KR20020002139A - 반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치 - Google Patents

반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치를 개시한다. 개시된 본 발명은 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층; 상기 액정층의 일측에 배치되며, 액정 분자들을 구동시키기 위한 프린지 필드를 일으키는 카운터 전극 및 화소 전극이 형성된 제 1 기판; 상기 액정층의 타측에 배치되며, 내측면에 R,G,B 컬러 필터가 형성된 제 2 기판; 상기 액정층과 제 1 기판 사이에 개재되며, 소정 방향의 러빙축을 갖는 제 1 수평 배향막; 상기 액정층과 제 2 기판 사이에 개재되며, 소정 방향의 러빙축을 갖는 제 2 수평 배향막; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판중 어느 하나의 외측면에 배치되며, 소정의 편광축을 갖는 편광자; 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판중 나머지 하나의 기판의 외측면에 배치되는 반사판을 포함하며, 상기 상하 기판의 거리 d(λ)

Description

반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치{REFLECTIVE TYPE FRINGE FIELD SWITCHING MODE LCD}
본 발명은 반사형 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 광학적 수단의 부가없이, 콘트라스트비(contrast ratio)를 개선할 수 있는 반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치(이하, 반사형 FFS-LCD)에 관한 것이다.
종래의 반사형 LCD는 유전율 이방성이 양인 네마틱 액정 조성물을 꼬임 배향시킨 TN(twisted mematic) LCD가 이용된다. 이 반사형 TN-LCD는 저소비 전력이라는 특징을 갖고, 전자식 탁상 시계, 디지틀 시계등의 비교적 소형 LCD에 이용된다. 그러나, 반사형 TN-LCD는 시야각 특성이 매우 나쁘고, 콘트라스비가 낮다는 고질적인 문제점을 갖는다.
이에따라, 현재에는 시야각 특성이 우수하며, 높은 반사율 및 개구율을 확보하면서, λ/4판과 같은 광학적 수단이 요구되지 않는 반사형 프린지 필드 구동 액정 표시 장치가 본 출원인들에 의하여 대한민국 특허출원 제 1999-25214호로 출원된 바 있다. 이러한 종래의 반사형 프린지 필드 구동 액정 표시 장치에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1을 참조하여, 하부 기판(40)은 상부 기판(60)과 소정 거리(d11, 이하 셀갭)를 두고 대향된다. 하부 기판(40)과 상부 기판(60) 사이에는 수개의 액정 분자(65a)를 포함하는 액정층(65)이 개재된다. 이때, 액정층(65)의 액정 분자(65a)는 네마틱이고, 예를들어, 유전율 이방성이 양인 물질을 사용한다. 또한, 액정층(65)은 액정층(65) 자체가 λ/4판의 역할을 할 수 있도록 리타데이션 즉, 셀갭(d11)과 액정 분자(65a)의 굴절율 이방성(Δn)의 곱을 노말리 블랙모드(Normally Black Mode)의 경우는 (2n+1)λ/4로 설정한다. 또한, 노말리 화이트 모드(Normally White Mode)의 경우는 전압을 인가시 유효 리타데이션(effective retardation)값이 (2n+1)λ/4이 되도록, 실제 액정 분자의 리타데이션을 (2n+1)λ/4 ~ (2n+1)λ/2 범위에서 조절한다.
하부 기판(40)의 내측면에는 액정 분자(65a)를 구동시키기 위한 프린지 필드를 발생하도록 카운터 전극(43a) 및 화소 전극(46a)이 게이트 절연막(44)을 사이에 두고 배치된다.
한편, 상부 기판(60)의 내측면에는 컬러 필터(도시되지 않음)가 배열된다.
또한, 하부 기판(40)의 내측 결과물 표면에는 제 1 배향막(53)이 형성되고, 상부 기판(60)의 컬러 필터의 내측 결과물 표면에는 제 2 배향막(63)이 형성된다. 제 1 및 제 2 배향막(53,63)은 액정 분자(65a)를 일정 방향으로 배열시키는 표면을 갖는다. 제 1 및 제 2 배향막(53,63)은 액정 분자가 0 내지 10도의 프리틸트각을 갖도록 처리된 수평 배향막이고, 각각 러빙축을 갖는다. 여기서, 제 1 배향막(53)의 러빙축(R1)은 카운터 전극(43a)과 화소 전극(46a) 사이에서 형성된 프린지 필드의 기판 투영선과 소정 각도(Ψ)를 이룬다. 이때, 제 1 배향막(53)의 러빙축(R1)과 프린지 필드의 투영선이 이루는 각은 최대 투과율을 얻을 수 있도록 유전율 이방성에 따라 그 각도가 10 내지 85°범위내서 조절된다. 제 2 배향막(63)의 러빙축은 제 1 배향막(53)의 러빙축(R1)과 비병렬(anti-parallel) 즉, 약 180°각도차를 갖도록 러빙된다.
또한, 소정의 편광축(70a)을 갖는 편광자(70)는 상부 기판(60)의 외측면에배치된다. 이때, 편광축(70a)의 배치에 따라, 화면의 초기 상태를 결정할 수 있으며, 예를들어, 편광축(70a)은 러빙축과 일치되도록 배치하면 노말리 화이트 모드로 구동되고, 러빙축과 45°를 이루도록 배치하면 노말리 블랙 모드로 구동된다. 본 종래 기술에서는 예를들어 노말리 화이트 모드일때를 설명한다. 또한, 반사판(75)은 하부 기판(40)의 외측에 배치된다. 이때, 반사판(75)은 공지된 바와 같이, 입사광을 180°반사시키는 역할을 한다.
이러한 구성을 갖는 종래의 반사형 FFS-LCD는 다음과 같이 동작된다.
먼저, 카운터 전극(43a)과 화소 전극(46b) 사이에 프린지 필드가 형성되지 않으면, 액정층(65)내의 액정 분자(65a)들은 장축이 러빙축과 일치하면서 기판에 거의 평행하게 배열된다. 그러면, 자연광(100a)은 도 1에 도시된 바와 같이, 편광판(70)에 의하여, 편광축(70a)과 일치하는 방향으로 진행하는 입사광(100b)이 된다. 입사광(100b)은 러빙축(R1,R2)과 액정 분자의 장축이 일치하도록 배열된 액정층(65)을 통과하면서, 그 진행 방향이 변화되지 않는다. 액정층(65)을 통과한 입사광(100b)은 반사판(75)에 의하여 반사되어, 반사광(110a)이 된다.
반사광(110a)은 다시 액정층(65)을 통과하면서 진행 방향이 변화되지 않는다. 이에따라, 반사광(110a)의 진행 방향은 편광자(70)의 편광축(70a)과 일치하게 되어, 편광자(70)를 통과한다. 따라서, 화면은 화이트 상태가 된다.
한편, 카운터 전극(43a)과 화소 전극(46a) 사이 및 전극 상부에 프린지 필드(F)가 형성되면, 액정 분자(65a)는 프린지 필드와 장축 또는 광축이 평행하도록 배열되어, 셀갭이 상술한 바와 같이, (2n+1)λ/4△n ~ (2n+1)λ/2△n로 설정된액정층(65)은 특정전압에서 (2n+1)λ/4(여기서, n은 정수)만큼 리타데이션이 발생된다. 그러면, 자연광(200a)은 도 2에 도시된 바와 같이, 편광자(70)를 통과함에 의하여 편광축(70a)과 일치하는 입사광(200b)이 된다. 편광자(70)를 통과한 입사광(200b)은 (2n+1)λ/4(여기서, n은 정수)의 리타데이션을 갖는 액정층(65)을 통과함에 의하여 그 진행 방향이 바뀌어, 오른쪽 원편광된 입사광(200c)이 된다. 오른쪽 원편광된 입사광(200c)은 반사판에 의하여 반사되어, 오른쪽 원편광된 반사광(210a)이 된다.
반사광(210a)은 다시 액정층(65)의 리타데이션에 의하여 편광축(70a)과 직교하는 반사광(210b)이 된다. 이에따라, 반사광(210a)의 진행 방향은 편광축(70a)과 직교하므로, 편광자(70)를 통과하지 못한다. 이에따라, 화면은 다크가 된다. 이에따라, λ/4판을 구비하지 않고도 노말리 화이트(normally white) 방식으로, 디스플레이를 실현할 수 있다.
한편, 도면에는 제시되지 않았지만, 노말리 블랙 모드인 경우, 전압 인가전 액정의 리타데이션값을 (2n+1)λ/4(여기서, n은 정수)으로 설정하고, 편광자(70)의 편광축(70a)과 러빙축이 45°를 이루도록 되도록 배치시킨다.
그러면, 전압 인가전, 편광자(70)판을 통과하면서 선편광된 빛이 액정층(65)을 통과하면서 원편광이된다. 그후, 반사판(75)을 통해 다시 액정층(65)을 통과하면, 초기 선편광과는 수직을 이루는 선편광으로 변화된다. 이에따라, 초기 전압인가전 화면은 다크 상태가 된다.
한편, 전압을 인가하면 대부분의 액정의 장축이 편광판의 투과축과 일치하게되므로 편광자(70a)를 통과한 빛은 액정층(65)을 통과하면서 그 위상이 변화되지 않는다. 이어, 반사판(75) 및 다시 액정층(65)을 통과하면서 그 위상이 변화되지 않아서, 화면은 화이트 상태가 된다.
그러나, 액정층(65)이 λ/4판의 역할을 겸하는 종래의 반사형 FFS-LCD는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 액정층(65) 자체가 λ/4판의 역할을 할수 있도록 리타데이션을 (2n+1)λ/4로 조절하였다 하더라도, 각 R,G,B 픽셀 별로 입사광의 파장이 각기 상이하므로, 각 파장에 따라 최적의 리타데이션을 제공할 수 없다. 이로 인하여, 다크를 나타내야하는 구간에서 광 누설이 발생된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 630nm의 파장을 갖는 레드광(a), 550nm의 파장을 그린광(b), 480nm의 파장을 갖는 블루광(B)은 그 파장이 각기 다르므로, 상기 식에 만족하는 리타데이션 역시 상이하다. 이에따라, 각기 다른 구간에서 다크 또는 화이트를 실현하게 된다. 그러므로, 액정층(65)의 리타데이션을 균일화시키게 되면, R,G,B 픽셀별로 최적의 콘트라스트를 나타낼 수 없다.
또한, 도 4는 전 파장에 리타데이션에 따른 반사율을 나타낸 그래프로서, 도 4를 참조하면, 리타데이션이 작을 경우에는 0.05 이하의 반사율을 보이나, 리타데이션이 증가될수록 파장 의존성이 커지게 되어, 다크를 실현하기 어렵다.
따라서, 본 발명의 목적은 콘트라스트를 개선할 수 있는 반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치의 동작을 설명하기 위한 단면도.
도 3은 광원별 리타데이션에 따른 반사율을 나타낸 그래프.
도 4는 전 파장에 리타데이션에 따른 반사율을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치의 단면도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10 - 하부 기판 12 - 카운터 전극
14 - 게이트 절연막 16 -화소 전극
18 - 제 1 수평 배향막 20 - 상부 기판
22 - 블랙 매트릭스 24a, 24b, 24c- R,G,B 컬러 필터
26 - 제 2 수평 배향막 30 - 액정층
35 - 편광자 38 - 반사판
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
여기서, 상기 R,G,B 컬러 필터는 그 두께가 각기 상이한 것을 특징으로 한다.
(실시예)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 양호한 실시예를 설명하도록 한다.
첨부한 도면 도 4는 본 발명에 따른 반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치를 나타낸 단면도이다. 여기서, 본 발명의 반사형 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치의 동작은 종래의 장치와 동일하게 동작하며, 그 구성에 대하여만 설명하도록 한다.
먼저, 도 5를 참조하여, 단위 화소(도시되지 않음)가 한정된 하부 기판(10)과 상부 기판(20)은 소정 거리를 두고 이격된다.
하부 기판(10)의 내측면에는 프린지 필드를 발생시키도록 카운터 전극(12) 및 화소 전극(14)이 게이트 절연막(14)을 사이에 두고 공지된 형태로 배치된다. 하부 기판(10)의 내측면 결과물 표면에는 제 1 수평 배향막(18)이 형성된다. 제 1 수평 배향막(18)은 소정의 러빙축(도시되지 않음)을 가지며, 이 러빙축은 프린지 필드의 기판 투영선과 소정 각도를 갖는다. 더욱 바람직하게는 최대 투과율을 달성할 수 있도록, 후술될 액정 분자의 유전율 이방성이 양인 경우 상기 프린지 필드의 기판 투영선과 45°~90°를 이루고, 음의 액정인 경우 0°~45°를 이루도록 한다.
한편, 상부 기판(20)의 내측 표면에는 단위 화소를 한정하도록 블랙 매트릭스(22)가 배치되고, 블랙 매트릭스(22)로 둘러싸여진 각 단위 화소별로 R,G,B 컬러 필터(24a, 24b, 24c)가 배치된다. 이때, 본 발명의 R,G,B 컬러 필터(24a,24b,24c)는 R,G,B 광원별로 파장이 다름을 감안하여, 그 높이가 각기 상이하도록 형성한다. 즉, R 컬러 필터(24a)는 R 광원의 파장이 630nm이므로, 최적의 리타데이션을 갖도록 제 1 두께(t1)로 형성된다. 또한, G 컬러 필터(24b)는 G 광원의 파장이 R 광원의 파장보다 작은 550nm이므로, 제 1 두께(t1)보다 큰 제 2 두께(t2)로 형성된다. B 컬러 필터(24c)는 B 광원의 파장이 R 및 G 광원의 파장보다 작은 480nm이므로, 제 1 및 제 2 두께(t1, t2)보다 큰 제 3 두께(t3)로 형성된다. 이와같이 R,G,B 컬러 필터(24a,24b,24c)의 높이를 각기 다르게 하므로써, 셀갭 즉, 상하 기판(10,20)간의 거리(d)가 각각 달라진다. 이러한 컬러 필터(24a,24b,24c)의 표면에는 제 2 수평 배향막(26)이 배치된다. 이때, 제 2 수평 배향막(26) 역시 소정의 러빙축을 가지며, 이 러빙축은 제 1 수평 배향막(18)의 러빙축과 180°를 이룬다.
상부 기판(20)의 외측에는 편광자(35)가 배치되며, 편광자는 소정의 편광축을 갖는다. 이때 편광축은 초기 화면 상태에 따라 그 배치가 바뀐다. 즉, 노말리 블랙 모드로 동작하는 경우는 편광축은 제 2 수평 배향막의 러빙축과 ±30 내지 50°, 더욱 바람직하게는 ±45°를 이룸이 바람직하다. 한편, 노말리 화이트 모드로 동작하는 경우는 편광판의 편광축과 러빙축을 일치 또는 직교로 배치시킨다.
상부 기판(10)의 외측에는 반사판(38)이 배치된다.
이러한 상,하부 기판(10,20) 사이에는 수개의 액정 분자를 갖는 액정층(30)이 개재된다. 액정층(30)은 유전율 이방성이 양 또는 음일 수 있다. 여기서, 컬러필터(24a,24b,24c)가 R,G,B 광원의 파장을 고려하여 각기 다른 높이로 형성되었으므로, 셀갭이 각 화소 별로 상이하여, 액정층(30)의 리타데이션(셀갭과 굴절율 이방성의 곱)은 각 화소별로 상이해진다. 즉, R 컬러 필터(24a)영역은 가장 큰 제 1 셀갭(d1)을 갖고, G 컬러 필터(24b)영역은 제 1 셀갭(d1)보다 작은 제 2 셀갭(d2)을 가지며, B 컬러 필터(24c)영역은 제 1 및 제 2 셀갭(d1,d2)보다 작은 제 3 셀갭(d3 )을 갖는다. 아울러, 본 발명의 액정층은 λ/4판의 역할을 할수 있도록, 노말리 블랙 모드인 경우 (2n+1)/4의 리타데이션값을 갖도록 한다.
이에따라, 노말리 블랙 모드 액정 표시 장치의 셀갭은 다음의 식으로 정의될 수 있다.
d(λ) = λ(2n+1)/4Δn(λ) (n은 정수)---(식 1)
d(λ) : 셀갭
λ: 입사광의 파장으로 R 광원=630nm, G 광원=550nm, B 광원=480nm
Δn(λ) : 액정 분자의 굴절율 이방성
한편, 종래 기술에서도 언급했듯이, 노말리 화이트 모드로 구동하는 경우, 유효 리타데이션이 (2n+1)/4을 가질수 있도록, 실제 액정층의 리타데이션은 (2n+1)/4~(2n+1)/2를 가짐이 바람직하다. 따라서, 노말리 화이트 모드의 액정층의 실제 셀갭은 다음의 식으로 정의된다.
d(λ) = λ(2n+1)/4Δn(λ) ~ λ(2n+1)/2Δn(λ) (n은 정수)---(식 2)
d(λ) : 셀갭
λ: 입사광의 파장으로 R 광원=630nm, G 광원=550nm, B 광원=480nm
Δn(λ) : 액정 분자의 굴절율 이방성
즉, 본 발명의 셀갭은 입사광의 파장의 변수로서, 입사광의 파장에 의하여 그 값이 변화된다. 이러한 셀갭은 컬러 필터의 높이에 따라 조절된다. 따라서, 각 픽셀별로 각각의 광파장에 대하여 최적의 리타데이션을 가질수 있다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 반사형 FFS-LCD에 있어서, 액정층의 셀갭을 광원의 파장에 따라 서로 상이하도록 형성하면서, 액정층이 λ/4판의 역할을 하도록 하므로써, 어느 파장에서도 최적의 리타데이션을 나타낸다. 이에따라, 다크시 광 누설이 크게 감소되어 콘트라스트비가 개선된다.

Claims (8)

  1. 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층;
    상기 액정층의 일측에 배치되며, 액정 분자들을 구동시키기 위한 프린지 필드를 일으키는 카운터 전극 및 화소 전극이 형성된 제 1 기판;
    상기 액정층의 타측에 배치되며, 내측면에 R,G,B 컬러 필터가 형성된 제 2 기판;
    상기 액정층과 제 1 기판 사이에 개재되며, 소정 방향의 러빙축을 갖는 제 1 수평 배향막;
    상기 액정층과 제 2 기판 사이에 개재되며, 상기 제 1 수평 배향막의 러빙축과 비병렬한 러빙축을 갖는 제 2 수평 배향막;
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판중 어느 하나의 외측면에 배치되며, 소정의 편광축을 갖는 편광자; 및
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판중 나머지 하나의 기판의 외측면에 배치되는 반사판을 포함하며,
    상기 상하 기판의 거리 d(λ)는 노말리 블랙 모드로 구동하는 경우, (2n+1)/4Δn(λ) (n은 정수, λ: 입사광의 파장, Δn(λ) : 액정 분자의 굴절율 이방성) 인 것을 특징으로 하는 반사형 FFS-LCD.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 편광자의 편광축과 제 2 수평 배향막의 러빙축과약 ±30 내지 50°를 이루는 것을 특징으로 하는 반사형 FFS-LCD.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 R,G,B 컬러 필터는 그 두께가 각기 상이한 것을 특징으로 하는 반사형 FFS-LCD.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 수평 배향막의 러빙축은 액정 분자의 유전율 이방성이 양인 경우 상기 프린지 필드의 기판 투영선과 45°~90°를 이루고, 음의 액정인 경우 0°~45°를 이루는 것을 특징으로 하는 반사형 FFS-LCD.
  5. 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층;
    상기 액정층의 일측에 배치되며, 액정 분자들을 구동시키기 위한 프린지 필드를 일으키는 카운터 전극 및 화소 전극이 형성된 제 1 기판;
    상기 액정층의 타측에 배치되며, 내측면에 R,G,B 컬러 필터가 형성된 제 2 기판;
    상기 액정층과 제 1 기판 사이에 개재되며, 소정 방향의 러빙축을 갖는 제 1 수평 배향막;
    상기 액정층과 제 2 기판 사이에 개재되며, 제 1 수평 배향막의 러빙축과 비병렬한 러빙축을 갖는 제 2 수평 배향막;
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판중 어느 하나의 외측면에 배치되며, 소정의 편광축을 갖는 편광자; 및
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판중 나머지 하나의 기판의 외측면에 배치되는 반사판을 포함하며,
    상기 상하 기판의 거리 d(λ)는 노말리 화이트로 구동하는 경우, λ(2n+1)/4Δn(λ) ~ λ(2n+1)/2Δn(λ)(n은 정수, λ: 입사광의 파장, Δn(λ) : 액정 분자의 굴절율 이방성)인 것을 특징으로 하는 반사형 FFS-LCD.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 편광자의 편광축은 제 2 수평 배향막의 러빙축 방향과 일치 또는 수직인 것을 특징으로 하는 반사형 FFS-LCD.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 R,G,B 컬러 필터는 그 두께가 각기 상이한 것을 특징으로 하는 반사형 FFS-LCD.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 수평 배향막의 러빙축은 액정층의 액정 분자가 양인 경우 상기 프린지 필드의 기판 투영선과 45°~90°를 이루고, 음의 액정인 경우 0°~45°를 이루는 것을 특징으로 하는 반사형 FFS-LCD.
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