KR20090128927A - 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 (Hybrid) 배향된 액정을 사용한 프린지 필드 스위칭 (FFS: Fringe-Field Switching) 모드의 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시소자 대해 개시한다. 개시된 본 발명은 기존 FFS 모드의 전극구조에 상부기판에 제 2 공통전극이 추가적으로 배치되어 있는 구조로, 하부기판의 액정들은 수평배열이고 상부기판의 액정들은 수직배열로 하이브리드 배향된 액정 층으로 이루어져 있다. 하부 기판의 화소전극과 제 1 공통전극에 의해 구동될 시에는 하이브리드 배열된 액정의 좁은 시야각 특성으로 인해 협시야각이 나타나고, 상부 제 2 공통전극과 하부 제 1 공통전극 사이의 발생한 수직 전기장에 의해 유전율 이방성이 음인 액정이 기판에 평행하게 누운 상태에서 하부기판에 위치한 화소전극과 제 1 공통전극에 의해 구동 될 시에는 광시야각이 나타나게 되는 원리이다. 본 시야각 조절 액정표시소자는 단일 패널을 이용하였기 때문에 두께가 얇고, 경량이며, 개구율 감소 없이 시야각 조절이 가능하다는 것을 그 특징이자 장점으로 한다.

시야각 조절, 액정표시소자, 단일 패널, 광시야각, 협시야각

Description

단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시장치 {Viewing Angle Controllable Liquid Crystal Display Device Using One Panel}

본 발명은 단일 패널로 이루어진 시야각 조절 액정표시소자 (Liquid Crystal Display: 이하 LCD라 칭함)에 관한 것으로, 사용자의 환경이나 선호도에 따라 정면에서 보이는 고화질의 디스플레이 정보가 정면 외 방향에서 유지 되거나 (광시야각) 혹은 보이지 않도록 하는 (협시야각) 시야각 조절 액정표시소자에 관한 발명이다.

액정표시소자는 액정 자체의 복굴절 성질로 인하여 편광판과 함께 사용하여 액정의 편광상태를 변화시켜 광변조기(light modulator)로서의 역할을 하는데, 액정의 복굴절 성질로 인하여 정면 외 시야각방향에서 디스플레이의 화질 특성이 저하 되는 문제점을 지닌다. 이런 액정표시소자의 시야각 문제점을 해결하기 위해 넓은 시야각 방향에 고화질 특성을 얻기 위한 WV-TN (Wide -Viewing angle Twisted Nematic), Film-compensated VA (Vertical Alignment), FFS (Fringe-field Switching) 모드의 광시야각 특성이 연구되어 졌다. 이런 광시야각 특성은 평판 디 스플레 시장에서 액정표시소자가 모바일 및 TV 시장으로 진입하게 하는 주요 이슈로 작용하기도 했지만 최근에는 정보의 가치 증대와 휴대용 디스플레이의 증가로 인한 개인의 사생활 침해 문제를 초래하여 광 시야각 특성을 가진 액정표시소자와 상반되는 경향성을 가진 협시야각 디스플레이가 나타나게 하였다.

이런 점에서 휴대용 디스플레이가 광시야각에서 협시야각으로 또는 협시야각에서 광시야각으로 사용자 (User)의 선호도와 주위환경의 변화에 따라 능동적으로 시야각 조절이 가능한 시야각 조절 액정표시소자가 등장하게 되었다. 기존 시야각 조절 액정표시소자의 특징을 살펴보면 액정 셀 구조적인 측면에서, 이미지를 표현하는 액정 셀에 추가적으로 액정 셀을 적층하여 액정 층 자체의 복굴절 이방성을 이용한 시야각 조절 방법과 하나의 픽셀을 두 영역으로 나뉘어 메인 이미지를 표현하는 픽셀부분과 시야각 조절 역할을 하는 픽셀부분으로 나뉜 방법이 제시되어졌다. 전자의 경우에는 액정 셀을 추가적으로 적층하였기 때문에 기존 디스플레이에 비해 두께가 두꺼워지며, 소비 전력 또한 증가하게 되어 차세대 디스플레이 맞지 않는다는 단점을 가지고 있다. 후자의 경우에는 하나의 픽셀 중 시야각 조절 역할을 하는 픽셀 부분이 오직 어둠 상태의 시야각 의존성을 변화시켜 작동하기 때문에 기존 디스플레이에 개구율 및 밝기가 감소하는 경향성을 가진다. 또 이 경우에는 픽셀이 두 영역으로 나뉘어 구동방법이 복잡해지고, 생산비가 증가한다는 단점을 가진다.

따라서 본 발명의 목적은 단일 패널을 이용하여 개구율의 감소 없이 광시야각과 협시야각이 사용자의 용도와 환경에 따라 조정 가능한 시야각 조절 액정표시소자를 개발하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 종래의 FFS 모드가 갖는 제 1 공통 전극 및 화소 전극 구조에 상부 측 기판에 추가적으로 제 2 공통전극이 패턴되지 않은 플레인 (Plane) 형태로 위치하며, 유전율 이방성이 음인 액정 분자들이 기판에 수평에서 수직으로 하이브리드 배향 되어 있다. 광시야각과 협시야각 모드의 스위칭은 상부 제 2 공통전극에 의해 조절되며, 상부 제 2 공통전극이 하부 제 1 공통전극에 의해 일정 전위차를 가질 때 광시야각 모드를 구현하며, 전위차가 발생하지 않을 시 협시야각 모드를 구현한다.

본 발명은 추가적인 액정 패널을 사용하지 않고 추가적인 픽셀 또한 사용되지 않으므로 기존 디스플레이에 해당하는 개구율과 두께를 갖으며 시야각 조절이 광시야각과 협시야각 어느 한쪽에 치우치지 않고 쌍방향으로 우수한 특징을 제공할 수 있다. 특히 본 발명에 따른 시야각 조절 액정표시소자는 정면 외 방향에서 화이트를 다크로, 다크를 화이트로 보이도록 하고, 각 계조별 휘도 차이를 줄이거나 역전시켜 협시야각을 확보하였고, 광시야각 모드에서는 액정들이 누운 상태에서 회전 하게 하여 투과율 및 광시야각 특성을 확보할 수 있었다.

이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예 및 본 발명의 목적 및 이점들을 자세히 설명하도록 한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명

1. 상부 편광판

2. 상부 기판

3. 상부 제 2 공통전극

4. 액정

5. 화소 전극

6. 절연층

7. 하부 제 1 공통전극

8. 하부 기판

9. 하부 편광판

10. 게이트 라인

11. 데이터 버스 라인

12a. 상부 액정분자 전압 인가 전

12a’ 상부 액정분자 전압 인가 후

13b 하부 액정분자 전압 인가 전

13b’ 하부 액정분자 전압 인가 후

14. 배향막

15. 절연막

실시 예

도 1은 본 발명에 따른 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시소자를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, 하부 기판(8) 상부에는 하부 제 1 공통전극(7)이 패턴되지 않은 플레인(Plane) 형태로 위치하며 그 상부에 절연층(6)을 사이에 두고 화소 전극(5)이 일정한 간격으로 패턴되어 있고, 음의 액정(4) 층을 사이에 두고 플레인(Plane) 형태의 제 2 공통전극(3)을 상부에 위치한 상부 기판(2)이 위치하고 있다. 이 때 상부 편광판(1)과 하부 편광판(9)은 서로 투과축이 90° 차이를 가지며 상부 기판(2)과 하부 기판(8)의 바깥부분에 각각 위치하고 있다. 액정(4) 층은 하부 기판(9)에서 상부기판(2)으로 수평배향에서 수직배향으로 하이브리드(Hybrid) 배향되어 있다.

구동 방법에 관해 자세히 설명하면, 하부 제 1 공통 전극(7)에 대한 상부 제 2 공통 전극(3)의 전위차로 광시야각과 협시야각의 조절이 가능하며, 각 모드의 이미지 표현은 하부 제 1 공통 전극과 화소 전극에 의해 가능하게 된다. 광시야각 모드의 경우에는 상부 기판의 제 2 공통전극이 하부 기판의 공통 전극 사이에 수직 전기장을 생성시켰을 때 발생하며, 음의 액정이 수직 전기장에 의해 기판에 평행하게 누운 상태에서 하부 프린지 필드에 의해 액정들이 트위스트 되면서 투과율을 표현하게 되는 방식으로 구동하게 하였다. 액정들이 수직전기장에 의해 기판에 평행 하게 누울시, 초기 액정 방향자가 편광판의 흡수 축과 일치하여 어둠 상태를 표현하게 되고, 수평하게 배열된 액정층의 적은 시야각 의존성에 의해 광시야각을 나타내게 된다. 협시야각 모드의 경우에는 상,하부 제 1,2 공통 전극 사이에 전위차가 존재하지 않을 때, 기존의 HAN-FFS (Hybrid Aligned Nematic-Fringe-Field Switching) 모드와 같이 구동하면서 상부에 수직으로 서있는 액정 분자들에 의해 좁은 시야각을 나타내게 된다.

더 자세히 시야각 특성을 설명하면, 디스플레이의 화질 및 시야각 특성은 패널의 어둠 상태에 의존하므로 광시야각 및 협시야각 모드에서의 어둠 상태를 도면 2와 같이 액정 방향자를 관찰함으로써 확인할 수 있다.

도면 2의 왼쪽 그림은 협시야각 모드의 어둠 상태를 나타내는 액정 배열로서 하부 제 1 공통전극(7)에 대해 상부 제 2 공통전극(3)은 전압인가 전 상태로 존재하며, 화소 전극(5) 역시 전압 인가 전 상태로 존재한다. 액정(4)은 어떤 전기장의 영향도 받지 않기 때문에 초기 배향 조건인 하이브리드 배향을 유지한다. 액정(4)의 하이브리드 배향으로 인해 액정(4) 층의 반절 정도가 세워져 있기 때문에 시야각 방향에서 빛샘을 야기 하게 되고 이로 인해 어둠 상태의 협시야각을 실현하게 된다. 광시야각 모드 시에는 도 2의 오른쪽 그림과 같이 상?하부 기판(2,8)의 전극들이 모두 사용되며, 특히 상부 제 2 공통전극(3)과 하부 제 1 공통전극(7) 사이에는 일정한 전위차를 가지게 하여 수직 전기장이 발생하도록 하며 이 수직 전기장에 의해 음의 액정(4) 들이 기판에 평행하게 누움으로써 광시야각 특성을 가진 어둠 상태를 표현할 수 있게 되어 있다.

이와 같은 구조는 도 3a, 3b와 같이 화소 전극의 패턴을 달리하여 전기장의 방향이 다른 멀티 도메인(Multi-domain) FFS에서도 적용가능하다. 이하 멀티 도메인을 채택한 FFS 구조 및 작동원리에 관해 설명하도록 한다. 도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 도메인 FFS 전극 구조를 사용한 시야각 조절 액정표시장치의 하부기판을 도시한 평면도이다.

도시한 바와 같이, 하부 기판(8) 상에 게이트 버스 라인(10) 및 데이터 버스 라인(11)이 배열 및 교차되어 있고, 상기 게이트 버스 라인(10) 과 데이터 버스 라인(11) 교차점에는 스위칭 소자로서 박막 트랜지스터(TFT) 가 배치되어 있다. 교차된 라인(10,11)에 의해 화소 전극(5)과 하부 제 1 공통전극(7) 및 상부 제 2 공통전극(도시안됨)이 배치되어 있고, 화소전극(5)은 멀티 도메인을 형성하기 위하여 중앙 슬릿(S1)을 기준으로 상부 슬릿과(S2)과 하부 슬릿(S3)은 +θ, 혹은 -θ의 대칭된 기울기를 갖고 있도록 존재한다. 음의 액정이 이용 될 경우, 초기 액정 분자들의 방향(12a,13b)은 데이터 버스 라인(11)에 평행하게 러빙 된다. 이때 상기 상부 및 하부 슬릿들(S2,S3)의 기울기는 0~90°까지 모두 이용가능 하지만 투과율 발생 원리에 의해 ±45°이하이어야 하며, 고 투과율을 위해 ±2~20°로 한정한다. 이런 조건하에서 슬릿들(S1,S2,S3) 폭은 1~10㎛ 정도이며, 슬릿들 간의 간격 또한 1~10㎛로 한정한다. 도 3b는 도 3a의 A-A'선에 대한 본 발명의 단면도이다. 상부 제 2 공통전극(3)은 패턴되지 않은 플레인(Plane) 형태로 하부 제 1 공통전극(7)과 대향하여 위치하고 있음을 보여준다.

이런 구조에서, 중간 계조 및 화이트 상태의 구현에 있어서는 하부 제 1 공 통전극(7)에 대해 화소 전극(5)에 전압을 인가함으로써 광시야각과 협시야각의 중간 계조 및 화이트 상태를 표현하게 된다.

본 발명의 효과를 입증하기 위해 어둠 상태의 시야각 방향에서 빛이 누설되는 현상을 도 3에 도식화하였다. 도 4을 참조하면, 광시야각 모드에서 협시야각 모드로 전환하여도 정면에서는 빛이 누설되지 않는 반면, 좌우 시야각 방향에서는 크게는 10배정도 빛이 누설됨을 알 수 있다. 좌우 시야각이 시야각 방향에서만 빛이 누설됨에 따라 정면 휘도 및 명암대비율의 큰 손실 없이 협시야각 구현이 가능하게 된다.

도 5는 광시야각 모드와 협시야각 모드에서의 시야각에 따른 밝음, 어둠 상태의 휘도 및 명암 대비율을 나타낸 곡선이다. 도 4의 광시야각 모드의 밝음 상태를 참조하면 정면에서 휘도가 가장 높고, 시야각에 따라 고른 휘도 분포를 보이는 것을 알 수 있다. 이에 반해 협시야각 모드의 밝음 상태의 경우 정면에서의 휘도가 시야각 방향으로 갈수록 급격히 감소하는 걸 볼 수 있는데, 이는 정면에서의 화이트가 시야각 방향에서 어두워지는 것을 의미한다. 어둠 상태 또한 비교해 보았을 때 광시야각 모드의 최대 빛샘의 70%인 0.014778의 빛샘이 시야각 60°이상에서 나타났던 것에 비해 협시야각 모드에서는 이에 해당하는 빛샘이 시야각 10° 이상에서 나타나는 것으로 보아 정면 외 방향에서는 급격히 빛이 샘을 알 수 있다. 이로 인해 명암대비율 5 이상인 영역이 협시야각 모드에서 시야각 20°에 제한되고, 광시야각 모드는 70° 이상에서 나타남을 알 수 있다.

서술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표 시소자는 하이브리드 배열된 음의 액정을 사용하고 상부 쪽에 공통 전극을 도입함으로써 광시야각 모드와 협시야각 모드의 전환이 가능한 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시소자를 제작할 수 있게 하였다.

이러한 시야각 제어를 위하여 도입된 상부 제 2 공통 전극은 패턴되지 않은 Plane 형태 대신에, 패턴된 공통 전극의 형태로 시야각 조절 액정표시소자에 적용할 수 있다. 그러나 패턴된 공통 전극을 사용한 경우, 발생되는 경사전기장으로 인해 어둠 상태의 빛샘이 유발되므로 필름 보상을 사용하거나 패턴된 전극 간 간격을 작게 가져가야 한다는 특징을 지닌다.

또한 이 패널의 유효 위상지연값은 협시야각의 어둠 상태를 가져올 수 있는 위상지연 범위 내에서 제작이 이루어져야 하며 프린지 필드 전극(Fringe-field electrode)의 폭과 전극 간격은 광시야각과 협시야각의 중요 정도에 따라 조정가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시소자를 개략적으로 보여주는 단면도

도 2는 본 발명에 따른 협시야각 및 광시야각의 시야각 조절 액정표시소자의 어둠 상태의 액정 배열을 설명하기 위한 도면

도 3a는 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 시야각 조절 액정표시소자의 평면도

도 3b는 도 3a의 A-A' 선에 따른 본 발명의 단면도

도 4은 본 발명에 따른 시야각 조절 액정표시소자의 광시야각 대비 협시야각 모드에서 빛이 누설되는 현상을 설명하는 도면

도 5는 본 발명에 따른 시야각 조절 액정표시소자의 시야각에 따른 휘도 특성 및 명암 대비율 곡선을 보여주는 도면

Claims (3)

1. 상부 편광판과;

   상기 상부 편광판의 하부에 위치한 상부 기판과;

   상기 상부기판의 하부에 위치한 패턴되지 않은 플레인(Plane) 형태의 상부 제 2 공통 전극과;

   상기 제 2 공통전극 하부에 위치한 수직배향막과;

   상기 수직배향막 하부에 위치한 상부는 수직배향, 하부는 수평 배향된 하이브리드 액정 층과;

   상기 하이브리드 액정 층 하부에 위치한 수평배향막과;

   상기 수평배향막 하부에 위치한 패턴된 화소 전극과;

   상기 화소 전극 하부에 위치한 절연층과;

   상기 절연층 하부에 평면 형태의 제 1 공통 전극과;

   상기 공통 전극 하부에 위치한 하부 기판과;

   상기 하부 기판 하부에 위치한 하부 편광판으로 이루어진 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 수평배향막 하부에 위치한 패턴된 화소 전극에서;

   단위 화소마다 화소 전극의 패턴을 달리하여 전기장의 방향이 다른 이중 도 메인 이상의 멀티 도메인으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시소자.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에서,

   상기 보호막 위에 위치한 제 1 및 제 2 부화소 전극으로 분할된 화소 전극(pixel electrode)에서;

   분할된 화소 전극은 투과율 및 시인성의 향상을 위해 크기와 형태가 달라질 수 있는 것을 특징으로 하는 다중 도메인 액정 표시 장치.

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