KR20110032216A - 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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KR20110032216A
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김재창
윤태훈
이성룡
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 화소 외부에 폴리머 격벽(polymer wall)을 형성시키고 인가전압의 주파수에 따라 유전율 이방성의 부호가 변하는 이중주파수(dual-frequency) 액정을 사용하여 성능을 높인 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 복수개의 화소 영역들을 갖고 합착되는 상,하부 기판;상기 상,하부 기판 사이의 화소 영역과 그에 이웃하는 화소를 분리하는 화소 분리 영역에 형성되는 격벽;상기 화소 분리 영역에 형성된 격벽에 의해 분리되는 화소 영역에 주입되는 이중 주파수 액정층;을 포함한다.
LCD, 폴리머 격벽, 이중주파수 액정, 비등방적 상분리, 스플레이 상태, 밴드 상태

Description

듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법{Dual mode Liquid Crystal Display and Method for manufacturing the same}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 구체적으로 화소 외부에 폴리머 격벽(polymer wall)을 형성시키고 인가전압의 주파수에 따라 유전율 이방성의 부호가 변하는 이중주파수(dual-frequency) 액정을 사용하여 성능을 높인 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
액정표시장치의 동작원리는 광학적 이방성과 전기적 이방성을 가진 액정층에 인위적으로 전기장을 인가하여 분자 배열을 제어하는 것이다. 이 때, 액정층에 전압을 인가하지 않은 상태에서 하나의 안정 상태를 가지는 경우를 다이나믹 모드라고 하며, 두 가지 이상의 안정 상태를 가지는 경우를 메모리 모드라고 한다.
대표적인 다이나믹 모드의 액정표시장치로는 TN(twisted nematic), VA(vertical aligned), IPS(in-plane switching) 모드 등이 있으며 현재 모바일 폰(mobile phone) 등의 소형 디스플레이 기기에서부터 TV 등의 대형 디스플레이 기기까지 다양한 영역에 적용되고 있다.
한편, 메모리 모드의 경우 화면 전환 이외에서 전력소모가 없으므로 전자종 이 및 옥외광고판 등에 적합하며, cholesteric 및 BTN(Bistable Twisted Nematic), BiNem , ZBD(Zenithal Bistable Device), BCSN(Bistable Chiral Splay Nematic) 모드 등이 제안 및 연구되고 있다.
최근, 하나의 액정표시장치 패널에서 다이나믹(dynamic) 모드와 메모리(memory) 모드가 동시에 구현되는 듀얼모드 네막틱(nematic) 액정표시장치 및 그의 구동방법이 제안됐다.
듀얼모드 액정표시장치는 표시하고자 하는 정보의 종류에 따라 두 개의 모드를 스위칭하여 화면을 표시할 수 있으므로 동영상 컨텐츠(contents)의 경우 다이나믹 모드로 동작시키고, 텍스트 및 사진 컨텐츠의 경우 메모리 모드로 동작을 시킴으로써 디스플레이 소자의 전력 소모를 최소화할 수 있다.
도 1은 듀얼모드 액정표시장치의 구조를 나타낸 것이다.
액정층에 수직 전계와 수평 전계를 인가할 수 있도록 3전극 구조로 이루어져 있으며, 카이랄 첨가제가 포함되고 양의 유전율 이방성을 가지는 네마틱 액정을 포함한다.
3전극은 투명한 전도성 물질을 이용해서 형성되며 상부 통전극(top electrode), 하부 패턴전극(patterned electrode) 및 하부 통전극(bottom electrode)으로 이루어져 있고, 하부 패턴전극과 통전극 사이에는 절연층 (insulation layer)이 있다.
그리고 도 2는 듀얼모드 액정표시장치의 다이나믹 모드 및 메모리 모드 동작 원리를 나타낸 것이다.
상하기판의 배향방향이 동일하도록 합착된 셀 내부에 액정이 주입되면 최초 스플레이(splay) 상태를 가지며, 상부 통전극과 하부 통전극 사이에 전압을 인가함으로써 밴드(bend) 상태로 전이시킬 수 있다.
밴드 전이 이후 전압의 세기에 따라 액정 분자들의 기판에 대한 기울기를 제어하여 매우 빠른 응답특성을 가지는 다이나믹 모드로 동작이 가능하다.
수직전계를 제거하면 액정 분자들의 유체 효과에 의해 밴드 상태는 180°트위스트(π-twist) 상태가 된다. 이때, 카이랄 첨가제가 포함되지 않은 경우 180°트위스트 상태는 상대적으로 탄성 에너지가 매우 낮은 스플레이 상태로 되돌아가지만, 도 2의 듀얼모드 액정표시장치는 적절한 카이랄 첨가제를 포함시켰기 때문에 180°트위스트 상태를 오랜 시간동안 유지할 수 있다.
180°트위스트 상태를 다시 스플레이 상태로 스위칭 하기 위해서 하부 패턴전극과 하부 통전극 사이에 전압을 인가함으로써 패턴 전극 사이에서 발생하는 수평전계에 의해 스플레이 도메인이 형성되고 전압을 제거한 후 스플레이 도메인이 화소 전 영역으로 전파하여 최종적으로 스플레이 상태가 된다.
상기와 같이 스플레이와 180°트위스트 상태를 두 개의 안정 상태로 하는 메모리 모드 동작이 가능하다.
그러나 이와 같은 종래 기술의 듀얼모드 액정표시장치는 전기광학특성에서 개선해야 할 부분이 있다.
첫째, 스플레이 상태와 밴드 상태는 위상학적으로 서로 다르기 때문에 초기 스플레이 상태에서 밴드 상태로의 전이가 화소별로 불균일하다.
둘째, 메모리 모드 동작에서 수평 전계를 이용하여 180°트위스트 상태를 스플레이 상태로 전이시키는데, 이 과정에서 하판 패턴전극과 하판 통전극 사이에 전압을 인가하면 패턴 전극의 가장자리에서는 수평 전계가 나타나지만 패턴 전극의 중앙과 전극 사이에서는 수직 전계가 나타난다.
수평 전계가 나타나는 영역은 180°트위스트 상태가 스플레이 상태로 전이되지만, 수직 전계가 나타나는 영역은 전계가 제거된 후 여전히 180°트위스트 상태로 남는다.
상대적으로 낮은 에너지를 갖는 스플레이 영역은 전이핵 역할을 해서 180°트위스트 영역을 밀어내고 최종적으로 모든 화소 영역이 스플레이 상태가 된다. 이런 과정을 거쳐 모든 화소 영역이 스플레이 상태로 전이되기 위해서는 수 초 정도의 매우 느린 스위칭 시간을 가진다.
셋째, 수평 전계를 이용해서 180°트위스트 영역을 위상학적으로 서로 다른 상태인 스플레이 상태로 전이시키기 위해서는 30V 이상의 구동전압이 필요하다.
넷째, 화소와 화소 사이에는 전극이 없기 때문에 항상 스플레이 상태로 남아있게 된다. 따라서, 메모리 모드 동작 시 화소 외부의 스플레이 영역이 전이핵으로 작용해서 180°트위스트 상태의 유지시간을 단축시킨다.
이와 같은 문제들은 종래 기술의 듀얼모드 액정표시장치를 채택한 기기들의 성능을 저하시키게 된다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 듀얼모드 액정표시장치의 문제를 해결하기 위한 것으로, 화소 외부에 폴리머 격벽(polymer wall)을 형성시키고 인가전압의 주파수에 따라 유전율 이방성의 부호가 변하는 이중주파수(dual-frequency) 액정을 사용하여 성능을 높인 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 초기 180°트위스트 상태의 이중주파수 액정표시장치에 저주파수 영역의 전압을 인가하면 밴드 상태로 전이가 되며, 밴드 전이 이후 전압의 세기에 따라 액정 분자들의 기판에 대한 기울기를 제어하여 다이나믹 모드로 동작이 가능하도록 한 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 이중주파수 파형을 이용해서 스위칭 시킬 때 낮은 구동전압, 빠른 스위칭 시간을 갖는 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 화소와 화소 사이에 형성된 격벽이 화소 외부로부터 발생할 수 있는 전이핵을 차단시키는 역할을 하기 때문에 메모리 모드의 동작 시에 화면의 유지 시간을 길게 할 수 있도록 한 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 화소와 화소 사이에 형성된 격벽이 외부 압력에 의한 액정표시장 치의 셀갭 (cell-gap)의 변화와 화면의 왜곡을 저지시키는 역할을 할 수 있도록 한 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 복수개의 화소 영역들을 갖고 합착되는 상,하부 기판;상기 상,하부 기판 사이의 화소 영역과 그에 이웃하는 화소를 분리하는 화소 분리 영역에 형성되는 격벽;상기 화소 분리 영역에 형성된 격벽에 의해 분리되는 화소 영역에 주입되는 이중 주파수 액정층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 격벽은,액정과 단분자 물질의 비등방적 상분리를 이용하여 형성되거나, 등방형의 분자형태를 가지는 단분자 물질을 이용하여 형성되거나, 비등방형의 분자형태를 가지는 단분자 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 이중 주파수 액정층은, 중심 주파수(f c )를 기준으로 저주파수 영역에서는 양의 유전율 이방성을 갖고, 고주파수 영역에서 음의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 각각의 동작 모드에서 명암 대비비를 향상시키기 위한 위상 지연 필름층을 더 포함하고,상기 위상 지연 필름층은 액정층과 상부 편광판 사이에 삽입되거나, 액정층과 반사판 사이에 삽입되거나, 액정층과 하부 편광판 사이에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 이중 주파수 액정층은, 초기 180° 트위스트 상태에서 저주파수 영역의 전압을 인가하면 밴드 상태로 전이가 되며, 밴드 전이 이후 전압의 세기에 따라 액정 분자들의 기판에 대한 기울기를 제어하여 다이나믹 모드로 동작하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 이중 주파수 액정층에 인가되는 전압 파형은 저주파수 영역, 전압 미인가 영역, 고주파수 영역으로 구분되고, 저주파수 영역은 액정분자들의 기판에 대한 경사각을 높이는 역할, 고주파수 영역은 경사각을 낮추는 역할을 하고, 전압 미인가 영역을 조절해서 스위칭 시킬 안정 상태의 꼬인 방향을 결정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 합착된 상,하부 기판을 사이에 두고 서로 구성되는 상,하부 편광판을 더 포함하고, 상기 상부 편광판의 투과축(transmission axis)을 액정셀의 러빙(rubbing) 방향에 일치시키고, 530nm의 정면 위상지연값을 갖는 위상지연필름의 광축(optic axis)을 편광판의 투과축과 45°가 되도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 합착된 상부 기판 및 하부 기판을 사이에 두고 서로 구성되는 상부 편광판 및 하부 편광판을 더 포함하고, 각 기판과 편광판 사이에 복수의 위상지연필름이 삽입된 구조로서 다이나믹 모드와 메모리 모드를 모두 투과형으로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 합착된 하부 기판에 반사판을 포함하며 상부 기판에 편광판 및 위상지연필름을 포함하는 구조로서, 다이나믹 모드와 메모리 모드를 모두 반사형으로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 합착된 하부 기판의 일부에 반사판을 포함하며 상부 기판과 하부 기판은 각각 상부 편광판과 하부 편광판을 더 포함하고, 각 기판과 편광판 사이에는 다시 복수의 위상지연필름이 삽입된 구조로서 다이나믹 모드를 투과형으로 동작시키고, 메모리 모드를 반사형으로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 제조 방법은 상,하부 기판 사이에 액정과 폴리머 혼합액을 주입하는 단계;상기 혼합액이 주입된 상부 기판상에 포토 마스크를 형성하는 단계;자외선광을 선택적으로 조사하여 조사 영역에 격벽을 형성하여 각각의 화소들을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 액정과 폴리머 혼합액을 주입하는 단계에서, 액정 분자들은 스플레이 상태가 되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 포토 마스크는, 상기 상,하부 기판 사이의 화소 영역과 그에 이웃하는 화소를 분리하는 화소 분리 영역이 오픈되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 자외선광을 조사하는 단계에서, 자외선이 조사되는 영역에서 폴리머의 광중합 반응이 시작되고, 밀도차에 의한 액정과 폴리머의 비등방적 상분리가 일어나 격벽이 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 자외선광을 조사하는 단계에서, 스플레이 상태의 액정 분자들을 밴드 상태로 전이시키고 유지시키기 위해서 상부 전극과 하부 전극 사이에 저주파수 영역의 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 자외선광을 조사하는 동안 인가되던 전압을 제거하면, 밴드 상태는 액정 분자들의 유체 효과에 의해 -180° 혹은 +180° 트위스트 상태가 된 후 유지되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 화소와 화소 사이에 형성된 격벽에 의해 외부 압력에 의한 액정표시장치의 셀갭(cell-gap)의 변화와 화면의 왜곡을 저지시킨다.
둘째, 화소와 화소 사이에 형성된 격벽이 화소 외부로부터 발생할 수 있는 전이핵을 차단시키는 역할을 한다.
이는 메모리 모드의 동작 시에 화면의 유지 시간을 길게 하는 효과를 갖는다.
셋째, 인가전압의 주파수에 따라 유전율 이방성의 부호가 변하는 이중주파수(dual-frequency) 액정을 사용하여 성능을 높인다.
즉, 이중주파수 파형을 이용해서 스위칭 시킬 때 낮은 구동전압, 빠른 스위칭 시간을 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치 및 그의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 구조 및 제조 공정을 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 동작 원리를 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 하부 광원을 통해 들어온 빛을 일정한 방향으로 편광시키는 하부 편광판과, 선형 편광된 빛의 편광상태를 변화시키는 역할의 액정층과, 상기 액정층의 상부에 위치한 상부 편광판을 포함하는 구조이다.
여기서, 상부 편광판은 투과축의 방향이 상기 하부 편광판과 직교 또는 평행하지 않은 구조이다.
그리고 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 액정층이 화소와 그에 이웃하는 화소 사이에 형성되는 폴리머 격벽에 의해 각각의 화소들이 분리되는 구조이다.
그리고 폴리머 격벽은 액정과 단분자 물질의 비등방적 상분리를 이용하여 형성되거나, 등방형의 분자형태를 가지는 단분자 물질을 이용하여 형성되거나, 비등방형의 분자형태를 가지는 단분자 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 동일한 셀 구조에서 다이나믹 모드와 메모리 모드로 동작이 가능한 것으로, 위상지연필름을 포함한다.
위상지연필름은, 메모리 모드 동작에서 액정셀이 가지는 두 개의 안정상태 사이의 광학적인 구분을 위해 액정층과 상부 편광판 사이에 삽입되거나, 반사형 메모리 모드 동작 시 명암대비비 향상을 위해 액정층과 반사판 사이에 삽입될 수 있다.
그리고 반사형 메모리 모드 동작 시 명암대비비 향상을 위해 상부 편광판과 액정층 사이에 삽입되거나, 투과형 다이나믹 모드 동작 시 명암대비비 향상을 위해 액정층과 하부 편광판 사이에 삽입될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 상부 또는 하부기판에 주기적인 패턴 구조로 형성된 화소 전극을 포함하고, 액정층의 내부에 패턴된 반사판을 포함한다.
구체적으로 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 화소와 그에 이웃하는 화소 사이에 폴리머 격벽(polymer wall)을 형성시키고, 인가전압의 주파수에 따라 유전율 이방성의 부호가 변하는 이중주파수(dual-frequency) 액정을 사용한다.
그 구조는 상부 기판(31) 및 하부 기판(32)상에 각각 상부 전극(33) 및 하부 전극(34)층이 형성되고, 상부 전극(33) 및 하부 전극(34)층상에는 상부 배향층(35) 및 하부 배향층(36)이 형성된다. 화소와 그에 이웃하는 화소 사이에 폴리머 격벽(polymer wall)(40)이 형성되고, 동일한 배향 방향을 갖도록 합착된 상부 기판(31) 및 하부 기판(32) 사이에 인가전압의 주파수에 따라 유전율 이방성의 부 호가 변하는 이중주파수(dual-frequency) 액정(38)이 주입된다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 제조 공정은 다음과 같다.
화소분리(pixel-isolating)를 위한 폴리머 격벽(40)은 자외선에 의해 경화 가능한 폴리머 물질과 이중주파수 액정의 비등방적 상분리(anisotropic phase separation) 방법을 이용해서 형성시킨다.
이중주파수 액정은 중심 주파수(f c )를 기준으로 저주파수 영역에서는 양의 유전율 이방성을 가지며, 고주파수 영역에서 음의 유전율 이방성을 가진다.
동일한 배향방향을 가지도록 합착된 상,하부 기판(31)(32) 사이에 액정과 폴리머 혼합액을 주입하면 액정 분자들은 스플레이 상태가 된다. 액정과 모노머(UV-curable monomer)(37)를 상분리 시키기 위해, 혼합액이 주입된 기판에 자외선광을 포토 마스크(39)를 통해 선택적으로 조사한다.
자외선이 조사되는 영역에서 폴리머의 광중합 반응이 시작되고, 밀도차에 의한 액정과 폴리머의 비등방적 상분리가 일어난다.
자외선 조사 시간동안 스플레이 상태의 액정 분자들을 밴드로 전이시키고 유지시키기 위해서 상부 전극(33)과 하부 전극(34) 사이에 저주파수 영역의 전압을 인가해준다. 자외선이 조사되는 영역에서 폴리머 격벽(40)이 형성이 완료된 후 전압을 제거하면 밴드 상태는 액정 분자들의 유체 효과에 의해 -180° 혹은 +180° 트위스트 상태가 된 후 유지된다.
이 때, 부호는 하부 기판(32)을 기준으로 상부 기판(31)을 향해 액정 분자들이 꼬인 방향을 나타내며 액정 고유의 물성에 따른다.
본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 도 4에서와 같이 듀얼모드 동작이 가능한데, 초기 180° 트위스트 상태의 이중주파수 액정표시장치에 저주파수 영역의 전압을 인가하면 밴드 상태로 전이가 되며, 밴드 전이 이후 전압의 세기에 따라 액정 분자들의 기판에 대한 기울기를 제어하여 다이나믹 모드로 동작이 가능하다.
한편, 저주파와 고주파의 전압을 연속적으로 인가하는 이중주파수 파형을 이용하면 초기 180° 트위스트 상태의 꼬인 방향이 반대가 되도록 스위칭 (switching) 할 수 있으며, 스위칭 된 180° 트위스트 상태 또한 안정한 상태이므로, 꼬인 방향이 서로 반대인 두 개의 180° 트위스트 상태를 갖는 메모리 모드 동작이 가능하다.
이와 같은 듀얼모드 액정표시장치에서 초기에 안정화된 180° 트위스트 상태는 밴드 상태와 위상학적으로 동일하므로 액정표시장치에 저주파수 영역의 전압을 인가하는 것만으로 모든 화소가 균일하고 빠르게 밴드 상태로 전이가 가능하다.
메모리 모드 동작에 있어서 꼬인 방향이 반대인 두 개의 180° 트위스트 상태는 서로 위상학적으로 동일한 상태이기 때문에, 이중주파수 파형을 이용해서 스위칭 시킬 때의 구동전압은 20V 이하로 프로토타입에 비해 상대적으로 낮고, 스위칭 시간은 3ms 이내로 프로토타입에 비해 매우 빠르다.
또한, 별도의 카이랄 도펀트를 첨가하지 않았으므로 꼬인 방향이 반대인 두 개의 180° 트위스트 상태는 거의 동일한 탄성 에너지를 가지며, 화소와 화소 사이 에 형성된 격벽이 화소 외부로부터 발생할 수 있는 전이핵을 차단시키는 역할을 하기 때문에 메모리 모드 동작 시 화면의 유지 시간이 1달 이상으로 매우 길다.
그리고 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치에서 폴리머 격벽(40)은 외부 압력에 의한 액정표시장치의 셀갭(cell-gap)의 변화와 화면의 왜곡을 저지시키는 역할을 한다.
도 5는 본 발명에 따른 액정표시장치를 편광현미경을 통해 촬영한 사진이다.
도 5에서 보면, 화소부(pixel)와 격벽부(wall)가 선명하게 구분되어 있음을 확인할 수 있다. 또한, 직교된 편광판 사이에서 하나의 편광판의 투과축과 액정셀의 배향방향을 일치시켰음에도 빛샘이 발생하는 것으로부터 액정셀 내부의 액정 배열상태가 트위스트 상태임을 예측할 수 있다.
그리고 도 6과 도 7은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 다이나믹 모드 동작 특성을 나타낸 것이다.
도 6은 인가된 전압에 따른 투과율 특성을 나타내고 있으며, 전압의 세기가 커지면 화소부의 투과율이 감소함을 확인할 수 있다. 화소분리 격벽이 형성되지 않은 구조에 비해 동일한 전압에서 더욱 낮은 구동전압을 확보할 수 있다.
도 7은 최대 투과율과 최소 투과율 사이를 스위칭 했을 때의 응답시간을 측정한 그래프이며 투과율 상승 및 하강 곡선에서 각각 3.8ms, 0.7ms의 응답시간을 얻을 수 있었다. 화소분리 격벽이 형성되지 않은 구조에서의 상승 곡선은 2.8 ms인 것을 감안하면 격벽에 의해 응답시간이 다소 증가했음을 알 수 있다.
그리고 도 8과 도 9는 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 메모리 모드 동작을 위한 전압인가 파형과 스위칭 특성을 나타낸 것이다.
파형은 저주파수 영역, 전압 미인가 영역, 고주파수 영역으로 구분되는데, 저주파수 영역은 액정분자들의 기판에 대한 경사각을 높이는 역할, 고주파수 영역은 경사각을 낮추는 역할을 하며 전압 미인가 영역을 조절해서 스위칭 시킬 안정 상태의 꼬인 방향을 결정한다.
본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치를 직교 편광판(crossed polarizers) 사이에서 서로 반대방향으로 꼬인 180°트위스트 상태를 광학적으로 구분하기 위해서 위상지연필름(retardation film)을 편광판과 액정셀 사이에 삽입한 구조로 형성하고 측정한 스위칭 특성은 도 9에서와 같다.
여기서, 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 상부 편광판의 투과축(transmission axis)을 액정셀의 러빙(rubbing) 방향에 일치시키고 530nm의 정면 위상지연값을 갖는 위상지연필름의 광축(optic axis)을 편광판의 투과축과 45°가 되도록 구성한다.
그리고 스위칭 시 인가전압의 파형은 1kHz를 3ms동안 인가한 후 0.6ms 동안 전압을 제거한 후 다시 100kHz를 1ms 인가하고 구동전압은 18V로 한다.
초기 트위스트 상태에서 꼬인 방향이 반대인 상태로 스위칭 되는 시간은 인가전압 파형을 제거한 후 2.5ms이다. 다시 초기 트위스트 상태로 스위칭 시키기 위해서는 앞서와 동일한 파형에서 전압 미인가 시간을 1.2ms로 늘이거나 고주파수 영역을 인가하지 않으면 된다.
전압 미인가 시간을 1.2ms로 늘인 경우의 스위칭 시간은 2.6ms이며, 고주파 수 영역을 인가하지 않을 경우의 스위칭 시간은 60ms이다.
그리고 도 10은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치를 디스플레이로 사용하기 적절하도록 메모리 모드와 다이나믹 모드에서 어둡고 밝은 상태를 구현하고 시인성을 향상시키기 위한 광학 구조를 나타낸 것이다.
메모리 모드를 반사형으로 설계할 경우 내부 광원을 필요로 하지 않기 때문에 전력 효율을 극대화 시킬 수 있으므로 메모리 모드를 반사형(reflective), 다이나믹 모드를 투과형(transmissive)으로 하는 반투과형(transflective) 듀얼모드 액정표시장치를 설계한 것이다.
반사형 메모리 모드의 구조는 원형(circular) 편광판과 반사판 사이에 액정셀이 놓여있으며 반사판과 액정셀 사이에 한 장의 위상지연필름을 포함한다. 원형 편광판은 선형(linear) 편광판과 138nm의 정면 위상지연값을 갖는 위상지연필름으로 구성되며, 위상지연필름의 광축과 액정셀의 러빙 방향은 편광판의 투과축에 각각 45°와 -45°가 되도록 구성한다.
그리고 액정셀과 반사판 사이에 삽입되는 위상지연필름은 정면 위상지연값이 100nm이며, 광축은 액정셀의 러빙 방향과 115°로 구성한다.
그리고 투과형 다이나믹 모드의 구조는 반사형 메모리 모드의 구조를 기반으로 반사판 하부의 보상필름들이 밴드 상태에서 액정층이 가지는 위상지연값과 함께 메모리 모드에 사용된 위상지연필름들의 위상지연값을 상쇄하는 구조로 구성된다.
도 11은 상기 반투과형 구조에서 반사형 메모리 모드의 두 안정상태가 가지는 분광특성 및 투과형 다이나믹 모드의 가장 밝고 가장 어두운 상태의 분광특성을 계산한 결과이다.
명암대비비에 가장 큰 영향을 끼치는 어두운 상태의 분광 특성은 양쪽 모드에서 모두 우수하며 메모리 모드와 다이나믹 모드의 명암대비비는 각각 80:1과 150:1 이상으로 나타났다.
도 12은 격벽이 형성되지 않은 경우와 본 발명에서와 같이 격벽이 형성된 경우 액정표시소자에 동일한 압력을 주었을 때 셀갭의 변화에 따른 화면 왜곡 특성을 비교한 것이다.
격벽이 형성되지 않은 경우는 압력이 가해진 영역 주변의 셀갭이 감소하여 투과율이 감소하지만, 격벽이 형성된 경우는 이러한 셀갭 변화가 훨씬 작고 투과율 변화도 거의 없음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치는 화소 외부에 폴리머 격벽(polymer wall)을 형성시키고 인가전압의 주파수에 따라 유전율 이방성의 부호가 변하는 이중주파수(dual-frequency) 액정을 사용하여 디스플레이 성능을 높일 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
도 1은 종래 기술의 듀얼모드 액정표시장치의 구조를 나타낸 구성도
도 2는 종래 기술의 듀얼모드 액정표시장치의 동작 원리를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 구조 및 제조 공정을 나타낸 단면도
도 4는 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 동작 원리를 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 편광현미경 사진
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 다이나믹 모드 동작 시 전압-투과율 특성 그래프 및 응답 특성 그래프
도 8과 도 9는 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 메모리 모드 동작을 위한 전압 인가 파형 그래프 및 스위칭 특성 그래프
도 10은 본 발명에 따른 듀얼모드 액정표시장치의 반투과형 광학 설계 구조를 나타낸 구성도
도 11은 반투과형 듀얼모드 액정표시장치의 다이나믹 모드 및 메모리 모드 동작시 분광 특성 그래프
도 12는 격벽 형성 유무에 따른 외부 압력에 대한 화면 왜곡 특성 비교 화면
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
31. 상부 기판 32. 하부 기판
33. 상부 전극 34. 하부 전극
35. 상부 배향층 36. 하부 배향층
38. 이중 주파수 액정 39. 포토 마스크
40. 폴리머 격벽

Claims (16)

  1. 복수개의 화소 영역들을 갖고 합착되는 상,하부 기판;
    상기 상,하부 기판 사이의 화소 영역과 그에 이웃하는 화소를 분리하는 화소 분리 영역에 형성되는 격벽;
    상기 화소 분리 영역에 형성된 격벽에 의해 분리되는 화소 영역에 주입되는 이중 주파수 액정층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 격벽은,
    액정과 단분자 물질의 비등방적 상분리를 이용하여 형성되거나,
    등방형의 분자형태를 가지는 단분자 물질을 이용하여 형성되거나,
    비등방형의 분자형태를 가지는 단분자 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이중 주파수 액정층은,
    중심 주파수(f c )를 기준으로 저주파수 영역에서는 양의 유전율 이방성을 갖고, 고주파수 영역에서 음의 유전율 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 각각의 동작 모드에서 명암 대비비를 향상시키기 위한 위상 지연 필름층을 더 포함하고,
    상기 위상 지연 필름층은 액정층과 상부 편광판 사이에 삽입되거나, 액정층과 반사판 사이에 삽입되거나, 액정층과 하부 편광판 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 이중 주파수 액정층은,
    초기 180° 트위스트 상태에서 저주파수 영역의 전압을 인가하면 밴드 상태로 전이가 되며,
    밴드 전이 이후 전압의 세기에 따라 액정 분자들의 기판에 대한 기울기를 제어하여 다이나믹 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이중 주파수 액정층에 인가되는 전압 파형은 저주파수 영역, 전압 미인가 영역, 고주파수 영역으로 구분되고,
    저주파수 영역은 액정분자들의 기판에 대한 경사각을 높이는 역할, 고주파수 영역은 경사각을 낮추는 역할을 하고, 전압 미인가 영역을 조절해서 스위칭 시킬 안정 상태의 꼬인 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 합착된 상,하부 기판을 사이에 두고 서로 구성되는 상,하부 편광판을 더 포함하고,
    상기 상부 편광판의 투과축(transmission axis)을 액정셀의 러빙(rubbing) 방향에 일치시키고, 530nm의 정면 위상지연값을 갖는 위상지연필름의 광축(optic axis)을 편광판의 투과축과 45°가 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 합착된 상부 기판 및 하부 기판을 사이에 두고 서로 구성되는 상부 편광판 및 하부 편광판을 더 포함하고,
    각 기판과 편광판 사이에 복수의 위상지연필름이 삽입된 구조로서 다이나믹 모드와 메모리 모드를 모두 투과형으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 합착된 하부 기판에 반사판을 포함하며 상부 기판에 편광판 및 위상지연필름을 포함하는 구조로서,
    다이나믹 모드와 메모리 모드를 모두 반사형으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 합착된 하부 기판의 일부에 반사판을 포함하며 상부 기판과 하부 기판은 각각 상부 편광판과 하부 편광판을 더 포함하고,
    각 기판과 편광판 사이에는 다시 복수의 위상지연필름이 삽입된 구조로서 다이나믹 모드를 투과형으로 동작시키고, 메모리 모드를 반사형으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치.
  11. 상,하부 기판 사이에 액정과 폴리머 혼합액을 주입하는 단계;
    상기 혼합액이 주입된 상부 기판상에 포토 마스크를 형성하는 단계;
    자외선광을 선택적으로 조사하여 조사 영역에 격벽을 형성하여 각각의 화소들을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 액정과 폴리머 혼합액을 주입하는 단계에서,
    액정 분자들은 스플레이 상태가 되는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치의 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 포토 마스크는,
    상기 상,하부 기판 사이의 화소 영역과 그에 이웃하는 화소를 분리하는 화소 분리 영역이 오픈되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치의 제조 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 자외선광을 조사하는 단계에서,
    자외선이 조사되는 영역에서 폴리머의 광중합 반응이 시작되고, 밀도차에 의한 액정과 폴리머의 비등방적 상분리가 일어나 격벽이 형성되는 것을 특징으로 하 는 듀얼모드 액정표시장치의 제조 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 자외선광을 조사하는 단계에서,
    스플레이 상태의 액정 분자들을 밴드 상태로 전이시키고 유지시키기 위해서 상부 전극과 하부 전극 사이에 저주파수 영역의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치의 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 자외선광을 조사하는 동안 인가되던 전압을 제거하면,
    밴드 상태는 액정 분자들의 유체 효과에 의해 -180° 혹은 +180° 트위스트 상태가 된 후 유지되는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 액정표시장치의 제조 방법.
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