KR101112564B1

KR101112564B1 - 액정표시장치

Info

Publication number: KR101112564B1
Application number: KR1020050004513A
Authority: KR
Inventors: 허일국; 유승후; 한은희; 반병섭
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2012-03-13
Also published as: US7768582B2; KR20060083633A; US20060158573A1

Abstract

본발명은 액정표시장치에 관한 것이다. 본발명에 따른 액정표시장치는 화소전극이 형성되어 있는 제1기판과, 상기 제1기판과 대향하며 공통전극이 형성되어 있는 제2기판과, 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 위치하고 있는 액정을 포함하며, 상기 화소전극에 인가되는 블랙전압(Vb)은 3 내지 4.4 볼트이며, 상기 액정의 수직방향 유전율(ε_⊥)은 수평방향 유전율(ε_?)의 0.27배 이상이다. 이에 의해 응답속도가 개선된 액정표시장치가 제공된다.

Description

액정표시장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}

도 1은 본발명의 일실시예에 따른 액정표시장치를 도시한 단면도로서, 화이트 상태의 액정 배열을 나타낸 그림이고,

도 2는 본발명의 일실시예에 따른 액정표시장치를 도시한 단면도로서, 블랙 상태의 액정 배열을 나타낸 그림이고,

도 3은 본발명의 일실시예에 따른 액정표시장치의 등가회로도이고,

도 4는 본발명의 일실시예에 따른 액정표시장치에서 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프로서 상승시간과 하강시간을 나타낸 그래프이고,

도 5는 본발명의 일실시예에 따른 액정표시장치에서 구동 전압에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 6은 커스프 발생을 설명하기 위한 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 7은 액정에 인가되는 전압이 일정할 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 8은 표 3의 1번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 9는 표 3의 2번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 10은 액정에 인가되는 구동 전압에 따른 투과율의 변화를 액정의 유전율 이방성에 따라 나타낸 그래프이고,

도 11은 표 4의 1번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 12는 표 4의 2번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 13은 표 5의 1번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 14는 표 5의 2번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 *

110 : 제1절연기판 120 : 저장용량 전극선

130 : 게이트 절연막 140 : 보호막

150 : 화소전극 210 : 제2절연기판

220 : 블랙매트릭스 230 : 컬러 필터층

240 : 오버코트층 250 : 공통전극

본 발명은 액정표시장치에 관한 것이다.

평판표시장치(flat panel display)로서 널리 사용되는 액정표시장치(LCD)는 CRT에 비하여 얇고 가벼우며 또한 소모전력이 작은 장점을 가지고 있다. 일반적으로 액정표시장치는 공통전극 및 컬러 필터 등이 형성되어 있는 상부 기판, 화소전극과 박막트랜지스터 등이 형성되어 있는 하부 기판 그리고 양 기판 사이에 주입되어 있는 액정을 포함한다. 공통전극과 화소전극에 서로 다른 전위를 인가하여 전계 를 형성하면 액정 분자들의 배열이 변경되어 빛의 투과율이 조절된다.

이러한 액정표시장치가 동화상의 표시에 많이 이용되면서 액정의 응답속도(Tre, response time)가 중요하게 인식되고 있다. 액정의 응답속도가 느리면 동영상 번짐(motion blur) 현상이 발생하여 품질이 저하된다.

본발명의 목적은 응답속도가 개선된 액정표시장치를 제공하는 것이다.

본발명에 따른 액정표시장치는 화소전극이 형성되어 있는 제1기판과, 상기 제1기판과 대향하며 공통전극이 형성되어 있는 제2기판과, 상기 제1기판과 상기 제2기판 상이에 위치하고 있는 액정을 포함하며, 상기 화소전극에 인가되는 블랙전압(Vb)은 3 내지 4.4 볼트이며 상기 액정의 수직방향 유전율(ε_⊥)은 수평방향 유전율(ε_?)의 0.27배 이상이다.

상기 액정의 유전율 이방성의 일실시예로서, 상기 액정의 유전율 이방성은 7 내지 12 사이일 수 있다.

상기 화소전극에 인가되는 화이트전압(Vw)의 일실시예로, 화이트 상태에서 투과율이 10%감소되는 때의 전압을 10% 전압(V₁₀)이라 할 때, 화이트 전압은 10% 전압의 0.5배 이하일 수 있다.

저장용량(Cst)의 일실시예로, 저장용량은 액정용량(Clc)의 0.5배 이상일 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본발명을 더욱 상세히 설명하겠다.

도 1과 도2는 본발명의 일실시예에 따른 액정표시장치(1)를 도시한 단면도로서 각각 화이트 상태의 액정 배열과 블랙 상태의 액정 배열을 나타내고 있다.

액정표시장치(1)는 제1기판(100)과 제2기판(200), 그리고 양 기판(100, 200) 사이에 위치하는 액정(300)을 포함한다.

제1기판(100)의 제1절연기판(110) 상에는 박막트랜지스터(T)와 저장용량(Cst)을 형성하기 위한 저장용량 전극선(120)이 마련되어 있다. 박막트랜지스터(T) 는 보호막(140)으로 덮여 있으며 저장용량 전극선(120)은 게이트 절연막(130)과 보호막(140)으로 덮여 있다. 보호막(140) 상에는 박막트랜지스터(T)와 전기적으로 연결되어 있는 화소전극(150)이 형성되어 있다.

제2기판(200)의 제2절연기판(210) 상에는 박막트랜지스터(T)에 대응하여 형성되어 있는 블랙매트릭스(220)와, 블랙매트릭스(220)를 경계로 적색, 녹색, 청색 컬러필터(230)가 마련되어 있다. 블랙매트릭스(220)와 컬러필터(230)는 오버코트층(240)으로 덮여 있으며, 오버코트층(240) 상에는 공통전극(250)이 형성되어 있다.

이러한 제1기판(100)과 제2기판(200) 사이에는 액정(300)이 주입되어 있어 전계의 변화에 따라 액정의 배열이 달라지면서 여러 가지 화상을 표현하게 된다.

액정표시장치(1)는 노말리 화이트 TN모드(normally white twisted nematic mode)이다. 화이트 상태에서는 도 1과 같이 액정(300)의 장축이 전계(E) 방향과 수직이 되며, 블랙 상태에서는 도2와 같이 액정(300)의 장축이 전계(E) 방향에 수평 이 된다.

도 3은 본발명의 일실시예에 따른 액정표시장치의 등가회로도이다. 박막트랜지스터(T)는 서로 직교하는 게이트선과 데이터선에 연결되어 있다. 박막트랜지스터(T)에는 액정용량(Clc)과 저장용량(Cst)가 연결되어 있다. 액정용량(Clc)은 화소전극(150)과 공통전극(250) 사이에서 액정에 형성되는 용량이며, 저장용량(Cst)은 저장용량 전극선(120)과 화소전극(150) 사이에서 게이트 절연막(130) 및 보호막(140)에 형성되는 용량이다. 여기서 저장용량(Cst)은 화소전극(150)을 전단 게이트선(previous gate line)과 겹치게 하는 등의 다양한 방법으로 형성될 수 있다.

도 4는 본발명의 일실시예에 따른 액정표시장치에서 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프로서 상승시간과 하강시간을 나타낸 그래프이다.

노말리 화이트 TN모드(normally white twisted nematic mode)에서 액정표시장치의 응답시간(Tre)은, 구동 전압에 의해 화소전극(150)과 공통전극(250) 사이에 전계가 걸릴 때 액정이 전계의 방향으로 배열하여 안정된 상태에 이르는데 걸리는 시간인 상승시간(rising time, Tr)과 전계가 사라져 액정이 원래의 안정된 상태로 이른데 걸리는 시간인 하강시간(falling time, Tf)을 합한 시간으로 정의된다. 구체적으로, 상승시간은 구동전압에 의해 액정에 전계가 걸려 액정이 전계 방향으로 배열하여 준안정 상태에 이르는 시간으로서 투과율이 90%에서 10%까지 변하는데 걸리는 시간이고, 하강시간은 구동전압이 오프됨으로써 전계가 사라져 원래의 안정된 상태로 돌아가는데 걸리는 시간으로서 투과율이 10%에서 90%까지 변하는데 걸리는 시간이다.

도 5는 본발명의 일실시예에 따른 액정표시장치에 있어서, 구동 전압에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이다.

문턱전압(Vth)이란 처음 전압을 인가하기 시작해서 투과율의 변화가 본격적으로 일어나기 시작하는 지점의 전압을 말하며, 10% 전압(V₁₀)이란 화이트 상태에서 투과율이 10% 감소하는 지점의 전압을 말한다.

또한 화이트 전압(Vw)이란 구동 전압 중에서 액정표시장치가 가장 밝은 색을 나타내도록 인가되는 전압을 말하며, 블랙 전압(Vb)이란 구동 전압 중에서 액정표시장치가 가장 어두운 색을 나타내도록 인가되는 전압을 말한다.

노말리 화이트 TN 모드에서는 블랙 전압(Vb)이 구동 전압 중 가장 큰 전압이고, 화이트 전압(Vw)이 구동 전압 중 가장 작은 전압이다.

이하 노말리 화이트 TN 모드의 액정표시장치의 응답시간에 대하여 도 6과 도 7을 참조하여 설명한다. 이하 시간에 따른 투과율을 나타낸 그래프에서 신호인가는 4ms가 경과한 후에 이루어져 1프레임에서의 투과율은 약 20.6ms에서의 투과율이 된다. 즉 한 프레임의 시간은 약16.6ms인데, 이는60Hz 구동에서의 한 프레임의 시간이다.

도 6은 커스프(cusp) 발생을 설명하기 위한 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7은 액정에 인가되는 전압이 일정할 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이다.

한 프레임 동안 액정이 느끼는 전압(V)은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

식 1

여기서 Q는 액정에 인가된 전하량, Clc는 액정용량, Cst는 저장용량을 나타낸다.

식 1에서 액정용량을 나타내는 Clc는 액정의 유전율 이방성(ε)에 의해 한 프레임 내에서 변화하게 되며, 이에 따라 액정이 느끼는 전압(V)도 변화하게 된다. 도 6은 이러한 상태에서 시간에 따른 투과율을 나타낸 것으로 투과율이 시간에 따라 변하지 않는 부분, 즉 커스프(cusp)가 발생된 것을 관찰할 수 있다. 커스프가 발생한 구역에서는 시간에 따라 투과율이 증가하지 않으므로 응답속도가 느려진다. 특히 커스프가 투과율 90%이하에서 발생하면 응답속도는 더욱 느려진다. 도 6에서의 응답시간은 20.01ms였다.

도 7은 액정에 인가되는 전압을 일정하게 유지한 상태에서의 시간에 따른 투과율을 나타낸 것으로 커스프가 발생하지 않았다. 도 7에서의 응답시간은 12.32ms였다.

한편 노트북과 같은 휴대용 기기에 사용되는 액정표시장치는 저전력소비가 매우 중요하여 구동 전압 중 가장 높은 블랙 전압(Vb)은 3 내지 4.4볼트로 제한된다. 이에 따라 3 내지 4.4 볼트에서 블랙 상태를 만들기 위하여 유전율 이방성이 큰 액정을 사용하는데, 액정의 큰 유전율 이방성이 커스프를 유발하는 문제가 있다.

발명자들은 저전압구동 액정표시장치에서 액정의 수직방향 유전율(ε_⊥) 대 수평방향 유전율(ε_?)의 비, 화이트 전압(Vw)의 크기 그리고 저장용량(Cst) 대 액정용량(Clc)의 비를 조절하여 커스프를 발생하지 않게 하거나 투과율 90%이상에서 발생하게 할 수 있음을 밝혔다. 이하 이에 대하여 설명한다.

액정의 수직방향 유전율(ε _⊥ ) 대 수평방향 유전율(ε _? )의 비

액정이 한 프레임 동안 느끼는 전압은 식 1과 같으며, 액정용량(Clc)과 액정의 유전율(ε)의 관계는 다음과 같다.

식 2

여기서 ε₀는 진공에서의 액정의 유전율, A는 화소전극의 면적, d는 셀갭을 나타낸다. 식 2에 공통인자로서 다음과 같은 Klc를 도입하면, 액정용량은 식4와 같이 나타낼 수 있다.

식 3

식 4

이에 따라 액정이 느끼는 전압을 다음과 같이 액정의 유전율로 나타낼 수 있다. 즉 액정이 느끼는 전압은 액정의 유전율에 의존하는 것이다.

식 5

식 5를 이용하여 블랙 상태에서 화이트 전압을 인가하여 화이트 상태로 전이될 때 전압 변화를 살펴본다.

수직방향 유전율(ε_⊥) 은 4.4이고 수평방향 유전율(ε_?)은 17인 경우를 예로 든다. 초기 블랙상태에서 액정은 거의 수직배향 상태이고 액정의 유전율은 수평방향 유전율(ε_?)의 지배를 받아 초기 전압(Vi)은 다음과 같이 된다.

식 6

이 후 액정이 누우면서 액정은 거의 수평배향 상태가 되고 액정의 유전율은 수직방향 유전율(ε_⊥) 의 지배를 받아 최종 전압(Vf)은 다음과 같이 초기전압(Vi)보다 높게 된다.

식 7

이와 같이 낮은 화이트 전압을 인가하였으나 액정용량이 변화하면서 높은 전압이 인가된다. 이 같은 전압변화가 커스프(cusp)의 발생원인이며, 이를 최소화하기 위해서는 액정용량 변화를 최소화해야 한다.

화이트 상태에서의 액정용량(Clcw)과 블랙 상태에서의 액정용량(Clcb)은 다음과 같이 나타내어진다.

식 8

Clcw/Clcb은 다음과 같이 ε_⊥/ε_?로 나타낼 수 있다.

식 9

액정용량 변화를 작게 해야 하는 것은 Clcw/Clcb를 크게 한다는 것으로 즉 ε_⊥/ε_?를 크게 해야 함을 알 수 있다.

표 1은 수직방향 유전율(ε_⊥) 을 3.58로 고정시키고 수평방향 유전율(ε_?)을 변화시키면서 전압변화를 관찰한 것이며, 표 2는 수평방향 유전율(ε_?)을 10.68 로 고정시키고 수직방향 유전율(ε_⊥)을 변화시키면서 전압변화를 관찰한 것이다. 표 1과 표 2의 데이터는 시뮬레이션에 의해 얻은 것이며 블랙 전압이 인가된 상태에서 화이트 전압을 인가한 경우이다. 화이트 전압은 0.7V와 0.5V 두 가지 경우로 나누었다. 블랙전압은 3.8V이며 셀갭은 4.0㎛였다.

표 1

표 2

표 1에서 보면 수평방향 유전율(ε_?) 이 감소할수록 블랙 상태에서의 액정 용량(Clcb)이 감소하며 수직방향 유전율(ε_⊥)이 증가할수록 화이트 상태에서의 액정 용량(Clcw)가 증가함을 알 수 있다. 즉 수평방향 유전율(ε_?) 이 감소할수록 그리고 수직방향 유전율(ε_⊥)이 증가할수록 액정용량의 변화가 작아지는 것이다.

프레임 경과 후의 전압을 인가된 화이트 전압과 비교하면 다음과 같다.

수평방향 유전율(ε_?) 이 감소할수록 프레임 후의 전압과 인가된 화이트 전압과의 차이가 적었다. 수직방향 유전율(ε_⊥)이 증가할수록 프레임 후의 전압과 인가된 화이트 전압과의 차이가 적었다. 즉 수평방향 유전율(ε_?) 이 감소할수록 그리고 수직방향 유전율(ε_⊥)이 증가할수록 액정은 인가한 화이트 전압과 유사한 전압을 느끼는 것이다.

이와 같이 표 1과 표2로부터 수직방향 유전율(ε_⊥) 대 수평방향 유전율(ε_?)의 비가 크면 전압변화가 적게 됨을 확인할 수 있다.

표 3은 ε_⊥/ε_?를 변경하면서 응답시간을 측정한 결과이다. 화이트 전압은 0.5V 였으며, 블랙 전압은 3.8V였다.

표 3

표 3을 보면 ε_⊥/ε_?가 0.340과 0.0280인 1번과 2번의 경우 응답속도가 16ms 이하로 나타났다. 또한 도 8과 도 9에서 보듯이 커스프도 거의 발생하지 않는다. 반면 ε_⊥/ε_?가 0.266인 3번의 경우 응답속도가 20.01ms로서 16ms보다 크며 커스프는 88%의 투과율에서 나타났다.

이로부터 ε_⊥/ε_?는 약 0.27 이상이 되어야 함을 알 수 있다.

한편 액정의 유전율 이방성(Δε)은 7 내지 12 사이일 수 있다. 도 10은 서로 다른 유전율 이방성을 갖는 액정에 인가되는 구동 전압에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이다. 액정의 유전율 이방성이 7보다 작으면 3.8V와 같은 저전압에서 수직배향되지 않는 문제가 있다. 즉 블랙 전압으로3.8V를 사용할 경우 완전한 블랙상태를 얻을 수 없는 것이다. 반면 액정의 유전율 이방성이 12보다 클 경우 낮은 전압에서 블랙 상태를 얻을 수 있으나, 투과율이 전압변화에 민감하게 되어 신뢰성이 낮아지는 문제가 있다.

액정의 화이트 전압

상술한 바와 같이 노말리 화이트 TN 모드에서, 화이트 상태에서는 도 1과 같이 액정의 장축이 전계 방향과 수직이고, 블랙 상태에서는 도 2와 같이 액정의 장축이 전계방향과 평행하게 된다. 그러므로 액정에 가해지는 구동력이 큰 경우에는 액정이 빠른 시간 내에 수직 배향에서 수평 배향으로, 또는 수평 배향에서 수직 배향으로 회전한다. 따라서 응답속도가 빨라진다.

액정에 가해지는 구동력(F)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

식 10

여기서 Vbw는 블랙 전압과 화이트 전압의 전압차를, d는 셀갭을, Q는 전하량을 나타낸다.

전압차가 클수록 액정에 가해지는 구동력이 커지므로 액정이 빨리 회전하고, 이에 따라 보다 빠른 응답속도를 가짐을 알 수 있다. 블랙 전압은 저전압 구동을 위해 일정 전압이상 올릴 수 없는 반면 화이트 전압은 조절이 가능하다.

표 4는 화이트 전압를 변화시키면서 응답시간을 측정한 결과이다. 10%전압(V₁₀)은 0.2V, 수직방향 유전율(ε_⊥)은 3.6 그리고 수평방향 유전율(ε_?)은 13.6로서 ε_⊥/ε_?는 약 0.27이고, 유전율 이방성은 10, 블랙전압은 3.8V, 셀갭은 약 4㎛였다.

표 4

도 11은 표 4의 1번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 12는 표 4의 2번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이다. 1번과 2번의 경우 응답시간이 각각 20.01ms와 19.01ms로 나타났으며 커스프도 90%이하의 투과율에서 나타났다. 반면 3번의 경우 15.86ms의 응답시간을 나타냈으며 커스프도 90%에서 나타났다.

이로부터 화이트 전압을 V₁₀의 0.5배 이하로 하면 응답시간을 개선시킬 수 있음을 알 수 있다.

표 4의 실험값은 ε_⊥/ε_?가 약 0.27인 액정을 이용하여 얻었으나 ε_⊥/ε _?가 0.27이상인 액정에 대하여도 화이트 전압을 낮추는 효과는 동일하게 얻어진다.

저장 용량 대 액정 용량의 비

한 프레임 동안 액정이 느끼는 전압(V)은 식 1과 같이 표현된다. 상술한 바와 같이 액정용량은 액정의 배열에 따라 변화한다. 반면 저장용량은 일정하므로 저장용량 대 액정용량의 비를 증가시키면 전압의 변화를 감소시킬 수 있다.

표 5는 저장용량 대 액정용량의 비(Cst/Clc)를 변화시키면서 응답속도를 측 정한 결과이다. 수직방향 유전율(ε_⊥)은 3.6 그리고 수평방향 유전율(ε_?)은 13.6로서 ε_⊥/ε_?는 약 0.27이고, 유전율 이방성은 10, 블랙전압은 3.8V, 셀갭은 약 4㎛였다.

표 5

도 13은 표 5의 1번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 14는 표 5의 2번 경우 시간에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프이다. 저장용량 대 액정용량의 비(Cst/Clc)가 0.5이상이면 응답속도가 16ms이하이며 커스프도 발생하지 않음을 알 수 있다.

표 5의 실험값은 ε_⊥/ε_?가 약 0.27인 액정을 이용하여 얻었으나 ε _⊥/ε_?가 0.27이상인 액정에 대하여도 저장용량 대 액정용량의 비(Cst/Clc)를 조절하는 효과는 동일하게 얻어진다.

이상과 같이, 본발명에 따르면 응답속도가 개선된 액정표시장치가 제공된다.

Claims

화소전극이 형성되어 있는 제1기판과;

상기 제1기판과 대향하며 공통전극이 형성되어 있는 제2기판과;

상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 위치하고 있는 액정을 포함하며,

상기 화소전극에 인가되는 블랙전압(Vb)은 3 내지 4.4 볼트이며,

상기 액정의 수직방향 유전율(ε_⊥)은 수평방향 유전율(ε_?)의 0.27배 이상이고,

화이트 상태에서 투과율이 10%감소되는 때의 전압을 10% 전압(V₁₀)이라 할 때,

상기 화소전극에 인가되는 화이트전압(Vw)은 10% 전압(V₁₀)의 0.5배 이하인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제1항에 있어서,

상기 액정의 유전율 이방성은 7 내지 12 인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
삭제
제1항에 있어서,

저장용량(Cst)이 액정용량(Clc)의 0.5배 이상인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.