KR100495795B1 - 액정 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

서로 평행한 두 기판에 각각 전극이 형성되어 있으며, 두 기판 사이에는 양의 유전율 이방성을 가지는 액정 물질을 주입되어 있다. 이때, 액정 물질의 액정 분자는 한 기판에서부터 다른 기판에 이르기까지 85°이하의 각으로 연속적으로 비틀린 구조를 취하거나, 낮은 점도를 가지는 액정 또는 10 wt% 이하의 첨가제를 혼합한 액정을 사용하거나, 4μm 이하로 액정 셀의 간격을 감소시키거나 프리즘 원리의 휘도 보상 방식이 적용된 보상 필름을 사용하여 액정 표시 장치의 응답 시간을 줄이거나 시야각을 넓힐 수 있다.

Description

액정 표시 장치
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 비틀린 네마틱(twisted-nematic: TN) 방식의 액정 표시 장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정 표시 장치는 전극이 형성되어 있는 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 전극에 가하고 전압의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하는 구조로 되어 있다.
현재 보편적으로 표시 장치에 적용하고 있는 액정 표시 장치는 비틀린 네마틱 액정 표시 장치로서, 안쪽 면에 각각 투명 전극이 형성되어 있는 한 쌍의 투명 유리 기판, 두 유리 기판 사이의 액정층을 포함하며, 각각의 유리 기판의 바깥 면에는 빛을 편광시키는 두 장의 편광판이 부착되어 있다.
전기장을 인가하지 않을 때에는, 두 기판 사이에 채워진 액정층의 액정 분자들은 그 장축 방향이 두 기판에 평행하게 배열되어 있으며, 한 기판에서 다른 기판에 이르기까지 90°정도가 되도록 나선상으로 비틀린 구조를 가진다.
두 전극을 통하여 액정층에 충분한 크기의 전기장을 형성하였을 때에는 액정 분자의 장축이 전기장의 방향과 평행하게 되어 두 기판에 수직하게 배열된다.
그러나, 이러한 TN 방식의 액정 표시 장치는 시야각이 좁고 계조 반전이 일어나는 문제점을 가지고 있다.
시야각이 좁은 문제점을 해결하기 위해 보상 필름을 사용하는 방법이 제시되고 있지만 액정 표시 장치의 패널이 대형화되어감에 따라 신호 왜곡이 발생하는 문제점을 유발되고 있다.
또한, 최근에는 시야각이 개선되는 새로운 방식인 IPS(in-plane switching) 방식의 액정 표시 장치가 제안되었다.
이러한 IPS 방식의 액정 표시 장치에는 서로 평행한 두 기판중 한 기판에 서로 평행하며 선형인 두 전극이 모두 형성되어 있다. 두 기판 사이에 채워진 액정층의 액정 분자의 장축은 두 기판에 평행하며 전극과 평행하거나 일정 각도를 이루는 방향으로 배열되어 있다. 두 전극에 전기장을 인가하였을 때에는, 기판에 평행한 전기장의 의해 액정 분자들의 장축이 전기장에 평행하게 배열된다.
그러나, IPS 방식의 액정 표시 장치는 어두운 상태에서 빛샘 현상이 발생하여 대비비가 떨어지며, 액정 분자의 응답 속도가 느린 문제점을 가지고 있다.
또한, TN 방식의 액정 표시 장치에서, 특히 노멀리 블랙 모드(normally black mode)인 경우는 전기장이 인가되지 않은 상태에서 입사하는 빛이 완전히 차단되지 않기 때문에 대비비가 좋지 않다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 수직 배향된 비틀린 네마틱(vertically-aligned twisted-nematic: VA-TN) 방식의 액정 표시 장치가 제안되었다.
이러한 VA-TN 방식의 액정 표시 장치에서, 전기장이 인가되지 않은 상태의 액정 분자는 두 기판 면에 대하여 수직으로 배향되어 있으므로 노멀리 블랙 모드(normally black mode)에서 충분히 어두운 상태가 만들어진다.
그러나, 시야각을 개선하기 위하여 보상 필름의 추가가 요구되며, 둘 이상의 영역(domain)을 만들어 주는 기술이 요구되며, 재료의 신뢰성 문제로 양상 적용에는 어려운 실정이다.
본 발명은 화상 등의 동화상 표시가 가능하도록 고속 응답을 가지며, 광시야각을 가지는 가능한 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 액정 표시 장치는 각각 전극이 형성되어 있는 제1 기판과 제2 기판 사이에는 유전율 이방성을 가지는 액정 물질이 주입되어 있으며, 액정 물질의 액정 분자는 한 기판에서 다른 기판에 이르기까지 85°이하가 되도록 나선상으로 비틀린 구조를 가진다.
여기서, 액정 물질은 카이랄 첨가제가 0.01~1.0 wt% 함유되어 있는 네마틱 액정이며, 두 기판 사이의 간격은 4μm 이하이다.
또한, 이러한 본 발명에 따른 액정 표시 장치는 두 기판의 바깥쪽에 각각 부착되어 있는 편광판 및 기판과 편광판 사이에 부착되어 있는 하나 또는 둘 이상의 보상 필름을 더 포함한다.
이러한 편광판의 투과축은 서로 평행 또는 직교하도록 배치할 수 있고 보상 필름은 프리즘 원리의 보상 방식을 적용한 보상 필름이다.
그러면 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명한다.
일반적으로 비틀린 네마틱 액정 표시 장치 내에서 액정 분자는 하부 기판에서부터 상부 기판에 이르기까지 90°정도 연속적으로 비틀린 구조를 하고 있는데 이런 경우의 응답 시간에는 전계를 인가할 때의 응답 시간(Ton)과 전계를 제거하였을 때 액정 분자가 초기의 배향 상태로 돌아가는데 지연되는 응답 시간(Toff)가 있다.
Ton = η/{Δε(Va 2 - Vth 2)} ------------------(1)
Toff = d2*η/(π2*K) ------------------(2)
Vth = π2*K/d2, K = K11 + 1/4(K33 - 2K22)
여기에서, Va는 인가 전압, Vth는 임계 전압, d는 두 기판의 간격(액정 셀의 간격), η는 액정 물질의 점도, Δε는 액정의 유전율 이방성, K11, K33, K22는 각각 액정의 분무 탄성계수, 비틀림 탄성계수, 굽힘 탄성계수이다.
식 (1) 및 (2)에서 알 수 있는 바와 같이 Ton은 액정의 점도, 유전율 이방성 및 인가 전압의 크기에 의해 결정되고 Toff는 인가 전압과는 관계없이 액정의 점도, 탄성계수 및 액정 셀의 간격에 의하여 좌우되는 것을 알 수 있다. 일반적으로 액정 분자의 응답 시간은 Ton과 Toff의 합이다.
동화상 구현이란 1초에 30장의 화상을 연속적으로 표시하는 것을 말하는데 이는 33ms당 한 장의 화상을 표시하는 것을 의미한다. 액정 표시 장치에서는 액정의 열화를 방지하고 표시 품질을 유지하기 위하여 교류 구동을 적용한다. 즉, 같은 화상을 2장 표시하므로 한 장의 화상을 표시하는데 필요한 시간은 16.7ms이다. 박막 트랜지스터와 같은 스위칭 소자를 이용하여 액정 분자를 구동할 때 게이트 신호의 지연을 무시한다면, 액정 분자의 응답 시간이 16.7ms 이하이면, 완전한 동화상을 구현할 수 있다.
동화상을 구현하기 위하여 중요하게 작용하는 인자인 액정의 점도, 액정 셀의 간격 및 비틀림 각도들의 관계를 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
가. 응답 시간의 점도에 대한 의존성
식 (1) 및 (2)에서 알 수 있는 바와 같이 응답 시간은 액정의 점도에 비례한다. 따라서, 액정을 선정하는데 있어서 다른 물성은 좀 떨어지지만 점도가 낮은 6가지 액정을 선정하였으며, 현재 당사에서 적용하고 있는 액정(LC-s) 또한 포함시켰다. 표 1은 그 액정의 기초 물성을 표로 나타낸 것이며, 표 2는 실험 결과를 나타낸 것이다.
Figure pat00001
Figure pat00002
응답 시간의 점도에 대한 의존성을 측정하기 위하여 제작한 액정 셀의 간격은 3.5μm이고, 액정 분자의 비틀림 각도는 88°정도이고, 선경사각은 클수록 응답속도는 작아진다고 판단되어 선경사각이 6°정도 되는 AL-1을 사용하였다.
여기서, TN-1은 액정에서 등방성 액체로 변화하는 온도이고, TN-K는 결정상태에서 액정 상태로 변화하는 온도이고, V10은 임계 전압으로서 투과율이 10%일 때의 전압이고, V90은 포화 전압으로서 투과율이 90%일 때의 전압이고, T5.0은 5V일 때의 투과율을 나타낸다.
표 2에서 보는 바와 같이 액정의 점도가 낮아지면 응답 시간이 크게 줄어든다. 점도가 LC-s보다 4mPa/s나 작은 LC-4 및 LC-6의 경우 응답 시간은 3.4ms나 감소되어 전체의 응답 시간이 20ms까지 줄어들었다. 즉, 점도가 낮은 경우에는 동화상을 실현할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 점도가 낮은 액정을 선택할 수 있지만, 점도를 낮추기 위해 액정 물질에 혼합되어 있는 첨가제를 제거하거나 10 wt% 이하로 혼합하는 것이 바람직하다.
여기서, 특이한 점은 Ton은 거의 변화가 없고 Toff는 액정 물질의 점도가 낮아짐에 따라 크게 감소한다는 점을 알 수 있다. 식 (1)을 살펴보면, Ton의 경우 점도가 낮아지면 유전율 이방성도 작아지기 때문에 점도에 대한 변화가 Toff에 비하여 작다는 것을 알 수 있다.
나. 응답 시간의 액정 셀의 간격에 대한 의존성
식 (1) 및 (2)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 액정 셀의 간격이 작을수록 응답 시간은 크게 감소한다. 또한 Δn*d의 변화가 작기 때문에 응답 시간을 줄이는 것 외에 시야각을 넓히는 측면에서도 유리하다.
표3은 액정 셀의 간격을 낮출 때의 결과를 나타낸 것이다.
이때 사용한 액정은 LC-s, LC-1 와 LC-2이다.
Figure pat00003
표3에서 보는 바와 같이, Toff는 액정 셀의 간격이 4.5μm에서 4.0μm과 3.5μm으로 감소함에 따라 각각 1~2ms와 2~4ms 감소하였다. 그러나 Ton은 예상과는 달리 거의 변하지 않았다. 식(1)을 살펴보면 Ton은 액정 셀의 간격은 Vth에는 큰 영향을 주지만 Ton은 상대적으로 큰 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 이러한 결과로 볼 때, 액정 셀의 간격은 4.0μm 이하의 범위에서 결정하는 것이 바람직하다.
다. 응답 시간의 비틀림 각도에 대한 의존성
액정 분자의 비틀림 각도가 커질수록 액정 분자의 탄성 변형 에너지가 커지고, 액정 분자를 구동할 때, 액정 분자가 움직이는 범위가 커지므로 응답 시간을 줄이기 위해서는 액정 분자의 비틀림 각도를 좁힐 수 있을 것으로 짐작하였다.
표 4는 응답 시간과 비틀림 각도의 관계를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
Figure pat00004
이러한 결과를 볼 때, 액정 분자의 비틀림 각도를 작게 하여 액정 분자의 응답 시간을 감소시킬 수 있다.
이때, 액정 분자의 비틀림 각도는 85°이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서 비틀림 각도를 85°이하로 하는 대부분의 방향으로는 시야각이 넓어지지만 특정한 방향의 시야각은 감소되는 경우가 발생할 수 있다. 이때에는, 휘도 보상 방식을 적용한 프리즘 방식의 보상 필름을 추가하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 액정 표시 장치는 낮은 점도를 가지는 액정 또는 10 wt% 이하의 첨가제를 혼합한 액정을 사용하거나 액정 셀의 간격 또는 액정 분자의 비틀림 각도를 감소시켜 액정 분자의 응답 시간을 20ms까지 줄일 수 있다. 이에 따라 액정 표시 장치에서도 고화질의 동화상 표시를 하는 것이 가능해진다. 또한 프리즘 원리의 휘도 보상 방식을 적용한 보상 필름을 사용하여 시야각을 넓힐 수 있다.

Claims (19)

  1. 서로 마주보고 있는 제1 기판 및 제2 기판,
    상기 제1 및 제2 기판 사이에 주입되어 있으며, 상기 제1 기판에서 상기 제2 기판에 이르기까지 85°이하의 각으로 연속적으로 비틀린 액정 분자로 이루어진 액정층, 그리고
    상기 제1 및 제2 기판에 각각 형성되어 있으며, 전기장을 형성하여 상기 액정 분자를 상기 기판에 대하여 수직하게 구동하는 제1 및 제2 전극을 포함하는 액정 표시 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 두 기판의 간격이 4μm 이하인 액정 표시 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 액정층은 카이랄 첨가제가 0.01-10 wt% 이하로 혼합된 네마틱 액정인 액정 표시 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판의 바깥쪽에 각각 부착되어 있는 보상 필름을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 보상 필름은 프리즘 방식의 휘도 보상 방식을 적용한 액정 표시 장치.
  6. 서로 마주보고 있는 제1 기판 및 제2 기판,
    상기 제1 및 제2 기판 사이에 주입되어 있으며, 카이랄 첨가제가 0.01-10 wt% 이하로 혼합된 네마틱 액정 분자로 이루어진 액정층, 그리고
    상기 제1 및 제2 기판에 각각 형성되어 있으며, 전기장을 형성하여 상기 액정 분자를 상기 기판에 대하여 수직하게 구동하는 제1 및 제2 전극을 포함하는 액정 표시 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 두 기판의 간격이 4μm 이하인 액정 표시 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 액정층의 액정 분자는 상기 제1 기판에서 상기 제2 기판에 이르기까지 85°이하의 각으로 연속적으로 비틀린 액정 표시 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판의 바깥쪽에 각각 부착되어 있는 보상 필름을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 보상 필름은 프리즘 방식의 휘도 보상 방식을 적용한 액정 표시 장치.
  11. 서로 4μm 이하의 간격으로 마주보고 있는 제1 기판 및 제2 기판,
    상기 제1 및 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정 분자로 이루어진 액정층, 그리고
    상기 제1 및 제2 기판에 각각 형성되어 있으며, 전기장을 형성하여 상기 액정 분자를 상기 기판에 대하여 수직하게 구동하는 제1 및 제2 전극을 포함하는 액정 표시 장치.
  12. 제11항에서,
    상기 액정 분자는 제1 기판에서 상기 제2 기판에 이르기까지 85°이하의 각으로 연속적으로 비틀린 액정 표시 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 액정층은 카이랄 첨가제가 0.01-10 wt% 이하로 혼합된 네마틱 액정인 액정 표시 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판의 바깥쪽에 각각 부착되어 있는 보상 필름을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  15. 제14항에서,
    상기 보상 필름은 프리즘 방식의 휘도 보상 방식을 적용한 액정 표시 장치.
  16. 서로 마주보고 있는 제1 기판 및 제2 기판,
    상기 제1 및 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정 분자로 이루어진 액정층,
    상기 제1 및 제2 기판에 각각 형성되어 있으며, 전기장을 형성하여 상기 액정 분자를 상기 기판에 대하여 수직하게 구동하는 제1 및 제2 전극, 그리고
    상기 제1 기판 및 제2 기판의 바깥쪽에 각각 부착되어 있으며, 프리즘 방식의 휘도 보상 방식을 적용한 보상 필름을 포함하는 액정 표시 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 두 기판의 간격이 4μm 이하인 액정 표시 장치.
  18. 제17항에서,
    상기 액정층은 카이랄 첨가제가 0.01-10 wt% 이하로 혼합된 네마틱 액정인 액정 표시 장치.
  19. 제18항에서,
    상기 액정 분자는 상기 제1 기판에서 상기 제2 기판에 이르기까지 85°이하의 각으로 연속적으로 비틀린 액정 표시 장치.
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