KR100648209B1 - 수직 배향 모드 액정표시장치 - Google Patents

수직 배향 모드 액정표시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시야각 특성을 개선하면서도 빠른 응답 특성을 갖는 수직 배향 모드 액정 표시 장치를 개시한다. 개시된 본 발명의 수직 배향 모드 액정 표시 장치는, 소정 거리를 두고 대향하는 상부 기판과 하부 기판; 상기 상부 기판과 하부 기판 사이에 개재되며, 유전율 이방성이 음인 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층; 상기 하부 기판의 내측면에 형성된 화소 전극; 상기 상부 기판의 내측면에 형성되며, 상기 화소 전극과 함께 액정 분자를 동작시키는 전계를 형성하는 카운터 전극; 상기 화소 전극과 액정층 사이에 개재된 제 1 수직 배향막; 상기 카운터 전극과 액정층 사이에 개재된 제 2 수직 배향막; 상기 상부 기판 외측면에 배치되며, 소정의 편광축을 갖는 편광자; 및 상기 하부 기판 외측면에 배치되며, 상기 편광자의 편광축과 직교하는 흡수축을 갖는 분해자;를 포함하며, 상기 제 1 수직 배향막은 소정 방향의 러빙축을 갖고, 상기 제 2 수직 배향막은 상기 제 1 수직 배향막의 러빙축과 180+α(α= 1 내지 45도)를 이루는 러빙축을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

수직 배향 모드 액정 표시 장치{VERTICAL ALIGNMENT MODE LCD}
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 배향막의 러빙 방향 및 편광판의 편광축 방향을 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 시야각에 따른 휘도를 보여주는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 시야각에 따른 콘트라스트비를 보여주는 그래프.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10 - 하부 기판 12 - 화소 전극
14 - 제 1 수직 배향막 16 - 편광자
20 - 상부 기판 22 - 카운터 전극
24 - 제 2 수직 배향막 26 - 분해자
30 - 액정층 30a,30b - 액정 분자
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시야각 특성이 개선된 수직 배향 모드 액정 표시 장치에 관한 것이다.
일반적으로 박막 트랜지스터 액정 표시 장치(TFT-LCD)는 디스플레이를 구현함에 있어서, 기존에 사용되오던 CRT(cathode ray tube)에 비하여 부피면에서 소형화가 가능하고, 저 소비 전력을 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 박막 트랜지스터 액정 표시 장치는 정면 시야각은 CRT에 필적할만 하나, 사선 방향에서는 시야각이 우수하지 않다. 이와같이 시야각이 보는 방향에 따라서 달라지는 것은 공지된 바와 같이, 액정층을 구성하는 액정 분자의 굴절율 이방성으로부터 기인된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 VA(vertical alignment) 모드 및 IPS(in plan field) 모드 액정 표시 장치가 제안되었다.
먼저, VA 모드의 구성은 다음과 같다.
각각 전극을 구비하는 상하 기판의 사이에 유전율 이방성이 음인 액정층이 샌드위치되 있고, 상하 기판의 내측 표면에는 수직 배향막이 각각 개재된다. 이러한 VA 모드는 응답 속도 특성이 우수하다는 장점을 갖는다.
한편, IPS 모드는 다음과 같이 구성된다.
상하 기판이 소정 거리를 두고 대향된다. 상하부 기판사이의 공간에는 액정층이 개재되고, 하부 기판의 상부에는 화소 전극과 카운터 전극이 소정 간격을 두고 배치된다. 이때, 화소 전극과 카운터 전극간의 간격은 상하 기판사이의 간격보다 크다. 하부 기판 및 상부 기판의 내측면 표면에는 수평 배향막이 개재된다. 그러면, 화소 전극과 카운터 전극 사이에 형성되는 전계는 하부 기판 표면과 평행하 게 형성되어, 시야각 특성이 개선된다.
그러나, 상기한 IPS 모드는 시야각 특성이 우수한 반면 응답 속도가 매우 느려, 동화상 구현용으로 사용하는데 다소 어려움이 있다.
또한, VA 모드는 응답 속도 특성은 우수한 반면, 시야각이 협소하다는 문제점이 있다.
이에따라, 종래의 다른 방법으로, VA 모드 액정 표시 장치의 측면 시야각을 확보하기 위하여, 하나의 픽셀내에 적어도 4번이상의 상하 배향막 러빙 공정으로 통하여 두 개 이상의 도메인을 형성하는 방법이 제안되었다. 그러나, 이 방법은 적어도 하나의 배향막에 적어도 두번 이상의 러빙 공정 및 포토리소그라피 공정이 요하므로 공정이 매우 번거럽다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시야각 특성을 개선하면서도 빠른 응답 특성을 갖는 수직 배향 모드 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 소정 거리를 두고 대향하는 상부 기판과 하부 기판; 상기 상부 기판과 하부 기판 사이에 개재되며, 유전율 이방성이 음인 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층; 상기 하부 기판의 내측면에 형성된 화소 전극; 상기 상부 기판의 내측면에 형성되며, 상기 화소 전극과 함께 액정 분자를 동작시키는 전계를 형성하는 카운터 전극; 상기 화소 전극과 액정층 사이에 개재된 제 1 수직 배향막; 상기 카운터 전극과 액정층 사이에 개재된 제 2 수직 배향막; 상기 상부 기판 외측면에 배치되며, 소정의 편광축을 갖는 편광자; 및 상기 하부 기판 외측면에 배치되며, 상기 편광자의 편광축과 직교하는 흡수축을 갖는 분해자;를 포함하며, 상기 제 1 수직 배향막은 소정 방향의 러빙축을 갖고, 상기 제 2 수직 배향막은 상기 제 1 수직 배향막의 러빙축과 180+α(α= 1 내지 45도)를 이루는 러빙축을 갖는 것을 특징으로 하는 수직 배향 모드 액정 표시 장치를 제공한다.
상기 제 1 수직 배향막의 러빙축은 상기 편광자의 편광축과 ±20 내지 60°의 각을 이룸이 바람직하다.
또한, 상기 상부 기판과 분해자 사이 또는 하부 기판과 편광자 사이에 굴절율 이방성이 음인 액정 분자로 구성된 위상 보상판이 추가로 개재된다.
아울러, 액정층내에는 카이랄 도펀트(Chiral dopant)가 추가로 첨가될 수 있으며, 상기 카이랄 도펀트는 50 내지 300㎛의 피치를 갖는다.
본 발명에 의하면, 기판의 내측면 각각에 수직 배향막을 갖는 수직 배향 모드 액정 표시 장치에 있어서, 각 수직 배향막을 소정 방향으로 1회 러빙한다. 이에따라, 전계 인가시, 액정 분자들은 액정층 중심에 있는 액정 분자를 기준으로 상하 대칭적으로 트위스트 배열되어, 별도의 도메인 형성공정없이 액정 분자들의 굴절율 이방성이 보상된다. 따라서, 액정 표시 장치의 시야각 특성이 개선된다.
아울러, 수직 배향 모드를 사용하였으므로, 액정 표시 장치의 응답속도가 우수하다.
(실시예)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
첨부한 도면 도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 배향막의 러빙 방향 및 편광판의 편광축 방향을 나타낸 평면도이다. 또한, 도 3은 본 발명에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 시야각에 따른 휘도를 보여주는 그래프이며, 도 4는 본 발명에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 시야각에 따른 콘트라스트비를 보여주는 그래프이다. 여기서, 도 1a는 전계 인가전의 액정 분자 배열을 나타내고, 도 1b는 전계 인가후의 액정 분자 배열을 나타낸다. 아울러, 도 1a 및 도 1b는 액티브 매트릭스 액정 표시 장치의 단위 화소를 보여준다.
먼저, 도 1a를 참조하면, 단위 화소가 한정된 하부 기판(10)과 컬러 필터(도시되지 않음)가 구비된 상부 기판(20)이 소정 거리를 두고 대향된다. 이때, 상하 기판(10,20)간의 거리를 셀갭(d)이라 한다. 셀갭(d)은 약 2 내지 15㎛ 정도로 한다. 상하 기판(10,20) 사이의 공간에는 유전율 이방성이 음인 액정 분자(30a)를 포함하는 액정층(30)이 개재된다. 이때, 액정 분자(30a)의 유전율 이방성은 -3 내지 -15 정도임이 바람직하고, 굴절율 이방성은 0.03 내지 0.15임이 바람직하다. 또한, 액정층(30)내에는 이후 액정 분자 동작시, 액정 분자들이 일정한 방향으로 트위스트될 수 있도록 소정의 도펀트, 예컨데, 피치(pitch)가 50 내지 300㎛인 카이랄 도펀트(Chiral dopant)가 첨가될 수도 있다.
여기서, 상기 카이랄 도펀트는 수직 배향과 상하 평행(parallel)하게 러빙된 액정셀에의 전기장 인가시 트위스트 방향을 일정한 한 방향으로 조절하는 역할을 한다. 널리 사용되고 있는 카이랄 도펀트들의 구조식은 하기와 같다.
Figure 112006003105335-pat00006

CM-21로 명명된 카이랄 도펀트는 헤리컬 트위스트 파워(Helical Twist Power; HTP)가 통상의 액정혼합물에 1wt% 첨가후 측정시 78㎛*wt%의 값을 가지며, 레프트 헤리컬 센스(Left Helical Sense) 특징을 갖는다. CM-31의 카이랄 도펀트는 HTP값이 같은 조건에서 8이며, 레프트 헤리컬 센스 특징을 갖는다. CM-33의 카이랄 도펀트는 7의 HTP와 헤리컬 센스 특징을 갖는다. 예컨데, 레프트 헤리컬 센스 특징을 갖는 카이랄 도펀트를 액정층내에 첨가할 경우, 액정분자들은 좌선성으로 트위스트된다.
계속해서, 하부 기판(10)의 내측면에는 액정 분자(30a)를 구동시키기 위한 화소 전극(12)이 형성된다. 화소 전극(12)은 ITO와 같은 투명 도전 물질 또는 전도성이 우수한 불투명 도전 물질로 형성할 수 있다. 화소 전극(12) 상부에는 제 1 수직 배향막(14)이 형성된다. 제 1 수직 배향막(14)은 소정 방향으로 러빙처리되어 소정의 러빙축을 갖는다.
한편, 상부 기판(20)의 내측면에는 화소 전극(12)과 함께 전계를 형성하여 액정 분자(30a)를 구동시키는 카운터 전극(22)이 형성된다. 이때, 카운터 전극(22)은 판 형태를 가지면서, 투명한 도전 물질로 형성된다. 카운터 전극(22) 표면에는 제 2 수직 배향막(24)이 형성된다. 제 2 수직 배향막(24) 역시, 러빙 처리가 되었으며, 제 2 수직 배향막(24)은 제 1 수직 배향막(14)의 러빙축과 180+α도 (α는 1 내지 45도) 정도의 각을 이루는 러빙축을 갖도록 러빙된다.
하부 기판(10)의 외측면에는 소정의 편광축을 갖는 편광자(16)가 부착되고, 상부 기판(20)의 외측면에는 편광자(16)의 편광축과 직교를 이루는 흡수축을 갖는 분해자(26)을 포함한다.
도 2는 제 1 및 제 2 수직 배향막의 러빙축과 편광축 및 흡수축을 개략적으로 보여주는 도면으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 편광축(P)과 흡수축(A)은 서로 직교한다. 아울러, 편광축(P)은 제 1 수직 배향막(14)의 러빙축(14a)과 ±20 내지 60°, 더욱 바람직하게는 ±45°를 이룬다. 아울러, 제 2 수직 배향막(24)의 러빙축(24a)은 제 1 수직 배향막(14)의 러빙축(14)과 예를들어 대략 180도를 이룬다.
상부 기판(20)과 분해자(26) 사이에 액정층(30)의 굴절율 이방성을 보상하기 위한 위상 보상판(28)이 배치될 수 있다. 이때, 위상 보상판(28)은 하부 기판(10) 과 편광자(18) 사이에도 개재될 수 있으며, 굴절율 이방성이 음인 디스크(disk) 타입의 액정 분자들로 구성된다. 이때, 위상 보상판(28)을 구성하는 액정 분자의 굴절율 이방성은 -0.02 내지 -0.15 정도를 갖는다.
이와같은 수직 배향 모드 액정 표시 장치는 다음과 같이 동작한다.
먼저, 화소 전극(12)과 카운터 전극(22) 사이에 전계가 형성되지 않을때, 액정층(30)내의 액정 분자(30a,30b)는 제 1 및 제 2 수직 배향막(14,24)에 의존하여, 액정 분자의 장축이 기판(10) 표면과 수직을 이루도록 배열된다. 이때, 액정 분자(30a,30b)는 제 1 및 제 2 수직 배향막(14,24)이 소정 방향으로 러빙되어 있음에 따라, 러빙축을 따라 일정하게 배열된다. 또한, 액정층(30)의 중심에 있는 액정 분자(30a)의 장축은 기판 표면(10)과 직교를 이루며, 제 1 및 제 2 수직 배향막(14,24) 표면에 있는 액정 분자(30a)들은 러빙축의 영향으로 소정각도 만큼 틸트를 이룰수 있다. 액정 분자(30a,30b)가 상기와 같이 배열됨에 따라, 편광자(18)을 통과한 빛은 액정층(30)을 통과하면서, 편광 상태가 변화되지 않는다. 이에따라, 액정층(30)을 통과한 빛은 분해자를 통과하지 못하여, 화면은 다크가 된다. 이때, 위상 보상판(28)의 배치로, 화면은 거의 완벽한 다크를 띤다.
한편, 화소 전극(12)과 카운터 전극(22)에 전압차가 발생되면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 기판 표면에 수직인 전계(E)가 형성된다. 그러면, 유전율 이방성이 음인 액정 분자(30a,30b)의 대부분은 전계(E)와 장축이 수직을 이루도록 배열된다. 이때, 배향막(14,24)에 인접한 액정 분자(30a)들은 배향막(14,24)의 영향으로 초기 배열 상태를 유지하고, 액정층(30)의 중심 부분 주변에 있는 액정 분자(30a,30b)들 은 전계와 장축이 수직을 이루면서, 배향막(14,24)의 러빙 방향에 의하여 180도이상 트위스트되도록 배열된다. 특히, 액정층(30)의 중심층에 있는 액정 분자(30b)는 제 1 및 제 2 수직 배향막(14,24)의 러빙축의 규제를 동시에 받기 때문에, 상기 액정 분자(30b)의 장축은 상기 제 1 및 제 2 수직 배향막의 러빙축이 이루는 각 사이의 방향을 향하면서 기판 표면과 장축이 평행하게 눕게 된다. 이에따라, 편광자(16)를 통과한 빛은 액정층(30)을 통과하면서 그 편광 상태가 변화되어, 분해자(26)를 통과하게 된다. 따라서, 화면은 화이트 상태가 된다. 이때, 액정층(30)내 액정 분자들은 액정층(30) 중심에 있는 액정 분자(30b)를 중심으로 상하대칭을 이루며 배열된다. 이에따라, 액정 분자(30a)의 굴절율 이방성이 보상되므로, 시야각 특성이 개선된다. 또한, 수직 배향막을 사용하였으므로, 응답 속도가 빠르다.
도 3은 상기와 같은 액정 표시 장치의 시야각에 따른 휘도를 보여주는 그래프로서, 본 발명과 같이 액정 표시 장치를 구성하게 되면, 종래의 IPS 모드와 달리, 전 시야각에서 높은 휘도를 나타낸다.
또한, 도 4는 상기와 같은 액정 표시 장치의 시야각에 따른 콘트라스트비를 나타낸 그래프로서, 본 발명과 같이 액정 표시 장치를 구성하게 되면, 전 시야각에서 10 이상의 고른 콘트라스트비를 얻을 수 있으며, 특히, 대각선 방향에서의 콘트라스트 특성이 우수하다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기판의 내측면 각각에 수직 배향막을 갖는 수직 배향 모드 액정 표시 장치에 있어서, 각 수직 배향막 을 소정 방향으로 1회 러빙한다. 이에따라, 전계 인가시, 액정 분자들은 액정층 중심에 있는 액정 분자를 기준으로 상하 대칭적으로 트위스트 배열되어, 별도의 도메인 형성공정없이 액정 분자들의 굴절율 이방성이 보상된다. 따라서, 액정 표시 장치의 시야각 특성이 개선된다.
아울러, 수직 배향 모드를 사용하였으므로, 액정 표시 장치의 응답속도가 우수하다.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (6)

  1. 소정 거리를 두고 대향하는 상부 기판과 하부 기판;
    상기 상부 기판과 하부 기판 사이에 개재되며, 유전율 이방성이 음인 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층;
    상기 하부 기판의 내측면에 형성된 화소 전극;
    상기 상부 기판의 내측면에 형성되며, 상기 화소 전극과 함께 액정 분자를 동작시키는 전계를 형성하는 카운터 전극;
    상기 화소 전극과 액정층 사이에 개재된 제 1 수직 배향막;
    상기 카운터 전극과 액정층 사이에 개재된 제 2 수직 배향막;
    상기 상부 기판 외측면에 배치되며, 소정의 편광축을 갖는 편광자; 및
    상기 하부 기판 외측면에 배치되며, 상기 편광자의 편광축과 직교하는 흡수축을 갖는 분해자;를 포함하며,
    상기 제 1 수직 배향막은 소정 방향의 러빙축을 갖고, 상기 제 2 수직 배향막은 상기 제 1 수직 배향막의 러빙축과 180+α(α= 1 내지 45도)를 이루는 러빙축을 갖는 것을 특징으로 하는 수직 배향 모드 액정 표시 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 수직 배향막의 러빙축은 상기 편광자의 편광축과 ±20 내지 60°를 이루는 것을 특징으로 하는 수직 배향 모드 액정 표시 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 기판과 분해자 사이 또는 하부 기판과 편광자 사이에 굴절율 이방성이 음인 액정 분자로 구성된 위상 보상판이 추가로 개재되는 것을 특징으로 하는 수직 배향 모드 액정 표시 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 액정층 내에 카이랄 도펀트가 추가로 첨가되는 것을 특징으로 하는 수직 배향 모드 액정 표시 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 카이랄 도펀트는 50 내지 300㎛의 피치를 갖는 것을 수직 배향 모드 액정 표시 장치.
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