KR100491618B1 - System of calculation for the electric characteristic of the liquid crystal cell and the distribution of the liquid crystal - Google Patents

System of calculation for the electric characteristic of the liquid crystal cell and the distribution of the liquid crystal Download PDF

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Abstract

본 발명은 박막트랜지스터 액정 표시 장치에 대한 3차원 특성 해석에 있어서, 특히 단위 액정셀 내의 액정 거동에 대한 3차원 유한요소법을 이용한 해석 시스템 제공한다.In the three-dimensional characteristic analysis of a thin film transistor liquid crystal display device, the present invention provides, in particular, an analysis system using a three-dimensional finite element method for liquid crystal behavior in a unit liquid crystal cell.

본 발명에 따른 임의의 액정셀에 대한 경계조건 설정 기술은 단위 액정셀 내 특성 분석시 다양한 관점에서의 특성 분석을 통해 실험 결과와 근사한 모의 실험 결과를 제공한다. 본 발명에 따른 액정셀에 대한 표면 영역 추출 기술은 액정 거동 특성 해석에 있어서 보다 정확한 해석을 가능하게 하는 표면 강도 효과를 고려할 수 있는 기능을 제공한다. 본 발명에 따른 단위 액정셀의 전기적 특성 해석 기술은 액정셀 내의 전압 및 전계 분포뿐만 아니라 액정셀 내의 축적된 에너지와 정전용량을 시간 및 전압 변화에 대해 구할 수 있는 기능을 제공한다. 본 발명에 따른 액정 거동 해석 시스템은 표면 강도 효과와 백플로우(backflow) 효과를 고려할 수 있는 기능을 제공한다.The boundary condition setting technology for any liquid crystal cell according to the present invention provides simulation results that are close to the experimental results through characteristics analysis from various viewpoints when analyzing characteristics in a unit liquid crystal cell. The surface area extraction technique for the liquid crystal cell according to the present invention provides a function capable of considering the surface strength effect that enables more accurate analysis in the liquid crystal behavior characteristic analysis. The technique of analyzing the electrical characteristics of the unit liquid crystal cell according to the present invention provides a function of obtaining energy and capacitance accumulated in the liquid crystal cell with respect to time and voltage change as well as voltage and electric field distribution in the liquid crystal cell. The liquid crystal behavior analysis system according to the present invention provides a function capable of considering the surface strength effect and the backflow effect.

Description

액정셀의 전기적 특성 및 액정 배향 분포를 계산하는 시스템{SYSTEM OF CALCULATION FOR THE ELECTRIC CHARACTERISTIC OF THE LIQUID CRYSTAL CELL AND THE DISTRIBUTION OF THE LIQUID CRYSTAL}System for calculating electrical characteristics and liquid crystal orientation distribution of a liquid crystal cell {SYSTEM OF CALCULATION FOR THE ELECTRIC CHARACTERISTIC OF THE LIQUID CRYSTAL CELL AND THE DISTRIBUTION OF THE LIQUID CRYSTAL}

본 발명은 액정 표시 장치에 사용하는 패널 및 액정셀의 특성 분석을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for characterizing a panel and a liquid crystal cell for use in a liquid crystal display device.

액정 표시 장치는 일반적으로 대향 전극과 컬러 필터 등이 형성되어 있는 상부 기판과 박막트랜지스터와 화소 전극 등이 형성되어있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 주입해 놓고 화소 전극과 대향 전국 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 주입해 놓고 화소 전극과 대향 전극에 서로 다른 전위를 인가함으로써 전계를 형성하여 액정 분자들이 배열을 변경시키고, 이를 통해 빛의 투과율을 조절함으로써 화상을 표현하는 장치이다.Generally, a liquid crystal display is formed by injecting a liquid crystal material between an upper substrate on which an opposite electrode and a color filter are formed, and a lower substrate on which a thin film transistor and a pixel electrode are formed. The liquid crystal material is injected between the substrates and different electric potentials are applied to the pixel electrode and the counter electrode to form an electric field to change the arrangement of the liquid crystal molecules, thereby controlling the transmittance of light to express an image.

이러한, 액정 표시 장치의 개발에는 액정셀의 전극의 구조와 초기 액정 배열에 따른 액정분자의 이동 및 분포의 해석이 중요시되고 있다. 지금까지는 액정 표시 장치의 개발에서 사용하는 액정분자의 배열에 대한 해석을 위해 유한차분법 및 2차원 유한요소법을 사용하여 왔다.In the development of the liquid crystal display, an analysis of the movement and distribution of the liquid crystal molecules according to the structure of the electrode of the liquid crystal cell and the initial liquid crystal array is important. Until now, the finite difference method and the two-dimensional finite element method have been used to analyze the arrangement of liquid crystal molecules used in the development of liquid crystal display devices.

액정셀의 광투과 특성과, 빠른 응답 특성의 구현을 위해 MVA(Multi-domain Vertical Alignment), SIPS(Super In-Plane Switching)등의 복잡한 액정셀의 구동 모드가 개발되고 있는데, 이러한 구동 모드의 액정셀의 특성을 해석하는 시스템 및 방법에 있어서, 유한차분법은 복잡한 구조의 액정셀을 구성하기 어렵고, 그리드의 개수의 증가에 따라 계산 시간이 증가하는 단점이 있다.In order to realize light transmission characteristics and quick response characteristics of liquid crystal cells, driving modes of complex liquid crystal cells such as multi-domain vertical alignment (MVA) and super in-plane switching (SIPS) have been developed. In a system and method for analyzing the characteristics of a cell, the finite difference method is difficult to construct a liquid crystal cell of a complicated structure, and the calculation time increases as the number of grids increases.

또한, 유한요소법은 구조의 복잡성에 의해 2차원 유한요소법은 원하는 분석 결과의 정확도를 기대하기 어렵다. 따라서, 복잡한 구조의 액정셀의 액정 분자 배열을 예측에 있어서 임의의 복잡한 구조에 적응성이 높은 3차원 유한요소법을 이용한 액정셀의 특성 분석 시스템 및 방법이 절실히 요구되고 있다.In addition, due to the complexity of the finite element method, the two-dimensional finite element method is difficult to expect the accuracy of a desired analysis result. Therefore, there is an urgent need for a system and method for analyzing characteristics of liquid crystal cells using a three-dimensional finite element method that is highly adaptable to any complicated structure in predicting the arrangement of liquid crystal molecules in a liquid crystal cell having a complex structure.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 임의의 구조의 액정셀의 특성 분석 시스템 및 방법을 제공함에 있다.Accordingly, it is a first object of the present invention to provide a system and method for analyzing characteristics of liquid crystal cells of any structure.

본 발명의 제2 목적은 액정셀을 이용하는 제품의 설계 및 시제품 개발에서의 사용자의 편의성을 제공함에 있다.A second object of the present invention is to provide a user's convenience in the design and development of a prototype using a liquid crystal cell.

본 발명의 제3 목적은 액정셀의 특성을 예측하여 액정셀을 이용한 제품의 설계 및 시제품 개발 시간의 단축을 제공함에 있다.A third object of the present invention is to predict the characteristics of a liquid crystal cell and to provide a design time for a product using a liquid crystal cell and a shortening of a prototype development time.

본 발명의 제4 목적은 액정셀의 특성을 예측함에 있어 정확한 특성 분석 결과를 제공함에 있다.A fourth object of the present invention is to provide an accurate characteristic analysis result in predicting the characteristics of the liquid crystal cell.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 박막트랜지스터 액정표시장치에 대한 3차원 특성 해석에 있어서, 특히 단위 액정셀 내의 액정 거동에 대한 3차원 유한요소법을 이용한 해석 시스템 및 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an analysis system and method using a three-dimensional finite element method for the liquid crystal behavior in a unit liquid crystal cell, particularly in the three-dimensional characteristic analysis of the thin film transistor liquid crystal display device.

이하, 본 발명에 따른 액정 분자 배열 상태의 예측을 휘한 바람직한 실시예를 첨부 도면 도1 내지 도4를 참조하여 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments in which the prediction of the arrangement state of liquid crystal molecules according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4.

도1은 본 발명에 따른 단위 액정셀에 대한 액정 거동 해석 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도1을 참조하면, 단위 액정셀에 대한 액정 거동 해석 시스템은 크게 5가지 모듈, 단위 액정셀의 구조정의 및 메쉬 데이터 입력 모듈(100), 단위 액정셀 특성 해석을 위한 초기화 모듈(110), 전압 인가 모듈(120) 단위 액정셀의 전기적 특성 해석 모듈(130), 단위 액정셀 내의 액정 배향 분포 계산 모듈(140)로 구성된다.1 is a view showing the configuration of a liquid crystal behavior analysis system for a unit liquid crystal cell according to the present invention. Referring to FIG. 1, a liquid crystal behavior analysis system for a unit liquid crystal cell includes five modules, a structural definition of a unit liquid crystal cell and a mesh data input module 100, an initialization module 110 for unit liquid crystal cell characteristic analysis, and a voltage. The application module 120 includes an electrical characteristic analysis module 130 of the unit liquid crystal cell and a liquid crystal alignment distribution calculation module 140 in the unit liquid crystal cell.

단위 액정셀의 구조정의 및 메쉬 데이터 입력 모듈(100)에서는 단위 액정셀에 대한 3차원 구조정의 및 메쉬 데이터와 전압조건, 상판과 하판 영역에서의 초기 액정 배향 분포, 각 축에 대한 사용자 정의의 경계조건을 입력받게 된다. 입력받은 초기 설정 값들을 바탕으로 단위 액정셀의 특성 해석을 위한 초기화 모듈(110)을 실행하게 된다. Structural Definition and Mesh Data Input Module 100 of the unit liquid crystal cell The three-dimensional structure definition and mesh data and voltage conditions for the unit liquid crystal cell, initial liquid crystal orientation distribution in the upper and lower regions, and a user-defined boundary for each axis You will receive a condition. The initialization module 110 for analyzing the characteristics of the unit liquid crystal cell is executed based on the received initial set values.

이어서, 설계된 단위 액정셀 내의 모든 전극에 대한 전압 인가 모듈(120)을 수행하고 주어진 전압 조건에 대한 액정셀 내의 전기적 특성 해석 모듈(130)을 수행한다. 구해진 전기적 특성 값들을 가지고 단위 액정셀 내의 액정 배향 분포 계산 모듈(140)을 수행하게 된다. 전술한 일련의 과정이 사용자에 의해 주어진 시간간격을 기준으로 반복 수행되고 사용자가 설정한 최종 시간이 되면 수행을 멈추게 된다(150). 또한, 사용자가 지정한 전압 조건에 대하여 전술한 일련의 과정이 반복 수행되게 된다(160).Subsequently, the voltage application module 120 is performed on all electrodes in the designed unit liquid crystal cell, and the electrical characteristic analysis module 130 in the liquid crystal cell is performed for a given voltage condition. The liquid crystal alignment distribution calculation module 140 in the unit liquid crystal cell is performed with the obtained electrical property values. The series of processes described above are repeatedly performed based on the time interval given by the user, and the execution is stopped when the final time set by the user is reached (150). In addition, the above-described series of processes are repeatedly performed on the voltage condition designated by the user (160).

도2는 도1의 단위 액정셀의 전기적 특성 해석을 위한 초기화 모듈(110)의 구성도를 나타낸다. 도1의 단위 액정셀의 구조정의 및 메쉬 데이터 입력 모듈(100)로 부터 입력받은 데이터를 바탕으로 먼저, 경계 조건이 적용될 영역인 X축과 Y축으로의 최외각 영역을 주어진 구조 정의 데이터와 메쉬 데이터를 비교하여 지정된 경계조건을 바탕으로 피리오딕 경계 조건(Periodic Boundary Condition)과 미러 경계 조건(Mirror Boundary Condition)이 주어지게 된다(200).FIG. 2 illustrates a configuration diagram of an initialization module 110 for analyzing electrical characteristics of a unit liquid crystal cell of FIG. 1. Based on the structure definition of the unit liquid crystal cell of FIG. 1 and the data input from the mesh data input module 100, first, the structure definition data and mesh are given to the outermost regions of the X and Y axes, which are areas to which boundary conditions are to be applied. By comparing the data, a Piodic Boundary Condition and a Mirror Boundary Condition are given based on the specified boundary condition (200).

피리오딕 경계의 경우 정의된 구조에서 서로 마주보는 최외각 평면의 데이터 값들이 서로 동일하기 때문에 특성 해석시 마주보는 영역중 한쪽 영역만 계산하고 나머지 영역은 구해진 반대편 데이터와 같은 값이 입력되므로 피리오딕 경계 조건이 주어진 축에 대해서 한쪽 노드들은 계산 영역에서 제외된다. 그러므로 앞에서 각 노드에 주어진 경계조건을 바탕으로 피리오딕 경계 조건에 해당되는 노드들은 따로 추출된다(210). In the case of the pyriodic boundary, the data values of the outermost planes facing each other in the defined structure are identical to each other. For a given axis, one node is excluded from the computational domain. Therefore, based on the boundary condition given to each node, nodes corresponding to the pyriodic boundary condition are extracted separately (210).

이어서, 액정의 표면 강도 효과를 고려하기 위한 영역을 각각 따로 설정하게 되고(220), 앞에서 추출된 영역을 제외한 노드들 중에서 전기적 특성 해석을 위한 영역, 액정층 중에 표면영역을 제외한 벌크(bulk) 영역에서의 액정 분포 계산을 위한 영역들을 재정의 하고(230), 가지고 각각의 모듈에 필요한 전체 시스템 행렬을 구성하게 된다(240).Subsequently, regions for considering the surface strength effect of the liquid crystal are separately set (220), regions for analyzing electrical characteristics among the nodes except for the region extracted above, and bulk regions except for the surface region in the liquid crystal layer. The regions for calculating the liquid crystal distribution in s are redefined (230), and the total system matrix required for each module is configured (240).

이어서, 액정층의 상하판 표면 영역에 대해 지정된 초기 액정 분포 값을 가지고 벌크영역에서의 액정 분포를 초기화하게 된다(250).Subsequently, the liquid crystal distribution in the bulk region is initialized with the initial liquid crystal distribution value designated for the upper and lower plate surface regions of the liquid crystal layer (250).

도3은 도1의 단위 액정셀의 전기적 특성 해석 모듈(130)의 구성도를 나타낸다. 도3을 참조하면, 앞에서 각 전극에 인가된 전압 조건을 바탕으로 라플라스 방정식을 풀어 단위 액정셀 내의 전압 분포를 구하게 된다(310). 이렇게 구해진 전압 분포 값들을 가지고 각 요소에 대해 전계 값들을 구하게 되고, 요소에 대해 구해진 전계값들로부터 각 노드에 대한 전계값을 구하게 된다(320).3 is a block diagram of the electrical characteristic analysis module 130 of the unit liquid crystal cell of FIG. 1. Referring to FIG. 3, the voltage distribution in the unit liquid crystal cell is obtained by solving the Laplace equation based on the voltage condition applied to each electrode (310). The electric field values for each element are obtained using the obtained voltage distribution values, and an electric field value for each node is obtained from the electric field values obtained for the element (320).

이어서, 구해진 전계값을 바탕으로 단위 액정셀에 축척된 에너지를 구하게 되고(330), 구해진 에너지 값과, 인가된 전압 조건을 가지고 단위 액정셀 내에 존재하는 모든 정전용량 값을 구하게 된다(340).Subsequently, the energy accumulated in the unit liquid crystal cell is obtained based on the obtained electric field value (330), and all capacitance values existing in the unit liquid crystal cell with the obtained energy value and the applied voltage condition are obtained (340).

도4는 도1의 단위 액정셀 내의 액정 배향 분포 계산 모듈(140)에 대한 구성도를 나타낸다. 도4를 참조하면, 본 발명에 따른 단위 액정셀 내의 액정 배향 분포 계산 모듈(140)은 액정층에 인가된 전압 분포와 상하판 표면영역에서의 액정 분포를 에센셜 경계 조건(Essential Boundary Condition)으로 한 벌크영역에서의 액정 배향 분포 계산 모듈(400), 주어진 시간 간격에 대한 단위 액정셀에서 각 노드에서의 액정의 시간에 대한 변화율 계산 모듈(410), 단위 액정셀에서 각 노드에서의 액정의 각 축방향으로의 변화율 계산 모듈(420), 벌크 영역에서 구해진 액정 배향 분포를 에센셜 경계 조건으로 한 단위 액정셀에서 표면영역에서의 액정 분포 계산 모듈(430), 단위 액정셀에서의 백플로우(backflow) 효과를 고려하기 위한 액정의 속도 성분 추출 모듈(440)로 구성된다.4 is a block diagram of the liquid crystal alignment distribution calculation module 140 in the unit liquid crystal cell of FIG. 1. Referring to FIG. 4, the liquid crystal alignment distribution calculation module 140 in the unit liquid crystal cell according to the present invention uses the voltage distribution applied to the liquid crystal layer and the liquid crystal distribution in the upper and lower plate surface regions as essential boundary conditions. Liquid crystal orientation distribution calculation module 400 in the bulk region, change rate calculation module 410 for the time of liquid crystal at each node in the unit liquid crystal cell for a given time interval, each axis of the liquid crystal at each node in the unit liquid crystal cell Change rate calculation module 420 in the direction, liquid crystal distribution calculation module 430 in the surface area in the unit liquid crystal cell having the liquid crystal orientation distribution obtained in the bulk region as an essential boundary condition, and backflow effect in the unit liquid crystal cell. It is composed of a velocity component extraction module 440 of the liquid crystal to take into account.

전술한 내용은 후술한 발명의 특허 청구 범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허 청구 범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.The foregoing has outlined rather broadly the features and technical advantages of the present invention in order that the claims that follow may be better understood. Additional features and advantages that make up the claims of the present invention will be described below. It should be appreciated by those skilled in the art that the conception and specific embodiments of the invention disclosed may be readily used as a basis for designing or modifying other structures for carrying out similar purposes to the invention.

또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.In addition, the inventive concepts and embodiments disclosed herein may be used by those skilled in the art as a basis for modifying or designing other structures for carrying out the same purposes of the present invention. In addition, such modifications or altered equivalent structures by those skilled in the art may be variously changed, substituted, and changed without departing from the spirit or scope of the invention described in the claims.

이상과 같이, 본 발명의 임의의 복잡한 구조의 액정셀에서 인가 전압에 따른 액정 분자의 배열을 미리 예측하여 설계하고자 하는 액정셀의 특성을 예측할 수 있도록 한다. As described above, it is possible to predict the characteristics of the liquid crystal cell to be designed by predicting the arrangement of the liquid crystal molecules according to the applied voltage in advance in the liquid crystal cell of any complex structure of the present invention.

그 결과, 액정셀을 사용하는 제품의 설계 및 시제품 개발 시간, 개발비용의 단축 및 절감을 제공함에 있다.As a result, the design and prototype development time of the product using the liquid crystal cell, to provide a reduction and reduction in the development cost.

도1은 본 발명에 따른 액정셀의 전기적 특성 및 액정 배향 분포를 계산하는 시스템의 구성도.1 is a block diagram of a system for calculating the electrical properties and the liquid crystal alignment distribution of the liquid crystal cell according to the present invention.

도2는 본 발명에 따른 단위 액정셀의 특성 해석을 위한 초기화 모듈의 구성도.2 is a configuration diagram of an initialization module for characteristic analysis of a unit liquid crystal cell according to the present invention;

도3은 본 발명에 따른 단위 액정셀의 전기적 특성 해석 모듈의 구성도.3 is a block diagram of an electrical characteristic analysis module of a unit liquid crystal cell according to the present invention.

도4는 본 발명에 따른 단위 액정셀내의 액정 분포 계산 모듈의 구성도.4 is a block diagram of a liquid crystal distribution calculation module in a unit liquid crystal cell according to the present invention;

Claims (5)

액정층과 하나 이상의 전극층으로 구성된 액정 셀의 전극층에 인가된 전압에 대하여 액정 디렉터의 배열 상태와 이로 인한 빛은 투과 특성을 해석하기 위하여 전기 해석 모듈과 액정 거동 해석 모듈 및 광해석 모듈을 구비한 액정 셀 특성 분석 전산 모사기에 있어서, 상기 액정 셀 특성 분석 전산 모사기는The arrangement state of the liquid crystal director and the resulting light for the voltage applied to the electrode layer of the liquid crystal cell composed of the liquid crystal layer and the at least one electrode layer and the liquid crystal having an electrical analysis module, a liquid crystal behavior analysis module, and a photoanalysis module to analyze the transmission characteristics. In the cell characterization computer simulator, the liquid crystal cell characterization computer simulator 상기 액정 셀 특성 전산 모사를 위하여 적용될 경계 조건값 설정을 설정할 수 있도록 하고, 또한 사용자가 지정하는 임의 경계면에 대하여 서로 다른 경계조건을 설정하는 입력할 수 있도록 하고, 상기 액정층의 상판과 하판의 표면 앵커링 강도를 입력받을 수 있도록 하여, 인가된 전압에 따른 액정 셀의 정전 용량의 의존성과 광투과도 및 시야각 특성을 출력하는 것을 특징으로 하는 액정 셀 특성 분석 전산 모사기. It is possible to set the boundary condition value to be applied for the liquid crystal cell characteristics computer simulation, and to input to set different boundary conditions for an arbitrary boundary surface specified by the user, and the upper and lower surfaces of the liquid crystal layer A computer-implemented liquid crystal cell characteristic analysis computer simulator for outputting the dependence of the capacitance of the liquid crystal cell, the light transmittance, and the viewing angle characteristic by allowing an anchoring intensity to be input. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 액정 셀 특성 분석 전산 모사기는 인가 전압 파형에 따른 액정 거동의 시간 의존 과도 해석을 제공하고, 액정 표면 강도 의존성 및 백플로우 의존성을 해석하는 것을 특징으로 하는 액정 셀 특성 분석 전산 모사기.The liquid crystal cell characteristic computer simulation of claim 1, wherein the liquid crystal cell characteristic computer simulation provides a time dependent transient analysis of liquid crystal behavior according to an applied voltage waveform, and analyzes the liquid crystal surface intensity dependency and the backflow dependency. .
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