KR100725218B1 - 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 응용성을 증대 또는 극대화할 수 있는 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 구동방법에 대하여 개시한다. 그의 액정표시장치는 소정 간격을 두고 서로 대향하는 복수개의 기판사이에서 상기 기판과 평행한 방향의 수평 전기장을 인가하여 액정 방향자가 수평으로 배열되는 스플레이 상태와, 상기 스플레이 상태의 액정 방향자에 소정의 제 1 수직 전기장을 인가하여 상기 복수개의 기판사이의 중심에서 상기 액정 방향자가 제한되어 수직으로 배열되는 밴드 상태로 만든 후 상기 제 1 수직 전기장을 제거하여 상기 복수개의 기판 표면으로부터 이격 될수록 상기 액정 방향자의 방위각이 점진적으로 변화되는 트위스트 상태를 갖도록 제어되는 메모리 모드; 및 상기 밴드 상태의 액정 방향자에 상기 제 1 수직 전기장에 비해 높은 제 2 수직 전기장을 인가하여 상기 액정 방향자가 상기 복수개의 기판을 향해 배열되는 수직배향 상태를 갖도록 제어되는 다이나믹 모드를 갖는 네마틱 액정을 포함함에 의해 메모리 모드와 다이나믹 모드를 동시에 구현할 수 있기 때문에 응용성을 향상시킬 수 있다.

다이나믹(dynamic), 메모리(memory), 듀얼 모드((dual mode)

Description

듀얼모드 액정표시장치 및 그의 구동방법{Dual Mode Liquid Crystal Display Device and Method for Driving the same}

도 1은 종래 기술에 따른 액정표시장치의 단면을 개략적으로 나타낸 구성 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 단면을 개략적으로 나타낸 구성 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 구동원리를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 듀얼 모드 액정표시장치를 메모리 모드로 동작시키기 위한 수직 및 수평 구동 펄스를 나타낸 그래프이다.

도 5는 도 4의 수직 및 수평 구동 펄스의 인가 시간에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치를 구동하기 위한 수직 구동 펄스를 이용한 실험 결과 및 프로그램 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.

도 7은 수직배향 상태에서 180도 트위스트 상태로 돌아가는 동안에 네마틱 액정의 유동 속도를 계산하여 나타낸 그래프이다.

도 8은 적절한 수직 전기장을 인가하여 네마틱 액정의 유동속도를 조절하여 수직배향 상태와 밴드 상태간의 전이를 이용하여 다이나믹 모드에 적용시킨 전기광학특성의 실험결과를 나타낸 그래프이다.

＊도면의 부호에 대한 설명＊

50 : 상부 기판 52 : 하부 기판

54 : 제 1 투명 전극 56 : 제 1 배향막

58 : 제 2 투명 전극 60 : 절연막

62 : 제 3 투명 전극 64 : 제 2 배향막

66 : 네마틱 액정 70 : 수직 구동펄스

72 : 수평 구동펄스

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 메모리 모드와 다이나믹 모드가 동시에 구현되는 네마틱 액정을 구비한 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 구동방법에 에 관한 것이다.

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 액정표시장치(Thin film transistor-liquid crystal display device)가 개발되었다.

액정표시장치의 구동원리는 액정의 광학적 이방성과 분극을 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 분자배열 방향으로 빛이 굴절하여 화상정보를 표현할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 액정표시장치를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 따른 액정표시장치의 단면을 개략적으로 나타낸 구성 단면도로서, 종래의 액정표시장치에 있어서, 액정 패널(20)은 크게 여러 종류의 소자들이 형성된 복수개의 기판(2, 4)이 서로 대응되게 형성되어 있고, 상기 복수개의 기판(2, 4) 사이에 액정층(10)이 개재된 형태로 되어 있다.

여기서, 상기 복수개의 기판(2, 4)은 각각 색상을 표현하는 컬러필터층(8)이 형성된 상부 기판(4)과 상기 액정층(10)의 분자배열방향을 변환시킬 수 있는 스위칭 회로가 내장된 하부 기판(2)으로 나누어진다.

또한, 상기 상부 기판(4)에는 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 인가 받고 상기 액정(10)으로 수직 전기장을 인가하는 다른 한쪽의 전극역할을 하는 화소전극(14)으로 구성된다. 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.

한편, 상술한 바와 같이 디스플레이 분야에서 가장 많이 응용되는 액정의 종류는 네마틱(nematic)형, 스메틱(smectic)형, 콜레스테릭(cholesteric)형 등이 있고, 이들 각 액정 중에서, 배열이 흐트러져 있을 때, 빛을 가장 강하게 산란시키는 성질을 갖고 있는 네마틱형 액정이 디스플레이분야에서 가장 많은 응용범위를 갖고 있다. 이때, 상기 네마틱 액정으로 빛이 진행할 경우 진행 빛은 분자축 방향으로 편향된다.

상기와 같이 디스플레이 분야에서 응용되는 액정은 다음과 같은 조건이 필요하다. 먼저, 저온에서 고온까지의 온도범위에서 액정 상을 보이고, 폭넓은 온도범위영역에서 사용할 수 있어야 한다. 또한, 화학적 안정성과 광학적 안정성이 뛰어나고, 수명이 길고, 점도가 낮고, 응답속도가 빨라야 한다. 그리고, 액정분자배열의 질서도가 높고, 표시콘트라스트(contrast)의 증대가 적절해야 한다. 마지막으로, 유전이방성이 크고, 저전압동작에 적절한 것과 같은 조건이 만족되는 액정이 디스플레이분야에서 사용 가능한 액정이 될 수 있다.

액정의 전기/광학적효과(electro optic effect)는 액정셀의 광학적 성질이 바뀜으로써, 전기적인 광변조가 생기는 현상을 말하며, 이들은 액정분자가 어떠한 배열상태에서 전기장 인가로 다른 배열상태로 바뀌는 것에 기인한다.

현재 디스플레이에 적용되는 액정 중 전술한 바 있는 네마틱형 액정이 가장 일반적이다. 상기 네마틱형 액정을 응용하는 디스플레이는 상기 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 90도 각도를 가지도록 셀을 구성하고, 여기에 네마틱형 액정을 주입하면 한쪽 전극으로부터 다른 한쪽의 전극면을 향하여 분자의 길이축 방향으로 연속적으로 90도 꼬인 배열 상태이다. 상기 STN효과는 TN효과에 비해 연속적으로 꼬이는 각도를 말한다.

따라서, 종래 기술에 따른 액정표시장치는 상기 전기장의 인가에 따라 일시적으로 변형된 액정분자의 배열이 상기 전기장이 제거되면 다시 트위스트 상태로 안정화되는 것과 같이 액정분자가 단안정성의 다이나믹 모드(dynamic mode)를 갖도록 제어될 수 있다.

반면, 반도체 소자와 같은 전기 소자가 고집적화되고 빠른 처리속도를 필요로 하게 되어 액정표시장치의 시야각 확보, 고속응답속도및 고 콘트라스트비 등의 뛰어난 성능을 갖는 새로운 모드의 액정표시장치를 필요로 하게 되었다. 상기와 같은 이유로 BTN-LCD(Bistable Twisted Nematic-LCD)와 같은 새로운 모드의 액정표시장치를 필요로 하게 되었다. 상기 BTN(이하 쌍안정이라 칭함) 액정은 일반적인 네마틱 액정에 카이랄 첨가제가 포함된 액정을 의미한다. 종래 기술의 쌍안정 액정표시장치는 STN-LCD와 같은 기존의 단순 매트릭스 구동( simple matrix addressing ) 액정표시장치에 비해 넓은 시야각 특성 및 고속 응답 특성과 콘트라스트비 등의 뛰어난 성능을 갖는 새로운 모드의 액정 표시소자로서 동작 원리는 다음과 같다.

액정의 비틀림 각이 Φ인 초기 배열상태에 충분히 높은 전압을 인가하면 초기 배열상태는 셀 내부에 생성되는 방향자 반전벽의 변형이 심화되어 에너지적으로 매우 불안정한 상태가 되므로 전경(disclination)의 생성과 함께, 높은 전기장 하에서 초기 배열상태에 비해 에너지적으로 안정하며 위상이 전혀 다른 수직 배열상태(homeotropic)로 전이된다.

이때, 다시 전압을 감소시키면, 전압이 감소되는 방법에 따라, 초기 배열상태와는 위상학적으로 전혀 다른 수직배열 상태와는 위상학적으로 동일한 비틀림 각이 Φ-π 또는 Φ+π 인 배열상태로 빠르게 스위칭 된다.

또한, 스위칭된 두 배열상태들은 초기 배열상태와는 위상학적으로 전혀 다른 배열상태이므로 초기 배열상태와 스위칭된 두 배열상태들 사이에는 전경에 해당하는 에너지 장벽이 존재하며, 이 에너지 장벽은 스위칭된 두 배열상태들이 초기 배열상태로 재전이 되는 것을 지연시키는 역할을 한다.

따라서, 스위칭된 두 배열상태들은 안정성을 유지할 수 있는데, 이때 적정 전압을 인가하면 더 오랫동안 안정성을 유지시킬 수도 있다. 즉 초기 배열상태에 충분히 높은 구동전압을 인가하여 전경의 생성과 함께 초기 배열상태와는 위상학적으로 전혀 다른 수직배열 상태로 전이시키면 360˚트위스트(twist) 상태로, 상기 구동전압이 낮을 경우 0˚트위스트 상태(이하, 균일한(homogeneous) 상태라 칭함)로, 10 msec 이하의 빠른 속도로 스위칭된다. 또한, 스위칭된 배열상태들은 초기 배열상태로의 전이시에는 경사 불연속에 해당하는 에너지 장벽이 존재하여 안정성이 유지되는데, 적정 전압을 인가하면 거의 수초 또는 수분 이상 안정성을 유지시킬 수도 있다.

따라서, 종래 기술에 따른 액정표시장치는 초기에 180˚트위스트 상태의 액정분자에 임계전압 이상의 전기장을 인가하여 수직배향 상태를 만들고 상기 전기장을 제거하면 상기 180˚트위스트 상태와 전혀 다른 안정한 스플레이 상태로 전이되어 액정분자가 쌍안정성의 메모리 모드(memory mode)를 갖도록 제어될 수도 있다.

하지만, 종래 기술의 액정표시장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.

종래 기술에 따른 액정표시장치는 네마틱 액정을 이용하여 핸드폰, 모니터, TV 등과 같은 기술분야에서 동영상 구현을 위한 다이나믹 모드와, 전자종이 또는 전자책 등과 같은 기술분야에 적용되는 메모리 모드가 각각 서로 호환성을 갖지 못하는 별개의 것으로 여겨져 왔고, 상기 다이나믹 모드와 메모리 모드가 동시에 구현되는 액정을 사용하지 못했기 때문에 액정의 응용성이 떨어지는 단점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 다이나믹 모드 및 메모리 모드가 동시에 구현되는 액정을 이용하여 응용성을 증대 또는 극대화할 수 있는 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 구동방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 양태(aspect)에 따라, 듀얼모드 액정표시장치는, 소정 간격을 두고 서로 대향하는 복수개의 기판사이에서 상기 기판과 평행한 방향의 수평 전기장을 인가하여 액정 방향자가 수평으로 배열되는 스플레이 상태와, 상기 스플레이 상태의 액정 방향자에 소정의 제 1 수직 전기장을 인가하여 상기 복수개의 기판사이의 중심에서 상기 액정 방향자가 제한되어 수직으로 배열되는 밴드 상태로 만든 후 상기 제 1 수직 전기장을 제거하여 상기 복수개의 기판 표면으로부터 이격 될수록 상기 액정 방향자의 방위각이 점진적으로 틀어지는 트위스트 상태를 갖도록 제어되는 메모리 모드; 및 상기 밴드 상태의 액정 방향자에 상기 제 1 수직 전기장에 비해 높은 제 2 수직 전기장을 인가하여 상기 액정 방향자가 상기 복수개의 기판을 향해 배열되는 수직 배향상태를 갖도록 제어되는 다이나믹 모드를 갖는 네마틱 액정을 포함함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 양태는, 소정 간격을 두고 서로 대향하는 복수개의 기판사이에 형성된 액정에 상기 기판과 평행한 방향의 수평 전기장을 인가하여 액정 방향자가 수평으로 배열되는 스플레이 상태를 만드는 단계; 상기 스플레이 상태의 액정 방향자를 갖는 액정에 소정의 제 1 수직 전기장을 인가하여 상기 복수개의 기판사이의 중심에서 상기 액정 방향자가 제한되어 수직으로 배열되는 밴드 상태, 또는 상기 복수개의 기판 표면으로부터 이격 될수록 상기 액정 방향자의 방위각이 점진적으로 틀어지는 트위스트 상태를 만드는 단계; 및 상기 밴드 상태 또는 상기 트위스트 상태의 액정 방향자를 갖는 액정에 상기 제 1 수직 전기장에 비해 높은 제 2 수직 전기장을 인가하여 상기 액정 방향자가 상기 복수개의 기판을 향해 배열되는 수직 배향상태를 만드는 단계를 포함하는 액정표시장치의 구동방법이다.

여기서, 상기 수직 배향 상태의 상기 액정 방향자에서 상기 제 2 수직 전기 장을 제거하고 상기 제 1 수직 전기장을 인가하여 상기 액정 방향자를 밴드 상태로 만드는 단계를 더 포함함이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 구동방법을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 본 발명은 액정표시장치에 대해서 설명하고 있지만, 본원 발명의 원리 및 구성은 광 모듈레이트에서도 사용되어질 수도 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 단면을 개략적으로 나타낸 구성 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 구동원리를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 소정 간격을 두고 서로 대향하는 상부 기판(50) 및 하부 기판(52)과, 상기 상부 기판(50) 상에 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 도전성 금속으로 형성된 제 1 투명 전극(54)과, 상기 제 1 투명 전극(54)이 형성된 상기 상부 기판(50) 상에 형성된 제 1 배향막(56)과, 상기 하부 기판(52) 상에 상기 ITO와 같은 투명 도전성 금속으로 형성된 제 2 투명 전극(58)과, 상기 제 2 투명 전극(58)이 형성된 상기 하부 기판(52) 상에 실리콘 화합물 또는 BCB와 같은 절연물질로 형성된 절연막(60)과, 상기 절연막(60)이 형성된 상기 하부 기판(52) 상에 상기 ITO와 같은 투명 도전성 금속으로 형성된 적어도 하나 이상의 제 3 투명 전극(62)과, 상기 제 3 투명 전극(62)이 형성된 상기 하부 기판(52) 상에 상기 제 1 배향막(56)과 동일한 방향으로 러빙된 제 2 배향막(64)과, 상기 제 1 배향막(56) 및 제 2 배향막(64)에 의해 초기 배향되고 상기 제 1 투명 전극(54), 제 2 투명 전극(58) 및 제 3 투명 전극(62)에 인가되는 구동전압에 의해 각 전극들 간에 유도되는 수평 전기장 또는 수직 전기장에 따라 스플레이 상태, 밴드 상태, 트위스트 상태, 또는 수직 배향 상태를 선택적으로 갖는 네마틱 액정(66)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 네마틱 액정(66)의 액정분자 또는 액정 방향자는 전기장의 방향에 따라 이동되는 데, 본 발명에서는 상기 액정분자 또는 상기 액정 방향자가 전기장과 동일 또는 유사한 방향으로 이동되는 것으로 설명한다.

따라서, 상기 네마틱 액정(66)의 액정분자 또는 액정 방향자를 수평상태의 스플레이 상태로 만들기 위한 수평 전기장은 상기 하부 기판(52)의 제 2 투명전극(58)과 제 3 투명전극(62)간에 소정의 전압을 인가함으로서 형성될 수 있고, 상기 액정분자 또는 액정 방향자를 수직상태의 수직배향 상태, 밴드 상태 또는 트위스트 상태로 만들기 위한 수직 전기장은 상기 상부 기판(50)의 제 1 투명 전극(54)과 하부 기판(52)의 제 2 투명전극간에 소정의 전압을 인가함으로서 형성될 수 있다.

이때, 이와 같은 상기 수평 전기장 및 수직 전기장의 변화에 따른 상기 네마틱 액정(66)의 상태변화를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 서로 평행하게 러빙된 제 1 배향막(56) 및 제 2 배향막(64)에 의해 배향된 액정에 수평 전기장 또는 수직 전기장이 전혀 인가되지 않으면 상기 네마틱 액정(66)의 액정분자 또는 액정 방향자는 스플레이 상태의 배향 구조를 가진다. 여기서, 상기 네마틱 액정(66)은 소정 농도(예컨대, 0.25 이하의 d/p ratio)의 카이랄 도펀트를 포함하고 있기 때문에 초기 배향이 상기 제 1 배향막(56) 및 제 2 배향막(64)의 표면 앵커링 에너지에 의해 스플레이(splay) 상태를 유지한다(a). 이때, 상기 제 1 배향막(56) 및 제 2 배향막(64)은 서로 동일 또는 유사한 방향으로 러빙되어 있다.

다음, 상기 스플레이 상태의 액정분자 또는 액정 방향자를 갖는 액정에 소정 크기의 제 1 수직 전기장을 인가하면 상기 액정분자 또는 액정 방향자는 상기 스플레이 상태에서 밴드(band) 상태로 전이하게 된다. 이때, 상기 스플레이 상태에서 상기 밴드 상태로 전이되는 스위칭 시간은 상기 제 1 수직 전기장이 인가되는 시간과 상기 네마틱 액정(66)의 물성에 좌우되고, 상기 제 1 수직 전기장은 상기 스플레이 상태에서 밴드 상태로 전이시킬 수 있는 크기의 제 1 임계전압이 상기 제 1 투명 전극(54)과 제 2 투명 전극(58)간에 인가됨으로써 유도될 수 있다.

또한, 상기 밴드 상태로 전이된 상기 액정분자 또는 액정 방향자는 상기 제 1 수직 전기장이 제거되면 180˚트위스트 상태로 바뀌게 된다(d). 이때, 카이랄 첨가제를 섞지 않은 일반적인 네마틱 액정(66)의 180˚트위스트 상태 유지 시간은 수초밖에 되지 않지만, 적당량의 카이랄 첨가물질을 섞게 되면 안정한 180˚트위스트 상태의 유지 시간을 소정 시간 이상으로 연장시킬 수 있다.

그리고, 트위스트 상태의 액정분자 또는 액정 방향자는 수평 전기장을 인가하여 다시 수평 상태의 스플레이 상태로 다시 되돌릴 수가 있다. 이때, 상기 수평 전기장은 상기 제 2 투명 전극(58)과 상기 제 3 투명 전극(62)사이에 소정의 크기를 갖는 전압을 인가함으로서 유도될 수 있다. 따라서, 네마틱 액정(66)의 메모리 모드는 상기 상부 기판(50)과 하부 기판(52)간의 상기 액정분자 또는 액정 방향자의 배열을 쌍안정 상태의 180˚ 트위스트 상태와 스플레이 상태를 갖도록 상기 수직 전기장 또는 수평 전기장을 인가함으로서 제어될 수 있다.

마지막으로, 안정된 상기 180˚트위스트 상태, 또는 밴드 상태의 배열을 갖는 액정분자 또는 액정 방향자에 상기 제 1 수직 전기장에 비해 높은 크기의 제 2 수직 전기장을 인가하여 수직배향 (Homeotropic) 상태로 전이시킨다(c). 이때, 상기 제 2 수직 전기장은 상기 제 1 수직 전기장과 마찬가지로 상기 제 1 투명 전극(54)과 상기 제 2 투명 전극(58)간에 인가되는 상기 제 1 임계전압에 비해 높은 크기의 제 2 임계전압을 인가함으로서 유도될 수 있다. 또한, 상기 제 2 수직 전기장을 제거하면 상기 수직배향 상태의 배열을 갖는 액정분자 또는 액정 방향자는 항상 트위스트 상태로 다시 돌아오는 단안정 특성을 가지고 있다. 따라서, 상기 네마틱 액정(66)의 다이나믹 모드는 상기 액정분자 또는 액정 방향자를 수직배향 상태의 배열을 갖도록 만드는 제 2 임계전압과, 상기 수직배향 상태에서 밴드 상태로 전이될 수 있는 상기 제 1 임계전압사이의 소정 전압을 각각의 전극간에 인가함으로써 제어될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 듀얼 모드 액정표시장치를 메모리 모드로 동작시키기 위한 수직 및 수평 구동 펄스를 나타낸 그래프이고, 도 5는 도 4의 수직 및 수평 구동펄스의 인가 시간에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 4의 가로축은 시간(sec)의 소요를 나타내고, 세로축은 인가되는 전압(voltage)의 크기를 나타 낸다. 또한, 도 5의 가로축은 시간(sec)의 소요를 나타내고, 세로축은 투과율을 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이, 스플레이 상태의 배열을 갖는 액정분자 또는 액정 방향자에 수초간의 제 1 임계전압의 수직 구동펄스(70)를 인가하여 상부 기판(50) 및 하부 기판(52)간에 유도되는 수직 전기장에 의해 밴드 상태의 배열을 갖도록 제어하고, 상기 수직 전기장을 제거하여 180°트위스트 상태로 만든 후, 제 2 투명 전극(58)과 제 3 투명 전극(62)간에 소정의 전압의 수평 구동펄스(72)를 인가하여 수평 전기장에 의해 다시 스플레이 상태의 배열을 갖도록 제어한다.

여기서, 수직 전기장을 유도하기 위한 약 20V정도의 제 1 임계전압이 약 9초에서부터 약10초까지 약 1초 이하(예컨대, 약 500ms)정도 인가되어 스플레이 상태의 상기 액정분자 또는 액정 방향자를 밴드 상태를 만든 후 안정한 상태의 180도 트위스트 상태로 만들어 약 10초 이후에서 투과율이 높아짐을 도 5에서 알 수 있다.

이때, 실험에 사용된 측정광원으로 543 nm 파장의 He-Ne laser가 사용되었으며, 듀얼모드 액정모드의 위상지연 값은 550 nm 파장 기준으로 λ의 위상지연 값을 갖도록 하여 초기의 스플레이 상태의 배열을 갖는 액정분자 또는 액정 방향자에 대하여 수직 전기장이 인가되지 않을 경우 어둡게 나타나고, 수직 전기장이 유도되어 상기 스플레이 상태에서 수직배향 상태로 전이된 후에도 계속 어두운 것을 나타낸다. 그리나, 수직 전기장을 제거한 후 약 20초 동안 상기 액정분자 또는 액정 방향자는 상기 밴드 상태에서 안정한 180°트위스트 상태의 배열로 전이되면 밝게 유지되는 것을 알 수 있다.

그리고, 수평 전기장을 유도하기 위한 약 20V정도의 소정의 전압이 약 26초에서부터 약 27초까지 약 1초 이하(예컨대, 약 700ms)정도 인가되어 180˚트위스트 상태의 상기 액정분자 또는 액정 방향자를 다시 스플레이 상태를 만들어 약 26초 이후에서 투과율이 떨어져 어둡게 나타난다. 이때, 상기 180˚트위스트 상태와 스플레이 상태가 모두 안정적인 광특성을 보여준다.

도 6은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치를 구동하기 위한 수직 구동 펄스를 이용한 실험 결과 및 프로그램 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 여기서, 가로축은 시간(msec) 소요이고, 세로축은 투과율을 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이, 180도 트위스트 상태의 배열을 갖는 액정분자 또는 액정 방향자에 제 2 수직 전기장을 유도하면 상기 액정분자 또는 액정 방향자는 수직 배향 (Homeotropic)상태로 전이되고, 상기 제 2 수직 전기장을 제거하면 180도 트위스트 상태로 돌아가는 것을 확인할 수 있다.

여기서, 시작 초기에 약 10V정도의 제 2 임계전압으로 제 2 수직 전기장을 유도하여 수직배향 상태를 만들어 투과율을 제로로 만들고, 약 50ms에서 상기 제 2 수직 전기장을 제거한 경우 항상 트위스트 상태로 돌아가는 단안정 특성이 나타나는 것을 실험과 시뮬레이션을 통해 알 수 있다. 이때, 실험조건은 앞의 경우와 같이 543nm 파장의 He-Ne laser가 사용되었으며, 듀얼모드 액정모드의 위상지연 값은 550 nm 파장 기준으로 λ의 위상지연 값을 갖도록 하여 수직배향 상태와 스플레이 상태의 배열을 갖는 네마틱 액정(66)의 광특성에서는 모두 어두운 상태로 나타나고 180도 트위스트 상태만 밝은 상태로 나타난다. 또한, 프로그램 시뮬레이션은 Ericksen-leslie 액정유체방정식을 이용하여 계산하였다.

도 7은 수직배향 상태에서 180도 트위스트 상태로 돌아가는 동안에 네마틱 액정(66)의 유동 속도(flow velocity)를 계산하여 나타낸 그래프로서, 액정분자 또는 액정 방향자의 X 방향 유동(flow) 성분은 액정 cell내에서 모두 같은 방향으로 발생하며 이는 수직배향 상태에서 밴드 상태로의 전이를 나타낸다. 여기서, 가로축은 상기 상부 기판(50) 상에 형성된 제 1 투명 전극(54)과 상기 하부 기판(52) 상에 형성된 제 2 투명 전극(58)간의 높이(hight)를 일반화(normalize)한 값(예를 들어, z/d)이고, 세로축은 유동 속도의 크기를 나타낸다.

반면, 상기 액정분자 또는 액정 방향자의 Y 방향 유동(flow) 성분은 상기 상부 기판(50)과 하부 기판(52)사이 중심의 액정층을 기준으로 대칭적인 구조를 가지며 서로 반대방향으로 발생한다. 이러한 반대 방향의 유동(back flow)은 네마틱 액정(66)을 180˚트위스트 상태로 전이시키는 역할을 한다. 처음 전압이 제거되는 순간 X 방향의 유동 속도(flow velocity) 성분이 Y 방향의 유동 속도(flow velocity) 성분보다 크게 나타나며 약 70 ms 동안 액정이 전이되는데 영향을 미친다. 약 70 ms 이후부터는 X 방향 유동(flow) 효과는 거의 없고 Y 방향 유동(flow) 성분에 의해 상기 액정분자 또는 액정 방향자가 트위스트 상태로 전이된다. 즉 수직 배향상태로 배열된 상기 액정 분자 또는 액정 방향자가 트위스트 상태로 전이하는 과정을 X방향 유동(flow) 성분과 Y방향 유동(flow) 성분을 이용하여 분석하면, 수직배향 상태는 밴드 상태를 거쳐 180˚트위스트 상태로 전이됨을 알 수 있다. 또한, 도 7에서 발생된 광학적 바운드(optical bounce) 효과도 상기 제 2 수직 전기장을 제거 한 후의 약 70 ms정도 이후에 180˚트위스트 상태로 전이되는 과정에서 발생한다. 단안정 상태를 다이나믹 모드로 적용하기 위해서는 이러한 광학적 바운드(optical bounce) 효과가 제거되어야 한다. 광학적 바운드(optical bounce) 효과는 180˚트위스트 상태로 전이 시키지 않으면 나타나지 않는데 적절한 상기 제 1 수직 전기장을 이용하여 상기 액정분자 또는 액정 방향자를 수직배향 상태와 밴드 상태 사이에 배열시킴으로서 다이나믹 모드에 적합한 광특성을 얻을 수 있다.

도 8은 적절한 수직 전기장을 인가하여 네마틱 액정의 유동속도를 조절하여 수직배향 상태와 밴드 상태간의 전이를 이용하여 다이나믹 모드에 적용 가능한 전기광학특성의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 인가된 제 2 수직 전압이 제거되어 어두운 수직배향 상태에서 180˚트위스트 상태의 배열로 되돌아가는 액정분자 또는 액정 방향자에 대하여 소정의 제 1 수직 전기장을 인가하여 밝은 밴드 상태로 만들어서 상기 수직배향 상태와 밴드 상태로 배열되는 액정분자 또는 액정 방향자를 이용하여 단안정성의 다이나믹 모드를 만들 수 있다.

여기서, 상기 제 2 수직 전기장을 유도하기 위한 제 2 임계전압은 3 내지 15V, 바람직하게는 약 10V 정도 인가하고, 상기 제 1 수직 전기장을 유도하기 위한 제 1 임계전압은 3 내지 15V, 바람직하게는 약 3.5V 정도를 인가하여 다이나믹 모드에 적용 가능한 전기광학특성을 나타내도록 하였다. 또한, 상기 3.5V 정도의 제 1 임계전압에 의해 밴드 상태로 배열되는 액정분자 또는 액정 방향자의 광학적 바운드(optical bounce) 효과 없이 어두운 상태와 밝은 상태의 구현이 가능하다. 또한 상기 제 2 임계전압과 상기 제 1 임계전압사이에서 적절한 전압을 인가하면 계조 구현도 가능하다.

따라서, 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 구동방법은, 액정분자 또는 액정 방향자가 스플레이 상태와 트위스트 상태의 안정된 상태로 배열되는 메모리 모드와, 상기 스플레이 상태와 트위스트 상태를 갖는 상기 액정분자 또는 액정 방향자에 소정의 제 1 수직 전기장 및 제 2 수직 전기장을 인가하여 네마틱 액정(66)에서 밴드 상태와 수직배향 상태로 배열되는 다이나믹 모드를 동시에 구현할 수 있기 때문에 네마틱(66) 액정 사용의 응용성을 증대 또는 극대화할 수 있다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허청구범위를 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 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

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 기술분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 액정분자 또는 액정 방향자가 스플레이 상태와 트위스트 상태의 안정된 상태로 배열되는 메모리 모드와, 상기 스플레이 상태와 트위스트 상태를 갖는 상기 액정분자 또는 액정 방향자에 소정의 제 1 수직 전기장 및 제 2 수직 전기장을 인가하여 네마틱 액정에서 밴드 상태와 수직배향 상태로 배열되는 다이나믹 모드를 동시에 구현할 수 있기 때문에 네마틱 액정 사용의 응용성을 증대 또는 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 소정 간격을 두고 서로 대향하는 복수개의 기판사이에서 상기 기판과 평행한 방향의 수평 전기장을 인가하여 액정 방향자가 수평으로 배열되는 스플레이 상태와

   , 상기 스플레이 상태의 액정 방향자에 소정의 제 1 수직 전기장을 인가하여 상기 복수개의 기판사이의 중심에서 상기 액정 방향자가 제한되어 수직으로 배열되는 밴드 상태로 만든 후 상기 제 1 수직 전기장을 제거하여 상기 복수개의 기판 표면으로부터 이격 될수록 상기 액정 방향자의 방위각이 점진적으로 변화되는 트위스트 상태를 갖도록 제어되는 메모리 모드; 및

   상기 밴드 상태의 액정 방향자에 상기 제 1 수직 전기장에 비해 높은 제 2 수직 전기장을 인가하여 상기 액정 방향자가 상기 복수개의 기판을 향해 배열되는 수직배향 상태를 갖도록 제어되는 다이나믹 모드를 갖는 네마틱 액정을 포함함을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 액정은 상기 트위스트 상태에서 상기 액정 방향자의 방위각을 변화시키는 카이랄 첨가제를 더 포함함을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수개의 기판을 상부 기판 및 하부 기판으로 각각 나누면 상기 상부 기판 상에 투명 도전성 금속으로 형성된 제 1 투명 전극과,

   상기 제 1 투명 전극이 형성된 상기 상부 기판 상에 형성된 제 1 배향막과,

   상기 하부 기판 상에 형성된 제 2 투명 전극과,

   상기 제 2 투명 전극이 형성된 상기 하부 기판 상에 형성된 절연막과,

   상기 절연막이 형성된 상기 하부 기판 상에 형성된 제 3 투명 전극과,

   상기 제 3 투명 전극이 형성된 상기 하부 기판 상에 형성된 제 2 배향막을 더 포함함을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 상부 기판 또는 하부 기판의 외부에 상기 액정의 배향을 광학적으로 보상하는 위상 지연판을 더 포함함을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 배향막은 동일한 방향으로 러빙함을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 투명 전극 또는 제 2 투명 전극 또는 제 3 투명 전극 중 적어도 하나 이상은 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어짐을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
7. 소정 간격을 두고 서로 대향하는 복수개의 기판사이에 형성된 액정에 상기 기판과 평행한 방향의 수평 전기장을 인가하여 액정 방향자가 수평으로 배열되는 스플레이 상태를 만드는 단계;

   상기 스플레이 상태의 액정 방향자를 갖는 액정에 소정의 제 1 수직 전기장을 인가하여 상기 복수개의 기판사이의 중심에서 상기 액정 방향자가 제한되어 수직으로 배열되는 밴드 상태, 또는 상기 복수개의 기판 표면으로부터 이격 될수록 상기 액정 방향자의 방위각이 점진적으로 변화되는 트위스트 상태를 만드는 단계; 및

   상기 밴드 상태 또는 상기 트위스트 상태의 액정 방향자를 갖는 액정에 상기 제 1 수직 전기장에 비해 높은 제 2 수직 전기장을 인가하여 상기 액정 방향자가 상기 복수개의 기판을 향해 배열되는 수직 배향상태를 만드는 단계를 포함함을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치의 구동방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 수직 배향 상태의 상기 액정 방향자에서 상기 제 2 수직 전기장을 제거하고 상기 제 1 수직 전기장을 인가하여 상기 액정 방향자를 밴드 상태로 만드는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치의 구동방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 밴드 상태는 서로 대향하는 상기 복수개의 기판사이에서 상기 제 1 수직 전기장을 인가하는 각각의 투명 전극 간에 3 V 이상 15 V 이하의 제 1 임계전압을 인가하여 유도함을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치의 구동방법.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 밴드 상태 또는 상기 트위스트 상태에서 수직배향 상태로의 전이는 서로 대향하는 상기 복수개의 기판사이에서 상기 제 2 수직 전기장을 인가하는 각각의 투명 전극간에 3 V 이상 15 V 이하의 제 2 임계전압을 인가하여 이루어짐을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치의 구동방법.

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