KR19990006156A - 액정 표시 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시야각이 우수하고, 색상 전이가 발생되지 않는 액정 표시 소자가 개시된다.
개시된 본 발명은, 대향하는 상,하부 기판과, 상기 상,하부 기판 사이에 협지되는 액정과, 상기 상,하부 기판의 액정 대향면에 형성되는 수직 배향막과, 상기 상,하부 기판의 배면 각각에 부착 설치되는 상, 하 편광판과, 상기 상부 기판과, 상부 편광판 사이에 개재되는 위상 보정판을 포함하며, 상기 하부 기판과 하부 수직 배향막 사이에는 상기 액정을 구동시키는 전극으로서, 전압 인가시 평행한 전계를 형성하는 제1 및 제2전극이 배치되고, 상기 상부 기판과 상부 수직 배향막 사이에는 상기 액정을 구동시키는 전극으로서, 전압 인가시 평행한 전계를 형성하는 제3 및 제4전극이 배치되며, 상기 제1 및 제2전극과, 상기 제3 및 제4전극을 서로 교차되는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

액정 표시 소자
본 발명은 액정 표시 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 대향하는 상,하부 기판과, 상,하부 기판 사이에 협지된 액정으로 포함하는 액정 표시 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 액정 표시 소자는 텔레비젼, 그래픽 디스플레이등의 표시소자를 구성한다. 특히 액티브 매트릭스형의 액정 표시 소자는 고속 응답 특성을 가지며, 높은 화소수에 적합하여 디스플레이 화면의 고화질화, 대형화, 컬러 화면화 등을 실현하는데 크게 기여하고 있다.
이러한 액정 표시 소자는 한 쌍의 투광성 기판 사이에 액정 분자가 개재된 구조를 갖고, 액정 분자들의 배향 상태를 전기적으로 제어함에 의하여, 입사되는 광을 투과 또는 차단하게 된다.
액정 표시 소자는 액정의 배향 상태에 따라, 여러 가지의 모드로 나뉜다. 그중 트위스트 네메틱 모드(twist nematic mode: 이하 TN 모드)는 액정 표시 소자의 모드중 가장 광범위하게 이용되는 소자로서, 흑백의 표시가 선명하고, 응답 속도가 빠르다는 장점을 지닌다.
이 TN 모드의 액정 표시소자는, 전압이 인가되지 않을 경우에는 액정 분자들이 배향막들의 영향으로 꼬임을 가지며 배열되다가, 전계를 인가하면, 기판에 수직인 방향으로 구동되는 특성을 갖는다.
그러나 이러한 TN 모드의 액정 표시 소자는, 노말리 화이트(normally white) 모드에서 전압이 인가시 기판 근처에서의 경사 배열에 의하여, 광 누설이 발생되어, 시야각이 매우 좁으며, 좌우 시야각이 대칭되지 않는 구조적인 문제점을 지닌다.
따라서, 종래에는 넓은 시야각 확보 및 좌우 위상차의 대칭을 위하여, 히다치사에서 IPS(in-plane switching)모드의 액정 표시 소자가 제안되었다.
상기한 IPS 모드의 액정 표시 소자의 전형적인 일 예가 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 살펴보면 다음과 같다.
도면에서와 같이, 상부 기판(1)과 하부 기판(2)은 액정(3)을 사이에 두고 대향, 배치된다. 이때, 하부 기판(2) 상부에는 액정을 일정 방향으로 동작시키기 위한 화소 전극(2a)과 카운터 전극(2b)이 소정 거리만큼 이격되어 배치된다. 그리고, 하부기판(1)과 상부 기판(5)의 액정 대향면 뒷면 각각에는 하부 기판(2) 저면으로부터 입사되는 빛을 일정한 방향으로 편향시키는 편광판(4A,4B)이 구비된다. 이때, 상,하부 편광판(4A,4B)의 편광축은 서로 직교하도록 설치된다.
여기서, 상부 기판(1)의 액정 대향면에는 도면에는 도시되지 않았지만, 액정 표시 소자의 컬러화를 실현하도록 하는 컬러 필터가 구비되어 있다. 또한, 하부 기판(2) 상부 표면에도 또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 매트릭스 형태로 게이트 라인과 데이터 라인, 화소 전극등이 구비되어 있다. 또한, 상,하부 기판(1,2)의 액정 대향면 표면에는 액정 분자들의 초기 배향 상태를 결정하는 배향막 바람직하게는 수평 배향막이 각각 구비된다. 이때, 하부 기판상에 형성되는 배향막의 배향축은 하부 편광판의 편광축과 일치하도록 형성된다.
이러한 IPS 모드의 액정 표시 소자는, 액정 구동 전압이 인가되지 않을때, 도 1의 A 영역과 같이, 액정 분자(3A)은 수평 배향막(2)의 러빙 영향으로 기판(1,2)과 평행하게 눕게된다. 이때, 액정 분자(3A)들은 배향막(2)의 배향축과 일치하는 방향으로 눕게되어, 입사되는 광이 차단된다. 따라서, 화면은 다크를 띠게 된다.
한편, IPS 모드의 액정 표시 소자에 전압을 가하게 되면, 도 1의 B 영역과 같이, 액정 분자들(3A)들은 화소 전극(2a)과 카운터 전극(3a) 사이에 형성되는 전계의 방향과 평행하게 이동하게 된다. 이때, 화소 전극(2a)과 카운터 전극(3a)이 이루는 전계는 상기 하부 편광판의 편광축과 약 45°각도차를 지니고 있으므로, 입사된 광은 누설된다.
이러한 IPS 모드의 액정 표시 소자는, 액정 분자들이 전계 인가시 기판과 평행하게 눕게 되므로, 시야각이 크게 확대된다.
그러나, 상기와 같은 IPS 모드의 액정 표시 소자는 다음과 같은 문제점이 발생된다.
먼저, 액정 표시 소자를 이루는 액정 분자들은 봉 형태로서, 장축과 단축을 지닌다. 이러한 이유로, 액정 분자들은 굴절율 이방성을 갖게 된다. 즉, 액정 분자의 장축의 굴절율과, 단축의 굴절율이 상이하게 되어, 화이트 색상을 띠어야 할 부분에 바라보는 방향에 따라 다른 색상을 띠게 되는 색상 전이(color shift) 현상이 발생된다.
이로 인하여, 액정 분자의 단축을 바라보게 되면, 노랑색상을 띠게 되고, 액정 분자의 단축 방향을 향하여 바라보게 되면 파란 색상을 띠게 되어, 액정 표시 소자의 화질이 저하된다.
더구나, 상기한 IPS 모드의 액정 표시 소자는 상부 절연 기판에 전극이 구비되어 있지 않아, 액정 분자들이 상부 기판을 향할수록 액정 분자들의 구동 속도 즉, 응답 속도가 저하된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광시야각을 확보함은 물론, 어느 면에서나 색상 전이가 발생되지 않도록, 좌우 대칭적인 시야각을 확보할 수 있는 액정 표시 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 응답 속도를 향상시킬 수 있는 액정 표시 소자를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 IPS 모드의 액정 표시 소자의 개략적인 단면도.
도 2A 및 2B는 본 발명에 따른 액정 표시 소자의 분해 사시도.
도 3A는 액정 분자를 확대하여 도시한 도면.
도 3B는 위상 보정판을 이루는 액정 분자를 확대하여 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 액정 표시 소자의 전면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 상부 기판11: 제3전극
12: 제4전극13,23: 편광판
14: 위상 보정판20: 하부 기판
21: 제1전극22: 제2전극
30: 액정30A: 액정 분자
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 액정 표시 소자는, 대향하는 상,하부 기판; 상기 상,하부 기판 사이에 협지되는 액정; 상기 상,하부 기판의 액정 대향면에 형성되는 수직 배향막; 상기 상,하부 기판의 배면 각각에 부착 설치되는 상, 하 편광판; 상기 상부 기판과, 상부 편광판 사이에 개재되는 위상 보정판을 포함하며, 상기 하부 기판과 하부 수직 배향막 사이에는 상기 액정을 구동시키는 전극으로서, 전압 인가시 평행한 전계를 형성하는 제1 및 제2전극이 배치되고, 상기 상부 기판과 상부 수직 배향막 사이에는 상기 액정을 구동시키는 전극으로서, 전압 인가시 평행한 전계를 형성하는 제3 및 제4전극이 배치되며, 상기 제1 및 제2전극과, 상기 제3 및 제4전극을 서로 교차되는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 상,하 기판 각각에 평행한 전계를 형성하는 한 쌍의 전극을 구비하여, 액정 분자들을 전계에 의하여 꼬임을 갖도록 배열시키므로써, 액정 분자들이 상하 좌우 대칭적인 배열을 갖게 된다.
따라서, 액정 분자의 굴절율 이방성으로 인한 색상 전이 현상이 방지되어, 액정 표시 소자의 화질이 개선되고, 시야각 특성이 크게 개선된다.
또한, 상부 기판과 상부 편광판 사이에 위상 보정판을 개재하므로써, 전압을 인가하기 전에 완전한 다크를 얻으므로, 우수한 콘트라스트 비를 얻을 수 있다.
[실시예]
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
첨부한 도면 도 2A 및 2B는 본 발명에 따른 액정 표시 소자의 분해 사시도로서, 도 2A는 본 발명의 액정 표시 소자에 전압이 인가되지 않을때를 나타낸 도면이고, 도 2B는 본 발명의 액정 표시 소자에 전압을 인가하였을때의 액정 구동을 보여주기 위한 도면이다. 또한, 도 3A는 액정 분자를 확대하여 도시한 도면이고, 도 3B는 위상 보정판을 이루는 디스크 타입 액정 분자를 확대하여 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 액정 표시 소자의 전면도이다.
본 발명에 따른 액정 표시 소자는, 전계가 인가되지 않을경우, 완전한 다크를 실현하고, 전계가 인가되었을 경우에는, 상하, 좌우 대칭적인 시야각을 확보함은 물론 액정 분자들이 상부 기판에 이르기까지 빠르게 응답할 수 있도록 한다.
이러한 액정 표시 소자의 구성은 도 2A에 도시된 바와 같이, 상,하부 기판(10,20)이 액정(30)을 사이에 두고 대향 배치된다. 여기서, 하부 기판(20) 상부에는 종래의 IPS모드의 액정 표시 소자와 마찬가지로, 액정내 분자(이하 액정 분자: 30A)들을 구동시키기 위한 제1구동 전극(21)과 제2구동 전극(22)이 평행하게 배치된다. 이때, 상기 제1구동 전극(21)은 종래 IPS 모드 액정 표시 소자의 화소 전극의 역할을 하고, 제2구동 전극(22)은 종래 IPS 모드 액정 표시 소자의 카운터 전극의 역할을 하며, 서로 평행한 전계를 형성할 수 있도록 평행으로 배치된다.
또한, 상부 기판(10)의 액정 대향면에도 상부 기판(10)측의 액정 분자들의 응답 속도 및 시야각을 개선시키기 위하여, 제3 및 제4구동 전극(11,12)이 서로 평행하게 배치된다. 여기서, 상기 제3 및 제4구동 전극(11,12) 또한 하부 기판(20)의 전극과 마찬가지로 화소 전극 및 카운터 전극의 역할을 한다. 이때, 제3 및 제4구동 전극(11,12)은 상기 하부 기판(20)의 제1 및 제2구동 전극(21,22)과 수직방향으로 배치된다.
상기 액정(30)은 유전율 이방성이 양인 액정으로서, 상기 액정 분자들은, 액정 표시 소자에 전압이 인가될 때, 형성되는 전계의 방향과 평행하게 배열된다.
또한, 상,하 기판(10,20)의 액정 대향면 각각에는 액정 분자들의 초기 구동상태를 결정하는 배향막(도시되지 않음)이 형성되어 있다. 여기서, 배향막은 액정 표시 소자에 전압이 인가되지 않을때, 액정 분자(30A)들이 기판(10,20)면에 대하여 약 85° 내지 90°의 각도차를 갖도록, 바람직하게는 수직으로 배열되도록 하는 수직배향막이다. 이때, 제3 및 제4전극(11,12)을 제1 및 제2전극(21,22)과 수직인 방향으로 배치하는 것은 액정내에 소정의 꼬임(twist)을 발생시키어, 액정 분자(30A)들을 어느 면에서나 대칭적으로 배열시키기 위함이다.
그리고, 상,하부 기판(10,20)의 액정 대향면의 배면 각각에는 입사되는 빛과 출사되는 빛을 일정한 방향으로 편향시키기 위한 상,하 편광판(13,23)이 각각 구비된다. 이들 상,하 편광판(13,23)은 그것의 편광축이 서로 직교하도록 부착되고, 상부 편광판(13)의 편광축은 제3 및 제4구동 전극(11,12)간에 형성될 평행 전계 방향과 소정 각도 차 바람직하게는 45°만큼의 각도 차를 갖도록 배치된다. 또한, 하부 편광판(13)의 편광축은 제1 및 제2구동 전극(21,22)간에 형성될 평행 전계 방향과 소정 각도 차 바람직하게는 45°만큼의 각도차를 갖도록 부착된다.
또한, 상기 상부 기판(10)과 상부 편광판(13) 사이에는 도 3A에 도시된 바와 같이, 봉 형태(nx=nynz)의 액정 분자(13A)들의 이방성 특성을 등방성화하기 위하여, 위상 보정판(14)이 개재된다. 이 위상 보정판(14)은 반경(nx, ny)에 비하여 높이(nz)의 길이가 긴 디스크 타입(nx=nynz) 액정 분자(14A: 도 3B 참조)들이 경화된 박막으로서, 상기 봉 형태의 액정 분자(13A)들의 높이가 보상되어, 시각적으로 액정 분자들은 반경과 높이가 같은 등방성화된 액정처럼 보이게 된다.
이때, 액정 분자의 완전한 등방성을 위하여, 상기 위상 보정판의 리타데이션(retardation)을 460nm로 할 경우에는, 상,하 기판(10,20)간의 거리(이하, 셀갭:d)와 액정의 굴절율 이방성(Δn)과 곱(d·Δn)이 460nm가 되도록 즉, 위상 보정판의 리타데이션과 셀갭과 액정의 굴절율 이방성의 곱이 동일하게 한다. 따라서, 예를 들어, 셀갭이 4.8㎛일 때, 액정의 굴절율 이방성은 0.095가 되어야 한다.
이러한 구성을 갖는 액정 표시 소자의 전극들(11,12,21,22)에 소정 전압이 인가되지 않을때에는, 도 2A에 도시된 바와 같이, 액정 분자(30A)들은 수직 배향막(도시되지 않음)의 영향으로 상, 하부 기판(10,20)에 대하여 수직으로 배열된다.
따라서, 하부 편광판(23)을 통과한 빛은 액정 분자들이 기판(10,20)에 수직인 방향으로 배열된 관계로, 하부 편광판(23)의 축과 수직으로 배열된 상부 편광판(13)을 통과하지 못하고 차단된다. 더불어, 상부 편광판(13)과 상부 기판(10) 사이의 위상 보정판(14)이 존재함에 따라, 봉 형태의 액정 분자의 높이가 등방성 즉, 높이와 반경이 동일하게 보상되어, 전면 또는 측면등 어느면에서나 완전한 다크를 이룰 수 있다.
한편, 도 2B에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2구동 전극(21,22)간에 수평한 전계가 형성되고, 제3 및 제4구동 전극(11,12)간에 수평한 전계가 형성되도록 각 전극들(11,12)(21,22)에 소정 전압을 인가한다. 그러면, 각각의 기판(10,20) 부근에서는 전극들 사이에 수평한 전계가 형성되고, 기판(10)과 멀어질수록 전극(11,12)(21,22)의 영향을 덜받게 되어 타원형의 전계가 형성된다. 따라서, 기판(10,20)사이의 중앙 부분에서는, 제1 및 제2구동 전극(21,22)의 영향으로 형성된 타원 전계(F1)와, 제3 및 제4구동 전극(11,12)의 영향으로 형성된 타원 전계(F2)가 접하는 부분이 존재하여, 액정내에 약 90°회전된 꼬임이 형성된 것처럼 보이게 된다.
따라서, 액정 표시 소자의 전면에서 바라보게 될 때는, 상기 꼬임을 갖도록 형성된 전계에 따라, 도 4에 도시된 것과 같이, 액정 분자(30A)들이 상하, 좌우 대칭적으로 배열된다. 즉, 각기 다른 4방향을 향하여, 마치 4개의 도메인(domain)이 형성된 것처럼 액정들이 배열되어 진다. 이에 따라, 별도의 도메인을 형성하기 위한 러빙 공정 없이도, 상하 좌우가 대칭적으로 배열되므로, 전면 또는 측면에서 바라보았을 경우 다른 컬러로 보이게 되는 색상 전이가 발생되지 않는다.
이때, 전면에서 볼 때, 상하 좌우 대칭적인 배열을 위하여는 상하 기판 사이의 거리 즉 셀갭 보다 제1 및 제2전극간(21,22)의 폭 또는 제3 및 제4전극(11,12)간의 폭이 좁도록 형성됨이 바람직하다.
따라서, 하부 기판(20)의 배면으로부터 입사되는 광은, 전극들(11,12)(21,22)간에 형성되는 전계 방향과 상하 편광판(13,23)의 광축과 각각 45°각도차를 지니므로, 누설이 발생되어, 화면은 화이트를 띠게 된다.
이때, 상술한 바와 같이, 액정 분자들은 서로 다른 4방향으로 대칭 배열되므로 굴절율 이방성이 보상되어, 색상 전이가 발생되지 않으며, 시야각 또한 크게 개선된다.
더욱이, 전계가 인가되지 않을 때, 위상 보정판에 의하여 완전한 다크를 실현하므로써, 액정 표시 소자의 콘트라스트 비를 크게 개선시킨다. 아울러, 상부 기판에도 하부 기판과 마찬가지로 전극이 구비되어 있으므로, 응답 속도 또한 개선시키게 된다.
본 발명은 상술한 실시예만 국한되는 것은 아니다.
본 발명에서는 상,하부 기판 상에 형성된 전극들(11,12)(21,22)의 형태로서 직선 형태를 예를들어 설명하였지만, 이것 이외에도 전극들(11,12)(21,22)이 어떠한 형태라도, 상,하부 기판 각각에 직교되는 방향으로, 평행한 전계를 형성할 수 있으면 모두 본 발명에 포함된다.
또한, 본 발명에서는 위상 보정판으로 디스크 타입의 액정을 이용하였으나, 그 이외에도 2축이 연신된 액정 분자를 이용할 수 있다.
이상에서 자세히 설명되어진 바와 같이, 본 발명에 의하면, 전압의 인가전에는 액정 분자들이 기판에 수직으로 배열되고, 액정 분자들의 장축이 위상 보정판에 의하여 보상되어, 완전한 다크를 이룩할 수 있다.
또한, 전압이 인가되면, 상,하 기판에 평행한 전계를 형성하는 한 쌍의 전극이 각각 구비되어, 액정 분자들을 전계의 영향으로 90°회전된 꼬임을 갖도록 배열되므로, 액정 전면으로 볼 때, 상하 좌우 대칭적인 배열을 갖게 된다.
따라서, 액정 분자의 굴절율 이방성으로 인한 색상 전이 현상이 방지되어, 액정 표시 소자의 화질이 개선되고, 시야각 특성이 크게 개선된다.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (8)

  1. 대향하는 상,하부 기판과;
    상기 상,하부 기판 사이에 협지되는 액정;
    상기 상,하부 기판의 액정 대향면에 형성되는 수직 배향막;
    상기 상,하부 기판의 배면 각각에 부착 설치되는 상, 하 편광판;
    상기 상부 기판과, 상부 편광판 사이에 개재되는 위상 보정판을 포함하며,
    상기 하부 기판과 하부 수직 배향막 사이에는 상기 액정을 구동시키는 전극으로서, 전압 인가시 평행한 전계를 형성하는 제1 및 제2전극이 배치되고,
    상기 상부 기판과 상부 수직 배향막 사이에는 상기 액정을 구동시키는 전극으로서, 전압 인가시 평행한 전계를 형성하는 제3 및 제4전극이 배치되며,
    상기 제1 및 제2전극과, 상기 제3 및 제4전극을 서로 교차되는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액정은 유전율 이방성이 양인 액정인 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상·하부 편광판은 편광축이 서로 직교하도록 부착되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하부 편광판의 편광축은, 상기 제1 및 제2전극간에 형성되는 전계와 45°의 각도차를 갖도록 부착되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 상부 편광판의 편광축은 상기 제3 및 제4전극간에 형성되는 전계와 45°의 각도차를 갖도록 부착되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 위상 보정판은 반경에 비하여 높이의 길이가 짧은 디스크 타입의 액정이 경화된 필름 또는 2축 연식 필름인 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 위상 보정판의 리타데이션은 상기 상하부 기판간의 거리와 상기 액정의 굴절율 이방성과의 곱과 동일값 인것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 상,하부 기판간의 거리는 제1구동 전극과 제2구동 전극간의 거리 또는 제3구동 전극과 제4구동 전극간의 거리 보다 큰 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
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