KR20110075718A - 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적색, 녹색 및 청색 각각의 화소면적을 서로 다르게 하여 대조비 특성을 개선하는 액정표시장치에 관한 것으로, 액정표시장치는 제 1 면적을 가지는 적색화소, 제 2 면적을 가지는 녹색화소 및 제 3 면적을 가지는 청색화소가 배치되는 액정표시장치에 있어서, 상기 녹색화소의 상기 제 2 면적은 상기 적색화소의 상기 제 1 면적보다 크고, 상기 청색화소의 상기 제 3 면적은 상기 적색화소의 상기 제 1 면적보다 작은 것을 특징으로 한다.
액정표시장치, 휘도, 색 좌표, 비대칭, 면적비

Description

액정표시장치 {Liquid crystal display device}
본 발명은 적색, 녹색 및 청색 각각의 화소면적을 서로 다르게 하여 대조비 특성을 개선하는 액정표시장치에 관한 것이다.
일반적으로, 액정표시장치는 액정의 광학적 이방성과 분극성질을 이용하여 구동된다. 액정은 구조가 가늘고 길기 때문에 분자의 배열에 방향성을 가지고 있어, 인위적으로 액정에 전기장을 인가하여 분자배열의 방향을 제어할 수 있다. 따라서, 액정의 분자배열 방향을 임의로 조절하면, 액정의 분자배열이 변하게 되고, 광학적 이방성에 의해 액정의 분자배열 방향으로 빛이 굴절하여 화상정보를 표현할 수 있다.
액정표시장치는 다양한 형태로 제작되는데, 박막 트랜지스터와 박막 트랜지스터에 연결된 화소 전극이 행렬 방식으로 배열된 능동행렬 액정 표시 장치(active matrix LCD : AM-LCD)가 해상도 및 동영상 구현 능력이 우수하여 가장 주목받고 있 다.
현대의 액정표시장치는 광시야각 모드와, 우수한 대조비(contrast ratio) 특성을 구현하기 위하여 노멀 블랙모드(normal black mode)을 채용하고 있으며, 액정의 복굴절을 이용하여 원하는 계조 특성을 구현한다. 이러한, 액정표시장치에서 고휘도 특성을 구현하기 위하여 적정 수준이상의 액정층 위상차(Δn*d)가 필요하다. 액정층 위상차는 액정의 굴절율(Δn)과 셀갭(cell gap)에 의해서 결정된다. 일반적으로 횡전계모드 및 수직전계모드의 액정표시장치에서, 300nm 이상의 위상차를 사용하고 있다. 왜냐하면, 300nm 이하의 위상차를 사용하는 경우, 풀 화이트(full white) 계조에서 휘도저하라는 문제가 나타나기 때문이다.
노멀 블랙모드의 경우, 액정에 전계가 가해지지 않으므로 액정의 방향은 순수하게 화소 내에에서 액정이 받는 자유 에너지에만 의존한다. 따라서, 액정이 받는 자유에너지의 편차가 발생하고, 자유에너지의 편차는 액정 디렉터(director)의 불균일을 가져오게 된다. 구체적으로, 액정 디렉터의 불균일은 횡전계모드의 경우, 러빙방향의 불균일에 의해 야기되고, 수직전계모드의 경우 액정의 선경사각(pretilt)의 불균일에 의해 야기된다. 이러한 액정 디렉터의 불균일로 인해 블랙모드에서 광 누설을 야기하고, 원하지 않는 휘도로 표시되어 블랙특성의 저하를 발생시킨다. 특히, 횡전계모드는 수직전계모드보다 이러한 액정 디렉터의 불균일이 더 크게 발생하여, 대조비 특성의 저하를 야기시킨다.
상기와 같은 노멀 블랙모드의 블랙특성을 개선하기 위해, 편광판의 수직 투과율의 개선, 액정의 산란특성 개선, 및 광원의 집광도의 개선 등을 통해 일정 수준 개선이 가능하다. 이러한 기술 중에서 액정의 산란특성 개선을 통해, 액정의 탄성과 굴절율을 개선할 수 있음은 잘 알려져 있다. 수학식1은 액정의 산란계수(scattering index: Slc)에 대한 산출식을 표현한다.
수학식1
Figure 112009080935121-PAT00001
K는 벌어짐(spray: K11), 꼬임(twist: K22), 및 휨(bend: K33)을 평균한 탄성계수(elastic constant)이고, Δn은 액정의 굴절율 이방성이다. 그리고, ne 및 no는 각각은 액정층의 이상광선 굴절율 및 상광선 굴절율을 의미하고, d는 셀갭(cell gap)을 의미한다. Slc(scattering index)는 수치가 작을 수록 산란이 줄어들어 대조비가 우수하게 나타난다.
수학식1을 참조하면, 액정에 대한 탄성계수의 증가, 액정의 절대 굴절율의 감소, 및 셀갭의 감소 등을 통해, 액정의 산란특성을 개선하여 콘트라스트 비를 개선할 수 있다.
노멀 블랙모드의 블랙특성을 개선하기 위하여, 액정에 대한 탄성계수의 증가, 액정의 절대 굴절율의 감소, 및 셀갭의 감소 중에서, 액정의 탄성계수를 증가시키는 방법이 널리 사용되고 있다. 그러나, 탄성계수를 증가시키면, 구동 전압이 증가하는 것과 함께 액정의 한계로 인해 일정 수준이상의 산란특성을 개선하기 어려운 문제가 발생한다.
다른 방법으로, 절대 굴절율과 셀갭을 감소시키는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 백색휘도를 구현하기 위한 굴절율의 부족으로 인해, 휘도특성의 저하를 수반하므로, 상용 액정표시장치에는 적용하지 않고 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 액정층의 위상차를 감소시키고, 동시에 적색, 녹색 및 청색 각각의 화소 면적을 서로 다르게 설계하여 색 재현율의 저하 없이 색 온도 및 휘도를 개선할 수 있는 액정표시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정표시장치는, 제 1 면적을 가지는 적색화소, 제 2 면적을 가지는 녹색화소 및 제 3 면적을 가지는 청색화소가 배치되는 액정표시장치에 있어서, 상기 녹색화소의 상기 제 2 면적은 상기 적색화소의 상기 제 1 면적보다 크고, 상기 청색화소의 상기 제 3 면적은 상기 적색화소의 상기 제 1 면적보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 액정표시장치에 있어서, 상기 적색화소의 상기 제 1 면적과 비교한 상기 녹색화소의 상기 제 2 면적의 비율은 1.2 내지 1.5이고, 상기 적색화소의 상기 제 1 면적과 비교한 상기 청색화소의 제 3 면적의 비율은 0.8 내지 0.5인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 액정표시장치에 있어서, 상기 적색화소, 상기 녹색화소, 및 상기 청색화소가 수평적 또는 수직적으로 다수 배열되는 것을 특징으로 한단.
상기와 같은 액정표시장치에 있어서, 상기 적색화소, 상기 녹색화소, 및 상기 청색화소의 순서로 순차적으로 다수 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 액정표시장치에 있어서, 상기 수직방향으로 상기 녹색화소 및 상기 청색화소가 교번적으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 액정표시장치에 있어서, 상기 녹색화소의 상기 제 2 면적과 상기 적색화소의 제 1 면적과의 제 1 차이와, 상기 청색화소의 상기 제 3 면적과 상기 적색화소의 제 1 면적과의 제 2 차이가 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액정표시장치는, 액정층의 위상차를 감소시키고, 동시에 RGB 화소면적을 서로 다르게 설계하여 색 재현율의 저하없이 색 온도 및 휘도를 개선할 수 있다. 특히, 적색화소를 기준으로, 녹색화소를 적색화소보다 크게 하고 청색화소를 적색화소보다 작게 하여, 백색휘도, 색 좌표의 변화폭, 및 콘트라스트 비율을 최적화시킬 수 있다.
그리고, RBG 화소영역을 수평적 또는 수직적으로 연속해서 배치시킴으로써 횡전계모드의 액정표시장치에도 용이하게 적용할 수 있다. RGB 화소영역을 수직적으로 연속해서 배치시키는 경우, 녹색화소와 청색화소를 교번적으로 배치시킴으로써 전체적으로 균형있게 RGB 화소영역을 배치시킬 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치의 개략도이다.
본 발명의 일예로서, 도 1는 횡전계모드의 액정표시장치(110)를 도시한다. 본 발명은 횡전계모드 외에 수직계모드를 포함한 모든 액정표시장치에도 적용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 액정표시장치(110)는, 서로 대향하여 합착하는 상부 및 하부기판(112, 114)과 상부 및 하부기판(112, 114) 사이의 액정층(116)을 포함하여 구성된다.
도면에서 도시하지 않았지만, 다수의 게이트 배선과 다수의 데이터 배선이 직교하면서 다수의 화소영역을 형성한다. 다수의 화소영역은 적색화소(red pixel)(130a), 녹색화소(green pixel)(130b), 및 청색화소(blue pixel)(130c)가 순차적으로 배열된다. 특히, 본 발명에 따르면, 적색화소(130a)를 기준으로, 녹색화소(130b)는 적색화소(130a)보다 넓은 면적으로 설계되고, 청색화소(130c)는 적색화소(130a)보다 작은 면적으로 설계된다.
하부기판(114) 상에는 박막 트랜지스터(160), 박막 트랜지스터(160)와 연결되는 화소전극(162), 및 화소전극(162)과 함께 수평전계를 발생시키는 공통전극(164)이 형성된다. 박막 트랜지스터(160)는, 하부기판(112) 상에 형성되는 게이트 전극(166), 게이트 전극(166)이 형성된 하부기판(112) 상에 적층되는 게이트 절연층(168), 게이트 전극(166)과 대응되는 게이트 절연층(168) 상에 위치하는 활성층(170), 및 활성층(170)의 양단과 연결되는 소스 및 드레인 전극(172a, 172b)을 포함하여 구성된다. 화소전극(162)은 드레인 전극(172b)과 연결된다. 박막 트랜지스터(160), 화소전극(162) 및 공통전극(164)은 다수의 화소영역 각각에 형성된다.
공통전극(164)은 게이트 전극(166)과 동시에 형성된다. 공통전극(164)과 화소전극(162) 사이에는 게이트 절연층(168)이 형성된다. 별도의 도면으로 도시하지 않았지만, 공통전극(164)과 화소전극(162)은 동일한 평면에 형성될 수 있다. 공통 전극(164)과 화소전극(162)은 일정간격으로 이격되어 있고, 전위의 인가에 의해 액정층(116)을 구동시키는 수평전계를 발생시킨다. 박막 트랜지스터(160) 및 화소전극(162)을 포함하는 게이트 절연층(168) 상에 보호층(174)이 형성된다.
액정층(116)과 접하는 상부기판(114) 상에는 박막 트랜지스터(160)와 대응되는 위치에 블랙 매트릭스(176)가 형성된다. 블랙 매트릭스(176)는 화소영역의 대응부분을 노출시키는 개구부를 가진다. 블랙 매트릭스(176)의 개구부에는 컬러필터층(178)이 형성된다. 컬러필터층(178)은 적색, 녹색 및 청색 컬러필터(178a, 178b, 178c)를 포함한다.
블랙 매트릭스(176)는 화소전극(162)이 위치하는 화소영역을 제외한 부분에서 빛을 차단하는 기능을 한다. 컬러필터층(178)과 블랙 매트릭스(176) 상에는 오버코트층(180)을 형성한다. 오버코트층(180)은 컬러필터층(178)을 보호하고 컬러필터층(178)의 물질이 용출되는 것을 방지한다.
도 1에서 도시하지 않았지만, 액정표시장치(110)는 하부기판(114)의 하부에서 광을 공급하는 조광장치로서 백라이트 유닛을 포함한다.
도 1에서, 노멀 블랙모드에서 블랙특성을 개선하기 위하여, 액정층(116)의 굴절율(Δn)과 상부 및 하부기판(112, 114)사이의 셀갭(d)을 곱한 값인 액정층의 위상차(Δn*d)는 250 내지 300nm를 가지도록 설계한다.
액정층(116)의 위상차를 감소시키면, 휘도 특성의 저하와 더불어, 액정층의 파장 분산성의 변동으로 인해 색 온도의 증가를 동반하게 된다. 여기서, 휘도 특성의 저하는 색 온도를 일정 수준으로 감소시킴으로써 개선이 가능하다. 반면, 색 온도의 감소를 위하여 컬러필터(178)의 색 재현율을 변경시키는 방법이 있으나, 이러한 색 재현율의 변경은 색 좌표의 변동을 가져오기 때문에, 색 특성의 표시저하를 수반한다. 본 발명에서는 휘도저하의 문제점을 방지하기 위하여, 적색, 녹색 및 청색화소 각각의 면적을 다르게 설계하여 색 온도를 조절하는 방법을 제안한다.
표 1은 RGB 화소영역의 면적비를 1:1:1로 고정시키고, 액정층의 위상차 변화에 따른 휘도 및 색 좌표 특성을 수치로 표시한 도표이다.
표 1
No Δn 간격(d) Δn*d RGB면적비 백색휘도 Wx Wy CR
1 0.1002 3.1 0.31062 1:1:1 100% ref. ref. 100%
2 0.095 3.1 0.2945 1:1:1 90% -0.08 -0.1 110%
3 0.093 3.1 0.2883 1:1:1 86% -0.16 -0.2 126%
4 0.091 3.1 0.2821 1:1:1 82% -0.24 -0.3 134%
5 0.089 3.1 0.2759 1:1:1 79% -0.32 -0.4 140%
6 0.087 3.1 0.2697 1:1:1 75% 0.4 -0.5 145%
표 1과 같이, RGB 화소영역의 면적비를 1:1:1로 고정시키고 액정층의 위상차(Δn*d)를 변화시키면, 액정층의 위상차가 감소하는 방향으로 콘트라스트 비율(contrast ratio: CR)이 증가하지만, 백색휘도는 비례적으로 감소한다. 그리고, 색 좌표의 매우 큰 폭으로 변동하는 것을 알 수 있다. 따라서, RGB 화소영역의 면적비를 1:1:1로 고정시킨 상태에서 액정층의 위상차(Δn*d)를 변화시키는 경우, 원하는 색 재현율을 얻지 못함을 알 수 있다.
표 2는 RGB 화소영역의 면적비와 액정층의 위상차를 변화시킨 경우에 대한 휘도 및 색 좌표 특성을 수치로 표시한 도표이다.
표 2
No Δn 간격(d) Δn*d RGB면적비 백색휘도 Wx Wy CR
1 0.1002 3.1 0.31062 1:1:1 100% ref. ref. 100%
2 0.095 3.1 0.2945 1:1.1:0.9 99% -0.01 +0.02 114%
3 0.093 3.1 0.2883 1:1.2:0.8 101% +0.01 +0.01 130%
4 0.091 3.1 0.2821 1:1.3:0.7 102% +0.04 +0.03 137%
5 0.089 3.1 0.2759 1:1.4:0.8 101% +0.03 +0.02 142%
6 0.087 3.1 0.2697 1:1.5:0.5 102% +0.05 +0.03 149%
표 2와 같이, RGB 화소영역의 면적비와 액정층의 위상차(Δn*d)를 변화시키면, 액정층의 위상차가 감소하는 방향으로 콘트라스트 비율(contrast ratio: CR)은 선형적으로 증가하지만, 백색휘도는 거의 일정한 수준을 유지하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 색 좌표는 표 1과 비교하여, 변화폭이 매우 적음을 알 수 있다. 이때, RGB 화소영역의 면적비는 적색(red) 화소면적을 고정시킨 상태에서, 녹색(green) 화소면적을 순차적으로 증가시키고, 청색(blue) 화소면적을 순차적으로 감소시킨다. 표 2에서, 적색 화소면적과 녹색 화소면적의 제 1 차이는 적색 화소면 적과 청색 화소면적의 제 2 차이와 동일하다.
적색화소의 면적과 비교한 녹색화소의 면적비율이 1.2 내지 1.5와, 적색화소의 면적과 비교한 청색화소의 면적비율이 0.8 내지 0.5일 때, 그리고, 대략적으로 액정층의 위상차가 250 내지 300nm 사이에서, 최적의 백색휘도, 콘트라스트 비율, 및 색 좌표의 최소 변동폭을 얻을 수 있다. 액정층의 위치차는 바람직하게는 0.2697 내지 0.2883인 것은 표 2를 통하여 알 수 있다.
수직전계모드의 액정표시장치에서는 하부 및 상부기판 각각에 화소전극과 공통전극이 형성되어 있어 용이하게 RGB 화소영역의 면적을 서로 다르게 설계할 수 있다. 그러나, 도 1에서 도시한 횡전계모드의 액정표시장치의 경우, 화소전극과 공통전극이 모두 하부기판에 형성되어 있기 때문에, 화소전극과 공통전극의 간격 조절문제 등으로 인해 RGB 화소영역의 면적을 서로 다르게 설계하기가 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 RGB 화소영역의 수평방향 또는 수직방향을 비대칭적으로 설계하는 방법을 제시한다.
도 2는 본 발명의 액정표시장치에서 수평 비대칭의 RGB 화소배치도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 액정표시장치에서, 적색화소(130a), 녹색화소(130b) 및 청색화소(130c) 각각은 제 1 면적, 제 2 면적 및 제 3 면적을 가진다. 적색화소(130a)의 제 1 면적을 "1"로 정하고, 녹색화소(130a)의 제 2 면적을 "1"보 다 크게 하고, 청색화소(130c)의 제 3 면적을 "1"보다 작게 한다. 도 2에서, 적색화소(130a), 녹색화소(130b), 및 청색화소(130c)를 수평적으로 연속해서 배열시킨다.
도 2와 같이, 수평 비대칭으로 적색화소(130a), 녹색화소(130b), 및 청색화소(130c)를 배치시키는 경우, 각각의 최적의 면적비는 표 2에서와 같이, 적색화소(130a)의 제 1 면적과 비교한 녹색화소(130b)의 제 2 면적의 면적비율이 1.2 내지 1.5이고, 적색화소(130a)의 제 1 면적과 비교한 청색화소(130c)의 제 3 면적의 면적비율이 0.8 내지 0.5일 때, 그리고, 대략적으로 액정층의 위상차(Δn*d)가 250 내지 300nm 사이에서, 최적의 백색휘도, 콘트라스트 비율, 및 색 좌표의 최소 변동폭을 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 액정표시장치에서 수직 비대칭의 RGB 화소배치도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 액정표시장치에서, 적색화소(130a), 녹색화소(130b) 및 청색화소(130c) 각각은 제 1 면적, 제 2 면적 및 제 3 면적을 가진다. 적색화소(130a)의 제 1 면적을 "1"로 정하고, 녹색화소(130a)의 제 2 면적을 "1"보다 크게 하고, 청색화소(130c)의 제 3 면적을 "1"보다 작게 한다.
그리고, 녹색화소(130b)와 적색화소(130a)의 제 1 면적차이는 청색화소(130c)와 적색화소(130a)의 제 2 면적차이와 동일하다. 따라서, 수직방향으로 녹 색화소(130b)와 청색화소(130c)를 교번적으로 배치할 수 있다. 부연하면, 기수열에서 수평적으로 적색화소(130a), 녹색화소(130b) 및 청색화소(130c)의 순서로 배치되면, 우수열에서 적색화소(130a), 청색화소(130c), 및 녹색화소(130b)의 순서로 배치된다. 그리고, 기수열에서 다시 제 1 열과 동일하게 적색화소(130a), 녹색화소(130b) 및 청색화소(130c)의 순서로 배치된다.
녹색화소(130b)와 청색화소(130c)를 수직방향에서 교번적으로 배치함으로써, 전체적으로 적색화소(130a), 녹색화소(130b) 및 청색화소(130c)가 균형적으로 배치될 수 있다. 도 3과 같이, 수직 비대칭으로 적색화소(130a), 녹색화소(130b), 및 청색화소(130c)를 배치시키는 경우, 각각의 최적의 면적비는, 표 2에서와 같이, 적색화소(130a)의 제 1 면적과 비교한 녹색화소(130b)의 제 2 면적의 면적비율이 1.2 내지 1.5이고, 적색화소(130a)의 제 1 면적과 비교한 청색화소(130c)의 제 3 면적의 면적비율이 0.8 내지 0.5일 때, 그리고, 대략적으로 액정층의 위상차(Δn*d)가 250 내지 300nm 사이에서, 최적의 백색휘도, 콘트라스트 비율, 및 색 좌표의 최소 변동폭을 얻을 수 있다.
도 2 및 도 3과 같이, RGB 화소면적을 수평방향 또는 수직방향에 대한 비대칭적 배치에 의해 낮은 액정층의 위상차를 사용하는 경우, 효과적으로 색 온도의 상승과 휘도를 개선할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 이상 다양한 변화와 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치의 개략도
도 2는 본 발명의 액정표시장치에서 수평 비대칭의 RGB 화소배치도
도 3은 본 발명의 액정표시장치에서 수직 비대칭의 RGB 화소배치도

Claims (6)

  1. 제 1 면적을 가지는 적색화소, 제 2 면적을 가지는 녹색화소 및 제 3 면적을 가지는 청색화소가 배치되는 액정표시장치에 있어서,
    상기 녹색화소의 상기 제 2 면적은 상기 적색화소의 상기 제 1 면적보다 크고, 상기 청색화소의 상기 제 3 면적은 상기 적색화소의 상기 제 1 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적색화소의 상기 제 1 면적과 비교한 상기 녹색화소의 상기 제 2 면적의 비율은 1.2 내지 1.5이고, 상기 적색화소의 상기 제 1 면적과 비교한 상기 청색화소의 제 3 면적의 비율은 0.8 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적색화소, 상기 녹색화소, 및 상기 청색화소가 수평적 또는 수직적으로 다수 배열되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적색화소, 상기 녹색화소, 및 상기 청색화소의 순서로 순차적으로 다수 배열되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수직방향으로 상기 녹색화소 및 상기 청색화소가 교번적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 녹색화소의 상기 제 2 면적과 상기 적색화소의 제 1 면적과의 제 1 차이와, 상기 청색화소의 상기 제 3 면적과 상기 적색화소의 제 1 면적과의 제 2 차이가 동일한 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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