KR19990037218A - 액정표시장치 - Google Patents

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KR19990037218A
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Abstract

본 발명은 부의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용한 수직 배향형 액정표시장치에 있어서, 전압 유지율의 잔류 직류 전압의 문제를 경감하는 액정표시장치를 제공한다. 액상층을 구성하는 액정 혼합물의 유전율 이방성(△ε)을 약 -3.8 보다 크고 약 -2.0보다 적은 범위로 설정한다.

Description

액정표시장치
본 발명은 일반적으로 액정표시장치에 관한 것이며, 특히 부(負)의 유전율 이방성을 갖는 액정을 액정표시장치의 패널면에 대하여 거의 수직방향으로 배향한, 소위 VA 모드로 동작하는 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치는 컴퓨터를 비롯한 여러 정보처리장치의 표시장치로 널리 사용되고 있다. 액정표시장치는 소형이고 소비전력이 낮으므로, 특히 휴대용 정보처리 장치에 사용되는 경우가 많지만, 소위 데스크 탑형 등의 고정형 정보처리장치에 대해서도 응용이 검토되고 있다.
그런데 종래의 액정표시장치에서는 정(正)의 유전율 이방성을 갖는 액정(P형액정)을, 서로 대향하는 액정표시장치의 기판사이에 수평배향한 소위 TN(twist nematic)모드인 것이 주로 사용되어 왔다. TN 모드의 액정표시장치는, 한쪽의 기판에 인접한 액정분자의 배향방향이 다른 쪽 기판에 인접한 액정분자의 배향방향에 대하여 90°트위스트한 것을 특징으로한다.
이와 같은 TN 모드 액정표시장치에서는 이미 여러 액정이 개발되고, 낮은 비용의 제조기술이 확립되어 있으나, 높은 콘트래스트를 실현하기가 곤란하며, 그 결과 일반적으로 이와 같은 TN 모드의 액정표시장치에서는, 액정 패널을 구성하는 액정분자에 전계가 인가되지않는 비구동상태에서는 백색을, 또 상기 액정분자에 전계가 인가되는 구동상태에서는 흑색표시를 행하도록 구성(normally white mode)되어 있다. 이것은 종래의 TN 모드 액정표시장치 경우, 비구동상태에서는 액정분자가 액정 패널면에 평행하게 배향되고, 구동상태에서는 액정분자의 배향방향이 액정 패널면에 거의 수직으로 변화하지만, 실제로는 구동상태에서도 액정 패널에 인접한 액정분자는 수평배향을 유지하며, 이와 같이 수평 배향을 한 액정분자가 형성하는 복굴절에 의해, 광이 구동상태에서도 액정 패널을 어느정도 통과해버리기 때문이다. 만약 이와 같은 TN 모드의 액정표시장치에 있어서, 배경을 흑색으로 표시(normally black mode)하려고 해도, 기판근방의 액정분자가 일으키는 복굴절의 결과, 배경의 흑색이 실제로는 완전한 흑색으로 되지 않고 광이 새거나 착색하여버리는 문제가 발생한다. 이와 같은 사정 때문에, 종래의 TN 모드 액정표시장치에서는 백색을 배경색으로 하고 있었다.
이에 대해, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정(N형 액정)을 액정 패널을 구성하는 한 쌍의 기판사이에 수직배향 또는 수직 경사 배향하도록 봉입한 VA 모드의 액정표시장치에서는, 비구동상태에서는 액정분자가 기판면에 대하여 거의 수직한 배향을 하기 때문에, 광은 액정층을 그 편광면을 거의 변화시킴이없이 통과하고, 그 결과 기판의 상하에 편광판을 배설하면, 비구동상태에서도 거의 완전한 흑색표시가 가능하다. 환언하면 이와 같은 VA 모드의 액정표시장치는 TN 모드 액정표시장치에서는 불가능한, 아주 높은 콘트래스트를 용이하게 실현 할 수 있다.
또 액정분자에 구동전계(임계치 이상의 전압에 의한 전계)를 인가한 구동상태에서는, 액정분자는 액정 패널중에서 패널면에 거의 평행하게 배향하여, 입사하는 광빔의 편광면을 회전시킨다. 단, VA 모드 액정표시장치의 구동상태에서는, 수평배향한 액정분자는, 한쪽의 기판과 다른 쪽의 기판사이에 90°트위스트를 나타낸다. 이와 같이 함으로써 액정층을 통과하는 광의 편광면이 회전한다.
도16a, 도16b는, 이와 같은 종래의 VA 모드액정표시장치(10)의 비구동상태(흑표시상태) 및 구동상태(백표시상태)를 각각 나타낸다.
도16a, 도16b을 참조하면, 액정표시장치(10)는 하측 유리기판(11A)과 상기 하측 유리기판(11A)에 대향하도록 배설된 상측 유리기판(11B)으로 되고, 상기 하측 유리기판(11A)의 상면, 즉 상기 상측 유리기판 (11B)에 대면하는 측에는 전극(12A) 및 분자배향막(13A)이 차례로 형성되어 있다. 한편, 상기 상측유리기판(11A)의 하면, 즉 상기 하측유리기판(11A)에 대면하는 측에는 투명전극(12B) 및 분자배향막(13B)이 차례로 형성되어 있다.
또한 상기 기판(11A)상의 분자배향막(13A)과 상기 기판(11B)상의 분자배향막(13B)과의 간극에는, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자(14A)로 된 액정층(14)이 봉입되어 있다. 또 도시는 생략하나, 상기 기판(11A)의 하측 및 상기 기판(11B)의 상측에는, 각각 제1 및 제2 편광판(15A, 15B)이 서로 직교 니콜(Nicol) 상태로 배설된다.
도17a는 액정표시장치(10)의 비구동상태에서의 액정분자(14)의 프리틸트(pre-tilt) 각 (θ)을 설명하는 도면이다.
도17a을 참조하면, 상기 액정분자(14A)는, 비구동상태에서 상기 기판(11A) 또는 기판(11B)의 주면에 대하여 정확히 90°의 각도를 이루는 것이 아니라, 응답속도를 향상시키기 위해서, 90°보다도 약간 작은 프리틸트 각(θ)을 이루는 것이 바람직하다.
도17b 및 도17c는 상기 기판(11A)상의 분자배향막(13A) 및 상기 기판(11B)상의 분자배향막(13B)을 표시한다.
도17b 및 도17c에서 알 수 있는 바와 같이, 분자배향막(13B)은 제1 기준방향(ref1)에 대하여 화살표시로 나타난 바와 같이, 분자배향막(13B)을 상방에서 보아 각도 α만큼 시계방향으로 회전한 방향으로 러빙(rubbing)되어 있고, 한편 분자배향막(13A)은 상기 제1 기준방향(ref1)에 대향하는 제2 기준방향(ref2)에 대하여, 마찬가지로 화살표시로 나타난 바와 같이, 상기 분자배향막(13A)를 상방에서 보아 각도 α만큼 반시계방향으로 회전한 방향으로 러빙되어 있다. 그 결과, 액정층(14) 안에서 상기 액정분자는 2α만큼의 트위스트 각을 형성한다.
도16a의 비구동 모드에서는, 전극(12A, 12B)사이에 전계가 인가되는 일은 없어서, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자(14A)는 상기 분자배향막(13A, 13B)과의 상호 작용의 결과, 상기 기판(11A) 또는 기판(11B)의 주면에 거의 수직으로 배향하고, 그 결과, 상기 기판(11A)에 하측으로부터 상기 제1의 편광판(15A)을 통하여 입사하는 광빔은 액정층(14) 안을 편광면을 실질적으로 회전시키는 일이없이 통과하며, 상기 기판(11B)에 배설된 상기 제2의 편광판(15B)에 의해 차단된다.
한편, 도16b의 구동모드에서는, 상기 전극(12A, 12B)사이에 구동전계가 인가되고, 그 결과 상기 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자(14A)는 상기 기판(11A) 또는 기판(11B)의 주면에 거의 평행하게 배열한다. 그 결과, 상기 편광판(15A) 및 기판(11A)을 통해서 액정층에 입사하는 광빔은 상기 액정층(14)을 통과할 때에 편광면을 회전시키고, 상기 편광판(15B)에 의해 차단되는 일이없이 통과한다.
VA 모드의 편광표시장치에서는 종래의 CRT에 필적하는 콘트래스트를 얻을 수 있기 때문에 특히 데스크탑형의 표시장치로서의 응용을 고려할 수 있으나, 이와 같은 데스크탑 형의 액정표시장치는 넓은 면적을 가지며 응답이 고속이어야 하는 이외에, 특히 넓은 시야각이 얻어지는 것이 요구된다.
본 발명의 발명자는 앞서 도16a, 도16b에 나타난 VA 모드의 액정표시장치(10)에서, 시각특성은 도18에 나타난 바와 같이, 액정층(14)의 리타데이션(retardation)(△n·d)의 증대함과 동시에 저하하는 것, 및 백표시모드(구동 모드)에서의 투과율, 즉 액정표시장치의 휘도는 액정층(14)의 리타데이션(△n·d)과 함께 증대하는 것을 발견하였다. 도18의 관계로부터, 액정층(14)의 리타데이션(△n·d)의 바람직한 범위는 약 0.2㎛~0.4㎛로 사료된다( 0.2㎛< △n·d <0.4㎛). 단 도18중, 우측종축은 투과율을 표시하나, 좌측종축은 콘트라스트 비가 10이상이 되는 시각의 범위를 나타내고 있다.
한편, 상기 액정표시장치(10)에서는, 도19에 실선으로 나타낸 바와 같이 부의 유전율 이방성을 갖는 액정층(14)의 전압 유지율이 시간과 더불어 저하해버리는 문제점이 발견되었다. 이것에 비해, 통상의 정의 유전율 이방성을 갖는 TN형 액정표시장치에서는, 도19에 파선으로 나타낸 바와 같이, 이와 같은 문제는 생기지 않는다. 상기 전압 유지율 저하의 문제는 액정층의 유전율 이방성(△ε)의 절대치가 커짐에 따라 현저하게 된다. 전압 유지율이 저하하는 경우에는, 액정층을 통과한 리크 전류가 커지고, 특히 액티브 매트릭스 구동방식의 액정표시장치에서는 표시 얼룩등의 심각한 문제가 발생한다.
또 상기 액정표시장치(10)에서는, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정층(14)의 사용에 관련하여, 액정층에 직류전압이 잔류하기 쉬운 문제점이 발견되었다. 액정층에 직류전압이 잔류하면, 표시 화상중에 잔상이 생겨버린다.
상기 전압 유지율 저하의 문제 및 상기 잔류 직류전압의 문제는, 상기 액정층의 부의 유전율 이방성(△ε)의 절대치를 감소시키면 회피되나, 액정층의 유전율 이방성을 감소시키면, 소정의 구동전압으로는 액정분자가 동작하기 어렵게 되어 액정층의 리타데이션(△n·d)도 감소해버려서, 도18에서 설명한 시각특성과 투과율에 관한 조건을 만족할 수 없게된다. 또 상기 액정층의 유전율 이방성(△ε)의 절대치를 감소시키면, 후술하는 바와 같이, 액정표시장치를 온, 오프 하는 구동전압이 상승해버려서, 기존의 구동회로를 사용할 수 없게된다.
따라서, 본 발명은 상기의 과제를 해결한, 신규이며 유용한 수직배향 모드 액정표시장치를 제공하는 것을 개괄적 과제로 한다.
본 발명의 보다 구체적인 과제는 부의 유전율 이방성을 갖는 액정층을 사용하고, 넓은 시각특성과 큰 콘트래스트 비를 갖는 액정표시장치에 있어서, 전압 유지율을 증가시키고, 잔류 직류전압을 감소시키며, 또한 응답특성을 향상시키는 데 있다.
도1a, 도1b는 본 발명의 원리를 설명하는 도면.
도2는 본 발명의 원리를 설명하는 다른 도면.
도3a는 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치의 제조공정을 설명하는 도면(그 중 1).
도4b는 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치의 제조공정을 설명하는 도면(그 중 2).
도5c, 도5d는 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치의 제조공정을 설명하는 도면(그 중 3).
도6은 본 발명의 제1 실시예에의한 액정표시장치의 전압 유지율를 나타낸 도면.
도7은 본 발명의 제1 실시예에의한 액정표시장치의 프리틸트 각을 나타낸 도면.
도8은 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치의 응답 특성을 나타낸 도면.
도9는 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치의 프리틸트 각의 어닐링처리에 대한 안정성을 나타낸 도면.
도10은 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치의 프리틸트 각의 시간변화에 대한 안정성을 나타낸 도면.
도11a, 도11b는 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치의 유전율 변화를 나타낸 도면.
도12는 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치의 투과율 특성을 나타낸 도면.
도13a, 도13b는 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치의 시각 특성을 나타낸 도면.
도14는 본 발명의 제2 실시예에 의한 액티브 매트릭스 구동방식의 액정표시장치의 구성을 나타낸 도면.
도15는 본 발명의 제3 실시예에 의한, 배향 분할 구성을 갖는 액정표시장치의 구성을 나타낸 도면.
도16a, 도16b는 종래의 VA 모드 액정표시장치의 원리를 설명하는 도면.
도17a ∼ 도17c는, 도 16의 액정표시장치의 프리틸트 각을 설명하는 도면.
도18은 종래의 VA 모드 액정표시장치에 의한 시각특성과 투과율의 관계를 설명하는 도면.
도19는 종래의 VA 모드 액정표시장치에 의한 전압 유지율의 저하 문제를 설명하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 VA 모드 액정표시장치
11 마스터 기판
11A, 11B 유리기판
11a, 11b 러빙방향
11c 씨일
12A, 12B 전극패턴
12C, 12P, 12Q 화소전극
12a 데이터 라인
12b 어드레스 라인
13A, 13B, 13A', 13B' 분자배향막
14 액정층
14A 액정분자
15A, 15B 편광판
본 발명은 상기의 과제를,
청구항 1에 기재한 바와 같이,
제1 기판과, 상기 제1 기판에 대해서 거의 평행하게 대향하는 제2 기판과, 상기 제1 기판의 상기 제2 기판에 면하는 제1 주면상에 형성된 제1 전극 패턴과, 상기 제1 주면상에 상기 제1 전극패턴을 덮도록 형성된 제1 분자 배향막과, 상기 제2 기판의 상기 제1 기판에 면하는 제2 주면상에 형성된 제2 전극패턴과, 상기 제2 주면상에, 상기 제2 전극 패턴을 덮도록 형성된 제2 분자 배향막과, 상기 제1 분자 배향막과 상기 제2 분자 배향막 사이에 봉입되고 상기 제1 및 제2 전극패턴 사이에 구동전압이 인가되어 있지 않은 비구동상태에서 상기 제1 주면에 거의 수직으로 배향하는 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자를 적어도 함유한 복수 종류의 액정 조성물로 구성된 액정혼합물로 된 액정층으로 된 액정패널과,
상기 액정패널의 제1 측에 배설된 제1 편광요소와,
상기 액정패널의 제2 측에 배설된 제2 편광요소로 된 액정표시장치에 있어서,
상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -2.0 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치에 의해, 또는
청구항 2에 기재한 바와 같이,
상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -3.0 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 액정표시장치에 의해, 또는
청구항 3에 기재한 바와 같이,
상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -3.5 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 액정표시장치에 의해, 또는
청구항 4에 기재한 바와 같이,
상기 액정혼합물은 장축방향의 유전율이 약 -3.0 과 약 -4.0 사이에 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 액정표시장치에 의해, 또는
청구항 5에 기재한 바와 같이,
상기 액정층은 상기 비구동상태에서 유전율이 약 3.0과 약 4.2 사이에 있고, 상기 제1 및 제2 전극패턴 사이에 구동전압을 인가한 구동상태에서 유전율은 약 4.0 과 약 7.0사이에 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항 기재의 액정표시장치에 의해, 또는
청구항 6에 기재한 바와 같이,
상기 액정층은 액정상으로부터 액상으로 전이하는 전이점의 온도가 적어도 71℃ 이상이고, -20~70℃ 온도범위에서 액상이 네마틱상을 나타내는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항 기재의 액정표시장치에 의해, 또는
청구항 7에 기재한 바와 같이,
상기 액정층은 약 0.2㎛ 와 약 0.4㎛ 사이의 리타데이션을 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 6의 어느 한 항 기재의 액정표시장치에 의해, 또는
청구항 8에 기재한 바와 같이,
제1 기판과, 상기 제1 기판에 대해서 거의 평행하게 대향하는 제2 기판과, 상기 제1 기판의 상기 제2 기판에 면하는 제1 주면상에 형성된 제1 전극패턴과, 상기 제1 주면상에 상기 제1 전극패턴을 덮도록 형성된 제1 분자 배향막과, 상기 제2 기판의 상기 제1 기판에 면하는 제2 주면상에 형성된 제2 전극패턴과, 상기 제2 주면상에 상기 제2 전극 패턴을 덮도록 형성된 제2 분자 배향막과, 상기 제1 분자 배향막과 상기 제2 분자 배향막 사이에 봉입된 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자를 적어도 함유한 복수 종류의 액정 조성물로 구성된 액정혼합물로 된 액정층으로 된 액정패널과,
상기 액정패널의 제1 측에 배설된 제1 편광요소와,
상기 액정패널의 제2 측에 배설된 제2 편광요소로 된 액정표시장치에 있어서,
상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -2.0 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치에 의해, 또는
청구항 9에 기재한 바와 같이,
상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -3.0 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 8 기재의 액정표시장치에 의해, 또는
청구항 10에 기재한 바와 같이,
상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -3.5 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 9 또는 청구항 10 기재의 액정표시장치에 의해 해결한다.
[작용]
도1a, 도1b는, 도16a, 도16b의 구성의 VA 모드 액정표시장치(10)에 있어서, 상기 액정층(14)의 유전율 이방성(△ε)의 값을 변화시킨 경우의 전압유지율 및 잔류 직류전압을 각각 나타낸다. 단 도1a에서는 측정온도는 70℃이고, 또 도1b의 잔류 직류전압은 50℃에서 플리커 소거법에 의해 측정한 것이다.
도1a를 참조하면, 액정층(14)의 전압유지율은 상기 △ε의 절대치가 4.5를 초과하면 급격히 저하하고, 액정층(14)중의 방전이 촉진되어, 정상표시가 불가능하다는 것을 알 수 있다. 앞에서도 설명한 바와 같이, 이 문제는 특히 액티브 매트릭스 구동방식의 액정표시장치에서, 아주 심각한 문제가 된다. 한편, 상기 △ε의 절대치가 4.5이하이면, 95%를 초과하는 전압유지율이 확보된다. 한편, 도1b에서 알 수 있는바와 같이, 액정층(14) 의 잔류 직류전압은 상기 △ε의 절대치가 4를 초과하면 급격히 증대하고, 그 결과 액정층(14)중의 잔류전하에 의해, 표시화상 중에 잔상 또는 번-인(burn-in)이 눈에 띄게 된다.
이것에 비해, 상기 액정층(14)의 유전율 이방성(△ε)의 절대치를 4 이하로 설정하면, 상기 전압유지율 저하의 문제 및 상기 잔류 직류전압 증대의 문제는 해소된다. 한편, 도2에 나타난 바와 같이, 액정표시장치의 구동전압은 상기 △ε의 절대치가 감소하면 증대하는 경향이 있으므로, 너무 △ε의 값을 0에 근접시키면, 기존의 구동회로에 의해 액정표시장치를 구동할 수 없는 우려가 있다. 가령 구동할 수 있다 하더라도, 충분한 밝기를 얻을 수 없어서 표시 품질이 저하하고만다. 단 도2 중, V10및 V90은 각각 액정표시장치(10)의 투과율이 10% 및 90%에 대응한 구동전압의 값을 나타낸다. 또한, △ε의 절대치가 너무 적어지면 액정층의 상대적인 구동전압이 높아지고, 그 결과 실효적인 액정층(14)의 복굴절(△n)의 값이 겉보기상, 상대적으로 적어진다. 이 때문에, 실효적인 리타데이션(△n·d)의 값이 적어져서 리타데이션의 값이 앞서 도18에서 설명한 최적의 시각특성을 주는 범위로부터 이탈해버린다. 액정층(14) 두께(d)는 제조상 및 기타 이유로 인해, 너무 변화시키지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자를 표함한 액정층(액정혼합물)의 유전율 이방성의 값의 범위를 상기 -3.8 ~ -2.0 범위, 바람직하게는 -3.8 ~ -3.0 범위, 보다 바람직하게는 -3.8 ~ -3.5 범위로 설정함으로써, 최적 시각특성을 유지하면서 전압 유지율을 향상시키고, 잔류 직류전압을 감소시킨다.
실시예
제1 실시예
도3a~도5d는 본 발명의 제1 실시예에 의한 액정표시장치(20)이 제조공정을 나타내는 도면이다. 단, 도3a~도5d 중, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도3a을 참조하면, 큰 마스터 유리기판(11)상에는 상기 전극패턴(12A) 및 분자배향막(13A)이 형성된 기판영역(11A)과, 상기 전극패턴(12B) 및 분자배향막(13B)이 형성된 기판영역(11B)이 형성되어 있고, 도3a의 공정에서는, 상기 분자배향막(13A, 13B)이 유리기판(11)에 대하여 규정된 기준방향(ref)에 대하여 롤각(α)만큼 경사진 러빙롤(60)에 의해, 각각 점선 화살표시(11a) 및 실선 화살표시(11b)의 방향으로 러빙된다. 도3a 중, 상기 전극패턴(12A) 각각에는, 액정층(14)안에 형성되는 화소에 대응하여 화소전극(12P)이, 또 상기 전극패턴(12B)의 각각에도, 상기 화소에 대응하여 화소전극(12Q)이 형성되어 있다. 또 도3a 중, "No.ring(+)" 또는 "No.ring(-)"라고 되어 있는 것은 기판(11A, 11B)의 상하좌우를 식별하기 위한 기호이다.
다음에, 도4b의 공정에 있어서, 상기 마스터 유리기판(11)으로부터 상기 유리기판(11A, 11B)이 절단되어, 기판(11B)이 상하 및 좌우로 반전된다. 또한, 상기 하측 유리기판(11A)상에는 씨일(seal)(11c)을, 씨일(11c)이 유리기판(11A)상의 액정패널 영역을 둘더싸도록 형성한다.
또한, 도5c, 도5d의 공정에 있어서, 상기 하측 유리기판(11A)과 상측 유리기판(11B)을, 기판(11A)상의 상기 화소전극(12P)이 기판(11B)상의 대응하는 화소전극(12Q)과 겹치도록 서로 중첩시키고, 그 사이에 상기 액정층(14)(도시하지 않음)을 봉입함으로써 액정패널을 형성한다. 단, 도5c는 상기 액정패널을 상방, 즉 기판(11B)의 방향으로부터 투시한 도면, 또한 도5d는 상기 액정패널을 하방, 즉 기판(11A)의 방향으로부터 투시한 도면이다.
또한, 액정패널의 상방에는, 도5c에 나타낸 투과축(15b)를 갖는 편광판이 상기 검광자(15B)로서 배설되고, 또한 상기 액정패널의 하방에는, 도5d에 나타낸 투과축(15a)을 갖는 편광판이 상기 편광자(15A)로서 배설된다. 도5c, 도5d는 각각 표리가 반전한 방향에서 본 도면이므로, 편광자(15A)의 투과축(15a)과 검광자(15B)의 투과축(15b)은 교차한다. 즉, 편광자(15A)와 검광자(15B)는 크로스 니콜상태(crossed Nicol state)로 설정된다. 또한, 유리기판(11A, 11B)으로 구성되는 액정패널에 있어서, 상기 도3a의 러빙 방향(11a, 11b)은 2α의 각도로 교차하고, 그 결과 상기 액정층(14) 중의 액정분자에는 2α의 트위스트 각이 형성된다.
본 발명의 발명자는 이렇게 형성한 액정표시장치(20)에 있어서, 이하의 표1에 표시한 액정을 사용하여 그 동작특성을 조사했다. 단 액정표시장치(20)에서, 액정층(14)의 두께(d)는 3.4㎛로 설정하고 있다.
TFT용 액정재료의 평가 결과
액 정 물 성 치 구 동 전 압(V)
A(MJ95785) NI 점: 79℃△ε : -4.6△n : 0.0813 V10/V902.37/2.38
B(MJ961213) NI 점: 71℃△ε : -3.8△n : 0.0822 2.43/5.85
A(MJ961320) NI 점: 71℃△ε : -2.1△n : 0.0836 3.20/6.88
측정온도: 25℃
표1을 참조하면, 액정(A)은 종래부터 VA 모드 액정표시장치에 사용되고 있는, 유전율 이방성(△ε)이 -4.6, 복굴절(△n)이 0.0813, 액정상-액상 전이온도(NI)가 79℃인 시판의 N형 액정(Merck Japan사 제 MJ95785)인데 비해, 액정(B)은 유전율 이방성(△ε)이 -3.8, 복굴절(△n)이 0.0822, 액정상-액상 전이온도(NI)가 71℃인 액정(Merck Japan사 제 MJ961213)이며, 또한 액정(C)은 유전율 이방성(△ε)이 -2.1, 복굴절(△n)이 0.0836, 액정상-액상 전이온도(NI)가 71℃인 시판의 N형 액정(Merck Japan사 제 MJ961320)이다. 상기 액정(A~C)은 모두 복수의 액정 조합물로 된 F(불소)계의 액정 혼합물이다.
도6은 액정표시장치(20)에서, 액정(A) 및 액정(B)를 사용한 경우의 전압 유지율을 70℃에서의 방치시간의 함수로서 측정한 결과를 정의 유전율 이방성을 갖는 종래의 TN형 액정을 사용한 경우와 비교하여 나타낸 도면이다. 단, ▲는 액정(A)을 사용한 경우를, ●는 액정(B)을 사용한 경우를, 또한 ■는 TN 모드 액정을 사용한 경우를 나타낸다. 단, 도6의 전압 유지율의 측정은 액정표시장치(20)를 70℃에서 여러 가지 시간으로 방치하여 행하였다.
도6을 참조하면, 유전율 이방성(△ε)이 -4.6 인 액정(A)을 사용한 경우에는, 전압 유지율은 도19에 나타난 것과 마찬가지로 시간과 더불어 저하해 가나, 유전율 이방성(△ε)이 -3.8 인 액정(B)를 사용한 경우에는, 전압 유지율은 시간적으로 거의 변화하지 않아서, 종래의 TN 모드 액정과 동등한 값을 유지하는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 발명자는 액정표시장치(20)에서, 액정층(14)의 유전율 이방성과 함께, 액정분자의 프리틸트 각(θ)(도17a 참조)이 변화하는 것을 발견하였다.
도7은 액정표시장치(20)에서의 액정분자(14a)의 프리틸트 각(θ)과 액정층(14) 의 유전율 이방성(△ε)과의 관계를 나타낸다.
도7을 참조하면, 프리틸트 각(θ)은 유전율 이방성(△ε)의 절대치가 감소함에 따라, 약간 감소하는 경향이 있음을 알수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 프리틸트 각(θ)은 액정표시장치의 응답속도에 관계하고 있다.
도8은 상기 액정표시장치(20)의 응답시간과 유전율 이방성(△ε)과의 관계를 나타낸다. 단, 도8중, ●은 액정표시장치(20)의 투과율이 비구동상태(투과율 0%)로부터 시작해서 90%에 도달하는 데 요하는 시간(Ton)을, 또한 ▲은 같은 액정표시장치(20)의 투과율을 구동상태(투과율 100%)로부터 시작해서 10%에 도달하는 데 요하는 시간(TOFF)를 나타낸다.
도8을 참조하면, (TOFF)는 (△ε)에는 그다지 의존하지 않으나, (Ton)쪽은 (△ε)의 절대치가 4를 초과하면 급격히 커져서, 액정표시장치의 응답특성이 저하해버리는 것을 알수 있다.
그런데, 액정표시장치(20)는, 상기 액정층(14)을 기판(11A)과 기판(11B) 사이의 간극에 봉입한 후, 어닐링(annealing)처리를 실시하지만, 본 발명자의 실험에서는, 상기 프리틸트 각(θ)은 이와 같은 어닐링처리의 전후에서 도9에 나타난 바와 같이 변화하는 것을 발견하였다. 도9의 결과는 유전율 이방성(△ε)이 -2 부터 -4 범위에, 바람직하게는 -2 부터-3.8 범위, 보다 바람직하게는 -3.0 부터 -3.8 범위, 특히 바람직하게는 -3.5 부터 -3.8 범위에 들어있는 경우에는, 프리틸트 각(θ)의 변화는 근소하지만, 이 범위 밖에서는 어닐링에 의한 프리틸트 각(θ)의 변화가 실질적이 되는 것을 나타내고 있다. 단, 도9의 결과는 25℃에서 크리스털 로테이션 법(crystal rotation process)으로 구한 것이다.
도10은 액정표시장치(20)에서의 프리틸트 각의 안정성을 나타낸다. 단, 도10의 결과는 70℃로 방치한 액정표시장치의 프리틸트 각을 25℃에서 측정한 것이다.
도10을 참조하면, 초기 프리틸트 각이 88。 이상의 경우에는 프리틸트 각은 시간적으로는 거의 변화하지 않지만, 초기 프리틸트 각이 86。보다도 작아지면 프리틸트 각은 시간의 경과와 함께 감소한다. 프리틸트 각이 너무 작아지면, 비구동상테에서 입사광 빔의 편광면이 회전하고 말아서 콘트라스트가 저하한다.
이상으로부터, 또 도2의 구동전압과 (△ε)의 관계로부터, 그리고 또한 시각특성 관계로부터 VA 모드 액정표시장치(20)에서, 액정층(14)의 유전율 이방성(△ε)의 값을 약-3.8 부터 약-2.0의 범위로 하는 것이 바람직하다는 결론이 난다.
도11a, 도11b는 액정표시장치(20)에서의 액정층(14)의 유전율의 전극(12A, 12B) 사이에 인가되는 구동전압에 대한 변화를 나타낸 도면이다. 단, 도11a는, 액정층(14)으로서, 유전율 이방성(△ε)이 -4.6 이고 복굴절(△n)이 0.0813 인 상기 액정(A) 및 유전율 이방성(△ε)이 -3.8 이고 복굴절(△n)이 0.0822 인 상기 액정(B)을 사용한 경우를, 또 도11b는 유전율 이방성(△ε)이 -5.5 이고 복굴절(△n)이 0.0945인 액정(shinetsu chemical사제의 SLX-2030), 유전율 이방성이 -5.1이고 복굴절(△n)이 0.0793인 액정(Merck Japan사 제 MJ96723), 유전율 이방성이 -4.6으로 복굴절(△n)이 0.0813인 액정(상기 액정(A)), 및 유전율 이방성(△ε)이 -2.1이고 복굴절(△n)이 0.0863인 액정(상기 액정(C))을 사용한 경우를 나타낸다. 이중 상기 액정 SLX-2030 이외는 모두 F계의 액정이여 한편 상기 SLX-2030은 F계를 기본으로 하는 규소 화합물(-Si-)이다.
도11a, 도11b를 참조하면, 액정층(14)에서는 액정 분자가 배향하지 않는 구동 전압(임계치 이하의 전압)이 인가되어 있는 비구동 상태와 액정 분자가 배향하는 구동 전압(임계치 이상의 전압)이 인가되어 있는 구동 상태에서 액정분자의 배향 방향이 변화하기 때문에 유전율 자체도 변화하고, 비구동 상태에서는 액정분자(14A)의 장축 방향에 대응하는 유전율이, 또 구동상태에서는 액정분자(14A)의 단축 방향에 대향하는 유전율이 관측된다.
액정층(14)의 유전율 이방성(△ε)을 앞에 설명한 바람직한 범위, 즉 약 -3.8∼-2.0 사이로 설정한 경우, 상기 전극 패턴(12A, 12B) 사이에 5.5V 의 구동전압이 인가되는 구동상태(백표시 모드)에서의 액정층(14)의 유전율은 거의 4.0∼7.0 사이가 되고, 또 비구동상태(흑표시 모드)에서의 액정층(14)의 유전율은 거의 3.0∼4.2 사이가 된다.
도12는 상기 액정표시장치(20)에서 액정층(14)으로서 상기 액정층(A,B,C)을 사용한 경우의 구동 전압-투과 특성을 나타낸다. 단 도12 중, 투과율은 휘도 상대비로 표시하고 있다.
도12를 참조하면, 유전율 이방성(△ε)이 -3.8인 액정(B)을 사용한 경우, 종래의 유전율 이방성(△ε)이 -4.6인 액정(A)을 사용한 경우와 실질적으로 동등한 투과율 특성을 얻을 수 있다. 한편 유전율 이방성(△ε)이 -2.1인 액정(C)을 사용한 경우에는, 투과율이 다소 내려가고, 이 때문에 구동전압이 다소 증가하는 경향이 보인다.
도13(a)는 상기 액정(B)을 사용한 경우의 액정표시장치(20)의 시각 특성을 나타낸다. 단 도13a 중, 원주를 따라서 방위각이, 또 십자선을 따라서 극각이 표시되어 있다. 또 도13a 중, 각 방위각 및 극각에 대해서 10∼110의 콘트라스트비가 등고선의 형태로 표시되어 있다. 또 도13b는 도13a 중에서 특정의 방위각에 대해서 극각의 값을 -70°에서 +70°까지 변화시킨 경우의 콘트라스트 프로파일이다.
도13a, 도13b를 참조하면, 액정표시장치(20)는 액정층(14)의 리타데이션(△n·d)의 값을 앞에 설명한 바와 같이 0.2㎛∼0.4㎛ 사이로 설정함으로써 유전율 이방성(△ε)이 -3.8∼-2.0 사이로 설정되어 있어도, 우수한 콘트라스트비와 시각 특성을 주는 것을 나타내고 있다. 또 액정층(A,C)에 대해서도 (△n·d)의 값이 액정(B)의 (△n·d) 값과 동일하고, 동일한 결과가 얻어진다. 도13a의 결과는 유리기판(11A, 11B)의 외측에 위상차 보상필름을 배설하고 있지 않는 경우에 대한 것이고, 이러한 위상차보상 필름을 배설함으로써 시각특성은 더욱 개선된다.
제2 실시예
도14는 앞에 설명한 액정표시장치(20)를 변형하여 액티브 매트릭스 구동방식의 액정표시장치(30)를 형성한 예를 나타낸다. 단 도14중 앞에 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도14를 참조하면, 액정표시장치(30)에서는 기판(11A) 상에 행방향으로 연재하는 어드레스 라인(12a)과 열방향으로 연재하는 데이터 라인(12b)이 형성되고, 한편 상기 기판(11B)상의 투명 전극(12B)(도시하지 않음)은 기판(11B) 전면을 덮어 균일하게 형성되어 있다. 또한 상기 기판(11A) 상의 상기 어드레스 라인(12a)과 데이터 라인(12b)의 교점에 대응하는 부분에는 박막 트랜지스터(TFT)와, 이것에 협동하는 투명화소 전극(12C)이 형성된다. 또 상기 기판(1B)상에는 상기 화소전류(12C)에 대응하여 컬러필터(도시하지 않음)가 형성된다.
도14의 액정표시장치(30)에서 액정층(14)으로서 상기 액정(A)(△ε=-4.6, △n=0.0813), 상기 액정(B)(△ε=-3.8, △n=0.0822) 및 도11b의 실험에 사용한 액정(D)(△ε=-5.1, △n=0.0793)을 사용하여 잔류 직류 전압, 즉 잔류 전하에 의해서 발생되는 표시의 번-인(잔상)에 대해서 실험을 행했다. 단 시험은 액정표시장치(30)를 최적의 구동 전압으로 구동한 후에 일단 구동 전압을 차단하고, 다시 상기 최적의 구동전압을 인가한 경우의 투과율의 감소율을 번-인율로 구함으로서 행했다.
그 결과 액정(B)을 사용한 경우에 번-인율이 3%인 것에 비해서 액정(A)을 사용한 경우에는 번-인율이 5%까지 증대하고, 또한 액정(D)을 사용한 경우에는 번-인율이 9%까지 도달하는 것을 발견하였다. 이것으로부터도 N형 액정층(14)의 유전율 이방성(△ε)을 약 -3.8 부터 약-2.0의 범위로 하는 것이 바람직하다는 결론이 난다.
제3 실시예
도15a, 도15b는 본 발명의 제3 실시예에 의한 액정표시장치(40)의 일부를 각각 비구동 상태 및 구동 상태로 나타냈다. 액정표시장치(40)는 도14의 액정표시장치(30)의 일변형례이고, 따라서 앞에 설명한 부분에는 동일한 참조부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도15a, 도15b를 참조하면, 상기 분자 배향막(13A)중의 상기 화소 전극(12C)에 대응하는 부분에는 분자 배향막(13A)과 다른 별도의 분자 배향막(13A')이 형성되어 있고, 마찬가지로 상기 분자 배향막(13B)중의 상기 화소 전극(12C)에 대응하는 부분에도, 분자 배향막(12B)과 다른 별도의 분자 배향막(13B')이 상기 분자 배향막(13A)에 대면하도록 형성되어 있다. 그 결과 상기 분자 배향막(13A')은 분자 배향막(13B)에 대면한다.
분자 배향막(13A, 13A')은 막조성 또는 러빙 방향이 다르고, 그 결과 그 사이에 봉입되는 액정층(14) 중의 액정 분자(14A)의 프리틸트 각은 분자 배향막(13A)에 접하는 부분과 분자 배향막(13A')에 접하는 부분, 또는 분자 배향막(13B)에 접하는 부분과 분자 배향막(13B')에 접하는 부분에서 다르다. 환언하면, 도15a, 도15b의 액정표시장치(40)는 배향분할 구성을 갖는다.
도15b에 나타낸 바와 같이, 액정표시장치(40)는 구동 상태에서는 거의 수평 배향한 액정 분자(14A)의 상태가 분자 배향막(13A')이 형성된 영역과 분자 배향막(13B')이 형성된 영역에서 대칭적으로 되고, 그 결과 액정표시장치(40)는 다른 각도로 입사하는 광빔(1)과 광빔(2)을 거의 동일한 투과율로 통과시킨다.
도14의 액정표시장치(30)에서, 도15a, 도15b의 배향 분할 구성을 조합시킴으로서, 액정표시장치의 시각 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 VA모드 액정표시장치에 한정되는 것은 아니며, N형 액정을 사용한 액정표시장치 일반에도 적용할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니고 특허 청구 범위에 기재한 요지 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다.
청구항 1∼10기재의 본 발명의 특징에 의하면,
부의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용한 액정표시장치에 있어서, 액정 혼합물의 유전율 이방성의 값의 범위를 -3.8 ∼ 약-2.0의 범위로 설정함으로써 최적의 시각 특성을 가지면서, 전압 보유율을 향상시키고, 잔류 전류 전압을 감소시킬 수 있으므로, 액정표시장치의 표시 품질과 수명을 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 제1 기판과, 상기 제1 기판에 대해서 거의 평행하게 대향하는 제2 기판과, 상기 제1 기판의 상기 제2 기판에 면하는 제1 주면상에 형성된 제1 전극 패턴과, 상기 제1 주면상에 상기 제1 전극패턴을 덮도록 형성된 제1 분자 배향막과, 상기 제2 기판의 상기 제1 기판에 면하는 제2 주면상에 형성된 제2 전극패턴과, 상기 제2 주면상에, 상기 제2 전극 패턴을 덮도록 형성된 제2 분자 배향막과, 상기 제1 분자 배향막과 상기 제2 분자 배향막 사이에 봉입되고 상기 제1 및 제2 전극패턴 사이에 구동전압이 인가되어 있지 않은 비구동상태에서 상기 제1 주면에 거의 수직으로 배향하는 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자를 적어도 함유한 복수 종류의 액정 조성물로 구성된 액정혼합물로 된 액정층으로 된 액정패널과,
    상기 액정패널의 제1 측에 배설된 제1 편광요소와,
    상기 액정패널의 제2 측에 배설된 제2 편광요소로 된 액정표시장치에 있어서,
    상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -2.0 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -3.0 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -3.5 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액정혼합물은 장축방향의 유전율이, 약 3.0 과 약 4.0 사이에 있는 것을 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액정층은 상기 비구동상태에서 유전율이 약 3.0 과 약 4.2 사이에 있고, 상기 제1 및 제2 전극패턴 사이에 구동전압을 인가한 구동상태에서 유전율이 약 4.0 과 약 7.0 사이에 있는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액정층은 액정상으로부터 액상으로 전이하는 전이점의 온도가 적어도 71℃ 이상이고, -20 ~ 70℃ 온도범위에서 액정이 네마틱상을 나타내는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액정층은, 약 0.2㎛ 와 약 0.4㎛ 사이의 리타데이션을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  8. 제1 기판과, 상기 제1 기판에 대해서 거의 평행하게 대향하는 제2 기판과, 상기 제1 기판의 상기 제2 기판에 면하는 제1 주면상에 형성된 제1 전극패턴과, 상기 제1 주면상에 상기 제1 전극패턴을 덮도록 형성된 제1 분자 배향막과, 상기 제2 기판의 상기 제1 기판에 면하는 제2 주면상에 형성된 제2 전극패턴과, 상기 제2 주면상에 상기 제2 전극 패턴을 덮도록 형성된 제2 분자 배향막과, 상기 제1 분자 배향막과 상기 제2 분자 배향막 사이에 봉입된 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자를 적어도 함유한 복수 종류의 액정 조성물로 구성된 액정혼합물로 된 액정층으로 된 액정패널과,
    상기 액정패널의 제1 측에 배설된 제1 편광요소와,
    상기 액정패널의 제2 측에 배설된 제2 편광요소로 된 액정표시장치에 있어서,
    상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -2.0 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -3.0 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 액정혼합물은 -3.8 보다 크고 약 -3.5 이하 범위의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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