KR100487691B1 - 강유전성액정디스플레이 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 강유전성 액정 디스플레이는 선형 전극을 포함하는 액정 셀과 픽셀 전극을 포함하는 액정 셀인 2개의 액정 셀이, 하나의 액정 셀 뒤에 다른 하나의 액정 셀이 연속하여 배열되는 방식으로, 2개의 편광자 사이에 배치되어 포함된다. 픽셀 전극은 선형 전극과 동조하여 화상 정보에 의하여 구동한다. 액정 셀의 배향과 굴절률은, 제어 전압이 역전되는 경우, 광 투과도가 실질적으로 변경되지 않도록 선택된다. 2개의 액정 셀은 스위칭각이 절대로 ± 22.5° 를 넘지 않도록 구동한다. 전압의 극성이 주기적으로 반전됨으로 인해, 평균적으로는, 셀을 가로지르는 직류 전압이 존재하지 않는다.

Description

강유전성 액정 디스플레이
본 발명은 강유전성 액정 디스플레이에 관한 것이다.
강유전성 액정 디스플레이, 더욱 구체적으로는 DHF(deformed helix ferroelectric; 변형된 헬릭스 강유전체) 유형은 시각(視角: viewing angle)이 크고 회색조 또는 짧은 스위칭 시간을 필요로 하는 경우, 즉 저온에서 구동하는 경우, 기존의 TN(twisted nematic; 트위스티드 네마틱) 또는 STN(supertwisted nematic; 슈퍼트위스티드 네마틱) 디스플레이의 대체물로서 상당한 관심을 끌고 있다.
강유전성 액정 디스플레이의 구동은 EP-A 제309 774호에 기술되어 있다. "대칭성" 모드로 구동하는 경우, 최대 투과에 필요한 스위칭각이 ± 45° 로 크다는 단점이 있다. 스위칭각이 큰 혼합물은 제조하기가 어려우며 일반적으로 스위칭각이 작은 혼합물보다 느리다. 또한 최대 스위칭각에 도달하기 전에 헬릭스를 와인딩(winding) 하려는 경향이 있다. 지금까지 최적의 스위칭각, 즉 대칭성 모드에서 최적의 명도를 지닌 액정 물질은 없었다. 한편, "비대칭성" 모드로 구동하는 경우에는, 개개의 상의 교류 극성으로 구성될 수 있는 용도가 없다는 단점을 지닌다. 예를 들면, 장기간 동안 암(暗) 상태를 유지해야만 하는 디스플레이의 경우, 이러한 시간 내내 네가티브 전압이 인가되어야만 한다. 이는 액정 내에서와 경계 표면에서 공간 하전을 유발시킨다. 공간 하전은 전기 광학 특성을 변경시키며, 잔상을 발생시킬 수 있고, 유사하게는 매우 큰 교란 효과로, 디스플레이를 사용할 수 없게 만든다.
본 발명의 목적은 상기한 종류의 이미 공지된 디스플레이의 단점을 지니지 않는 강유전성 액정 디스플레이를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 목적은, 선형 전극(22)을 포함하는 액정 셀(210)과 픽셀 전극(25, 27)을 포함하는 액정 셀(211)인 2개의 액정 셀이, 하나의 액정 셀 뒤에 다른 하나의 액정 셀이 연속하여 배열되는 방식으로, 2개의 편광자(21, 28) 사이에 배치되어 포함되어 있고, 또한, 픽셀 전극이 선형 전극과 동조하여 화상 정보에 의하여 구동하게 하는 수단이 포함되어 있는 강유전성 액정 디스플레이로서, 액정 셀들의 배향과 굴절률이, 제어 전압이 역전되는 경우 액정 셀들의 광 투과도를 실질적으로 변경시키지 않도록 선택되고, 2개의 액정 셀들이 스위칭각이 절대로 ± 22.5° 를 초과하지 않도록 구동하며, 전압의 극성이 주기적으로 반전됨으로 인해, 평균적으로는, 액정 셀들을 가로지르는 직류 전압이 존재하지 않는, 강유전성 액정 디스플레이에 의해 성취된다.
본 발명의 바람직한 예시 양태는 첨부한 도면을 참조로 하여 기술될 것이다.
도 1에 도시한 바처럼, 기존의 DHF 셀은, 약 2㎛ 떨어진, 투명 전극(10)과 배향층(11)이 설치된 2개의 유리판(12)을 포함한다. 액정층(13)은 2개의 유리판사이에 배치된다. 액정은 나선 구조의 강유전성 "Sc*" 상을 함유한다. 헬릭스의 축(14)은 판에 평행하며 피치는 가시광의 파장보다 짧다. 전압을 인가하지 않은 경우, 헬릭스는 변형되지 않으며, 평균 굴절률은 헬릭스의 축 방향으로 향한다. 2개의 전극 사이에 전압이 인가되는 경우에는, 평균 굴절률(즉, 굴절률 타원체의 장축 또는 주축)은 한 방향은 포지티브 전압에 대해서 반대 방향은 네가티브 전압에 대해서 유리판의 면으로 회전한다. 전압이 점차 증가하는 경우, 각도는 강유전성 액정의 특성인 최대 스위칭각 qmax에서 포화된다. 포화 상태에서, 헬릭스는 와인딩된다. 전압이 저하되는 경우에는, 헬릭스는 재형성된다. 그런데, 이러한 방법으로는, 때때로 DHF 셀에서 일반적으로 회피되는 헬릭스의 와인딩이 일어난다. 그러나, 이는 최대 유용한 회전각이 qmax보다 작게 선택되어야만 함을 의미한다.
DHF 셀이 교차 편광자 사이에 위치하는 경우, 광 투과도는 굴절률의 회전 결과를 변경시킨다. 최대 명 상태로부터 암 상태로 스위칭시키기 위해서는 45° 의 회전이 필요한 것으로 나타낼 수 있다. 암 상태에서, 광학 축은 편광자 중의 하나에 대해 평행한 반면, 명 상태에서는, 편광자로부터 45° 회전된다. 앞서 설명한 바처럼, DHF 디스플레이는 다음과 같이 0V의 전압을 인가한 상태에서 광학 주축과 편광자 중의 하나 사이의 각 q(0)에 대하여 상이한 2개의 상이한 모드로 구동할 수 있다:
대칭성 모드에서, U=0V의 인가 전압은 각 q=0, 즉 암 상태에 상응한다. 포지티브 전압과 네가티브 전압 U 두 경우에서, 광 투과도는 증가하고, q=± 45° 인 경우, 최대에 도달한다. 따라서, 포지티브 전압과 네가티브 전압이 동일한 값인 경우에 동일한 광 투과도를 수득할 수 있다. 이는 포지티브 전압과 네가티브 전압을 교대로 사용하여 동일한 상을 기록할 수 있도록 하며, 이에 따라, 셀에서 평균적으로는 DC 전압 성분이 발생하지 않게 되어 결과적으로 잔상이 나타나지 않도록 한다.
비대칭성 모드에서는, U=0V는 22.5° 의 회전각, 즉 50%의 광 투과도에 상응한다. 하나의 극성 전압(예: 양극)은 q를 증가시키고 결과적으로 광 투과도를 증가시키는 반면, 반대 극성은 q와 광 투과도를 둘 다 저하시킨다. 명 상태로부터 암 상태로의 완전한 스위칭을 위해서, q에 대한 조절 범위는 단지 ± 22.5° 를 필요로 한다.
본 발명은 상기한 단점이 없는 두 구동 모드의 장점을 합한 것이다. 본 발명의 가장 중요한 장점은, 강유전성 액정 디스플레이가 잔상이 형성되지 않으며, DHF 셀의 경우에는, 스위칭각이 크지 않으며, 이로 인하여 비실용적이 되지 않으면서 "비대칭성" 모드로 구동될 수 있다는 것이다.
도 2는 2개의 DHF 액정 셀(210, 211)이 교차 편광자(21, 28) 사이에 서로 인접하여 배열되어 있는 본 발명의 양태를 도시한 것이다. 액정 셀(210)은 하나는 선형 전극(22)이고 다른 하나는 표면 전극(24)인 2개의 기판 사이의 액정층(23)이 존재하는 공지된 방식으로 구성된다. 액정 셀(210)은 한번에 하나의 라인에서 일정한 진폭으로 스위칭된다. 액정 셀(211)은 픽셀 전극(25, 27)을 포함하는 2개의 기판 사이의 액정층(26)을 포함하고 액정 셀(210)과 동조하여 화상 정보에 의하여 구동한다. 도 2는 배향층, LCD에 대한 전기 접속부 또는 액정 셀(211)의 부재들의 임의의 활성 매트릭스를 생략한 것이다.
본 발명에 따르는 액정 셀(210, 211)은 DC 전압 성분들을 간섭하는 것을 피하도록 구성되고 구동된다. 이는 상에서 상으로 인가 전압의 극성을 변화시켜서 이루어진다. 본 발명의 한가지 중요한 특징은 광 투과도(the grey scale value; 표준 회색 색표 값)가 상기의 두 상에서 동일하다는 점이다.
도 3은 상 1에 대한 칼럼(31, 32)에서와, 이와 반대로 작용하는 상 2에 대한 칼럼(33, 34)에서의 3개의 회색 단계[즉, 라인(35)에서의 명, 라인(36)에서의 회색 및 라인(37)에서의 암]에 대한 2개의 액정 셀(210, 211)의 배향 및 이중 굴절 특성을 개략적으로 나타낸 것이다. 편광자(21)(도 2)는 칼럼(31)에서 직각으로(즉, 주축에 평행하게) 편광되는 반면, 검광자(24)는 이에 대해 교차된다.
2개의 액정 셀의 이중 굴절은 동일하거나 대략적으로 파장의 반과 같은데, 이는 즉 △n=na-no(여기서, na,o은 DHF 구조의 특이한 굴절률 및 보통의 굴절률을 나타내며, d는 셀 두께를 나타내고, γ는 파장(550m)을 나타낸다)인 경우, △n.d=γ /2이다. 도 3에서의 음영화된 섹터는 전기 광학적 용도에서 광학적 주축의 회전 범위를 나타내며, 네가티브 전압(즉, 칼럼 31)은 주축에 대하여 좌측으로 회전하는 반면 포지티브 전압(즉, 칼럼 33)은 우측으로 회전한다. 0V의 전압이 인가되는 경우, 광학적 주축은 제1 액정 셀(210)(칼럼 31 및 33)의 경우에 수직으로부터 22.5° 시계방향으로 회전하고, 제2 액정 셀(211)(칼럼 32 및 34)의 경우에 67.5° 시계반대방향으로 회전한다. 2개의 셀 모두에서, 즉 배향 층의 두 마찰 방향은 서로에 대해 90° 회전한다.
도 3은 2개의 상에서의 광 투과도가 동일함을 직접 나타낸 것이다. 상 1의 라인(35)에서, 선편광은 광학 축에 평행하게 편광되기 때문에 제1 액정 셀(210)(칼럼 31)에 의해 영향을 받지 않는다. 제2 액정 셀(211)(칼럼 32)은 γ /2 판으로서 작용하는데 이는 즉, 편광 방향을 90° 회전시키는 것이고 이에 따라서 광은 감쇠되지 않고 검광자(24)를 통과할 수 있다. 상 2에서, 제1 액정 셀(210)(칼럼 33)은 γ /2 판으로서 작용하며 제2 액정 셀(211)(칼럼 34)은 편광에 영향을 주지않는다. 따라서 두 상에서, 광은 감쇠되지 않고 투과된다. 최소 광 투과도가 다른 경우(라인 37) 2개의 액정 셀의 이중 굴절은 상 1(칼럼 31 및 32)과 상 2(칼럼 33 및 34)의 두 경우에 균형이 잡혀있지 않다. 즉, 교차 편광자 사이의 광 투과도는 최소이다.
회색(라인 36)의 일반적인 경우에, ｜U2｜≤｜U1｜인 전압 U2가 제2 액정 셀(211)에 인가된다. 상 1에서 제2 액정 셀(211)에 도달되는 광은 직각으로 편광되는 반면, 제1 액정 셀(210)은 상기한 바처럼 편광에 영향을 주지 않는다. 제2 액정 셀(211)의 광학축은 전압 U2에 의해서 제어되는 각 α <45° 를 통해서 검광자에 대해 적절하게 회전한다. 결과적으로, 광 투과도는 sin2(2α )에 비례한다. 상 2에서, 제1 액정 셀(210)은 편광을 90° (칼럼 33)로 회전시키고, 이어서 제2 액정 셀(211)에 도달할 때에는 수평이 된다. 이러한 경우 전압 -U2가 상 2(칼럼 34)에 인가되기 때문에, 광학적 축은 검광자에 대하여 45° -α로 회전하며, 결과적으로 광 투과도는 cos2[2(45° -α )]에 비례한다. "cos"은 입사광이 검광자에 대해 평행하게 편광되기 때문이다. 그러나 이는 sin2(2α )에 비례하여서 상 1과 동일하다.
α 가 시그널 전압 U2에 따라서 0 내지 45° 사이의 임의의 값을 취하기 때문에, 광 투과도 sin2(2α )는 0 내지 1의 임의의 값을 취한다.
교차 편광자 또는 2개의 액정 셀의 정확한 위치는 제한적이지 않다. 도 3에 도시한 바와 같이, 암 상태(라인 37)에 대한 광 투과도는 교차 편광자의 모든 방향에 대하여 최소인데, 이는 이중 굴절이 정확하게 해소되지 않기 때문이다. 명 상태(라인 35)에서, 색은 편광자의 위치에 다소 의존한다. 따라서, 정확한 위치는 색의 최적화에 사용할 수 있다.
도 4는 2개의 셀과 편광자의 또 다른 가능한 상호 배열을 도시한 것이다. 도 3과 대조적으로, 셀은 서로로부터 단지 45° 만 회전한다. 결과적으로, 상 1의 암 상태(라인 47, 칼럼 41 및 42)에서, 도 3에서와 같이 서로 보상되는 대신에 상이동이 이루어진다. 그러나, 편광자가 생성되는 주축에 대하여 평행하게 직각으로 배향되는 경우, 광 투과도는 최소가 된다.
당해 기술분야의 숙련가들에게는 명백한 것처럼, 유사한 효과를 지니는 기타배열, 더욱 구체적으로는 △n.d=γ 또는 △n.d=3γ /2인 두꺼운 복굴절 셀을 이용하는 경우도 가능하다.
본 발명의 응용은 DHF 셀의 경우가 비록 특히 바람직하기는 하지만 이에만 제한되지는 않는다. 편광의 주기적 변화는 또한 SSF 액정 디스플레이의 경우에도 유용한데 이는 이러한 디스플레이에서도 잔상과 스위칭 지연을 방지할 수 있기 때문이다.
본 발명에 따르는 강유전성 액정 디스플레이는 잔상이 형성되지 않으며, DHF 셀의 경우 스위칭각이 크지 않고, 이로 인해 실용적으로 비대칭성 모드로 구동될 수 있다.
도 1은 기존의 DHF 셀의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 DHF 셀의 투시도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 셀 배열의 배향 및 이중 굴절 특성을 도시한 것이다.
도 4는 또 다른 배열의 배향 및 이중 굴절 특성을 도시한 것이다.

Claims (2)

  1. 선형 전극(22)을 포함하는 액정 셀(210)과 픽셀 전극(25, 27)을 포함하는 액정 셀(211)인 2개의 액정 셀이, 하나의 액정 셀 뒤에 다른 하나의 액정 셀이 연속하여 배열되는 방식으로, 2개의 편광자(21, 28) 사이에 배치되어 포함되어 있고, 또한, 픽셀 전극이 선형 전극과 동조하여 화상 정보에 의하여 구동하게 하는 수단이 포함되어 있는 강유전성 액정 디스플레이로서, 액정 셀들의 배향과 굴절률이, 제어 전압이 역전되는 경우 액정 셀들의 광 투과도를 실질적으로 변경시키지 않도록 선택되고, 2개의 액정 셀들이 스위칭각이 절대로 ± 22.5° 를 초과하지 않도록 구동하며, 전압의 극성이 주기적으로 반전됨으로 인해, 평균적으로는, 액정 셀들을 가로지르는 직류 전압이 존재하지 않는, 강유전성 액정 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 2개의 액정 셀이 DHF 디스플레이인 액정 디스플레이.
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