KR20070002760A - 이씨비 모드 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 마주대하는 제 1, 2 기판과; 상기 제 1, 2 기판 내측면에 각각 형성된 시키는 특성의 제 1, 2 배향막과; 상기 제 1 , 2 배향막 사이에 개재되며, 상기 제 1, 2 기판 인접부는 수평배열되고, 액정분자를 트위스트 시키며, 제 1 카이럴 피치(chiral pitch)를 갖도록 하는 카이럴 도판트(chiral dopant)가 첨가된 액정층을 포함하는 ECB모드 액정표시장치를 제공한다.
이러한 카이럴 도판트를 첨가한 ECB모드 액정표시장치는 낮은 구동전압을 갖는 특징이 있다.

Description

이씨비 모드 액정표시장치{ECB mode Crystal Display Device}
도 1은 일반적인 반투과형 액정표시장치를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 종래의 ECB모드 액정표시장치에 있어 전압을 인가하지 않았을 경우와, 전압을 인가하였을 경우의 액정분자의 움직임을 도시한 도면
도 3은 종래의 ECB모드 반사투과형 액정표시장치의 T-V특성을 나타낸 그래프.
도 4는 일반적인 트위스트 성분을 갖는 액정을 구비한 액정표시장치에 있어서의 전압 인가 시 액정 셀 내부의 트위스트 각 변화에 따른 투과도를 도시한 그래프.
도 5는 카이럴 도판트(chiral dopant)를 첨가한 ECB모드 액정표시장치에 있어 전압을 인가하지 않았을 경우와, 전압을 인가하였을 경우의 액정분자의 움직임을 도시한 도면.
도 6은 반투과 ECB 모드 액정표시장치에 있어서 카이럴 피치(chiral pitch)에 따른 구동전압의 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
100 : 카이럴 도판트를 첨가한 ECB 모드 액정표시장치
110 : 하부기판 130 : 상부기판
147 : 제 1 배향막 152 : 제 2 배향막
160 : 카이럴 도판트를 첨가한 액정층
161 : 액정분자
161a : 제 1 배향막 부근의 액정분자
161b : 액정층 내 중앙부의 액정분자
161c, 161d : 액정층 중앙부 상하에 위치한 액정분자
d : 셀갭
본 발명은 구동전압을 낮춘 ECB모드 액정표시장치에 관한 것이다.
일반적으로, 액정표시장치는 어레이 기판과 컬러필터기판을 일정 간격으로 서로 마주보도록 배치하고, 두 기판 사이에 액정을 주입한 후, 두 기판 상에 각각 형성된 전계 생성 전극에 전압을 인가하여 액정 내부에 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 구동함으로써, 그에 따라 달라지는 빛의 투과율을 조절하여 화상을 표현하는 장치이다.
그와 같은 액정표시장치는 사용하는 광원에 따라 투과형(transmission type)과 반사형(reflection type)으로 나뉠 수 있다.
투과형 액정표시장치는 액정 패널의 뒷면에 부착된 배면 광원인 백라이트(backlight)로부터 나오는 인위적인 빛을 액정에 입사시켜 액정의 배열에 따라 빛의 양을 조절하여 색을 표시하는 형태이고, 반사형 액정표시장치는 외부의 자연광이나 인조광을 반사시킴으로써, 액정의 배열에 따라 빛의 투과율을 조절하는 형태이다.
투과형 액정표시장치는 인위적인 배면 광원을 사용하므로 어두운 외부 환경에서도 밝은 화상을 구현할 수 있으나 전력 소비(power consumption)가 큰 단점이 있다. 반면에, 반사형 액정표시장치는 빛의 대부분을 외부의 자연광이나 인조 광원에 의존하므로 투과형 액정표시장치에 비해 전력 소비가 적지만 어두운 장소 등 외부 광원이 반사에 충분하지 못할 경우에 사용할 수 없다는 단점이 있다.
따라서, 반사 모드와 투과 모드를 필요한 상황에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있는 장치로 반사 및 투과 겸용 액정표시장치인, 반사 투과형 액정표시장치가 제안되었다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 반사 투과형 액정표시장치에 대해 설명한다.
도 1은 일반적인 반투과형 액정표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 제 1 기판(10) 상에는 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiO₂)으로 된 게이트 절연막(12)이 형성되어 있고, 게이트 절연막(12) 상에는 유기막으로 이루어진 제 1 보호막(14)이 형성되어 있다. 제 1 보호막(14) 상 에는 반사판(44)이 형성되어 있고, 반사판(44) 상에는 제 2 보호막(18)이 형성되어 있다. 여기서, 반사판(44)은 알루미늄(Al)과 같이 저항이 작고 반사율이 큰 불투명 금속물질로 제조된다.
제 2 보호막(18) 상에는 투과 전극(46)이 형성되어 있고, 투과 전극(46)은 박막트랜지스터(미도시)와 전기적으로 연결되어 있다. 여기서, 투과 전극(46)은 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide : 이하 ITO라고 함.)나 인듐-징크-옥사이드(indium-zinc-oxide : 이하 IZO라고 함.)와 같이 빛의 투과율이 비교적 뛰어난 투명 도전성 금속 물질 중 하나로 이루어진다.
그리고, 공통 전극(50)과 투과 전극(46) 사이에는 액정층(60)이 형성되어 있다.
투과영역(E)에는 투과부홀(23)이 형성되어 있다. 투과영역(E)의 액정층(60)의 두께(cell gap ; d)는 반사영역(R)의 액정층의 두께(d/2)보다 두 배 두껍게 형성되는데, 이는 투과 모드와 반사 모드에서 액정층(60)을 통과하는 빛의 위상차를 보상하기 위해서이다. 액정층(60)의 위상차(??n·d)는 액정층(60)의 굴절율 이방성 값(anisotropy of refractive index)(??n)과 두께(d)에 따라 달라지는데, 투과영역(E)의 액정층의 두께가 반사영역(R)의 액정층의 두께와 같은 값을 가지게 되면, 투과 모드시 빛의 휘도는 반사 모드시의 빛의 휘도보다 감소한다. 따라서, 투과영역(E)의 액정층의 두께가 반사영역(B)의 액정층 두께(d1)보다 두껍게 형성되도록 하는데, 특히 효율적으로는 두 배가 되도록 한다. 그와 같은 반투과형 액정표시장치의 구조를 듀업 셀 갭(dual cell gap) 구조라 한다.
제 1, 2 기판(10, 30) 각각의 바깥쪽에는 제 1, 2 위상차판(retardation film ; 71, 72)이 각각 배치되어 있는데, 제 1, 2 위상차판(71, 72)은 빛의 편광 상태를 바꾸는 기능을 한다. 예를 들면, 제 1, 2 위상차판(71, 72)은 원편광을 선편광으로, 선편광을 원편광으로 바꾸는 ??/4 위상차판을 사용하거나, 원편광을 원편광으로 선편광을 선편광으로 일정 각도로 회전시키는 ??/2 위상차판을 사용할 수 있고, ??/4 위상차판과 ??/2 위상차판을 함께 사용할 수 있다.
제 1, 2 위상차판(71, 72) 각각의 바깥쪽에는 제 1, 2 편광판(81, 82)이 각각 배치되어 있는데, 제 1 편광판(81)의 광 투과축은 제 2 편광판(82)의 광 투과축에 대하여 90ㅀ의 각도를 가진다.
또한, 제 1 편광판(81)의 바깥쪽 즉, 제 1 편광판(81)의 하부에는 백라이트(90)가 배치되어 투과 모드의 광원으로 이용된다.
한편, 도시하지는 않았지만, 투과 전극(46) 상부 및 공통 전극(50) 하부에 액정층(60)을 배향하기 위한 배향막(미도시)이 형성된다.
이러한 구조의 반사 투과형 액정반투과형 액정표시장치에 있어 응답속도를 높이고자 제 1, 2 기판 각각에 형성된 배향막을 서로 반대 또는 동일한 방향으로 배향하여 액정층을 구동하는 이씨비(Electrically Controlled birefringence : 이하, ECB라 함.) 모드가 사용된다. ECB 모드로 구동되는 반사투과형 액정표시장치는 투과 및 반사 모드 각각에서 완전하게 블랙(black) 및 화이트(white) 모드로 구동 가능하게 된다.
통상적인 ECB모드 액정표시장치는 제 1, 2 기판 내측에 형성된 제 1, 2 배향 막의 러빙 방향이 같고 , 트위스트 각은 0ㅀ가 되며, 상기 제 1, 2 배향막 사이에 위치한 액정에 있어 그 장축의 배열이 기판면에 대해 평행하도록 수평배향 되고 있으며, 따라서, 도 2와 3에 도시한 바와 같이, 전압을 인가하기 전(Voff)에는 상기 액정층(60) 내의 모든 액정분자(도 3의 61)가 기판(10, 30)면에 대해 그 장축이 평행한 상태로 유지하며, 전압을 인가 시(Von)에는 상기 액정층(60) 내의 중앙부분에 위치하는 액정분자(61b)들이 경사각을 가지며 전기장 방향과 나란한 방향으로 움직이게 된다.
이러한 특성을 갖는 ECB 모드는 응답속도가 빠르기 때문에 전술한 바와같은 반사투과형 액정표시장치 뿐만 아니라 일반적인 구조인 투과형 액정표시장치에도 많이 이용되고 있다.
하지만, ECB 모드 반사투과형 또는 투과형 액정표시장치는 트위스트 각이 0ㅀ인 상태로 수평 배향되고 있으므로, 배향막 표면에 묶여있는 액정분자들로 인해, ECB모드 반사투과형 액정표시장치의 T-V특성을 나타낸 그래프를 도시한 도 3에서와 같이, T-V특성이 높은 전압까지 늘어지는 경향이 있다. 도면에 있어서는 투과량 변화를 보이는 전압 즉 블랙 표현을 위한 최대전압이 2.8V 내지 3V임을 알 수 있다.
따라서, 종래의 ECB 모드 액정표시장치는 구동전압이 높아지게 되어 전력 소비가 많다는 단점이 있다.
최근에는 액정표시장치가 휴대폰, PDP등 휴대용 매체에 많이 사용되고 있으며, 전력소비가 심하면 뱃터리 소비가 많아지게 되어 휴대성을 떨어뜨리게 되는 문제가 있다.
전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 구동전압을 낮추는 ECB 모드 반투과형 액정표시장치를 제공함에 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 ECB모드 액정표시장치는 서로 마주대하는 제 1, 2 기판과; 상기 제 1, 2 기판 내측면에 각각 형성된 시키는 특성의 제 1, 2 배향막과; 상기 제 1 , 2 배향막 사이에 개재되며, 상기 제 1, 2 기판 인접부는 수평배열되고, 액정분자를 트위스트 시키며, 제 1 카이럴 피치(chiral pitch)를 갖도록 하는 카이럴 도판트(chiral dopant)가 첨가된 액정층을 포함한다.
이때, 상기 제 1 카이럴 피치(chiral pitch)는 상기 제 1, 2 기판의 이격된 간격인 셀갭의 1배 내지 5배인 것이 바람직하며, 상기 액정분자는 전압 인가 시 상기 액정층 내에서 최대 180ㅀ의 트위스트 각을 가지며, 상기 액정분자는 전압 미인가 시 트위스트 각은 0ㅀ인 것이 특징이다.
또한, 상기 ECB 모드 액정표시장치는 투과형 또는 반사 투과형인 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이 경우, 본발명의 외적 구성은 종래기술에서 보인 구성을 동일하게 구비하는 바, 그 구성에 대해서는 별도로 설명하지 않으며, 본 발명의 특징적인 부분인 액정층 및 그 구동에 대해서만 설명한다.
본 발명의 가장 큰 특징은 액정분자들이 수평 배향하고 전압은 온, 오프 시 모두 트위스트 각이 0ㅀ인 상태를 갖는 종래의 ECB모드 액정표시장치의 액정에 액정분자들이 트위스트하는 특성을 갖게하는 카이럴 도판트(chiral dopant)를 첨가함으로써 경사각이 0ㅀ에서 90ㅀ로 변하는 액정분자들이 트위스트가 일어나도록 하여 구동전압을 낮춘 것이 된다.
ECB모드 액정표시장치에 있어 액정분자들이 트위스트 성분을 갖도록 함으로써 구동전압이 낮아지는 원리에 대해 설명한다.
도 4는 일반적인 트위스트 성분을 갖는 액정을 구비한 액정표시장치에 있어서의 전압 인가 시 액정 셀 내부의 트위스트 각 변화에 따른 투과도를 도시한 그래프이다.
도시한 바와 같이, 전압을 가할수록 트위스트가 증가하면서, 평균광축(effective optical axis)이 45ㅀ에서 벗어나 낮은 계조의 투과율이 감소됨으로 보이고 있다.
이를 통해 액정표시장치에 있어 전압인가에 따른 초기 투과율의 변화는 액정분자의 경사각 보다는 액정분자의 트위스트의 변화가 주요 요인이 됨을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 ECB모드 액정표시장치에 있어서는 카이럴 도판트(chiral dopant)를 액정층에 첨가하여 조건에 따라 액정분자들이 트위스트 되도록 구성한 것이 특징이다.
카이럴 도판트(chiral dopant)란 나선구조를 야기하는 광학 활성화합물 또는 그 화합물의 혼합물을 의미한다. 이러한 카이럴 도판트(chiral dopant)에서 가장 중요한 성능은 액정분자들이 비틀림력을 갖는 것이며, 비틀림력(HTP)은,
HTP(㎛-1)=1/(카이럴 도판트(chiral dopant) 첨가량)(wt%)/100 * 카이럴 피치(chiral pitch)(㎛)
라 표시될 수 있으며, 이 식을 통해 카이럴 도판트(chiral dopant)의 첨가량을 조절함으로써 카이럴 피치(chiral pitch)를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 ECB모드 액정표시장치에 있어서는 이러한 비틀림력을 갖는 카이럴 도판트(chiral dopant)를 액정에 소정량 혼합함으로써 트위스트 각을 갖도록 하여 구동전압을 낮추는 것이다.
이때, 회전하는 나선피치 즉 카이럴 피치(chiral pitch)가 너무 짧으면, 전압을 인가하지 않았을 경우에도 상하 기판 사이에서 180ㅀ 트위스트가 발생하게 되므로 액정에 첨가되는 도판트량을 잘 조절함으로써 전압을 인가하지 않았을 경우에는 트위스트각이 0ㅀ가 되도록 하는 것이 특징면이 된다.
도 5는 카이럴 도판트(chiral dopant)를 첨가한 ECB모드 액정표시장치에 있어 전압을 인가하지 않았을 경우와, 전압을 인가하였을 경우의 액정분자의 움직임을 도시한 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 ECB모드 액정표시장치(100)에 있어, 전압 을 인가하지 않았을 경우(Voff), 종래의 ECB모드 액정표시장치(도 3참조)와 동일하게 액정분자(161)들은 수평 배향된 제 1, 2 배향막(147, 152)에 의해 기판(110, 130)면에 대해 그 장축이 평행하게 배열되어 있음을 알 수 있다. 이 경우 화이트를 표시하게 된다.
하지만, 전압이 인가되었을 경우(Von), 비틀림력을 갖는 카이럴 도판트(chiral dopant)의 작용에 의해 상하 하부의 제 1, 2 배향막(147, 152)에 인접한 액정분자(161a)들은 그대로 기판(110, 130)면에 평행한 상태가 되고 있지만, 정 중앙 위치하여 경사각이 거의 90ㅀ인 액정분자(161b)를 기준으로 그 상하에 위치한 액정분자(161c, 161d)들은 트위스트 되어 서로 180ㅀ 회전한 상태가 되고 있음을 알 수 있다.
이 경우, 액정층(161)의 중앙부분에서는 액정분자의 꼬임이 발생하지만, 중앙부분에서는 액정분자들이 기판면에 대해 50ㅀ 내지 90ㅀ의 경사각을 가지고 서 있는 상태가 되며, 이 경우 트위스트 각보다는 경사각에 의해 투과율에 영향을 더욱 끼치게 되므로 액정층 중앙부분의 꼬임은 문제되지 않는다.
전압 인가 전(Voff)에는 트위스트 각 발현을 하지 않고, 전압인가 시(Von)는 트위스트 각을 갖도록 첨가되는 카이럴 도판트(chiral dopant) 량을 조절하는 것이 바람직하며, 이 경우 카이럴 피치(chiral pitch)가 셀갭(d)의 1배 내지 5배 정도가 되도록 맞추어 주는 것이 바람직하다.
도 6은 반투과 ECB 모드 액정표시장치에 있어서 카이럴 피치(chiral pitch)에 따른 구동전압의 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 별표로 도트된 부분을 따라 형성된 선은 카이럴 도판트(chiral dopant)를 첨가하여 카이럴 피치(chiral pitch)를 4㎛로 하였을 경우 V-T곡선이며, 사각형 도트를 따라 형성된 선은 카이럴 도판트(chiral dopant)를 첨가하지 않았을 경우 V-T 곡선을 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 카이럴 도판트(chiral dopant)를 첨가하지 않았을 경우, 투과도가 변하는 즉 최대 구동전압은 3V가 되고 있는 반면, 카이럴 도판트를 첨가하여 카이럴 피치(chiral pitch)를 4㎛로 맞추었을 경우, 최대 구동전압은 2.2V가 되고 있음을 알 수 있다.
따라서, ECB모드 액정표시장치에서 카이럴 도판트(chiral dopant)를 첨가함으로써 구동전압이 낮아지게 됨을 실험적으로 알 수 있다. 이는 달리 말하면 동일 구동전압에서는 C/R이 개선되었다고도 할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 ECB 모드 투과형 또는 반사투과형 액정표시장치는 카이럴 도판트(chiral dopant)를 액정에 소정량 첨가하여 액정이 카이럴 피치(chiral pitch)를 갖도록 구성함으로써 전압을 인가하여 액정을 구동 시 카이럴 도판트(chiral dopant)에 의한 트위스트 성분에 의해 트위스트 각을 형성함으로써 낮은 계조의 투과율 즉, 블랙 이미지의 휘도를 감소시키게 되므로, 이를 구동 전압에 반영하여 구동전압을 낮출 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 ECB 모드 정표시장치는, 구동전압을 낮춤 으로써 소비전력을 낮추는 효과가 있다.
또한, 높은 구동전압을 갖는 액정표시장치를 구동하기 위한 D-IC(drive IC)는 제조 비용이 증가되는데, 본 발명의 경우 구동전압이 낮은 액정표시장치를 구현함으로써 이러한 액정표시장치를 구동하기 위한 D-IC는 제조 비용이 낮아지게 됨으로 제조 비용을 절감하는 효과가 있다.
구동전압 저하로 인해 소비전력이 낮아짐으로 본 발명에 따른 ECB 모드 액정표시장치를 휴대용 기기의 화상표시장치에 적용하는 경우, 뱃터리 소비량이 적어 휴대성을 높이는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 서로 마주대하는 제 1, 2 기판과;
    상기 제 1, 2 기판 내측면에 각각 형성된 시키는 특성의 제 1, 2 배향막과;
    상기 제 1 , 2 배향막 사이에 개재되며, 상기 제 1, 2 기판 인접부는 수평배열되고, 액정분자를 트위스트 시키며, 제 1 카이럴 피치(chiral pitch)를 갖도록 하는 카이럴 도판트(chiral dopant)가 첨가된 액정층
    을 포함하는 ECB모드 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 카이럴 피치(chiral pitch)는 상기 제 1, 2 기판의 이격된 간격인 셀갭의 1배 내지 5배인 ECB모드 액정표시장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 액정분자는 전압 인가 시 상기 액정층 내에서 최대 180ㅀ의 트위스트 각을 갖는 ECB모드 액정표시장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 액정분자는 전압 미인가 시 트위스트 각은 0ㅀ인 ECB모드 액정표시장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 ECB 모드 액정표시장치는 투과형 또는 반사 투과형인 ECB모드 액정표시장치.
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