KR101016282B1

KR101016282B1 - 액정표시소자

Info

Publication number: KR101016282B1
Application number: KR1020030101006A
Authority: KR
Inventors: 박수현
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2011-02-22
Also published as: KR20050069110A; US20050140919A1; US7525632B2

Abstract

본 발명은 온도에 따른 액정 물성 최적화를 통해 액정패널의 성능을 향상시키고자 하는 액정표시소자에 관한 것으로서, 본 발명의 액정표시소자는, 두 기판 사이에 액정층이 구비되어 화상을 표시하는 액정패널과 상기 액정패널 배면에 구비되어 상기 액정패널로 광을 조사하는 백라이트를 포함하는 액정표시소자에 있어서, 상기 액정층의 20℃에서의 굴절율 이방성(△n)에 대한 30℃~70℃에서의 굴절율 이방성(△n)의 비가 0.9 이상 1 이하이다.

위상차, 유전율 이방성, 굴절율 이방성

Description

액정표시소자{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}

도 1은 액정표시장치의 단면도.

도 2는 액정표시소자의 시간에 따른 패널온도 및 휘도를 도시한 그래프.

도 3은 액정표시소자의 온도에 따른 상대투과율을 도시한 그래프.

도 4는 액정표시소자의 온도에 따른 액정의 굴절율 이방성(△n)을 도시한 그래프.

도 5는 액정표시소자의 온도에 따른 액정의 유전율 이방성(△ε)을 도시한 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 상부기판 2 : 하부기판

5 : 액정층 6 : 편광판

8 : 액정패널 9 : 백라이트

본 발명은 액정표시소자(LCD; Liquid Crystal Display Device)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도에 따른 액정 물성 최적화를 통해 액정패널의 성능을 향상시키고자 하는 액정표시소자에 관한 것이다.

최근 들어, 평판표시장치에 대한 연구가 활발한데, 그 중에서 각광받고 있는 것으로 액정표시소자, FED(Field Emission Display Device), ELD(Electro-luminescence Display Device), PDP(Plasma Display Panels) 등이 있다.

그 중에서도 최근 계속해서 주목받고 있는 평판표시소자 중 하나인 액정표시소자는 액체의 유동성과 결정의 광학적 성질을 가지는 액정에 전계를 가하여 광학적 이방성을 변화시키는 소자로서, 박형, 저가, 저소비 전력 구동 등의 특징을 가져 랩 탑 컴퓨터(lap top computer)나 포켓 컴퓨터(pocket computer) 외에 차량 적재용, 칼라 TV의 화상용으로도 그 용도가 급속하게 확대되고 있다.

이러한 액정표시소자는 상부기판인 컬러필터(color filter) 기판과 하부기판인 박막트랜지스터(TFT:Thin Film Transistor) 어레이 기판이 서로 대향되도록 배치되고, 그 사이에 유전율 이방성을 갖는 액정이 형성되는 구조를 가져, 화소 선택용 어드레스(address) 배선을 통해 수십 만개의 화소에 부가된 TFT를 스위칭 동작시켜 해당 화소에 전압을 인가하고, 커패시터에 의해 다음 어드레스까지 해당 화소에 충진된 전압을 유지시켜 주는 방식으로 구동된다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 종래의 액정표시소자를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

통상, 액정표시장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 유전율 이방성을 갖는 액정층(5)을 그 사이에 두고 상,하부 기판(1,2)이 대향합착된 액정패널과, 상기 액정패널의 상,하면에 각각 부착되어 일정방향의 광만 투과시키는 편광판(6)과, 상기 편광판(6)이 부착된 액정패널(8)과의 갭이 전면에 대해 일정하도록 장착되어 액정패널에 광을 제공하는 백라이트(back light, 9)와, 상기 액정패널과 백라이트를 지지 해주기 위해 백라이트 외측면을 감싸는 케이스와, 상기 케이스 외부에 부착되어 화상이 표시되는 유효면적을 제외한 가장자리에 둘러싼 스텐레스 스틸 재질의 베젤(bezel)부로 구성되어, 액정층의 배열 상태와 편광판의 편광축 위치에 따라 백라이트에서 발생하는 빛의 양이 조절되어 그레이 스케일(gray scale)을 구현한다.

이 때, 상기 하부기판(2) 내측면에는 수직으로 교차 배치되어 단위 화소를 정의하는 복수개의 게이트 배선 및 데이터 배선과, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차지점에 배치되어 전압의 턴-온 또는 턴-오프를 제어하는 박막트랜지스터(TFT)와, 상기 박막트랜지스터(TFT)에 연결되어 액정층에 전압을 인가하는 화소 전극이 구비되어 있다.

그리고, 상기 상부기판(1) 내측면에는 일정한 순서로 배열되어 색상을 구현하는 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)의 컬러필터층과, R,G,B 셀 사이의 구분과 광차단 역할을 하는 블랙 매트릭스와, 액정 셀에 전압을 인가하기 위한 공통 전극으로 구성된다.

이 때, 상기 액정표시소자가 횡전계방식에 의한 액정표시소자일 경우에는, 상기 상부기판(1)에 공통전극이 형성되지 않고 하부기판(2)에서 상기 화소전극과 평행하게 형성되어 횡전계를 발생시킨다.

상기와 같은 다양한 패턴이 형성된 상,하부 기판(1,2) 내측면에는 배향막이 더 구비되어 액정층(5)의 액정분자를 원하는 방향으로 초기 배열시킨다.

한편, 상기 액정층(5)은 외부로부터의 전자장(電磁場)이나 열, 응력 등 이종 물질의 흡착 등에 따라 분자 배열이 바뀌거나 변형되기 쉬운 성질을 가지고 있는 고분자 물질로서, 주로 전기적 전압을 적용시키면 광학적 특성이 가역적으로 변화하는 특성을 이용한다.

상기의 액정패널은 그 자체가 비발광성이므로 빛을 조사하기 위한 별도의 외부광원이 필요하다. 특히, 투과형 액정표시장치의 경우 LCD 패널의 배면에 광을 발산하고 안내하는 별도의 조광장치, 즉 백라이트가 반드시 필요하다.

그러나, 최근 직하형 방식의 백라이트를 많이 사용하고, 또한, 액정패널의 사이즈가 커짐으로 인해, 백라이트의 수가 많아져서, 액정패널의 표면온도가 점차 상승하고 있는 추세이다.

이와 같이, 액정패널의 온도가 상승하면, 액정의 굴절율 이방성(△n) 값뿐만 아니라 유전율 이방성(△ε) 값도 감소되는데, 이는 액정패널의 휘도와 콘트라스트비(C/R: Contrast Ratio)를 저하시키고 유전율 이방성과 반비례 관계를 가지는 Vth(Threshold Voltage)의 변화도 초래한다. Vth는 투과율 10%일 때의 액정표시소자의 구동전압을 말한다.

즉, 액정패널의 초기 온도를 20℃ 정도라 가정했을 때, 액정패널이 구동되면 백라이트에 의해 뜨거워져 액정패널의 온도가 60℃까지 상승하게 되는데, 종래에는 액정의 물성이 20℃에 맞추어져 있어서 액정패널의 온도가 상승하게 되면, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 굴절율 이방성(△n) 수치와 유전율 이방성(△ε) 수치가 감소하게 된다.

이때, 도 4는 액정표시소자의 온도에 따른 액정의 굴절율 이방성(△n)을 도시한 그래프이고, 도 5는 액정표시소자의 온도에 따른 액정의 유전율 이방성(△ε)을 도시한 그래프이다.

일예로, 횡전계방식 액정표시소자에 적용되는 액정의 경우에도, 액정의 물성이 온도에 크게 의존함을 볼 수 있는데, 유전율 이방성은 20℃와 60℃에서 각각 7과 4.1의 수치를 나타내고, 굴절율 이방성은 20℃와 60℃에서 각각 0.0779와 0.0581의 수치를 나타낸다. 이와같이, 액정패널의 온도 특성은 유전율 이방성 및 굴절율 이방성에 큰 영향을 미친다.

도 2는 액정표시소자의 시간에 따른 패널온도 및 휘도를 도시한 그래프로서, 시간이 지남에 따라 액정패널의 표면 온도가 45℃까지 증가하는 것을 확인할 수 있고, 이로 인해 액정 물성이 변화하여 액정패널의 휘도도 초기대비 크게 감소하는 현상을 볼 수 있다.

또한, 정해진 화이트 전압(Vmax)에서의 휘도가 감소하는 것에 의해, 콘트라스트비도 감소하게 된다.

그리고, 도 3은 액정표시소자의 온도에 따른 상대투과율을 도시한 그래프로서, 20℃ 및 60℃에서의 액정 물성 값을 각각 고려했을 때 투과율 시뮬레이션 결과를 나타낸 것인데, 액정의 위상차(Δnd)의 감소로 인하여 60℃에서의 Vmax(Von에 대응되는 전압), Vth(Voff에 대응되는 전압)가 증가하는 쪽으로 쉬프트 됨을 볼 수 있다.

또한, 온도에 따른 투과율 변화로 인해 잔상, 크로스토크(cross talk) 등의 화질 저하도 초래된다.

이와 같이, 패널 온도 상승으로 인해 액정물성이 변화되어 유전율 이방성 및 굴절율 이방성이 크게 감소됨으로써 결국, 휘도감소, C/R감소, Vth 쉬프트, 잔상증 가 등으로 인해 화질이 저하되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 액정패널의 대형화 및 백라이트 수의 증가로 인해 액정패널의 온도가 상승하여 화질이 저하되었던 문제점을 해결하기 위해서, 온도에 따른 액정 물성의 최적화를 통해 액정패널의 성능을 향상시키고자 하는 액정표시소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정표시소자는 두 기판 사이에 액정층이 구비되어 화상을 표시하는 액정패널과 상기 액정패널 배면에 구비되어 상기 액정패널로 광을 조사하는 백라이트를 포함하는 액정표시소자에 있어서, 상기 액정층의 액정 물성이 상기 액정패널의 구동온도인 30℃∼70℃에 맞도록 최적화된 것을 특징으로 한다.

즉, 최근 액정표시소자의 PC 모니터 및 TV 모니터 등으로의 제품화로 인해 패널 사이즈가 대형화되고 있는데, 액정패널이 대형화되고 백라이트 수가 많아지면서 액정패널의 온도가 상승함으로써, 기존에 20℃에 맞추어서 최적화된 액정 물성의 적합성이 떨어지는 문제점이 있었는데, 본 발명은 액정 물성을 실제 구동되는 액정패널의 온도에 최적화시킴으로써 액정패널의 온도 상승에 의한 화질저하 문제를 극복하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 액정의 물성을 액정패널의 실제 구동온도인 30℃∼70℃에 최적화되도록 하기 위해, 액정의 △nd를 275nm∼340nm가 되도록 하고, 20℃에서의 굴절율 이방성(△n)에 대한 액정패널의 구동온도에서의 굴절율 이방성(△n) 비를 0.9이상 1이하가 되도록 하며, 20℃에서의 유전율 이방성(△ε)에 대한 액정패널의 구동온도에서의 유전율 이방성(△ε) 비를 0.8이상 1이하가 되도록 최적화하며, 네마틱(nematic)에서 등방성(isotropic) 상태로 정렬되는 전이온도(Tni)가 85℃이상인 액정을 사용하는 것으로 한다.

이하에서, 더욱 구체적으로 살펴보기로 한다.

먼저, 20℃의 온도 물성 데이타를 기준으로 액정 물성을 최적화하였던 종래와 달리, 본 발명에서는 액정패널의 구동온도 특성을 고려하여 액정 물성을 최적화 하고자 한다.

따라서, 실제로 액정표시소자를 구동할 때, 액정패널에서의 액정이 받는 온도를 정확히 평가한다. 액정패널의 구동온도는 액정패널의 사이즈, 상기 액정패널에 광을 조사하는 백라이트의 종류 및 개수에 따라 달라지는데, 대체로 30℃∼70℃의 온도를 가지게 된다.

결국, 액정의 물성도 30℃∼70℃에 최적화되도록 맞추어준다.

그렇게 하기 위해서, 먼저 투과율이 최대가 되는 리타데이션 값을 정한다.

일반적으로, 횡전계방식 액정표시소자에 대한 투과율 T는 sin²(2Θ)sin²(πΔnd/λ)에 비례하는데, 이 때 투과율이 최대가 되는 1st minimum 조건이 Δnd가 275nm 되도록 한다. 여기서, Δn은 굴절율 이방성이고, d는 셀갭을 나타낸다.

다만, 상하부 기판 내측면에 배향막이 더 구비되는 액정표시소자에 대해서 전압을 인가하는 경우에는, 배향막 가까이 있는 액정 방향자가 배향막의 직접적인 반응성에 의해 거의 움직이지 않게 되므로, 액정 방향자가 실제로 움직이는 유효 셀갭 d가 작아지는 것을 고려해서 Δnd를 보정한다. 즉, 약 10% 정도 큰 300nm의 값을 갖도록 한다.

따라서, 액정패널 구동온도에서의 액정의 Δnd가 300nm를 가지는 것이 바람직할 것이며, 넓게는 액정패널의 구동온도 T에서 액정의 위상차(retardation) 값이 275nm∼340nm가 되도록 하는 것이 바람직할 것이다.

그러나, 액정의 위상차 값이 1st minimum 근처의 값(275nm∼340nm)을 가지는 것은, 액정패널의 온도가 구동온도로 포화(saturation) 되었을 때는 바람직하지만, 포화되기 전의 낮은 온도에서는 적합하지 못하므로, 오히려 휘도 감소 등 패널의 화질 저하가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 액정으로 굴절율 이방성(△n)의 온도 의존성이 적은 것을 적용하는 것이 좋다.

도 4에 도시된 바와 같이, 온도 변화에 따른 굴절율 이방성(△n)의 변화가 큰 액정보다는, 그 변화가 작은 액정이 본 발명에 더욱 적합할 것이다. 바람직하게는 실제 구동시 액정패널의 구동온도 T에서의 굴절율 이방성(△n)에 대한 20℃에서의 굴절율 이방성(△n)의 비(△n_{(구동온도 T)}/△n_(20℃))가 0.9이상 1이하인 것이 좋다.

이 때, 액정의 Δｎ(refractive anisotropy : 굴절율 이방성)을 크게 하면 낮은 전압에서 블랙 특성이 나타나게 할 수 있으나, 계조를 표시할 수 있는 전압의 폭(ΔＶ)이 크게 줄어서 IC의 출력편차 문제로 그레이 반전(Gray Inversion)이 발생하고, 일정값 이하로 작게 하면 콘트라스트비가 떨어지므로 주어진 범위 안에서 적정한 굴절율 이방성 값을 선택한다.

한편, 액정이 네마틱(nematic)에서 등방성(isotropic) 상태로 정렬되는 전이온도(Tni)가 높은 액정을 광온도 액정이라고 하는데, 네마틱-등방성 전이온도(Tni)가 높을수록 굴절율 이방성(△n)의 온도 의존성이 작고 넓은 온도 범위에서 네마틱 상을 가지게 되므로, 네마틱-등방성 전이온도(Tni)가 높은 액정이 본 발명에 적용되는 액정으로 보다 적합하다. 본 발명에 의한 액정의 네마틱-등방성 전이온도(Tni)는 100℃이상이 바람직하며, 최소한 85℃이상은 되어야 한다.

그리고, 액정의 Δε(dielectric anisotropy : 유전율 이방성)은 일반적으로 온도가 증가할수록 감소하므로 실제 패널 동작 온도를 고려해서 유전율 값을 적용해야된다. 따라서, 패널 동작 온도(30℃〈T〈70℃)에서 유전율이 7이상이 되는 것이 바람직하며, 구체적으로, 액정패널의 구동온도 T에서의 유전율 이방성(△ε)에 대한 20℃에서의 유전율 이방성(△ε) 비(△ε_{(구동온도 T)}/△ε_(20℃))가 0.8이상 1이하인 것이 바람직하다.

이 때, 유전율 이방성(Δε)이 너무 크면 액정의 극성이 증가하여 주변재료인 실(Seal)재와 주입구 경화재, 배향막 등의 입자 또는 전자를 끌어 들여서 휘도를 떨어뜨리게 되고, 응답 속도를 떨어뜨리는 결과를 낳는다. 또한, 다음 프레임의 신호가 올 때까지의 전압 유지율, 즉 VHR(Voltage Holding Ratio)을 떨어뜨리게 되고, 잔류 직류(Direct Current)가 높아져서 잔상(Image Sticking)의 원인을 제공하므로 주어진 범위 안에서 적정한 유전율 이방성 값을 선택한다.

더욱이, 도 5에 도시된 바와 같이, 온도 변화에 따른 유전율 이방성(△ε)의 변화가 큰 액정보다는, 그 변화가 작은 액정이 본 발명에 적합하다.

이 때, 액정패널의 온도가 구동온도로 포화(saturation) 되었을 때 뿐만 아니라, 포화되기 전의 낮은 온도에서도 적합할 수 있도록 액정의 유전율 이방성도 온도에 따른 변화가 작은 것이 좋다.

마지막으로, 실제 패널 동작 온도에 맞는 Vmax, 감마값 등의 구동 조건 설정이 요구된다.

이 때, 액정에 전압을 인가한 때의 전압과 투과율(또는 반사율)과의 관계를 감마특성이라고 부르는데, 상기 그래프의 그레이를 나누는 정도를 감마값이라 한다.

한편, 상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 동일 사상의 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 액정표시소자는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 액정 물성을 실제 구동되는 액정패널의 온도에 최적화시킴으로써 액정패널의 온도 상승에 의한 화질저하 문제를 극복할 수 있다.

따라서, 패널 온도 상승에 의한 유전율 이방성 및 굴절율 이방성 등의 액정 물성의 변화를 최소화함으로써 결국, 휘도감소, 콘트라스트비 감소, Vth 쉬프트, 잔상증가 등의 화질 저하 문제를 극복하게 된다.

둘째, 액정패널의 온도에 대한 액정 물성의 변화를 최소화함으로써 액정패널 의 대형화 및 백라이트 종류, 개수의 선정이 용이해진다.

Claims

두 기판 사이에 액정층이 구비되어 화상을 표시하는 액정패널과 상기 액정패널 배면에 구비되어 상기 액정패널로 광을 조사하는 백라이트를 포함하는 액정표시소자에 있어서,

상기 액정층의 20℃에서의 굴절율 이방성(△n)에 대한 30℃∼70℃에서의 굴절율 이방성(△n)의 비가 0.9 이상 1 이하인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제 1 항에 있어서,

상기 액정층의 굴절율 이방성(△n)과 셀 갭(d)의 곱(△nd)이 275nm인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제 1 항에 있어서,

상기 액정층의 굴절율 이방성(△n)과 셀 갭(d)의 곱(△nd)이 275nm 이상 340nm이하인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 액정층의 네마틱-등방성 전이온도(Tni)가 85℃이상인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제 1 항에 있어서,

상기 액정층의 20℃에서의 유전율 이방성(△ε)에 대한 30℃~70℃에서의 유전율 이방성(△ε)의 비가 0.8이상 1이하인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.