KR19980037147A - 더블 슈퍼트위스티드 네마틱형 액정표시소자 및 위상차 보상방법 - Google Patents

더블 슈퍼트위스티드 네마틱형 액정표시소자 및 위상차 보상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자 및 위상차 보상방법에 관한 것으로서, 제1기판, 제1기판상면에 순차적으로 제1전극층, 제1배향막, 제1액정층, 제2배향막, 제2전극층, 제2기판이 마련된 적층구조를 갖는 표시셀 액정판;과 상기 제2기판 상부에 마련된 제3기판, 제3기판 상부에 순차적으로 제3배향막, 제2액정층, 제4배향막, 제4기판이 마련된 적층구조를 갖는 보상셀 액정판에서 상기 제1 및 제2 배향막에 의해 상기 제1액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각과 상기 제3 및 제4배향막에 의해 상기 제2액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각이 상호 다르도록 상기 제1 및 제2배향막과 상기 제3 및 제4배향막의 조성물질을 달리하여 상기 프리틸트각도의 차이에 의해 상기 제1액정층과 상기 제2액정층을 통과하는 투과광의 위상을 보상한다. 따라서 제작이 용이하고, 공정재현성이 뛰어나며, 콘트라스트 및 착색해소에 따른 흑 백의 레벨경계가 뚜렷한 표시화면을 얻을 수 있다.

Description

더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자 및 위상차 보상방법
본 발명은 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱(STN; super twisted nematic)형 액정 표시 소자(LCD)에 관한 것으로서, 특히 온도차이에 의한 액정재료의 굴절률 이방성에 대한 위상차를 배향막에 의한 프리틸트각도 제어에 의해 보상하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자 및 위상차 보상방법에 관한 것이다.
액정분자의 뒤틀림각도가 90도인 TN(twisted nematic)형 액정셀은 저전압, 저소비전력, 긴 수명 등의 특징을 갖기 때문에 소형 표시기 예컨대 손목시계, 계측기 등의 표시소자에 널리 이용되어 왔다. 그러나 액정표시소자의 화소수가 증가되면서 대면적화, 고화질화의 요구에 대응하기 위해 액정분자가 뒤틀리기 시작하는 임계전압범위가 급격하고, 뒤틀리는 각도가 큰 액정셀이 필요하다. 이와 같이 임계전압범위가 급격하고, 튀틀리는 각도가 180 내지 270도로 큰 표시모드를 슈퍼 트위스티드 네마틱형 모드라 칭한다.
슈퍼 트위스트 네마틱형은 액정분자가 뒤틀리는 각도가 크기 때문에 전계인가 유무에 따른 색의 표시가 흑 백으로 나타나지 않고, 노랑(yellow), 녹색(green)이나 청색(blue) 계통의 색으로 착색된다. 따라서 표시색이 흑백의 색으로 나타나도록 위상차를 보상해주기 위해 색 소거용 보상셀 액정판을 광학 보상판으로 덧붙여 착색을 해소하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자가 사용되고 있다.
종래의 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자가 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 액정표시소자는 표시셀 액정판(10)과 보상셀 액정판(20)이 상호 맞대어 있고, 보상셀 액정판(20) 및 표시셀 액정판(10)의 외측 표면에 제1 및 제2편광판(11)(21)이 부착된 구조를 갖는다. 액정에 의한 표시는 그 자체가 비발광성이기 때문에 보기 쉽고, 어두운곳에서도 사용이 가능하게 할 목적으로 표시면을 균이하게 면조사하는 광원(미도시)이 제1 편광판(11) 아래에 위치되어 제1편광판(11)을 향하여 광이 조사되도록 배치된다.
이와 같이 구조된 액정표시소자의 위상보상원리는 다음과 같다.
표시셀 액정판(10)의 제1액정층(12)에 주입된 액정분자의 뒤틀림각도에 대해 보상셀 액정판의 제2액정층(22)에 주입된 액정분자가 역 비틀림각도를 갖는 즉, 뒤틀리는 방향이 반대인 보상셀 액정판(20)이 마련되고, 각 액정(12)(22)의 굴절률 이방성과 셀갭(d1, d2)의 곱인 Δn·d1 및 Δn·d2의 값을 표시셀 액정판(10)과 보상셀 액정판(20)에서 일치시키고, 표시셀 액정판(10)과 보상셀 액정판(20)의 인접하는 액정 분자의 배향방향이 서로 직교하도록 제1 내지 제4 배향막(13, 14, 23, 24)이 러빙 등에 의해 배향처리된다.
따라서, 광원에서 조사된 광이 제1편광판(11)을 통과하여 생긴 직선편광은 표시셀 액정판(10)을 통과할 때 액정 분자의 복굴절 효과로 파장에 따라 다른 타원편광으로 변하고, 이 타원편광이 보상셀 액정판(20)을 통과하면서 원래의 직선편광으로 되돌아가 착색이 해소되어, 흑 백의 표시색이 얻어진다. 표시셀 액정판(10)과 보상셀 액정판(20)의 Δn·d1 및 Δn·d2 값이 설정값으로부터 벗어나면, 비선택상태의 광누설이 크게되어 콘트라스트가 급격히 저하되기 때문에 통상적으로 ±0.05μm 이하의 정밀한 셀갭(d1, d2)제어가 필요하게 된다.
그러나, 광원으로부터 조사되는 광이 연속적으로 표시셀 액정판(10) 및 보상셀 액정판(20)에 입사될 때 거리차이 및 주위환경에 의해 액정분자의 온도가 표시셀 액정판(10) 및 보상셀 액정판(20)에서 각각 다르게 유지된다. 이와 같은 온도차이에 의해 각 액정층(12)(22)에 주입된 액정분자의 굴절률 이방성 차이값(Δn)이 각 액정판(10)(20)에서 상호 다르게 나타나게 되고, 따라서 종래에는 표시셀 액정판(10)과 보상셀 액정판(20)의 위상차를 일치 시키기 위하여 셀갭 d1과 d2를 온도차이에 의한 액정분자의 굴절률 이방성 차이값(Δn)을 보상하는 만큼 상호 차이를 두어 조정하거나, 각 액정층(12)(22)에 주입되는 액정을 달리선정하는 보상방법이 검토되었다.
그러나, 각 액정판(10)(20)의 셀갭 d1과 d2를 달리가져가는 방법은 제작공정상에서 액정표시소자의 셀갭제어에 이용되는 스페이서(spacer)의 크기를 상호 달리가져하고, 액정봉입시 주입되는 압력 등에 대한 제약이 까다롭고 제작완료 후에도 정확한 셀갭제어가 조절되지 않는 제작상의 어려움이 있다. 마찬가지로 각 액정층(12)(22)에 주입되는 액정재료를 표시셀 액정판(10)과 보상셀 액정판(20)에 상호 달리 선정하여 주입하는 방법은 현재까지 개발된 액정재료가 원하는 굴절률 이방성 차이에 대해 적절히 구비되지 못하기 때문에 적용하기가 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 온도차이에 의한 액정분자의 굴절률 이방성 차이에 따른 광학적 위상차의 보상을 보다 용이하게 하고, 제작이 간단한 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자 및 그 위상차 보상방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자의 수직 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자의 수직 단면도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 30: 표시셀 액정판.11, 31: 제1편광판
12, 32: 제1액정층13, 33: 제1배향막
14, 34: 제2배향막20, 50; 보상셀 액정판
21, 51: 제2편광판22, 52: 제2액정층
23, 53: 제3배향막24, 54: 제4배향막
35: 제1기판36: 제2기판
37, 57: 시일재38: 제1 ITO전극
39: 제2 ITO전극40: 컬러 핀터층
55: 제3기판56: 제4기판
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자는 제1기판, 제1기판상면에 순차적으로 제1전극층, 제1배향막, 제1액정층, 제2배향막, 제2전극층, 제2기판이 마련된 적층구조를 갖는 표시셀 액정판; 상기 제2기판 상부에 마련된 제3기판, 제3기판 상부에 순차적으로 제3배향막, 제2액정층, 제4배향막, 제4기판이 마련된 적층구조를 갖는 보상셀 액정판; 상기 제1 기판 및 상기 제4기판의 외측 표면에 마련된 제1편광판 및 제2편광판을 구비하는 액정 표시 소자에 있어서, 상기 제1 및 제2 배향막에 의해 상기 제1액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각과 상기 제3 및 제4배향막에 의해 상기 제2액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각도가 상호 다르도록 상기 제1 및 제2배향막과 상기 제3 및 제4배향막의 조성물질이 달리하여 형성된 것을 그 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자의 위상보정방법은 제1기판, 제1기판상면에 순차적으로 제1전극층, 제1배향막, 제1액정층, 제2배향막, 제2전극층, 제2기판이 마련된 적층구조를 갖는 표시셀 액정판; 상기 제2기판 상부에 마련된 제3기판, 제3기판 상부에 순차적으로 제3배향막, 제2액정층, 제4배향막, 제4기판이 마련된 적층구조를 갖는 보상셀 액정판; 상기 제1기판 및 상기 제4기판의 외측 표면에 마련된 제1편광판 및 제2편광판을 구비하는 액정 표시 소자의 위상차 보상방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 배향막에 의해 상기 제1액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각과 상기 제3 및 제4배향막에 의해 상기 제2액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각이 상호 다르도록 상기 제1 및 제2배향막과 상기 제3 및 제4배향막의 조성물질을 달리하여 상기 프리틸트각도의 차이에 의해 상기 제1액정층과 상기 제2액정층을 통과하는 투과광의 위상을 보상하는데 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자의 수직 단면도이다.
이를 참조하면, 액정표시소자는 종래와 같이 표시셀 액정판(30)과 보상셀 액정판(50)이 상호 맞대어 있고, 보상셀 및 표시셀 액정판(30)(50)의 표면에 제1 및 제2편광판(31)(51)이 부착된 구조를 갖으면서, 제1 및 제2 액정층(32)(52)은 동일물질로 주입되고, 제1액정층(32)과 접하는 제1배향막(33)과 제2배향막(34)은 제2액정층(52)과 접하는 제3배향막(53)과 제4배향막(54)에 대해 상기 제1 및 제2액정층(32)(52)을 구성하는 액정분자의 프리틸트각도가 상호 다르게 제어되도록 조성된다. 광원(미도시)은 제1 편광판(31)의 아래에 위치되어 제1편광판(31)을 향하여 광이 조사되도록 배치된다.
표시셀 액정판(30)은 각각 투명소재 예컨대 유리 등으로 이루어지는 제1기판(35)과 제2기판(36)이 소정의 간격(d) 예컨데, 5~15μm의 간격으로 거의 평행하게 배치되어 있으며, 그 사이는 프리트 글래스(frit glass)나 유기 접착제 등으로 이루어지는 시일재(37)로 봉착되어 이것들에 의해 형성되는 내부 공간에 네마틱상의 액정이 봉입되어 있다.
상기 제1기판(35) 및 제2기판(36)은, 그 각각 대향하는 내면상에 소정 패턴의 제1 및 제2 ITO 전극(38)(39)이 서로 교차되게 형성되어 있으며, 그리고 액정에 접하는 면은 그 면 부근의 액정 분자를 소망하는 일정한 방향으로 배향시키는 제1 및 제2배향막(33)(34)이 피복되어 있다. 그리고, 제1기판(35)과 제1 ITO 전극(38) 사이에는 컬러 필터층(이 형성되어 있다.
제1배향막(33)과 제2배향막(34)은 러빙방향이 광투과성이 최대가 되도록 주입되는 액정의 특성에 따라 소정각도로 교차되도록 각각 배향처리된다.
보상셀 액정판(50)은 각각 투명소재로 된 제3기판(55)과 제4기판(56)이 제1 및 제2기판(55)(56)과 동일한 간격(d) 예컨데, 5~15μm의 간격으로 거의 평행하게 배치되어 있으며, 그 사이는 프리트 글래스(frit glass)나 유기 접착제 등으로 이루어지는 시일재(57)로 봉착되어 이것들에 의해 형성되는 내부 공간에 제1 액정층(32)에 주입된 액정과 동일한 네마틱상의 액정이 봉입되어 있다.
상기 제3기판(55) 및 제4기판(56) 내벽에는 그 면 부근의 액정 분자를 소망하는 일정한 방향으로 배향시키는 제3 및 제4 배향막(53)(54)이 피복되어 있다. 제3 및 제4 배향막(53)(54)은 제1 및 제2배향막(33)(34)에 의해 제1액정층(32)의 액정분자를 기판(35)(36)에 대해 일어서게 하는 경사각도인 프리틸트(pre-tilt) 각도보다 3 내지 4도 낮은 프리틸트각도로 제2액정층(52)의 액정분자를 배열시키도록 배향막(53)(54)의 재료가 선택된다. 이와 같은 프리틸트 각도조절은 광원의 배치 및 주위 환경의 온도차이에 적절하게 보상되도록 배향막이 설정되고, 미세한 프리틸트각도의 조절은 배향막 형성 후 러빙 압력 및 소정의 온도로 경화시키는 후 가공에 의해 정밀하게 이루어진다.
또한, 제3배향막(53)의 러빙방향이 제2배향막(34)의 러빙방향과 직각이 되도록 배향처리되고, 제4배향막(54)의 러빙방향은 상기 제3배향막(53)의 러빙방향과 소정각도 예컨대 45도로 교차되도록 각각 배향처리된다.
제1기판(35)과 제4기판(56)의 바깥쪽에는 각각 제1편광판(31) 및 제2편광판(51)이 배치된다. 이상과 같이 구성된 액정 표시 소자는 액정표시소자 제작시 제1 및 제2배향막(33)(34)에 의해 배열되는 제1액정층(32)의 액정분자가 제3 및 제4배향막(53)(54)에 의해 배열되는 제2액정층(52)의 액정분자보다 프리틸트각도가 낮게 되지만, 구동시는 광원으로부터 조사되는 광에 의한 온도변화에 따른 제1액정층(32)의 액정분자의 굴절률 이방성 변화가 보상셀 액정판(50)의 액정분자의 프리틸트각도와의 차이에 의해 보상됨으로써 결과적으로 위상차가 보상되고, 따라서 높은 콘트라스트와 뚜렷한 흑백의 표시색이 구현된다.
따라서, 종래에 비해 표시셀 액정판(30)의 배향막(33)(34)과 보상셀 액정판(50)의 배향막(53)(54) 각각의 배향재료를 적절히 선택하여 가공하면 되기 때문에 셀갭(d)의 미세한 조절이 필요없어 제작이 간단해진다.
다음은 본 발명에 따른 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자의 위상차 보상방법을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 위상차 보상방법은 표시셀 액정판(30)에 마련되어 있는 제1 및 제2배향막(33)(34)에 의해 제1액정층(32)의 액정분자가 기판(35)(36)에 대해 일어서는 경사각인 프리틸트각도와 보상셀 액정판(50)에 마련되어 있는 제3 및 제4 배향막(53)(54)에 의해 제1액정층(32)과 동일물질로 된 제2액정층(52)의 액정분자의 프리틸트각도가 온도차이에 의한 굴절률 이방성 변화를 보상하는 만큼 상호 다르게 설정된다.
동일한 액정소재에 대한 프리틸트 각도를 달리하기 위해서는 다양한 방법이 가능하다. 증착면에 증착빔의 경사각도를 조정하는 경사증착법, 동일배향재료에 대해 러빙압력을 조절하여 프리틸트각도를 제어하는 방법, 첨가되는 물질을 달리하여 조성된 배향재료 자체의 특성에 의해 제어하는 방법 등이 있다.
현재 널리 사용되는 폴리아미드계(polyimide) 배향재료는 자체의 특성에 따라 결정되는 고유한 프리틸트각도 뿐만아니라, 배향재료의 경화온도 및 러빙압력 등에 따라 고유한 프리틸트각도를 기준으로 넓은 범위에 걸친 프리틸트각도를 제공한다. 따라서, 작업의 표준화와 공정의 재연성을 위해 배향재료를 달리 하면서 설정된 프리틸트 각도와 대응되는 경화온도 및 러빙압력 등을 각각 양산 및 작업성에 적합하도록 설정하여 배향처리하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 방법으로 액정에 대한 프리틸트 각도를 상호 다르게 제어하기 위한 표시셀 액정판(30)의 배향막(33)(34)과 보상셀 액정판(50)의 배향막(53)(54)의 형성 및 가공은 광원 및 액정표시소자가 이용되는 환경 등을 고려하여 결정된다. 각 액정판(30)(50)에 유지되는 온도 변화 차이에 대응되는 프리틸트각도 차이가 각 셀의 액정분자에서 유지되도록 배향막이 배향처리된다.
또한, 프리틸트각도가 상호 다르게 설정된 액정표시소자는 멀티플렉스 구동시에 있어서는 비선택상태에서도 표시셀 액정판(30)에 전압이 가해지기 때문데 이를 고려하여 선택상태에서 흑 레벨을 얻기 위해서 보상셀 액정판(50)과 표시셀 액정판 30)의 Δn·d값이 일치되도록 프리틸트각도가 조정된다.
따라서 온도 차이에 의한 액정분자 특성자체의 굴절률이방성에 의한 변화가 프리틸트각도에 따라 변화되는 광학적 보상이 상호 상쇄되어 광경로 차이가 보상됨으로써, 위상차가 보상된다.
이와 같이 프리틸트각도가 배향막의 배향처리에 의해 표시셀 액정판(30)과 보상셀 액정판(50)에서 각각 온도 차이에 의한 액정분자의 이방성에 의한 위상차를 보상해줌으로써, 제작이 용이하고, 공정재현성이 뛰어나며, 콘트라스트 및 착색해소에 따른 흑 백의 레벨경계가 뚜렷한 표시화면을 얻을 수 있다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자는 뒤틀림각도가 큰 슈퍼트위스티드 네마틱형 액정이 배향막의 배향처리에 의해 조절된 프리틸트각도에 의해 온도차이에 의한 광학적 위상차이를 보상해줌으로써, 제작이 용이하고, 공정재현성이 뛰어나며, 콘트라스트 및 착색해소에 따른 흑 백의 레벨경계가 뚜렷한 표시화면을 얻을 수 있다.

Claims (6)

  1. 제1기판, 제1기판상면에 순차적으로 제1전극층, 제1배향막, 제1액정층, 제2배향막, 제2전극층, 제2기판이 마련된 적층구조를 갖는 표시셀 액정판; 상기 제2기판 상부에 마련된 제3기판, 제3기판 상부에 순차적으로 제3배향막, 제2액정층, 제4배향막, 제4기판이 마련된 적층구조를 갖는 보상셀 액정판; 상기 제1 기판 및 상기 제4기판의 외측 표면에 마련된 제1편광판 및 제2편광판을 구비하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배향막에 의해 상기 제1액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각과 상기 제3 및 제4배향막에 의해 상기 제2액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각도가 상호 다르도록 상기 제1 및 제2배향막과 상기 제3 및 제4배향막의 조성물질이 달리하여 형성된 것을 특징으로 하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1배향막 및 제2배향막은 그 대향표면에 각각 상호 나란한 굴곡이 형성되고, 상기 제1배향막의 굴곡과 상기 제2배향막의 굴곡이 상호 소정의 각도로 교차하도록 형성된 것을 특징으로 하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자.
  3. 상기 제3배향막 및 제4배향막은 그 대향표면에 각각 상호 나란한 굴곡이 형성되고, 상기 제3배향막의 굴곡과 상기 제4배향막의 굴곡이 상호 소정의 각도로 교차하도록 형성된 것을 특징으로 하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자.
  4. 제1기판, 제1기판상면에 순차적으로 제1전극층, 제1배향막, 제1액정층, 제2배향막, 제2전극층, 제2기판이 마련된 적층구조를 갖는 표시셀 액정판; 상기 제2기판 상부에 마련된 제3기판, 제3기판 상부에 순차적으로 제3배향막, 제2액정층, 제4배향막, 제4기판이 마련된 적층구조를 갖는 보상셀 액정판; 상기 제1기판 및 상기 제4기판의 외측 표면에 마련된 제1편광판 및 제2편광판을 구비하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자의 위상차 보상방법에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배향막에 의해 상기 제1액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각과 상기 제3 및 제4배향막에 의해 상기 제2액정층의 액정분자를 배열시키는 프리틸트각이 상호 다르도록 상기 제1 및 제2배향막과 상기 제3 및 제4배향막의 조성물질을 달리하여 상기 프리틸트각도의 차이에 의해 상기 제1액정층과 상기 제2액정층을 통과하는 투과광의 위상을 보상하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자의 위상차 보상방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 배향막은 상기 조성물질로 조성된 후, 러빙압력 또는 소정의 온도로 경화처리되어 상기 프리틸트각도가 제어되는 것을 특징으로 하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자의 위상차 보상방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제3 및 제4 배향막은 상기 조성물질로 조성된 후, 러빙압력 또는 소정의 온도로 경화처리되어 상기 프리틸트각도가 제어되는 것을 특징으로 하는 더블 슈퍼 트위스티드 네마틱형 액정표시소자의 위상다 보상방법.
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