KR20100099950A - 에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치 - Google Patents

에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치 Download PDF

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KR20100099950A
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이승희
진미형
임영진
김진호
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 에프에프에스 모드(Fringe-field switching: 이하 FFS라 칭함)를 이용한 시야각 조절이 가능한 액정표시장치에 관한 것으로, 하나의 패널로 시야각 조절이 가능하면서도 광효율 및 개구율 감소가 없는 시야각 조절 장치를 제안하였다. 본 발명은 화소를 4개로 분할하여 레드(Red: 이하 R로 칭함), 그린(Green: 이하 G로 칭함), 블루(Blue: 이하 B로 칭함) 컬러필터가 코팅된 3화소는 패널의 메인 이미지를 표현하는 영역으로 사용하고, 컬러필터를 형성시키지 않은 화이트(White: 이하 W로 칭함) 화소는 상부 제 2 공통 전극을 위치시켜 시야각을 조절하는 영역으로 사용한다. 이때, 시야각을 조절하는 영역인 W 화소 하부에 위치한 제1 공통전극과 화소전극으로 인해 광시야각이나 협시야각 모드일 때 W 화소의 정면에서도 계조표현이 가능한 것을 특징으로 한다.
시야각 조절, FFS 모드, 광 시야각 모드, 협 시야각 모드

Description

에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치 {Viewing angle controllable liquid crystal display using fringe-field switching mode}
본 발명은 시야각 조절이 가능한 액정표시장치에 관한 것으로 R, G, B의 컬러필터를 코팅한 화소는 정보를 표현하는 메인 화소로 사용하고, 컬러필터를 코팅하지 않은 W 화소는 상부에 추가적인 제 2 공통 전극을 위치시켜 시야각을 조절하는 화소로 사용하도록 제안한 액정표시장치에 관한 것이다. 또한, W 화소에 위치한 액정은 하부 FFS 전극의 프린지 필드를 통해 액정이 회전하여 계조표현을 할 수 있기 때문에, 단일패널을 이용하면서도 광효율이 우수한 시야각 조절이 가능한 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치는 액정의 전기광학적 특징과 편광판의 편광성질을 이용하여 통과하는 빛의 양을 조절함으로써 정보를 표시하는 장치이다. 액정표시장치에 사용되는 액정은 바라보는 각도에 따라 액정의 굴절율 이방성이 변해 위상차 값이 달라지게 되어 정면 외 시야각 방향에서는 이미지 왜곡 현상이 발생한다. 이에 정면 외 시야각 방향에서도 고화질의 화상을 표현하기 위해서 액정표시장치의 시야각 향상 기술에 대한 많은 연구가 진행 중에 있다. 액정표시장치의 충분한 시야각 확보에 대한 기술은 디스플레이 시장에 긍정적인 효과를 얻었으나, 액정표시장치가 휴대용 디스플레이에 응용되면서 사용자의 사용 환경에 따라 개인 정보의 누출 또는 사생활 침해라는 새로운 문제점이 발생했다.
다양한 방향에서 고화질의 화상을 표현하는 광 시야각 특징에 대한 긍정적인 효과와 사생활 보호 효과를 모두 만족하기 위해서, 최근 고정된 시야각 특징을 사용자의 필요에 따라 임의로 광 시야각 혹은 협 시야각 모드로 조절할 수 있는 시야각 조절이 가능한 액정표시장치에 관한 연구가 진행되고 있다. 기존 시야각 조절이 가능한 액정표시장치의 기술에 있어서, 하나의 화소를 정보를 표현하는 메인 화소와 어둠상태의 빛샘을 조절하여 시야각을 조절하는 보조 화소로 나누는 화소 분할 방법이 보고되었다. 이 기술은 보조 화소에 추가되는 상부 공통 전극과 하나의 화소를 두개로 분할하기 때문에 제조비용 상승 및 공정상의 복잡함을 초래하며, 보조 화소는 시야각 방향에서 어둠 상태의 빛샘만을 조절하기만 하고 정면에서의 계조표현을 할 수 없기 때문에 개구율 및 광효율이 감소하는 단점을 가진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개구율 및 광 효율의 감소 없이 사용자의 필요에 따라 협 시야각 모드와 광 시야각 모드를 선택할 수 있는 단일 패널을 이용한 시야각 조절이 가능한 액정표시장치이며, 제조 비용의 상승과 공정상의 복잡함을 최소화한 액정표시장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 각각의 화소를 분할하지 않고 R, G, B 화소는 주화소로 사용하고 W 화소에는 상부에 추가적인 제 2 공통 전극을 위치시켜 시야각을 조절하는 화소로 사용하는 액정표시장치를 제공한다. 상부 제 2 공통 전극에 전압을 인가하지 않으면, W 화소의 액정은 초기 수평하게 배열되어 어둠상태를 표현하기 때문에 정면 외 시야각 방향에서 어둠상태의 빛샘이 적어 광 시야각 모드를 표현할 수 있다. 상부 제 2 공통 전극에 일정 전압을 인가하면, W 화소의 액정은 수직 전기장 방향으로 배열되어 어둠상태를 표현하기 때문에 정면 외 시야각 방향에서 어둠상태의 빛샘을 초래하여 협 시야각 모드를 표현한다. 하부 FFS 전극에 문턱전압 이상의 전압을 인가하면 W 화소의 액정은 기판에 수평하게 회전하여 밝음 상태를 나타내 정보를 표현할 수 있기 때문에 액정표시장치의 광효율이 높다.
본 발명은 기존 모든 화소를 분할했던 기술에 비하여 제조 공정 면에 있어서 유리한 특징을 갖는 시야각 조절이 가능한 액정표시장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 시야각 조절용 화소인 W 화소는 밝음 상태를 표현할 수 있기 때문에 광 효율 마진을 증가시킬 수 있는 장점을 가진다.
또한, 본 발명은 W 화소는 빛이 컬러필터를 통과하지 않기 때문에 R, G, B 화소보다 밝음 상태에 있어 광효율이 높은 장점을 가진다.
또한, 본 발명은 정면 외 시야각 방향에서 어둠상태의 빛샘의 양을 조절함으로써 광 시야각 모드와 협 시야각 모드를 확보하였기 때문에 시야각 제어가 용이하다는 장점을 가진다.
본 발명의 R, G, B 화소는 정보를 표현하는 주화소로 사용하고 W 화소는 상부에 추가적인 제 2 공통 전극을 위치하여 하부 전극과 상부 전극간에 전압 차에 따라 액정이 수평 혹은 수직 방향으로 어둠 상태를 표현하도록 하여 시야각을 조절하는 화소로 제안한 액정표시장치에 대한 것을 요지로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
실시 예 1
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시야각 조절이 가능한 액정표시장치를 설명하기 위한 평면도이다. 도시한 바와 같이, R, G, B, W 화소는 게이트 배선(1)과 데이터 배선(2)가 수직하도록 배열되어 있으며, 상기 게이트 배선(1)과 데이터 배 선(2)의 교차부에는 스위칭 소자(100)가 형성된다. 상기 게이트 배선(1)과 평행하게 배치되는 공통 전극 신호배선(5)에 연결된 제 1 공통 전극(3)은 평면 형태이며, 상기 제 1 공통 전극(3) 상부에 세로방향의 격자 형상(9)을 포함하는 화소 전극(4)이 위치한다. W 화소에는, 상기 제 1 공통 전극(3)과 상기 화소 전극(4)의 상부에는 평면 형태의 제 2 공통 전극(7)이 형성된다.
하부 어레이 기판의 러빙방향은 상기 격자 방향(9)는 액정의 러빙 방향(8)과 이루는 각(10)이 0~±40도를 유지하도록 형성되는 것으로 구성한다. 러빙 공정 시 이상적인 방향과 서로 어긋남이 발생할 수 있기 때문에 한정하였으나 이 경우 정면에서의 빛샘이 발생할 수 있다.
화소 전극의 너비는 1~10㎛, 화소 전극간 거리는 1~20㎛의 일정 값으로 제안할 수 있으며, 필요에 따라 화소 전극과 전극간 거리의 폭을 조절함으로써 필요한 만큼의 광효율을 얻을 수 있다.
하부에 위치하는 제 1공통 전극(3)은 격자 형상을 포함하고, W 화소의 상부 기판에 위치한 제 2 공통 전극(7)도 격자 형상을 포함한 평면 형태가 될 수 있다.
W 화소에 위치하는 공통 제 2 전극(7)에 전압을 인가하였을 면, 액정의 기울임 각은 10±80도의 각을 이루도록 한 것으로 구성된다.
도 2a,2b는 도 1에서 A-A'의 단면도로써, 협 시야각 모드와 광 시야각 모드에서 어둠 상태의 액정 배열을 보여준다. 하부 편광판(13) 상부에는 제 1공통 전극(3)이 위치하고 상기 제 1공통 전극(3)의 상부에는 절연층(12)을 존재하며, 절연 체 층(Passivation layer)(12)의 상부에는 화소 전극(4)을 패턴하도록 한다. 화소 전극(4) 상부에는 액정을 수평하게 배열하는 배향막(11)이 존재하고, 배향막(11)의 상부에는 액정층(6)이 존재하고, 액정층(6)의 상부에는 제 2 공통 전극(7)이 위치하여 존재하여 상하부 기판의 수직 전기장에 따라 액정이 수평 혹은 수직으로 어둠상태를 유지하도록 제안한다. 제 2 공통 전극(7) 상부에는 상부 편광판(14)이 존재한다.
도 2a는 협 시야각 모드에서 어둠 상태의 액정 배열을 나타낸 것으로써, 제 2 공통 전극(7)에 일정한 전압을 인가하면 액정층(6)의 액정이 수직전기장(16)으로 인하여 액정의 기울임 각(15)이 발생하여 시야각 방향의 빛샘을 초래하게 된다. 도 2b는 광 시야각 모드에서 어둠 상태의 액정 배열을 나타낸 것으로써, 액정층(6)의 액정들은 상하부 기판에 수평하게 위치하여 어둠 상태를 표현하고 있기 때문에 정면 외 시야각 방향에서 빛샘의 양이 적어 다 각도에서도 고화질의 정보를 구현할 수 있다.
도 3은 W 화소의 상부기판에 위치한 제 2 공통 전극에 다양한 전압을 인가하였을 때, 시야각 방향에서 어둠상태의 빛샘을 확인한 것이다. 도 3을 참고하면, 상부 제 2 공통 전극에 전압을 인가할수록 어둠 상태에서 정면에서는 빛이 누설되지 않는 반면에, 좌우 시야각 방향에서는 빛이 점점 더 누설됨을 알 수 있으며 제 2 공통 전극에 2.5V를 인가하였을 때가 가장 많은 빛샘을 보여 정면에서의 명암 대비율이 큰 손실 없이도 협 시야각 모드가 구현될 수 있음을 확인할 수 있다.
협 시야각 모드를 표현하기 위한 상부의 제 2 공통 전극(7)의 일정한 전압은 각 화소의 화소 전극의 너비와 전극간 거리에 따라 변할 수 있으며, 본 발명에 있어서 제안한 전극 구조에서는 제 2 공통 전극(7)에 2.5V를 인가해야 가장 효과적인 협 시야각 모드를 표현할 수 있다.
도 4는 광 시약각 모드와 협 시야각 모드에서 어둠상태의 휘도를 나타낸 시뮬레이션 결과이다.
도 4 (가)는 본 발명에 따른 광시야각 모드에서 어둠 상태의 휘도를 나타낸 시뮬레이션 결과이며, 도 4(나)는 협 시야각 모드일 때의 어둠 상태의 휘도를 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 빛샘의 수치는 광 시야각 모드의 최대 빛샘을 기준으로 70%, 50%, 30%의 빛샘이 발생하는 영역을 나타낸다. 광시야각 모드의 어둠상태 일때의 정면에서의 빛샘을 수치로 표현하면 0.000092이고, 최대 빛샘을 수치로 표현하면 0.008085로써 정면대비 87%의 빛샘을 내고 있다. 광 시야각 모드에서 최대 빛샘의 70%인 영역의 수치는 0.0056595으로 시야각 50°이상에서 나타났던 것에 비해 협 시야각 모드에서는 이에 해당하는 빛샘이 시야각 약 10°이상에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 액정층(6)의 기울기 각(Tilt angle)의 발생으로 인해 좌우 시야각 방향에서 빛샘이 발생했다는 것을 예상할 수 있다. 시뮬레이션 결과를 토대로 관찰된 빛샘을 통하여 정면 외 좌우 시야각 방향에서 완벽하게 시야각의 범위를 조절할 수 있는 액정표시장치라고 할 수 있다.
실시 예 2
본 발명의 실시 예 2은 상기 실시 예와 다르게, 한 화소를 정보를 표현하는 주 화소와 시야각을 조절하는 보조 화소로 두 개로 나누어, 보조 화소의 상부에 추가적인 제 2 공통 전극을 둔 시야각 조절이 가능한 액정표시장치에 대해 개시한다. 보조 화소의 상부에 위치한 제 2 공통 전극에 전압을 인가하거나 제거함으로써, 정면 외 시야각 방향에서 어둠 상태의 빛샘을 조절하여 협 시야각 모드나 광 시야각 모드를 표현할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 5는 실시 예 2에 따른 단위 화소의 평면도로써, 한 화소 안에서 주 화소에는 데이터 배선(2)과 게이트 배선(1), 스위칭 소자(100)가 형성되며, 주 화소와 보조 화소로 이루어진 하나의 화소에는, 하나의 데이터 배선과 두 개의 게이트 배선, 두 개의 스위칭 소자가 필요하다. 보조 화소의 상부에는 추가적인 제 2 공통 전극을 통해 액정층의 기울기 각을 조절하여 협 시야각 모드과 광 시야각 모드를 조절할 수 있다. 하나의 화소는 게이트 배선(1)과 데이터 배선(2)가 수직하도록 배열되어 있으며, 상기 게이트 배선(1)과 데이터 배선(2)의 교차부에는 정보를 표현하는 주 화소의 스위칭 소자(200)가 형성되고, 데이터 배선(2)과 보조화소의 게이트 배선(20)의 교차부에는 시야각을 조절하는 보조 화소의 스위칭 소자(200)가 형성된다. 주 화소에 위치하며, 상기 게이트 배선(1)과 평행하게 배치되는 공통 전극 신호배선(5)에 연결된 제 1 공통 전극(3)은 평면 형태이며, 상기 제 1 공통 전극(3) 상부에 세로방향의 격자 형상(9)을 포함하는 화소 전극(4)이 위치한다. 보조 화소에는, 보조화소의 공통 전극(21)과 보조화소의 화소 전극(22)의 상부에 평면 형태의 제 2 공통 전극(7)이 형성된다.
도 6은 실시예 2에 따른 다른 예시에 대한 단위 화소의 평면도로써, 하나의 단위 화소에는 하나의 게이트 배선과 두 개의 데이터 배선, 두 개의 스위칭 소자를 형성한다. 보조 화소의 상부에는 추가적인 제 2 공통 전극을 형성하여 디스플레이 이미지에대한 시야각 범위를 조절할 수 있다. 하나의 화소는, 게이트 배선(1)과 데이터 배선(2)가 수직하도록 배열되어 있으며 상기 게이트 배선(1)과 데이터 배선(2)의 교차부에는 정보를 표현하는 주 화소의 스위칭 소자(200)가 형성되고, 게이트 배선(1)과 보조화소의 데이터 배선(24)의 교차부에는 시야각을 조절하는 보조 화소의 스위칭 소자(200)가 형성된다. 주 화소에 위치하며, 상기 게이트 배선(1)과 평행하게 배치되는 공통 전극 신호배선(5)에 연결된 제 1 공통 전극(3)은 평면 형태이며, 상기 제 1 공통 전극(3) 상부에 세로방향의 격자 형상(9)을 포함하는 화소 전극(4)이 위치한다. 보조 화소에는, 보조화소의 공통 전극(21)과 보조화소의 화소 전극(22)의 상부에 평면 형태의 제 2 공통 전극(7)이 형성된다.
주 화소와 보조 화소의 하부 어레이 기판의 러빙방향은 상기 격자 방향은 액정의 러빙 방향과 이루는 각이 0~±40도를 유지하도록 형성되는 것으로 구성한다.
화소 전극의 너비는 1~10㎛, 화소 전극간 거리는 1~20㎛의 일정 값으로 제안할 수 있으며, 필요에 따라 화소 전극과 전극간 거리의 폭을 조절함으로써 필요한 만큼의 광효율을 얻을 수 있다.
주 화소의 하부에 위치하는 제 1공통 전극(3)은 격자 형상을 포함하고, W 화소의 상부 기판에 위치한 제 2 공통 전극(7)도 격자 형상을 포함한 평면 형태가 될 수 있다.
보조 화소에 위치하는 공통 제 2 전극(7)에 전압을 인가하였을 면, 액정의 기울임 각은 10±80도의 각을 이루도록 한 것으로 구성된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예로서 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정치 않으며 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예 1에 따른 FFS 모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치를 설명하기 위한 R, G, B, W 화소의 평면도.
도 2a는 협 시야각 모드에서 어둠 상태의 액정 배열을 보여주는 도 1의 A-A' 선의 단면도.
도 2b는 광 시야각 모드에서 어둠 상태의 액정 배열을 보여주는 도 1의 A-A' 선의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 W화소의 제 2 공통 전극에 전압이 인가됨에 따라 시야각 방향에서 빛샘을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 어둠 상태에서 시야각 방향에 따른 휘도 특성을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예 2에 따른 데이터 라인을 공유하는 FFS 모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치를 설명하기 위한 화소의 평면도.
도 6은 본 발명의 실시 예 2에 따른 게이트 라인을 공유하는 FFS 모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치를 설명하기 위한 화소의 평면도.

Claims (8)

  1. R, G, B, W 컬러필터를 포함하는 4개의 단위화소를 갖는 FFS 모드에 있어서,
    하부기판과
    상기 하부 기판의 상부에 평면 형태로 위치하는 제 1 공통 전극과;
    상기 제 1 공통 전극 상부에 위치하여 격자형상을 포함한 화소 전극과;
    게이트 배선과 데이터 배선의 교차부에 형성하는 스위칭 소자와;
    상기 화소 전극 상부에 위치하며, 수평배향된 액정 층과'
    상기 액정층에 위치하며, W 화소에만 위치하는 평면 형태의 제 2 공통 전극과;
    상기 제 2 공통 전극과 액정층 상부에 위치하는 상부 기판과;
    상기 화소 전극의 격자방향과 하부 어레이 기판의 액정 러빙 방향과의 각이 0±40도의 각을 이루도록 하는 에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 평면 형태의 제 2 공통 전극에 있어서,
    슬릿 형상을 포함하는 제 2 공통 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 화소 전극의 격자 패턴에 있어서 화소 전극의 폭은 1~10㎛의 값을 갖고 전극간 거리는 1~20㎛의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치.
  4. 제 1항, 제 2항, 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    W화소에 위치한 공통 제 2 전극에 전압을 인가하였을 때, 액정의 기울임 각이 10±80도의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치.
  5. 하부기판과;
    상기 하부 기판 상부의 일부 영역에 위치하는 평면형태의 제 1 공통 전극과;
    상기 제 1 공통 전극 상부에 위치하며 격자 형상을 포함하는 화소 전극과;
    상기 제 1 공통 전극 영역이 아닌 나머지 영역에 평면 형태로 위치하는 보조 화소의 공통 전극과;
    상기 보조 화소의 공통 전극 상부에 위치하여 격자 형상을 포함하는 보조 화소의 화소 전극과;
    각 화소에 신호를 전달하기 위해 두 개의 게이트 배선과 한 개의 데이터 배선을 형성하는 것과;
    상기 두 개의 게이트 배선과 한 개의 데이터 배선의 교차부에 각각 형성하는 두 개의 스위칭 소자와;
    상기 화소 전극 상부에 위치하며 수평배향된 액정 층과;
    상기 액정층에 위치하며 보조 화소에만 위치하는 평면형태의 제 2 공통 전극과;
    상기 화소 전극의 격자방향과 하부 어레이 기판의 액정 러빙 방향과의 각이 0±40도의 각을 이루는 에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치.
  6. 하부기판과;
    상기 하부 기판 상부의 일부 영역에 위치하는 평면형태의 제 1 공통 전극과;
    상기 제 1 공통 전극 상부에 위치하며 격자 형상을 포함하는 화소 전극과;
    상기 제 1 공통 전극 영역이 아닌 나머지 영역에 평면 형태로 위치하는 보조 화소의 공통 전극과;
    상기 보조 화소의 공통 전극 상부에 위치하여 격자 형상을 포함하는 보조 화소의 화소 전극과;
    각 화소에 신호를 전달하기 위해 두 개의 데이터 배선과 한 개의 게이트 배선을 형성하는 것과;
    상기 두 개의 데이터 배선과 한 개의 게이트 배선의 교차부에 각각 형성하는 두 개의 스위칭 소자와;
    상기 화소 전극 상부에 위치하며 수평배향된 액정 층과;
    상기 액정층에 위치하며 보조 화소에만 위치하는 평면형태의 제 2 공통 전극 과;
    상기 화소 전극의 격자방향과 하부 어레이 기판의 액정 러빙 방향과의 각이 0±40도의 각을 이루는 에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치.
  7. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 화소 전극의 격자 패턴에 있어서 화소 전극의 폭은 1~10㎛의 값을 갖고 전극간 거리는 1~20㎛의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치.
  8. 제 6항, 제 7항, 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    W화소에 위치한 공통 제 2 전극에 전압을 인가하였을 때, 액정의 기울임 각이 10±80도의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 에프에프에스모드를 이용한 시야각 조절 액정표시장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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