KR20030005927A - 일반적인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이표시 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반강유전성 액정의 경사각이 45도가 되는 물질에 전압을 인가하지 않았을 때 흰색바탕이 되고 전압 인가시 흑색바탕이 되어 일반적인 백색 모드(Normally White Mode)에 관한 것으로, 시편의 러빙 방향에 대하여 편광자와 분석자를 45도 각도로 정렬하고 이들은 서로 수직으로 형성함으로써 광 특성이 저하되는 것을 방지하기 위해 일반적인 백색 모드로 하여 광 특성을 최대화하는 매우 뛰어나 효과가 있다.

Description

일반적인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이 표시 소자 {Ferroelectric Liquid Crystal Display Device Applied by Normally White Mode}

본 발명은 배향결함으로 광 특성을 저하되는 것을 막기 위해 종래의 일반적인 흑색 모드를 일반적인 백색 모드로 하여 광 특성을 최대화한 것으로, 더욱 상세하게는 선반층(Bookshelf) 구조가 되는 최적의 조건을 확보하여 그 조건을 구동조건에 적용하며 만약 주파수가 낮아서 구동조건에 맞지 않으면 일차적으로 낮은 주파수의 초기조건을 적용한 후 높은 주파수를 갖는 구동 조건을 적용하며 지그-자그 배향결함이 없는 강유전성 액정표시소자를 구현하기 위하여 기존의 일반적인 흑색 모드가 아닌 일반적인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이 소자에 관한 것이다.

종래의 액정을 이용한 표시소자는 평판 구성과 저전압 구동이 가능하여 기존의 CRT(Cathod Ray Tube)를 대체하는 표시소자로 각광을 받고 있었다.

그러나 대부분의 액정 제품은 네마틱(Nematic)이란 종류의 액정으로 사용되고 있으며 이 경우 응답속도 면에서 40㎳ 수준으로 텔레비젼 등 동영상을 필요로 하는 장치에는 적용의 한계성을 가지는 문제점이 있었다.

따라서 상기 문제점은 일반적으로 60 헤르쯔 구동하므로 16.7㎳ 이하의 응답속도를 가져야만 고속 동영상에서 끌림 등의 문제가 눈에 거슬리지 않으며 계조 대 계조를 고려할 경우는 응답속도가 최소한 10㎳ 이하가 되어야 하는 것이다.

이에 대하여 1975년에 제안된 강유전성액정(Ferroelectric Liquid Crystal)모드는 광시야각과 완전동화상 두 가지 문제점을 모두 해결할 수 있는 모드로 강유전성 상을 갖는 액정(Chiral Smectic-C : SmC^*)을 사용한 모드들은 강유전성 상에서의 전기/광학적 특성은 네마틱 액정과는 달리 액정분자가 독립적으로 자발분극의 방향으로 배열하기 때문에 응답속도가 빠르고(1㎳ ~ 수십 ㎲), 자발분극 방향이 전기장의 방향과 일치하는 원리로 인하여 액정분자가 보는 방향에 대하여 평면구동에 기인하여 넓은 시야를 확보할 수 있었다.

종래의 강유전성 상의 액정을 이용한 여러 가지 모드들은 물질개발, 액정배향, 구동문제 등 많은 문제점을 갖고 있으며 특히, 실용화면에 있어서 배향에 관련된 지그-자그 결함은 표시소자의 기본 요구사양인 대비비(Contrast Ratio)를 현저히 저하시키는 문제점이 있다.

상기 설명한 종래기술로 도 1중 b는 대표적인 배향결함을 발생시키는 세브론 구조이고 또한, 도 1중 c에 도시된 것처럼 지그-자그 배향에 비틀린 배향의 제어에서 비틀린 상태가 충분하지 않으면 메트릭스 구동중 일정한 비틀림 상태가 존재하기 때문에 광학특성이 현저히 나빠지게 되는 것이다.

또한, 기존의 반강유전성 액정의 구동은 도 2와 같으며 도 2중 a와 같이 전압 무인가시 편광자를 통과한 빛이 액정 층을 통과하는 동안 위상차가 없으므로 상호 수식한 편광자와 분석자 구조에 기인하여 분석자를 통과하는 빛이 없어 흑색상태가 되고, +전압이 인가되면 도 2중 b와 같이 액정분자의 자발분극이 전기장 방향과 일치하는 방향으로 배열되어 편광자를 통과한 입사 광에 대하여 빛이 액정 층을통과하는 동안 위상차가 발생하여 분석자를 통과하는 빛이 존재하는 백색 상태가 된다.

따라서, 전압 무인가시에는 흑색 상태가 되고 전압 인가시에는 백색 상태가 되는 일반적인 흑색 모드이다.

이때, 광의 투과율은 하기와 같은 식으로 나타난다.

T ∝ sin²(2θ)sin²(2πΔnd/λ)

여기서, T : 투과율

θ: 액정의 장축과 입사 광 방향간의 각도

Δn : 액정의 장축과 단축간의 굴절율 차이

d : 시편 두께

λ : 광의 파장

만약, 상기에 도시된 식에서 θ가 45도가 되는 경우 관계식의 앞부분이 1이 되어 최대값을 갖지만 도 2와 같이 액정의 방향이 ±45도로 총 위상차는 영이어서 완벽한 흑색 바탕을 나타내야 하지만 세브론 구조에서 유발되는 지그-자그 결함에 의하여 빛샘이 나타나 대비비가 절대적으로 감소하는 문제가 발생하여 제품화하는데 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로 본 발명의 목적은 반강유전성 액정(Antiferroelectric liquid crystal)들의 독립적인 배열에 기인하여 빠른 응답속도를 구현함으로써 액정디스플레이의 최대의 문제점인 동영상을 실현할 수 있는 장점을 살리면서 제품 적용상의 최대 걸림돌인 대비비 저하의 문제를 일으키는 지그-자그 결함을 최적주파수의 전기장을 인가함으로써 해결할 수 있기 때문에 기존의 일반적인 흑색 모드를 전기장 인가시 흑색 바탕이 될 수 있는 일반적인 백색 모드화하는 시편구조로 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전기장을 인가했을 때 흑색 바탕이 되게 하고 전기장이 없을 때 백색 바탕이 되는 일반적인 백색 모드의 구동 모드로 결함을 최소화 한 것으로 시편의 러빙 방향에 대하여 편광자와 분석자를 45도 각도로 정렬하고 이들은 서로 수직으로 형성하여 지그-자그 배향결함이 없는 강유전성 액정표시소자를 구현하기 위한 일반적인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이 소자를 달성하였다.

도 1은 종래의 선반층 구조, 세브론 구조, 지그-자그 구조의 구조도,

도 2는 종래의 반강유전성 액정의 구동 모드,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 온도가 40.6℃(반강유전성 상)에서 세브론 및 선반층 구조를 조사하기 위하여 6V/㎛ 전기장을 인가하여 주파수에 따른 Theta(Mosaic) Scan 그래프,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예의 전압이 오프 상태에서 백색 상태인 반강유전성 액정 구동 모드,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예의 ±전압 온 상태의 반강유전성 액정의 구동 모드이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 분석자(analyzer)2 : 기판

3 : 편광자(polarizer)

이하, 본 발명의 구성을 바람직한 실시예를 들어 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.

도 3은 바람직한 실시예로 온도가 40.6℃ (반강유전성 액정상)에서 세브론 및 층 구조를 조사하기 위하여 6V/㎛ 전기장을 인가하여 주파수에 따른 Theta(Mosaic) Scan 결과의 그래프로 세브론 구조가 어떤 최적화 구동조건에서 선반층 구조로 층 변형이 일어나는가를 확인하는 실험적인 결과를 도시한 것이다.

반가유전성 액정상의 영역 중 하나의 온도(40.6 ℃)에서 무 전압인가 시 세브론 구조가 외부의 교류 전압(60 볼트)의 주파수 변화에 의하여 층 구조가 어떻게 변화하는가를 보여주고 있는데, 전기장의 주파수가 2 헤르쯔일 때 세브론 구조가 선반층 구조로 층 변형이 일어나고, 주파수가 증가하여도 그리고 균일한 선반층 구조로 유지되는 것을 나타내고 있는 것이다.

그리고 전기장을 가하지 않은 경우는 도 3에 도시된 바와 같이 Theta (-13°and 18°)에서 두 개의 최대세기의 결과가 세브론 구조를 확인시켜 주고 있다.

여기서 선반층 구조의 결과는 Theta가 2.5도에서 최대세기가 나타나 중심이 되는 값을 보상하면 세브론 구조에서 도 3과 같이 θ₁과 θ₂는 각각 15도가 되어 대칭적인 세브론 구조임을 알 수 있다.

그러나, 교류 구동을 하면 Chevron 구조가 깨지면서 단일 Peak을 얻어짐을 알 수 있으며 도 3은 주파수를 증가하면서 얻은 결과로써 2Hz와 60Hz를 비교하면 Free zig-zag defect를 얻고자 하는 Bookshelf 구조인 액정 층이 동일 방향으로 잘 배열되어 있음을 알 수 있다.

상기 도 3의 실험적인 결과로부터 시편 내부의 반강유전성 액정(SmC_A ^*)층들은 교류전압 인가에 의하여 세브론 구조는 깨지고 특정 주파수에 대하여 선반층 구조인 전체적으로 고른 배향 특성을 얻을 수 있다.

그러나, 주파수 감소 시에는 높은 주파수에서는 완전히 선반층 구조로 층 변형이 일어나지 않고 중간-선반층 구조로 변형되고 주파수가 2 헤르쯔에서 선반층 구조로 변형되어 시간에 따른 에너지 이완이 중요한 요소임을 알 수 있었다.

또한, 다른 온도에서 즉, 액정시편에서의 액정의 자유에너지가 온도에 따라 다르기 때문에 외부 전기적인 에너지 조건도 변함을 알 수 있었다.

따라서, 선반층 구조로 변형되는 최적 조건이 온도에 따라 다르기 때문에 최적의 조건을 적용한다.

본 발명은 전기장을 인가했을 때 흑색바탕이 되게 하고 전기장이 없을 때 흰색바탕이 되는 일반적인 흰색 모드의 구동 모드로 지그-자그 결함을 최소화 한 것이다.

시편의 러빙 방향에 대하여 편광자와 분석자를 45도 각도로 정렬하고 이들은 서로 수직이 되도록 한다.

이러한 편광자 및 액정 정렬은 전압이 인가되지 않은 상태에서 액정 층이 편광자를 통과한 입사 광에 대하여 위상차를 갖게 되므로 분석자를 통과하게 된다. 그러나 전압이 인가가 되면 아래 그림과 같이 액정 층이 편광자 혹은 분선자와 광 축이 동일하게 형성되어 빛을 통과시키지 못하게된다.

이러한 모드의 경우에 낮은 초기 주파수(<10 헤르쯔)의 교류전압을 인가한 후 최적의주파수(>100 헤르쯔) 이상에서는 세브론 구조가 거의 완벽한 선반층 구조로 변화함에 따라서 지그-자그 결함이 거의 사라지므로 충분한 흑색바탕을 나타낼 수 있다.

도 4는 바람직한 실시예의 전압 무인가 상태에서 백색 상태인 반강유전성 액정 구동 모드로 편광자와 분석자의 투과축은 x축에 대하여 +45도이고, 상판과 하판에서 러빙 방향은 각각 + x축과 - x축 방향이다.

반강유전성 액정의 경사각은 45도로써 층과 바로 이웃하는 층의 수직선에서 ±45도로 이루고 있고, 편광자의 투과축은 x축에 대하여 -45도이며 도 4는 전압이 인가하지 않은 상태의 시편 구조로써 반강유전성 액정들의 광축이 x축이 되고(위상차가 180도가 되도록 시편두께를 정한다), 상호 수직인 분석자와 편광자의 투과축이 x축에 대하여 ±45도인 배열에 의해 빛이 통과하는 백색 상태이다.

도 5는 바람직한 실시예의 시편 구조에서 "-" 전압과 "+" 전압인가 시 반강유전성 액정들의 배열을 도시한 것이다.

상기 도 5중 a는 "-" 전압을 인가할 때 액정의 자발분극,의 방향이 전기장의 방향과 일치하기 위하여 x축 방향에 대하여 -45도(방위각 -90도, 극각 0도)로 액정분자가 배열하게 되어 투사되는 광에 대하여 액정의 배열에 의한 위상차가 발생하지 않아 흑색 상태가 되는 것이다.

상기 도 5중 b는 "+" 전압을 인가할 때 액정의 자발분극의 방향이 전기장의 방향과 일치하기 위하여 x축 방향에 대하여 +45도(방위각 +90도, 극각 0도)로 액정분자가 배열하게 되어 투사되는 광에 대하여 액정의 배열에 의한 위상차가 발생하지 않아 또한 흑색 상태가 되는 것이다.

전압이 인가되지 않을 경우 빛의 편광상태는 다음의 방정식에서 하기와 같이설명하고 있다.

=~1

상기 식에서 입사한 빛이 분석자를 통과한 축을x(+45)이라 가정하고, 반강유전성 액정분자의 배열에 인한 액정의 광축은x축에 되어 투과축에 대하여 위상차()가가 되도록 시편두께를 정한다.

편광자의 투과축은x(-45)이다. 이러한 과정을 존즈 벡터와 존스 메트릭스를 적용하면 상기 방정식처럼 최종적으로 빛은 1이 되어 백색 상태가 된다.

여기서,은 Normalization 개수이고, 위상차가라고 가정하면M은가 된다.

도 5중 (b)처럼 + 전기장을 인가하였을 경우 시편의 구조에 따른 광의 경로를 존스 벡터와 존스 메트릭스로 표시한 것으로써 하기와 같은 방정식을 설명한다.

=~0

상기 식에서 분석자를 통과된 편광 된 광이x(+45)축을 입사하여 액정의 배열에 기인한 위상차가 변화 없이() 편광자를 통과하였을 때 흑색 상태를 수식적으로 계산한 것이다.

상기와 같이 동일한 방법으로 도 5중 a처럼 － 전기장을 인가하였을 경우 시편 구조에 따른 광의 경로를 존스 벡터와 존스 메트릭스로 표현한 것으로 하기와 같이 방정식을 설명한다.

=~0

상기 식에서 분석자를 통과된 편광 된 광이x(+45)축을 입사하여 액정의 배열에 기인한 위상차가 변화 없이() 편광자를 통과하였을 때 흑색 상태를 수식적으로 계산한 것이다.

따라서, 본 발명은 최종적으로 반강유전성 액정의 경사각이 45도가 되는 물질 즉 이웃 층간에 액정의 사이각이 90도 되는 경우에 전압을 인가하지 않았을 때 백색 상태가 되고 전압 인가시 흑색 상태가 되어 일반적인 백색 모드의 액정 모드가 되는 시편 구조이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 평판디스플레이 중 현재 양상중인 초박막 트란지스트 액정 디스플레이의 근원적인 문제점은 네마틱 액정의 연속적인 배열에 기인하여 응답속도가 느려 동화상 구현이 어렵다는 것으로 빠른 응답속도를 위하여 액정분자가 독립적으로 배열하는 강유선성 액정을 사용한 여러 가지 모드가 있으나 배향결함을 해결하지 못하여 오디오 및 비디오용 제품에 적용을 하지 못하고 있는 실정이였으나 동화상 구현이 가능한 제품에 적용하기 위하여 배향결함으로 광특성을 저하되는 것을 막기 위해 일반적인 백색 모드로 하여 광특성을 최대화하는 효과가 있으므로 디스플레이장치산업상 매우 뛰어난 발명인 것이다.

Claims (6)

1. 분석자의 투과축은 x축에 ±45도로 배열하고 상판과 하판에서 러빙 방향은 각각 ＋x축과 －x축 방향이며 반강유전성 액정의 경사각은 45도로 층과 바로 이웃하는 층의 수직선에 ±45도로 형성하여 전압을 인가하지 않을 경우 편광자의 투과축은 x축에 대하여 －45도인 배열에 의해 빛이 통과하는 백색 상태와; －전압 인가시 액정의 자발분극의 방향이 전기장 방향과 일치가 되도록 액정이 x축 방향에 대하여 －45도로 액정분자가 배열되고 ＋전압 인가시 자발분극의 방향이 전기장 방향과 일치가 되도록 액정이 x축 방향에 대하여 ＋45도로 액정분자가 배열되어 투사되는 광에 대하여 액정의 배열에 의한 위상차가 발생하지 않아 흑색 상태가 되는 일반적인 백색 모드의 액정 모드가 시편 구조인 것을 특징으로 하는 일반적인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이 소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시편 구조는 강유전성 액정 및 배향막의 재료에 따라 제작된 시편에 실내온도에서 특정 전압 및 주파수 적용시 각 전압에 따라 세브론 구조가 선반층 구조가 되는 최적의 주파수 ± 100 헤르쯔 영역에서 동작시키는 것을 특징으로 하는 일반적인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이 소자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 시편 구조는 액정시편 두께가 1.0㎛ 내지 5.0㎛ 범위 내에서 제작되는 것을 특징으로 하는 일반적인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 시편 구조는 상판과 하판에서 양쪽 러빙이 아닌 상판과 하판에서 어느 한쪽 러빙 방향이 x축을 적용하여 제작한 것을 특징으로 하는 일반전인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이 소자.
5. 제 2항에 있어서, 상기 강유전성 액정은 반강유전성 액정과 바나나 형태의 강유전성 액정을 포함하는 것을 특징으로 하는 일반적인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이 소자.
6. 제 5항에 있어서, 상기 반강유전성 액정은 경사각이 45도가 되고, 바나나 형태 강유전성 액정의 사이각이 90도(오차 ±2도)인 것을 특징으로 하는 일반적인 백색 모드를 적용한 강유전성 액정디스플레이 소자.