KR102172760B1 - 초고화질 수직배향 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

제1 편광판이 설치된 하부 기판, 제2 편광판이 설치된 상부 기판, 이들 상부 기판과 하부 기판 사이에 위치하는 액정, 하부 기판에 설치되는 박막트랜지스터 및 이를 구동하기 위해 박막트랜지스터의 게이트전극에 연결되는 게이트 라인, 소오스전극에 연결되는 데이터 라인, 드레인전극에 연결되는 화소전극을 구비하는 액정표시장치에 있어서, 각 화소 영역에서 하부 기판에는 평판형 제1 공통전극 위로 절연층을 사이에 두고 형성된 화소전극이 설치되고, 상부 기판에 제1 공통전극과 같은 극성으로 운영되는 평판형 제2 공통전극이 구비되며, 액정은 초기 수직 배향이 되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시장치가 개시된다.
본 발명에 따르면 움직임이 많은 영상을 표시할 때에도 자연스런 화면 인식이 가능하게 많은 초당 프레임을 소화할 수 있고, 특히 HMD나 스마트 안경과 같이 가상현실이나 증강현실을 구현하기 위해 눈 바로 앞에서 빠르게 변화하는 영상을 나타내는 것이 요구될 때에 고속응답특성이 뛰어나 자연스런 화면 인식을 할 수 있도록 한다.

Description

초고화질 수직배향 액정표시장치{ultra high definition vertically aligned LCD}

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화소 내의 전극 구성과 액정 배향 방향의 결합을 통해 고속의 응답속도를 구현함으로써 단위 시간당 많은 프레임을 표시할 수 있도록 하는 초고화질 수직배향 액정표시장치에 관한 것이다.

기존의 액정의 배향과 전압에 따른 스위칭 구동에 따라 액정 스위칭 방식은 TN(twisted nematic) 방식, IPS(in plane switching) 방식, VA(vertical alignment) 방식, FFS(fringe field switching) 방식 등으로 크게 구분될 수 있다.

구동 방법에 따라 LCD의 화소 구조도 다르다. TN 방식, VA 방식의 LCD의 화소에서는 한 쌍의 기판 중 한쪽에 화소 전극이 형성되고 다른 쪽에 공통 전극이 형성되고, 화소 전극과 공통 전극 사이에 2개의 기판 면에 수직인 전계를 형성하여 액정분자의 배향을 제어함으로써, 화소의 투과율을 제어한다.

FFS 방식은 하부 기판 내에서 절연막을 사이에 두고 화소 전극과 공통 전극이 대향하여 형성된다. FFS 방식에서 대개 공통 전극은 아래쪽에 평면으로 설치되고 화소 전극은 복수 패턴이 슬릿을 두고 서로 평행하게 형성되며, 화소 전극과 공통 전극 사이에 형성되는 전계(프린지 필드)에 의하여 액정 분자의 배열이 기판에 거의 평행하게 제어되기 때문에, FFS 모드의 LCD는 시야각이 넓고, 투명전극을 사용하여 IPS에 비해 투과율이 높다는 특징이 있다.

그런데, 액정표시장치에서 현재 가장 큰 한계가 될 수 있는 것이 화상이 매우 빠르게 변할 수 있는 동영상이나 게임용 디스플레이와 관련된 것이다. 액정표시장치는 다양한 용도로 개발되고 있으며, 가상현실을 구형하기 위한 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted display: 이하 'HMD'라 함)와 같은 경우도 유기EL 등과 함께 표시장치로 개발되고 있다. HMD의 표시소자로 쓰이는 액정 판넬은 실제로 현실처럼 느끼려면 최소 4K, 일반적으로 8K 정도의 해상도가 필요로 하다. 또한 HMD와 같은 3inch 이하의 디스플레이에서 1000ppi 이상의 고해상도를 구현하기 위해서는 단위 픽셀 피치가 8, 9마이크로미터 이하여야 한다.

HMD와 비슷하게 최근 개발되고 있는 스마트 안경도 가상현실이나 증강현실을 기반으로 하며 안경 글래스와 같은 좁은 화면에 헤드업 디스플레이와 비슷하게 많은 정보를 표시하며 동영상이나 게임 디스플레이의 경우, 눈 바로 앞에서 빠르게 변화하는 영상을 나타내어야 하므로 여기서 이용되는 표시장치는 높은 해상도와 높은 응답속도가 요구된다.

CRT나 OLED 등의 여타 표시장치와 비교할 때 액정표시장치는 아래 수학식 1 및 2에서 알 수 있는 바와 같이, 액정의 고유한 점성과 탄성 등의 특성에 의해 응답속도가 느린 단점이 있다.

LCD의 응답 속도란 일반 백색광에서 입력 편광판과 액정 셀(Cell), 그리고 출력 편광판을 통과한 후 빛의 투과율을 100%라 할 때 화면이 어두워 질 때와 밝아질 때 투과율이 10%와 90% 사이로 변화하는 시간의 합을 말하는 것으로 10%에서 90%까지 변했을 때 걸린 시간을 상승 시간(Rising Time), 90%에서 10%까지 변했을 때 걸린 시간을 하강 시간(Falling Time)이라 말하며 이를 화이트 투 블랙(White to Black) 응답 속도 혹은 응답 시간이라 한다.

(수학식1)

여기서, τ_r는 액정에 전압이 인가될 때의 상승 시간(rising time)을, Va는 인가전압을, VF는 액정분자가 전압에 이해 반응을 시작하는 프리드릭 천이전압(Freederick Transition Voltage)을, d는 액정셀의 셀갭(cell gap)을, γ(gamma)는 액정분자의 회전점도(rotational viscosity)를 각각 의미한다.

(수학식2)

여기서, τ_f는 액정에 인가된 전압이 오프된 후 액정이 탄성 복원력에 의해 원위치로 복원되는 하강 시간(falling time)을, K는 액정 고유의 탄성계수를 각각 의미한다.

즉, 액정표시장치에서 응답 속도 τ_f는 액정 자체의 특성인 회전점도 및 탄성계수에 크게 영향받으며, HMD나 스마트 안경, 높은 사양의 게임용 모니터 등의 디스플레이로 채택되기 위해 이런 응답 속도의 문제를 해결하는 것이 절실히 요청된다.

컬러 필터를 불요(不要)로 하는 필드 시퀀셜 풀컬러 표시 방식은, 「적→녹→청」으로 순차 점등하는 백라이트를 사용하는 것에 특징이 있다 통상의 CRT나 액정 디스플레이에서는, 프레임 시간이 16.7ms이지만, 필드 시퀀셜 풀컬러 표시 방식에서는, 프레임 시간이 5.6ms로, 고속 응답성이 요구된다.

고속 응답성을 나타내는 지표로서, 위에서 살펴본 τ_f와 τ_r의 합을 들 수 있다. τ_f는 액정의 하강 응답 시간이고, τ_r은 액정의 상승 응답 시간이다. 필드 시퀀셜 풀컬러 표시 방식에 있어서의 고속 응답성을 만족시키기 위해서는, τ_f와 τ_r가 각각 1.5ms 미만인 것이 요망되고 있다.

통상의 컬러 필터 LCD에서도 고속 게임의 고정밀도 화면을 잔상효과를 최대한 줄이면서 주사율(frame rate) 120Hz 정도로 구현하기 위해 액정의 응답 시간 혹은 응답 속도는 4ms 이하가 되어야 한다고 알려져 있으며, 현재 흔히 사용되는 액정표시장치로는 이런 초고화질 고해상도 화면에서 이런 120hz 정도의 구동을 이루기가 어려움이 있었다.

액정표시장치의 액정은 탄성 계수를 가지는 것에서 알 수 있듯이 탄성체와 같은 거동을 하는 데, 통상적으로 탄성계수가 클수록 응답속도가 크게 되므로 액정 구동에서 액정의 스위칭 변형이 큰 탄성계수를 가지는 변형이 되도록 하는 것이 중요하게 된다.

그런데, 액정의 탄성 변형은 하나의 종류로 이루어지는 것이 아니고, 스플레이형, 트위스트형과 밴드형 탄성변형으로 구분될 수 있는데, 이 가운데 밴드형 탄성변형이 가장 큰 수치를 가져 액정 구동에 밴드형 탄성 변형을 시키고 복원시키는 형태를 이용하면 액정 응답시간을 줄이고 구동 프레임수를 늘릴 수 있다.

대한민국 특허등록 제10-0494706호 대한민국 특허공개 제10-2016-0127856호 대한민국 특허등록 제10-0966230호 대한민국 특허등록 제10-0476044호 대한민국 특허등록 제10-0300168호

본 발명은 움직임이 많은 영상을 표시할 때에도 자연스런 화면 인식을 위해 많은 초당 프레임을 소화할 수 있도록 하는 고속 응답속도를 가진 액정표시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 특히 HMD나 스마트 안경과 같이 가상현실이나 증강현실을 구현하기 위해 눈 바로 앞에서 빠르게 변화하는 영상을 나타내는 것이 요구되며 따라서 콘트라스트나 휘도 특성에 비해 고속 응답속도 특성에 더 주안점을 가지는 디스플레이에 적합한 액정 표시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

제1 편광판이 설치된 하부 기판, 제2 편광판이 설치된 상부 기판, 이들 상부 기판과 하부 기판 사이에 위치하는 액정, 하부 기판에 설치되는 박막트랜지스터 및 이를 구동하기 위해 박막트랜지스터의 게이트전극에 연결되는 게이트 라인, 소오스전극에 연결되는 데이터 라인, 드레인전극에 연결되는 화소전극을 구비하는 액정표시장치에 있어서,

각 화소 영역에서 하부 기판에는 평판형 제1 공통전극 위로 절연층을 사이에 두고 형성된 화소전극이 설치되고, 상부 기판에 제1 공통전극과 같은 극성으로 운영되는 평판형 제2 공통전극이 구비되며, 액정은 초기 수직 배향이 되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제1 공통전극과 제2 공통전극은 같은 극성과 같은 크기의 전압이 인가되도록 같은 전원의 전극에 연결되는 것일 수 있다.

본 발명에서 화소전극에 공통전극과의 사이에 점등전압이 인가되는 경우, 화소와 화소 경계 위치에서 제1 공통전극과 제2 공통전극 사이에는 전계가 거의 없는 상태가 되고, 화소전극의 중심에서 그 상하로 있는 공통전극과의 사이에서는 가장 큰 수직 전계가 형성되어 이들 위치에서는 액정은 초기의 수직 배열을 더욱 강하게 유지하게 되고, 백라이트의 광은 제2 편광판에 의해 통과하지 못하는 상태가 되어 이들 위치는 어둡고 투광도는 0에 가까운 상태가 된다.

이렇게 수직 배열이 더욱 강하게 유지되는 곳은 액정층 내에서 하나의 가상의 장벽을 이루어 인접한 액정층의 배열 변화를 제한하거나 탄성적으로 되돌리는 복원력을 강하게 하는 역할을 할 수 있다.

이런 관점에서 액정층 대부분이 이런 장벽의 영향을 받기 위해 화소 전극의 설치 간격은 작은 것이 적합하며, 화소 전극을 하나로 형성하는 경우, 장변 방향으로 길게 형성되는 것이 바람직하고, 화소 전극 자체가 작은 경우 화소전극 사이의 거리도 자연히 작게 되므로 효과를 높일 수 있다.

이런 관점에서 본 발명은 화소 전극이 하나로 길게 형성되는 경우, 화소 전극의 폭은 1.5um 이하이고 화소 전극 사이의 설치 주기 4.5um 이하, 바람직하게는 4um 이하의 고해상도 화면을 가지고, 응답속도가 높을 것을 요구하는 HMD나 스마트 안경 등에 적합하게 사용될 수 있다.

그리고 화소 크기에 따라 하나의 개별 화소에 2 이상의 서로 이격된 화소 전극부분을 가지는 화소 전극을 형성할 때에는 본 발명의 충분한 효과를 누리기 위해서는 화소 내에서의 화소 전극의 폭은 1.5um 이하이고 화소 전극 설치 주기가 너무 크지 않도록 가령 4.5um를 넘지 않도록 하는 것이 좋으며, 가령 전극 폭 1um에 전극 부분 사이의 이격거리 2um로 하여 설치 주기 3um로 할 수 있고, 개별 화소의 화소폭은 9um 이하로 설치되는 것이 헤드 마운트 디스플레이(HMD) 혹은 스마트 안경에 사용되기에 적합하다.

개별 화소 내에서 하나 내지 세 개의 1자형 나란한 화소전극을 형성할 때 폭 방향 좌우 대칭을 이루도록 형성하는 것이 설치 효율을 높일 수 있으므로 바람직하다.

본 발명에서 화소 전극은 가상의 장벽을 형성하기에 적한한 화소 길이 방향의 1자형 전극으로 형성할 수 있지만, 마름모꼴, 구부러진 1자형 등의 다른 형태를 배재하는 것은 아니다.

본 발명에 따르면 액정표시장치에서 움직임이 많은 영상을 표시할 때에도 자연스런 화면 인식이 가능하게 많은 초당 프레임을 소화할 수 있다.

본 발명은 특히 HMD나 스마트 안경과 같이 가상현실이나 증강현실을 구현하기 위해 눈 바로 앞에서 빠르게 변화하는 영상을 나타내는 것이 요구될 때에 고속응답특성이 뛰어나 자연스런 화면 인식을 할 수 있도록 한다.

도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예를 이루는 액정표시장치의 화소 부분에 대한 평면도 및 수직 단면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에서 하나의 화소 영역 수직단면을 폭방향으로 한정하고 간략화하여 나타내는 것으로 화소전극에 점등전압이 인가되기 전과 후의 액정 배열의 변화를 비교하여 나타낸 단면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에서 하나의 화소에서 폭 방향 일측 경계에서 타측 경계로 가면서 투광율의 변화를 몇 가지 점등 전압 크기에 대해 나타내는 그래프,
도5는 본 발명의 일 실시예에서 점등 전압 크기를 증가시켜 갈 때의 화소의 평균적 투광율 변화를 나타내는 그래프,
도6은 본 발명의 일 실시예에서 화소 전극에 점등 전압으로 일정 크기, 일정 시간의 펄스를 인가할 때의 시간에 따른 화소의 투광율의 변화를 나타내는 그래프,
도7은 본 발명의 제2 실시예를 이루는 액정표시장치의 화소 부분에 대한 평면도이며,
도8은 제2 실시예의 화소전극에 화소 점등 전압을 인가하기 전의 초기 상태와 인가 후의 점등 상태에서의 액정 배열을 비교하여 나타내기 위한 단면도,
도9는 제2 실시예의 화소전극에서 점등시 폭의 일측에서 다른 일측으로 가면서 광투과도가 변화하는 상태를 나타내는 그래프,
도10은 제2 실시예에서 점등 전압 증가에 따른 광투과도 변화를 나타내는 그래프,
도11은 제2 실시예에서 화소에 펄스형 신호 전압을 주어 전압 인가 및 중단에 따른 광투과도 변화 양상 및 그 양상 관측에 의해 얻어지는 상승시간 및 하강시간을 나타내는 그래프이다.
도12는 화소 전극의 폭 및 간격을 다르게 하면서 화소 전극에 점등 전압으로 일정 크기, 일정 시간의 펄스를 인가할 때의 시간에 따른 화소의 투광율의 변화를 나타내는 비교 그래프,
도13은 도12의 비교 그래프에 따른 상승 시간과 하강 시간 차이를 비교하여 나타내는 막대그래프이다.

이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

(실시예 1)

도1 및 도2는 본 발명의 한 실시예를 이루는 액정표시장치의 화소 부분에 대한 평면도 및 수직 단면도이다. 도1, 2를 참조하면, 액정표시장치는 통상의 액정표시장치와 같이 하면에 미도시된 제1 편광판(polarizer)이 설치된 하부 기판(111), 상면에 미도시된 제2 편광판(analyzer)이 설치된 상부 기판(211), 이들 상부 기판과 하부 기판 사이에 위치하는 액정(liquid crystal:300), 하부 기판(111)에 설치되는 박막트랜지스터 및 이를 구동하기 위해 박막트랜지스터의 게이트전극(121)에 연결되는 게이트 라인(122), 소오스 전극(143)에 연결되는 데이터 라인(141), 드레인 전극(142)에 연결되는 화소 전극(161)을 구비하여 이루어진다.

그리고, 기존의 FFS 방식의 액정표시장치의 한 형태와 같이 각 화소 영역에서 하부 기판(111)에는 평판형 제1 공통전극(191) 위로 절연층 보호막(151)을 사이에 두고 화소 길이 방향으로 1자형으로 뻗는 1자형 화소 전극(161)이 설치된다.

액정(300) 층은 초기에 수직 방향으로 배열되는 수직 배향을 이루고 있으며, 여기서는 상부 기판(211)에 평판형 제2 공통전극(251)이 설치되어 대개 제1 공통전극과 같은 극성 및 전위를 가지도록 운영되는 것으로 한다. 도2의 참조번호 231은 컬러필터이며 참조번호 241은 오버코트막을 나타낸다.

본 실시예의 액정표시장치에 액정 조건으로 상광선 굴절율(ordinary reflective index) n_o가 1.4893, 이상광선 굴절율(extraordinary reflective index) n_e가 1.6393으로 굴절율 차이 Δn이 0.15인 것을 사용하고, 평행방향 유전율 16.3, 수직방향 유전율 4.1로 유전율 차이 Δε이 12.2, 액정 고유의 탄성계수로서 K₁₁은 16.9pN, K₂₂는 8.42pN, K₃₃은 19.2pN인 것을 사용하고, γ(감마) 80mPa·s인 것을 사용하고, 셀(cell) 조건 혹은 화소조건으로 셀 폭 혹은 피치(pitch) 4um, 화소 전극 폭(w) 1um, 셀 갭(cell gap: d) 4um, 프레트위스트 각(pretwist angle) 0도, 프레틸트 각(pretilt angle) 90도, 화소 내의 화소 전극 좌우의 공간 폭(l) 1.5um를 적용하여 화소 전극과 공통 전극 사이에 점등 전압을 인가하면서 시뮬레이션을 실시한 결과는 도3 내지 6을 통해 볼 수 있었다.

우선, 하나의 화소 영역 수직단면을 폭방향으로 한정하면서 구성을 간략화하여 나타내는 도3을 살펴보면, 초기에 액정(LC)은 수직 배향 상태에 있으며, 빛이 제1 편광판(polarizer)을 통해 투입되는 경우, 액정 층을 통과할 때 액정 층에서 빛의 특성 변화는 없으며 제2 편광판(analyzer)에 의해 차단된다.

하부 기판(glass) 위쪽의 폭 방향 중앙에 있는 폭 1마이크로미터(μm) 화소 전극에 점등 전압이 인가되면 전극 폭 중앙에서 전계는 수직 상방으로 뻗어 상부 기판(glass) 하부에 전반적으로 설치된 제2 공통전극을 향하므로 이 부분에 있는 액정은 초기 배열을 유지하며 전계에 의해 초기 상태보다 더욱 강하게 이 배열을 유지하려는 성질을 가진다. 즉, 1자형 화소전극의 중심 축선과 제2 평판형 전극 사이에는 상하 방향 전계로 인해 액정의 변형이나 회전이 억제되는 가상의 장벽면이 형성된다.

또한, 화소 경계 위치에서도 좌우 화소 내의 화소 전극의 대칭적 설치의 영향으로 전계는 화전 전극 폭 중앙 위치에 비해 미약하지만 그 방향은 수직 방향이 되어 이 부분에 있는 액정도 초기 배열을 유지한다. 여기서는 전극 중앙 위치에서와 비교할 때 수직 배열을 유지하려는 경향은 차이가 생길 수 있지만 배열이 실질적으로 동일하여 이 부분을 지나는 백라이트의 빛도 액정층을 지나는 동안 별다른 변화가 없고 제2 편광판에 의해 마찬가지로 차단되고 이 부분의 투광도는 슬릿 프린지 부분에 비해 낮게 된다. 따라서 상부 기판 위쪽으로 나오는 빛은 화소전극 프린지 부분을 제외하면 없거나 미약한 상태가 된다.

화소전극 주변부에는 프린지 전계에 의해 액정의 배열은 xz평면에서 볼 때 처음 위치에서 회전되어 그 위치에 따라 수직방향과 각도를 이루며 경사진 형태를 보이고 있다.

이렇게 화소 위치별로 변이를 가지는 빛의 형태를 도3에 개시된 화소에서 x축으로 가면서 인가 전압 크기별로 산출된 빛의 투광도로 나타내면 도4의 그래프와 같은 형태가 된다.

도4에서 수평축은 화소의 일측 경계로부터 타측 경계로 가면서 진행하는 거리(x)를 마이크로미터 단위로 나타낸 것이고, 수직축은 투광도(Transmittance)를 퍼센트(%) 단위로 나타낸 것이며, 각 그래프 곡선은 점등전압을 6볼트, 8볼트, 10볼트로 바꾸면서 수평축 거리에 따른 투광도 변화를 나타낸 것이다.

화소 전극이 형성된 부분 주변에서는 중심에서 조금 외측으로 치우친 부분에서 투광도는 10볼트 전위에서 37%, 6볼트 전위에서 17% 정도로 극대값을 가지며, 화소전극 부분의 폭 중심 및 화소 경계에서는 투광도가 0에 가까운 극소값을 가진다.

이런 값은 앞서 언급하듯이 화소 전극에 점등 전압이 인가되면 화소전극 폭 중앙 및 화소 경계 위치에서 전계는 수직 상방으로 제2 공통전극을 향하고, 이 부분에 있는 액정은 초기 배열을 유지하기 때문이다.

도5에서 수평축은 점등 전압을 볼트 단위로 나타낸 것이고, 수직축은 투광도(Transmittance)를 퍼센트(%) 단위로 나타낸 것이며, 그래프는 화소의 폭 방향으로 진행하면서 투광도가 증감하는 도4의 그래프와 같은 상태에서 화소 전체 면적에 대해 평균하여 산출한 투광도가 점등 전압으로 인가되는 전압 크기에 따라 어떻게 변화하는가를 나타낸다.

도5에서 보이듯이 점등 전압이 높아지면 2 볼트에 이르기까지는 액정 배열의 실질적 변화가 없어서 투광도가 0 상태를 유지하고, 그 후에 점차적으로 증가하면서 10볼트에 이르기까지 전압이 높아질수록 투광도도 그에 비례하여 커지는 정비례에 가까운 관계를 보이고 있다.

도6에서 수평축은 시간 추이를 ms 단위로 나타낸 것이고, 수직축은 투광도(Transmittance)를 퍼센트(%) 단위로 나타낸 것이며, 그래프는 점등 전압을 일정 시간 일정 크기의 펄스 형태로 인가할 때, 즉, 화소 전극에 점등 전압으로 50ms 시간 동안 10볼트로 유지되는 펄스 형태의 전압을 줄 때 투광도 변화를 나타내는 그래프이며, 이를 통해 투광도의 상승시간과 하강시간을 획득할 수 있다.

획득한 상승시간과 하강시간은 각각 2.56ms와 0.52ms로 현저하게 짧은 시간이며, 이로써 본 발명의 실시예를 통해 액정표시장치의 응답속도가 기존의 액정표시장치의 응답속도에 비해 획기적으로 빠른 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

도7은 본 발명의 제2 실시예를 이루는 액정표시장치의 화소 부분에 대한 전극 구성을 위주로 나타내는 평면도이다. 액정표시장치는 통상의 액정표시장치와 같이 하면에 미도시된 제1 편광판(polarizer)이 설치된 하부 기판, 상면에 미도시된 제2 편광판(analyzer)이 설치된 상부 기판, 이들 상부 기판과 하부 기판 사이에 위치하는 액정(liquid crystal), 하부 기판에 설치되는 박막트랜지스터 및 신호선을 구비하여 이루어진다.

즉, 액정표시장치에는 각 화소를 점등 상태를 조절하기 위해 박막트랜지스터의 게이트전극(121)에 연결되는 게이트 라인(122), 소오스 전극(143)에 연결되는 데이터 라인(141), 드레인 전극(142)에 연결되는 화소 전극(161)이 구비된다.

여기서, 기존 FFS 방식의 일부에서 그러하듯이 화소 전극(161)은 각 화소 영역에서 하부 기판에는 제1 공통전극(191) 위로 절연층 혹은 보호막을 사이에 두고 형성된다.

단, 본 발명에서는 화소 전극에 일 방향으로 서로 나란히 뻗는 복수의 통과 구멍(슬릿)이 형성되며, 상부 기판에는 하부 기판의 제1 공통전극에 해당하는 것과 같은 극성으로 운영되는 제2 공통전극이 구비된다.

따라서, 일 방향의 슬릿 중심 축선과 제3 평판형 전극 사이, 슬릿과 슬릿 사이의 평판형 전극 내의 중심 축선과 제3 평판형 전극 사이에는 상하 방향 전계로 인해 액정의 전계에 의해 변형이 억제되는 가상의 장벽면이 형성되고 장벽면이 형성된 영역에서는 장벽 사이 구간과 비교할 때 광투과성이 극소화되는 특징을 가진다.

본 실시예의 액정표시장치에 액정 조건으로 상광선 굴절율(ordinary reflective index) n_o가 1.4893, 이상광선 굴절율(extraordinary reflective index) n_e가 1.6393으로 굴절율 차이 Δn이 0.15인 것을 사용하고, 평행방향 유전율 16.3, 수직방향 유전율 4.1로 유전율 차이 Δε이 12.2, 액정 고유의 탄성계수로서 K₁₁은 16.9pN, K₂₂는 8.42pN, K₃₃은 19.2pN인 것을 사용하고, γ(감마) 80mPa·s인 것을 사용하고, 셀(cell) 조건 혹은 화소조건으로 셀 폭 9um, 화소전극 전체 폭 7um, 셀 갭(cell gap: d) 4um, 프레트위스트 각(pretwist angle) 0도, 프레틸트 각(pretilt angle) 90도, 폭 중앙에서 좌우 대칭적으로 하나씩 형성된 2개의 슬릿의 슬릿 폭(l) 2um, 슬릿 사이 및 좌우의 전극 부분의 폭(w) 1um를 적용하여 화소 전극과 공통 전극 사이에 점등 전압을 인가하면서 시뮬레이션을 실시한 결과는 도2 내지 5를 통해 볼 수 있었다.

우선, 도8을 살펴보면, 초기에 액정(LC)은 수직 배향 상태에 있으며, 빛이 제1 편광판(Polarizer) 및 유리(Glass) 기판을 통해 투입되는 경우, 액정 층을 통과할 때 액정 층에서 빛의 특성 변화는 없으며 제2 편광판(Analyzer)에 의해 차단된다.

화소 전극에 점등 전압이 인가되면 전극 각 부분의 폭 중앙에서 전계는 수직 상방으로 제2 공통전극을 향하므로 이 부분에 있는 액정은 초기 배열을 유지하며 초기 상태보다 더욱 강하게 이 배열을 유지하려는 성질을 가진다.

또한, 슬릿 폭 중앙에서도 좌우 전극의 대칭적 설치의 영향으로 전계는 수직 상방으로 제2 공통전극을 향하고 이 부분에 있는 액정도 초기 배열을 유지한다. 전극 각 부분의 폭 중앙에서의 전계의 세기에 비해 이 부분에서의 전계의 세기는 더 작을 수는 있고 배열을 유지하려는 경향은 차이가 생길 수 있지만 배열이 실질적으로 동일하여 이 부분을 지나는 백라이트의 빛도 액정층을 지나는 동안 별다른 변화가 없고 제2 편광판에 의해 마찬가지로 차단되고 이 부분의 투광도는 슬릿 프린지 부분에 비해 낮게 된다. 따라서 상부 기판 위쪽으로 나오는 빛은 부분 부분마다 나누어진 빛의 형태를 보이고 있다.

이렇게 나누어진 빛의 형태를 도8에 개시된 화소에서 x축으로 가면서 산출된 빛의 투광도로 나타내면 도9의 그래프와 같은 형태가 된다.

도9의 그래프에서 슬릿이 형성된 부분 주변에 남아있는 화소전극 부분을 살펴보면 슬릿과의 경계부에서 조금 슬릿쪽으로 치우친 부분에서 투광도는 20% 정도로 극대값을 가지며, 화소전극 부분의 폭 중심에서는 투광도가 0에 가까운 극소값을 가진다.

슬릿 폭의 중앙 부분에서도 투광도는 0에 가가운 극소값을 가진다.

이런 값은 앞서 언급하듯이 화소 전극에 점등 전압이 인가되면 화소전극 각 부분의 폭 중앙 및 슬릿 폭 중앙에서 전계는 수직 상방으로 제2 공통전극을 향하고, 이 부분에 있는 액정은 초기 배열을 유지하기 때문이다.

결국 투광도는 화소 좌측에서 우측으로 x축을 따라가면서 주기적으로 높아졌다고 낮아지는 형태를 보이고 있다.

도10의 그래프는 화소의 폭 방향으로 진행하면서 투광도가 주기적으로 증감하는 도9의 그래프와 같은 상태에서 투광도를 화소 전체 면적에 대해 평균하여 산출한 투광도가 점등 전압으로 인가되는 전압 크기에 따라 어떻게 변화하는가를 나타내는 그래프이다.

도10에서 보이듯이 점등 전압이 높아지면 2 볼트에 이르기까지는 액정 배열의 실질적 변화가 없어서 투광도가 0 상태를 유지하고, 그 후에 점차적으로 증가하면서 10볼트에 이르기까지 전압이 높아질수록 투광도도 그에 비례하여 커지는 정비례 관계를 보이고 있다.

도11은 화소 전극에 점등 전압으로 50ms 시간동안 10볼트로 유지되는 펄스 형태의 전압을 줄 때 투광도 변화를 나타내는 그래프이며, 이를 통해 투광도의 상승시간과 하강시간을 획득할 수 있다.

획득한 상승시간과 하강시간은 각각 1.34ms와 0.3ms로 현저하게 짧은 시간이며, 이로써 본 발명의 실시예를 통해 액정표시장치의 응답속도가 기존의 액정표시장치의 응답속도에 비해 획기적으로 빠른 것을 알 수 있다.

(비교예 1)

본 발명에서 무엇보다 상부기판의 제2 공통전극의 존재가 중요하고 아울러 개별 화소 내의 길게 형성되는 화소 전극의 폭 자체 및 폭 사이 간격은 의미있는 중요성을 가진다.

도12는 화소 내에서의 상부기판의 제2 공통전극의 중요성과 화소 전극의 폭 자체와 화소 전극의 폭과 폭 사이의 간격의 중요성 혹은 화소 전극 형성 간격의 중요성을 나타내기 위해 제2 공통전극 존재여부와 폭 및 간격을 다르게 하면서 화소 전극에 점등 전압으로 일정 크기, 일정 시간의 펄스를 인가할 때의 시간에 따른 화소의 투광율의 변화를 나타내는 비교 그래프이고, 도13은 도12의 비교 그래프에 따른 상승 시간과 하강 시간 차이를 비교하여 나타내는 막대그래프이다.

이들 그래프를 참조하면, 앞서 도6에서 확인한 바와 같이 개별 화소 내에 제2 공통전극이 있고 화소 전극이 하나만 길게 형성된 경우, 화소 전극 폭(w)을 1um, 화소 전극 좌우의 화소 전극이 형성되지 않는 부분의 거리(l)를 1.5um로 한 경우에 상승시간 2.56ms, 하강시간 0.52ms인 것에 비해, 제2 공통전극이 없는 상태에서 화소 전극 폭을 각각 2um, 3um로 늘리고, 폭 사이 거리를 3um, 4,5um로 늘린 경우, 상승시간은 각각 13.8ms, 13.2ms로 증가하고, 하강시간은 각각 21.7ms, 21.2ms로 더욱더 극적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.

한편, 위 실시예에서는 화소전극을 일자형으로 길게 화소당 하나를 형성하는 경우를 위주로 설명하고 있지만, 실시예에 따라 화소가 상대적으로 큰 경우에는 일자형으로 서로 나란하게 이격된 화소전극 2개가 사용될 수도 있고, 일자형이 아니고 마름모꼴 형태나 꺾쇠 모양의 화소전극을 사용하여 그 주변부에서의 액정 배열 방향이 위에서 볼 때 서로 차이를 가져 시야각을 넓히거나 액정표시장치를 바라보는 위치에 따른 시인성의 차이를 줄이도록 할 수 있다.

좀 더 구체적으로 언급하면, 평면도상에서 화소전극이 마름모 형태를 보이고, 이때 전계 혹은 전속선은 위에서 볼 때(평면도에서 볼 때) 화소전극이 이루는 마름모의 4 변으로 이루어진 경계에서 각각의 변에 수직한 법선 방향 성분을 갖게 되어 이런 전계에 따라 액정들도 마름모의 변마다 다르게 경사진 배열을 가질 수 있다.

따라서, 액정이 이런 배열을 가진 경계선 인접 영역을 통과한 빛은 액정 패널을 지나 외부로 방출될 수 있고, 통과 구멍 패턴의 경계 부분은 액정 표시장치 전방에서 볼 때 빛을 내는 부분이 되고, 빛을 내는 부분은 4개의 서로 다른 경사 방향을 가진 액정 영역을 지나므로 어느 방향에서 화면을 볼 때에도 이 화소는 일정 이상의 빛을 내어 점등 화소로 보일 수 있고, 시야각에 따라 화상이 왜곡되는 현상은 개선될 수 있다.

또한, 이상과 같이 하나의 화소 내에서 화소전극 형태를 바꾸는 단순한 화소 분할 다중 도메인 방식 외에, 서로 인접한 화소로 이루어진 화소군을 통해 액정 방향을 달리하는 멀티 픽셀 다중 도메인 방식으로 시야각을 넓히는 방법도 사용할 수 있다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.

따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

111: 하부 기판 121: 게이트 전극
122: 게이트 라인 141: 데이터 라인
142: 드레인 전극 143: 소스 전극
151: 보호막 161: 화소 전극
191: 공통전극(제1 공통전극)
211: 상부 기판 231: 컬러필터
241: 오버코트막 251: 공통전극(제2 공통전극)

Claims (3)

1. 삭제
2. 제1 편광판이 설치된 하부 기판, 제2 편광판이 설치된 상부 기판, 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 위치하는 액정, 상기 하부 기판에 설치되는 박막트랜지스터 및 상기 박막트랜지스터의 게이트전극에 연결되는 게이트 라인, 상기 박막트랜지스터의 소오스전극에 연결되는 데이터 라인, 상기 박막트랜지스터의 드레인전극에 연결되는 화소전극을 구비하는 액정표시장치에 있어서,
   상기 하부 기판에는 평판형 제1 공통전극 위로 절연층을 사이에 두고 상기 화소전극이 설치되고, 상기 상부 기판에는 상기 제1 공통전극과 같은 극성으로 운영되는 평판형 제2 공통전극이 구비되며, 상기 액정은 유전율 이방성이 양의 수치를 가지고 초기 상태에서 수직 배향되되,
   상기 화소 전극은 화소마다 하나로 길게 설치되며 화소 내에서의 상기 화소 전극의 폭은 1.5um 이하이고, 상기 화소 전극의 폭 방향 형성 주기 및 개별 화소의 화소폭은 4.5um 이하로 구성되어,
   상기 화소 전극과 제2 공통전극 사이의 수직 방향 전계에 의해 일부 액정의 초기 수직 배향을 유지하면서 상기 화소 전극과 제1 공통전극 사이의 프린지 전계(fringe field)에 의해 나머지 액정의 배열을 변화시켜 빛의 투광도를 조절하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
3. 제1 편광판이 설치된 하부 기판, 제2 편광판이 설치된 상부 기판, 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 위치하는 액정, 상기 하부 기판에 설치되는 박막트랜지스터 및 상기 박막트랜지스터의 게이트전극에 연결되는 게이트 라인, 상기 박막트랜지스터의 소오스전극에 연결되는 데이터 라인, 상기 박막트랜지스터의 드레인전극에 연결되는 화소전극을 구비하는 액정표시장치에 있어서,
   상기 하부 기판에는 평판형 제1 공통전극 위로 절연층을 사이에 두고 상기 화소전극이 설치되고, 상기 상부 기판에는 상기 제1 공통전극과 같은 극성으로 운영되는 평판형 제2 공통전극이 구비되며, 상기 액정은 유전율 이방성이 양의 수치를 가지고 초기 상태에서 수직 배향되되,
   상기 화소 전극은 화소마다 복수 개로 길게 서로 나란히 설치되며 화소 내에서의 상기 화소 전극의 폭은 1.5um 이하이고, 상기 화소 전극의 폭 방향 형성 주기 는 4.5um 이하이고, 개별 화소의 화소폭은 9um 이하로 구성되어,
   상기 화소 전극과 제2 공통전극 사이의 수직 방향 전계에 의해 일부 액정의 초기 수직 배향을 유지하면서 상기 화소 전극과 제1 공통전극 사이의 프린지 전계(fringe field)에 의해 나머지 액정의 배열을 변화시켜 빛의 투광도를 조절하며,
   헤드 마운트 디스플레이(HMD) 혹은 스마트 안경에 사용되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.

Images