KR20100053169A - 광학적으로 등방성인 액정혼합물을 이용한 액정표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학적으로 등방성인 블루상액정을 포함한 나노구조를 갖는 액정혼합물(Nanostructured Liquid crystal Composite)을 수평 전계 방식(In-Plane Switching Mode:IPS)에 적용한 액정표시소자에 관한 것이다. 종래에 하부 기판 표면에만 전극이 존재하는 IPS 구동방식으로는 높은 구동전압을 갖는데 반해 본 발명에서는 구동 전극의 두께를 높이거나 격벽형태의 전극을 적용하여 낮은 소비전력을 갖는 액정 표시장치를 제공 할 수 있다.

액정표시소자, 구동전압, 나노구조를 갖는 액정혼합물(Nanostructured Liquid crystal Composite), 블루상 액정, 수평전기장

Description

광학적으로 등방성인 액정혼합물을 이용한 액정표시소자{Liquid Crystal Display using Optically-isotropic Liquid crystal Mixtures}

본 발명은 광학적으로 등방성인 블루상액정을 포함한 나노구조를 갖는 액정혼합물을 IPS모드 액정표시소자에 응용하기 위한 것으로, 특히 낮은 전압으로 강한 수평전기장을 만들기 위해 구동전극의 두께를 조절한 액정표시소자에 관한 것이다.

도 1a 내지 도 1e는 블루상 액정의 구조와 광학적 상태이다.

도시한 바와 같이 광학적으로 등방성인 블루상 액정은 콜레스테릭 네마틱 액정상과 등방성 액정 사이의 온도범위에 존재하는 액정상으로 격자구조(a, b)를 갖고 격자 내부에 실린더(c)가 존재하며 그 실린더 내부에 카이랄 도판트에 의해 액정이 꼬여있는 형태로, 전압을 인가하기 전에는 광학적으로 등방상태(d)이다. 하지만 전압을 인가하게 되면 아래 식에서 볼 수 있듯이 외부에 형성된 전기장에 의해 굴절율 이방성이 발생(e)하여 밝음 상태를 구현할 수 있게 된다.

△n=λKE²

△n = 유도 굴절율 이방성

λ= 사용된 광원의 파장

K = Kerr 상수

E = 전기장

하지만 블루상 액정이 존재하는 온도범위가 1도 내외로 매우 좁아 디스플레이로 활용하기 부적합하여 최근에는 블루상 액정에 자외선을 이용하여 고분자네트워크를 형성해 상온에서의 존재범위를 확대하는 기술이 발전됨에 따라 광학적으로 등방성인 블루상 액정을 포함하여 나노구조를 갖는 액정 혼합물을 디스플레이로 활용하려는 기술이 시도되고 있다. 하지만 여전히 블루상 액정을 이용할 경우 마이크로초의 빠른 응답속도에도 불구하고 고분자 네트워크에 갇혀 있는 액정을 구동시켜야 하기 때문에 종래 IPS를 사용하여 구동할 경우 80V에 가까운 높은 구동전압이 필요하다.

본 발명에서는 광학적으로 등방성인 블루상액정을 포함한 나노구조를 갖는 액정혼합물을 이용한 액정 디스플레이의 응용에 있어 구동전압을 낮추기 위해 격벽전극을 갖는 IPS구조를 사용하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 구동전극의 두께를 수 마이크로미터 이상으로 증착하여 패턴할 수 있으며, 또한 하부기판에 고분자를 사용하여 격벽을 형성하고 상기 고분자 격벽의 측면에 투명전극을 증착하여 격벽형태의 전극을 형성할 수 있으며 이러한 격벽 전극은 수 마이크로미터에서 셀 갭만큼의 높이를 갖도록 형성하여 지주(column)역할을 하면서 동시에 강한 수평전기장을 형성하여 낮은 구동전압에서도 구동이 가능한 액정표시장치를 제공한다.

본 발명은 구동전극의 두께를 증가시킴으로써 낮은 구동전압에도 액정을 동작시킬 수 있어 실용화되었을 경우 소비전력을 크게 낮출 수 있는 액정 표시장치를 제공할 수 있다. 또한, 광학적으로 등방성인 블루상 액정을 포함한 나노구조를 갖는 액정 혼합물을 사용한 디스플레이를 구동할 경우 현재 기술로는 접근이 불가능한 마이크로초의 응답속도로 동영상을 구현함으로써 자연스러운 동화상을 갖는 액정 표시장치를 제공할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

실시예 1

본 발명의 제 1 실시예는 전기장에 의해서 광학적으로 등방성인 블루상 액정을 포함한 나노구조를 갖는 액정혼합물을 사용한 디스플레이 구현에 있어 수평전기장의 세기를 강화하기위해 격벽전극을 사용한 IPS 액정 표시소자에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 대표도로 격벽형태의 전극에 의해 수평전계방식으로 구동되는 액정표시소자의 단면도이다.

도시한바와 같이, 하부에 편광판(6)을 갖으며 상기 하부편광판 윗면에 하부기판(5)이 존재하고 상기 하부기판의 윗면에 격벽형태의 공통전극(1)과 격벽형태의 화소전극(2)이 평행하게 존재하고 상기 윗면에 상부기판(4)이 존재하며 상기 상부기판 윗면에 하부 편광판(6)과 90도로 교차된 편광판(3)이 부착되어 있다. 도시한 바와 같이 구동전극의 두께가 수 마이크로미터에서 셀 갭만큼의 높이(h)를 갖으며 상부기판과 하부기판 사이의 셀 갭(cell gap)을 유지하면서 전극으로 사용할 수 있다. 공통전극(1)과 화소전극(2)의 구성에 있어 격벽 전체는 불투명하거나 투명한 금속을 사용할 수 있다. 상부기판(4)과 하부기판(5)사이에는 고분자 네트워크에 의해서 상안정화가 이루어진 나노구조를 갖는 액정혼합물이 포함되며, 이때 사용되는 액정으로는 5CB(p-n pentyl-p'-cyanobiphenyl), JC-1041(치소)등이 가능하며, 카이랄 도판트(chiral dopant)로는 ZLI-4572(머크),ISO-(60BA)2, CB-15등이 사용될 수 있으며, 자외선 경화를 통해 단분자를 고분자로 형성시켜 블루상을 안정화시키기 위해 사용되는 단분자로는 RM275, EHA등이 사용될 수 있고, 광 개시제로는 Trimethylopropane triacrylate등이 사용될 수 있다. 이들의 구조는 아래와 같다.

액정 5CB(p-n pentyl-p'-cyanobiphenyl)

액정 JC-1041

카이랄 도판트(chiral dopant) ZLI-4572

카이랄 도판트(chiral dopant) ISO-(60BA)2

카이랄 도판트(chiral dopant) CB-15

모노머 RM-257

모노머 EHA (2-Ethylhexyl Acrylate)

광 개시제 (Trimethylopropane triacrylate)

도 3는 도 2에서 제시한 격벽전극을 갖는 IPS 액정 표시소자의 단위화소(10)를 나타내는 평면도이다.

도시한 바와 같이, 투명 유리기판 또는 플라스틱 기판위에 격벽형태의 공통전극(1)을 형성시키고 게이트 라인(9), TFT(8)층과 절역막 층을 형성한 후 화소전극(2)을 공통전극과 평행한 방향으로 격벽형태로 형성시킨다. 이때 데이터 버스 라인(7)과 게이트 버스 라인(9)은 전극의 높이를 제한하지 않는다.

도 4a 및 도 4b는 블루상 액정을 포함하여 나노구조를 갖는 액정혼합물을 전기장에 의해 구동하는 원리를 보여주고 있다.

도시한 바와 같이 전압이 인가되지 않은 상태에서 공통전극(1)과 화소전극(2) 사이에 있는 액정 혼합물은 광학적으로 등방한 상태를 갖으며(도 4a 참조) 전압이 인가되면 공통전극(1)과 화소전극(2)사이에 형성되는 강한 전기장에 의해 전기장방향으로 액정 혼합물에 유도 굴절율이 발생하여 광학적으로 비등방한 상태를 갖으며(도 4b 참조) 밝음 상태를 구현한다.

도 5a는 일반적인 IPS 모드에서의 전기장 세기를 나타내고, 도 5b는 본 발명에서 제안한 격벽전극을 갖는 IPS모드에서의 전기장 세기를 보여주는 그래프이다. 일반적인 IPS 모드에서는 전기장의 세기가 전극 윗부분뿐만 아니라 공통전극(1)과 화소전극(2) 사이에서도 균일하지 않으며 기판에 대한 수직거리에 따른 전기장의 세기가 균일하지 않음을 확인할 수 있다. 본 발명에서 제안한 격벽전극은 전극 윗면에서뿐만 아니라 공통전극과 화소전극사이에서도 기판에 대한 수직거리에 따른 전기장의 세기가 균일하며 그 세기 또한 일반적인 IPS 모드에 비해 상대적으로 크기 때문에 블루상 액정을 포함한 나노구조를 갖는 액정혼합물을 사용한 디스플레이 구동에 있어 구동전압이 감소될 것으로 예상되며 따라서 3D 시뮬레이션을 통하여 도 6에서 구동전압을 비교하였다.

도 6는 일반적인 IPS 모드와 제안된 격벽전극을 갖는 IPS 모드에서 블루상액정을 포함한 나노구조를 갖는 액정혼합물을 사용하여 시뮬레이션을 통해 살펴본 전압에 따른 투과율 그래프이다.

일반적인 IPS 모드의 경우 구동전압이 77V로 매우 높지만 제안된 격벽전극을 갖는 IPS 모드의 경우 구동전압이 49V로 감소함을 확인 할 수 있다. 즉 격벽전극을 사용하여 블루상을 포함한 액정혼합물을 사용한 디스플레이 구동에 있어 일반적인 IPS 모드에 비해 구동전압을 47% 까지 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 금속을 사용하여 공통전극과 화소전극의 두께를 수 마이크로미터보다 높으며 셀 갭보다 작아 전극이 상부기판에 닿지 않게 형성된 IPS 모드의 단면도이다.

도시한 바와 같이, 하부에 편광판(6)을 갖으며 상기 하부편광판 윗면에 하부기판(5)이 존재하고 상기 하부기판의 윗면에 공통전극(1)과 화소전극(2)이 평행하게 존재하고 상기 윗면에 상부기판(4)이 존재하며 상기 상부기판 윗면에 하부 편광판(6)과 90도로 교차된 편광판(3)이 부착되어 있다. 이때 구동전극(1, 2)의 높이는 수 마이크로미터이상으로 상부기판(4)에 닿지 않는다. 따라서 구동전극의 높이(h′)는 도 2에서의 구동전극의 높이(h)보다 작은 값을 갖는다.

실시예 2

본 발명의 제 2 실시예는 전기장에 의해서 광학적으로 등방성인 블루상 액정을 포함한 나노구조를 갖는 액정혼합물을 사용한 디스플레이 구현에 있어 수평전기장의 세기를 강화하기위해 내부에 고분자 기둥(1′)이 존재하며 고분자 기둥의 표면에 투명하거나 불투명한 금속박막이 증착되어 있는 격벽전극을 사용한 IPS 액정 표시소자에 관한 것이다.

도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 격벽 내부에 고분자기둥을 갖으며 격 벽전극의 높이가 수 마이크로미터에서 셀 갭까지의 높이를 갖는 IPS 모드의 단면도이다.

도시한 바와 같이, 구동전극(1, 2)내부에 고분자 기둥(1′)이 존재하는 격벽형태의 전극에 의해 수평전계방식으로 구동되는 액정표시소자의 단면도를 보여주고 있다. 하부에 편광판(6)을 갖으며 상기 하부편광판 윗면에 하부기판(5)이 존재하고 상기 하부기판의 윗면에 격벽형태의 공통전극(1)과 격벽형태의 화소전극(2)이 평행하게 존재하고 상기 윗면에 상부기판(4)이 존재하며 상기 상부기판 윗면에 하부 편광판(6)과 90도로 교차된 편광판(3)이 부착되어 있다. 도시한 바와 같이 구동전극(1, 2)의 두께가 수 마이크로미터에서 셀 갭만큼의 높이(h)를 갖으며 상부기판과 하부기판 사이의 셀 갭(cell gap)을 유지하면서 전극으로 사용할 수 있다. 공통전극(1)과 화소전극(2)의 구성에 있어 격벽의 내부에 고분자 기둥(1′)이 존재하며 고분자 기둥의 표면에는 투명하거나 불투명한 금속박막이 증착되어 격벽전극을 형성할 수 있다. 상부기판(4)과 하부기판(5)사이에는 고분자 네트워크에 의해서 상안정화가 이루어진 나노구조를 갖는 액정혼합물이 포함되며, 이때 사용되는 액정으로는 5CB(p-n pentyl-p'-cyanobiphenyl), JC-1041(치소)등이 가능하며, 카이랄 도판트(chiral dopant)로는 ZLI-4572(머크),ISO-(60BA)2, CB-15등이 사용될 수 있으며, 자외선 경화를 통해 단분자를 고분자로 형성시켜 블루상을 안정화시키기 위해 사용되는 단분자로는 RM275, EHA등이 사용될 수 있고, 광 개시제로는 Trimethylopropane triacrylate등이 사용될 수 있다.

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 격벽 내부에 고분자기둥을 갖으며 격 벽전극의 높이가 수 마이크로미터에서 셀 갭보다 작아 전극이 상부기판에 닿지 않게 형성된 IPS 모드의 단면도이다.

도시한 바와 같이, 하부에 편광판(6)을 갖으며 상기 하부편광판 윗면에 하부기판(5)이 존재하고 상기 하부기판의 윗면에 공통전극(1)과 화소전극(2)이 평행하게 존재하고 상기 윗면에 상부기판(4)이 존재하며 상기 상부기판 윗면에 하부 편광판(6)과 90도로 교차된 편광판(3)이 부착되어 있다. 공통전극(1)과 화소전극(2)의 구성에 있어 격벽의 내부에 고분자 기둥(1′)이 존재하며 고분자 기둥의 표면에는 투명하거나 불투명한 금속박막이 증착되어 격벽전극을 형성할 수 있다. 이때 구동전극(1, 2)의 높이는 수 마이크로미터이상으로 상부기판(4)에 닿지 않는다. 따라서 구동전극의 높이(h′)는 도 8에서의 구동전극의 높이(h)보다 작은 값을 갖는다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명이 속하는 기술인 블루상 액정의 구조와 광학적 상태의 도면

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 격벽전극을 갖는 수평전계방식(IPS)에 의해 구동되는 액정표시소자의 단면도

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 격벽전극을 갖는 IPS 액정 표시소자의 단위화소를 나타내는 평면도

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블루상 액정을 포함하여 나노구조를 갖는 액정혼합물을 전기장에 의해 구동하는 원리를 보여주는 모식도

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 일반적인 IPS 모드에서의 전기장 세기(a)와 본 발명에서 제안한 격벽전극을 갖는 IPS모드에서의 전기장 세기(b)를 보여주는 그래프.

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 일반적인 IPS 모드와 제안된 격벽전극을 갖는 IPS 모드에서 블루상액정을 포함한 나노구조를 갖는 액정혼합물을 사용하여 3D시뮬레이션을 통해 살펴본 전압에 따른 투과율 그래프.

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 금속을 사용하여 공통전극과 화소전극의 두께를 수 마이크로미터보다 높으며 셀 갭보다 작아 전극이 상부기판에 닿지 않게 형성된 IPS 모드의 단면도

도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 격벽 내부에 고분자기둥을 갖으며 격벽전극의 높이가 수 마이크로미터에서 셀 갭까지의 높이를 갖는 IPS 모드의 단면도

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 격벽 내부에 고분자기둥을 갖으며 격벽전극의 높이가 수 마이크로미터에서 셀 갭보다 작아 전극이 상부기판에 닿지 않게 형성된 IPS 모드의 단면도

Claims (4)

1. 수평 전계 방식(In-Plane Switching Mode)에 의해 광학적으로 등방성인 블루상 액정을 포함하여 나노구조를 갖는 액정혼합물(Nanostructured Liquid crystal Composite)을 이용한 액정표시소자에 있어서,

   투명한 기판을 사용하는 하부기판과;

   상기 하부기판 상부에 투명하거나 불투명한 금속의 격벽형태의 공통전극과 화소전극을 포함하고,

   상기 공통전극과 화소전극의 높이가 수 마이크로미터 이상에서 셀 갭의 높이까지를 갖으며,

   상기 화소 전극에 연결된 박막 트랜지스터를 통해 전압을 인가하여 격벽형태의 공통전극과 화소 전극 간에 수평전기장이 형성되게 하고,

   상기 화소전극 상부에 위치한 액정층은 초기 광학적으로 등방성을 가지며 전압 인가에 의해 광학적 이방성을 갖고,

   상기 액정층 상부에 위치한 상부 투명기판을 더 포함하며;

   상, 하부 기판에 투과축이 교차된 편광판을 사용하는 것을 특징으로 하는

   광학적으로 등방성인 액정혼합물을 이용한 액정표시소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 화소전극과 공통전극의 높이는 수 마이크로미터 이상의 두께를 갖으며, 상부기판으로부터 이격되게 형성되는 광학적으로 등방성인 액정 혼합물을 이용한 액정표시소자.
3. 수평 전계 방식(In-Plane Switching Mode)에 의해 광학적으로 등방성인 블루상 액정을 포함하여 나노구조를 갖는 액정혼합물(Nanostructured Liquid crystal Composite)을 이용한 액정표시소자에 있어서,

   투명한 기판을 사용하는 하부기판과;

   상기 하부기판 상부에 위치한 공통전극과 화소전극이 내부에 고분자 기둥을 갖으며 표면에 투명하거나 불투명한 금속박막을 포함하고,

   상기 공통전극과 화소전극의 높이가 수 마이크로미터 이상에서 셀 갭의 높이까지를 갖으며,

   상기 화소 전극에 연결된 박막 트랜지스터를 통해 전압을 인가하여 격벽형태의 공통전극과 화소 전극 간에 수평전기장이 형성되게 하고,

   상기 화소전극 상부에 위치한 액정층은 초기 광학적으로 등방성을 가지고 있고 전압 인가에 의해 광학적 이방성을 갖고,

   상기 액정층 상부에 위치한 상부 투명기판을 더 포함하며;

   상, 하부 기판에 투과축이 교차된 편광판을 사용하는 것을 특징으로 하는

   광학적으로 등방성인 액정혼합물을 이용한 액정표시소자.
4. 제 3항에 있어서, 상기 화소전극과 공통전극의 높이는 수 마이크로미터 이상의 두께를 갖으며, 상부기판으로부터 이격되게 형성되는 광학적으로 등방성인 액정 혼합물을 이용한 액정표시소자.

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