KR100945597B1

KR100945597B1 - 액정표시장치

Info

Publication number: KR100945597B1
Application number: KR1020080123810A
Authority: KR
Inventors: 최수영; 손옥수; 서동해
Original assignee: 하이디스 테크놀로지 주식회사
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-03-04

Abstract

본 발명은, 액정표시장치에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 액정표시장치는, 블랙매트릭스와 컬러필터를 포함하는 제1기판; 상기 제1기판에 대향하여 설치되며, 각각 전도체로 이루어진 화소전극 및 카운터전극을 포함하는 제2기판; 및 상기 제1기판과 제2기판 사이에 충진되는 액정을 포함하여 이루어지며, 상기 화소전극 및 카운터전극은, 전압이 인가될 때 수평 전기장을 형성하며, 상기 액정은, 액정 화합물, 및 키랄 도펀트(chiral dopant)를 포함하고, 상기 키랄 도펀트는, 상기 액정의 구동시, 상기 액정의 회전 방향과 동일한 방향으로의 피치를 가짐으로써, 상기 액정의 유전율 이방성(△ε)이 낮은 경우에도 액정표시장치의 구동전압(Vop)의 상승 없이 응답속도를 상승시킨다.

본 발명에 의하면, 별도의 공정 개발에 의하지 않고서도, 종래의 응답속도 개선방식에 따를 경우 나타나는 특성 저하 없이, 액정표시장치의 응답속도를 향상시킬 수 있다.

키랄도펀트, 액정, 유전율, 이방성, 응답속도

Description

액정표시장치 {Liquid Crystal Display}

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, IPS 모드 또는 FFS 모드 등의 수평 전기장 형성 방식 액정표시장치의 양쪽 기판 사이에 형성되는 액정에, 소정의 키랄 도펀트를 첨가하여 이루어지는 액정표시장치에 관한 것이다.

액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)는, 고체와 기체의 중간 상(mesopahse)인 액정(liquid crystal) 물질을 전극이 있는 기판 사이에 주입하고, 일정 전압을 걸어주어, 액정 분자의 배열방향을 변화시킴으로써 광축을 서로 수직하게 배치한 편광자 사이에서 빛의 투광율을 조절하는 방식으로 구동된다.

액정표시장치에서, 액정 분자의 배열은 걸어준 전압의 크기에 의해 분자의 배열방향이 변화되기 때문에, 움직이는 영상을 구현하기 위해서는 액정 분자의 집합적인 회전속도가 영상이 연속으로 변화하는 속도보다 빨라야 한다. 즉, 응답속도가 빨라야 한다.

현재 제조 및 사용되고 있는 액정표시장치는, 구동방식에 따라 TN(Twist Nematic), IPS 및 VA모드 등으로 구분된다. 그러나, 일반적인 TN, IPS 및 VA 모드 용 네마틱 액정의 응답속도는 약 20 내지 30ms로써, 원활한 동영상 구현을 위해서는 상기 액정의 응답속도를 단축시켜야 한다. 따라서, 응답속도 개선을 위한 액정 재료 및 기타 응답속도 개선을 위한 방법의 지속적인 개발이 요구된다.

종래에 있어서, 액정표시장치의 응답속도의 개선방안은, 저점도의 액정을 사용하거나, 셀 갭(cell gap)을 축소하거나, 오버드라이빙(over driving) 방식에 의하여 개선하고자 하고 있다.

그러나, 셀 갭을 축소하는 경우, 공정 마진이 감소하여 불량률이 증가하게 되며, 투과율 또한 감소하게 되고, 점도 감소 방식을 적용하더라도 액정표시장치의 특성변화가 발생하여, 완벽한 동화상 구현에 어려움이 발생한다.

일반적으로, 액정표시장치의 특성은 액정의 물성과 밀접한 관계가 있는데, 주로 액정분자의 유전율 이방성(△ε), 복굴절 이방성(△n), 및 점도(γ, Rotational Viscosity)의 세 가지 물성을 조절하는 것에 의하여 액정표시장치의 설계가 이루어진다. 그 물성을 제어하기 위하여 수만 종류의 액정분자가 합성되었고, 그 체계화에 따라 물성을 최적화하기 위한 분자설계가 지속적으로 연구되고 있다.

유전율 이방성(△ε)은 액정분자의 장축 방향에 대한 유전율에서, 단축방향의 유전율을 뺀 값을 말하며, 이는 전기장을 인가할 경우에 액정분자가 움직이는 원동력이 된다. 네마틱 액정 중에서 유전율 이방성이 양의 값을 갖는 것을 양의 액정(p형 네마틱 액정)이라고 하고, 그 값이 음인 경우의 액정을 음의 액정(n형 네마틱 액정)이라고 한다. 일반적으로, TN, STN, IPS, OCB 액정패널에는 양의 액정이 사용되고, VA 액정패널에는 음의 액정이 사용된다. 간단하게 말하자면, 양의 액정은 전기장을 인가하면 분자의 장축방향이 전기장의 방향에 대하여 평행하게 움직이고, 음의 액정은 분자의 장축방향이 전기장의 방향에 대하여 수직으로 움직이는 특성을 가진다.

복굴절 이방성(△n)은, 액정의 장축의 굴절율(n_∥)과 단축의 굴절율 (n_⊥)의 차이를 나타내며, 이 복굴절 이방성에 의하여 직선편광이 타원편광으로 되거나, 타원편광이 직선편광으로 돌아가거나 한다. 네마틱 액정의 대부분이 양의 복굴절 이방성을 나타내며, 디스코틱 액정 등과 같이 분자 구조가 원반상인 것은 음의 복굴절 이방성을 나타낸다.

점도(γ)는 액정분자의 움직이기 쉬움을 결정하는 인자로서, 작으면 작을수록 고속으로 응답하게 되어, 상기 응답속도의 결정에 있어서 중요한 역할을 한다. 이것은 반데르발스의 힘(Van der Waals' Force)과 척력의 직접적인 작용이지만, 액정 분자 내의 알킬기, 비닐기, 페닐기 등의 분자 간 상호작용이 강한 결합기와의 밸런스 값으로 결정된다.

그런데, 한 종류의 액정만으로는 이러한 세 가지 물성을 모두 원하는 값으로 설계하는 것이 불가능하다. 따라서, 일반적으로 10종류 이상의 액정을 혼합하는 방식으로 전체적인 액정의 물성을 조절하며, 이러한 액정 조성물에 요구되는 물성은 어떠한 액정표시장치에 적용되는가에 따라 다르다.

여기서, 본 발명의 과제인 응답속도 개선을 위해서는, 액정표시장치의 구동 전압(Vop)의 변화 없이 액정의 점도(γ)를 낮추어야 하는데, 일반적으로 액정의 점도(γ)를 낮추려면 액정의 유전율 이방성(△ε)이 낮아지는 반면, 액정의 유전율 이방성(△ε)이 낮아지면 구동전압(Vop)이 높아지는 현상이 발생하여, 어느 하나의 물성에 초점을 맞추어 액정 설계를 하기가 곤란한 문제점이 발생한다.

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 액정에 특정한 방향으로의 회전 특성을 가진 키랄 도펀트를 첨가함으로써 액정표시장치의 구동전압(Vop)의 상승 없이 응답속도가 향상된 액정표시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 액정에 특정한 회전 특성을 가진 키랄 도펀트(Chiral dopant)를 첨가함에 따라, 종래의 액정 대비 유전율 이방성(△ε)이 낮은 액정을 사용하더라도, 상기 키랄 도펀트에 의하여 구동전압 상승이 억제되는 현상을 이용하여 도출된 것이다.

즉, 유전율 이방성(△ε)의 저하에 따른 점도(γ) 저하의 효과는 취하고, 구동전압의 상승 효과는 배제함으로써, 결과적으로는 응답속도가 개선된 액정표시장치를 구현할 수 있다.

이러한 본 발명에 의한 액정표시장치는, 블랙매트릭스와 컬러필터를 포함하는 제1기판; 상기 제1기판에 대향하여 설치되며, 각각 전도체로 이루어진 화소전극 및 카운터전극을 포함하는 제2기판; 및 상기 제1기판과 제2기판 사이에 충진되는 액정을 포함하여 이루어지며, 상기 화소전극 및 카운터전극은, 전압이 인가될 때 수평 전기장을 형성하며, 상기 액정은, 액정 화합물, 및 키랄 도펀트(chiral dopant)를 포함하고, 상기 키랄 도펀트는, 상기 액정의 구동시, 상기 액정의 회전 방향과 동일한 방향으로의 피치를 가짐으로써, 상기 액정의 유전율 이방성(△ε)이 낮은 경우에도 액정표시장치의 구동전압(Vop)의 상승 없이 응답속도를 상승시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 액정의 회전 방향과 동일한 방향으로의 피치를 갖는 특성이라 함은, 상기 액정이 시계 방향으로 회전하는 특성을 갖는 것일 경우, 상기 키랄 도펀트는 양의 키랄 피치 값을 가지며, 상기 액정이 반시계 방향으로 회전하는 특성을 갖는 것일 경우, 상기 키랄 도펀트는 음의 키랄 피치 값을 갖는 것을 의미한다.

본 발명에서, 바람직하게는 네마틱 액정을 사용하며, 상기 액정이 적용되는 액정표시장치로서, 바람직하게는 수평전기장을 형성하는, 예를 들어 수평전극스위칭 모드(In-Plane Switching mode, 이하 'IPS 모드'라 한다) 또는 프린지필드스위칭 모드(Fringe-Field Switching mode, 이하 'FFS 모드'라 한다) 액정표시장치를 적용한다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 상기 키랄 도펀트는, 상기 액정 100중량%에 있어서, 0.1 내지 5중량%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1.0중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량으로 키랄 도펀트를 첨가함으로써, 보다 향상된 응답속도 특성을 보이는 액정표시장치를 제공할 수 있다.

이하, 실시예를 참조하여 본 발명에 의한 액정표시장치에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 액정표시장치로서, FFS 모드 액정표시장치를 적용한다.

본 발명에서는 상기 FFS 모드 액정표시장치의 액정층에 첨가제로서 키랄 도펀트가 첨가된다. 이러한 키랄 도펀트는, 일반적으로 액정 혼합물에 적용되어 나선형 트위스트를 유도하거나, 보강하기 위한 첨가제로 사용된다. 키랄 도펀트 자체는, 이미 액정표시장치에 널리 적용되고 있으나, 주로 나선형 트위스트 구조를 필요로 하는 TN 모드 또는 STN 모드 등의 액정표시장치에 적용되는 TN 액정에 사용되는 것이 일반적이며, 본 발명에서와 같이 수평 전기장을 형성하는 액정표시장치에 적용되는 경우, 특히 액정표시장치의 응답속도를 개선하기 위하여 사용되는 것은 극히 이례적인 경우라 할 것이다.

수평 전기장을 형성하는 액정표시장치의 경우, 액정에 키랄 도펀트를 첨가하게 되면, 키럴 피치의 방향에 따라 구동 전압(Vop)이 낮아지거나, 반대로 구동전압과 투과율이 높아지는 특성을 갖는다. 따라서, 단순히 키랄 도펀트를 액정에 첨가하는 것만으로는 액정표시장치의 응답속도 개선을 이룰 수 없다.

본 발명에 사용되는 키랄 도펀트 혹은 키랄 화합물은 공지의 것을 사용하되, 앞서 설명한 바와 같이, 액정의 종류에 따라, 구동시의 액정의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하는 특성을 가진 것을 사용한다.

즉, 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 액정표시장치의 구동시, 상기 액정이 시계 방향으로 회전하는 경우, 상기 키랄 도펀트는 양(+)의 키랄 피치(시계 방향)값을 갖고, 상기 액정이 반시계 방향으로 회전하는 경우, 상기 키랄 도펀트는 음(-)의 키랄 피치(반시계 방향) 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

이렇게 구동시 액정의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전하는 키랄 피치를 갖게 하는 키랄 도펀트를 액정에 첨가하면, 구동 전압이 감소되고, 종래에 사용되는 액정에 비하여 유전율 이방성(△ε)이 낮은 액정을 사용하더라도, 이에 따라 발생하는 구동전압의 상승이 키랄 도펀트에 의하여 억제 또는 보상되어, 유전율 이방성(△ε)의 저하에 따른 점도(γ) 저하의 효과는 취하고, 구동전압의 상승 효과는 배제함으로써, 결과적으로는 응답속도가 개선된 액정표시장치를 구현할 수 있다.

키랄 피치 또는 분자 나선의 피치 (p)는 아래 수학식 1에 근사적으로 표현된 바와 같이, 액정 혼합물 중의 키랄 도펀트의 농도(c)에 반비례한다.

<수학식 1>

상기 수학식 1에서, 비례인자(HTP)는, 키랄 도펀트의 나선 비틀림을 일으키는 힘(helical twisting power)을 나타내는 인자이다.

따라서, 원하는 피치를 유도하는데 필요한 도펀트의 양을 감소시키기 위해서는, 높은 HTP를 가진 키랄 도펀트를 첨가하는 것이 유리하다. 즉, 많은 양의 도펀트를 사용하거나, 높은 HTP를 가진 도펀트를 사용하여, 짧은 피치를 얻을 수 있다. 마친가지로, 긴 피치를 얻기 위해서는, 적은 양의 도펀트를 사용하거나, 낮은 HTP를 가진 도펀트를 사용한다.

본 발명에서는, 상기 키랄 도펀트를 상기 액정 100중량%에 있어서, 0.1 내지 5중량%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1.0중량%으로 첨가하는 것이 액정에 특정 방향으로의 키랄 피치를 부여하는 한편, 적절한 키랄 피치를 이루고, 종종 키랄 도펀트를 첨가할 경우에 나타나는 낮은 용해도에 의하여, 저온에서 원치않는 결정화를 유발하는 문제점을 방지하기 위하여 바람직하다.

이하에서는, 본 발명에 의한 액정표시장치의 바람직한 실시예를 검토하여, 본 발명의 효과에 대하여 살펴보기로 한다.

실시예 1

구동시 액정이 반시계 방향으로 회전하는 FFS 모드 액정표시장치에서, 복굴절 이방성은 △n=0.129, 유전율 이방성은 △ε₁=8.5, 점도는 γ₁=97cps인 액정을, 다른 물성은 유지하고, △ε₂=7.5로 변경하였더니, γ₂=92cps가 되었다. 여기에 키랄 피치(chiral pitch)가 -30㎛이 되도록 키랄 도펀트를 첨가하고, 상기 △ε₁=8.5인 액정 및 △ε₂=7.5인 액정에 동일한 구동전압을 가하여 응답속도 변화를 살펴보 았다.

실시예 2

구동시 액정이 시계 방향으로 회전하는 FFS 모드 액정표시장치에서, 복굴절 이방성은 △n=0.12, 유전율 이방성은 △ε₁=8.5, 점도는 γ₁=77cps인 액정을, 다른 물성은 유지하고, △ε₂=7.5로 변경하였더니, γ₂=73cps가 되었다. 여기에 키랄 피치가 +25㎛이 되도록 키랄 도펀트를 첨가하고, 상기 △ε₁=8.5인 액정 및 △ε₂=7.5인 액정에 동일한 구동전압을 가하여 응답속도 변화를 살펴보았다.

실시예 3

구동시 액정이 반시계 방향으로 회전하는 FFS 모드 액정표시장치에서, 복굴절 이방성은 △n=0.12, 유전율 이방성은 △ε₁=8.5, 점도는 γ₁=84cps인 액정을, 다른 물성은 유지하고, △ε₂=6.5로 변경하였더니, γ₂=76cps가 되었다. 여기에 키랄 피치가 -15㎛이 되도록 키랄 도펀트를 첨가하고, 상기 △ε₁=8.5인 액정 및 △ε₂=6.5인 액정에 동일한 구동전압을 가하여 응답속도 변화를 살펴보았다.

그 결과는 아래 표 1과 같다.

[표 1]

구분	△n	△ε₁	γ(cps)	△ε₂	γ₂(cps)	키랄 피치 (㎛)	응답속도 상승률
실시예 1	0.129	8.5	97	7.5	92	-30	4.8%
실시예 2	0.12	8.5	77	7.5	73	+25	4.5%
실시예 3	0.12	8.5	84	6.5	76	-15	7.2%

상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 액정표시장치에 사용되는 액정에 유전율 이방성(△ε)을 낮추어 적용하더라도, 액정의 점도(γ)가 낮아지고, 액정의 회전 방향과 동일한 회전 방향의 키랄 피치를 갖는 키랄 도펀트를 첨가함으로써, 동일한 구동전압에서도 응답속도가 개선되는 효과를 얻는 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims

서로 대향하여 설치되는 양쪽 기판 사이에 액정을 포함하는 액정표시장치에 있어서,

상기 액정표시장치는, 블랙매트릭스와 컬러필터를 포함하는 제1기판; 상기 제1기판에 대향하여 설치되며, 각각 전도체로 이루어진 화소전극 및 카운터전극을 포함하는 제2기판; 및 상기 제1기판과 제2기판 사이에 충진되는 액정을 포함하여 이루어지며,

상기 액정은, 액정 화합물, 및 키랄 도펀트(chiral dopant)를 포함하고,

상기 키랄 도펀트는, 상기 액정의 구동시, 상기 액정의 회전 방향과 동일한 방향으로의 피치를 가지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제1항에 있어서,

상기 키랄 도펀트는, 상기 액정 100중량%에 있어서, 0.1 내지 5중량%인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 키랄 도펀트는,

상기 액정표시장치의 구동시 상기 액정이 시계 방향으로 회전하는 것일 때, 양의 키랄 피치 값을 가지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 키랄 도펀트는,

상기 액정표시장치의 구동시 상기 액정이 반시계 방향으로 회전하는 것일 때, 음의 키랄 피치 값을 가지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.