KR20070007569A - 액정 표시 장치 - Google Patents

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홍성환
김광현
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 제1 전극, 제1 전극에 마주하는 제2 전극, 그리고 제1 전극과 제2 전극 사이에 들어있으며, 비틀린 네마틱 배향되어 있는 액정층을 포함하고, 액정층의 회전 점성은 50mPas-80mPas이고, 액정층의 두께인 셀 간격은 2.5㎛-5.0㎛이고, 제1 전극과 제2 전극의 전압차는 0.2V-8.0V이고, 응답 시간은 6.78+(회전 점성)×0.81+(셀 간격)×0.7+(회전 점성)×(셀 간격)×0.14을 충족한다.
TN 모드, 회전 점성, 셀 간격, 응답 시간

Description

액정 표시 장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치도이다.
도 2는 도 1의 액정 표시 장치를 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 액정 표시 장치를 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 한 실시예에 따른 TN 방식의 액정 표시 장치에서 화소 구조의 동작 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 한 실험예에 따른 액정 표시 장치의 회전 감마와 셀 간격에 따른 액정의 응답 시간을 측정한 표이다.
도 6은 본 발명의 한 실험예에 따른 액정 표시 장치의 회전 감마와 셀 간격의 변화에 따른 액정의 응답 시간을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 실험예에서, 여러 가지 셀 간격에 대하여 회전 점성 변화에 따른 액정의 응답 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
<도면 부호의 설명>
11, 21...배향막 12, 22...편광판
3...액정층 31...액정 물질
81, 82...접촉 보조 부재 83...연결 다리
100...박막 트랜지스터 표시판 110...기판
121, 129...게이트선 124...게이트 전극
131...유지 전극선 133a, 133b...유지 전극
140...게이트 절연막 151, 154...반도체
161, 163, 165...저항성 접촉층 171, 179...데이터선
173...소스 전극 175...드레인 전극
180...보호막
181, 182, 183a, 183b, 185...접촉 구멍 191...화소 전극
200...색필터 표시판 210...기판
220...차광 부재 230...색필터
250...덮개막 270...공통 전극
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비틀린 네마틱 방식(TN: twisted nematic mode)의 액정 표시 장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정 표시 장치는 전기장 생성 전극과 편광판이 구비된 한 쌍의 표시판 사이에 위치한 액정층을 포함한다. 전기장 생성 전극은 액정층에 전기장을 생성하고 이러한 전기장의 세기가 변화함에 따라 액정 분자들의 배열이 변화한다. 예를 들면, 전기장이 인가된 상태에서 액정층의 액정 분자들은 그 배열을 변화시켜 액정층을 지나는 빛의 편광을 변화시킨다. 편광판은 편광된 빛을 적절하게 차단 또는 투과시켜 밝고 어두운 영역을 만들어냄으로써 원하는 영상을 표시한다.
액정 표시 장치는 액정층의 액정 분자가 배열된 형태에 따라 여러 가지로 분류할 수 있는데, 비틀린 네마틱 방식(TN: twisted nematic mode)과 평면 구동 방식(IPS: in-plane switching mode) 및 수직 배향 방식(VA: vertically aligned mode) 등이 그 예이며 비틀린 네마틱 방식의 액정 표시 장치가 가장 일반적이다.
그러나 비틀린 네마틱 방식의 액정 표시 장치는 일반적으로 액정층의 응답 시간이 20-30ms 정도로 늦어서, 동영상을 표시하는 데 한계가 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 액정의 회전 점성과 셀 간격을 조절하여 5ms 정도의 빠른 응답 시간을 가지는 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 제1 전극, 상기 제1 전극에 마주하는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 들어있으며, 비틀린 네마틱 배향되어 있는 액정층을 포함하고, 상기 액정층의 회전 점성은 50mPas-80mPas이고, 상기 액정층의 두께인 셀 간격은 2.5㎛-5.0㎛이고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 전압차는 0.2V-8.0V이고, 응답 시간은 6.78+(회전 점성)×0.81+(셀 간격)×0.7+(회전 점성)×(셀 간격)×0.14을 충족한다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한 다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 1 내지 도 3을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치 및 편광판에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치도이고, 도 2 및 도 3은 각각 도 1의 액정 표시 장치를 Ⅱ-Ⅱ 선 및 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
본 실시예에 따른 액정 표시 장치는 서로 마주 보는 박막 트랜지스터 표시판(100)과 공통 전극 표시판(200), 이들 두 표시판(100, 200) 사이에 들어 있는 액정층(3)을 포함한다.
그러면, 도 1 내지 도 3을 참고로 하여 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 표시판에 대하여 상세하게 설명한다.
투명한 유리 또는 플라스틱 따위로 만들어진 절연 기판(110) 위에 복수의 게이트선(gate line)(121) 및 복수의 유지 전극선(storage electrode line)(131)이 형성되어 있다.
게이트선(121)은 게이트 신호를 전달하며 주로 가로 방향으로 뻗어 있다. 각 게이트선(121)은 아래로 돌출한 복수의 게이트 전극(gate electrode)(124)과 다른 층 또는 외부 구동 회로와의 접속을 위하여 면적이 넓은 끝 부분(129)을 포함한다. 게이트 신호를 생성하는 게이트 구동 회로(도시하지 않음)는 기판(110) 위에 부착되는 가요성 인쇄 회로막(flexible printed circuit film)(도시하지 않음) 위에 장착되거나, 기판(110) 위에 직접 장착되거나, 기판(110)에 집적될 수 있다. 게이트 구동 회로가 기판(110) 위에 집적되어 있는 경우 게이트선(121)이 연장되어 이와 직접 연결될 수 있다.
유지 전극선(131)은 소정의 전압을 인가 받으며, 게이트선(121)과 거의 나란하게 뻗은 줄기선과 이로부터 갈라진 복수 쌍의 제1 및 제2 유지 전극(133a, 133b)을 포함한다. 유지 전극선(131) 각각은 인접한 두 게이트선(121) 사이에 위치하며 줄기선은 두 게이트선(121) 중 아래쪽에 가깝다. 유지 전극(133a, 133b) 각각은 줄기선과 연결된 고정단과 그 반대 쪽의 자유단을 가지고 있다. 제1 유지 전극(133a)의 고정단은 면적이 넓으며, 그 자유단은 직선 부분과 굽은 부분의 두 갈래로 갈라진다. 그러나 유지 전극선(131)의 모양 및 배치는 여러 가지로 변형될 수 있다.
게이트선(121) 및 유지 전극선(131)은 알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열 금속, 은(Ag)이나 은 합금 등 은 계열 금속, 구리(Cu)나 구리 합금 등 구리 계열 금속, 몰리브덴(Mo)이나 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열 금속, 크롬 (Cr), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 따위로 만들어질 수 있다. 그러나 이들은 물리적 성질이 다른 두 개의 도전막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수도 있다. 이 중 한 도전막은 신호 지연이나 전압 강하를 줄일 수 있도록 비저항(resistivity)이 낮은 금속, 예를 들면 알루미늄 계열 금속, 은 계열 금속, 구리 계열 금속 등으로 만들어진다. 이와는 달리, 다른 도전막은 다른 물질, 특히 ITO(indium tin oxide) 및 IZO(indium zinc oxide)와의 물리적, 화학적, 전기적 접촉 특성이 우수한 물질, 이를테면 몰리브덴 계열 금속, 크롬, 탄탈륨, 티타늄 등으로 만들어진다. 이러한 조합의 좋은 예로는 크롬 하부막과 알루미늄 (합금) 상부막 및 알루미늄 (합금) 하부막과 몰리브덴 (합금) 상부막을 들 수 있다. 그러나 게이트선(121) 및 유지 전극선(131)은 이외에도 여러 가지 다양한 금속 또는 도전체로 만들어질 수 있다.
게이트선(121) 및 유지 전극선(131)의 측면은 기판(110) 면에 대하여 경사져 있으며 그 경사각은 약 30° 내지 약 80°인 것이 바람직하다.
게이트선(121) 및 유지 전극선(131) 위에는 질화규소(SiNx) 또는 산화규소(SiOx) 따위로 만들어진 게이트 절연막(gate insulating layer)(140)이 형성되어 있다.
게이트 절연막(140) 위에는 수소화 비정질 규소(hydrogenated amorphous silicon)(비정질 규소는 약칭 a-Si로 씀) 또는 다결정 규소(polysilicon) 등으로 만들어진 복수의 선형 반도체(151)가 형성되어 있다. 선형 반도체(151)는 주로 세로 방향으로 뻗어 있으며, 게이트 전극(124)을 향하여 뻗어 나온 복수의 돌출부 (projection)(154)를 포함한다. 선형 반도체(151)는 게이트선(121) 및 유지 전극선(131) 부근에서 너비가 넓어져 이들을 폭넓게 덮고 있다.
반도체(151) 위에는 복수의 선형 및 섬형 저항성 접촉 부재(ohmic contact)(161, 165)가 형성되어 있다. 저항성 접촉 부재(161, 165)는 인 따위의 n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 n+ 수소화 비정질 규소 따위의 물질로 만들어지거나 실리사이드(silicide)로 만들어질 수 있다. 선형 저항성 접촉 부재(161)는 복수의 돌출부(163)를 가지고 있으며, 이 돌출부(163)와 섬형 저항성 접촉 부재(165)는 쌍을 이루어 반도체(151)의 돌출부(154) 위에 배치되어 있다.
반도체(151)와 저항성 접촉 부재(161, 165)의 측면 역시 기판(110) 면에 대하여 경사져 있으며 경사각은 30° 내지 80°정도이다.
저항성 접촉 부재(163, 165) 및 게이트 절연막(140) 위에는 복수의 데이터선(data line)(171)과 복수의 드레인 전극(drain electrode)(175)이 형성되어 있다.
데이터선(171)은 데이터 신호를 전달하며 주로 세로 방향으로 뻗어 게이트선(121)과 교차한다. 각 데이터선(171)은 또한 유지 전극선(131)과 교차하며 인접한 유지 전극(133a, 133b) 집합 사이를 달린다. 각 데이터선(171)은 게이트 전극(124)을 향하여 뻗은 복수의 소스 전극(source electrode)(173)과 다른층 또는 외부 구동 회로와의 접속을 위하여 면적이 넓은 끝 부분(179)을 포함한다. 데이터 신호를 생성하는 데이터 구동 회로(도시하지 않음)는 기판(110) 위에 부착되는 가요성 인쇄 회로막(도시하지 않음) 위에 장착되거나, 기판(110) 위에 직접 장착되거나, 기판(110)에 집적될 수 있다. 데이터 구동 회로가 기판(110) 위에 집적되어 있는 경우, 데이터선(171)이 연장되어 이와 직접 연결될 수 있다.
드레인 전극(175)은 데이터선(171)과 분리되어 있으며 게이트 전극(124)을 중심으로 소스 전극(173)과 마주한다. 각 드레인 전극(175)은 넓은 한 쪽 끝 부분과 막대형인 다른 쪽 끝 부분을 포함한다. 넓은 끝 부분은 유지 전극선(131)과 중첩하며, 막대형 끝 부분은 J자형으로 구부러진 소스 전극(173)으로 일부 둘러싸여 있다.
하나의 게이트 전극(124), 하나의 소스 전극(173) 및 하나의 드레인 전극(175)은 반도체(151)의 돌출부(154)와 함께 하나의 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)를 이루며, 박막 트랜지스터의 채널(channel)은 소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이의 돌출부(154)에 형성된다.
데이터선(171) 및 드레인 전극(175)은 몰리브덴, 크롬, 탄탈륨 및 티타늄 등 내화성 금속(refractory metal) 또는 이들의 합금으로 만들어지는 것이 바람직하며, 내화성 금속막(도시하지 않음)과 저저항 도전막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수 있다. 다중막 구조의 예로는 크롬 또는 몰리브덴 (합금) 하부막과 알루미늄 (합금) 상부막의 이중막, 몰리브덴 (합금) 하부막과 알루미늄 (합금) 중간막과 몰리브덴 (합금) 상부막의 삼중막을 들 수 있다. 그러나 데이터선(171) 및 드레인 전극(175)은 이외에도 여러 가지 다양한 금속 또는 도전체로 만들어질 수 있다.
데이터선(171) 및 드레인 전극(175) 또한 그 측면이 기판(110) 면에 대하여 30° 내지 80° 정도의 경사각으로 기울어진 것이 바람직하다.
저항성 접촉 부재(161, 165)는 그 아래의 반도체(151)와 그 위의 데이터선(171) 및 드레인 전극(175) 사이에만 존재하며 이들 사이의 접촉 저항을 낮추어 준다. 대부분의 곳에서는 선형 반도체(151)가 데이터선(171)보다 좁지만, 앞서 설명하였듯이 게이트선(121)과 만나는 부분에서 너비가 넓어져 표면의 프로파일을 부드럽게 함으로써 데이터선(171)이 단선되는 것을 방지한다. 반도체(151)에는 소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이를 비롯하여 데이터선(171) 및 드레인 전극(175)으로 가리지 않고 노출된 부분이 있다.
데이터선(171), 드레인 전극(175) 및 노출된 반도체(151) 부분 위에는 보호 필름(passivation layer)(180)이 형성되어 있다. 보호막(180)은 무기 절연물 또는 유기 절연물 따위로 만들어지며 표면이 평탄할 수 있다. 무기 절연물의 예로는 질화규소와 산화규소를 들 수 있다. 유기 절연물은 감광성(photosensitivity)을 가질 수 있으며 그 유전 상수(dielectric constant)는 약 4.0 이하인 것이 바람직하다. 그러나 보호막(180)은 유기막의 우수한 절연 특성을 살리면서도 노출된 반도체(151) 부분에 해가 가지 않도록 하부 무기막과 상부 유기막의 이중막 구조를 가질 수 있다.
보호막(180)에는 데이터선(171)의 끝 부분(179)과 드레인 전극(175)을 각각 드러내는 복수의 접촉 구멍(contact hole)(182, 185)이 형성되어 있으며, 보호막(180)과 게이트 절연막(140)에는 게이트선(121)의 끝 부분(129)을 드러내는 복수의 접촉 구멍(181), 제1 유지 전극(133a) 고정단 부근의 유지 전극선(131) 일부를 드러내는 복수의 접촉 구멍(183a), 그리고 제1 유지 전극(133a) 자유단의 돌출부를 드러내는 복수의 접촉 구멍(183b)이 형성되어 있다.
보호막(180) 위에는 복수의 화소 전극(pixel electrode)(191), 복수의 연결 다리(overpass)(83) 및 복수의 접촉 보조 부재(contact assistant)(81, 82)가 형성되어 있다. 이들은 ITO 또는 IZO 등의 투명한 도전 물질이나 알루미늄, 은, 크롬 또는 그 합금 등의 반사성 금속으로 만들어질 수 있다.
화소 전극(191)은 접촉 구멍(185)을 통하여 드레인 전극(175)과 물리적, 전기적으로 연결되어 있으며, 드레인 전극(175)으로부터 데이터 전압을 인가 받는다. 데이터 전압이 인가된 화소 전극(191)은 공통 전압(common voltage)을 인가 받는 다른 표시판(200)의 공통 전극(common electrode)(270)과 함께 전기장을 생성함으로써 두 전극(191, 270) 사이의 액정층(3)의 액정 분자(도시하지 않음)의 방향을 결정한다. 이와 같이 결정된 액정 분자의 방향에 따라 액정층(3)을 통과하는 빛의 편광이 달라진다. 화소 전극(191)과 공통 전극(270)은 축전기[이하 "액정 축전기(liquid crystal capacitor)"라 함]를 이루어 박막 트랜지스터가 턴 오프된 후에도 인가된 전압을 유지한다.
화소 전극(191)은 유지 전극(133a, 133b)을 비롯한 유지 전극선(131)과 중첩한다. 화소 전극(191) 및 이와 전기적으로 연결된 드레인 전극(175)이 유지 전극선(131)과 중첩하여 이루는 축전기를 "유지 축전기(storage capacitor)"라 하며, 유지 축전기는 액정 축전기의 전압 유지 능력을 강화한다.
접촉 보조 부재(81, 82)는 각각 접촉 구멍(181, 182)을 통하여 게이트선(121)의 끝 부분(129) 및 데이터선(171)의 끝 부분(179)과 연결된다. 접촉 보조 부재(81, 82)는 게이트선(121)의 끝 부분(129) 및 데이터선(171)의 끝 부분(179)과 외부 장치와의 접착성을 보완하고 이들을 보호한다. 연결 다리(83)는 게이트선(121)을 가로지르며, 게이트선(121)을 사이에 두고 반대쪽에 위치하는 접촉 구멍(183a, 183b)을 통하여 유지 전극선(131)의 노출된 부분과 유지 전극(133b) 자유단의 노출된 끝 부분에 연결되어 있다. 유지 전극(133a, 133b)을 비롯한 유지 전극선(131)은 연결 다리(83)와 함께 게이트선(121)이나 데이터선(171) 또는 박막 트랜지스터의 결함을 수리하는 데 사용할 수 있다.
다음, 도 2 및 도 3을 참고로 하여, 공통 전극 표시판(200)에 대하여 설명한다.
투명한 유리 등으로 이루어진 절연 기판(210) 위에 차광 부재(light blocking member)(220)가 형성되어 있다. 차광 부재(220)는 블랙 매트릭스(black matrix)라고도 하며 빛샘을 막아준다. 차광 부재(220)는 화소 전극(191)과 마주보며 화소 전극(191)과 거의 동일한 모양을 가지는 복수의 개구부를 가지고 있으며, 화소 전극(191) 사이의 빛샘을 막는다. 그러나 차광 부재(220)는 게이트선(121) 및 데이터선(171)에 대응하는 부분과 박막 트랜지스터에 대응하는 부분으로 이루어질 수 있다.
기판(210) 위에는 또한 복수의 색필터(230)가 형성되어 있다. 색필터(230)는 차광 부재(220)로 둘러싸인 영역 내에 대부분 존재하며, 화소 전극(191) 열을 따라서 세로 방향으로 길게 뻗을 수 있다. 각 색필터(230)는 적색, 녹색 및 청색의 삼원색 등 기본색(primary color) 중 하나를 표시할 수 있다.
색필터(230) 및 차광 부재(220) 위에는 덮개막(overcoat)(250)이 형성되어 있다. 덮개막(250)은 (유기) 절연물로 만들어질 수 있으며, 색필터(230)가 노출되는 것을 방지하고 평탄면을 제공한다. 덮개막(250)은 생략할 수 있다.
덮개막(250) 위에는 공통 전극(270)이 형성되어 있다. 공통 전극(270)은 ITO, IZO 등의 투명한 도전체 따위로 만들어진다.
두 표시판(100, 200)의 안쪽 면에는 배향막(alignment layer)(11, 21)이 각각 도포되어 있고, 두 표시판(100, 200) 바깥 면에는 편광판(12, 22)이 부착되어 있다.
두 편광판(12, 22)의 투과축은 직교 또는 평행하다. 반사형 액정 표시 장치의 경우에는 두 개의 편광판(12, 22) 중 하나가 생략될 수 있다.
본 실시예에 따른 액정 표시 장치는 액정층(3)의 지연을 보상하기 위한 위상 지연막(retardation film)(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 액정 표시 장치는 또한 위상 지연막, 표시판(100, 200) 및 액정층(3)에 빛을 공급하는 조명부(backlight unit)(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
액정층(3)은 양의 유전율 이방성을 가지는 네마틱(nematic) 액정 물질을 포함한다. 액정층(3)의 액정 분자는 그 장축 방향이 표시판(100, 200)에 평행하게 배열되어 있고, 그 방향이 한 표시판(100)으로부터 다른 표시판(200)에 이르기까지 나선상으로 90° 비틀린 구조를 가진다.
액정층(3)의 회전 점성은 50mPas-80mPas 이상이고, 액정층(3)의 유전율 이방성은 4.8-5.5이고, 셀 간격은 2.5㎛-5.0㎛이며, 두 전극(191, 270)의 전압차는 0.2V-8.0V 범위인 것이 바람직하다. 또한 액정 표시 장치의 응답 시간은 6.78+(회전 점성)×0.81+(셀 간격)×0.7+(회전 점성)×(셀 간격)×0.14를 충족하는 것이 바람직하다.
이때 회전 점성이 75mPas인 경우, 액정층의 응답 시간은 -2.3×(셀 간격)2+17.83×(셀 간격)-26.04을 충족하고, 회전 점성이 65mPas인 경우, 액정층의 응답 시간은 -0.42×(셀 간격)2+3.95×(셀 간격)-2.25을 충족하고, 회전 점성이 50mPas인 경우, 액정층의 응답 시간은 0.95×(셀 간격)2-5.525×(셀 간격)+13.43을 충족하는 것이 바람직하다.
액정층(3)의 회전 점성은 50mPas 이상 65mPas 이하인 경우, 셀 간격은 3.2㎛ 이상 3.8㎛ 이하인 것이 바람직하고, 액정층(3)의 회전 점성은 65mPas 초과 75mPas 이하인 경우, 셀 간격은 2.6㎛ 이상 3.2㎛ 미만인 것이 바람직하며, 액정층(3)의 회전 점성은 75mPas 이상 80mPas 이하인 경우, 셀 간격은 2.5㎛ 이상 2.6㎛ 미만인 것이 바람직하다.
이와 같이 액정층(3)을 만들면 5ms 이하의 짧은 응답 시간을 얻을 수 있다.
다음으로 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 동작에 대하여 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 한 실시예에 따른 비틀린 네마틱(TN, twisted nematic) 방식의 액정 표시 장치에서 액정 분자의 배열을 도시한 단면도인데, 도 4a는 액정층에 전기장이 걸리지 않았을 경우를 도시하고, 도 4b는 액정층에 충분한 크기의 전기장이 걸린 경우를 도시한다.
화소 전극(191)과 공통 전극(270), 즉 전기장 생성 전극(191, 270) 사이에 전압차가 없어서 액정층(3)에 전기장이 걸리지 않을 경우, 도 4a에 도시한 바와 같이, 액정층(3)의 액정 분자(31)는 그 장축 방향이 표시판(100, 200)의 표면에 평행하게 배열되어 있으며, 한 표시판(100)으로부터 다른 표시판(200)에 이르기까지 나선상으로 90° 비틀린 구조를 가진다.
편광판(12)을 통과하여 선편광된 빛의 편광은 액정층(3)을 통과하면서 액정의 굴절율 이방성으로 인한 지연(retardation)에 의하여 변화한다. 액정층(3)의 유전율 이방성 및 나선 피치나 표시판(100, 200) 사이의 간격[액정층(3)의 두께 또는 셀 간격] 등을 조절하면, 액정층(3)을 통과한 빛의 선편광 방향이 90° 회전하도록 만들 수 있다.
따라서 두 편광판(11, 21)의 투과축이 서로 수직인 경우, 액정층(3)을 통과한 빛은 편광판(22)을 그대로 통과하여 밝은 상태를 구현하는데 이와 같은 방식을 노멀리 화이트 모드(normally white mode)라고 한다. 이와는 달리, 두 편광판(12, 22)의 투과축이 서로 평행한 경우 액정층(3)을 통과한 빛은 편광판(22)에 의하여 차단되어 어두운 상태를 구현하는데 이와 같은 방식은 노멀리 블랙 모드(normally black mode)라고 한다.
도 4b를 참고하면, 전기장 생성 전극(191, 270) 사이에 전압차를 주어 충분한 크기의 전기장을 형성한 경우 액정 분자(31)의 장축이 전기장의 방향과 평행하고 표시판(100, 200)에 수직으로 배열된다.
이때 편광판(12)을 통과한 빛은 편광 변화 없이 액정층(3)을 통과한다. 따라서 노멀리 화이트 모드의 경우, 액정층(3)을 통과한 빛이 편광판(22)에 의하여 차단되어 어두운 상태를 구현하고, 노멀리 블랙 모드의 경우 편광판(12)을 통과한 빛이 편광판(22)을 그대로 통과하여 밝은 상태를 구현한다.
한편, 액정층(3)의 응답 시간은 크게 상승 시간(rising time)과 하강 시간(falling time)으로 나누어지며, 상승 시간은 전기장 생성 전극(191, 270) 사이에 전압이 인가되지 않은 상태에서 충분한 크기의 전압을 인가하였을 때 액정이 반응하는 응답 시간이고, 하강 시간은 충분한 크기의 전압을 인가한 상태에서 충분히 낮은 전압을 인가하였을 때 액정이 반응하는 응답 시간, 즉 액정 분자가 원래의 상태로 되돌아가는 시간이다.
그러면, 액정의 각종 특성과 응답 시간의 관계에 대하여 다음의 실험예를 통하여 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 한 실험예에 따른 액정 표시 장치의 회전 점성과 셀 간격에 따른 액정의 응답 시간을 측정한 표이고, 도 6은 본 발명의 한 실험예에 따른 회전 점성와 셀 간격의 변화에 따른 액정의 응답 시간을 도시한 그래프이다.
본 실험예에서는 액정의 응답 시간을 측정하기 위하여 "Merck"사의 "03-151", "04-203", "05-152"를 사용하였는데, 이들 액정 물질의 회전 점성은 각기 75mPas, 65mPas, 50mPas이었고, 전기장 생성 전극(191, 270)의 전압차는 0.2V-6.0V 범위이고, 셀 간격은 3.0㎛, 3.5㎛, 4.0㎛이었다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 액정의 회전 점성 및 셀 간격이 증가할수 록 응답 시간은 길어졌다. 따라서 회전 점성 또는 셀 간격을 감소시킴으로써 액정 표시 장치의 응답 시간을 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다.
이러한 액정의 회전 점성과 셀 간격 변화에 따른 응답 시간의 변화 경향에 대하여 도 7을 참조로 하여 설명한다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 한 실험예에서, 여러 가지 셀 간격에 대하여 회전 점성 변화에 따른 액정의 응답 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7에서 셀 간격과 응답 시간의 상호 관계를 보면, 회전 점성과 관계 없이 셀 간격이 감소함에 따라서 응답 시간은 감소한다. 회전 점성과 응답 시간의 상호 관계를 보면, 회전 점성이 클 경우에는 회전 점성의 감소에 따른 응답 시간 감소가 매우 크지만, 회전 점성이 작은 경우, 특히 회전 점성이 약 60mPas보다 작은 경우에는 회전 점성의 감소에 따른 액정의 응답 시간 감소가 매우 적다.
따라서 회전 점성이 60mPas보다 작은 경우에는 응답 시간을 줄이기 위하여, 회전 점성이 더 낮은 액정 물질을 사용하기보다는 셀 간격을 줄이는 것이 바람직함을 알 수 있다.
여러 번의 실험을 통해서 얻은 데이터를 바탕으로 각 회전 점성 값에 대하여 셀 간격(d)에 따른 응답 시간(t)을 식으로 구해 보면 다음과 같다.
회전 점성이 75mPas인 경우, t=-2.3×d2+17.83×d-26.04
회전 점성이 65mPas인 경우, t=-0.42×d2+3.95×d-2.25
회전 점성이 50mPas인 경우, t=0.95×d2-5.525×d+13.43
또한, 실험 결과 데이터를 이용하여, 회전 점성 및 셀 간격과 응답 시간의 상관 관계를 식으로 구해 보면, 응답 시간은 6.78 + (회전 점성)×0.81 + (셀 간격)×0.7 + (회전 점성)×(셀 간격)×0.14을 충족한다.
따라서 액정 표시 장치의 응답 시간이 5ms 정도로 고속으로 응답하기 위하여, 액정 표시 장치의 회전 점성이 75mPas보다 크면 셀 간격이 2.6㎛ 이하이고, 회전 점성이 65mPas보다 큰 경우는 셀 간격이 3.2㎛ 이하이며, 회전 점성이 50mPas 이상인 경우는 셀 간격이 3.8㎛이하인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
상기와 같이, 액정 표시 장치의 회전 점성 및 셀 간격을 조절하여 5ms 정도의 응답 시간을 가지는 고속 응답 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

  1. 제1 전극,
    상기 제1 전극에 마주하는 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 들어있으며, 비틀린 네마틱 배향되어 있는 액정층
    을 포함하고
    상기 액정층의 회전 점성은 50mPas-80mPas이고, 상기 액정층의 두께인 셀 간격은 2.5㎛-5.0㎛이고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 전압차는 0.2V-8.0V인
    액정 표시 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 회전 점성이 75mPas이고, 상기 액정층의 응답 시간은 -2.3×(셀 간격)2+17.83×(셀 간격)-26.04을 충족하는 액정 표시 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 회전 점성이 65mPas이고, 상기 액정층의 응답 시간은 -0.42×(셀 간격)2+3.95×(셀 간격)-2.25을 충족하는 액정 표시 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 회전 점성이 50mPas이고, 상기 액정층의 응답 시간은 0.95×(셀 간격)2-5.525×(셀 간격)+13.43을 충족하는 액정 표시 장치.
  5. 제1 전극,
    상기 제1 전극에 마주하는 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 들어있으며, 비틀린 네마틱 배향되어 있는 액정층
    을 포함하고
    상기 액정층의 회전 점성은 50mPas-80mPas이고, 상기 액정층의 두께인 셀 간격은 2.5㎛-5.0㎛이고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 전압차는 0.2V-8.0V이고, 응답 시간은 6.78+(회전 점성)×0.81+(셀 간격)×0.7+(회전 점성)×(셀 간격)×0.14을 충족하는
    액정 표시 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 액정층의 회전 점성은 50mPas 이상 65mPas 이하이고, 상기 셀 간격은 3.2㎛ 이상 3.8㎛ 이하인 액정 표시 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 액정층의 회전 점성은 65mPas 초과 75mPas 이하이고, 상기 셀 간격은 2.6㎛ 이상 3.2㎛ 미만인 액정 표시 장치.
  8. 제5항에서,
    상기 액정층의 회전 점성은 75mPas 이상 80mPas 이하이고, 상기 셀 간격은 2.5㎛ 이상 2.6㎛ 미만인 액정 표시 장치.
  9. 제1항 또는 제5항에서,
    상기 제1 전극은
    제1 기판,
    상기 제1 기판 위에 형성되어 있는 게이트선 및 데이터선,
    상기 게이트선 및 데이터선에 연결되어 있는 박막 트랜지스터, 그리고
    상기 박막 트랜지스터와 연결되어 있는 화소 전극
    을 포함하는 액정 표시 장치.
  10. 제1항 또는 제5항에서,
    상기 제2 전극은
    제2 기판,
    상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 색필터, 그리고
    상기 색필터 위에 형성되어 있는 공통 전극
    을 포함하는 액정 표시 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 제2 전극은 상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 차광 부재를 더 포함하는 액정 표시 장치.
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