KR20000033252A - 수직배향된나선변형강유전성액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 짧은 나선 피치를 가지는 강유전성 액정을 사용한 새로운 구동 구조의 액정 표시 장치에 관한 것으로, 두 기판면에 수직 배향제가 도포되어 있고, 두 기판중 한 기판면에만 전극이 형성되어 있어서, 전압이 인가되면 전기장 방향이 기판면과 평행하게 주어지는 구동 방법을 사용하는 강유전성 액정 표시 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 종래의 네마틱 액정 표시 장치가 구현하는 낮은 응답속도와 좁은 시야각 등의 단점을 극복하고, 강유전성 액정 표시 장치 제조에서 큰 문제점인 대면적의 균일한 배향 및 연속적인 계조 표시 기능을 쉽게 구현할 수 있다. 본 발명의 장치에 의하면, 강유전성 액정의 나선 피치가 인가한 전기장의 크기에 따라 연속적으로 변형되어 계조 표시 기능이 달성되고, 수직배향에 의한 높은 대비비가 얻어지며, 전기장의 극성에 의존하는 분자 회전 방향을 이용하여 원천적인 다중 배향(multidomain) 구조에 의해 넓은 시야각 특성을 구현할 수 있다.

Description

수직 배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시 장치
본 발명은 짧은 나선 피치를 가지는 강유전성 액정을 사용한 새로운 액정 표시장치에 관한 것으로, 종래의 네마틱 액정 표시 장치가 보이는 낮은 응답속도와 좁은 시야각 등의 단점을 극복하고 강유전성 액정 표시 장치 제조에서 큰 문제점인 대면적의 균일한 배향 및 연속적인 계조 표시 기능을 쉽게 해결할 수 있도록 한 것이다. 본 발명의 강유전성 액정 표시 장치에 의하면, 강유전성 액정의 나선피치가 인가한 전기장의 크기에 따라 연속적으로 변형되어 계조 표시 기능이 달성되고, 수직배향에 의한 높은 대비비가 얻어지며, 전기장의 극성에 의존하는 분자 회전 방향을 이용하여 원천적인 다중 배향(multidomain) 구조에 의해 넓은 시야각 특성을 구현할 수 있다.
뿐만아니라, 러빙 등의 배향막 표면처리 공정이 요구되지 않아 제조공정의 단순화와 배향 불량을 감소시켜 액정 표시 장치의 제조 수율의 향상을 통해 제품의 생산 가격을 낮출 수 있는 장점이 있다.
종래의 액정 표시 장치는 액정의 전기 광학 효과를 이용하는데, 두 장의 기판에 투명전극이 형성되고 그 전극면에 액정을 정렬시킬 수 있는 배향막이 도포되어 있으며, 두 기판 사이에 액정이 주입되고 두 기판의 바깥 면에는 편광판이 부착되어 인가 전압에 따라 광 투과도가 변화될 수 있도록 액정 표시 장치를 구성하였다.
이같은 종래의 액정 표시 장치는 자체적으로 빛을 발광하지 않고 외부의 빛을 단지 통과시키거나 차단시키는 작용을 하여 화면에 정보를 표시하는데, 빛의 통과 또는 차단을 위해서는 전압을 인가하여 액정의 분자회전을 유도하여 배향 방향을 변화시켜야 했다.
한편, 액정 표시 장치에 사용되는 액정은 분자 배열구조에 따라 방향 질서만 존재하는 네마틱 액정(nematic liqid crystal), 위치 질서도 함께 존재하는 스멕틱 액정(smectic liquid crystal)으로 구분되며, 거시적인 자발분극(spontaneous polarization)의 존재 유무에 의해 강유전 액정과 반강유전 액정 등으로 세분할 수 있다.
이들 중 네마틱 액정은 자발분극이 존재하지 않기 때문에 인가 전기장과 상호작용은 비극성이며 거시적으로는 액정 분자의 유전 이방성으로 설명된다. 이러한 네마틱 액정을 사용하는 비틀린 네마틱(twisted nematic; TN) 액정 표시 장치에서는 유전 이방성에 의한 분자들의 응답속도가 수십 msec에서 수백 msec 수준이기 때문에 고속응답이 요구되는 액정 표시 장치에는 적용하는데 어려움이 있었다. 더구나, 다중 배향(multidomain)이나 추가의 광학필름의 채용없이는 좁은 시야각과 낮은 대비비 특성을 보이는 단점이 존재한다.
네마틱 액정에 비하여 강유전성 또는 반강유전성 액정에서는 분자들의 응답속도가 자발분극과 전기장의 극성 상호 작용에 의해 유도되기 때문에 수십μsec 정도로 매우 높아서 고속의 동화상 구현에 적합하다. 그러나 기존의 표면 안정화된(surface-stabilized) 강유전성 액정 표시 장치는 쌍안정(bistable) 모드로 동작하여 원천적으로 연속적인 계조 표시가 불가능하고 대면적의 균일한 배향을 얻기가 대단히 어렵다. 최근에는 시간 혹은 공간 분할 구동방식으로 연속적 계조 표시 기능이 달성되었으나 복잡한 구동체계의 도입이 필수적으로 요구되는 등 여전히 많은 문제점을 가지고 있었다.
최근에 소개되고 있는 반강유전성 액정 표시 장치의 경우 높은 응답 속도와 상대적으로 용이한 배향, 원천적인 연속적인 계조 표시 기능을 가지고 있으나, 여전히 대면적의 균일한 배향 문제와 화면의 떨림(flicker) 현상 등이 존재하고 있다.
이와는 달리, 빛의 파장에 비해 매우 짧은 나선 피치를 가지는 강유전성 액정의 경우 수평 배향 구조에 전기장을 인가하여 나선 구조를 변형시켜 연속적인 계조 표시를 달성하는 수평 배향된 나선 변형(helix-deformed; HD) 강유전 액정 표시 장치가 제시되고 있으나, 이러한 장치 또한 높은 응답속도와 넓은 시야각 특성을 보이지만 대면적의 균일한 배향을 얻기 위해서는 엇밀기(shearing)나 전기장 처리(electric field treatment)등의 추가 배향 공정이 요구되는 문제가 존재한다.
상기에서 언급한 바와 같이 강유전성 또는 반강유전성 액정 표시 장치의 제조시 공통적인 가장 큰 문제는 대면적의 균일한 배향이며, 각 장치마다 원천적인 계조 표시의 어려움이나 화질의 저하 등의 단점을 가지고 있다. 구체적으로는, 강유전성 또는 반강유전성 액정은 일반적으로 나선 피치가 짧아서 배향면과의 강한 극성 상호작용에 의해 띠조직 등의 배향 구조가 나타나기 때문에 균일한 단일 배향 구조를 얻기가 매우 어렵다.
때문에 이같은 배향 구조에서는 상대적으로 대비비가 저하되며, 특히, 종래의 수평 배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시 장치의 경우 높은 투과도를 얻기 위해서 강유전성 스메틱 C*상을 얻기가 거의 불가능하다.
고품위의 대화면 액정 표시장치를 구현하기 위해서는 대면적의 균일한 배향, 높은 응답속도, 높은 대비비에 부가하여 우수한 시야각 특성이 요구된다. 액정은 광학적 이방성이 매우 큰 물질로서 액정 분자에 입사되는 빛의 각도에 따라 유효 굴절률이 크게 달라진다. 현재 널리 사용되고 있는 TN 모드의 경우 기판면에 수직한 축을 중심으로 경사진 방향에 대해 방위각의 변화에 따른 대비비의 변화가 매우 비대칭적으로 나타난다.
이에대한 개선 방법으로 특정한 조건의 단축성 또는 이축성 위상차 광학필름을 추기로 사용하는 광 보상 방법이 널리 사용되고 있다. 또 다른 방법들로는 각 화소에 액정의 배향 방향이 서로 다른 다중 배향(multidomain)을 이용하는 방법이 사용되고 있으며, 최근에는 동일 기판면에서의 분자 스위칭(in-plain swtching; IPS)를 이용하는 모드등이 소개되고 있다.
상기한 방법중, 다중 배향 방법의 경우 다중 러빙 또는 광 배향 기법을 사용하게 되며 적어도 두 번 이상의 광 마스크의를 사용해야 하므로 이에따른 공정의 복잡성, 배향 신뢰성의 확보 등의 문제점이 존재하였다.
한편, 분자 스위칭 모드에서는 현재 네마틱 액정이 채용되고 있어 여전히 응답속도가 낮으며, 낮은 개구율에 따른 투과도의 저하와 잔상(image sticking)에 의한 화질의 저하 등이 수반된다. 이외에 시편 자체에서 일부 광학적으로 시야각 특성을 보상하는 광 보상 휨(optically compensated bend) 모드나 높은 대비비와 우수한 시야각 특성을 보이는 역 비틀린 네마틱(inverse TN) 모드 등이 알려져 있으나 모드 자체만으로는 여전히 대칭적인 시야각 특성을 갖지 못한다.
본 발명은 이상과 같은 종래의 기술의 문제점을 극복한 것으로, 짧은 나선 피치를 가지는 강유전성 액정이 수직 배향되어 동일 기판에서 구동 전압이 인가되는 액정 표시 장치로서, 대면적의 균일한 배향의 어려움을 해결하고 높은 응답 속도를 유지하며 연속적인 계조 표시와 우수한 시야각 특성을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 한가지 실시예는 두 기판에서 한 기판에는 적절한 모양의 투명 전극이 구성되어 있고, 두 기판의 안쪽에는 배향막이 도포되어 두 기판 사이에서 강유전성 액정이 수직 배향된 구조이며, 두 기판의 바깥면에는 동일 기판에서 인가되는 전기장의 방향과 광축이 45˚를 이루는 두 개의 서로 직교하는 편광자가 부착되어 있는 투과형 액정 표시 장치이다.
본 발명의 다른 실시예는 한 기판의 바깥면에는 위사차판과 한 개의 편광자가 부착되어 있고, 다른 기판에는 반사판이 결합되어 구성된 반사형 액정표시 장치이다.
상기한 본 발명의 액정 표시 장치는 나선피치가 0.35㎛ 보다 짧으며 강유전상에서의 분자 경사각을 θ라고 하면, 분자경사각이 22.5˚≤θ≤45˚이고, 기판면에 대한 선 경사각을라고 하면, 선 경사각이 45˚≤≤90˚인 강유전성 액정을 사용한다. 또한, 액정의 굴절률 이방성과 액정 시편 간격의 곱이 720nm 보다 작게 구성되며, 반사형의 경우에는 위상차판의 위상지연이 160 ×Nnm(N=1,2,3,......) 사이의 값을 갖도록 구성됨과 아울러 편광판의 광축이 위상차판의 광축과 45˚가 되도록 구성된다.
도1은 본 발명의 수직 배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시장치의 단면도로 구동원리를 나타냄.
도2는 본 발명의 수직 배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시장치의 평면도로 직교하는 편광판의 광축과 분자 배열 구조를 보여줌.
도3은 본 발명의 수직 배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시장치의 전기장 세기에 따른 광 투과도로 연속적인 계조 표시 기능을 나타냄
도4는 본 발명의 수직 배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시장치에 인가한 전기장의 파형에 따른 광 투과도로서 빠른 응답속도를 나타냄
도5는 본 발명의 수직 배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시장치의 구동 전극 배열에 따른 원천적인 다중영역(multi domain) 구조의 예를 나타냄
본 발명의 수직 배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시장치의 상세한 내용을 첨부한 도면에 의하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 기본적으로 강유전성 액정의 전기장 인가에 의한 나선 풀림 현상을 구동원리를 사용하는데, 기존의 나선 변형 강유전성 액정 표시장치와는 달리 액정의 나선축 방향이 기판에 수직하게 배향되어 있고, 투명전극이 한 기판면에만 존재하여 전기장이 동일한 배향 및 연속적인 계조 표시 기능을 쉽게 달성되고 수직배향에 의한 높은 대비비가 얻어지며, 전기장의 극성에 의존하는 분자 회전 방향을 이용하여 원천적인 다중 배향(multidomain) 구조에 의해 넓은 시야각 특성을 구현할 수 있다.
[도1]은 본 발명의 수직 배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시 장치의 단면도로 구동원리를 보여주고 있다. 투과형 시편은 두장의 유리기판(1)을 가지고 있으며, 그 중 한 기판에만 indium-tin-oxide(ITO)와 같은 투명 전극(2)이 적절한 모양으로 형성되어있다. 각각의 기판에는 액정을 수직으로 배향시키기 위하여 폴리이미드(polyimide;PI)와 같은 수직 배향제(3)가 도포되어 있고, 두 기판 사이에 나선 피치가 가시광선의 파장보다 짧은 강유전성 액정이 주입되어 있다. 두 기판의 바깥면에는 서로 직교하는 두 개의 편광판(4)이 부착되어 있다. 투과형의 경우 직교하는 편광판을 부착하는 각도는 시편을 위에서 보았을 때의 도2에서 처럼, 인가한 전기장의 방향에 대해 45˚를 이루도록 한다. 한장의 편광판을 사용하는 반사형의 경우는 투과형에 비해 소비전력이 작지만 대비비가 낮아 위상차판이 결합되어 구성되고, 편광판의 광축과 위상차판의 광축은 45˚의 각도를 이루고 있다.
수직배향된 나선 변형 강유전성 액정 표시 장치의 구동 원리는 다음과 같다. 본 발명의 액정 표시 장치는 앞에서 설명한 바와같이 인가전기장에 의한 연속적인 나선 변형을 기본 원리로 이용하고 있다.
[도1]의 (b)는 본 발명의 수직 배향 구조에서 전기장이 인가되지 않은 경우 액정의 스메틱 층들의 나선구조가 유지되어 평균 광축 방향(6)이 기판에 수직하게 되는 것을 나타낸다. 따라서, 두 개의 직교 편광자(4) 하에서는 완전히 빛이 차단된다. 그러나, 전기장(5)이 인가될 경우 강유전성 액정 분자의 분극 모멘트와 전기장 사이의 상호작용에 의하여, 인가 전기장의 극성에 따라 도1의 (a) 또는 (c)와 같이 평균 광축 방향(6)이 변하게 되고, 그 결과 입사 빛은 기판에 대한 평균 광축의 사영 방향과 45˚를 이루는 직교 편광판을 투과하게 된다.
본 발명의 수직 배향된 나선 변형 액정시편의 전기 광학 특성을 살펴보기 위해 〈표1〉과 같은 시편을 사용하였다.
〈표1〉 시편의 조건
[도2]는 본 발명의 수직 배향된 나선 변형 강유전성 액정 장치의 평면도를 나타내며, 직교하는 편광판의 광축과 분재배열 구조를 나타내고 있다.
[도3]은 인가 전기장의 세기에 따른 광 투과도를 보여준다. 이 결과는 인가 전기장의 세기에 따라 액정 분자가 연속적으로 원추상에서 회전하면서 나선구조가 변형되고, 액정의 유효 복굴절의 크기가 연속적으로 변화하여 투과 빛의 세기가 연속으로 변화하는 계조 표시 기능을 나타낸다.
[도4]는 인가한 전기장의 파형에 대한 광 투과도로서 본 발명의 시편의 동적 응답 특성을 보여준다. 구동 전압 범위 내에서의 전기장 인가(ON)시 응답시간은 약 140μsec 정도이며 전기장 제거(OFF)시는 약 40μsec로 측정되었으며, 네마틱 액정의 경우보다 수백배 이상 빠른 응답특성을 보여준다.
[도5]에서는 구동 전극의 배열구조에 따른 원천적인 다중영역(multi domain) 구조의 예를 보여주는 것으로 한 전극(1)과 다른 전극(3)이 서로 평행하면서 교차하고 있다. 이러한 구조에서 인가 전기장이 전극(1)에서 전극(3)으로 향할 때 이웃한 두 구동 영역에서의 액정의 평균 광축이 서로 반대 방향을 향하고 있어 대칭적인 넓은 시야각 특성이 쉽게 얻어진다. 각 화소에서 적절한 전극 패턴을 구성하게 되면 추기의 광학 필름을 사용하지 않고 모든 방향으로 우수한 시야각 특성을 얻어진다.
한편, 반사형 구조에서는 사용된 한 장의 편광판의 광축판의 광축 방향과 위상차판의 광축 방향이 45˚가 되도록 구성하고 위상차판은 입사 빛의 파장의 1/4의 위상지연을 갖도록 한다. 전기장이 인가되지 않은 경우, 평균 광축은 기판에 수직한 방향이므로 시편의 광학 특성은 위상차판의 위상지연에 의해 결정된다. 시편에 입사되어 반사판에서 반사된 파장이 λ인 빛의 유효 위사차는 위상차판의 위상지연 λ/4의 2배인 λ/2가 되어 어두운 상태가 실현된다. 전기장이 인가되면 액정의 평균 광축이 기판면 방향으로 적절한 크기의 복굴절을 가지게 되어 유효 복굴절과 시편 간격의 곱의 크기에 따른 밝은 상태가 구현된다. 위상차판이 없는 경우에도 이러한 전기 광학 특성이 구현되지만, 최적의 대비비를 얻기는 어렵다.
본 발명은 종래의 강유전성 액정 표시 장치 제조에서 가장 큰 문제점인 대면적의 균일한 배향 및 연속적인 계조 표시 기능을 쉽게 해결할 수 있게되어, 수직 배향에 의한 높은 대비비가 얻어지며 적절한 전극 패턴의 설계에 의한 원천적인 다중영역(multidomain) 구조가 가능하여 넓은 시야각 특성을 얻을 수 있다. 또한, 러빙 등의 배향막 표면처리 공정이 요구되지 않아 제조공정이 단순하여 제조 비용을 줄이는데 유리한 이점이 있다. 이와같은 여러 장점들과 아울러 높은 응답속도를 지닌 본 발명의 수직 배향 변형 나선 강유전성 액정 표시 장치는 차세대의 멀티미디어 정보표시 장치에 폭넓게 응용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 두 기판중 한 기판에는 투명전극이 형성되고, 두 기판의 바깥면에 두장의 직교하는 편광판이 부착됨과 아울러, 안쪽면에는 수직 배향막이 도포되어 두 기판 사이에서 빛의 파장보다 짧은 나선 피치를 가지는 강유전성 액정이 주입된 투과형 액정 표시 장치.
  2. 두 기판중 투명전극이 형성되지 않은 대향된 기판에는 반사판을 형성되며, 투명기판의 바깥면에는 한 장의 위상차판이 부착되고, 그 위에 한 장의 편광판이 부착됨과 동시에 안쪽면에는 수직 배향막이 도포되어 두 기판 사이에서 빛의 파장보다 짧은 나선피치를 가지는 강유전성 액정이 주입된 반사형 액정 표시 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 강유전상에서의 기판면에 대한 분자 경사각을 θ라고 하면, 분자 경사각이 22.5˚≤θ≤45˚인 강유전성 액정 표시 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 강유전상에서의 기판면에 대한 선경사각을라고 하면, 선경사각이 45˚≤≤90˚인 강유전성 액정 표시 장치
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액정의 나선피치가 0.35㎛보다 짧은 강유전성 액정을 사용하는 액정표시 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액정의 굴절률 이방성과 액정 시편 간격의 곱이 720nm 보다 작은 액정 표시 장치.
  7. 제2항에 있어서, 위상차판의 위상차가 160×Nnm와 200×Nnm(N=1,2,3,....) 사이의 값을 갖는 액정 표시 장치.
  8. 제2항에 있어서, 편광판의 광축이 위상차판의 광축과 45˚를 이루는 액정표시장치.
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