레이 장치에서, 복잡한 공정을 추가하지 않고서도, TN 모드의 계조 표시 불안정을 해소하기 위한 방법 및 이를 적용한 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a liquid crystal display device, and more particularly, to a liquid crystal display device and a method for solving the gray level display instability of the TN mode without adding a complicated process, and a liquid crystal display device employing the same.
최근 대부분의 액정 디스플레이 장치는, 저전압, 저전력 소비, 빛의 파장에 민감하지 않음 등 우수한 성질을 가지는 TN모드를 채용한다.In recent years, most liquid crystal display devices adopt a TN mode having excellent properties such as low voltage, low power consumption, and insensitivity to light wavelength.
그러나, TN 모드는 액정 디스플레이 장치를 바라보는 각도, 즉 시야각(viewing angle)에 따라서 화질이 크게 저하되는 단점을 가진다. 이는 TN 모드가 광 변조 장치로 작용하기 위하여 사용하는 빛의 위상 지연이 광 경로에 따라 달라지기 때문이다. 계조 표시 반전(grey scale inversion)과 같은 계조 표시 불안정(gray scale instability)이 그 대표적인 예이다.However, the TN mode has a disadvantage in that the image quality is greatly deteriorated depending on the viewing angle, that is, the viewing angle. This is because the phase retardation of light used for the TN mode to act as an optical modulation device depends on the optical path. Gray scale instability, such as gray scale inversion, is a representative example.
도1은 종래의 TN 액정 디스플레이 장치의 양의 수직 시야각에서의 광학 투과 특성을 도시한 도표이다. 도1에 의하면 시야각이 20 내지 30°범위에서 계조 표시 반전 현상이 관측됨을 알 수 있다.1 is a diagram showing optical transmission characteristics at a positive vertical viewing angle of a conventional TN liquid crystal display device. Referring to FIG. 1, it can be seen that a gray scale display reversal phenomenon is observed at a viewing angle of 20 to 30 °.
이와 같은, 계조 표시 불안정성을 해소하기 위하여, 수직 배향 모드(이하에서 'VA 모드'라 함)나 In-Plane Switching(IPS) 모드 등과 같이 TN 모드 이외의 새로운 모드가 연구되었으며, 한편으로는 TN 모드를 그대로 채용하면서 이의 개선을 꾀하는 연구도 있었다.In order to eliminate such gray scale display instability, new modes other than the TN mode have been studied, such as a vertical alignment mode (hereinafter referred to as a 'VA mode') or an In-Plane Switching (IPS) mode. There was also a study to improve the while adopting the same.
TN 모드를 그대로 채용하면서 계조 표시 불안정성을 해소하기 위한 방법들로는, 박막 필름에 의한 위상 보상 방법, 멀티-도메인의 구성을 통한 도메인간의 상호 보상 방법의 두가지가 제시되었다. 이중에서 멀티-도메인 방법은 하나의 화소 안에서 동일한 액정 디스플레이 모드를 가지나 서로 다른 배향을 가지는 부화소들을 적절히 형성함으로써 부화소들의 시야각 특성이 서로 보상되도록 하는 방법이다. 이와 같은 멀티-도메인 방법은 원리상 대칭적인 시야각 특성을 얻기에 적합한 방법이다. 그러나, 각 화소 안에 각기 다른 배향 방향을 가지는 부화소들은 자연적으로 생성되지 아니하므로, 이러한 부화소들을 인위적으로 형성하기 위하여, 복수의 러빙(rubbing) 공정이나 광 반응성 고분자를 이용한 광 배향 방법과 같은 복잡한 공정이 추가되어야만 한다.As a method for resolving gray scale display instability while adopting the TN mode as it is, two methods, a phase compensation method using a thin film and a mutual compensation method between domains through a multi-domain configuration, have been proposed. Among them, the multi-domain method is a method in which sub-pixel viewing angle characteristics are compensated for each other by appropriately forming subpixels having the same liquid crystal display mode but different orientations in one pixel. This multi-domain method is in principle suitable for obtaining symmetrical viewing angle characteristics. However, since subpixels having different orientation directions in each pixel are not naturally generated, in order to artificially form such subpixels, complex pixels such as a plurality of rubbing processes or a photoalignment method using a photoreactive polymer are used. The process must be added.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 복잡한 공정의 추가가 없이도 TN 모드에서 멀티-도메인이 유도되도록 하여 계조 표시 불안정성을 해소하기 위한 방법 및 이를 적용한 액정 디스플레이 장치를 제시하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention, to solve the instability of gray scale display by applying a multi-domain in TN mode without the addition of a complicated process and applying the same A liquid crystal display device is proposed.
도1은 종래의 TN 액정 디스플레이 장치의 양의 수직 시야각에서의 광학 투과 특성을 도시한 도표,1 is a diagram showing optical transmission characteristics at a positive vertical viewing angle of a conventional TN liquid crystal display device;
도2는 1차원 표면 기하학 격자를 설명하는 도면으로서, 2개의 1차원 표면 기하학 격자를 수직으로 배치시킨 것을 보여주는 도면,2 is a view illustrating a one-dimensional surface geometry grating, showing two two-dimensional surface geometry gratings arranged vertically;
도3은, 표면 기하학 격자에 의한 액정 물질내의 등전위면 왜곡 현상을 보여주는 도면,3 is a diagram showing an equipotential plane distortion phenomenon in a liquid crystal material by a surface geometric lattice;
도4a는, 이와 같이 제작된 TN 셀을 1.82V의 전압으로 구동시킨 후 직교 편광자 하에서 촬영한 사진이다. 도4b는 도4a를 도식화한 것,4A is a photograph taken under a quadrature polarizer after driving the TN cell thus produced at a voltage of 1.82V. Figure 4b is a schematic diagram of Figure 4a,
도5는, 실시예 1에서 구현된 도4와 같은 TN셀의 광학 투과 곡선을 양의 수직 시야각에서 측정한 결과,FIG. 5 shows the optical transmission curve of the TN cell as shown in FIG. 4 implemented in Example 1 at a positive vertical viewing angle.
도6은 실시예 2에 의한 수치 해석 결과에 의한 광학 투과 특성 도표,6 is an optical transmission characteristic chart according to the numerical analysis result according to Example 2;
도7은 실시예 3에 의한 광학 투과 특성을 보여주는 도표.7 is a diagram showing optical transmission characteristics according to Example 3. FIG.
본 발명에서는 액정 디스플레이 장치의 TN 모드에서 멀티-도메인을 유도하기 위하여, 표면 기하학 격자(Surface Geometrical Grating)가 등전위면을 왜곡시키는 성질을 이용한다.In the present invention, in order to induce a multi-domain in the TN mode of the liquid crystal display device, the surface geometrical grating (Surface Geometrical Grating) uses the property of distorting the equipotential surface.
또한, 멀티-도메인을 유도하기 위한, 표면 기하학 격자의 등전위면 왜곡 현상이 표면 기하학 격자와 액정 물질의 각 물성 상수에 의하여 조절될 수 있음을 착안하여, 멀티-도메인 유도를 위한 표면 기하학 격자와 액정 물질의 각 물성 상수의관계를 정의한다.In addition, it is noted that the equipotential distortion of the surface geometry grating for inducing the multi-domain can be controlled by the property constants of the surface geometry grating and the liquid crystal material, and thus, the surface geometry grating and the liquid crystal for multi-domain induction. Define the relationship between each property constant of a substance.
본 발명에서는, 멀티-도메인 유도를 통한 계조 표시 불안정성의 해소를 별도의 공정없이 구현하고자, 표면 기하학 격자를 TN 모드의 배향막으로 사용하는 액정 디스플레이 장치를 제시한다.In the present invention, in order to solve the gray scale display instability through multi-domain induction without a separate process, a liquid crystal display device using a surface geometry grating as an alignment layer of the TN mode is proposed.
이하에서 본 발명에 의한 방법 및 장치를 상세하게 설명한다.Hereinafter, the method and apparatus according to the present invention will be described in detail.
도2는, 표면 기하학 격자를 설명하는 도면으로서, 특히 1차원 표면 기하학 격자의 예를 보여준다. 1차원 표면 기하학 격자는, 자체 주기를 가지며, 두께가 1차원 적으로 변하는 표면 굴곡을 의미한다. 도2는, 2개의 1차원 표면 기하학 격자를 수직으로 배치시킨 것을 보여준다.FIG. 2 is a diagram illustrating a surface geometry grating, particularly showing an example of a one-dimensional surface geometry grating. One-dimensional surface geometry grating means surface curvature, which has its own period and whose thickness varies one-dimensionally. 2 shows two two-dimensional surface geometry gratings arranged vertically.
도3은, 표면 기하학 격자에 의한 액정 물질내의 등전위면 왜곡 현상을 보여주는 도면이다. 구체적으로는, 양 전극 기판에 도2와 같은 1차원 표면 기하학 격자를 각각 배치하고, 각 표면 기하학 격자 사이는 액정 물질로 구성된 구조에서, 액정 물질내의 등전위면을 도시한 것이다. 도3에 의하여, 1차원 표면 기하학 격자에 의하여 점선으로 표시된 액정 물질내의 등전위면이 왜곡되고 굵은 화살표로 표시된 전기장이 따라서 왜곡되는 것을 관찰할 수 있다.3 is a diagram showing an equipotential plane distortion phenomenon in the liquid crystal material by the surface geometry lattice. Specifically, the one-dimensional surface geometry grating as shown in FIG. 2 is disposed on both electrode substrates, and the equipotential surface in the liquid crystal material is shown in the structure composed of the liquid crystal material between each surface geometry grating. 3, it can be observed that the equipotential surface in the liquid crystal material indicated by the dotted line is distorted by the one-dimensional surface geometry lattice and the electric field indicated by the thick arrow is thus distorted.
도3에서 관찰되는 것과 같은 표면 기하학 격자에 의한 등전위면 왜곡 현상을 해석하고, 액정 디스플레이 장치의 TN 모드에서의 멀티-도메인을 유도하는데 적용하기 위하여, 본 발명에서는 액정 물질 안에서 단위 두께당 인가되는 평균 전압을 표면 기하학 격자안에서 단위 두께당 인가되는 전압으로 스케일링한 값을 기준으로 설정하는 것을 제시한다. 이 값을 "α"라고 하면, α는 다음과 같이 정리된다.In order to analyze the equipotential plane distortion caused by the surface geometry grating as observed in FIG. 3 and to apply it to inducing multi-domain in the TN mode of the liquid crystal display device, in the present invention, the average applied per unit thickness in the liquid crystal material It is proposed to set the voltage based on the scaled value of the applied voltage per unit thickness in the surface geometry grating. If this value is " α ", α is arranged as follows.
액정층과 표면 기하학 격자층의 총 두께를 각각 l, g라고 하고, 액정층에 인가된 전압을 VLC, 표면 기하학 격자층에 인가된 전압을 VSGG, 전체 인가 전압을 Vtot라고 하기로 한다. 전체 인가 전압(Vtot)은 액정층에 인가된 전압(VLC)과 표면 기하학 격자층에 인가된 전압(VSGG)의 합이 된다. 전체 인가 전압(Vtot) 이외에 다른 외부 소스가 존재하지 않으며, 액정의 자발 분극도 거시적인 크기에서는 나타나지 않는다고 가정할 때에, 전기 변위 벡터는 오직 한 방향(인가 전압에 의한 방향, 이 경우, 액정셀의 두께 방향)만을 가지며, 그 크기(Dz)는 액정 물질 전체 내에서 균일하다.The total thicknesses of the liquid crystal layer and the surface geometry grating layer are referred to as l and g, respectively, the voltage applied to the liquid crystal layer is referred to as V LC , the voltage applied to the surface geometry grating layer is referred to as V SGG , and the total applied voltage is referred to as V tot . . The total applied voltage V tot is the sum of the voltage V LC applied to the liquid crystal layer and the voltage V SGG applied to the surface geometry grating layer. Assuming that no external source other than the total applied voltage (V tot ) exists, and that the spontaneous polarization of the liquid crystal does not appear at the macroscopic magnitude, the electrical displacement vector is only in one direction (direction by the applied voltage, in this case the liquid crystal cell). Thickness direction), and its size (Dz) is uniform throughout the liquid crystal material.
표면 기하학 격자는 외부 인가 전압에 의하여 물성 상수가 변화하지 않으므로, 표면 기하학 격자층에 인가된 전압(VSGG)은 한쪽 기판에 단위 면적당 축적된 전하의 양으로부터 구할 수 있고, 전하의 양은 총 축전 용량과 단위 면적당 전체 인가 전압으로 주어지며, 총 축전 용량은 액정에 의한 축전 용량과 표면 기하학 격자에 의한 축전 용량의 직렬 연결로 생각할 수 있으므로, 표면 기하학 격자층에 인가된 전압(VSGG)은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.In the surface geometry grating, since the property constant does not change due to external applied voltage, the voltage (V SGG ) applied to the surface geometry grating layer can be obtained from the amount of charge accumulated per unit area in one substrate, and the amount of charge is the total capacitance. And the total applied voltage per unit area, and the total storage capacity can be thought of as a series connection of the storage capacity by the liquid crystal and the storage capacity by the surface geometry grating, so the voltage applied to the surface geometry grating layer (V SGG ) is It may be represented as in Equation 1.
마찬가지로, 액정층에 인가된 전압(VLC)는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수있다.Similarly, the voltage V LC applied to the liquid crystal layer may be expressed by Equation 2 below.
따라서, 본 발명에서 등전위면 왜곡 정도를 나타내는 값 α는, 액정 물질 안에서 단위 두께당 인가되는 평균 전압을 표면 기하학 격자안에서 단위 두께당 인가되는 전압으로 스케일링한 값, 즉 (VLC/l)/(VSGG/g)로 설정하였으므로, 이는 위의 수학식 1 및 수학식 2에 의하여 다음의 수학식 3과 같이 정리된다.Accordingly, in the present invention, the value α representing the degree of equipotential surface distortion is a value obtained by scaling the average voltage applied per unit thickness in the liquid crystal material to the voltage applied per unit thickness in the surface geometry grating, that is, (V LC / l) / ( V SGG / g), it is summarized as Equation 3 below by Equation 1 and Equation 2 above.
상기 수학식3에서, εSGG는 표면 기하학 격자의 유전 상수, <εLC> 는, 공간적으로 평균된 액정의 유전 상수이다.In Equation 3, ε SGG is the dielectric constant of the surface geometry lattice, and <ε LC > is the dielectric constant of the spatially averaged liquid crystal.
정리하면, 상기 수학식 3에 의하여, 표면 기하학 격자에 의한 액정 물질내의 등전위면 왜곡 현상을 나타내기 위하여, 본 발명에서 설정한 α는, 표면 기하학 격자 물질과 액정 물질의 물질 상수로만 표시되었다. 이는 표면 기하학 격자에 의한 액정 물질내의 등전위면 왜곡 현상을 이용하여 TN 액정 디스플레이 장치에서 멀티-도메인을 유도하는 것은, 표면 기하학 격자를 구성하는 물질 및 액정 물질을 선택하는 것에 의하여 조절될 수 있다는 것을 의미한다.In summary, according to Equation 3, in order to represent the equipotential plane distortion phenomenon in the liquid crystal material by the surface geometric lattice,? Set in the present invention is represented only by the material constants of the surface geometric lattice material and the liquid crystal material. This means that inducing a multi-domain in the TN liquid crystal display device using the equipotential plane distortion phenomenon in the liquid crystal material by the surface geometric lattice can be controlled by selecting the liquid crystal material and the material constituting the surface geometric lattice. do.
한편, α가 1보다 커지는 경우 및 1보다 작아지는 경우, 모두에 있어서 등전위면 왜곡 현상은 커진다. 예를 들어서, α가 1보다 훨씬 커지는 경우, 등전위면이 표면 기하학 격자의 모양에 따라서 변형되게 되며, 이에 상응하는 프린지 전기장이 발생하게 된다. 이러한 경우는 표면 기하학 격자가 도체로 만들어지는 경우에 해당된다.On the other hand, in the case where α becomes larger than 1 and smaller than 1, the equipotential surface distortion phenomenon increases in both cases. For example, when α is much larger than 1, the equipotential surface is deformed according to the shape of the surface geometry grating, resulting in a corresponding fringe electric field. This is the case when the surface geometry grating is made of a conductor.
그런데, 도3에 나타난 경우와 같이 α가 1보다 작아지는 경우에 있어서는, 표면 기하학 격자에 의한 프린지 전기장 효과 뿐만 아니라, 표면 기하학 격자의 격자 벡터 방향을 따라 액정 물질내에 인가되는 유효 전압이 변화하기 때문에 TN 액정 디스플레이 장치에서의 멀티-도메인 유도에 적합하다. 상기 수학식 3에 의하여, α는 액정 물질의 유전 상수에 대한 표면 기하학 격자의 유전 상수의 비율로 표시되므로, 표면 기하학 격자의 유전 상수를 액정 물질의 유전 상수보다 작게할수록 α가 1보다 작게되어 액정 물질에 유도되는 유효 전압의 변화를 크게 만들 수 있다.However, in the case where α is smaller than 1 as shown in FIG. 3, not only the fringe electric field effect caused by the surface geometry grating but also the effective voltage applied in the liquid crystal material along the grating vector direction of the surface geometry grating is changed. It is suitable for multi-domain induction in TN liquid crystal display devices. According to Equation 3, α is expressed as the ratio of the dielectric constant of the surface geometry grating to the dielectric constant of the liquid crystal material. As the dielectric constant of the surface geometry grating is smaller than the dielectric constant of the liquid crystal material, α becomes smaller than 1 so that the liquid crystal is It is possible to make a large change in the effective voltage induced in the material.
TN 모드에서 액정 물질은 90°비틀려 수평 배향된다. 이러한 조건에서 액정 물질은 프레데릭스(Freedericksz) 전이 이후에 통계 물리에서 관측되는 협동 현상의 전형적인 형태에 따라 적은 전압 영역안에서 중간층 방향자의 틸트각(mid-plane tilt)이 급격하게 변화한다. 그러므로 표면 기하학 격자에 의하여 액정에 유도되는 작은 유효 전압의 변화와 매우 큰 차의 중간층 방향자의 틸트각을 동시에 존재하게 할 수 있다. 이렇게 동시에 존재하는 중간층 방향자를 통하여 멀티-도메인이 얻어지게 된다.In the TN mode the liquid crystal material is twisted 90 degrees horizontally. Under these conditions, the liquid crystal material changes the mid-plane tilt of the intermediate layer director in a small voltage region according to the typical form of cooperative phenomenon observed in statistical physics after the Freedericksz transition. Therefore, it is possible to simultaneously present a small change in the effective voltage induced in the liquid crystal by the surface geometry grating and a tilt angle of the very large difference in the intermediate layer director. Multi-domains are obtained through these simultaneous interlayer directors.
이렇게 유도된 서로 다른 중간층 방향자의 틸트각의 공존, 즉 멀티-도메인이 TN 모드의 계조 표시 안정화에 기여할 수 있다. TN 모드에서 개조 표시 안정화가 저해되는 가장 큰 원인은, 프레드레익 전이 직후 양의 수직 시야각 방향으로 균일한 중간층 방향자 각도가 형성되기 때문이다. 이와 같이 균일한 증간층 방향자 각도가 형성된 방향에서는 빛의 위상 지연이 거의 사라지게 되어 이 방향을 중심으로 광학적 투과 곡선에 큰 밸리(valley)가 생기게 되고 각 인가 전압에 따른 광학적 투과 곡선의 이러한 밸리들이 서로 교차함에 따라 계조 표시 반전을 가져오는 것이다(도1 참조).The coexistence of the tilt angles of the different interlayer directors thus derived, that is, the multi-domain, may contribute to stabilization of the gray scale display in the TN mode. The biggest cause of the deterioration of the altered display stabilization in the TN mode is that a uniform intermediate layer director angle is formed in the positive vertical viewing angle direction immediately after the predrip transition. The phase delay of the light almost disappears in such a direction that the uniform interlayer director angle is formed, and a large valley is formed in the optical transmission curve around this direction, and these valleys of the optical transmission curve according to each applied voltage It is to bring the gray scale display inversion as they cross each other (see Fig. 1).
그러나, 둘 이상의 중간층 방향자 각도를 공존하게 한 후 이 둘의 차이를 크게 유지하게 되면, 각각에 의한 광학적 투과 곡선의 밸리가 동시에 존재하며 서로 멀리 떨어져 있게 된다. 전체의 광학 투과 곡선은 이들의 산술적 평균으로 주어지게 되므로 각 밸리간의 상호 보상 효과가 발생한다. 이는 광학 투과 곡선이 특별한 밸리를 갖지 않게 하여 결과적으로 계조 표시 안정화에 기여하게 된다.However, if two or more interlayer director angles coexist and then maintain a large difference between the two, the valleys of the optical transmission curves by each exist simultaneously and are far from each other. The overall optical transmission curves are given by their arithmetic mean, resulting in a mutual compensation effect between the valleys. This causes the optical transmission curve not to have a special valley, consequently contributing to stabilization of the gradation display.
표면 기하학 격자의 다른 성질로서 종래에 연구된 것으로서, 배향 효과가 있다. 표면 기하학 격자의 배향 현상은 격자 벡터 방향의 수직 방향으로 액정 방향자를 배향하려는 효과로서, 표면 기하학 격자에 의하여 액정 물질 안에 유도되는 탄성 변형을 최소화하는 경향에 의한 것임이 밝혀졌다.As previously studied as another property of the surface geometry grating, there is an orientation effect. The orientation phenomenon of the surface geometry grating is found to be due to the tendency of minimizing the elastic deformation induced in the liquid crystal material by the surface geometry grating as an effect of aligning the liquid crystal director in the vertical direction of the grating vector direction.
본 발명에서는 본 발명에서 제시하는 표면 기하학 격자에 의한 멀티-도메인효과와 표면 기하학 격자의 종래의 성질인 배향효과를 한 표면 기하학 격자에서 동시에 이용하여, 액정 디스플레이 장치의 TN 모드에서 배향막을 표면 기하학 격자로 교체함으로써 계조 표시 안정성을 향상시킬 수 있도록 한다.In the present invention, the alignment film is used in the TN mode of the liquid crystal display device by using the multi-domain effect of the surface geometry grating proposed in the present invention and the alignment effect, which is a conventional property of the surface geometry grating, in the surface geometry grating. It is possible to improve gradation display stability by replacing with.
표면 기하학 격자의 배향 효과를 결정하는 것은 표면 기하학 격자의 주기로서 구체적으로는 주기가 1㎛ 수준이거나 그 이하이면 배향력을 가진다. 한편 표면 기하학 격자의 배향력을 결정하는 주기는 표면 기하학 격자의 유전 상수와는 독립적이므로, 적절한 유전 상수를 가지는 표면 기하학 격자 물질을 선택하고, 표면 기하학 격자의 주기를 설정함으로써, 배향 효과와 멀티-도메인 유도 효과를 모두 달성할 수 있는 표면 기하학 격자를 설정할 수 있다.Determining the orientation effect of the surface geometry grating is a period of the surface geometry grating, specifically, the period has an orientation force of 1 µm or less. On the other hand, since the period for determining the orientation force of the surface geometry grating is independent of the dielectric constant of the surface geometry grating, by selecting the surface geometry grating material having the appropriate dielectric constant and setting the period of the surface geometry grating, the orientation effect and multi- It is possible to set up a surface geometry grating that can achieve both domain induced effects.
아래의 실시예에서는 본 발명에 의한 방법에 따라서, 표면 기하학 격자를 이용하여 액정 디스플레이 장치의 TN 모드에서의 계조 표시 불안정성을 해소하는 실험에 대해 기재하겠다.In the following examples, an experiment for solving the gray scale display instability in the TN mode of the liquid crystal display device using the surface geometry grating according to the method according to the present invention will be described.
실시예 1Example 1
포토레지스트(photoresist) 물질인 AZ-6612(Clariant Co.)(작동 주파수 1Khz에서 유전 상수는 5.1)로 포토리소그래피 공정을 사용하여 주기 6㎛, 진폭 400㎚인 1차원 표면 기하학 격자를 구현하였다. 이러한 물성 상수는 표면 기하학 격자에 의한 배향이 "soft anchoring" 영역에 해당하게 한다. 따라서 구현된 표면 기하학 격자로 액정의 비틀림 탄성 변형을 유도하게 되면 표면 기하학 격자가 요구하는 배향축과 실제 액정의 배향축 사이에 차이가 존재하게 되지만, 표면 기하학 격자의 배향 메커니즘을 고려할 때, 표면 기하학 격자의 주기를 2∼3㎛ 줄임으로써 이상적인 배향축과 실제 배향축간의 차이를 없앨 수 있을 것으로 예측된다. 본 실시예 1에서는 표면 기하학 격자의 물질 및 주기를 먼저 선정하였으므로, 본 발명에 의한 방법에 따라서, α값을 1보다 작게 하는 유전 상수를 가지는 액정 물질을 선택한다. 실시예 1에서는 ZLI-4900-100(Merck Co., 수평 및 수직 방향 유전상수 각각 37.7, 7.9)를 선정하였다. 이로 인하여 모든 액정 방향자의 분포에 대하여 α는 0.135 내지 0.645의 값을 가진다.Using a photoresist material, AZ-6612 (Clariant Co.) (a dielectric constant of 5.1 at an operating frequency of 1 KHz), a photolithography process was used to implement a one-dimensional surface geometry grating with a period of 6 µm and an amplitude of 400 nm. This property constant causes the orientation by the surface geometry grating to correspond to the "soft anchoring" region. Therefore, when the torsional elastic deformation of the liquid crystal is induced by the implemented surface geometry grating, there is a difference between the alignment axis required by the surface geometry grating and the alignment axis of the actual liquid crystal. However, when considering the orientation mechanism of the surface geometry grating, the surface geometry It is expected that by reducing the period of the lattice 2 to 3 占 퐉, the difference between the ideal alignment axis and the actual alignment axis can be eliminated. In the first embodiment, the material and period of the surface geometry grating were selected first, and according to the method of the present invention, a liquid crystal material having a dielectric constant of? Value smaller than 1 is selected. In Example 1, ZLI-4900-100 (Merck Co., horizontal and vertical dielectric constants 37.7 and 7.9, respectively) was selected. For this reason, α has a value of 0.135 to 0.645 for the distribution of all liquid crystal directors.
액정 디스플레이 장치의 TN 모드에서 계조 표시 불안정성 해소를 측정하기 위하여, TN 셀의 배향막을 대신에, 상기에서 구현된 1차원 표면 기하학 격자 2개를 격자 벡터가 서로 수직이 되도록 5.4㎛의 셀-간격을 유지하며 배치하여 TN 셀을 얻었다. 그런 다음 적절한 α값을 가지도록 상기에서 선정된 액정 물질 ZLI-4900-100을 모세관 현상으로 주입하였다.In order to measure the gradation display instability in the TN mode of the liquid crystal display device, instead of the alignment layer of the TN cell, the two-dimensional surface geometry gratings implemented above were subjected to a cell-spacing of 5.4 μm so that the grating vectors were perpendicular to each other. It was placed while maintaining to obtain a TN cell. Then, the liquid crystal material ZLI-4900-100 selected above was injected by capillary action to have an appropriate value of α.
도4a는, 이와 같이 제작된 TN 셀을 1.82V의 전압으로 구동시킨 후 직교 편광자 하에서 촬영한 사진이다. 도4b는 도4a를 도식화한 것으로서, 가장 큰 유효 액정 전압을 가지는 V 도메인들이 가장 어두운 영역으로 나타나며, 가장 작은 유효 액정 전압을 가지는 P 도메인들이 가장 밝은 점들로 나타나는 것을 보여준다. 또한, 두 개의 1차원 표면 기하학 격자를 수직으로 배치하였으므로, 중간 밝기의 M 도메인이 나타나는 것을 보여준다. 즉, 도4는 본 발명에 의한 방법에서 표면 기하학 격자에 의하여 멀티-도메인이 형성되는 것을 보여주는 것이다.4A is a photograph taken under a quadrature polarizer after driving the TN cell thus produced at a voltage of 1.82V. FIG. 4B is a schematic diagram of FIG. 4A, showing that the V domains having the largest effective liquid crystal voltage appear as the darkest regions, and the P domains having the smallest effective liquid crystal voltage appear as the brightest points. In addition, since the two one-dimensional surface geometry grid is placed vertically, it shows that the M domain of the medium brightness appears. That is, Figure 4 shows the formation of a multi-domain by the surface geometry grating in the method according to the invention.
도5는, 실시예 1에서 구현된 도4와 같은 TN셀의 광학 투과 곡선을 양의 수직시야각에서 측정한 결과이다. 도5로부터, 각 구동 전압에서의 광학 투과 곡선이 60° 수직 시야각 영역까지 서로 교차하지 않으면서 높은 계조 표시 안정도를 가지는 것을 알 수 있다. 이러한 계조 표시 안정도는, 종래의 TN 모드에서 사용하는 위상 보상 필름에 의한 계조 표시 안정화와 비등한 수준이다. 즉, 본 발명에 의한 방법에서는, 특별한 공정을 사용하지 않고 단지 표면 기하학 격자를 TN 모드의 배향막을 대신하여 사용하되, 사용된 표면 기하학 격자와 물성과 액정 물질의 물성 상수를 조절하도록 선택함으로써 계조 표시 불안정성을 해소한 것이다.5 is a result of measuring the optical transmission curve of the TN cell as shown in FIG. 4 implemented in Example 1 at a positive vertical viewing angle. It can be seen from FIG. 5 that the optical transmission curve at each driving voltage has a high gradation display stability without intersecting with each other up to a 60 ° vertical viewing angle region. Such gradation display stability is a level comparable with gradation display stabilization by the phase compensation film used in the conventional TN mode. That is, in the method according to the present invention, the gray scale display is selected by using only the surface geometry grating instead of the alignment layer of the TN mode without using a special process, and adjusting the used surface geometry grating and the physical properties constants of the liquid crystal material. It solves instability.
실시예 2Example 2
상기 실시예1의 결과 얻어진 도5와 같은 TN 셀의 광학 투과 곡선에 대한 수치 해석을 통하여, 본 발명에서 제시한 방법을 검증하고자 한다.Through the numerical analysis on the optical transmission curve of the TN cell as shown in FIG. 5 obtained as a result of Example 1, the method proposed in the present invention will be verified.
액정 디스플레이의 광원은 일반적으로 간섭 효과가 존재하지 않으며 인가된 전압에 대한 각 도메인의 응답이 독립적임을 감안하면, TN 셀 전체의 광학 투과 곡선은 각 도메인의 광학 투과 곡선의 산술적 평균으로 주어진다. 특히, 표면 기하학 격자에 기하학 특이점이 존재하지 않는 경우, M 도메인의 물리적 특성은 V 도메인과 P 도메인의 중간값을 갖게 되므로 V 도메인과 P 도메인의 광학적 투과 특성의 산술 평균만으로 전체 광학 투과 특성을 수치 해석할 수 있다.Given that light sources of liquid crystal displays generally do not have interference effects and that the response of each domain to the applied voltage is independent, the optical transmission curve of the entire TN cell is given by the arithmetic mean of the optical transmission curves of each domain. In particular, when there are no geometric singularities in the surface geometry grating, the physical properties of the M domain have a median value between the V domain and the P domain, so that the total optical transmission characteristic is calculated only by the arithmetic mean of the optical transmission characteristics of the V domain and the P domain. Can be interpreted
V 도메인과 P 도메인은 수직으로 배치된 표면 기하학 격자들에 의하여 유도된 비틀린 액정 배향 구조로 모델링될 수 있다. 특히 표면 기하학 격자에 의한 배향이 소프트 앵커링(soft anchoring) 영역에 속하므로 이상적 배향축과 실제 배향축간에 약 5°의 차이가 확인되므로 이를 고려한다. 액정 물질 안에 자연적으로 유도되는 멀티-도메인 효과를 모델링하기 위하여 V 도메인과 P 도메인 사이에 액정층 두께와 유효 액정 전압의 차이가 존재하는 것이 고려되었다. P 도메인의 액정층 두께는 셀 간격과 동일하므로, 5.4㎛이며, 사용된 표면 기하학 격자의 크기가 400㎚이므로 V 도메인의 액정층의 두께는 6.2㎛이다. 이와 같은 두께를 갖는 액정 층의 유효 액정 전압(VLC)에 대한 액정 물질의 공간적으로 평균된 유전 상수 (<εLC>)의 관계를 구한 후, 상기 수학식 2에 대입하여 상응하는 인가 전압(Vtot)을 얻는다. 이 관계의 역함수로부터 인가 전압에 대한 각 도메인의 유효 액정 전압을 구한 후 이를 바탕으로 V 도메인과 P 도메인의 액정 방향자 분포를 구한다. 얻어진 액정 방향자 분포에 2×2 확장된 Jones 행렬 방법을 적용함으로써 각 도메인의 광학 투과 특성을 구한 후, 적절한 가중치를 바탕으로 산술적 평균을 행하였다. 각 도메인의 가중치는 각 도메인이 차지하는 영역의 비에 의하여 결정되며, 산업적 응용에서는 표면 기하학 격자의 파라미터(피크와 밸리의 너비 비율 등)를 조정함으로써 적절한 값을 얻을 수 있다. 본 실시예2의 수치 해석에서는, 도4에 나타난 각 도메인 영역의 비율을 바탕으로 V 도메인과 P 도메인에 0.72와 0.28의 가중치를 각각 할당하였다.The V and P domains can be modeled with a twisted liquid crystal alignment structure induced by vertically arranged surface geometric gratings. In particular, since the orientation by the surface geometry grating belongs to the soft anchoring region, a difference of about 5 ° between the ideal orientation axis and the actual orientation axis is identified, so consider this. In order to model the multi-domain effect naturally induced in the liquid crystal material, it was considered that there is a difference between the liquid crystal layer thickness and the effective liquid crystal voltage between the V domain and the P domain. Since the thickness of the liquid crystal layer of the P domain is the same as the cell spacing, the thickness of the liquid crystal layer of the V domain is 6.2 μm because the size of the surface geometry grating used is 400 nm. After obtaining the relationship of the spatially averaged dielectric constant (<ε LC >) of the liquid crystal material to the effective liquid crystal voltage (V LC ) of the liquid crystal layer having such a thickness, substitute the corresponding applied voltage ( V tot ) From the inverse function of this relationship, the effective liquid crystal voltage of each domain with respect to the applied voltage is obtained, and then the liquid crystal director distribution of the V domain and the P domain is obtained based on this. After applying the 2x2 extended Jones matrix method to the obtained liquid crystal director distribution, the optical transmission characteristic of each domain was calculated | required, and the arithmetic mean was performed based on appropriate weight. The weight of each domain is determined by the ratio of the area occupied by each domain. In industrial applications, appropriate values can be obtained by adjusting the parameters of the surface geometry grating (such as the ratio of peak to valley width). In the numerical analysis of the second embodiment, weights of 0.72 and 0.28 were respectively assigned to the V domain and the P domain based on the ratio of each domain region shown in FIG.
도6은 실시예2에 의한 수치 해석 결과에 의한 광학 투과 특성 도표이다. 수치 해석에 의한 도6과 실험에 의한 도5의 도표를 비교하여 보면, 매우 높은 수준의 일치를 보여준다. 이는, 본 발명에 의한 방법이 표면 기하학 격자에 의하여 액정 물질에 유도되는 멀티-도메인 효과를 잘 기술하고 있음을 의미한다.6 is an optical transmission characteristic chart based on the numerical analysis results according to Example 2. FIG. A comparison of the diagrams of FIG. 6 by numerical analysis and FIG. 5 by experiment shows a very high level of agreement. This means that the method according to the invention well describes the multi-domain effect induced in the liquid crystal material by the surface geometry grating.
실시예 3Example 3
실시예 2에서의 수치 해석 결과, ZLI-4900-100과 같이, 유전 이방성이 매우 큰 액정 물질을 사용하는 경우, 여러 가지 부수적인 효과들이 발생함을 알 수 있었다. 유전 이방성이 큰 액정 물질은, 일반적으로 굴절율 이방성도 역시 크므로, 광 경로에 따라서 위상 지연이 크게 변하게 된다. 이와 같이 큰 값의 위상 지연 변화는 도5에서 1.68, 1.82, 2.82(V)에 해당하는 광학 투과 곡선에서 요동 현상을 나타나게 하며, 이는 계조 표시 안정화의 관점에서는 바람직하지 못한 현상이다. 또한, 유전 이방성이 큰 액정 물질의 경우, 매우 적은 인가 전압에서 프레데릭스 전이 현상을 보이게 되는데, 프레데릭스 전이 현상이 높은 인가 전압의 영역에서 나타날수록 큰 액정 유효 전압의 변조를 가지게 되며, 따라서 상호 보상 효과를 증가시킬 수 있음이 밝혀졌다.As a result of numerical analysis in Example 2, it can be seen that when using a liquid crystal material having a very high dielectric anisotropy, such as ZLI-4900-100, various side effects occur. Since the liquid crystal material having a large dielectric anisotropy generally has a large refractive index anisotropy, the phase retardation greatly changes along the optical path. This large phase delay change causes fluctuations in the optical transmission curves corresponding to 1.68, 1.82, and 2.82 (V) in FIG. 5, which is undesirable from the viewpoint of gray scale display stabilization. In addition, in the case of a liquid crystal material having a high dielectric anisotropy, a Frederician transition phenomenon is exhibited at a very low applied voltage. As the Frederician transition phenomenon appears in a region of a high applied voltage, a larger liquid crystal effective voltage has a modulation and thus mutual compensation. It has been found that the effect can be increased.
따라서, 본 실시예 3에서는 일반적인 유전 이방성을 가지는 액정 물질인 ZLI-2293(수평 및 수직방향 유전 상수가 각각 14.1, 4.1)에 의하여 멀티-도메인이 유도되어 그로 인한 TN 모드의 계조 표시 안정화가 가능한지의 여부를, 실시예 2에서 검증된 바 있는, 수치 해석을 통하여 알아본다.Therefore, in the third embodiment, the multi-domain is induced by ZLI-2293 (the horizontal and vertical dielectric constants of 14.1 and 4.1, respectively), which is a liquid crystal material having general dielectric anisotropy, and thus it is possible to stabilize the gray scale display of the TN mode. Whether or not, through the numerical analysis, which has been verified in Example 2 will be found.
본 발명에 의한 방법에서는 α가 1보다 작아야 하므로, 표면 기하학 격자의 크기와 유전 상수를 각각 400㎚와 3.1로 선택하였다. 한편 표면 기하학 격자에 의한 배향이 하드 앵커링(hard anchoring) 영역에 속한다고 가정한다. 도7은 실시예 3에 의한 광학 투과 특성을 보여주는 도표이다. 도7은 도5에 비하여 더욱 향상된 계조 표시 안정도를 보인다. 본 실시예 3의 결과로부터, 본 발명에 의한 방법에서 일반적인 액정 물질을 차용한 TN 모드에서도 적절하게 설계된 표면 기하학 격자를 배향막으로 채택함에 의하여 별도의 추가 공정이 없이도 계조 표시 안정화를 달성할 수 있음을 알 수 있다.In the method according to the present invention, α should be smaller than 1, so that the size and dielectric constant of the surface geometry grating were selected as 400 nm and 3.1, respectively. On the other hand, it is assumed that the orientation by the surface geometry grating belongs to the hard anchoring region. 7 is a diagram showing optical transmission characteristics according to Example 3. FIG. FIG. 7 shows the gradation display stability more improved than that of FIG. From the results of the third embodiment, it is possible to achieve gradation display stabilization without any additional process by adopting a properly designed surface geometry grating as an alignment layer even in TN mode employing a general liquid crystal material in the method according to the present invention. Able to know.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 방법에 의하면, 적절한 물성 상수를 가지는 표면 기하학 격자를 TN 모드의 배향막으로서 사용함으로써, 러빙 공정과 같은 별도의 추가 공정이 없이도, 액정 물질 안에 멀티-도메인이 유도되어 계조 표시 안정성이 크게 향상될 수 있다. 표면 기하학 격자는 반도체 기술을 이용하여 제작되므로 그 파라미터를 정밀하게 제어하면서 용이하게 구현할 수 있다.As described above, according to the method according to the present invention, by using a surface geometry grating having an appropriate physical property constant as the alignment layer of the TN mode, the multi-domain is induced in the liquid crystal material without any additional process such as a rubbing process. Thus, gradation display stability can be greatly improved. Surface geometry gratings are fabricated using semiconductor technology, so they can be easily implemented with precise control of their parameters.
또한, 본 발명에 의한 방법에서 멀티-도메인 유도는 추가 공정없이 자연적으로 이루어지는 것이기 때문에, 종래의 멀티-도메인 방법에 병행하여 차용될 수도 있다. 즉 종래의 멀티-도메인 방법을 채용한 TN 모드에서도 배향막을 표면 기하학 격자로 대체하면, 각각의 부-화소에 본 발명에 의한 방법에 의하여 멀티-도메인이 유도되게 되어 더욱 향상된 시야각 특성을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.In addition, since the multi-domain induction in the method according to the present invention takes place naturally without further processing, it may be borrowed in parallel to the conventional multi-domain method. In other words, in the TN mode adopting the conventional multi-domain method, if the alignment layer is replaced with the surface geometry grating, the multi-domain is induced in each sub-pixel by the method according to the present invention, thereby further improving the viewing angle characteristic. It is expected.
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