KR100665944B1 - 오씨비 모드 액정 표시장치 및 그 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 마주보며 이격되어 배치된 제 1, 2 기판과; 상기 마주보는 면의 각 제 1, 2 기판에 형성되고, 서로 동일한 방향으로 수평 배향된 제 1, 2 배향막과; 상기 제 1, 2 배향막 사이에 형성되며 직류전압 인가에 의해 제 1 상태에서 제 2 상태로 상태전이를 하는 것을 특징으로 하는 액정층과; 상기 제 1, 2 기판의 마주보는 쪽에 각각 형성된 공통전극 및 화소전극과; 상기 제 1 기판에 형성되고, 상기 화소전극에 신호를 인가하는 박막 트랜지스터와; 상기 공통전극에 구동 전압을 인가하는 공통전극 구동회로와; 상기 공통전극에 상기 액정층의 상태전이를 위한 상기 직류전압을 인가하는 직류전원과; 상기 공통전극에 인가되는 상기 구동전압 및 상기 직류전압을 선택적으로 스위칭 하는 스위치를 포함하며, 상기 액정층이 제 1 상태에서 제 2 상태로 전이되도록 상기 공통전극에 직류전압을 인가하고, 상기 액정층이 제 2 상태로 전이된 후에는 계속적으로 상기 공통전극에 구동전압을 인가하는 것이 특징인 OCB모드 액정 표시장치를 개시하고 있다.

Description

오씨비 모드 액정 표시장치 및 그 구동방법{Optically compensated bend mode liquid crystal display device and driving method for the same}
도 1은 일반적인 액정 표시장치의 한 화소부에 해당하는 단면을 도시한 도면.
도 2a와 도 2b는 TN 액정의 동작원리를 도시한 도면.
도 3a와 도 3b는 OCB모드에서 액정의 분자배열상태를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 액정 표시장치의 등가회로를 도시한 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
170 : 박막 트랜지스터 150 : 게이트 배선
160 : 데이터 배선 180 : 액정 캐패시터
190 : 스토리지 캐패시터 214 : 공통전극 구동회로
212 : 밴드 스위치 116 : 직류전원
본 발명은 액정 표시장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 상기 액정 표시장치에 사용되는 액정의 구동방법에 관한 것이다.
최근 정보화 사회로 시대가 급진전함에 따라, 대량의 정보를 처리하고 이를 표시하는 디스플레이(display)분야가 발전하고 있다.
근대까지 브라운관(cathode-ray tube ; CRT)이 표시장치의 주류를 이루고 발전을 거듭해 오고 있다.
그러나, 최근 들어 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 시대상에 부응하기 위해 평판 표시장치(flat panel display)의 필요성이 대두되었다. 이에 따라 색 재현성이 우수하고 박형인 박막 트랜지스터형 액정 표시장치(Thin film transistor-liquid crystal display device)가 개발되었다.
액정 표시장치의 구동원리는 액정의 광학적 이방성과 분극성질을 이용한다. 액정은 구조가 가늘고 길기 때문에 분자의 배열에 방향성을 갖고 있으며, 인위적으로 액정에 전기장을 인가하여 분자배열의 방향을 제어할 수 있다.
따라서, 상기 액정의 분자배열 방향을 임의로 조절하면, 액정의 분자배열이 변하게 되고, 광학적 이방성에 의하여 상기 액정의 분자 배열 방향으로 빛이 굴절하여 화상정보를 표현할 수 있다.
일반적으로 액정 표시장치를 구성하는 기본적인 부품인 액정 패널의 구조를 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 액정 패널의 단면을 도시한 단면도이다.
액정 패널(20)은 여러 종류의 소자들이 형성된 두 장의 기판(2, 4)이 서로 대응되게 형성되어 있고, 상기 두 장의 기판(2, 4) 사이에 액정층(10)이 개재된 형태로 되어 있다.
상기 액정 패널(20)에는 색상을 표현하는 컬러필터가 형성된 상부 기판(4)과 상기 액정층(10)의 분자 배열방향을 변환시킬 수 있는 스위칭 회로가 내장된 하부 기판(2)으로 구성된다.
상기 상부 기판(4)에는 색을 구현하는 컬러필터층(8)과, 상기 컬러필터층(8)을 덮는 공통전극(12)이 형성되어 있다. 상기 공통전극(12)은 액정(10)에 전압을 인가하는 한쪽전극의 역할을 한다. 상기 하부 기판(2)은 스위칭 역할을 하는 박막 트랜지스터(S)와, 상기 박막 트랜지스터(S)로부터 신호를 인가받고 상기 액정(10)으로 전압을 인가하는 다른 한쪽의 전극역할을 하는 화소전극(14)으로 구성된다.
상기 화소전극(14)이 형성된 부분을 화소부(P)라고 한다.
그리고, 상기 상부 기판(4)과 하부 기판(2)의 사이에 주입되는 액정(10)의 누설을 방지하기 위해, 상기 상부 기판(4)과 하부 기판(2)의 가장자리에는 실런트(sealant : 6)로 봉인되어 있다.
액정의 전기/광학적 효과(electro optic effect)는 액정셀의 광학적 성질이 바뀜으로써, 전기적인 광변조가 생기는 현상을 말하며, 이들은 액정분자가 어떠한 배열상태에서 전기장 인가로 다른 배열상태로 바뀌는 것에 기인한다.
상기한 액정의 전기/광학적 효과를 이용하는 액정 표시장치에는 1) TN(twisted nematic) 효과에 의한 디스플레이, 2) 게스트 호스트(Guest Host ; GH) 효과에 의한 디스플레이, 3) 복굴절(Electrically Controlled Birefringence ; ECB)효과에 의한 디스플레이, 4) 강유전성(Ferroelectric Liquid Crystal ; FLC)효과에 의한 디스플레이 등이 있다.
상기한 액정의 여러 가지 전기/광학적 특성 중에서 현재 가장 널리쓰이는 네마틱 액정의 TN 효과에 의한 디스플레이의 원리를 살펴보면 다음과 같다.
상기 네마틱형 액정을 응용하는 디스플레이는 네마틱형 액정에 전기장 인가시 연속적으로 분자배열이 바뀌는 것에 착안하여 디스플레이를 배열한 TN(twisted nematic)형과, STN(super twisted nematic)형이 주로 사용된다.
상기 TN효과는 액정의 분자 길이 축의 전극면에 평행이 되도록 배향 처리한 두 매의 투명전극 상에 90O각도를 가지도록 셀을 구성하고, 여기에 네마틱형 액정을 주입하면 한쪽 전극으로부터 다른 한쪽의 전극면을 향하여 분자의 길이축 방향으로 연속적으로 90O 꼬인 배열 상태이다.
상기 STN효과는 TN효과에 비해 연속적으로 꼬이는 각도가 180 내지 360O인 형상을 말한다.
도 2a와 도 2b는 상기 TN효과를 이용한 디스플레이의 동작원리를 도시한 도면이다.
먼저, 전극면에 평행하게 배향처리한 두 장의 기판(20, 40) 사이에 네마틱액정(100)의 분자배열이 90O가 되도록 셀을 구성하여 트위스트(twist)배열 셀을 제작 한다.
상기 TN 배열 셀의 트위스트 피치(twist pitch)는 가시광의 파장에 비해 충분히 크기 때문에 양 기판(20, 40)에 수직으로 입사한 직선편광의 편광방향은 셀의 통과 중에 액정 분자(100)의 트위스트에 따라 90O만 회전하므로 검광판(60)을 통과하여 반사판(80)에 도달한다.
즉, 상기 TN 셀은 도 2a와 같이 평행 편광자 간에는 빛을 차단하고, 직교 편광자 간에는 빛을 통과시키는 기능을 갖고 있다.
한편, 편광판(60, 80)전극 사이에 인가전압을 상기 액정(100)의 문턱전압 이상으로 인가하면, 전극간의 중앙 부분으로부터 액정 분자의 장축으로 일정하게 전장 방향과 평행하게 상기 액정(100)이 재배열되며 90O의 선광성을 잃게 된다.
이 경우에는 도 2a의 경우와 반대로 평행 편광자 간에는 빛을 투과시키고, 직교 편광자 간에는 빛을 차단하는 상태가 된다. 상기와 같이 폭넓게 보급되어 있는 TN형 액정 디스플레이 장치의 동작원리를 이용하여 화상을 표현할 수 있는 것이다(도 2b).
상술한 바와 같이 TN 효과를 이용한 디스플레이는 그 구조가 간단하고, 광학적 특성도 우수하여 현재 가장 널리 쓰이는 일반적인 방식이다.
그러나, 최근 사용자들은 고정세, 대면적(약 20 인치 이상) 등의 고품위 액정 표시장치를 요구하고 있다.
상기와 같이 고정세, 대면적으로 디스플레이가 진행될수록 상기 TN 효과에 의한 디스플레이는 시야각 특성이 급격하게 저하되기 때문에 고품위 액정 표시장치에는 적합하지 않다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 대면적의 액정 표시장치에서 광시야각이 가능한 액정의 전기/광학적 특성이 연구/개발되었다. 즉, OCB(Optically Compensated Bend)모드가 그것인데 이하에서 자세히 설명한다.
전술한 바 있는 TN 효과를 사용하는 액정 표시장치는 시야각이 좁기 때문에 시야각을 넓히기 위한 다양한 방법으로 미국특허 제 5,410,422호 및 제 5,550,662호의 구부러짐(bend) 구조를 갖는 π셀(cell) 방식이 그 중 한 예이다.
상기한 π셀 방식의 셀은 동일한 방향으로 러빙된 배향막을 갖는 1, 2 기판에 액정이 배치되기 때문에, 1, 2 기판의 중심면에 대하여 액정분자들이 대칭으로 배열한다.
따라서, 1, 2 기판에 수직이면서 러빙방향에 평행한 면에 평행한 방향으로 입사되는 빛에 대해서는 시야각이 광학적으로 보상되어 시야각의 개선효과가 나타난다.
도 3a와 도 3b는 OCB모드로 동작하는 π셀의 단면을 도시한 단면도로서, 서로 마주보며 이격된 제 1, 2 기판(30, 40)과 제 1, 2 기판(30, 40)의 마주보는 면의 각 기판에는 제 1, 2 배향막(32, 42)이 형성되어 있다.
상기 제 1, 2 배향막(32, 42)은 서로 수평방향으로 배향처리된 배향막이며, 상기 제 1, 2 배향막(32, 42)의 사이에는 액정층(50)이 삽입되어 있다.
여기서, 도 3a에 도시된 바와 같이 제 1, 2 기판(30, 40)에 삽입 형성된 액 정층(50)은 제 1, 2 배향막(32, 42)이 서로 같은 방향으로 러빙되어 있기 때문에 그 중심방향에서 서로 대칭적으로 수평인 분자배열 상태를 유지하고 있다. 일반적으로 상기와 같은 상태를 스플레이(Splay) 상태라 한다.
도 3b는 도시되지는 않았지만 상기 제 1, 2 기판(30, 40)의 전극에 전압(이하, 리셋전압이라 칭함)을 인가할 때의 π셀의 액정의 분자배열상태를 도시한 도면으로, 상기 액정층(50)의 액정 분자들은 전기장의 인가방향에 대해 수직에 가깝게 재배열하게 된다.
즉, 스플레이 상태에서 액정을 구동하기 위해서는 리셋전압을 인가하여 액정을 재배열해야한다. 이 때, 리셋전압에 의해 재배열된 액정분자는 액정층(50)의 중심부분에서는 제 1, 2 기판에 대하여 수직에 가까운 배열을 하게 되고, 중심에서 멀어질수록 제 1, 2 기판의 배향력에 의해 수평방향으로 배열하게 된다. 일반적으로 상기와 같은 상태를 밴드(bend) 상태라 한다.
이후, 도시되지는 않았지만, 밴드상태로 재배열된 액정을 구동전압을 인가하여 구동시킴으로서 액정 표시장치는 구동하게 된다.
상술한 바와 같이 OCB모드로 동작하는 액정 표시장치의 기본적인 구조는 제 1, 2 기판에 각각 형성된 제 1, 2 배향막은 기본적으로 서로 동일한 방향의 수평배향처리된 배향막이 사용되며, 초기 스플레이 상태에서 액정을 구동하기 위해 밴드상태로의 전이를 시키기 위해 리셋전압을 인가해야 한다.
상기와 같은 OCB 모드의 액정 표시장치는 액정의 중심 방향에서 그 분자의 배열이 서로 대칭적으로 이루어지기 때문에 서로 상보적이어서, 하이브리드 배열된 네마틱모드에서 나타나는 잔상과 깜박임 등의 화질에 악영향을 미지는 현상이 나타나지 않으며, 좌우 시야각을 보상하는 효과가 있기 때문에 광시야각의 액정 표시장치로의 응용이 가능하다.
그러나, 상술한 OCB모드의 액정 표시장치는 π셀을 밴드상태로 전이시키기 위해 고전압의 리셋전압이 필요하게 된다.
또한, 일반적인 TFT-LCD에 상술한 OCB모드의 액정 구동방식을 적용하는 경우, 초기 스플레이 상태에서 밴드상태로의 전이가 늦어지는 단점이 있다. 특히, 상기와 같은 밴드상태로의 전이는 수십초 내지 수분이상 소요된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 일반적인 TFT-LCD에 OCB 모드의 액정 구동 방식을 적용한 액정 표시장치에 있어서, 밴드상태로의 전이가 빠른 액정 표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 서로 마주보며 이격되어 배치된 제 1, 2 기판과; 상기 마주보는 면의 각 제 1, 2 기판에 형성되고, 서로 동일한 방향으로 수평 배향된 제 1, 2 배향막과; 상기 제 1, 2 배향막 사이에 형성되며 직류전압 인가에 의해 제 1 상태에서 제 2 상태로 상태전이를 하는 것을 특징으로 하는 액정층과; 상기 제 1, 2 기판의 마주보는 쪽에 각각 형성된 공통전극 및 화소전극과; 상기 제 1 기판에 형성되고, 상기 화소전극에 신호를 인가하는 박막 트랜지스터와; 상기 공통전극에 구동 전압을 인가하는 공통전극 구동회로와; 상기 공통전극에 상기 액정층의 상태전이를 위한 상기 직류전압을 인가하는 직류전원과; 상기 공통전극에 인가되는 상기 구동전압 및 상기 직류전압을 선택적으로 스위칭 하는 스위치를 포함하며, 상기 액정층이 제 1 상태에서 제 2 상태로 전이되도록 상기 공통전극에 직류전압을 인가하고, 상기 액정층이 제 2 상태로 전이된 후에는 계속적으로 상기 공통전극에 구동전압을 인가하는 것이 특징인 OCB모드 액정 표시장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 서로 마주보는 쪽에 동일한 방향으로 수평 배향된 제 1, 2 배향막과, 공통전극 및 화소전극이 서로 마주하도록 각각 형성된 1, 2 기판과; 상기 제 1 기판에 형성되고, 상기 화소전극에 신호를 인가하는 박막 트랜지스터와; 상기 1, 2 기판 사이에 충진되며, 전기장 인가에 따라 다수의 배열상태를 갖는 액정과; 상기 공통전극에 구동전압을 인가하는 공통전극 구동회로를 포함하는 OCB(optically compensated bend)모드 액정 표시장치의 구동방법으로서, 상기 액정 표시장치의 구동 초기에 상기 구동전압보다 높은 직류전압을 상기 공통전극에 인가하는 단계와; 상기 직류전압을 인가하여 소정시간 후 상기 공통전극에 계속적으로 상기 구동전압을 인가하는 단계를 포함하는 OCB모드 액정 표시장치의 구동방법을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 액정 표시장치의 등가회로를 도시한 도면으로, 게이트 배선(150)과, 데이터 배선(160)이 위치하고 있으며, 상기 게이트 및 데이터 배선(150, 160)에서 신호를 인가받는 박막 트랜지스터(170)가 형성된다.
상기 박막 트랜지스터(170)는 상기 각 배선(150, 160)에서 신호를 인가받는 소스 및 게이트 전극(미도시)과 화소전극(미도시)으로 신호를 인가하는 드레인 전극으로 구성된다.
또한, 상기 박막 트랜지스터(170)에 인가된 신호에 의해 재배열을 하는 액정층이 상기 드레인 전극 또는 화소전극과 공통전극(200)과 함께 액정 캐패시터(CLC ; 180)를 구성한다.
또한, 상기 화소전극은 전단 게이트 배선(150')과 함께 상기 액정층을 유전물질로 하여 스토리지 캐패시터(CST ; 190)를 형성한다.
여기서, 상기 액정 캐패시터(180)를 구성하는 공통전극(200)은 외부의 공통전극 구동회로(214)와 연결되어 상기 공통전극 구동회로(214)로부터 신호를 인가받아 구동하게 된다.
상기한 내용이 일반적인 액정 표시장치의 등가회로이고, 본 발명에서는 액정을 스플레이 상태에서 밴드상태로의 전이가 원활하게 이루어질 수 있도록 직류전원(116)과 스위칭이 가능하도록 추가적으로 스위치(212 ; 이하, 밴드 스위치라 칭함)를 장착한다.
여기서, 상기 밴드 스위치(212)는 공통전극 구동회로(214)와도 스위칭이 가능하다.
본 발명에서는 도 4에 도시된 도면에서와 같이, 공통전극(200)에 밴드 스위치(212)를 부착하여, 상기 액정 표시장치의 구동초기 π셀의 스플레이 상태의 액정 분자의 배열을 상기 직류전원(116)을 통해 상기 공통전극(200)에 리셋전압을 인가하여 밴드상태로 액정을 전이시킨 후, 상기 밴드 스위치(212)를 공통전극 구동회로(214)와 접촉시켜 정상적인 공통전극의 신호가 상기 공통전극(200)에 인가 되도록 한다.
즉, 다시 설명하면, 본 발명에 따른 OCB 모드의 액정 표시장치에서는 밴드 스위치(212)를 공통전극 구동회로(214)와 공통전극(200)의 중간에 채용함으로서, 공통전극(200)에 인가되는 전압을 조절한다.
π셀의 구동초기 밴드상태를 형성하기 위해 밴드스위치(212)를 직류전원(116)과 접촉시킴으로서 직류전원(116)의 고전압(약 10V)을 공통전극(200)에 인가하여 스플레이 상태의 π셀을 밴드상태로 전이시키고, 이후, 밴드 스위치(212)를 공통전극 구동회로(214)에 접촉시킴으로서, 정상적인 구동신호가 공통전극(200)에 인가되도록 하여 OCB모드의 액정 표시장치를 구동하게 되는 것이다.
한편, 스플레이 상태에서 밴드상태로의 전이는 사용자의 입장에서 액정 표시장치에 표시되는 색으로 확인할 수 있다.
즉, 스플레이 상태와 밴드상태는 각각 액정의 배열상태가 다르므로, 이를 통과하는 빛의 광학적 특성이 다르기 때문에 액정의 굴절률의 차이에 의해 각각의 상태(스플레이, 밴드)에 해당하는 색이 다르게 표시된다.
또한, 상기 밴드스위치는 자동으로 작동하게 되는데, 스플레이 상태에서 밴드상태로의 전이되는 시간을 미리 지정하여, 액정 표시장치의 구동초기에는 직유전원에 의한 고전압이 공통전극에 인가되도록 하고, 일정 시간이 지나면 자동으로 상기 밴드스위치가 작동하여 공통전극 구동신호가 인가되도록 상기 공동전극 구동회로와 연결된다.
스플레이 상태에서 밴드상태로의 전이시간은 리셋전압의 크기에 따라 좌우되 며, 예를 들어 리셋전압이 약 10 V 정도이면, 전이시간은 약 10초 미만으로 설정하게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 OCB모드의 액정 표시장치는 π셀을 밴드상태로 전이시키는 리셋전압을 별도의 밴드 스위치를 통해 고전압을 공통전극에 인가시킴으로서, 스플레이 상태에서 밴드상태로의 전이가 빠른 시간에 이루어지는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 OCB(Optically Compensated Bend)모드로 동작하는 액정 표시장치를 제작하는 경우, 스플레이 상태에서 밴드상태로의 전이가 빠른 장점이 있다.
또한, 일반적인 액정 표시장치에 OCB 구동 방식을 채용함으로서, 시야각이 우수한 액정 표시장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 서로 마주보며 이격되어 배치된 제 1, 2 기판과;
    상기 마주보는 면의 각 제 1, 2 기판에 형성되고, 서로 동일한 방향으로 수평 배향된 제 1, 2 배향막과;
    상기 제 1, 2 배향막 사이에 형성되며 직류전압 인가에 의해 제 1 상태에서 제 2 상태로 상태전이를 하는 것을 특징으로 하는 액정층과;
    상기 제 1, 2 기판의 마주보는 쪽에 각각 형성된 공통전극 및 화소전극과;
    상기 제 1 기판에 형성되고, 상기 화소전극에 신호를 인가하는 박막 트랜지스터와;
    상기 공통전극에 구동 전압을 인가하는 공통전극 구동회로와;
    상기 공통전극에 상기 액정층의 상태전이를 위한 상기 직류전압을 인가하는 직류전원과;
    상기 공통전극에 인가되는 상기 구동전압 및 상기 직류전압을 선택적으로 스위칭 하는 스위치
    를 포함하며, 상기 액정층이 제 1 상태에서 제 2 상태로 전이되도록 상기 공통전극에 직류전압을 인가하고, 상기 액정층이 제 2 상태로 전이된 후에는 계속적으로 상기 공통전극에 구동전압을 인가하는 것이 특징인 OCB모드 액정 표시장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 직류전압은 10V인 OCB모드 액정 표시장치.
  3. 서로 마주보는 쪽에 동일한 방향으로 수평 배향된 제 1, 2 배향막과, 공통전극 및 화소전극이 서로 마주하도록 각각 형성된 1, 2 기판과;
    상기 제 1 기판에 형성되고, 상기 화소전극에 신호를 인가하는 박막 트랜지스터와;
    상기 1, 2 기판 사이에 충진되며, 전기장 인가에 따라 다수의 배열상태를 갖는 액정과;
    상기 공통전극에 구동전압을 인가하는 공통전극 구동회로를 포함하는 OCB(optically compensated bend)모드 액정 표시장치의 구동방법으로서,
    상기 액정 표시장치의 구동 초기에 상기 구동전압보다 높은 직류전압을 상기 공통전극에 인가하는 단계와;
    상기 직류전압을 인가하여 소정시간 후 상기 공통전극에 계속적으로 상기 구동전압을 인가하는 단계
    를 포함하는 OCB모드 액정 표시장치의 구동방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 소정시간은 상기 직류전압에 의해 상기 구동초기 액정의 제 1 상태에서 액정의 제 2 상태로 전이하는 시간에 의해 결정되는 OCB모드 액정 표시장치의 구동방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전이시간은 10초 이내인 OCB모드 액정 표시장치 구동방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 액정의 제 1 상태는 스플레이 상태이고, 상기 액정의 제 2 상태는 벤드상태인 OCB모드 액정 표시장치의 구동방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 직류전압은 10V인 OCB모드 액정 표시장치의 구동방법.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 공통전극에 상기 직류전압과 상기 구동전압의 선택적인 인가는 스위치에 의해 이루어지는 OCB모드 액정 표시장치의 구동방법.
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