KR100683134B1 - 프린지 필드 구동 액정 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 응답 시간을 개선할 수 있는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치를 개시한다. 개시된 본 발명은, 소정거리를 두고 대향하는 상하부 기판, 상기 상하부 기판 사이에 개재되며, 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층, 상기 하부 기판의 내측에 형성되는 투명한 카운터 전극, 상기 하부 기판의 내측에 형성되며, 상기 카운터 전극과 함께 프린지 필드를 형성하여 액정 분자를 동작시키는 투명한 화소 전극 및 상기 상하부 기판과 액정층 사이에 각각 개재되며 소정의 러빙각을 갖는 수평 배향막을 포함하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치로서, 상기 상하부 기판 사이의 거리는 1 내지 5㎛이고, 상기 액정층은 회전 점도가 90 내지 100mPas인 유전율 이방성이 양의 액정을 사용하고, 상기 수평 배향막의 러빙축은 상기 프린지 필드와 40 내지 80°의 각을 이루는 것을 특징으로 한다.
FFS, 응답 시간, 회전 점도, 러빙각

Description

프린지 필드 구동 액정 표시 장치{FRINGE FIELD SWITCHING LCD}
도 1은 일반적인 프린지 필드 구동 액정 표시 장치의 단면도.
도 2는 셀갭 및 액정층의 회전 점도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프.
도 3a는 라이징(rising)시 러빙 각도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프.
도 3b는 폴링(falling)시 러빙 각도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프.
도 3c는 전체적인 러빙 각도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프.
도 4a는 빗살형을 갖는 카운터 전극 및 화소 전극을 나타낸 평면도.
도 4b는 플레이트형을 갖는 카운터 전극 및 빗살형을 갖는 화소 전극을 나타낸 평면도.
도 5a는 도 4a와 같이 카운터 전극 및 화소 전극을 구성하였을때 전극의 간격 및 폭에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프.
도 5b는 도 4b와 같이 카운터 전극 및 화소 전극을 구성하였을때, 전극의 간격 및 폭에 대한 응답 시간을 나타낸 그래프.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 하부 기판 3,200,300: 카운터 전극
4 : 게이트 절연막 5,100: 화소 전극
6,14 : 수평 배향막 10 : 상부 기판
12 : 컬러 필터
본 발명은 응답 시간이 개선된 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 응답 시간이 개선된 프린지 필드 구동 액정 표시 장치에 관한 것이다.
일반적으로 IPS(in-plane switching) 모드 액정 표시 장치는 TN(twisted nematic) 모드의 낮은 시야각 특성을 보완하기 위하여 일본국 히다찌사에서 제안되었다. 이러한 IPS 모드 액정 표시 장치는 다음과 같은 구성을 갖는다. 상하 기판은 소정 거리를 두고 대향되고, 상하 기판 사이에 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층이 개재된다. 액정 분자를 구동시키는 불투명 화소 전극과 카운터 전극은 모두 예를들어 하부 기판에 형성되고, 이들 화소 전극과 카운터 전극은 평행한 전계가 형성되도록 상하 기판의 간격보다 더 큰 간격으로 이격된다. 아울러, 화소 전극과 카운터 전극은 일정한 전계의 세기를 확보하기 위하여, 비교적 큰 폭을 갖는다. 또한, 상하부 기판과 액정층 사이에는 수평 배향막이 각각 개재된다.
이러한 IPS 모드 액정 표시 장치는 액정 분자들이 기판면에 누워있는 상태로 배열되므로 시야각이 우수하다는 장점이 있으나, 액정 분자들이 누워있는채로 움직이므로 응답 시간이 매우 느리다는 단점이 있다. 이와같은 IPS 모드 액정 표시 장치의 응답 시간을 개선하기 위하여, 종래에는 상하 기판간의 거리를 낮추고, 화소 전극과 카운터 전극간의 간격을 줄이는 기술이 제안되었다. 그러나, 상하 기판간의 거리를 낮추게 되면, 가시적으로는 응답 시간 특성이 개선되지만, 구동 전압이 상승한다는 문제점이 있다. 또한, 화소 전극과 카운터 전극간의 간격을 감소시키게 되면, 화소 전극 및 카운터 전극이 불투명 금속막으로 형성되어 있는 관계로 개구율이 크게 저하된다는 문제점이 있다. 아울러, IPS 모드 액정 표시 장치의 화소 전극 및 카운터 전극은 모두 불투명 금속막으로 형성되면서 비교적 큰 폭을 지니므로, 개구율 및 투과율이 매우 낮다.
따라서, 종래에는 IPS 모드 액정 표시 장치의 낮은 개구율 및 투과율 특성을 개선시키기 위하여 프린지 필드 구동 액정 표시 장치가 본 출원인들에 의하여 제안되었으며, 이에 대하여 대한민국 특허출원 제98-9243호로 출원된 바 있다.
이러한 프린지 필드 구동 액정 표시 장치는 카운터 전극과 화소 전극을 투명 전도체로 형성하면서, 카운터 전극과 화소 전극과의 간격을 상하 기판 사이의 간격보다 좁게 형성하여, 카운터 전극과 화소 전극 상부에 프린지 필드(fringe field)가 형성되도록 한다.
이러한 일반적인 프린지 필드 구동 액정 표시 장치가 도 1에 도시되어 있다.
도 1를 참조하여, 하부 기판(1)과 상부 기판(10)은 소정 거리(d: 이하 셀갭)를 두고 대향되어 있다. 여기서, 하부 기판(1)과 상부 기판(10)의 이격된 거리를 이하 셀갭(d)이라 칭한다. 하부 기판(1)과 상부 기판(10) 사이에는 액정층(15)이 개재되어 있다.
하부 기판(1) 상에는 도면에 도시되지 않았지만, 게이트 버스 라인 및 데이타 버스 라인이 교차 배열되어, 단위 화소를 한정하고, 게이트 버스 라인과 데이타 버스 라인의 교차점 부근에는 능동 구동을 위한 박막 트랜지스터가 배치된다. 하부 기판(1)의 단위 화소 내에는 카운터 전극(3)이 형성된다. 카운터 전극(3)은 투명한 ITO(indium tin oxide)층으로 형성되며, 빗살 형태 또는 플레이트 형태로 형성된다. 카운터 전극(3)이 형성된 하부 기판(1) 상부엔 게이트 절연막(4)이 형성된다. 게이트 절연막(4) 상부에 화소 전극(5)은 카운터 전극(3)과 오버랩되도록 빗살 형태로 형성된다. 이때, 카운터 전극(3)과 화소 전극(5)의 간격(l) 즉, 카운터 전극(3)이 플레이트 형태로 형성되는 경우는, 게이트 절연막(4)의 두께는 셀갭(d)보다 좁다. 아울러, 하부 기판(1)의 결과물 표면에는 액정 분자의 초기 배열을 제어하기 위한 수평 배향막(6)이 형성된다. 이때, 수평 배향막(6)은 소정 방향으로의 러빙축을 가지며, 소정의 프리틸트각을 갖는다.
한편, 하부 기판(1)과 대응되는 상부 기판(10)의 대향면에는 컬러 필터(12)가 형성된다. 컬러 필터(12) 표면에도 역시, 액정 분자의 초기 배열을 제어하기 위한 수평 배향막(14)이 형성된다. 이때, 상부 기판의 수평 배향막(14) 역시 소정각의 프리틸트각을 가지며, 하부 기판의 수평 배향막(6)의 러빙축과 180°만큼의 각을 이루는 러빙축을 갖는다.
이러한 구성을 갖는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치는 다음과 같이 동작된다.
카운터 전극(3)과 화소 전극(5) 사이에 전압차가 발생되면, 카운터 전극(3)과 화소 전극(5) 사이의 간격이 셀갭(d)보다 좁기 때문에, 프린지 필드가 형성된다. 이때, 화소 전극(5) 및 화소 전극(5) 사이의 공간을 통하여 오픈되어진 카운터 전극(3)의 폭은 충분히 미세하므로, 프린지 필드가 카운터 전극(11)과 화소 전극(13)상부에 모두 미치게 되어, 단위 화소내에 있는 액정 분자들이 대부분 동작된다. 이에따라, 투과율 및 개구율이 향상된다.
그러나, 이러한 프린지 필드 구동 액정 표시 장치 역시, 액정 분자들이 수평 배향막에 의하여 누워있는 채로 동작하기 때문에, 동화상에 적용할 정도로 응답 시간이 우수하지는 않다.
더욱이, 프린지 필드 구동 액정 표시 장치는 현재 개발 단계이므로, 각 변수들은 IPS 모드 액정 표시 장치의 데이타에 의존하고 있어, 어떠한 값을 취할때 최적화된 응답 시간을 얻을 수 있는지가 정확히 분석되지 않고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 응답 시간을 개선할 수 있는 최적의 조건들을 구비한 프린지 필드 구동 액정 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
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상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 소정거리를 두고 대향하는 상하부 기판, 상기 상하부 기판 사이에 개재되며, 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층, 상기 하부 기판의 내측에 형성되는 투명한 카운터 전극, 상기 하부 기판의 내측에 형성되며, 상기 카운터 전극과 함께 프린지 필드를 형성하여 액정 분자를 동작시키는 투명한 화소 전극 및 상기 상하부 기판과 액정층 사이에 각각 개재되며 소정의 러빙각을 갖는 수평 배향막을 포함하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치로서, 상기 상하부 기판 사이의 거리는 1 내지 5㎛이고, 상기 액정층은 회전 점도가 90 내지 100mPas인 유전율 이방성이 양의 액정을 사용하고, 상기 수평 배향막의 러빙축은 상기 프린지 필드와 40 내지 80°의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 프린지 필드 구동 액정 표시 장치에 있어서, 셀갭은 좁게 설정하고, 액정층은 회전 점도가 낮은 물질을 사용하며, 배향막은 러빙각이 크도록 러빙하며, 구동 전극의 선폭 및 간격은 좁게 설정한다. 이에따라, 최적의 응답 시 간을 얻을 수 있다.
또한, 프린지 필드 구동 액정 표시 장치의 화소 전극 및 카운터 전극은 그 재질이 투명한 물질로 형성되므로, 간격을 미세하게 설계하여도 개구율에 영향을 미치지 않는다. 아울러, 화소 전극 및 카운터 전극간의 간격이 미세해짐에 따라 저전압 구동이 가능해진다.
(실시예)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
첨부한 도면 도 2는 셀갭 및 액정층의 회전 점도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프이고, 도 3a는 라이징(rising)시 러빙 각도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프이고, 도 3b는 폴링(falling)시 러빙 각도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프이며, 도 3c는 전체적인 러빙 각도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 4a는 빗살형을 갖는 카운터 전극 및 화소 전극을 나타낸 평면도이고, 도 4b는 플레이트형을 갖는 카운터 전극 및 빗살형을 갖는 화소 전극을 나타낸 평면도이다. 도 5a는 도 4a와 같이 카운터 전극 및 화소 전극을 구성하였을때 전극의 간격 및 폭에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 도 4b와 같이 카운터 전극 및 화소 전극을 구성하였을때, 전극의 간격 및 폭에 대한 응답 시간을 나타낸 그래프이다.
일반적인 프린지 필드 구동 액정 표시 장치의 응답 시간은 다음의 식으로 정의된다.
τoff∝ (γ×d2/π2×K22)---(식 1)
τon = f(d,γ,전계 강도, W,l)----(식 2)
τoff : 액정 분자가 온 상태에서 오프 상태로 복귀하는데 걸리는 시간(폴링 시간 : falling time)
τon : 액정 분자가 오프 상태에 온 상태로 회전하는데 걸리는 시간(라이징 시간: rising time)
γ: 액정층의 회전 점도
d : 셀갭
K22 : 액정층의 회전 탄성 계수
W : 카운터 전극 또는 화소 전극의 선폭
l : 카운터 전극과 화소 전극간의 거리
상기 식 1 및 식 2에서와 같이, 응답 시간은 라이징 시간과 폴링 시간으로 나뉘며, 폴링 시간은 액정층의 회전 점도 및 셀갭과는 비례하고, 탄성 계수와는 반비례한다. 한편, 라이징 시간은 셀갭, 회전 점도, 전계 강도, 카운터 전극 또는 화소 전극의 선폭 및 카운터 전극과 화소 전극간의 거리의 함수로서, 이들 변수에 따라 그 값이 라이징 시간을 줄일 수 있다.
이하 각각의 실험을 통하여, 각각의 변수와 응답 시간과의 관계를 살펴보도록 한다.
(셀갭 및 액정층의 회전 점도와 응답 시간과의 관계)
도 2는 셀갭 및 액정층의 회전 점도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프를 나타낸다. 여기서, 상하 기판간의 셀갭을 3.4㎛에서 4.2㎛까지 변화시켰고, 회전 속도는 60 내지 160mPas까지 변화시켰다. 그 결과, 도 2에 도시된 바와 같이, 셀갭은 전 대역(3.4㎛∼4.2㎛)에서 30ms 이하의 응답 시간을 나타내었다. 아울러, 시뮬레이션 결과, 셀갭은 1 내지 5㎛으로 설정하면, 고속 응답을 실현할 수 있음을 알수 있다.
한편, 회전 점도에 따른 응답 시간을 살펴보면, 회전 점도는 그 양이 증대될수록 응답 시간이 저하되었으며, 유전율 이방성이 양의 액정을 사용하는 경우, 그 회전 점도가 100mPas 이하에서 40 ms 이하의 응답 시간을 얻을 수 있었다. 바람직하게는 회전 점도가 90 내지 100mPas인 액정을 사용하면서, 셀갭을 3.5㎛ 이하로 설정하면, 동화상 실현이 가능한 30ms의 고속 응답을 실현할 수 있다. 여기서, 유전율 이방성이 음인 액정의 회전 점도는 도시되지 않았지만, 유전율 이방성이 음인 액정을 사용할 경우에는 회전 점도가 약 140 내지 170mPas인 물질을 사용함이 바람직하다. 하지만, 액정층 자체적인 성질을 비교하여 볼때, 유전율 이방성이 양인 물질을 사용하는 편이 응답 시간에 유리하다.
(러빙 각도에 대한 응답 시간과의 관계)
또한, 도 3a는 라이징(rising)시 러빙 각도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프이고, 도 3b는 폴링(falling)시 러빙 각도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프이며, 도 3c는 전체적인 러빙 각도에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프이다.
본 실험은 셀갭이 3.85㎛이고, 회전 점도가 135mPas인 액정층을 사용하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치에서, 배향막의 러빙축과 프린지 필드가 이루는 각(이하, 러빙각)을 7°, 12°, 45°로 변화시켜가면서 응답 시간을 측정하였다. 그 결과, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 라이징 및 폴링 시간 모두 각 계조(L0∼L7)에 대하여, 러빙각이 큰 경우, 응답 시간이 빠르게 나타났다. 여기서, 계조 L0은 가장 어두운 상태를 나타내고, L7은 가장 밝은 상태를 나타나며, L1 내지 L6는 L0 내기 L7 사이의 중간 계조를 나타낸다.
아울러, IPS 모드 액정 표시 장치의 응답 시간(*로 표시됨)은 러빙각을 크게 설정하여도, 7 내지 12°사이의 러빙각을 갖는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치의 응답 시간에 밖에 미치지 않는다.
본 실험의 결과, 프린지 필드 액정 표시 장치는, 러빙각이 비교적 클때, 예를들어 40 내지 80°일때, 빠른 응답 시간을 얻을 수 있었다.
(카운터 전극 및 화소 전극의 선폭 및 간격에 대한 응답 시간과의 관계)
도 4a는 빗살형을 갖는 카운터 전극 및 화소 전극을 나타낸 평면도이고, 도 4b는 플레이트형을 갖는 카운터 전극 및 빗살형을 갖는 화소 전극을 나타낸 평면도이다. 도 5a는 도 4a와 같이 카운터 전극 및 화소 전극을 구성하였을때 전극의 간격 및 폭에 따른 응답 시간을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 도 4b와 같이 카운터 전극 및 화소 전극을 구성하였을때, 전극의 간격 및 폭에 대한 응답 시간을 나타낸 그래프이다.
먼저, 일반적인 프린지 필드 구동 액정 표시 장치는 도 4a에 도시된 바와 같 이 화소 전극(100) 및 카운터 전극(200)이 콤(comb) 형태로 형성되는 타입(이하, 콤 타입)과, 도 4b에서와 같이 카운터 전극(300)은 플레이트 형상으로 형성되고, 화소 전극(100)은 콤 형태로 형성되는 타입(이하, 플레이트 타입)이 있다.
이때, 각 타입의 별로 변수 및 그에 따른 응답 시간이 다르게 나타나고, 먼저, 콤 타입에 대하여 설명한다.
우선, 도 5a에 도시된 바와 같이, 화소 전극(100) 및 카운터 전극(200) 빗살(100a, 200a)의 선폭(Wc,p)을 3, 4, 5㎛로 각각 변화시키고, 화소 전극(100)의 빗살(100a) 및 카운터 전극(200)의 빗살(200a)간의 간격(ls)을 1, 2, 3㎛로 각각 변화시키면서, 응답 시간을 측정하였다. 그 결과, 빗살(100a,200a)의 선폭(Wc,p) 및 간격(ls)이 미세할수록 응답 시간이 개선되었음을 알 수 있다. 바람직하게는, 빗살간의 간격에 대한 빗살의 선폭(Wc,p/ls)이 1/7 내지 7 범위일때 최단 응답 시간을 얻을 수 있다.
또한, 도 5b와 같이, 플레이트 타입은, 화소 전극 빗살(100a)의 선폭(Wp)을 3, 4, 5㎛로 변화시키고, 화소 전극의 빗살(100a)간의 간격을 2 에서 7㎛까지 변화시키면서, 응답 시간을 측정하였다. 그 결과, 플레이트 타입 역시, 화소 전극의 빗살 폭이 미세하면서, 그 간격이 미세할수록 응답 시간이 개선되고, 바람직하게는, 화소 전극의 빗살 간격에 대한 화소 전극의 선폭(Wp/lss)이 1/7 내지 7의 범위에 있을때, 최단 응답 시간을 얻을 수 있다.
상기한 실험 결과에 의하면, 프린지 필드 액정 표시 장치는 셀갭이 5㎛ 이하이고, 회전 점도가 90 내지 100mPas(양인 경우) 정도이면서, 러빙각은 비교적 크게 하고, 전극의 폭 및 간격을 미세하게 설정할때 응답 시간이 개선됨을 알 수 있다.
또한, 프린지 필드 구동 액정 표시 장치의 화소 전극 및 카운터 전극은 그 재질이 투명한 물질로 형성되므로, 간격을 미세하게 설계하여도 개구율에 영향을 미치지 않는다. 아울러, 화소 전극 및 카운터 전극간의 간격이 미세해짐에 따라 저전압 구동이 가능해진다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 프린지 필드 구동 액정 표시 장치에 있어서, 셀갭은 좁게 설정하고, 액정층은 회전 점도가 낮은 물질을 사용하며, 배향막은 러빙각이 크도록 러빙하며, 구동 전극의 선폭 및 간격은 좁게 설정한다. 이에따라, 최적의 응답 시간을 얻을 수 있다.
또한, 프린지 필드 구동 액정 표시 장치의 화소 전극 및 카운터 전극은 그 재질이 투명한 물질로 형성되므로, 간격을 미세하게 설계하여도 개구율에 영향을 미치지 않는다. 아울러, 화소 전극 및 카운터 전극간의 간격이 미세해짐에 따라 저전압 구동이 가능해진다.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

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  14. 소정거리를 두고 대향하는 상하부 기판, 상기 상하부 기판 사이에 개재되며, 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층, 상기 하부 기판의 내측에 형성되는 투명한 카운터 전극, 상기 하부 기판의 내측에 형성되며, 상기 카운터 전극과 함께 프린지 필드를 형성하여 액정 분자를 동작시키는 투명한 화소 전극 및 상기 상하부 기판과 액정층 사이에 각각 개재되며 소정의 러빙각을 갖는 수평 배향막을 포함하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치로서,
    상기 상하부 기판 사이의 거리는 1 내지 5㎛이고,
    상기 액정층은 회전 점도가 90 내지 100mPas인 유전율 이방성이 양의 액정을 사용하고,
    상기 수평 배향막의 러빙축은 상기 프린지 필드와 40 내지 80°의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 카운터 전극 및 화소 전극이 모두 콤 형태로 형성되는 경우, 카운터 전극 및 화소 전극의 빗살간의 간격에 대한 빗살의 선폭은 1/7 내지 7 인 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 카운터 전극은 플레이트 형태로 형성되고, 화소 전극이 콤 형태로 형성되는 경우, 화소 전극의 빗살 간격에 대한 화소 전극의 선폭은 1/7 내지 7인 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치.
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