KR19990027489A

KR19990027489A - Vertically oriented twisted nematic liquid crystal display with ferroelectric liquid crystal

Info

Publication number: KR19990027489A
Application number: KR1019970049955A
Authority: KR
Inventors: 김파; 신기철; 사공동식
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-15

Abstract

수직 배향 액정 표시 장치의 두 기판 사이에 주입되어 있는 액정층을 네마틱 액정 분자에 강유전성 액정 분자를 첨가한다. 여기서, 강유전성 액정 분자는 자발 분극 및 카이랄성을 가지고 있기 때문에 전계를 인가하는 경우에 액정층의 응답 속도를 빠르게 하고 액정 분자가 비틀리는 방향을 결정한다.Ferroelectric liquid crystal molecules are added to the nematic liquid crystal molecules in the liquid crystal layer injected between the two substrates of the vertically aligned liquid crystal display. Here, since ferroelectric liquid crystal molecules have spontaneous polarization and chirality, when an electric field is applied, the response speed of the liquid crystal layer is increased and the direction in which the liquid crystal molecules are twisted is determined.

Description

Vertically oriented twisted nematic liquid crystal display with ferroelectric liquid crystal

이 발명은 다중 영역 수직 배향 비틀린 네마틱 액정 표시 장치에 관한 것이다.This invention relates to a multi-domain vertically oriented twisted nematic liquid crystal display.

일반적으로 액정 표시 장치는 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 여기에 가하는 전장의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하는 구조로 되어 있다.In general, a liquid crystal display device has a structure in which a liquid crystal is injected between two substrates, and the amount of light transmitted is controlled by adjusting the intensity of the electric field applied thereto.

비틀린 네마틱(twisted-nematic ; TN) 방식의 액정 표시 장치는, 안쪽 면에 투명 전극이 형성되어 있는 한 쌍의 투명 기판, 두 투명 기판 사이의 액정 물질, 각각의 투명 기판의 바깥 면에 부착되어 빛을 편광시키는 두 장의 편광판으로 구성된다. 전기장을 인가하지 않은 상태에서는 두 기판 사이에 채워진 액정 분자들이 기판에 평행하며 일정한 피치(pitch)를 가지고 나선상으로 꼬여 있어 액정 분자의 장축의 방향이 연속적으로 변화되는 비틀린 구조를 가진다.A twisted-nematic (TN) type liquid crystal display device includes a pair of transparent substrates having transparent electrodes formed on an inner surface thereof, a liquid crystal material between two transparent substrates, and attached to an outer surface of each transparent substrate. It consists of two polarizers that polarize light. In the state in which no electric field is applied, the liquid crystal molecules filled between the two substrates are parallel to the substrate, twisted in a spiral with a constant pitch, and have a twisted structure in which the direction of the long axis of the liquid crystal molecules is continuously changed.

액정은 분자의 장축 방향과 단축 방향으로의 굴절률이 서로 다른 복굴절성을 갖는데, 이 복굴절성에 의해 액정 표시 장치를 보는 위치에 따라 빛이 느끼는 굴절률이 차이가 생기므로 선편광된 빛이 액정을 통과하면서 편광 상태가 바뀌는 비율에 차이가 생겨 정면에서 벗어난 위치에서 볼 때의 빛의 양과 색특성이 정면에서 볼 경우와는 달라진다. 따라서 비틀린 네마틱 구조를 갖는 액정 표시 장치는 시야각에 따라 대비비(contrast ratio)의 변화, 색상 전이(color shift), 계조 반전(gray inversion) 등의 현상이 발생한다.Liquid crystals have birefringence with different refractive indices in the long axis and short axis of the molecule. The birefringence causes a difference in the refractive index of light depending on the position at which the liquid crystal display device is viewed. There is a difference in the rate of change of state, so the amount of light and color characteristics when viewed from a position away from the front are different from those seen from the front. Accordingly, in the liquid crystal display having a twisted nematic structure, a change in contrast ratio, color shift, gray inversion, and the like occur according to a viewing angle.

이러한 문제를 해결하기 위해 화소를 이분할하거나 화소 단위별 러빙을 하여 시야각을 향상시킨 영역 분할 TN(DDTN;domain devided TN) LCD, 2분할 TN(TDTN;two domain TN) LCD 등이 보고되었으나, 1번의 러빙 공정이 추가되는 등 공정이 복잡하고, 어두운 상태의 휘도가 증가하여 대비비가 급격히 감소하는 문제점이 보고되고 있다.In order to solve this problem, there have been reports of region-divided TN (DDTN), two-division TN (TDTN) LCDs, etc., which have improved viewing angles by dividing pixels or rubbing pixel by pixel. It is reported that the process is complicated, such as the addition of a burn rubbing process, and the contrast ratio decreases rapidly due to an increase in luminance in a dark state.

한편, 기존의 TN-LCD와는 다른 음의 유전 이방성을 갖는 액정을 사용한 수직 배향 TN-LCD(VATN-LCD;vertically aligned TN-LCD)가 미국 특허 제3,914,022호에서 제안되었고, Eurodisplay '93 pp.158 - 159에서도 Takahashi 등에 의해 제안되었다. 이러한 VATN 액정 표시 장치에는 액정 분자의 배향 방향을 결정하기 위해 카이랄 첨가제(chiral dopant)를 사용하거나 카이랄성을 가지는 액정 물질을 사용한다.Meanwhile, a vertically aligned TN-LCD (VATN-LCD) using a liquid crystal having negative dielectric anisotropy different from the conventional TN-LCD has been proposed in US Patent No. 3,914,022, Eurodisplay '93 pp. 158 159 was also proposed by Takahashi et al. In the VATN liquid crystal display, a chiral dopant or a liquid crystal material having chirality is used to determine the alignment direction of the liquid crystal molecules.

수직 배향 액정 표시 장치에서 전기장이 인가되지 않은 상태의 액정 분자는 두 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있으므로 노멀리 블랙 모드(normally black mode)에서 충분히 어두운 상태가 만들어지고 따라서 대비비는 좋아진다.In the vertically aligned liquid crystal display, the liquid crystal molecules without an electric field are vertically aligned with respect to the two substrates, so that a sufficiently dark state is normally created in a normally black mode, and thus the contrast ratio is improved.

그러나, 종래의 수직 배향 액정 표시 장치에서는 카이랄 첨가제가 액정 분자의 응답 속도(response time)에는 영향을 미치지 않으며, 완전한 동화상을 구현하기 위해서는 액정 분자의 응답 속도가 느리다는 문제점이 있다.However, in the conventional vertically aligned liquid crystal display device, the chiral additive does not affect the response time of the liquid crystal molecules, and there is a problem that the response speed of the liquid crystal molecules is slow in order to realize a complete moving image.

본 발명의 과제는 액정 물질의 응답 속도를 빠르게 하여 동화상 구현이 가능한 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a liquid crystal display device which can realize a moving image by increasing the response speed of a liquid crystal material.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정을 포함하는 액정 셀의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 and 2 are cross-sectional views schematically showing the structure of a liquid crystal cell including a ferroelectric liquid crystal according to an embodiment of the present invention.

위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에는 두 기판 사이에 주입되어 있는 네마틱 액정 분자에 강유전성 액정 분자를 첨가한다.In order to solve the above problems, the present invention adds ferroelectric liquid crystal molecules to nematic liquid crystal molecules injected between two substrates.

여기서, 강유전성 액정 분자는 자발 분극을 가지고 있기 때문에 전계를 인가하는 경우에 그 응답 속도가 수십μs이다.Since ferroelectric liquid crystal molecules have spontaneous polarization, the response speed is several tens of microseconds when an electric field is applied.

그러므로, 네마틱 액정 분자에 카이랄 첨가제로 강유전성 액정 분자를 첨가하면 전계인가시 액정 분자가 비틀리는 방향을 결정할 뿐아니라 액정 분자의 응답 속도를 빠르게 한다.Therefore, the addition of ferroelectric liquid crystal molecules as chiral additives to nematic liquid crystal molecules not only determines the direction in which the liquid crystal molecules are twisted when applied to the electric field, but also increases the response speed of the liquid crystal molecules.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 수직 배향을 이용한 액정 표시 장치의 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명한다.Next, embodiments of the liquid crystal display using the vertical alignment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice the present invention.

도 1 및 2는 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정을 포함하는 수직 배향 액정 표시 장치에서 액정 분자의 배열 상태를 도시한 도면으로서, 도 2는 전계를 인가한 상태이며, 도 2는 전계를 인가하지 않은 상태이다.1 and 2 are diagrams illustrating an arrangement state of liquid crystal molecules in a vertically aligned liquid crystal display including a ferroelectric liquid crystal according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 2 is a state in which an electric field is applied, and FIG. It is not.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 유리로 만들어진 두 기판(1, 2)이 서로 마주보고 있으며, 두 기판(1, 2)의 안쪽 면에는 ITO(indium tin oxide) 등의 투명 도전 물질로 이루어진 투명 전극(12, 120) 및 배향막(14, 140)이 차례로 형성되어 있다. 두 기판(1, 2) 사이에는 음의 유전율 이방성을 가지는 네마틱 액정 분자(101)와 강유전성 액정 분자(102)로 이루어진 액정층(100)이 있다. 각각의 기판(1, 2) 바깥 면에는 액정층(100)으로 입사하는 빛 및 액정층(100)을 통과하여 나오는 빛을 편광시키는 편광판(13, 130)이 각각 부착되어 있으며, 하부 기판(1)에 부착된 편광판(13)의 편광축(→)은 상부 기판(2)에 부착된 편광판(130)의 편광축(↗)에 대하여 90°의 각을 이루고 있다. 배향막(14)은 러빙 처리할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, two substrates 1 and 2 made of glass face each other, and an inner surface of the two substrates 1 and 2 is made of a transparent conductive material such as indium tin oxide (ITO). The transparent electrodes 12 and 120 and the alignment films 14 and 140 are sequentially formed. Between the two substrates 1 and 2, there is a liquid crystal layer 100 composed of nematic liquid crystal molecules 101 and ferroelectric liquid crystal molecules 102 having negative dielectric anisotropy. On the outer surface of each of the substrates 1 and 2, polarizers 13 and 130 for polarizing light incident to the liquid crystal layer 100 and light passing through the liquid crystal layer 100 are attached to the lower substrate 1. The polarization axis (→) of the polarizing plate 13 attached to) is formed at an angle of 90 ° with respect to the polarization axis ↗ of the polarizing plate 130 attached to the upper substrate 2. The alignment film 14 may or may not be subjected to a rubbing treatment.

도 1은 전계를 인가하지 않은 경우를 나타낸 것으로서, 액정층(100)의 액정 분자(101, 102)들은 배향막(14)의 배향력에 의해 두 기판(1, 2)의 표면에 대하여 수직 방향으로 배열되어 있다.1 illustrates a case where no electric field is applied, and the liquid crystal molecules 101 and 102 of the liquid crystal layer 100 are perpendicular to the surfaces of the two substrates 1 and 2 by the alignment force of the alignment layer 14. Are arranged.

이때, 하부 기판(1)에 부착되어 있는 편광판(13)을 통과한 빛은 편광 방향이 바뀌지 않고 액정층(100)을 통과한다. 다음, 이 빛은 상부 기판(2)에 부착되어 있는 편광판(130)에 의해 차단되어 블랙 상태를 나타낸다.At this time, the light passing through the polarizing plate 13 attached to the lower substrate 1 passes through the liquid crystal layer 100 without changing the polarization direction. This light is then blocked by the polarizing plate 130 attached to the upper substrate 2 to show the black state.

도 2는 전계를 충분히 인가한 경우를 나타낸 것으로서, 액정 분자(101, 102)들은 하부 기판(1)에서 상부 기판(2)에 이르기까지 90°의 각도를 이루도록 나선상으로 꼬여 있어, 액정 분자(101, 102)의 장축의 방향이 연속적으로 변화되는 비틀린 구조를 갖는다. 이때, 액정층(100)에는 자발 분극을 가지는 강유전성 액정 분자(102)가 포함되어 있으므로 인가된 전계에 대하여 빠르게 작용하면서 액정 분자(101, 102)의 응답 속도는 빠르게 된다. 여기서, 두 기판(1, 2)에 인접한 부분에서는 가해진 전기장에 의한 힘보다는 배향막(14)의 배향력이 강하므로 액정 분자(101, 102)들은 수직으로 배향된 원래의 상태를 유지한다.2 illustrates a case where an electric field is sufficiently applied, and the liquid crystal molecules 101 and 102 are twisted in a spiral to form an angle of 90 ° from the lower substrate 1 to the upper substrate 2, thereby forming the liquid crystal molecules 101. , 102) has a twisted structure in which the direction of the long axis is changed continuously. In this case, since the ferroelectric liquid crystal molecules 102 having spontaneous polarization are included in the liquid crystal layer 100, the response speed of the liquid crystal molecules 101 and 102 is increased while quickly acting on the applied electric field. Here, since the alignment force of the alignment layer 14 is stronger than the force due to the applied electric field in the portions adjacent to the two substrates 1 and 2, the liquid crystal molecules 101 and 102 maintain the original state of being vertically aligned.

이때, 하부 기판(1)에 부착된 편광판(13)을 통과하여 편광된 빛은 액정층(100)을 통과하면서 그 편광축(↗)이 액정 분자(101, 102)의 장축 방향의 비틀림을 따라 90° 회전하게 되고, 이에 따라, 반대편의 기판(2)에 부착되어 있는 편광판(130)을 통과하게 되어 화이트 상태가 된다.At this time, the polarized light passing through the polarizing plate 13 attached to the lower substrate 1 passes through the liquid crystal layer 100, and its polarization axis ↗ is along the twist of the long axis direction of the liquid crystal molecules 101 and 102. It rotates, and it passes through the polarizing plate 130 which is affixed to the board | substrate 2 of the opposite side, and becomes white state.

이러한 본 발명에 따른 수직 배향 액정 표시 장치에서 강유전성 액정 분자(102)는 카이랄성 및 자발 분극을 가지고 있기 때문에 전계대하여 반응하는 시간은 수십μｓ이다. 그러므로 카이랄 첨가제로서 강유전성 액정 분자(012)를 첨가하면 전계인가시 액정 분자(101, 102)의 비틀림 방향이 결정될 뿐아니라, 인가된 전계에 대한 액정 분자(101, 102)의 응답 속도도 빨라진다.Since the ferroelectric liquid crystal molecules 102 have chirality and spontaneous polarization in the vertically aligned liquid crystal display according to the present invention, the reaction time for electric field is several tens of microseconds. Therefore, the addition of the ferroelectric liquid crystal molecules 012 as chiral additives not only determines the twisting direction of the liquid crystal molecules 101 and 102 when the electric field is applied, but also increases the response speed of the liquid crystal molecules 101 and 102 to the applied electric field.

여기서, 강유전성 액정 분자(102)가 가지는 자발 분극은 50~200nC/cm²범위에 있으며, 액정층(100)에는 네마틱 액정 분자(101)가 양적으로 우세하므로 강유전성 액정 분자(102)가 가지는 층 구조의 성질은 소실된다.Here, the spontaneous polarization of the ferroelectric liquid crystal molecules 102 is in the range of 50 to 200 nC / cm ² , and since the nematic liquid crystal molecules 101 quantitatively prevail in the liquid crystal layer 100, the layer of the ferroelectric liquid crystal molecules 102 has. The nature of the structure is lost.

일반적으로 비틀린 네마틱 액정 표시 장치는 30~40ms 정도의 응답 속도를 얻을 수 있다고 알려져 있다. 그리고 수직 배향 비틀린 네마틱 액정 표시 장치의 경우에는 25ms 정도의 응답 속도를 가지는 것으로 알려져 있다. 그러나 완전한 동화상 구현을 실현하기 위해서는 액정 분자의 응답 속도가 16.7ms 이하가 요구된다. 본 발명에서는 네마틱 액정 분자에 강유전성 액정 분자를 혼합하여 16,7ms 이하의 응답 속도가 가능하도록 하였다.In general, it is known that a twisted nematic liquid crystal display can obtain a response speed of about 30 to 40 ms. In the case of a vertically oriented twisted nematic liquid crystal display device, it is known to have a response speed of about 25 ms. However, in order to realize a full moving picture, the response speed of the liquid crystal molecules is required to be 16.7 ms or less. In the present invention, the ferroelectric liquid crystal molecules are mixed with the nematic liquid crystal molecules to enable a response speed of 16,7 ms or less.

따라서, 본 발명에 따른 수직 배향 액정 표시 장치에서는 네마틱 액정 분자에 자발 분극과 카이랄성을 가지는 강유전성 액정 분자로 액정층을 형성함으로써 기존에 참가하던 카이랄 첨가제를 불필요하게 하였으며, 액정층의 응답 속도를 빠르게 하여 동화상 구현이 가능하다.Therefore, in the vertically aligned liquid crystal display according to the present invention, the neural liquid crystal molecules having the spontaneous polarization and chirality are formed on the nematic liquid crystal molecules, thereby eliminating the chiral additives that have been previously participated. It is possible to realize moving images at high speed.

Claims

A first substrate and a second substrate spaced apart in parallel to each other, and each having an electrode capable of forming an electric field;

A negative dielectric anisotropy, comprising a liquid crystal layer injected between the two substrates and oriented perpendicular to the two substrates,

And a liquid crystal layer comprising nematic liquid crystal molecules and ferroelectric liquid crystal molecules.

In claim 1,

The ferroelectric liquid crystal molecules have chirality and spontaneous polarization.

In claim 2,

Spontaneous polarization of the ferroelectric liquid crystal molecules is 50 ~ 200nC / cm ² Vertically aligned liquid crystal display device.