KR100887497B1 - 광학적 등방성을 갖는 콜레스테릭 블루상 액정을 이용한 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자 - Google Patents

광학적 등방성을 갖는 콜레스테릭 블루상 액정을 이용한 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학적 등방 상태로부터 전압 인가에 의해 광학적 이방성이 생기는 성질을 갖는 액정 재료와 이 액정 재료를 이용한 액정 표시 장치에 관한 것으로 등방성 액정을 디바이스로서 활용하기 위한 최적의 구조 및 설계를 실현하는 것을 목적으로 한다.
프린지 인플레인 필드 스위칭(Fringe-In-plane switching: FIS)모드는 프린지 필드 스위칭(FFS : Fringe Field Switching) 모드의 전극구조를 가지면서 두개의 박막트랜지스터(thin-film-transistor: TFT)를 적용하여 액정에 인가되는 전기장이 프린지 전기장(Fringe electric field)과 인플레인 전기장(In-plane electric field)이 동시에 걸리는 액정표시소자(LCD : Liquid Crystal Display) 방식으로, 종래의 FFS(Fringe field switching)와 IPS(In-plane switching) 모드에 비해 좀 더 향상된 투과율과 두 개의 트랜지스터 구동에 의한 저전압 구동으로 낮은 소비전력을 갖는다.
상기 액정 표시 소자에 등방성을 갖는 액정을 사용하여 액정층을 구동함으로써 네마틱 액정상을 사용하는 액정표시장치에 비해 시야각 특성이 매우 우수하고, 누광이 없는 어둠상태를 부여하며, 표면 배향 처리가 불필요하고, 낮은 전압에서 구동이 가능한 고속응답특성을 갖는 FIS 액정표시장치를 제공할 수 있다.
광학적 등방성, 콜레스테릭 블루상 액정, FIS모드, 박막트랜지스터(TFT), 저소비전력(Low power consumption)

Description

광학적 등방성을 갖는 콜레스테릭 블루상 액정을 이용한 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자{Fringe In-plane field Switching Liquid Crystal Display}
본 발명은 광학적 등방성을 갖는 콜테스테릭 블루상 액정을 사용한 것으로 고분자안정화 블루상 액정을 프린지 인플레인 필드 스위칭(Fringe In-plane field Switching) 방식으로 이용한 액정 표시 소자에 관한 것이다.
최근의 액정 패널 제조 기술의 진보에 따라, 액정 표시 소자는 광정보 처리 분야에서 널리 이용되고 있다. 종래의 경우 중소형 디스플레이에서 응용되고 있는 액정 표시 소자로서 TN(Twisted Nematic) 표시 방법이 가장 많이 응용되고 있지만 시야각 특성, 콘트라스트, 응답특성의 향상이 과제였다. 좁은 시야각 특성을 향상시키기 위하여 수평 전기장을 이용한 IPS 모드와 FFS 모드가 개발되었지만 IPS 모드의 경우 전극 윗부분에서 액정분자들이 회전하지 않아서 광효율이 떨어지고, 구동전압이 높으며, 시야각에 따른 색띰 문제가 존재하고 FFS 모드는 공통 전극과 화소 전극이 절연막을 사이에 두고 투명 전극 구조를 형성하고 있으면서, 공통 전극과 화소 전극과의 수평 간격을 상,하 기판 사이의 간격인 셀갭보다 좁게 형성하여 공통 전극과 화소 전극 간에 프린지 전기장이 형성되도록 하여 화소 전극의 윗부분에서도 액정분자들을 회전시켜 투과율을 향상시켰지만 여전히 광효율은 TN모드에 미치지 못하고 일반적으로 구동전압도 4V 이상이다. 이에 따라 FIS 모드가 개발되었으며 종래의 FFS 모드에서 화소 전극 간에서의 낮은 투과율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 두 개의 박막 트랜지스터를 통한 전압 인가 방식으로 저전압 구동이 가능한 액정표시소자를 이룰 수 있다.
이러한 종래의 액정 표시 장치의 경우 미리 제어된 액정 분자의 배향을 전계를 인가시키는 것에 의해 다른 배향 상태로 변화시키고, 투과하는 빛의 편광방향이나 편광상태를 변화시키며, 이 변화를 편광판등으로 명암의 콘트라스트로 변화시켜 표시를 하는 것이 일반적이다. 또한 종래의 경우 액정 분자의 배향을 제어하기 위한 표면배향 처리를 필요로 한다. 러빙은 액정과 접하는 기판 표면에 도포된 배향막 표면을 천 등으로 문지르는 것이며, 수율의 저하에 따른 표시 품질의 저하의 원인이 되고 있다. 네마틱 액정을 이용하기 때문에 응답시간이 짧아서 10밀리초 정도로 원하는 파장의 광을 순간적으로 전환하여 선택하기 위해서는 더욱 고속인 편이 보다 바람직하다.
최근 액정 표시 소자용 액정으로서 고분자 안정화 블루상 액정이 개발 되었는데 고분자 안정화 블루상 액정은 블루상이 가지는 고속응답성을 잃는 일없이 발현온도 범위를 현저하게 높인 재료이다. 고분자 안정화 블루상은 전계 무인가 상태에서 광학적으로 등방성이기 때문에 배향을 제어할 필요가 없으며, 응답시간은 100마이크로초 정도이기 때문에 종래의 액정표시 소자보다도 응답이 매우 빠르다.
일반적인 FFS 모드의 전극 구조에서 한 개로 형성되어 있는 화소 전극을 두 그룹으로 분리시켜 두 개의 화소 전극 간에 서로 다른 전압 즉 공통전극을 기준으로 서로 다른 극성의 전압이 인가되도록 하는 방식을 적용한 FIS 모드의 경우 IPS, FFS 모드에 비하여 좀 더 향상된 투과율과 두 개의 트랜지스터 구동에 의한 저전압 구동으로 낮은 소비전력을 갖지만 FIS모드 역시 액정층은 광학적으로 일축적인 매체이기 때문에, 투과율에 시야각 의존성이 생기며, 광 산란에 따른 광 누설에 의한 콘트라스트의 저하를 피할 수 없다. 그리고 종래의 네마틱 액정 등을 사용한 경우 응답속도가 느리며, 스멕틱 액정을 통해 개선한다 하더라도 입사광의 편광 상태에 따라서 작용이 다르다는 문제가 있었다.
따라서 본 발명은 광학적으로 등방성을 갖는 액정을 FIS모드에 적용함으로써 시야각 특성이 매우 우수하고, 누광이 없는 암시야를 부여하며, 표면 배향 처리가 불필요하고, 낮은 전압에서 구동이 가능한 고속응답특성을 갖는 액정표시장치를 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 종래의 FIS 모드에 블루상 액정 등의 등방성의 굴절률을 갖는 액정을 사용하여, 입사 편광에 의존하지 않으며 고속 응답을 실현할 수 있도록 한다. 또한 상기 블루상 액정이 소정의 고분자 재료를 함유함으로써 블루상의 발현 온도 범위가 확대된 고분자 안정화 블루상 액정인 구성 을 가지고 있는 것이 바람직하다. 이에 따라 넓은 온도 범위에서 입사 편광에 의존하지 않는 안정된 높은 소광비가 얻어지며, 고속 응답시간이 가능한 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.
본 발명은 FIS 모드에 등방성을 갖는 액정을 사용함으로써 입사 편광에 의존하지 않고, 고속 응답이 가능한 고품질의 액정 표시 패널 및 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.
본 발명의 액정 표시 소자는 한 쌍의 투명기판에 협지된 고분자 안정화 블루상 액정층으로부터 이루어진다. 여기서 고분자 안정화 블루상 액정은 전압을 인가하지 않을 시에 광학적으로 등방 상태이고, 전압 인가에 따라 전압 인가 방향으로 복굴절성을 갖는다. 따라서 액정층의 투과율 제어를 위해 상하 편광판을 크로스하게 배치한다.
상기 액정층 구성에 있어서 상하판의 셀갭이 3~20㎛ 사이가 되도록 하고 광학적 등방성을 갖는 액정을 ODF(one drop filling) 방식 또는 진공주입 방식을 통해 합착된 상하판 사이에 들어가도록 한다. 광학적으로 등방성 특징을 갖는 액정층의 한 예로 1mg 또는 2mg을 만들기 위해 표 1과 같이 혼합 모노머를 함유율에 맞게 제조가 가능하다.
Figure 112008039272791-pat00001
상기 혼합모노머 중 액정 혼합물은 서로 다른 액정 단량체들이 혼합된 구조로 이루어져 있으며, 그 물성이 서로 다르다.
카이랄 도판트(Chiral dopant) ZLI-4572 M=650.93g·mol-1 K 406.2 I
Figure 112008039272791-pat00002
카이랄 도판트(Chiral dopant) CB 15 M=249.35g·mol-1 K 277.0 Ch(247.0)I
Figure 112008039272791-pat00003
모노머 RM-257
Figure 112008039272791-pat00004
모노머 EHA(2-Ethylhexyl Acrylate)
Figure 112008039272791-pat00005
광개시제(Trimethylopropane triacrylate)
Figure 112008039272791-pat00006
이하, 본 발명의 실시예에 관해 도면을 사용하여 설명한다.
실시예 1
본 발명의 제 1 실시예는 광학적으로 등방성의 특징을 갖는 콜레스테릭 액정을 이용한 FIS 액정표시소자이다.
도 1은 본 발명에 사용되는 광학적으로 등방성의 특징을 갖는 콜레스테릭 액정의 구조를 나타내는 도면으로 전압 무인가 시에 광학적으로 등방성의 성질을 가지므로 어둠상태를 부여한다.
도 2는 본 발명에 따른 FIS 액정 표시소자에서 광학적으로 등방성을 갖는 콜레스테릭 블루상 액정의 구동 원리를 거시적으로 나타낸 도면으로 전압 무인가 시에 광학적으로 등방성의 성질을 나타내고, 전압 인가에 의해 전압 인가 방향으로 복굴절성을 갖는다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 FIS 액정표시소자의 단위 화소를 나타내는 평면도이다. 투명 유리 기판 또는 플라스틱 기판을 사용한 하부기판 위에 투명한 공통 전극(4)을 평면 형태로 형성하고, 분리된 두 개의 화소 전극 간에 서로 다른 극성을 지닌 전압을 인가하기 위해, 게이트 라인(3)에 데이터 라인(1, 1') 및 소스/드레인 층(2, 2')을 각각 두 쌍을 두고, 공통 전극 위에 절연막(5)을 형성하고, 절연막 위에 투명한 제 1 화소 전극(6)과 제 2 화소 전극(7)을 서로 엇갈리게 슬릿 형태로 패턴 한다. 슬릿 형태의 제 1 화소 전극(6)과 제 2 화소 전극(7)의 폭(9)은 10㎛이하 이고, 제 1 화소 전극(6)과 제 2 화소 전극(7) 사이의 간격(8)은 30㎛ 이하 이다.
도 4는 도 1의 A ~ A' 선으로 취한 단면도를 나타내는 것으로 하부기판 위에 공통 전극(4)이 평면 형태로 형성되어 있고, 그 위에 절연막(5)을 두고, 두개의 데이터 라인(1, 1')과 제 1 화소 전극(6) 및 제 2 화소 전극(7)이 패턴 되어 있다.
도 5는 본 발명에 따른 액정표시소자에서 프린지 전기장(Fringe field)과 인플레인 전기장(In-plane field)이 형성되는 것을 나타내는 단면도로 하부기판 위에 평면 형태로 형성되어 있는 공통 전극(4)에 0 볼트의 전압이 인가되고, 절연막(5)을 사이에 두고 형성되어 있는 제 1 화소 전극(6)에 양의 전압이 인가되고, 제 2 화소 전극(7)에 음의 전압이 인가될 때, 제 1 화소 전극(6)과 제 2 화소 전극(7) 사이에서 인플레인 전기장(In-plane field)이 형성되며, 화소 전극(6, 7)과 공통 전극(4) 사이에서 프린지 전기장(Fringe field)이 어떻게 형성 되는지를 보여주고 있다. 종래의 ffs 모드는 전극 에지에만 강한 수평전기장이 발생해 투과율이 형성되고, ips 경우 전극 사이에만 수평전기장이 형성되는데 전기장 세기를 높이기 위해서는 고 구동전압이 필요하다. 하지만 본 발명에 따른 FIS 모드는 두 개로 분리된 화소 전극에 서로 다른 극성의 전압을 인가하기 위해 각각의 화소 전극에 연결된 두 개의 트랜지스터를 통해 구동시킴으로써 종래의 FFS, IPS 모드에 비해 낮은 구동전압으로 액정 셀을 구동시킬 수 있다.
도 1은 광학적으로 등방성을 갖는 콜레스테릭 블루상 액정의 구조를 도식적으로 나타내는 도면
도 2는 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정 표시소자에서 광학적으로 등방성을 갖는 콜레스테릭 블루상 액정의 구동 원리를 거시적으로 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 FIS 액정표시소자의 단위화소를 나타내는 평면도
도 4는 도 1의 단면도(A~A')
도 5는 FIS 액정표시소자의 전기장 형성을 나타내는 측면도

Claims (2)

  1. 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자에 있어서,
    하부투명기판 위에 투명한 공통 전극이 평면 형태로 형성되어 있고,
    상기 공통 전극 위에 절연막을 덮고, 절연막 위에 데이터 라인을 형성하고, 화소 전극을 형성하는데에 있어서, 하나의 화소 전극을 제 1 화소 전극과 제 2 화소 전극 두개로 분리하여 각각의 화소 전극에 연결된 박막 트랜지스터를 통해 각각의 화소 전극에 서로 다른 극성의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하며, 분리된 두 그룹의 화소 전극 간에는 인플레인 전기장이 형성되고, 대향되는 공통 전극과는 프린지 전기장이 형성되게 하고,
    상기 화소 전극 상부에 위치한 액정층은 초기 광학적으로 등방성을 갖는 액정으로 전압 인가에 의해 광학적으로 이방성의 특징을 갖으며,
    상기 액정층 상부에 위치한 상부 투명기판과,
    상기 상, 하부 양쪽 기판에 배향막 코팅이 되어 있지 않은 것과,
    상기 상, 하판의 셀갭은 3~20㎛를 갖는 것과,
    상, 하판에 투과축이 교차된 편광판을 사용하는 것과, 광학적 등방성을 갖는 콜레스테릭 블루상 액정을 이용한 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자
  2. 청구항 제 1항에 있어서,
    제 1, 2 화소 전극의 폭은 10㎛ 이하이고 두 전극사이의 거리는 30㎛ 이하이며,광학적 등방성을 갖는 콜레스테릭 블루상 액정을 이용한 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정 표시 소자
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