KR20070037039A - 액정 표시 장치 - Google Patents

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KR20070037039A
KR20070037039A KR1020050092240A KR20050092240A KR20070037039A KR 20070037039 A KR20070037039 A KR 20070037039A KR 1020050092240 A KR1020050092240 A KR 1020050092240A KR 20050092240 A KR20050092240 A KR 20050092240A KR 20070037039 A KR20070037039 A KR 20070037039A
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윤성재
허일국
홍성환
계명하
김광현
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삼성전자주식회사
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Abstract

TN 모드 액정 표시 장치를 제공한다. 액정 표시 장치는 서로 마주보며 위치하고, 전기장을 생성하는 제 1 및 제 2 전극 및 제 1 및 제 2 전극 사이에 형성되어 있으며, 유전율 이방성이 8 내지 11이고, 카이랄 피치가 10 내지 70㎛이며, 두께가 3.0 내지 4.5㎛인 트위스티드 네마틱 액정층을 포함한다.
액정 표시 장치, 휴대용, 액정 피치, 응답 속도

Description

액정 표시 장치{Liquid crystal display}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 TN 방식의 액정 표시 장치에서 화소 구조의 동작 상태를 도시한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 액정의 카이랄 피치에 따른 응답 시간을 도시한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
3: 액정층 11, 21: 배향막
12, 22: 편광판 31: 액정
100: 제 1 기판 191: 화소 전극
200: 제 2 기판 270: 공통 전극
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TN 모드 액정 표시 장치에 관한 것이다.
액정 표시 장치(Liquid Crystal Display; LCD)는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치(Flat Panel Display) 중 하나로서, 전극이 형성되어 있는 두 장의 기판과 그 사이에 삽입되어 있는 액정층으로 이루어져, 전극에 전압을 인가하여 액정층의 액정 분자를 재배열시킴으로써 투과되는 광의 양을 조절하는 표시 장치다.
액정 표시 장치는 액정층의 액정 분자가 배열된 형태에 따라 여러 가지로 분류할 수 있는데, TN 모드(Twisted Nematic mode)와 IPS 모드(In-Plane Switching mode) 및 VA 모드(Vertically Aligned mode) 등이 그 예이며 TN 모드의 액정 표시 장치가 가장 일반적이다.
TN 모드의 액정 표시 장치 중 휴대용 액정 표시 장치, 예를 들어 랩톱 컴퓨터(laptop computer)의 모니터의 경우 데스크톱 컴퓨터(desktop computer)의 모니터와 대비하여 응답 속도가 느리다. 그러나, 랩톱 컴퓨터의 모니터도 대형화되면서 데스크톱 컴퓨터의 모니터 이상의 성능이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 응답 속도를 개선한 액정 표시 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 응답 속도 및 명암비를 동시에 개선한 액정 표시 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치는 서로 마주보며 위치하고, 전기장을 생성하는 제 1 및 제 2 전극 및 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 형성되어 있으며, 유전율 이방성이 8 내지 11이고, 카이랄 피치가 10 내지 70㎛이며, 두께가 3.0 내지 4.5㎛인 트위스티드 네마틱 액정층을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 다른 정의가 없다면 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
먼저 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 액정 표시 장치는 제 1 기판(100)과 이와 마주보고 있는 제 2 기판(200) 및 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이에 형성되어 기판에 수평하게 배향되어 있는 액정을 포함하는 액정층(3)으로 이루어진다.
우선, 제 1 기판(100)은 유리 등의 투명한 절연 물질로 이루어진 기판(110) 위에 게이트 전극(131) 게이트 절연막(140), 반도체층(154), 저항성 접촉층(163, 165) 및 소오스/드레인 전극(173, 175)으로 구성되며, 매트릭스의 형태로 배치된 박막 트랜지스터 및 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO 등의 투명 도전성 산화물로 형성되어 있는 전기장 생성 전극인 화소 전극 (191)을 포함한다.
화소 전극 (191)은 보호막(180)에 형성된 컨택홀(185)를 통해 박막 트랜지스터에 연결되어 화상 신호 전압을 인가 받는다. 이때, 박막 트랜지스터는 주사 신호를 전달하는 게이트선(121)과 화상 신호를 전달하는 데이터선(171)에 각각 연결되어 주사 신호에 따라 화소 전극(191)을 온(on) 또는 오프(off)한다. 미설명 부호(133a, 133b)는 유지 전극선으로 드레인 전극(175)과 중첩되어 화소의 전하 보존 능력을 향상시키는 유지 축전기를 이룬다.
또한, 제 2 기판(200)은 유리 등의 투명한 절연 물질로 이루어진 기판(210)의 아래 면에 빛샘을 방지하기 위한 블랙 매트릭스(220)와 적, 녹, 청의 컬러 필터(230) 및 ITO 또는 IZO 등의 투명 도전성 산화물로 형성되어 있는 전기장 생성 전극인 공통 전극(270)을 포함한다.
제 1 및 제 2 기판(100, 200)의 안쪽 면에는 배향막(11, 21)이 각각 도포되어 있고, 제 1 및 제 2 기판(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.
이러한 제 1 및 제 2 기판(100, 200) 사이는 액정층(3)이 형성된다. 액정층(3)은 양의 유전율 이방성을 가지는 트위스티드 네마틱(twisted nematic) 액정을 포함한다.
화소 전극(191)과 공통 전극(270), 즉 전기장 생성 전극(191, 270) 사이에 전압차가 없어서 액정층(3)에 전기장이 걸리지 않을 경우, 도 2a에 도시한 바와 같이, 액정층(3)의 액정(31)은 그 장축 방향이 제 1 및 제 2 기판(100, 200)의 표면에 평행하게 배열되어 있으며, 제 1 기판(100)으로부터 제 2 기판(200)에 이르기까지 나선상으로 90° 비틀린 구조를 갖는다.
편광판(12)을 통과하여 선편광된 빛의 편광은 액정층(3)을 통과하면서 액정(31)의 굴절율 이방성으로 인한 지연(retardation)에 의하여 변화한다. 액정(31)의 유전율 이방성(△ε) 및 카이랄 피치(chiral pitch)나 액정층(3)의 두께, 즉 셀 갭(cell gap) 등을 조절하면, 액정층(3)을 통과한 빛의 선편광 방향이 90° 회전하도록 만들 수 있다. 이에 대한 설명은 후술하기로 한다.
두 편광판(12, 22)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 2b를 참고하면, 전기장 생성 전극(191, 270) 사이에 전압차를 주어 충분한 크기의 전기장을 형성한 경우 액정(31)의 장축이 전기장의 방향과 평행하고 제 1 및 제 2 기판(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.
이러한, TN 모드의 액정은 상기한 바와 같이 전기장 생성 전극(191, 270) 사이에 전기장 생성 유무에 따라 전기장 생성 방향으로 배열되거나 다시 원래의 배열 상태로 돌아오게 되는데, 액정이 전기장 생성 방향으로 배열하는데 소요되는 시간, 즉 상승 시간(rising time; τr)과 다시 원래의 배열 상태로 돌아오는데 소요되는 시간, 즉 하강 시간(falling time; τf)은 응답 속도와 밀접한 관계가 있다. 다시말해, 액정의 상승 시간과 하강 시간이 짧다면 액정의 응답 속도가 빠르다는 것을 의미한다.
액정의 상승 시간과 하강 시간의 식은 다음과 같다.
식 1
Figure 112005055717600-PAT00001
식 2
Figure 112005055717600-PAT00002
여기서, d는 액정층(3)의 두께, 즉 셀 갭(cell gap)을 의미하고, γ1은 액정의 회전 점도를 의미하며, ε0는 자유 공간의 투자율을 의미하고, △ε는 유전율 이방성을 의미하며, K는 탄성율을 의미하고, V는 구동 전압을 의미하며, Vth는 문턱 전압을 의미한다.
식 1 및 식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 액정의 상승 시간 및 하강 시간은 액정의 회전 점도, 유전율 이방성, 탄성율 등의 액정의 물성, 구동 전압, 셀 갭 등에 의해 결정됨을 알 수 있고, 즉 이러한 인자들과 관련하여 액정의 응답 속도가 결정됨을 알 수 있다.
특히, TN 모드 액정 표시 장치에서는 액정의 하강 시간이 상승 시간 대비 느림으로, 액정의 하강 시간을 단축함으로써 액정 표시 장치의 응답 속도를 개선할 수 있는데, 식 2에서 알 수 있는 바와 같이 셀 갭 조절을 통해 응답 속도를 개선할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치에는 약 3.0 내지 4.5㎛의 범위의 셀갭을 가지며, 약 10 내지 70㎛, 바람직하게는 10 내지 50㎛의 카이랄 피 치를 갖는 액정(31)을 사용하는데, 여기서 카이랄 피치라 함은 카이랄 도펀트(chiral dopant)를 액정에 혼합할 때 액정들이 1회전 꼬인 길이, 즉 액정들이 360°꼬이는데 필요한 두께를 의미한다.
셀 갭과 카이랄 피치는 액정 고유의 비틀림 배향을 변화시키는 힘의 평가 파라미터로서 사용되는 HTP(Helical Twisting Power)와 일정한 관계를 갖는다. 즉, HTP는 셀 갭과는 비례하고 카이랄 피치와는 반비례하므로, 소정의 카이랄 피치를 갖는 액정이 작은 셀 갭을 갖는 액정 표시 장치에 사용되는 경우 상대적으로 적은 힘으로 단시간에 액정들의 비틀림 배향을 변화시키는 것이 가능하다. 따라서, 상기한 바와 같은 셀 갭과 카이랄 피치를 갖는 경우 액정 표시 장치의 하강 시간을 단축할 수 있어, 결국 액정 표시 장치의 응답 속도를 개선할 수 있다.
종래 액정 표시 장치 중 휴대용 액정 표시 장치, 예를 들어 랩톱 컴퓨터의 경우 소비 전력이 적어야 하므로 구동 전압을 높이는데 제약이 있어 었고, 또한 랩톱 컴퓨터의 경우 약 8 내지 11의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용하는데, 액정의 유전율 이방성을 낮출 수 없어 12ms대의 응답 시간을 구현하는데 어려움이 있었다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치에서는 상기한 바와 같이 셀 갭 및 카이랄 피치를 조절함으로써 12ms대 이하의 응답 시간의 구현이 가능하여 응답 속도를 개선할 수 있다.
또한, 액정 표시 장치의 응답 속도를 개선함과 아울러, 액정 표시 장치의 명암비(contrast ratio)의 개선을 위하여 액정 표시 장치의 구동 전압을 종래 랩톱 컴퓨터의 구동 전압보다 상대적으로 더 높은 구동 전압을 사용할 수 있다. 이는 랩 톱 컴퓨터를 데스크톱 컴퓨터 대용으로 사용하고자 하는 소비자의 요구를 충족시키기 위하여 랩톱 컴퓨터의 모니터가 대형화되는 경우 응답 속도가 중요하므로 셀 갭 및 카이랄 피치를 조절하여 응답 속도를 개선하고, 구동 전압을 높여 명암비를 보상하게 된다. 이때, 구동 전압은 액정 표시 장치의 특성에 따라 적합하도록 조절될 수 있으며, 예를 들어 3.8 내지 4.4V 범위의 구동 전압을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 셀 갭, 액정의 카이랄 피치와 응답 속도와의 관계 및 명암비와 구동 전압의 관계를 다음의 실험예들을 통하여 상세하게 설명한다. 단, 하기 실험예들은 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명이 하기 실험예들에 의하여 한정되는 것은 아님이 이해되어야 한다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 셀 갭과 응답 속도와의 관계를 살펴본다. 하기 표 1은 실험예 1 및 2와 비교예 1의 액정 표시 장치의 셀 갭 변화에 따른 액정의 상승 시간, 하강 시간 및 응답 시간을 나타낸다. 표 1의 실험예 1 및 2와 비교예 1에 사용된 액정의 카이랄 피치는 70㎛이고, 유전율 이방성(△ε)은 각 8.8, 9.6 및 10.5이며, 복굴절율(△n)은 각 0.100, 0.101 및 0.796이고, 점도(γ1)는 각 80, 83 및 104이며, 수평 배향에서의 탄성율(K1)이 각 11.8, 12.5 및 10.8이고, 수직 배향에서의 탄성율(K3)이 각 12.7, 12.2 및 12.9이다. 실험예 1 및 2와 비교예 1에 적용된 구동 전압은 0.5/3.8V이었다.
표 1
Figure 112005055717600-PAT00003
표 1에 기재한 바와 같이, 실험예 1 및 2의 경우 비교예 1보다 상대적으로 작은 셀 갭을 갖는데, 실험예 1 및 2의 경우 비교예 1과 비교하여 액정의 상승 시간 및 하강 시간이 단축되어 총 응답 시간이 단축되며, 결국 이로부터 응답 속도가 빨라짐을 알 수 있다.
계속해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치에 사용되는 액정의 카이랄 피치와 응답 속도와의 관계를 살펴본다. 하기 표 2는 실험예 3 내지 6의 액정의 카이랄 피치 변화에 따른 상승 시간, 하강 시간 및 응답 시간을 나타내고, 도 2는 액정의 카이랄 피치와 응답 속도와의 관계를 나타낸다. 실험예 3 및 4와 비교예 2 및 3에서는 액정의 응답 시간을 측정하기 위하여 TOPCON사의 BM7을 사용하였고, 셀 갭은 4.0㎛이었고, 구동 전압은 0.5/3.8V 이었다.
표 2
Figure 112005055717600-PAT00004
표 2에 기재한 바와 같이, 실험예 3 내지 6의 경우 총 응답 시간이 12㎳대 이하의 값을 갖는다. 종래 휴대용 액정 표시 장치 중 랩톱 컴퓨터의 모니터의 경우 액정의 응답 시간이 16㎳인 것과 비교하여 볼 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예 3 내지 6의 경우 액정의 카이랄 피치를 줄임으로써 액정의 총 응답 시간이 단축되며, 결국 이로부터 응답 속도가 빨라짐을 알 수 있다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이 액정의 총 응답 시간은 액정의 카이랄 피치와 하기 식 3의 관계를 만족함을 알 수 있다.
식 3
y=0.0486x+8.47
여기서, x는 액정의 카이랄 피치이고, y는 응답 시간을 의미한다. 위 식으로부터 액정의 카이랄 피치가 10 내지 70㎳의 범위에 속할 때, 액정의 응답 시간은 12㎳대 이하의 값을 갖고, 예를 들어 액정의 카이랄 피치가 10 내지 50㎳의 .범위에 속할 때, 액정의 응답 시간은 10㎳대 이하의 값을 갖는다.
계속해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치에 인가되는 전압의 크기와 명암비의 관계를 살펴본다. 하기 표 3에는 실시예 7 내지 10의 액정 표시 장치의 명암비를 측정한 값을 액정의 카이랄 피치가 70㎛이고, 셀 갭이 4.04㎛이며, 구동 전압이 3.8V인 액정 표시 장치의 명암비를 측정한 값과 비교하여 그 감소율(%)을 기재하였다. 실험예 7 내지 10에서는 액정은 TOPCON사의 BM5A을 사용하였고, 카이랄 피치는 50㎛이었으며, 셀 갭은 4.0㎛이었다.
표 3
Figure 112005055717600-PAT00005
표 3에 기재한 바와 같이, 실험예 5 내지 실험예 8은 일반적인 랩톱 컴퓨터에 사용되는 구동 전압보다 상대적으로 높은 구동 전압을 사용하여 카이랄 피치가 작은 액정을 사용하는 경우 발생할 수 있는 명암비 감소가 크지 않음을 알 수 있다. 따라서, 작은 셀 갭과 카이랄 피치를 갖는 액정을 사용하는 경우라도 명암비의 큰 저하없는 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.
이상 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 액정 표시 장치는 상기와 같이 액정의 카이랄 피치, 셀 갭을 조절을 통해 응답 속도가 개선될 수 있으며, 아울러 구동 전압의 조절을 통해 명암비도 함께 개선할 수 있다.

Claims (6)

  1. 서로 마주보며 위치하고, 전기장을 생성하는 제 1 및 제 2 전극; 및
    상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 형성되어 있으며, 유전율 이방성이 8 내지 11이고, 카이랄 피치가 10 내지 70㎛이며, 두께가 3.0 내지 4.5㎛인 트위스티드 네마틱 액정층을 포함하는 액정 표시 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카이랄 피치는 10 내지 50㎛인 액정 표시 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 기판 사이에 전기장을 생성하기 위한 구동 전압은 3.4 내지 4.4V인 액정 표시 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정의 응답 시간은 하기 식을 만족하는 액정 표시 장치.
    y=0.0486x+8.47
    (여기서, x는 상기 액정의 카이랄 피치이고, y는 상기 액정의 응답 시간이다)
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은
    제 1 기판;
    상기 제 1 기판 위에 형성되어 있는 게이트선 및 데이터선;
    상기 게이트선 및 데이터선에 연결되어 있는 박막 트랜지스터; 및
    상기 박막 트랜지스터와 연결되어 있는 화소 전극을 포함하는 액정 표시 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은
    제 2 기판;
    상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 컬러 필터; 및
    상기 컬러 필터 위에 형성되어 있는 공통 전극을 포함하는 액정 표시 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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