KR20020076401A - 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치 - Google Patents

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KR20020076401A
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Abstract

본 발명은 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 하이브리드 방식을 적용한 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치를 개시한다.
개시된 본 발명은, 소정 거리를 두고 배치되며, 단위화소가 한정된 상, 하부 기판; 상하 기판 사이에 게재되는 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층; 상기 하부 기판의 단위화소에 각각 형성되는 카운터 전극; 상기 카운터 전극과 함께 프린지 필드를 발생시켜, 단위 화소내 대부분의 액정 분자를 동작시키는 화소전극; 상기 하부 기판과 액정층 사이에 개재되며, 소정의 러빙축을 갖는 수평 배향막; 상기 상부 기판과 액정층 사이에 개재되는 수직 배향막; 상기 하부 기판 외측면에 배치되며 소정의 편광축을 갖는 편광자; 및 상기 상부 기판의 외측면에 배치되며, 소정의 흡수축을 갖는 분해자를 포함하는 FFS-LCD에 있어서, 상기 하부 기판에 형성된 카운터 전극과 동일한 전압을 갖으면서, 상기 상부 기판 화소 전체를 덮는 투명전극을 포함하는 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

프린지 필드 구동 모드 액정표시장치{FRINGE FIELD SWITCHING MODE LCD}
본 발명의 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치(Fringe field switching mode LCD: 이하, FFS-LCD)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 HAN(hybrid alignment nematic) 모드를 적용한 FFS-LCD에 관한 것이다.
일반적으로 FFS-LCD는 일반적인 IPS(in-plane switching)모드 LCD의 낮은 개구율 및 투과율을 개선시키기 위하여 제안된 것으로, 이에 대하여 대한민국 특허출원 제98-9243호로 출원된 바 있다.
한편, 프린지 필드 전극 구조를 이용한 방법으로 하이브리드 방식, 즉 상,하판 중 어느 한쪽은 수평, 다른 한 쪽은 수직 방향으로 러빙한 HAN Mode를 적용한 방식이 대한민국 특허출원 제 2000-0073302호 및 대한민국 특허출원 제 2000-0073309호로 출원된 바 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와같이, 하부 기판(10)과 상부 기판(30)은 소정 거리(d)를 두고 대향된다. 하부 기판(10)과 상부 기판(30) 사이에는 소정의 액정 분자(20a)를 갖는 액정층(20)이 개재된다. 이때, 액정 분자(20a)는 유전율 이방성이 양 또는 음인 물질이 선택적으로 사용될 수 있다.
액티브 매트릭스 기본 요소인 게이트 버스 라인(도시되지 않음), 데이터 버스 라인(도시되지 않음) 및 박막 트랜지스터(도시되지 않음)가 형성된 하부 기판(10) 상부에 단위 화소 별로 각각 카운터 전극(15)이 플레이트 형태로 형성된다. 이때, 카운터 전극(15)은 공지된 바와 같이, 투명한 도전 물질로 형성된다. 카운터 전극(15) 상부에는 게이트 절연막(16)이 형성되고, 게이트 절연막(16) 상부에는 카운터 전극과 프린지 필드를 형성할 수 있도록 화소 전극(17)이 수개의 빗살을 포함하는 빗(comb) 형태로 형성된다. 이때, 화소 전극(17) 역시 투명 도전체로 형성됨이 바람직하다. 이러한 하부 기판 결과물 상부에는 수평 배향막(18)이 형성된다. 이때, 수평 배향막(18)은 소정 방향을 향하는 러빙축을 갖는다. 이때, 러빙축의 방향은 최대 투과율을 만족하도록, 액정 분자(20a)의 유전율 이방성이 양인 경우, 프린지 필드가 기판에 투영된 방향과 45°내지 90°를 이루도록 결정되고, 액정 분자(20a)의 유전율 이방성이 음인 경우, 프린지 필드의 기판 투영면과 0°내지 45°를 이루도록 결정된다.
한편, 상부 기판(30)의 내측면에는 도면에는 도시되지 않았지만, 컬러 필터가 배치되고, 컬러 필터의 표면에는 수직 배향막(28)가 배치된다. 이때, 수직 배향막(28)은 공지된 바와 같이 러빙축을 갖지 않는다.
여기서, 액정층(20)내의 액정 분자(20a)들은 하부 기판(10)의 수평 배향막(18)과 상부 기판(30)의 수직 배향막(28)에 의하여, 하부 기판(10)쪽에서는 장축이 기판면과 수평하게 배열되다가 상부 기판(30)쪽에서는 장축이 기판면과 수직으로 배열되는 하이브리드 형태로 배열된다.
하부 기판(10)의 외측에는 소정의 편광축을 갖는 제 1 편광판(5)이 배치되고, 상부 기판(30)의 외측에는 편광축과 직교하는 흡수축을 갖는 제 2 편광판(35)이 배치된다. 이때, 제 1 편광판(5)의 편광축은 노말리 블랙(normally black) 모드를 실현하기 위하여, 흡수축과 직교되면서, 러빙축과는 일치하는 E-mode를 사용할 수 있고 또는 러빙축과 수직인 O-mode를 사용할 수도 있다.
이러한 구성을 갖는 FFS-LCD는 다음과 같이 동작한다.
먼저, 카운터 전극(15)과 화소 전극(17) 사이에 전압차 즉, 필드가 형성되지 않으면, 액정 분자(20a)들은 하부 기판(10)측에서는 수평 배향막(18)의 영향으로 러빙축 및 기판 표면에 평행하도록 배열되다가, 상부 기판(30)측으로 갈수록 수직 배향막(28)의 영향으로 기판 표면과 장축이 수직을 이루도록 배열된다. 이에따라, 제 1 편광판(5)을 통과한 광은 액정층(20)을 지나면서 편광 방향이 변화되지 않아, 편광축과 수직을 이루는 흡수축을 갖는 제 2 편광판(35)을 통과하지 못한다. 따라서, 화면은 다크를 띤다.
한편, 카운터 전극(15)과 화소 전극(17) 사이에 프린지 필드가 인가되면, 프린지 필드에 의하여, 카운터 전극(15) 및 화소 전극(17) 사이 및 그 상부에 있는 액정 분자(20a)들이 모두 트위스트된다. 이에따라, 제 1 편광판(5)을 통과한 광은 액정층(20) 통과하면서, 그 편광 상태가 변화되어 편광축과 직교하는 흡수축을 갖는 제 2 편광판(35)을 통과한다. 따라서, 화면은 화이트 상태가 된다.
그러나, 종래 기술에 따른 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD의 경우 투과율을 증가시키기 위하여 high dㅿn(d: 셀갭 간격, ㅿn: 굴절율)을 사용해야 하기 때문에 셀 갭(cell gap)을 낮춤으로써 응답시간을 빠르게 하는 효과를 이용하는데 한계가 있다는 단점이 있었다.
또한, high dㅿn의 사용은 위상보상 필름의 선정시 어려움 때문에 광시야각을 구성하는데 어려움이 있을 수 있다. 더우기, FFS 전극의 사용은 상, 하부 기판 중 하부 기판에만 전극이 형성되어 있기 때문에 이온 등이 포획(Capture)되어 원하지 않는 DC성분에 의한 잔상 효과로 화면 품위가 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 상부 기판에 전극을 형성하여 dㅿn을 낮출 수 있는 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD를 제공하는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 HAN Mode를 적용한 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치를 설명하기 위한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 HAN Mode를 적용한 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치를 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명과 종래의 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD 전극 구조의 dㅿn에 따른 투과율을 비교한 그래프.
도 4는 본 발명과 종래의 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD 전극 구조의 dㅿn에 따른 구동전압을 비교한 그래프.
도 5는 본 발명과 종래의 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD 전극 구조에서 전압 인가에 따른 투과율을 비교 설명한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
50 : 하부 기판 53 : 카운터 전극
55 : 게이트 절연막 57 : 화소 전극
59 : 수평 배향막 65 : 제1 편광판
70 : 상부 기판 72 : 수직 배향막
75 : 제2 편광판 80 : 액정층
80a : 액정 분자 100 : 투명 전극
상기 목적 달성을 위한 본 발명의 프린지 필드 구동 액정표시장치는, 소정 거리를 두고 배치되며, 단위화소가 한정된 상, 하부 기판; 상하 기판 사이에 게재되는 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층; 상기 하부 기판의 단위화소에 각각 형성되는 카운터 전극; 상기 카운터 전극과 함께 프린지 필드를 발생시켜, 단위 화소내 대부분의 액정 분자를 동작시키는 화소전극; 상기 하부 기판과 액정층 사이에 개재되며, 소정의 러빙축을 갖는 수평 배향막; 상기 상부 기판과 액정층 사이에 개재되는 수직 배향막; 상기 하부 기판 외측면에 배치되며 소정의 편광축을 갖는 편광자; 및 상기 상부 기판의 외측면에 배치되며, 소정의 흡수축을 갖는 분해자를 포함하는 프린지 필드 구동모드 액정표시소자에 있어서, 상기 하부 기판에 형성된 카운터 전극과 동일한 전압을 갖으면서, 상기 상부 기판 화소 전체를 덮는 투명전극을 포함하는 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
첨부한 도면 도 2는 본 발명에 따른 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD의 단면도이고, 도 3은 본 발명과 종래의 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD 전극 구조의 dㅿn에 따른 투과율을 비교한 그래프이고, 도 4는 본 발명과 종래의 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD 전극 구조의 dㅿn에 따른 구동전압을 비교한 그래프이고 , 도 5는 전압 인가에 따른 투과율을 비교 설명한 그래프이다.
도 2를 참조하여, 하부 기판(50)과 상부 기판(70)은 소정 거리(d)를 두고 대향된다. 하부 기판(50)과 상부 기판(70) 사이에는 소정의 액정 분자(80a)를 갖는 액정층(80)이 개재된다.
액티브 매트릭스 기본 요소인 게이트 버스 라인(도시되지 않음), 데이터 버스 라인(도시되지 않음) 및 박막 트랜지스터(도시되지 않음)가 형성된 하부 기판(50) 상부에 단위 화소 별로 각각 카운터 전극(53)이 플레이트 형태로 형성된다. 이때, 카운터 전극(53)은 공지된 바와 같이, 투명한 도전 물질로 형성된다.
또한 도면에 도시하지 않았지만 카운터 전극(53)은 슬릿 형태로 형성되어 후속 공정단계에서 형성되는 화소전극과 카운터 전극의 간격을 전극 폭보다 작게하여 형성할 수도 있다. 아울러, 종래 하부 기판에만 전극을 형성했던 것과는 달리, 본 발명에서는 상부기판(70)상에 화소 전체를 덮는 투명전극(100)을 배치하되 하부 기판(50)의 카운터 전극(53)과 동일한 전압을 갖도록 한다.
그 다음, 하부 기판(50)상의 카운터 전극(53) 상부에는 게이트 절연막(55)이 형성되고, 게이트 절연막(55) 상부에는 카운터 전극(53)과 프린지 필드를 형성할 수 있도록 화소 전극(57)이 수개의 빗살을 포함하는 빗(comb) 형태로 형성된다. 이때, 화소 전극(57) 역시 투명 도전체로 형성됨이 바람직하다. 이러한 하부 기판 결과물 상부에는 수평 배향막(59)이 형성된다.
이때, 수평 배향막(59)은 소정 방향으로 향하는 러빙축을 갖는데. 음의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용하여 상부 기판(70)에 투명전극(100)을 두어도 액정이 투과율을 발생하는 방향에 큰 영향이 없도록 한다. 또한, 러빙축의 방향은 최대 투과율을 만족하도록 프린지 필드의 기판 투영면과 0 내지 45°를 이루도록 결정된다.
한편, 상부 기판(70)의 내측면에는 도면에는 도시되지 않았지만, 컬러 필터가 배치되고, 컬러 필터의 표면에는 수직 배향막(72)가 배치된다. 이때, 수직 배향막(72)은 공지된 바와 같이 러빙축을 갖지 않는다.
여기서, 액정층(80)내의 액정 분자(80a)들은 하부 기판(50)의 수평 배향막(59)과 상부 기판(70)의 수직 배향막(72)에 의하여, 하부 기판(50)쪽에서는 장축이 기판면과 수평하게 배열되다가 상부 기판(70)쪽에서는 장축이 기판면과 수직으로 배열되는 하이브리드 형태로 배열된다.
하부 기판(50)의 외측에는 소정의 편광축을 갖는 제 1 편광판(65)이 배치되고, 상부 기판(70)의 외측에는 편광축과 직교하는 흡수축을 갖는 제 2 편광판(75)이 배치된다. 이때, 제 1 편광판(65)의 편광축은 노말리 블랙(normally black) 모드를 실현하기 위하여, 흡수축과 직교되면서, 러빙축과는 일치한다.
이러한 구성을 갖는 FFS-LCD의 동작은 종래의 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD와 동일하게 동작한다. 즉, 카운터 전극(55)과 화소 전극(59) 사이에 전압차 즉, 필드가 형성되지 않으면, 액정 분자(80a)들은 하부 기판(50)측에서는 수평 배향막(62)의 영향으로 러빙축 및 기판 표면에 평행하도록 배열되다가, 상부 기판(70)측으로 갈수록 수직 배향막(72)의 영향으로 기판 표면과 장축이 수직을 이루도록 배열된다. 이에따라, 제 1 편광판(65)을 통과한 광은 액정층(80)을 지나면서 편광 방향이 변화되지 않아, 편광축과 수직을 이루는 흡수축을 갖는 제 2 편광판(75)을 통과하지 못한다. 따라서, 화면은 다크를 띤다.
한편, 카운터 전극(55)과 화소 전극(57) 사이에 프린지 필드가 인가되면, 프린지 필드에 의하여, 카운터 전극(55) 및 화소 전극(59) 사이 및 그 상부에 있는 액정 분자(80a)들이 모두 트위스트된다. 이에따라, 제 1 편광판(65)을 통과한 광은 액정층(80)을 통과하면서, 그 편광 상태가 변화되어 편광축과 직교하는 흡수축을 갖는 제 2 편광판(75)을 통과한다. 따라서, 화면은 화이트 상태가 된다. 이때, 단위 화소내의 대부분의 액정 분자(80a)들이 모두 트위스트되므로써, 고투과율 및 고개구율을 실현할 수 있다.
상기와 같이 동작하는 본 발명의 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD를 종래의 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD와 비교 설명하면 다음과 같다.
도 3은 dㅿn(d: 셀갭 간격, ㅿn: 굴절율)에 따른 최대 투과율을 상부 기판(70)에 투명전극(100)이 없는 경우와 비교한 도면이다. 이때, 투과율을 최대로하기 위해 액정층의 dΔn이 0.25에서 0.6사이의 값을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 도시된 바와같이, 상부기판(70)에 투명전극(100)이 있는 경우, 없는 경우보다 0.1이상 작은 지점에서 최대 투과율을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이 경우 dㅿn을 작게 사용할 수 있으면 결과적으로 동일한 ㅿn을 갖는 액정에 대하여 작은 셀 갭을 사용할 수 있으므로 응답시간을 향상시킬 수 있다.
그 다음, 도 4는 dㅿn에 따른 구동전압을 비교한 도면으로, 최대 투과율을 나타내는 dㅿn에서 구동전압은 상부 기판에 투명전극이 있는 경우가 없을 때 보다 낮은 것을 알 수 있다. 도 5는 최대 투과율을 나타내는 dㅿn에서 전압인가에 따른 투과율 곡선이 도시된 것으로, 구동 전압이 0.5V이상 작아지는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 예를들어, 본 발명에서는 단일 도메인을 형성하는 것에 대하여 설명하였지만, 단위 화소내에 두 방향의 대칭된 프린지 필드가 형성되도록 하여 시야각을 한층 더 개선할 수 있다.
한편, 콘트라스트를 개선하기 위하여, 하부 기판(50)과 제 1 편광판(65) 사이 및 상부 기판(70)과 제 2 편광판(75) 사이에 위상 보상 필름을 개재할 수 있다. 이러한 위상 보상 필름은 시야각에 따른 다크 상태를 균일하게 할 수 있는데, 디스크 타입, 디스크 타입을 틸트(tilt) 시킨것, 또는 디스크 타입의 틸트를 연속적으로 변화시킨 것 등을 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상술한 본 발명의 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치에 의하면, 상부기판(70)상에 화소 전체를 덮는 투명전극(100)을 배치하되 하부 기판(50)의 카운터 전극과 동일한 전압을 갖도록 한다. 또한, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용하여 상부 기판(70)에 투명전극(100)을 두어도 액정이 투과율을 발생하는 방향에 큰 영향이 없도록 한다.
이에 의해, 종래 HAN Mode를 적용한 FFS-LCD보다 낮은 dㅿn을 사용함으로써 응답 시간 향상과 위상보상 필름의 제작 용이 및 색띰 현상의 개선 등 고화질의 디스플레이의 제작이 가능해진다.

Claims (6)

  1. 소정 거리를 두고 배치되며, 단위화소가 한정된 상, 하부 기판;
    상하 기판 사이에 게재되는 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층;
    상기 하부 기판의 단위화소에 각각 형성되는 카운터 전극;
    상기 카운터 전극과 함께 프린지 필드를 발생시켜, 단위 화소내 대부분의 액정 분자를 동작시키는 화소전극;
    상기 하부 기판과 액정층 사이에 개재되며, 소정의 러빙축을 갖는 수평 배향막;
    상기 상부 기판과 액정층 사이에 개재되는 수직 배향막;
    상기 하부 기판 외측면에 배치되며 소정의 편광축을 갖는 편광자; 및
    상기 상부 기판의 외측면에 배치되며, 소정의 흡수축을 갖는 분해자를 포함하는 프린지 필드 구동모드 액정표시장치에 있어서,
    상기 하부 기판에 형성된 카운터 전극과 동일한 전압이 인가되고, 상기 상부 기판 내측면에 화소 전체를 덮는 투명전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액정은 음의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 소정의 러빙축을 갖는 수평 배향막은 프린지 필드의 기판 투영면과 0 내지 45°의 값으로 러빙되는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 기판과 편광자 사이 및 상부 기판과 분해자 사이 중 적어도 어느 하나에 위상 보상 필름이 더 개재되는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 위상 보상 필름은 디스크 타입, 디스크 타입을 틸트 시킨것 및 디스크 타입의 틸트를 연속적으로 변화시킨 것 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 모드 액정표시장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 액정층의 dΔn이 0.25에서 0.6사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치.
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