KR20000055745A - 광시야각을 갖는 수직배향 액정표시소자 - Google Patents

광시야각을 갖는 수직배향 액정표시소자 Download PDF

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Abstract

본발명은 광시야 수직배향(vertical align) 액정표시소자에 관한 것이다. 종래의 광시야 수직배향 액정표시소자는 위아래 수직배향막 가운데 한 곳을 러빙하고 다른 한 곳에는 투명도전막을 식각하여 슬릿패턴(slit pattern) 또는 플로팅(floating) 전극을 두어 액정층의 측면 방향으로의 전기장(lateral field)을 유도하여 광시야각을 실현하였다. 그러나 종래의 방법대로 한 곳만 러빙하면 액정분자의 반응시간이 늦고 러빙할 때 생기는 기계적인 충격이나, 액정공정에서 생기는 스크래치 그리고 간극제(spacer) 부위에서의 액정배향분포의 왜곡으로 생기는 빛샘(light leakage)으로 불량이 생기기 쉬워서 공정수율이 떨어졌다.
본발명에서는 위아래 수직배향막을 모두 러빙이나 광배향등의 방법으로 배향처리하여 한 기판의 배향막만 배향처리했을 때보다 응답특성을 개선하였다. 특히 간극제 주위에서 생기는 빛샘을 막아 공정 수율을 높였다. 또한 러빙이나 광배향으로 배향처리하는 기판에만 슬릿패턴을 두어 투과율은 다소 떨어지지만 시야각을 극대화하는 수직배향액정표시소자를 실현하였다. 더불어 슬릿패턴의 폭과 플로팅전극의 폭을 조절하여 시야각 범위를 넓혔다. 본발명의 액정표시소자는 대형노트북 및 멀티미디아용 모니터의 화면소자로 쓰일 수 있다.

Description

광시야각을 갖는 수직배향 액정표시소자{VERTICAL ALIGNMENT LIQUID CRYSTAL DISPLAY WITH WIDE VIENIRY ANGLE}
본 발명은 상하 유리기판의 수직배향막(3,3')을 한쪽 방향으로 배향처리하고, 두 유리기판 가운데 최소한 하나는 투명도전막을 식각하여 슬릿패턴(slit pattern)(7) 또는 플로팅전극(30)을 두어 슬릿패턴과 플로팅전극 주위에 유도되는 측면전기장(lateral field)과 배향처리된 두 유리기판의 배향방향을 이용하여 다중구역(multi domain)을 실현하는 수직배향(vertical align) 액정표시소자에 관한 것이다. 본 발명은 슬릿패턴과 슬릿패턴 사이에 오른손 방향으로 꼬인 액정배향구조와 왼손으로 꼬인 액정배향구조가 연속적으로 나타나게하여 시야각을 넓혔을 뿐 아니라 간극제(spacer) 주위의 배향결함으로 생기는 광누설을 최소로 하였다. 또한 슬릿패턴의 폭 또는 플로팅전극의 폭을 조절하여 계조반전의 영역을 줄여 시야각을 넓혔고, 빨간색화소와 초록색화소 그리고 파란색화소의 슬릿패턴의 모양을 달리하여 방향에 따른 색차(color difference)를 최소로 하여 시야각을 넓혔다,
액정표시소자는 구동방법에 따라서 크게 능동행렬구동법(active matrix addressing method)과 수동행렬구동법(passive matrix addressing methode)으로 나누는데 능동행렬구동법 가운데 TFT 액정표시소자는 동화상 및 256계조를 구현할 수 있어 현재 가장널리 상품화가 진행중이다. TFT액정표시소자의 액정셀의 단면도가 도17에 나타나있다. TFT 액정표시소자의 동작원리는 다음과 같다. 각 화소에 있는 TFT의 게이트전극(11)은 주사선에, 소스전극은 신호선에, 드레인전극은 화소전극(5)에 각각 연결되어 있다. 공통전극(6)과 화소전극 사이에는 액정층(5)이 있다. 선택기간에는 주사선에 연결된 게이트전극에 신호선보다 높은 전압이 걸려 드레인전극과 소스전극 사이의 채널의 연결저항이 작아져서, 신호선에 걸린 전압이 화소전극을 통해 액정층에 걸린다. 비선택기간에는 주사선에 연결된 게이트전극에 신호선보다 낮은 전압이 걸려 드레인전극과 소스전극이 전기적으로 단절되어 선택기간 동안 액정층에 축적된 전하가 유지된다. 주사선을 순차로 주사하면서 신호선을 통하여 각 화소전극을 충전하여 액정층에 전압을 걸어준다. 화소전극과 공통전극 사이의 액정층에 걸린 rms(roor means square)전압을 조절하면 편광판을 지나 선편광된 빛이 액정층을 지나면서 편광상태가 변하고, 이 빛을 검광판이 선택투과 시켜서 화소의 밝기로서 정보를 표시한다.
TFT액정표시소자는 현재 90˚TN 모드가 주류이나 시야각을 넓히기 위하여 음의 액정을 쓰는 수직배향액정표시소자가 많이 연구되고 있다. 수직배향 액정표시소자(vertical aligned LCD)는 액정층에 전압이 걸리지 않았을 때는 액정분자의 장축이 배향막 평면에 수직배열하고, 문턱치 이상의 전압이 걸리면 액정분자의 장축이 배향막 평면으로 눕는다. 수직배향 액정표시소자는 배향막 평면에 수직 방향으로 진동하는 빛의 굴절율이 수평방향으로 진동하는 굴절율보다 작은 부의 위상차판을 붙이면 시야각을 크게할 수 있다. 단일구역 수직배향 액정표시소자(single domain vertical aligned LCD)는 보통 러빙을 하여 러빙방향으로 유전율 이방성이 음인 액정의 눕는 방향을 정한다. 단일구역 수직배향 액정표시소자는 보통 상하배향막(3,3')을 반대방향으로 러빙하거나 광배향등으로 배향처리하면 평행배향이 된다.
단일구역 수직배향 액정표시소자는 평광판의 투과축과 45˚를 이루는 방위각에서 계조반전이 크다. 따라서 광시야각을 실현하려면 다중구역(multi-domain)을 갖는 구조로 액정셀을 만들어야한다. 다중도메인을 실현하는 방법은 한 화소의 수직배향막을 여러 방향으로 러빙하는 러빙법, UV배향법, 돌기법, SE(Surrounding Electrode)법, PVA(Patterned Vertical Aligment)등이 있으나 현재까지 알려진 방법 가운데 본 발명자가 제안한 LFIMD(Lateral Field Induced Multi Domain; 1988년 특허출원 11918, 29992호)이 투과율 및 양산성면에서 가장 우수하다. 특허출원 11918호에서는 수직배향막과 음의 액정간의 결합에너지가 0에 가까울 때 존재하는 모드이고, 29992호의 방법은 수직배향막과 음의 액정의 표면결합에너지(surface anchroing energy)가 특정값 이상일 때 존재하는 모드이다. 두 출원특허의 주된 내용은 도메인과 도메인 사이의 경계면에서 생기는 음의 액정(유전율 이방성이 음인 액정을 앞으로 음의 액정이라고 한다)의 디스인크리네이션(disinclination line)을 방지하여 투과율 및 음의 액정의 전압에 따른 동작 안정성을 크게 한 것이다. 그 방법은 대략 다음과 같다. 상하 두 수직배향막 가운데 한 곳은 러빙처리하고, 대향하는 다른 기판에는 폭이 2∼8μm인 슬릿패턴(7) 또는 플로팅전극(30)을 둔다. 러빙처리 한 기판에서의 액정분자 배향의 경계조건은 러빙방향이되고, 슬릿패턴이나 플로팅전극이 있는 기판의 액정분자 배향의 경계조건은 슬릿패턴에 유도되는 측면전기장이 된다. 도1은 슬릿패턴을 이용한 종래의 LFIMD 수직배향 액정표시소자의 단면도이다. 도1에서 수직배향막은 표기상 생략하였다. 도2는 도1의 전극의 평면도이다. 도1은 도2의 슬릿패턴의 단축방향으로 수직배향 액정셀의 단면을 본 것이다. 슬릿패턴에 의한 측면전기장 유도는 1992년 SID에 Lien이 제안한 것이다. 슬릿패턴은 투명도전막을 식각해낸 부분이다. 투명도전막이 남아있는 부분은 등전위가 되므로 슬릿패턴의 장축방향에 나란하게 등전위 곡선(equpotential line)이 형성된다. 등전위 곡선의 수직방향이 전기장 방향이 되므로 측면전기장은 슬릿패턴의 단축방향으로 유도된다. 등전위 곡선은 화소전극의 상하방향(액정셀 두께 방향)으로도 생기므로 슬릿패턴 부분에서도 상하방향의 전기장 성분이 생긴다. 상하방향의 전기장은 슬릿패턴의 가운데를 중심으로 거울대칭(mirror symmetry)이다. 슬릿패턴에 대향하는 기판을 러빙등으로 배향처리하지 않으면 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을때는 슬릿패턴의 가운데를 중심으로 디스인크리네이션 선(disinclination line)이 생긴다. 그러나 슬릿패턴에 대향하는 기판을 슬릿패턴의 장축방향으로 러빙하면, 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸릴 때, 공통전극 유리기판에서의 러빙방향이 액정분자의 방위각이 되어, 슬릿패턴 가운데에서의 액정분자가 러빙방향으로 눕게 되어 디스인크리네이션 선이 없다. 도1에서 위기판(공통전극 유리기판)의 수직배향막은 y방향으로 러빙한 것이다. 도1의 A와 C부문에서는 측면전기장이 없으므로 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸릴 때, 음의 액정은 위기판 수직배향막의 러빙방향으로 눕는다. 아래기판 (TFT 유리기판)의 B에서는 음의 액정분자가 x축으로 눕고, D에서는 -x축으로 눕고, 윗기판의 배향막에서는 러빙방향으로 액정분자가 눕게되므로, 액정셀 B에서는 왼손트위스트(lefthanded twist)가 액정셀 D에서는 오른손트위스트(righted twisted)가 된다. 도3은 플로팅전극을 이용한 종래의 LFIMD 수직배향 액정표시소자의 단면도이다. 도3에서 수직배향막은 표기상 생략하였다. 도4는 도3의 전극의 평면도이다. 도3은 도4의 플로팅전극의 단축방향의로 수직배향액정셀의 단면을 본 것이다. 플로팅전극에 유되되는 전압은 액정층에 교류가 인가되므로 주변전극과의 결합 축적용량(capacitance)을 알면 바로 알 수 있다. 플로팅전극에 유도되는 전압은 대향기판인 공통전극(6)과 화소전극(5)에 걸리는 전압의 사이값이 된다. 대향하는 공통전극과 이루는 축적용량의 비와 화소전극과 플로팅전극이 이루는 축적용량의 비에 따라서 그 값이 결정된다. 따라서 플로팅전극(30)과 화소전극 사이에는 전압의 차이로 측면전기장이 형성되고, 플로팅전극과 공통전극 사이에는 수직전기장이 형성된다. 도3의 A와 C와 D에서는 수직전기장 성분만 있으므로 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때의 액정배향은 윗기판의 러빙방향이 된다. 러빙방향이 아닌 다른 방향으로 액정이 눕는다면 액정이 트위스트구조가 되고, 트위스트구조가 평행배향된 구조보다 자유에너지가 높기 때문에 존재할 확률이 거의 없다. B와 D에서는 측면전기장과 수직전기장이 동시에 존재하므로 공통전극의 러빙방향과 측면전기장의 방형에 따라서 도1과 같이 액정셀의 배향이 결정된다.
종래의 LFIMD에서는 러빙으로 수평전기장이 없는 부분에서의 액정배향을 결정하였다. 그러나 러빙법으로 수직배향막을 배향처리할 경우에는 러빙하는 과정에서 생기는 스크레치등에 의하여 배향이 왜곡되어 화질이 떨어진다. 특히 종래의 LFIMD에서는 한 기판의 배향막만을 러빙으로 배향처리하므로 간극제(spacer) 부분에서 음의 액정배향의 왜곡이 심하여 빛이 누설되어 명암대비율(contrast ratio)가 떨어진다. 또한 한 기판에서만 문턱치전압보다 낮은 전압에서 액정배향의 초기 조건이 결정되므로 반응특성이 떨어진다. 본발명에서는 간극제 주위에서의 빛 샘을 방지하고, 반응시간을 단축하고, 시야각과 투과율 극대화하였다. 또한 상하 좌우시야각이 ±80˚ 이상인 LFIMD모드의 특수 조건을 알아내었다.
도1 슬릿패턴을 쓴 종래의 수직배향 액정표시소자의 액정셀의 단면도
도2 도1의 액정셀 전극의 모양과 러빙방향 및 편광판의 투과축 방향
도3 플로팅전극을 쓴 종래의 수직배향 액정표시소자의 액정셀의 단면도
도4 도1의 액정셀 전극의 모양과 러빙방향 및 편광판의 투과축 방향
도5 간극제 주변에서의 액정분자의 배향분포의 예
도6 슬릿패턴을 쓴 본발명의 수직배향 액정표시소자의 액정셀의 단면도
도7 슬릿패턴을 쓴 본발명의 전극의 모양과 배향방향 및 편광판의 투과축방향
도8 플로팅전극을 쓴 본발명의 전극의 모양과 배향방향 및 편광판의 투과축방향
도9 본발명의 설계 변수를 나타내는 설명도
도10 슬릿패턴을 화소전극의 평면도
도11 플로팅전극을 쓴 화소전극의 단면도
도12 본발명의 여러 전극의 모양
도13 시야각을 극대화 한 본발명의 수직배향 액정표시소자의 액정셀의 단면도
도14 도13의 전극의 모양과 수직배향막의 배향방향과 편광판의 투과축 방향
도15 도13의 설계변수를 나타내는 설명도
도16 광배향에서의 배향방향을 나타내는 설명도
도17 TFT액정표시소자의 단면도
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 TFT 유리기판 2 공통전극 유리기판 3, 3' 수직배향막
4 음의 액정 5 화소전극 6 공통전극
7 슬릿패턴 8 소스전극 9 드레인전극
11 게이트전극 14 배향(러빙)방향 15 편광판의 투과축
16 검광판의 투과축 30 플로팅전극 50 슬릿패턴의 장축방향
도5는 수직배향막을 배향처리하지 않았을 때(A)와 한곳만 처리했을 때(B) 그리고 상하배향막 모두를 배향처리했을 때(C)의 간극제(41) 부분에서의 액정분자(40)의 배향의 한 예를 나타낸 것이다. 위아래 배향막 모두를 배향처리하지 않았을 경우에는(A)처럼 360˚ 모든 방향으로 액정이 배향되고, 러빙등으로 한 곳만을 러빙하면(B) 간극제 주변의 액정이 배향처리된 방향으로 어느 정도 정렬하게 되는데, 한 배향막만 러빙했을 때보다 두 배향막 모두를 배향처리하면(C) 배향처리 방향으로 정렬효과가 크다. 편광판의 투과축 방향을 러빙방향에 맞추면 전압을 걸지 않았을 때의 빛 샘을 방지하여 명암대비율을 극대화할 수 있다. 위아래유리기판의 배향막을 모두 배향처리하면 전압을 걸기 이전부터 음의 액정의 눕는 방향이 결정되므로 반응특성을 좋아진다. 한 기판의 수직배향막만 러빙처리하면 대향하는 기판에서는 전압이 걸린 다음에 음의 액정이 눕는 방향이 결정되므로 응답이 늦다. 또한 LFIMD 액정셀을 손가락 등으로 눌렀거나 기타 외부 충격으로부터 배향이 흩으러졌을 때, 위아래수직배향막이 모두 배향처리되었으면 평행상태로 돌아오는 시간이 단축된다. 슬릿패턴이나 플로팅전극 때문에 생기는 측면전기장을 이용하여 문턱치 이상의 전압이 걸린 음의 액정의 배향을 조절 경우, 슬릿패턴에 있는 수직배향막을 배향처리해도 배향막과 음의 액정의 표면결합에너지가 액정의 탄성에너지나 유전에너지보다는 매우 작기 때문에 액정분자배향의 차이는 크지 않다.
도6은 위아래수직배향막을 모두 배향처리한 LFIMD 액정표시소자의 단면도이다. 도6이 도1과 다른 점은 아래배향막을 -y방향으로 배향처리 한 점이다. 도6에서 수직배향막은 표기상 생략하였다. 도7은 도6의 전극(6,7)의 평면 모양과 러빙방향을 나타낸 것이다. 도6은 슬릿패턴의 단축방향으로 본발명의 수직배향액정셀의 단면을 본 것이다. 투명도전막이 남아있는 부분은 등전위가 되므로 슬릿패턴의 장축방향으로 등전위 곡선등이 형성된다. 등전위 곡선의 수직방향으로 전기장이 형성되므로 측면전기장은 슬릿패턴의 단축방향으로 유도된다. 등전위 곡선은 화소전극의 상하방향(액정셀 두께 방향)으로도 생기므로 슬릿패턴 부분에서도 상하방향의 전기장 성분이 생긴다. 상하방향의 전기장은 슬릿패턴의 가운데를 중심으로 거울대칭(mirror symmetry)이다. 슬릿패턴이 있는 수직배향막과 대향하는 기판을 모두 배향처리하였다. 도6에서의 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때의 액정배향은 도1과 거의 같다. 다만 차이점은 슬릿패턴이 있는 배향막도 배향처리하므로, 수직배향막의 배향성분방향으로 액정분자가 눕는 비율이 많아지는 것이다. 따라서 도6이 도1에 비해서는 시야각특성은 약간 떨어질 수 있으나 투과율 특성은 개선된다. 도6에서 아래기판의 A와 C부분에서는 측면전기장 성분이 없으므로 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸릴 때는 아래 수직배향막의 배향방향(14)으로 눕는다. 아래기판의 B에서는 음의 액정분자가 x축으로 눕고, D에서는 -x축으로 눕고, 윗기판의 배향막에서는 수직배향막의 배향방향으로 액정분자가 눕게되므로, 액정셀 B에서는 왼손트위스트(lefthanded twist)가 액정셀 D에서는 오른손트위스트(righted twisted)가 된다. 도8은 슬릿패턴 대신에 플로팅전극이 있었을 때의 본발명의 한 예로, 전극(6,7)의 평면도와 러빙방향을 나타낸 것이다. 슬릿패턴 대신에 플로팅전극이 있는 경우에도 전극형상만 다르고 그 외의 공정조건은 같다.
슬릿패턴(7)이나 플로팅전극(30)이 있는 기판의 수직배향막을 러빙이나 광배향 또는 Si0등의 증착으로 배향처리를 할 경우와 배향처리하지 않는 경우의 차이는 슬릿패턴과 플로팅전극 그리고 투명도전막전극의 가운데 부분에서의 액정배향이다. 도9는 LFIMD 모드 액정셀의 슬릿패턴 장축방향(50)과 화소전극의 수직배향막의 배향방향(14) 그리고 대향하는 공통전극의 수직배향막의 배향방향(14')과 편광판의 투과축방향(15)을 투사시켜본 것이다. 슬릿패턴이 있는 수직배향막을 배향처리하면 측면전기장 성분이 없는 부분(도6에서 A, C, E)의 수직배향막에서의 액정분자는 배향방향으로 정렬한다. 슬릿패턴의 장축의 방향이 x축으로부터 χ각도를 이루고, 슬릿패턴이 있는 수직배향막의 배향방향이 슬릿패턴의 장축과 이루는 각이 α이고, 대향기판의 수직배향막의 배향방향과 슬릿패턴이 있는 수직배향막의 배향방향이 이루는 각이 β이고, 슬릿패턴의 장축방향과 편광판의 투과축방향이 이루는 각이 δ라고 가정한다. 대향기판의 수직배향박의 배향방향과 슬릿패턴이 있는 수직배향막의 배향방향이 이루는 각이β일 경우와 180-β와의 액정배향의 차이는 거의 없다. β가 0˚인 경우에는 밴드구조가 나타나고, β가 180˚인 경우에는 액정이 평행배향이 된다. 밴드구조에서는 음의 액정층의 가운데에서 액정의 선경사각이 90˚지만, 평행배향구조에서는 90˚보다 작은 각이 된다. 러빙방향에 따라서 음의 액정의 배향이 차이가 없는 것은 수직배향의 경우 배향막과 음의 액정의 표면결합에너지가 매우 작고, 또한 네마틱액정의 장축과 장축의 결합에너지가 작기 때문이다. 그러나 미약하나마 β가 0˚인 것 보다는 180˚가 안정된 상태이다. 도6의 구조에 수직배향막을 도9처럼 배향하면 액정셀 각 부위에서의 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때 액정층의 배향구조는 아래 표1과 같다. 배향처리된 수직배향막의 선경사각을 85˚라고 가정하였다.
[표 1]
액정은 탄성체이므로 표1의 각각의 구역의 경계면에서 액정분자 배향은 연속적으로 변한다.
편광판의 투과축방향은 액정의 배향구조로부터 투과율과 시야각이 최적인 조건으로부터 구할 수 있다. 액정분자의 트위스각이 20˚ 보다 작은 경우에는 A, C, E에서 평형배향 가깝게 된다. 빛의 파장을 λ, 투과율이 최대가 되는 전압이 걸렸을 때의 액정층의 굴절율 이방성과 셀갭을 각각 Δn과 d라하면, 제9도의 구조에서 투과율(1)은 대략 아래식에 비래한다.
B와 D부분에는 트위스트각이 크기 때문에 빛의 트위스트된 액정층을 지날 때 선광이 되는 성질로 투과된다. 수직배향 액정셀은 대부분이 액정층에 전압이 걸리지않았을때 빛이 차단되는 NB(Normal Black Mode)이다. A, B, C, D, E 모든 부분에서 투과율이 최대가 되려면 A, C, E부분에서는 트위스트각이 30도 미만인 평행배향이 되게하고 β가 절대값 45˚보다 작거나 또는 135˚도 보다 크면 액정셀에서의 액정배향이 오른쪽트위스와 왼쪽트위스트 성분이 연속하여 나타난다. β가 절대값 45˚보다 크거나 또는 135˚도 작으면 각 부위의 경계면에서의 트위스트각의 편차가 크기 때문에(만약 β=90이면, A는 90도트위스트, B는 평행배향, D는 180도 트위스트) 동작전압이 바꾸어질때 액정배향이 불안정해진다. 따라서 액정층에 걸리는 전압이 안정되도록 위아래 배향막의 러빙방향을 정해야한다. 액정배향의 동적안정성은 위아래 수직배향막의 배향방향이 서로 반대가 될 때 가장 우수하고, 가장 불안정 한 경우는 위아래 수직배향막의 배향방향이 90˚ 차이가 날 때이다. 배향처리 된 수직배향막의 선경사각과 액정의 탄성상수와 점도, 액정셀의 갭에 따라서 액정배향이 동적안정성이 각각 다르다. 셀갭이 3∼6μm이고, 액정의 탄성계수가 K33〉2K22인 경우에는 위아래 수직배향막의 배향방향이 0∼60˚, 120∼180˚의 차이가 나는 범위에서 안정함을 실험적으로 관찰할 수 있었다. 유리기판면에 투사시켜보았을 때, 위아래기판의 수직배향막의 배향방향이 135˚보다 크게하여 평행배향에 가깝게하고, 슬릿패턴의 장축과 수직배향막의 배향각이 이루는 각이 30˚ 미만인 경우에는 인가전압에 대한 동적안정성이 우수하다.
도8은 슬릿패턴 대신에 플로팅전극을 썼을 때의 LFIMD의 위아래전극의 모양과 수직배향막의 배향방향 그리고 편광판과 검광판의 투과축 방향이다. 슬릿패턴을 쓸 경우에는 슬릿패턴의 중앙부위를 빼놓고 다른 모든 부분에서 측면전기장이 유도되지만, 플로팅전극을 쓸 경우에는 플로팅전극과 전압이 걸린 화소전극 사이에 주로 측면전기장이 유도된다. 플로팅전극을 두고, 위아래수직배향막을 모두 배향처리할 때의, 문턱치 이상의 전압이 걸린 음의 액정층의 배향은 슬릿패턴을 쓸 때와 거의 차이가 없다. 다른 점은 플로팅전극을 쓰는 경우에는 액정층에서의 수직전기장 성분이다.
슬릿패턴의 폭 또는 플로팅전극의 폭(도13에서 f1+f2)에 따라서 구동전압이 달라진다. 패턴의 폭이 커지면 구동전압이 높아지고, 반대로 패턴의 폭이 작으면 구동전압은 낮아지는 대신에 시야각 특성이 떨어진다. 특히 플로팅전극을 이용하여 LFIMD를 실현할 경우에는 시야각과 구동전압을 잘 조화해야한다. 측면전기장이 없는 부분과 측면전기장이 주도하는 부분의 액정의 구동전압은 각각 아래식과 같다.
(2)식에서 d는 액정층의 샐갭이다. 현재 상용되고 있는 액정의 탄성개수(K22)의 값이 대략 10pN이므로 1OV 정도로 구동할려면 플로팅전극의폭(f1+f2)과 슬릿패턴의 폭은 약15μm 이내로한다. 슬릿패턴폭이 3μm 이하이면 액정이 탄성을 극복할 수 없어 시야각 개선 효과가 매우 적다.
현재 배향막의 배향처리는 러빙, 광배향, 증착법 등이 사용되는데, 러빙법이 가장 대표적이고, 증착법은 생산성이 떨어져서 연구가 거의 중지된 상태이다. 러빙법에서의 배향방향은 러빙방향이되고, 광배향에서는 입사되는 빛의 전기장방향이고, 증착법에서는 증착되는 물질의 입사각이다. LFIMD모드에서 수직배향막을 배향처리하는데 있어서 선경사각이 수직에 가까우면 반응특성이 떨어지고, 반대로 90˚에서 벗어나면 전압이 걸리지 않은 상태에서 액정이 일정한 방향으로 배향되어 있으므로 액정층이 선형위상차판과 같은 역할을 하여 빛이 누설되어 명암대비율이 떨어진다. 따라서 수직배향막의 선경사각은 적당히 조절해야한다. 배향처리된 수직배향막의 선경사각은 제품규격에 따라서 다른데 JSR이나 NISSAN등에서 나온 제품으로 80˚~89˚ 범위를 실현할 수 있다. 보통 85˚∼89˚의 선경사각을 갖도록 배향처리한다. 응답특성이 매우 중요한 항공기등과 같이 시뮬레이터에서 쓰이는 액정표시소자는 배향처리된 수직배향막의 선경사각을 80˚∼85˚ 이다. 광배향은 러빙법에 비하여 신뢰성이 떨어지나 앞으로 재료개발의 여부에 따라서 러빙법을 대치할 가망이 있다. 도16은 광배향의 한 예이다. 보통 PVCN(Polyvinly cinnamate)계열 또는 PSCN(Polysiloxane cinnamate)계열의 포토폴리머(60)를 유리기판에 바르고, 편광된 자외선(61)을 쪼이면, 편광된 자외선의 전기장벡터의 방위각(φ+90˚)으로 액정분자의 장축방향이 결정이되고, 전기장벡터의 극각(θ)으로 선경사각이 생긴다. 선편광된 빛을 이용하여 광배향을 할 경우에는 슬릿패턴이나 플로팅전극의 장축방향으로 배향을시키면 투명도전극과 자외선 빛과의 상호작용을 최소한으로 줄여 배향효과를 극대화할 수 있다. 즉 빛의 전기장벡터와 직사각형모양의 투명도전극의 장축방향이 일치하면, 투명도전극에서의 전자의 운동이 빛의 전기장성분과 나란하여 빛의 투과를 극대화할 수 있어, 투명도전극에서 반사되는 빛을 최소로 줄여줌으로써 반사로 생기는 간섭을 줄일 수 있다.
슬릿패턴 부분의 투명도전극에서 반사되는 빛은 슬릿패턴과 투명도전극의 경계선과 전기장벡터가 이루는 각의 코사인제곱항에 비례하는데, 반사광이 최대치에 75%에 해당하는 60˚보다 작게한다. 또한 광배향막은 광배향방향으로 굴절율이 크기 때문에 광배향막에 붙어있는 편광판의 방향과 잘 조절하면 미세하나마 시야각과 투과율을 개선할 수 있다. 수직입사가 아닌 경우 편광판을 지난 빛은 선편광이 아니므로(서적 LCD ENGINEERING, Asadal Display 1998년출판) 이것을 광배향막으로 보상할 수 있다. 이 때 광보상은 편광판과 광배향막이 45˚도가 될 때가 최대가 된다. 편광판의 투과축과 광배향막의 배향처리된 방향과 일치하면 광보상효과는 없다. 편광판의 투과축과 광배향막이 이루는 각이 22.5˚라면 최대효과에 비하여 약 절반 정도의 효과를 볼 수 있다.
음의 액정을 쓰는 수직배향액절셀은 편광판의 투과축에 45˚되는 방향에서 계조반전으로 화질이 떨어진다. LFIMD모드도 다른 수직배향액정셀과 마찬가지로 정도의 차이가 있지만 계조반전과 방향에 따른 R(빨강), G(초록), B(파랑)색의 투과율 변화로 색띰 현상이 있다. 한 화소의 슬릿패턴의 모양과 방향을 조절하여 색띰현상을 줄일 수 있다. 도10은 화소전극 안의 슬릿패턴의 모양이고, 도11은 화소전극 안의 플로팅전극의 모양이다. 한 화소 안에서 슬릿패턴의 폭(d1)과 인접 슬릿패턴 사이의 거리(d2)를 달리하거나 또는 플로팅전극의 폭(f2)과 플로팅전극과 화소전극 사이의 거리(f1) 그리고 인접 플로팅전극들 사이의 거리(f3)를 달리하면, 각각의 영역에서 수평 및 수직전기장의 크기가 다르므로, 전압에 따른 평균효과(halttone gray scale)를 볼수 있고, 또한 경사지게 액정층을 지나는 빛이 여러 배향구조를 지나게 되므로 색띰과 계조반전의 효과를 줄일 수 있다. 그리고 R, G, B 각각 화소의 슬릿패턴이나 플로팅전극의 모양을 달리하여 각각의 화소에는 동일전압이 걸리더라고 투과율과 색띰현상을 최소로할 수 있다. 도12는 색띰현상과 투과율 그리고 주위배선(주사선, 신호선)과의 간섭등을 고려한 화소전극과 공통전극에 슬릿패턴의 예를 든 것이다. (A)는 슬릿패턴의 장축방향이 한 화소에서 90。서로 다른 것으로 이 경우 투과율은 떨어지나 시야각은 넓다. (B)는 투과율과 시야각을 동시에 고려한 특성으로 슬릿패턴의 휨 방향(φ)를 중앙을 중심으로 반대로한 것이다. φ가 증가할수록 투과율은 떨어진다. φ가 45도일 때가 투과율이 가장 낮다. φ가 15。인 경우에는 (1)식으로부터 약 25% 정도의 투과율이 떨어지는 것을 계산할 수 있다. (B)의 형상을 갖는 LFIMD 수직배향액정표시소자에서는 배향방향을 슬릿패턴의 장축에 두고 편광판의 투과축을 슬릿패턴의 장축에 45。로 둘 때에 액정의 동적안정성 및 투과율이 극대화된다. (C)는 슬릿패턴의 모양의 주기를 짧게하여 경사지게 입사된 빛이 지나는 방향에 따라 액정층의 배향이 다르도록 한 것이다. (D)는 슬릿패턴을 단(Block)으로 구성하여 (A)화소의 패턴의 대칭 경계면에서 생길 수 있는 투과율 저하를 막은 것이다. (E)상하 유리기판 모두에 슬릿패턴을 형성한 것이다. 이 경우는 단순매트릭스에 적용하기에 적합하다. (F)는 신호선이나 주사선 등의 인접배선의 간섭효과를 최대한 줄인 것이다. 신호선이나 주사선에는 일정한 RMS전압이 걸리는데 슬릿패턴을 인접 배선의 전기장방향으로 일치하여 유효개구율을 넓힌 것이다.
투과율은 다소 떨어지더라도 시야각특성을 극대화시키는 LFIMD모드가 도13이다. 도13은 슬릿패턴이 있는 유리기판의 수직배향막은 러빙처리하고, 대향하는 다른 수직배향막은 배향처리를 하지 않은 것이다. 도14는 도13의 슬릿패턴의 모양과 배향방향과 편광판의 투과축방향을 나타낸 것이다. 편광판의 투과축은 배향방향에 45。로 두면 투과율을 극대화시킬 수 있다. 아래기판의 측면전기장 성분과 배향방향에 의한 성분이 그대로 위수직기판에 연결되므로 각각의 모든 구역에서 트위스트가 없는 평행배향이된다. 따라서 이 경우에는 러빙방향에 45。가 되는 부위에서는 음의 액정의 광축방향으로 편광된 빛이 들어오므로 문턱치 이상의 전압이 걸리더라도 액정이 편광을 변조시킬 수 없으므로 항상 빛이 차단된다. 도15는 도14의 액정셀의 전극의 평면도와 배향방향과 편광판의 투과축을 일반화 시킨 것이다. 문턱치보다 큰 전압을 걸었을 때의 액정셀의 수직방향으로 액정분자의 방위각의 변화는 없고 다만 경사각(tilt angle)만 바뀌는 구조이다. 표2는 도14의 액정셀의 구역에 따른 음의 액정의 장축의 배향각을 나타낸 것이다.
[표 2]
액정셀의 위상이 180˚되면 투과율이 최대가 된다. 최대로 밝게 구동하는 전압이 걸리더라도 액정은 완전히 눕지 않으므로 파장 550nm에서의 액정의 굴절율 이방성(Δn)과 액정층 두께(d)의 곱이 0.275㎛보다 크고 액정셀을 만들어야한다. 투과율을 90% 이상 되게하려면 위상이 150˚에서 210˚가 되게 액정셀을 만든다. 이를 액정셀의 Δnd로 바꾸어보면 0.23㎛와 0.32㎛의 사이값이다. LFIMD모드를 비롯한 수직배향액정표시소자의 광시야각을 이루기 위한 위상차판의 규격은 매우 간단하다. 액정분자는 빛의 진행방향이 경사질수록(θ) z축 방향으로의 굴절율이 커지지만, 원판상 액정으로 만든 위상판은 반대로 굴절율이 작아져, 원판상 액정으로 만든 위상판을 수직배향 액정셀에 붙이면 시야각을 크게할 수 있다. 즉 문턱치 이하의 전압이 걸렸을 때의 액정의 굴절율은 nZ〉 nX= nY이므로, 위상판의 굴절율 조건은 nZ〈 nX= nY이다. 명암대비율 10을 기준으로 상하좌우 120도 이상의 시야각을 갖으려면, 위상판의 수평방향으로 진동하는 빛의 평균굴절율과 수직방향으로 진동하는 빛의 굴절율 차이()와 위상차판의 두께의 곱이, 액정의 굴절율 이방성(Δn)과 액정층 두께(d)의 곱의 0.8배에서 1.2배 사이에 있어야 한다. 60˚로로 입사하는 빛의 투과율이 액정층에 가장 밝은 전압이 걸렸을 때의 투과율을 정면대비 약 60%라고 가정한다면, 문턱치 이하의 전압이 걸린 상태에서의 빛의 투과가 6% 이하가 되야한다. 편광판과 검광판의 투과축 방향이 서로 직교한 상태에서 위상차가 δ인 액정층을 지난 빛의 투과율은 (1)식과 같으므로 위상차이가 약 30˚미만이어야하는 조건으로부터 위상판의 규격을 유도할 수 있다. 시야각이 가장 넓은 경우는 액정셀과 위상판의 Δnd가 같을 경우이다.
본발명은 위아래 수직배향막 모두를 배향처리하여 반응특성을 개선하였고 또한 간극제 주위의 액정배향을 줄여 명암대비율을 높였다. 또한 화소마다 슬릿패턴의 선폭등을 변화시켜서 시야각특성을 극대화하였다. 본발명의 다중구역수직배향 액정표시소자는 반응시간이 빠르고 광시야각이 되므로, 멀티미디어용 대형 모니터의 화면소자로 적합하다.

Claims (12)

  1. 상하 유리기판 기판 위에 수직배향막이 입혀져있고; 수직배향막 사이에 유전이방성(Δε)이 음인 액정이 주입되어있고; 두 유리기판의 수직배향막이 모두 배향처리가 되어 배향막에서 액정분자의 선경사각이 90˚보다 작고; 두 유리기판 가운데 최소한 한곳에는 슬릿패턴이나 플로팅전극이 있고; 슬릿패턴이나 플로팅전극 모서리에 유도되는 전기장 방향과 수직배향막의 러빙방향을 조절하여 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때의 인접 슬릿패턴 사이의 액정분자가 왼손 방향으로 트위스트 된 구조와 오른손 방향으로 트위스트 된 구조를 띄는 액정표시소자.
  2. 상하 유리기판 기판 위에 수직배향막이 입혀져있고; 수직배향막 사이에 유전이방성(Δε)이 음인 액정이 주입되어있고; 두 유리기판의 수직배향막 가운데 하나는 선경사각이 90˚보다 작게 배향처리 되어있고 다른 유리기판의 수직배향막은 배향처리가되지 않고; 배향처리된 기판에 슬릿패턴 또는 플로팅전극이 있고; 슬릿패턴 또는 플로팅전극에 유도되는 전기장 방향과 수직배향막의 러빙방향을 조절하여, 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때의 인접 슬릿패턴 사이의 액정분자가 왼손 방향으로 트위스트된 구조와 오른손 방향으로 트위스트된 구조를 띄는 액정표시소자
  3. 상하 유리기판 기판 위에 수직배향막이 입혀져있고; 수직배향막 사이에 유전이방성(Δε)이 음인 액정이 주입되어있고; 두 유리기판 가운데 최소한 한 곳은 광배향을 이용하여 액정분자의 틸트각이 90˚보다 작은 수직배향막을 형성하고 다른 기판에는 슬릿패턴이나 플로팅전극이 있고; 슬릿패턴이나 플로팅전극 모서리에 유도되는 전기장방향과 수직배향막의 러빙방향용 조절하여, 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때의 인접 슬릿패턴 사이의 액정문자가 왼손 방향으로 트위스트된 구조와 오른손 방향으로 트위스트된 구조가 동시에 나타나는 액정표시소자
  4. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서 슬릿패턴의 장축과 수직배향막의 배향방향이 이루는 각이 30˚보다 작은 액정표시소자.
  5. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서 파장 550nm에서의 액정의 굴절율 이방성(Δn)과 액정층 두께(d)의 곱이 0.25㎛보다 크고 0.35㎛보다 작은 액정표시소자
  6. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서 부의 위상차판이 붙어있고, 수평방향으로 진동하는 빛의 굴절용과 수직방향으로 진동하는 빛의 굴절율 차이 ()와 위상차판의 두께의 곱이, 액정의 굴절율 이방성(Δn)과 액정층 두께(d)의 곱의 0.8배에서 1.2배 사이에 있는 액정표시소자.
  7. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서 배향처리된 수직배향막의 선경사각이 84˚크고 89˚보보다 작은 액정 표시소자
  8. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서 슬릿패턴의 단축방향의 폭이 4∼15㎛또는 플로팅된 전극의 폭이 4∼15㎛인 액정표시소자.
  9. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서 편광판의 투과축이 슬릿패턴의 장축방향이 이루는 각이 30∼60。인 액정표시소자
  10. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서 슬릿패턴(또는 플로팅된전극)의 모양이" [ "또는 "] "모양이고; 가운데와 상단 또는 가운데와 하단으로로 슬릿패턴 (또는 플로팅전극)의 휨각이 10˚∼20˚이고; 수직배향막의 배향방향이 가운데 슬릿패턴(또는 플로팅전극)의 장축방향과 이루는 각이 45˚미만이고; 편광판의 투과축과 가운데 슬릿패턴의 장축방향과 이루는 각이 30~60˚ 액정표시소자.
  11. 상하 유리기판 기판 위에 수직배향막이 입혀져있고; 수직배향막 사이에 유전이방성(Δε)이 음인 액정이 주입되어있고; 두 유리기판 가운데 최소한 한 곳의 수직배향막은 배향처리되어 액정분자의 선경사각이 90˚보다 작고; 두 유리기판 가운데 최소한 한 곳은 슬릿패턴이나 플로팅전극이 있어 슬릿패턴이나 모서리에 유도되는 측면전기장과 배향처리된 기판의 배향방향을 조절하여 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때의 액정분자가 왼손 방향으로 트위스트된 구조와 오른손 방향으로 트위스트된 구조가 동시에 나타나고; 슬릿패턴의 폭 또는 플로팅전극의 폭 또는 플로팅전극과 화소전극 사이의 떨어진 거리가 한 화소에서 2종류 이상인 액정표시소자.
  12. 상하 유리기판 기판 위에 수직배향막이 입혀져있고; 수직배향막 사이에 유전이방성(Δε)이 음인 액정이 주입되어있고; 두 유리기판 가운데 최소한 한 곳의 수직배향막은 배향처리되어 액정분자의 선경사각이 90˚다 작고; 두 유리기판 가운데 최소한 한 곳은 슬릿패턴이나 플로팅전극이 있어 슬릿패턴이나 모서리에 유도되는 측면전기장과 배향처리된 기판의 배향방향을 조절하여 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때의 액정분자가 왼손 방향으로 트위스트된 구조와 오른손 방향으로 트위스트된 구조가 동시에 나타나고; 슬릿패턴의 폭 또는 플로팅전극의 폭 또는 플로팅전극과 화소전극 사이의 떨어진 거리 또는 슬릿패턴의 모양 또는 슬릿패턴의 장축의 방향이 각각의 색을 나타내는 화소마다 다른 액정표시소자.
KR1019990004531A 1999-02-09 1999-02-09 광시야각을 갖는 수직배향 액정표시소자 KR20000055745A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100670055B1 (ko) * 1999-12-03 2007-01-16 삼성전자주식회사 액정 표시 장치
KR100747955B1 (ko) * 2005-03-03 2007-08-08 엡슨 이미징 디바이스 가부시키가이샤 액정 장치 및 전자 기기
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KR100923853B1 (ko) * 2002-10-30 2009-10-27 엘지디스플레이 주식회사 액정표시장치 및 그 제조방법
US9658482B2 (en) 2014-01-20 2017-05-23 Samsung Display Co., Ltd. Liquid crystal display

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