KR20020017315A - 색좌표 이동이 감소된 액정 표시 장치 - Google Patents

색좌표 이동이 감소된 액정 표시 장치 Download PDF

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Abstract

하부 기판과 상부 기판 사이에 액정층이 주입되어 있다. 액정층에는 액정 분자와 청색 염료 분자가 포함되어 있다. 액정 분자는 상하 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있고, 염료 분자도 액정 분자와 마찬가지로 장축이 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있다. 이렇게 하면, 황색화 경향의 색좌표 이동을 보상할 수 있다. 다만, 첨가되는 염료로 인하여 투과율 저하가 발생할 수 있으나 이는 빛 흡수 곡선이 적색 색필터의 투과 곡선과 일치하는 염료를 사용함으로써 개선할 수 있고, 색좌표 보상을 통하여 Δn·d를 변화시킬 수 있음으로써 얻는 투과율 개선 효과가 염료 첨가로 인한 투과율 저하에 비하여 더 크다.

Description

색좌표 이동이 감소된 액정 표시 장치{a liquid crystal display reducing color shift}
본 발명은 액정 표시 장치 및 그에 사용하는 액정 물질에 관한 것으로써 더욱 상세하게는 수직 배향형 액정 표시 장치에서 색좌표 변화를 보상할 수 있는 방법에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 일반적으로 공통 전극과 컬러 필터(color filter) 등이 형성되어 있는 상부 기판과 박막 트랜지스터와 화소 전극 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 주입해 놓고 화소 전극과 공통 전극에 서로 다른 전위를 인가함으로써 전계를 형성하여 액정 분자들의 배열을 변경시키고, 이를 통해 빛의 투과율을 조절함으로써 화상을 표현하는 장치이다.
그 중에서도 수직 배향 모드 액정 표시 장치는 대비비가 크고 광시야각 구현이 용이하여 각광받고 있다.
그런데 수직 배향 모드에 있어서 색좌표가 이동하는 것이 중요한 문제점 중의 하나이다. 색좌표 이동은 액정 표시 장치의 휘도를 높이는데도 문제점으로 작용한다. 여기서 색좌표 이동이란 액정 표시 장치를 보는 각도(시야각)에 따라 색깔이 달라지는 것과, 계조 전압이 높아짐에 따라 화면의 색이 변하는 것 등을 말한다. 색좌표 이동은 주로 황색화(yellowish) 경향을 띈다. 즉, 액정 표시 장치의 정면에서는 미미하지만 측면으로 갈수록 화면이 점점 노랗게 물든다. 또 낮은 계조에서는 백색 상태를 유지하다가 계조가 높아지면서 황색화가 점점 심해진다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 액정 표시 장치의 색좌표 이동을 보상할 수 있는 수단을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도이고,
도 2는 수직 배향형 액정 표시 장치에서의 빛이 파장별 VT(voltage-transmittance) 곡선이고,
도 3은 셀갭(cellgap)별로 전압 증가에 따른 적색 휘도와 청색 휘도의 비 변화를 나타내는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 빛의 경로에 따라 색좌표가 보상되는 원리를 설명하기 위한 개념도이고,
도 5는 액정 표시 장치의 정면에서 측정한 인가전압별 색좌표 변화의 그래프이고,
도 6은 5.5V 전압 인가시 시야각별 색좌표 변화를 측정한 그래프이고,
도 7은 셀의 종류별로 전압 및 시야각에 따른 색좌표의 x축의 변화를 나타낸 그래프이고,
도 8은 셀의 종류별 VT 곡선이고,
도 9는 색필터의 빛 투과 곡선과 염료의 빛 흡수 곡선을 함께 나타낸 도면이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 액정 물질에 청색 염료를 첨가한다.
구체적으로는, 절연성 제1 기판, 제1 기판과 대향하고 있는 절연성 제2 기판, 제1 기판과 제2 기판의 사이에 주입되어 있는 액정 물질과 염료를 포함하는 액정층 및 액정층에 전계를 인가하기 위한 제1 및 제2 전극을 포함하는 액정 표시 장치를 마련한다.
이 때, 염료는 청색 빛만을 투과시키는 것이 바람직하고, 액정 물질의 액정 분자는 상기 제1 및 제2 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있는 것이 바람직하다. 또, 염료의 각 분자는 액정 분자와 나란하게 배향되어 있으며, 액정층에서의 염료의 함량은 2w% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한 염료의 빛 흡수 곡선은 빛의 파장이 550㎚에서 570㎚ 사이인 부분에서 상승하여 600㎚에서 750㎚ 사이의 영역에서 최고 흡수율을 나타내는 것이 바람직하다.
그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도이다.
하부 기판(10)과 상부 기판(20) 사이에 액정층(30)이 주입되어 있다. 하부기판(10)에는 화소 전극(11)을 비롯하여 도시하지는 않았으나 스위칭 소자인 박막 트랜지스터와 게이트 배선 및 데이터 배선 등이 형성되어 있다. 상부 기판(20)에는 공통 전극(21)을 비롯하여 도시하지는 않았으나 색필터, 블랙 매트릭스 등이 형성되어 이다. 액정층(30)에는 액정 분자(31)와 청색 염료 분자(32)가 포함되어 있다. 액정 분자(31)는 상하 기판(10, 20)에 대하여 수직으로 배향되어 있고, 염료 분자(32)도 액정 분자(31)와 마찬가지로 장축이 기판(10, 20)에 대하여 수직으로 배향되어 있다.
이상과 같이, 액정층에 청색 염료를 첨가하면 색좌표의 이동을 감소시킬 수 있다.
그러면 본 발명이 색좌표의 이동을 감소시킬 수 있는 이유를 설명한다.
먼저 색좌표 이동이 발생하는 원인을 살펴본다.
비틀림 배향되어 있지 않은 ECB(electrically controled birefringence) 모드에서 액정층을 빛이 투과할 때 빛이 느끼는 유효 리타데이션(retadation)을라고 하면 투과되는 빛의 세기(I)는 다음 수식으로 주어진다.
(1)
즉, 인가 전압이 증가하면 액정의 배향 변화량이 증가하게 되고 이에 따라의 값도 증가하여 빛의 투과율이 증가한다. 그런데 수식 (1)에 파장항이 들어 있어서 빛의 파장에 따라 VT(voltage-transmittance) 곡선이 달라진다.
도 2는 수직 배향 액정 표시 장치에서의 빛의 파장별 VT(voltage-transmittance) 곡선이다.
도 2는 파장별 VT 곡선을 규격화(normalize)한 그래프이다. 도 2를 보면, 빛의 파장에 따라 VT 곡선이 조금씩 달라진다. 따라서, 계조에 따라 색좌표가 이동하게 된다. 즉, 전압이 증가하면 청색에 비하여 적색 빛의 투과량이 점점 더 많아지게 되어 화면이 노랗게 물드는 황색화 현상이 나타나게 된다. 이러한 현상은 액정 표시 장치의 화면을 정면에 바라보다가 좌우 측면으로 이동하면서 바라볼 때에도 동일하게 나타난다. 이는 식 (1)에서 알 수 있듯이 빛이 느끼는가 증가하면 색좌표 이동도 심해지기 때문인데, 액정 표시 장치의 정면에 비하여 측면에서 보는 빛이 더 긴 경로로 액정층을 통과하기 때문에 빛이 느끼는가 더 크다.
도 3은 셀갭(cellgap)별로 전압 증가에 따른 청색 휘도에 대한 적색 휘도의 비 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서, 각 곡선은 각각 서로 다른 셀갭을 나타낸다.
도 3을 보면, 전압이 증가하면서 청색 휘도에 대한 적색 휘도의 비가 점점 증가하고 있다. 즉, 전압 증가에 따라 색좌표가 적색쪽으로 이동하고 있다. 셀갭이 증가할 때에도 청색 휘도에 대한 적색 휘도의 비가 점점 증가하여 색좌표가 적색쪽으로 이동한다.
이러한 색좌표 이동 문제를 해결하기 위해서는 빛이 느끼는에 비례하여 색좌표를 청색쪽으로 보상해주어야 한다. 본 발명에서는 이를 위하여 액정층에 청색 염료를 첨가시킨다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 빛의 경로에 따라 색좌표가 보상되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
경로 a는 액정 분자의 장축에 대하여 수직에 가까운 각도로 액정층을 통과하는 빛의 경로이고, 경로 b는 액정 분자의 장축에 대하여 평행한 방향으로 액정층을 통과하는 빛의 경로이다. 액정의 복굴절성으로 인하여 경로 a를 통과하는 빛이 느끼는가 경로 b를 통과하는 빛이 느끼는에 비하여 크다. 그런데 청색 염료 분자의 빛 흡수 특성도 빛의 통과 방향에 따라 차이가 있다. 즉, 염료 분자의 장축에 대하여 수직인 경로 a를 통과하는 빛은 적색 계통 빛이 상당량 흡수되어 청색이 강하게 나타나지만 경로 b를 통과하는 빛은 적색 계통 빛이 흡수되는 량이 적어 청색이 약하게 나타난다. 결국, 경로 a를 통과하는 빛은를 크게 느끼므로 색좌표의 적색쪽 이동폭이 크나 염료에 의하여 청색쪽으로 보상되는 폭도 그만큼 크다. 또, 경로 b를 통과하는 빛은를 적게 느끼므로 색좌표의 적색쪽 이동폭도 적고 염료에 의하여 청색쪽으로 보상되는 폭도 적다. 따라서 빛이 어느 경로로 통과하건 색좌표는 비슷한 값을 가지게 된다.
도 5는 액정 표시 장치의 정면에서 측정한 인가 전압별 색좌표 변화의 그래프이다.
인가 전압은 2.6V에서 6V까지 0.2V씩 변화시켰다. 그 이하의 전압에서는 투과되는 광량이 너무 작아서 색좌표의 오차가 심하였다. 도 5에서 알 수 있는 바와같이, 염료의 농도가 짙어 질수록 색좌표의 절대값 및 변화량이 감소한다.
도 6은 5.5V 전압 인가시 보는 각도에 따른 색좌표 변화를 측정한 그래프이다. 여기서 각 곡선은 염료의 양을 달리한 것이다.
5.5V를 인가한 상태에서 보는 각을 0도에서 50도까지 변화시키면서 측정한 색좌표 값들이다. 보는 위치가 정면에서 측면으로 이동할 때도 색좌표가 황색쪽으로 이동함을 알 수 있다. 색좌표의 변화량은 모두 비슷한 수준을 보이고 있으나 색좌표의 절대값은 염료의 양에 따라 차이를 보이고 있다.
아래의 표 1은 시인성에 영향을 많이 미치는 x 색좌표의 전압별 및 시야각별 변화량을 나타낸 것이다.
전압에 따른 x 좌표 시야각에 따른 x 좌표 총합
구분 2.6V 6V Δ1 정면 측면 Δ2 Δ1+Δ2 상대값
Normal1 0.2775 0.3342 0.0567 0.3282 0.3549 0.0267 0.0834 100.9
Normal2 0.277 0.3295 0.0525 0.3251 0.3545 0.0294 0.0819 99.1
Dye1-1 0.2868 0.3393 0.0525 0.3336 0.3523 0.0187 0.0712 86.1
Dye1-2 0.3197 0.3737 0.054 0.3232 0.3471 0.0239 0.0779 94.3
Dye2-1 0.2701 0.317 0.0469 0.3137 0.334 0.0203 0.0672 81.3
Dye2-2 0.272 0.3169 0.0449 0.3127 0.3376 0.0249 0.0698 84.5
Dye2-3 0.2648 0.3131 0.0483 0.3076 0.3287 0.0211 0.0694 84.0
Dye3-1 0.2623 0.3007 0.0384 0.2975 0.3131 0.0156 0.054 65.3
Dye3-2 0.2731 0.305 0.0319 0.3016 0.3243 0.227 0.0546 66.1
Dye3-3 0.2643 0.3037 0.0394 - - - - -
표 1에서 Δ1은 인가 전압이 6V일 때의 x 좌표값과 2.6V일 때의 x 좌표값의 차이고, Δ2는 측면에서의 x 좌표값과 정면에서의 x 좌표값의 차이다. 표로부터 염료의 농도가 증가함에 따라 색좌표 변화량이 감소하고 있음을 알 수 있다. 전압에 따른 변화량과 시야각에 따른 변화량을 더한 값이 패널에서 변하는 총 색좌표 변화량이라고 할 수 있다. 표 1로부터 색좌표의 총 변화량을 보면 노말 셀(normal cell)에 비하여 염료(dye) 1의 경우에는 약 10% 감소하였고, 염료 2의 경우에는 약 17% 감소했으며, 염료 3의 경우에는 약 35% 감소한 결과를 나타내고 있다.
도 7은 셀의 종류별로 전압 및 시야각에 따른 색좌표의 x축의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7에 의하면 정면의 계조별 색좌표 변화량이 시야각별(0도에서 50도까지) 변화량보다 약 2배 정도 크다. 그리고 계조별 변화량에서는 염료의 농도별로 큰 차이를 보이고 있는 반면, 시야각별로는 노말 셀보다는 양호하지만 염료의 농도별로는 큰 차이를 보이지 않고 있다.
이상에서 염료를 액정층에 첨가함으로써 색좌표 이동을 보상할 수 있음을 확인하였다. 그러나 염료의 첨가로 인하여 휘도가 감소할 것으로 예상되는데 이를 살펴본다.
도 8은 셀의 종류별 VT 곡선이다.
아래의 표 2는 셀의 종류별로 투과율을 비교한 것이다.
cell 종류 투과율(%) 상대치(%)
Normal 11.66 100
Dye 1 11.38 97.6
Dye 2 10.3 88.3
Dye 3 9.44 81.0
도 8에서 알 수 있는 바와 같이 염료의 농도가 짙어질수록 투과율 저하가 심하고, 표 2에서는 염료의 종류에 따라서도 투과율 저하도에 차이가 나타남을 알 수있다. 노말 셀의 투과율을 100%라고 할 때 염료 3을 첨가한 셀의 투과율은 81%로 나타남으로써 약 19%의 투과율 저하가 나타났다.
이와 같이 투과율 저하가 심한 이유는 염료의 빛 흡수 곡선과 색필터의 투과 곡선을 비교해 보면 알 수 있다.
도 9는 색필터의 빛 투과 곡선과 염료의 빛 흡수 곡선을 함께 나타낸 도면이다.
도 9를 보면 염료의 흡수 곡선이 녹색 색필터의 투과 곡선과 겹치는 부분이 녹색 색필터의 투과 곡선의 절반 가까이를 차지할 만큼 넓다. 따라서 투과도 저하를 발생시킬 수밖에 없다. 또한 660㎚ 이상의 장파장 빛은 염료가 거의 흡수하지 못하고 있음을 알 수 있다. 이러한 장파장의 빛도 색좌표 이동 보상의 효율을 저하시키는 역할을 한다.
휘도 감소는 적으면서 색좌표 보상은 효율적으로 할 수 있으려면 염료의 흡수 곡선이 적색 빛만 흡수해야 한다. 즉, 염료의 흡수 곡선이 빛의 파장이 약 550㎚인 부분에서 상승하는 적색 색필터의 투과 곡선과 가능한 한 일치하거나 이보다 약간 오른쪽으로 치우치는 염료를 사용하는 것이 유리하다.
이상과 같이 본 발명에 따르면 황색화 경향의 색좌표 이동을 보상할 수 있다. 다만, 첨가되는 염료로 인하여 투과율 저하가 발생할 수 있으나 이는 빛 흡수 곡선이 적색 색필터의 투과 곡선과 일치하는 염료를 사용함으로써 개선할 수 있고, 색좌표 보상을 통하여 Δn·d를 변화시킬 수 있음으로써 얻는 투과율 개선 효과가염료 첨가로 인한 투과율 저하에 비하여 더 크다.

Claims (6)

  1. 절연성 제1 기판,
    상기 제1 기판과 대향하고 있는 절연성 제2 기판,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 주입되어 있는 액정 물질과 염료를 포함하는 액정층,
    상기 액정층에 전계를 인가하기 위한 제1 및 제2 전극
    을 포함하는 액정 표시 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 염료는 청색 빛만을 투과시키는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 액정 물질의 액정 분자는 상기 제1 및 제2 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 염료의 각 분자는 상기 액정 분자와 나란하게 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  5. 제3항에서,
    상기 액정층에서의 상기 염료의 함량은 2w% 이하인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 염료의 빛 흡수 곡선은 빛의 파장이 550㎚에서 570㎚ 사이인 부분에서 상승하여 600㎚에서 750㎚ 사이의 영역에서 최고 흡수율을 나타내는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
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