KR20170063177A - 소비전력을 감소시키는 음성 액정 및 이를 구비한 액정표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 액정표시소자의 액정층으로서 음성 액정을 사용하는데, 음성 액정분자의 유전율이방성(Δε)은 -5∼-1, 바람직하게는 -4∼-3이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)은 0.24∼0.51이다.

Description

소비전력을 감소시키는 음성 액정 및 이를 구비한 액정표시소자{NEGATIVE LIQUID CRYSTAL MATERIAL FOR SAVING POWER CONSUMPTION AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE HAVING THEREOF}

본 발명은 음성 액정에 관한 것으로, 특히 저전력 구동이 가능하여 액정표시소자의 소비전력을 감소시킬 수 있는 액정에 관한 것이다.

근래, 핸드폰(Mobile Phone), PDA, 노트북컴퓨터와 같은 각종 휴대용 전자기기가 발전함에 따라 이에 적용할 수 있는 경박단소용의 평판표시장치(Flat Panel Display Device)에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이러한 평판표시장치로는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등이 활발히 연구되었지만, 양산화 기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현, 대면적 화면의 실현이라는 이유로 인해 현재에는 액정표시소자(LCD)가 주로 각광을 받고 있다. 이러한 액정표시소자는 투과형 표시소자로서, 액정분자의 굴절률 이방성에 의해 액정층을 투과하는 광의 양을 조절함으로써 원하는 화상을 화면상에 표시한다.

그러나, 이러한 액정표시소자는 다음과 같은 문제가 발생한다. 액정표시소자는 대면적 전자기기 뿐만 아니라 휴대폰이나 노트북컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기에도 적용되기 때문에, 소비전력을 감소시켜야만 휴대용 전자기기의 사용시간을 연장할 수 있게 된다. 물론, 이러한 소비전력의 감소라는 과제는 소형 전자기기 뿐만 아니라 TV와 같은 대형 전자기기에 적용되는 액정표시소자에도 역시 적용된다.

액정표시소자의 전력소비를 감소하는 가장 용이한 방법은 투과형 표시소자인 액정표시소자에 광을 공급하는 광공급수단인 백라이트의 전력소비를 절감하는 것이다. 그러나, 근래 LED(Light Emitting Device) 등과 같은 저전력 광원을 이용한 액정표시소자가 이미 제안되고 있으므로, 백라이트를 통한 소비전력의 절감에는 한계가 있었다.

또한, 액정표시소자에 포함되는 회로기술을 개발하여 소비전력을 절감할 수도 있지만, 현재 액정표시소자의 기술이 성숙되어 감에 따라 회로기술개발에 의한 소비전력의 절감에도 한계가 있었다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 소비전력을 절감할 수 있는 음성 액정 및 이를 구비한 액정표시소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 액정표시소자의 액정층으로서 음성 액정을 사용한다. 이러한 음성 액정의 사용에 의해, 구동전압의 저하에 의해 소비전력을 감축할 수 있게 되며, 액정분자의 구동시 신호에 대한 신속하게 반응하여 응답속도가 지연되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이때, 음성 액정분자의 유전율이방성(Δε)은 -5∼-1, 바람직하게는 -4∼-3이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)은 0.24∼0.51이다.

이러한 음성 액정은 FFS(Fringe Field Switching)모드 액정표시소자 및 IPS(In Plane Switching)모드 액정표시소자와 같은 다양한 액정표시소자에 적용될 수 있다.

본 발명에서는 액정표시소자의 액정층으로서, 음성 액정분자를 사용함으로써 액정의 구동전압을 감소시킬 수 있게 되며, 그 결과 액정표시소자의 소비전력을 감축할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 소비전력을 감소시킴에도 불구하고 액정분자의 구동시 회전점도계수가 크게 증가되지 않으므로, 응답속도 저하에 따른 화질저하를 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 액정표시소자의 구조를 나타내는 평면도.
도 2는 도 1의 I-I'선 단면도.
도 3은 음성 및 양성 액정분자의 유전율 이방성과 회전점도계수 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 4는 음성 액정분자에서의 전압과 투과도의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 음성 액정분자가 구동할 때의 편각 및 방위각으로의 액정분자의 회전을 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 음성 액정분자의 단축과 장축 및 음성 액정분자에 인가되는 전계의 좌표를 나타내는 도면.
도 7은 음성 액정분자가 구동할 때의 단축 및 장축으로 인가되는 전계의 세기를 나타내는 그래프.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 액정표시소자를 나타내는 도면이다. 도면에서는 설명의 편의를 위해, FFS(Finge Field Switching)모드와 같은 특정 구동모드의 액정표시소자를 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 이러한 특정 구동모드의 액정표시소자에 한정되는 것은 아니다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액정표시소자는 복수의 화소영역을 정의하는 게이트라인(116) 및 데이터라인(117)과 각각의 화소영역에 형성된 박막트랜지스터(120)로 구성된다. 통상적으로 FFS모드 액정표시소자에서는 복수의 화소영역이 형성되지만, 설명의 편의를 위해 도면에서는 히나의 화소영역(110)만을 도시하였다.

상기 박막트랜지스터(120)는 상기 게이트라인(116)에 연결된 게이트전극(121), 상기 게이트전극(121) 위에 형성된 반도체층(125), 상기 반도체층(125) 위에 형성되어 데이터라인(117)에 연결되는 소스전극(122) 및 드레인전극(123)으로 구성된다.

각각의 화소영역 내에는 박스형태의 공통전극(108)과 화소전극(118)이 형성된다. 상기 화소전극(118)은 박막트랜지스터(12)의 드레인전극(123)과 전기적으로 연결되어 화상신호가 입력되며, 공통전극(108)은 상기 게이트라인(116)과 평행하게 배열된 공통라인(18l)과 전기적으로 연결되어 공통전압이 인가된다.

상기 화소전극(118)에는 복수의 슬릿(118s)이 형성된다. 상기 슬릿(118s)은 데이터라인(117)과 실질적으로 평행하게 배열되어, 상기 슬릿(118s)의 2개의 장변과 화소전극(119)에 의해 프린지 필드가 발생한다.

이러한 구조의 FFS모드 액정표시소자에서는 게이트라인(116)을 통해 박막트랜지스터의 게이트전극(121)에 주사신호가 입력됨에 따라, 박막트랜지스터(120)의 반도체층(125)이 활성화되어 전도채널이 형성되며, 동시에 데이터라인(117)으로 입력된 화상신호가 박막트랜지스터의 소스전극(122) 및 드레인전극(123)을 통해 화소전극(118)으로 입력되어 상기 화소전극(118)의 슬릿(118s)의 변(에지)과 화소전극(119) 사이에 전계가 형성됨으로써 화상을 구현한다.

상기와 같은 구성의 액정표시소자의 구조를 도 2를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 도 1의 I-I'선 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유리와 같이 투명한 물질로 이루어진 제1기판(110) 위에는 게이트전극(121)이 형성되어 있으며, 그 위에 제1기판(120) 전체에 걸쳐 게이트절연층(112)이 형성된다. 상기 게이트전극(121)은 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al 또는 Al합금과 같이 도전성이 좋은 불투명 금속을 스퍼터링법(sputtering process)에 의해 적층한 후 사진식각방법(photolithography process)에 의해 식각함으로써 형성된다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1기판(110)에는 게이트전극(121)과 동시에 금속이 적층되고 식각되어 게이트라인 및 공통라인이 형성된다.

상기 게이트절연층(112)은 SiOx나 SiNx와 같은 무기절연물질을 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 적층함으로써 형성된다. 상기 게이트절연층(112) 위에는 반도체층(125)이 형성된다. 상기 반도체층(125)은 비정질실리콘(a-Si) 등과 같은 반도체물질을 CVD법에 의해 적층한 후 식각함으로써 형성되는 액티브패턴으로서, 게이트전극(121)에 신호가 인가됨에 따라 그 내부에 전도채널이 형성된다.

상기 반도체층(125) 위에는 소스전극(122)과 드레인전극(123)이 형성된다. 상기 소스전극(122)과 드레인전극(123)은 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al 또는 Al합금과 같이 도전성이 좋은 불투명 금속을 스퍼터링법에 의해 적층한 후 식각함으로써 형성된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 게이트절연층(112) 위에는 상기 소스전극(122)과 드레인전극(123)의 형성과 동시에 데이터라인이 형성된다.

도면에는 도시하지 않았지만, 상기 반도체층(125)과 소스전극(122) 및 드레인전극(123) 사이에는 불순물이 첨가된 반도체물질이 형성되어 반도체층(125)과 소스전극(122) 및 드레인전극(123)을 오믹접합시키는 오믹컨택층(ohmic contact layer)이 형성된다.

또한, 상기 화소내의 게이트절연층(112) 위에는 공통전극(108)이 형성된다. 상기 공통전극(108)은 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명도전물질을 적층하고 식각함으로써 형성된다. 이때, 상기 공통전극(108)은 제1기판(110)에 배치될 수도 있다.

상기와 같이, 소스전극(122) 및 드레인전극(123)이 형성된 제1기판(110) 전체에 걸쳐 보호층(114)이 형성되며, 그 위에 복수의 슬릿(118s)이 형성된 화소전극(118)이 형성된다.

상기 보호층(114)은 BCB(Benzo Cyclo Butene)이나 포토아크릴(photo acryl)과 같은 유기절연물질을 적층함으로써 형성되며, 화소전극(118)은 ITO나 IZO와 같은 도전성이 좋은 투명한 도전물질을 적층하고 식각함으로써 형성된다. 또한, 상기 보호층(114)으로서 SiOx나 SiNx와 같은 무기절연물질을 사용할 수도 있다. 상기 보호층(114)에는 컨택홀이 형성되어 상기 화소전극(118)이 드레인전극(123)과 전기적으로 접속된다.

도면에는 도시하지 않았지만, 상기 게이트절연층(112) 및 보호층(114)에는 컨택홀이 형성되어 상기 공통전극(108)과 공통라인이 전기적으로 연결된다.

도면에서는 슬릿(118s)이 화소전극(118)에 형성되고 공통전극(108)이 통짜로 형성되지만, 상기 공통전극(108)이 슬릿이 형성되고 화소전극(118)이 통짜로 형성될 수도 있다. 또한, 도면에서는 보호층(114)을 사이에 두고 화소전극(118)이 상부에 배치되고 공통전극(108)이 하부에 배치되지만, 화소전극(118)이 하부에 배치되고 공통전극(108)이 상부에 배치될 수도 있다.

유리와 같이 투명한 물질로 이루어진 제2기판(130)에는 블랙매트릭스(132)와 컬러필터층(134)이 형성된다. 상기 블랙매트릭스(132)는 Ar이나 ArOx 등과 같은 불투명한 금속이나 블랙수지로 이루어진 것으로, 박막트랜지스터 형성영역, 게이트라인 및 데이터라인 형성영역으로 광이 투과하여 화질이 저하되는 것을 방지한다. 상기 컬러필터층(134)은 R(Red), G(Green), B(Blue) 컬러필터가 형성되어, 실제 컬러를 구현한다. 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 컬러필터층(134) 위에는 평탄화막이 형성될 수도 있다.

상기와 같이, 박막트랜지스터가 형성된 제1기판(110)과 컬러필터(134)가 형성된 제2기판(130)이 합착되고 그 사이에 액정층(140)이 형성되어 액정표시소자가 완성된다.

도면에는 도시하지 않았지만, 완성된 액정표시소자의 외부, 즉 제1기판(110) 및 제2기판(130)에는 각각 제1편광판 및 제2편광판이 부착되어 액정층(140)으로 입사되고 출력되는 광의 편광상태를 변경시킨다.

본 발명에서는 상기 액정층(140)의 액정이 작은 전압에도 민감하게 작용하는 액정으로 이루어져, 액정표시소자의 구동전압을 감소시킬 수 있게 되며, 그 결과 액정표시소자의 소비전력을 절감할 수 있게 된다.

현재 액정표시소자의 소비전력을 감소시키기 위한 연구는 주로 백라이트에서 소비전력 감소와 회로기술개발을 통한 소비전력 감소에 집중되었다. 그러나, 액정표시소자의 기술이 성숙됨에 따라 백라이트 및 회로기술개발을 통한 전력소비감소의 연구에는 한계가 발생하였으며, 현재로서는 다른 획기적인 기술의 도약이 없이는 액정표시소자의 소비전력감소를 기대할 수 없는 실정이다.

본 출원인은 종래 관점과는 다른 새로운 관점에서 소비전력의 감소를 실현하기 위한 연구를 진행하였다. 즉, 본 출원인은 백라이트의 구조개선, 회로의 재질과 형상 개선 등과 같은 구조적인 관점이 아닌 액정을 구동하는 구동전압을 절감함으로써 소비전력을 감소시키기 위한 연구를 진행하였는데, 이를 좀더 자세히 설명한다.

일반적으로 액정을 구동하는 구동전압의 문턱전압(Vth)(엄밀하게 말해서, 액정분자가 구동하기 시작하는 전압)은 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

이때, l는 액정에 전압을 인가하는 2개의 전극 사이의 거리, d는 액정표시소자의 셀갭(cell gap), K22는 액정분자는 뒤틀림(twist) 탄성계수, ε₀는 액정분자의 비유전율, Δε는 액정분자의 유전율이방성이다.

수학식 1에 나타낸 바와 같이, 액정을 구동하는 전압(Vth)은 전극 사이의 거리(l)와 셀갭(d)과 같은 액정표시소자의 구조, 탄성계수(K22) 및 유전율 이방성(Δε)과 같은 액정 자체의 물성에 의해 결정된다. 이러한 구동전압(Vth)을 결정하는 변수중에서 액정표시소자의 구조에 대한 변수는 수많은 연구가 이루어져 현재로서는 액정표시소자의 구조를 변경함으로써 구동전압(Vth)을 낮추기는 불가능하다.

또한, 액정의 물성을 변경함으로써 구동전압을 낮춰서 소비전력을 감축할 수도 있다. 즉, 수학식 1에 기재된 바와 같이, 액정의 물성에 관한 액정분자의 유전율이방성을 감소시킴으로써 구동전압을 낮출 수 있게 된다.

도 3은 양성 액정 및 음성 액정의 유전율 이방성(Δε)과 액정의 회전점도계수(γ1)를 나타내는 그래프이다. 이때, 회전점도계수는 액정에 전계가 인가될 경우 또는 전계가 제거될 경우, 액정분자가 회전(rotation 또는 switching)하거나 복원하는 정도를 나타내는 인자로써, 점도가 높을수록 회전속도가 감소하게 된다. 액정분자의 회전속도는 화상의 품질을 결정하는 변수이다. 액정분자의 회전점도계수가 높은 경우, 신호인가에 따른 반응이 지연되기 때문에, 액정분자의 복원이 늦어져 화상의 구현시 응답속도가 지연되어 이로 인해 화질이 저하된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 양성 액정분자의 경우 유전율 이방성(Δε)이 약 3에서 15로 증가하는 경우, 회전점도계수(rotational viscosity coefficient;γ1)가 약 39에서 130으로 대폭 증가한다. 따라서, 양성 액정분자의 경우 유전율 이방성(Δε)을 증가하여 구동전압을 감소시킬 수는 있지만, 회전점도계수의 증가하여 응답속도가 저하되는 등의 불량이 발생한다.

반면에, 음성 액정분자의 경우에도 유전율 이방성(Δε)이 약 -1에서 -5로 증가하는 경우, 회전점도계수(γ1)가 70에서 143으로 대폭 증가한다. 따라서, 음성 액정분자의 경우에도 유전율 이방성(Δε)의 증가에 따라 구동전압이 감소하지만 회전점도계수(γ1)의 급격한 증가에 따라 화상의 구현시 응답속도의 지연현상이 발생하게 된다.

이와 같이, 액정표시소자의 액정분자의 유전율 이방성(Δε)을 증가시켜 구동전압(Vth)을 저하시키는 경우에도 회전점도계수의 급격한 증가에 따라 응답속도의 저하된다. 다시 말해서, 액정의 물성을 변경함으로써 구동전압을 낮춰서 소비전력을 감축하는 것에는 한계가 있었다.

따라서, 본 발명에서는 구동전압을 낮춰서 소비전력을 감축하기 위해, 단순히 액정표시소자의 구조를 변경하거나 유전율 이방성(Δε)만을 증가시키는 것이 아니라, 액정분자의 유전율 이방성(Δε)을 조절함과 동시에 수평유전율과 수직유전율을 조절함으로써 구동전압을 감소하고 소비전력을 감축한다.

특히, 본 발명에서는 특정 범위의 유전율 이방성(Δε), 수평유전율 및 수직유전율을 가진 음성 액정을 사용함으로써 액정표시소자의 투과도를 향상시킴과 동시에 소비전력을 감축할 수 있게 된다. 일반적으로 음성 액정분자는 전계가 인가됨에 따라 전계와 수직방향으로 배열된다. 예를 들어, FFS모드의 액정표시소자의 경우, 공통전극(108)과 화소전극(118) 사이의 형성되는 전계중 수직전계(특히, 화소전극의 가장자리영역의 전계)에 대하여 액정분자가 기판과 수평방향으로 배열되므로, 이 영역에서 액정분자가 수직방향으로 배열되는 양성 액정분자에 비해 투과도를 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 음성 액정의 유전율 이방성(Δε)이 약 -5∼-1, 바람직하게는 -4∼-3인 것이 바람직하다. 이 범위의 유전율 이방성(Δε)내에서 음성 액정분자는 구동전압(Vth)이 감소함과 아울러 회전점도계수((γ1)가 감소하여 액정분자가 고속 반응하게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 음성 액정의 유전율 이방성(Δε)과 회전점도계수(γ1)의 관계를 나타내는 그래프가 유전율 이방성(Δε)이 증가함에 따라 회전점도계수(γ1)가 급격하게 증가한다. 따라서, 유전율 이방성(Δε)이 증가하면 회전점도계수(γ1)의 급격한 증가에 따른 액정표시소자에 잔상이 발생한다. 또한, 음의 유전율 이방성(Δε)이 감소하면 유전율 이방성의 절대값 (│Δε│)이 또한 감소하므로, 구동전압(Vth)이 증가하게 된다.

다시 말해서, 음성 액정의 유전율 이방성(Δε)이 설정된 값 이상으로 증가하면 회전점도계수(γ1)의 증가에 따라 응답속도가 지연되며, 음성 액정의 유전율 이방성(Δε)이 설정된 값 이하로 감소하면 구동전압(Vth)이 증가하게 된다.

본 발명에서는 음성 액정의 유전율 이방성(Δε)이 약 -5∼-1, 바람직하게는 -4∼-3인 것이 바람직하다. 이 범위의 유전율 이방성(Δε)내에서 음성 액정분자는 구동전압(Vth)이 감소함과 아울러 회전점도계수((γ1)가 감소하여 액정분자의 응답속도가 향상된다.

도 4는 본 발명에 사용되는 음성 액정의 수직 유전율과 수평 유전율의 비율(ε∥/ε⊥)의 비율에 따른 투과도(Transmittance)를 나타내는 그래프이다. 이때, 음성 액정의 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)의 비율은 (1.1/4.5),(1.7;5.1),(2.3/5.7), (2.9/6.4), (3.5/6.9), (4.1/7.5), (4.7/8.1), (5.3/8.7), (5.9/9.3)이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 특정 구동전압(V)(해당하는 구동전압의 수직축을 따른)에서 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 감소할수록 투과도가 증가한다. 이것은 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 감소할수록 동일한 구동전압하에서의 액정분자의 반응속도가 증가하는 것을 의미한다. 또한, 동일 투과도(해당하는 투과도의 수평축을 따른)에 대하여, 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 감소할수록 구동전압이 감소하게 된다.

표 1은 본 발명에 따른 음성 액정의 수평유전율과 수직유전율에 따른 전압 및 투과율을 나타내는 테이블로서, 도 2의 그래프를 수식화한 것이다. 이때, 표 1은 음성 액정의 유전율 이방성(Δε)이 -3.4일 때의 결과를 수식화한 것이지만, 유전율 이방성(Δε)이 -5∼-1, 바람직하게는 -4∼-3인 경우에도 동일한 결과를 얻을 수 있을 것이다.

Δε=-3.4
ε∥	1.1	1.7	2.3	2.9	3.5	4.1	4.7	5.3	5.9
ε⊥	4.5	5.1	5.7	6.3	6.9	7.5	8.1	8.7	9.3
ε∥/ε⊥의 비	0.24	0.33	0.4	0.46	0.51	0.55	0.58	0.61	0.63
V	6.45	6.55	6.65	6.74	6.83	6.91	6.99	7.07	7.15
T	100.1	100.1	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0

여기서, V는 구동전압이고 T는 액정층의 투과도를 나타낸다.

표 1에 표시된 바와 같이, 음성액정은 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24, 0.33, 0.4, 0.46, 0.51, 0.55, 0.58, 0.61, 0.63으로 증가함에 따라 구동전압(V)이 각각 6.46V, 6.55V, 6.65V, 6.74V, 6.83V, 6.91V, 6.99V, 7.07V, 7.15V로 증가한다. 즉, 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.1 감소할수록, 구동전압이 약 2%씩 감소한다. 한편, 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.1 감소하는 경우에도 액정층의 투과도는 거의 변화가 없기 때문에, 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)의 감소에 따른 화질저하는 발생하지 않게 된다.

이와 같이, 음성 액정은 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)을 감소시킬수록 구동전압이 감소하므로, 소비전력을 감소할 수 있게 된다. 이때, 구동전압이 6.9V 이상이 되면, 일반적인 양성 액정을 사용하는 경우의 구동전압과 차이가 없으므로, 본 발명에서는 음성 액정을 사용하되, 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24∼0.51인 음성 액정을 사용하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 음성 액정을 채용하되, 유전율 이방성(Δε)이 약 -5∼-1이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24∼0.51인 음성 액정인 액정을 사용한다. 이러한 음성 액정을 사용함으로써 구동전압을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 액정분자의 회전점도계수가 크게 증가되지 않으므로 응답속도 지연현상을 방지할 수 있게 된다.

이하에서는 음성 액정을 채용할 경우의 액정표시소자의 구동전압의 저하에 대해 좀더 상세히 살펴본다.

도 5는 음성 액정을 액정표시소자에서의 전압에 따른 액정분자의 회전각도를 나타낸다. 이때, Theta는 액정분자의 편각(polar angle)으로의 회전을 나타내고 Phi는 액정분자의 방위각(azimuth angle)으로의 회전을 나타내며, 그래프의 x-축은 액정층의 상하면 사이의 거리이고 y-축은 각각 편각과 방위각의 각도이다. 도면에서는 이러한 편각방향 및 방위각방향으로의 액정분자의 회전을 각각 화소전극(PXL)의 상부, 화소전극(PXL)의 가장자리(edge) 및 화소전극(PXL)과 화소전극 사이의 영역(PXL to PXL)에서 측정하였다.

이때, 수평유전율(ε∥)과 수직유전율(ε⊥)이 각각 1.1, 4.5이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24인 음성 액정, 수평유전율(ε∥)과 수직유전율(ε⊥)이 각각 3.5, 6.9이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.51인 음성 액정, 수평유전율(ε∥)과 수직유전율(ε⊥)이 각각 5.9, 9.3이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.0.63인 음성 액정에 6.7V의 구동전압을 인가한 상태에서 회전각도를 측정하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 화소전극(PXL) 상부의 음성 액정분자의 경우(A), 액정층의 상하면에서 중앙으로 갈수록 음성 액정분자의 편각방향으로의 회전은 감소하고 방위각방향으로의 회전은 증가한다. 이러한 현상은 기판과 형성되어 액정분자에 인가되는 배향규제력(anchoring energy)에 기인한다.

또한, 도면에 도시된 바와 같이, 동일한 위치에서 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24인 음성 액정의 편각방향 및 방위각방향의 회전각도가 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.51인 음성 액정의 편각방향 및 방위각방향의 회전각도보다 크고, 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.51인 음성 액정의 편각방향 및 방위각방향의 회전각도가 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.63인 음성 액정의 편각방향 및 방위각방향의 회전각도보다 크다.

즉, 음성 액정에서는 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 감소할수록 특정 전압에 대한 편각방향 및 방위각방향으로의 회전각도가 증가하게 되는데, 이는 전압에 대한 반응속도가 높음을 의미한다. 따라서, 동일 전압에서 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24∼0.51인 본 발명의 음성 액정을 적용하는 경우, 다른 범위의 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)을 갖는 음성 액정(예를 들면, 0.63)에 비해 전압에 대한 반응속도가 증가하게 되며, 따라서 작은 전압에 의해서도 화상의 지연없이 액정을 구동할 수 있게 된다.

화소전극의 가장자리영역(B) 및 화소전극과 화소전극 사이(C)에서도 마찬가지로, 음성 액정에서는 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 감소할수록 특정 전압에 대한 편각방향 및 방위각방향으로의 회전각도가 증가하여, 전압에 대한 반응속도가 증가하게 되며, 특히 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24∼0.51인 음성액정의 경우에 최상의 결과를 얻을 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 음성 액정을 사용할 경우를 전기분석적으로 설명한다.

도 6은 음성 액정분자와 상기 액정분자에 인가되는 전계의 좌표를 나타내는 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 음성 액정분자는 y-축 및 z-축방향으로 단축을 가지고 x-축방향으로 장축을 갖는 원반형상으로 이루어진다. 이러한 음성 액정분자에 전계가 인가되는 경우, 음성 액정분자의 단축에는 Ey 및 Ez의 전계성분이 인가되고 장축에는 Ex의 전계성분이 인가된다.

도 7은 음성 액정분자에 특정 구동전압, 예를 들면 6.5V의 전압이 인가될 때의 화소전극의 상부, 화소전극의 가장자리, 화소전극과 화소전극 사이 영역에서의 음성 액정분자에 인가되는 전계의 세기를 나타내는 그래프이다. 이때, 그래프의 x-축은 액정층의 상면과 하면의 거리, 즉 두께방향의 거리이고 y-축은 해당 음성 액정분자에 인가되는 전계의 세기(Ex,Ey,Ez)이다.

이때, 수평유전율(ε∥)과 수직유전율(ε⊥)이 각각 1.1, 4.5이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24인 음성 액정, 수평유전율(ε∥)과 수직유전율(ε⊥)이 각각 3.5, 6.9이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.51인 음성 액정, 수평유전율(ε∥)과 수직유전율(ε⊥)이 각각 5.9, 9.3이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.0.63인 음성 액정에 6.7V의 구동전압을 인가한 상태에서 전계를 측정하였다.

도 7에 도시된 바와 같이, 화소전극 상부의 음성 액정분자에 구동전압이 인가되면, 음성 액정분자의 장축에 인가되는 전계(Ex)는 액정층의 상하부 경계면에서만 급격히 변화하고 액정층 전체에 걸쳐 거의 일정한 값을 유지하다. 또한, 화소전극 상부의 음성 액정분자에 구동전압이 인가되면, 음성 액정분자의 단축에 인가되는 전계(Ez)는 액정층의 하부에서 상부로 갈수록 감소한다. 그리고, 음성 액정분자 전체에 인가되는 전계(│E│) 역시 하부에서 상부로 갈수록 감소한다.

또한, 화소전극의 가장자리의 음성 액정분자에 구동전압이 인가되면, 음성 액정분자의 장축에 인가되는 전계(Ex)는 액정층의 하부에서 상부로 갈수록 지수함수적으로 증가하며 음성 액정분자의 단축에 인가되는 전계(Ez)는 액정층의 하부에서 상부로 갈수록 감소한다. 그리고, 음성 액정분자 전체에 인가되는 전계(│E│) 역시 하부에서 상부로 갈수록 감소한다.

화소전극과 화소전극 사이 영역의 음성 액정분자에 구동전압이 인가되면, 음성 액정분자의 장축에 인가되는 전계(Ex)는 액정층의 하부에서 상부로 갈수록 선형적으로 증가하며 음성 액정분자의 단축에 인가되는 전계(Ez)는 액정층의 상하부 경계면에서만 급격히 변화하고 경계영역을 제외한 액정층 전체에 걸쳐 일정한 값을 유지하다. 그리고, 음성 액정분자 전체에 인가되는 전계(│E│)는 하부에서 상부로 갈수록 선형적으로 감소한다.

또한, 도면에 도시된 바와 같이, 동일한 위치에서 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24인 음성 액정에 인가되는 전계(Ex,Ez,│E│)가 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.51인 음성 액정의 전계(Ex,Ez,│E│) 보다 크고, 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.51인 음성 액정의 편각방향 및 방위각방향의 전계(Ex,Ez,│E│)가 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.63인 음성액정의 전계(Ex,Ez,│E│) 보다 크다.

다시 말해서, 화소전극의 상부, 가장자리, 화소전극과 화소전극 사이 영역에 배치된 음성 액정분자에 6.7V의 구동전압이 인가되는 경우 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 감소할수록 상기 음성 액정분자에 인가되는 전계의 세기가 증가한다.

이와 같이, 음성 액정분자는 화소전극의 상부(A), 가장자리영역(B) 및 화소전극과 화소전극 사이 영역(C)에서 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 감소할수록 특정 전압에 대한 전계의 세기가 증가하게 되며, 특히 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24∼0.51인 음성 액정의 경우에 최상의 결과를 얻을 수 있게 된다.

수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 감소할수록 특정 전압에 대한 전계의 세기가 증가한다는 것은 동일 세기의 전계에 액정분자가 더 강하게 반응한다는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명에서와 같이, 음성 액정분자의 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)을 0.24∼0.51로 하는 경우 동일 세기의 전계에 더 강하게 반응하게 되며, 그 결과 음성 액정분자의 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)을 0.24∼0.51로 하는 경우 구동전압이 효율적으로 감소하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 액정표시소자의 액정으로서 음성 액정을 사용하며, 특히 유전율이방성(Δε)이 약 -5∼-1이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24∼0.51인 음성 액정을 사용하므로, 음성 액정분자를 구동하기 위한 구동전압을 감소할 수 있게 되어 소비전력을 절감할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 상기 범위의 유전율이방성(Δε) 및 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)를 갖는 음성 액정 분자를 사용하므로, 액정분자의 회전점도계수가 감소하게 되어 화면상에 응답속도 저하와 같은 불량이 발생하지 않게 된다.

다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 액정표시소자에서는 액정층(140)이 상기와 같이 유전율이방성(Δε)이 약 -5∼-1이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24∼0.51인 음성 액정으로 구성되므로, 공통전극(108)과 화소전극(118) 사이에 전압을 인가하여 액정층(140)의 음성 액정분자를 구동하는 경우, 종래에 비해 구동전압을 저하시킬 수 있으며, 그 결과 액정표시소자의 전력소비를 절감할 수 있게 된다.

한편, 도면에서는 상기와 같은 음성 액정을 FFS모드에 적용하는 구성이 개시되어 있지만, 본 발명이 적용되는 음성 액정이 특정 구동모드의 액정표시소자에 한정되는 것이 아니라, IPS(In Plane Swithcing)모드 액정표시소자와 같은 다양한 모드의 액정표시소자에 적용될 수 있을 것이다.

또한, 상기 FFS모드 액정표시소자의 구조도 특정 구조로 한정되어 있는데, 본 발명이 이러한 구조에 한정되는 것이 아니라 현재 알려진 모든 구조의 액정표시소자에 적용할 수 있을 것이다.

따라서, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이며, 본 발명의 권리범위는 특정 구조에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

110,130 : 기판 120 : 박막트랜지스터
108 : 공통전극 118 : 화소전극
140 : 액정층

Claims (4)

1. 유전율이방성(Δε)이 -5∼-1이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24∼0.51인 음성 액정.
2. 제1항에 있어서, 유전율이방성(Δε)은 약 -4∼-3인 음성 액정.
3. 화상이 구현되는 액정패널; 및
   상기 액정패널에 배치된 액정층으로 구성되며,
   상기 액정층은 유전율이방성(Δε)이 -5∼-1이고 수평유전율과 수직유전율의 비율(ε∥/ε⊥)이 0.24∼0.51인 음성 액정으로 구성된 액정표시소자.
4. 제3항에 있어서, 상기 액정패널은 FFS(Fringe Field Switching)모드 액정패널 및 IPS(In Plane Switching)모드 액정패널을 포함하는 액정표시소자.
   
   
   

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