KR100475640B1 - 액정표시장치 및 그 설계방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정표시장치의 최적화된 동작모드를 찾는 방법에 관한 것이며, 특히 90o이하의 꼬임각을 갖는 네마틱액정을 포함하는 액정표시장치의 동작모드를 찾는 방법에 관한 것으로, 상·하기판에 형성하는 각 배향막의 러빙각도와 제 1 편광판과 제 2 편광판의 투과축방향이 이루는 각을 시뮬레이션의 알고리즘으로 적용하여, 90o이하의 어떠한 꼬임각을 갖는 네마틱액정에 대해서도 높은 투과율을 갖는 최적의 위상차값(d△n)을 찾아 액정표시장치를 설계할 수 있는 효과가 있다.

Description

액정표시장치 및 그 설계방법{Liquid crystal display device and the method for designing liquid crystal display device}
본 발명은 액정표시장치(liquid crystal display device)의 설계방법에 관한 것으로, 특히 네마틱액정(nematic liquid crystal)을 포함하는 액정표시장치의 설계방법에 관한 것이다.
일반적으로, 액정표시장치는 상부기판과 하부기판이 합착되고, 상기 상부기판과 하부기판 사이에 액정을 주입하여 표시패널을 형성한다.
그리고, 상기 표시패널의 상부기판과 하부기판의 바깥 면에는 편광판(polarizer)과 위상차판(retardation film) 등을 부착한다. 이러한 다수의 구성요소를 선택적으로 구성함으로써 빛의 진행상태를 바꾸거나 굴절률을 변화시켜 높은 휘도(brightness)와 콘트라스트(contrast)특성을 가지는 액정표시장치가 구성된다.
이러한 다수의 셀은 상기 액정표시장치에 충진되는 액정의 특성을 고려하여 설계가 진행된다. 액정표시장치의 구성은 각 구성셀의 투과축방향과 액정의 배열 등 다수의 변수가 존재하며, 이러한 수많은 변수들을 일일이 대입하여 직접 액정표시장치를 제작하는 방법으로 최적의 동작모드를 갖는 액정표시장치를 얻기란 힘든 일이다. 왜냐하면 시간과 비용면에서 매우 비효율적인 방법이기 때문이다.
따라서, 다수의 구성셀을 포함하는 액정표시장치의 최적의 동작모드를 찾기위해 일반적으로 컴퓨터를 이용한 모의실험(simulation)이 이용되며, 이 방법은 액정표시장치를 설계하는 데 실질적인 방법이 되고 있다.
이러한 모의실험 가운데 파라미터 스페이스(parameter space)방법이 있는데, 상기 파라미터 스페이스 방법은 전압을 인가하지 않은 네마틱모드 액정의 꼬임각(twist angle : φ)에 따라 높은 투과율을 갖는 최적의 d△n(위상차값)를 찾을 수 있는 방법 중의 하나이며, 이때 상기 액정의 꼬임각에 대한 d△n의 값은 존즈행렬(Jones matrix)을 사용하여 계산된다. 그리고 상기 파라미터 스페이스방법은 네마틱 액정모드의 꼬임각과 d△n의 관계를 투과율로 표현하여 그래프로 표현할 수 있는 방법이다.
파라미터 스페이스 방법에 사용되는 액정표시장치의 동작조건을 알아보기 위해, 네마틱 액정을 포함한 액정표시장치의 필수적인 구성과 각 구성요소의 동작모드를 알아본다.
네마틱 액정모드를 사용한 액정표시장치의 일반적인 구성은 도 1a에 도시한 바와 같이, 제 1 편광판(11)과, 상기 제 1 편광판(11)에 근접한 제 1 기판(13)과, 상기 제 1 기판(13)과 소정간격 이격된 제 2 기판(15)과 상기 제 2 기판(15)에 근접한 제 2 편광판(17)을 포함하며, 상기 제 1 기판(11)과 제 2 기판(15)사이에는 소정의 각으로 트위스트 배열된 네마틱액정(19)이 충진된다.
이때, 상기 제 1 기판(11)과 제 2 기판(15)의 마주보는 면에는 액정의 배향 관계하는 제 1 배향막(orientation film)(25)과 제 2 배향막(23)이 소정의 배향각도(pretilt)를 갖도록 러빙(rubbing)처리되어 있다.
그리고, 상기 편광판(polarizer)은 편광판의 투과축방향과 평행한 성분의 빛은 투과시키고, 직교성분의 빛은 차단하는 특성을 갖는다.
상기 트위스트 네마틱액정은 전압이 인가되지 않았을 때는 오른쪽 방향 또는 왼쪽방향으로 상기 상부기판과 하부기판에 대해 소정의 각을 가지고 트위스트 배열되는 액정이다.
이와 같은 구성을 가진 액정표시장치의 동작특성을 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한다. 이때, 전압이 인가되면 액정분자의 장축방향이 상기 상부기판과 하부기판에 수직하게 배열하는 정(+)특성의 네마틱액정을 예로 들어 설명한다.
도 1a는 전압이 인가되지 않은 오프상태(off state)일 때, 액정표시장치를 구성하는 셀과 상기 각 셀을 통과하는 빛의 진행상태를 도시한 분해사시도이다.
상기 트위스트 네마틱액정(19)을 포함한 액정표시장치에 전압이 인가되지 않았을 경우, 하부 백라이트(21)에서 출사한 빛은 상기 제 1 기판(13)에 부착된 제 1 편광판(11)에 의해 상기 제 1 편광판(11)의 투과축방향과 평행한 선편광(12)이 된다.
상기 선편광된 빛은 상기 액정(19)을 통과하면서 트위스트 배열된 액정의 분자축을 따라 회전하여 원편광 또는 타원편광의 형태로 출사하게 된다. 상기 원편광 또는 타원편광(14)된 빛은 상기 제 2 편광판(17)을 지나면서, 상기 원편광 또는 타원편광의 성분 중 상기 제 2 편광판(17)의 투과축방향과 평행한 성분의 선편광만이 상기 제 2 편광판(17)으로 출사하게 된다. 이 부분은 화이트(white)색을 표시하게 된다.
도 1b는 전압을 인가한 온 상태(on state)일 때, 액정표시장치를 구성하는 셀과 상기 각 셀을 통과하는 빛의 진행상태를 도시한 분해사시도이다.
상기 액정표시장치에 전압이 인가되었을 경우, 트위스트 네마틱액정(19)은 분자의 장축방향이 상기 제 1 기판(13)과 상기 제 2 기판(15)에 대해 일률적으로 일정하게 수직배열을 하게 된다. 따라서, 상기 하부백라이트(21)에서 상기 제 1 편광판(11)을 통과하여 출사한 선편광은 상기 수직배열된 액정(19)을 그대로 위상의 변화없이 통과하게 되고, 상기 액정(19)을 통과한 빛의 편광방향은 상기 제 2 편광판(17)의 투과축 방향과 수직을 이루기 때문에 상기 제 2 편광판(17)에 흡수(차단)된다.
결과적으로, 액정표시장치는 다크(dark)상태가 된다.
이때 상기 제 1 배향막(23)과 제 2 배향막(25)의 러빙각도방향은 상기 제 1 편광판(11)과 상기 제 2 편광판(17)의 투과축방향과 평행하게 구성되었다.
이와 같은 개략적인 구성과 동작모드를 갖는 액정표시장치에서, 상기 파라미터 스페이스 방법에 사용되는 동작조건은 액정의 꼬임각( φ), 액정셀의 두께(d), 굴절률 이방성(△n), 편광판의 각도 등이다. 파라미터 스페이스방법은 상기 각 조건 등을 알고리즘으로 하여 각각의 조건에 대한 투과율을 계산하여 그래프로 표현할 수 있기 때문에 액정의 동작모드를 쉽게 알 수 있다.
상기 액정을 낮은 꼬임의 네마틱 액정(low twisted nematic LC)을 사용하였을 경우, 이에 대한 최적의 동작모드를 알아내기 위해 전술한 파라미터 스페이스 방법을 사용하였다. 왜냐하면 상기 파라미터 스페이스 방법은 낮은 꼬임각을 갖는 네마틱액정(low twisted nematic liquid crystal : 이하 "LTN 액정"이라 칭함)의 동작모드를 결정하는데 용이한 방법이다.
상기 LTN 액정은 응답시간이 빠르고, 10㎳이내의 그레이(gray)구현이 용이하고 저전압 구동이 가능한 장점을 갖는다. 반면에 콘트라스트비가 작고 색분산 특성이 있으며, 설계시 상기 LTN 액정의 임의의 꼬임각에 대해 최적조건을 찾을 수가 없음으로 고품위의 디스플레이를 구현하기란 어렵다.
도 2 내지 도 3은 종래의 파라미터 스페이스방법을 사용한 LTN액정의 꼬임각(27)과 액정의 d△n(29)과의 관계를 투과율로 표시한 그래프이다.
도 2는 제 1 편광판(도 1a의 11)과 이에 근접한 제 1 배향막(도 1a의 25)의 러빙방향이 평행하고, 상기 제 2 편광판(도 1a의 17)과 이에 근접한 제 2 배향막(도 1a의 23)의 러빙방향이 평행할 경우, 상기 액정의 꼬임각과 d△n에 대한 투과율을 표현한 그래프이다.
그림은 전체적으로 흑색과 백색으로 표현되며, 백색은 투과율이 좋은 부분을 표현한 것이다.
도시한 바와 같이, 액정의 꼬임각이 90o이하인 경우, 꼬임각이 줄어들수록 투과율이 감소되는 부분(A)이 있다. 이는 러빙방향과 편광판 사이의 각도가 0o로 고정되어 있기 때문에 액정의 꼬임각이 90o이하인 경우의 LTN 액정모드에 적용할 수가 없기 때문이다.
도 3은 상기 제 1 편광판(도 1a의 11 참조)과 상부 배향막의 러빙방향 사이의 각이 45o인 경우의 파라미터 스페이스 그래프이다.
이 경우는 액정의 꼬임각이 줄어들어도 투과율이 큰 부분이 많이 나타나지만 액정의 꼬임각이 45O인 부분(B)에서는 투과율이 감소하는 것을 볼 수 있다.
이러한 문제 때문에 액정의 꼬임각이 90o 이하인 어떠한 경우의 꼬임각에서도 콘트라스트가 좋은 최적의 d△n을 찾을 수 있는 파라미터 스페이스 표현이 부족하다. 이러한 결과는 상기 트위스트 네마틱액정의 꼬임각에 대해 편광판의 각도가 변하지 않기 때문에 액정의 임의의 꼬임각에 따른 빛의 투과율의 차이가 심하므로 최적의 d△n을 찾을 수 없다.
따라서, 본 발명에 따른 액정표시장치 동작모드 설계방법은 상기 액정의 꼬임각에 대해 높은 투과율을 갖는 최적의 d△n을 찾기 위한 방법을 제안하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정표시장치 설계방법은 서로 간격 d를 가지고 대향하는 제 1, 2 기판과, 상기 제 1, 2 기판의 각 대향하는 내면에 형성되고 각각 배향각도를 가지는 제 1, 2 배향막과, 상기 제 1, 2 기판의 외면에 각각 위치하고 각각 편광각도를 가진 제 1, 2 편광판과, 상기 제 1, 2 기판사이에 위치하고 파이의 꼬임각을 갖는 액정을 포함하는 액정표시장치의 최적화된 모델을 찾기 위한 방법으로서, 상기 제 1 편광판의 편광각도와 상기 제 1 배향막의 배향각이 이루는 각도 및 상기 제 2 편광판의 편광각도와 상기 제 2 배향막의 배향각이 이루는 각도를 ( 90-φ)/2로 고정하여 가정하는 단계와; 상기 ( 90-φ)/2를 팩터로 하여 상기 액정의 꼬임각과 위상차값(d△n, △n은 굴절율 이방성)에 따른 액정표시장치의 최적 투과율을 찾는 단계를 포함한다.
상기 최적 투과율을 찾는 단계에서, 상기 제 1, 2 배향막의 배향각도를 0도으로 고정된다고 가정하는 단계와; 상기 액정의 꼬임각 파이는 액정셀내에 균일하다고 가정하는 단계를 포함한다.
상기 최적 투과율을 찾는 단계에서, 상기 액정의 꼬임값에 대한 최적의 위상차값은 존즈행렬에 의해 구하는 단계를 더욱 포함한다.
상기 최적 투과율을 찾는 단계에서 파라미터 스페이스법을 적용한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 파라미터 스페이스방법은 상기 네마틱액정의 꼬임각에 따라 배향막의 러빙방향과 상기 편광판이 이루는 각을 변화시키는 알고리즘을 적용하여 최적의 d△n을 찾고자 하였다.
상세히 설명하면, 상기 비틀린 네마틱액정을 포함한 액정표시장치의 구조에서, 서로 수직하게 구성되는 제 1 편광판(도 1a의 11)과 제 2 편광판(도 1a의 17)의 투과축 방향을 상기 제 1 배향막(25)과 제 2 배향막(23)의 러빙각도 방향에 대해 회전시키면서, 최적모드를 찾는 방법이다.
이때, 회전하면서 상기 각 제 1 편광판과 제 1 배향막의 러빙각도와 제 2 편광판과 제 2 배향막의 러빙각도와 이루는 각은 상기 비틀린 네마틱액정의 꼬임각 φ에 대해 각각 ( 90-φ)/2씩 회전시켜 얻을 수 있으며, 이를 파라미터 스페이스 방법에 적용한다.
도 4는 본 발명에 따른 액정표시장치의 모드를 표현한 도면으로서 이때, P1(101)은 제 1 편광판(도 1의 11)의 투과축 방향이고, P2(102)는 제 2 편광판(도 1a의 17)의 투과축 방향이다.
상기 P1(101)과 P2(102)는 90o를 이루도록 상기 제 1 편광판(도 1a의 11)과 제 2 편광판(도 1a의 17)을 구성하여야 한다. 도면에서 G1(103)은 상기 제 1 편광판(도 1a의 11)과 근접한 제 1 배향막(도 1a의 25)의 러빙각도이고, G2(105)는 상기 제 2 편광판(도 1a의 17)과 근접한 제 2 배향막(도 1a 의 23)의 러빙각도이다.
이때, 상기 러빙각도는 고정되어 있으며, 상기 제 1 편광판(도 1a의 11)과 제 2 편광판(도 1a의 17)을 상기 각 배향막(도 1a의 25)의 러빙각도에 대해 동시에 회전하여, 액정의 임의의 꼬임각 φ에 대해 상기 제 1 편광판(도 1a의 11)과 상기 제 2 편광판(도 1a의 17)의 투과축방향은 상기 제 1 배향막(도 1a의 25)과 제 2 배향막(도 1a 의 23)의 러빙각도에 대해 각각 ( 90-φ)/2o의 각을 이루도록 구성하면 된다.
이러한 배향막과 편광판에 관한 알고리즘을 본 파라미터 스페이스 시뮬레이션에 적용하여 상기 파라미터 스페이스 그래프에서 액정의 각 꼬임각에 대한 최적의 d△n을 찾을 수 있다.
도 5는 도 4의 구성을 적용하여 시뮬레이션한 파라미터 스페이스 그래프이다.
도시한 바와 같이, 전술한 편광판의 투과축방향과 배향막의 러빙방향이 이루는 각을 알고리즘으로 적용한 결과 액정의 꼬임각이 90o이하가 되더라도 투과율의 손실이 없이 최적의 d△n을 찾을 수 있다. 특히 그림에서 알 수 있듯이 이러한 방법은 90o이상의 꼬임각에서도 높은 투과율을 얻으면서 최적의 d△n을 찾을 수 있는 결과를 얻었다.
여기서 상기 파라미터 스페이스 표현을 통한 최적의 d△n을 찾는 방법을 알아보자. 이때, 액정의 꼬임각이 60o(107)인 경우를 예를 들면, 도면에서 꼬임각은 X축(109)을 따라 변화하고, 이에 따른 d△n는 Y축(110)을 따라 변한다.
따라서, 꼬임각인 X축의 60o(107)에서 Y축(110)을 따라 세로선(111)을 긋는다. 그러면 세로선과 흰색부분이 겹치는 4개의 영역(C,D,E,F)을 찾을 수 있다.
셀의 두께를 낮추기 위해 가장 낮은 값을 취하면 d△n=0.349를 구할 수 있다.
이와 같은 결과로, 편광판을 구성하면 도 5에 도시한 실제적인 각 셀의 구성을 얻을 수 있다.
도 6은 도 5의 결과에 따라 구성한 액정표시장치의 각 셀의 투과축 방향을 도시한 도면이다.
도시한 바와 같이 d△n=0.349의 값을 갖도록 φ= 60o의 각도로 트위스트 액정이 충진된 액정표시장치에서 제 1 편광판의 투과축방향(115)과 제 1 배향막의 러빙각도(119)와, 제 2 편광판의 투과축 방향(117)과 제 2 배향막의 러빙각도(121)가 이루는 각은 전술한 식 ( 90-φ)/2 에 따라 각각 15o를 이루도록 구성되면, 최적의 투과율을 갖는 액정표시장치를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 파라미터 스페이스 방법은 전술한 LTN 액정 이외에 STN액정(super twisted nematic LC, TN 액정(twisted nematic LC))에도 적용할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 파라미터 스페이스 방법은 편광판과 러빙각도가 이루는 각의 변화를 알고리즘으로 추가하여 시뮬레이션을 행함으로써, 90o이하의 임의의 각에서 높은 투과율을 갖는 트위스트 네마틱액정에 대한 최적의 d△n을 찾을 수 있는 효과가 있다.
도 1a은 전압이 인가되지 않았을 때, 일반적인 트위스트 네마틱액정이 포함된 액정표시장치의 동작모드를 도시한 분해사시도이고,
도 1b는 전압이 인가되었을 때, 일반적인 트위스트 네마틱액정이 포함된 액정표시장치의 동작모드를 도시한 분해사시도이고,
도 2는 배향막의 러빙각도와 편광판의 투과축방향이 평행할 경우, 액정표시장치의 파라미터 스페이스 그래프이고,
도 3은 배향막의 러빙각도와 편광판의 투과축 방향이 45o를 이룰 경우, 액정표시장치의 파라미터 스페이스 그래프이고,
도 4는 본 발명에 따른 액정표시장치의 구성셀을 설계한 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 편광판의 투과축방향과 배향막의 러빙방향이 이루는 각을 알고리즘으로 적용한 액정표시장치의 파라미터 스페이스 그래프이고,
도 6은 본 발명에 따른 파라미터 스페이스 그래프로부터 얻은 임의의 꼬임각을 갖는 액정에 대한 최적화된 액정표시장치의 설계도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
101 : 제 1 편광판의 편광방향 102 : 제 2 편광판의 편광방향
103 : 제 1 배향막 러빙각도방향 105 : 제 2 배향막의 러빙각도방향

Claims (4)

  1. 서로 간격 d를 가지고 대향하는 제 1, 2 기판과, 상기 제 1, 2 기판의 각 대향하는 내면에 형성되고 각각 배향방향을 가지는 제 1, 2 배향막과, 상기 제 1, 2 기판의 외면에 각각 위치하고 각각 편광방향을 가진 제 1, 2 편광판과, 상기 제 1, 2 기판사이에 위치하고 꼬임각(φ)을 갖는 액정을 포함하는 액정표시장치의 설계방법으로서,
    상기 제 1 편광판의 편광방향과 상기 제 1 배향막의 배향방향이 이루는 각도 및 상기 제 2 편광판의 편광방향과 상기 제 2 배향막의 배향방향이 이루는 각도가 ( 90-φ)/2이 되도록 제 1, 2 편광판을 설정하는 단계와;
    상기 ( 90-φ)/2를 파라미터 스페이스 방법에 적용하여 파라미터 스페이스 그래프를 구하는 단계와;
    상기 파라미터 스페이스 그래프에서 선택된 꼬임각에 대해 최대의 투과율을 갖는 위상차값(d△n, △n은 굴절율 이방성)을 찾는 단계
    를 포함하는 액정표시장치의 설계방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 최대의 투과율을 찾는 단계에서,
    상기 제 1, 2 배향막의 배향방향을 0o로 설정하는 단계와;
    상기 액정의 꼬임각을 액정셀 내에 균일하게 설정하는 단계
    를 포함하는 액정표시장치의 설계방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 최대의 투과율을 찾는 단계에서,
    상기 액정의 꼬임각에 대해 최대의 투과율을 갖는 위상차값은 존즈행렬에 의해 구해지는
    액정표시장치의 설계방법.
  4. 삭제
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