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KR200384611Y1 - 두께공차가 큰 칼라시퀀스 액정표시소자 - Google Patents

두께공차가 큰 칼라시퀀스 액정표시소자 Download PDF

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KR200384611Y1
KR200384611Y1 KR20-2005-0004245U KR20050004245U KR200384611Y1 KR 200384611 Y1 KR200384611 Y1 KR 200384611Y1 KR 20050004245 U KR20050004245 U KR 20050004245U KR 200384611 Y1 KR200384611 Y1 KR 200384611Y1
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Abstract

본 고안은 빨간색과 초록색 그리고 파란색을 번갈아 켜면서 칼라(color)를 구현하는 칼라 시퀀스(Color Sequence) 액정표시소자에 관한 것으로, 액정셀의 두께공차를 크게 한 것이다. 칼라 시퀀스 액정표시소자는 빨간색과 파란색과 초록색이 같이 나오는 액정표시소자에 비하여 3배 정도의 빠른 응답특성을 가져야 한다. 응답특성이 빠르게 하기 위하여 액정층의 두께(cell gap)를 작게 하는데, 두께가 작으면, 액정셀을 균일한 두께로 만들기 어려워 생산 불량이 많았다. 본 고안에서 는 액정층과 배향막 사이에 유전막을 두어, 액정층의 두께변화에 대하여 액정층에걸리는 전압이 달라지게 하였다. 또한 화소전극과 공통전극에 막대모양의 슬릿패턴을 두거나 또는 막대모양의 플로팅전극을 두어 액정층의 두께 변화에 따라서 액정층에 걸리는 전압을 다르게 하여 액정층을 지난 빛의 투과율의 변화를 최소로 하였다. 이 결과 액정층의 두께 변화에 대하여 투과율 변화를 줄여 화면의 밝기가 균일하게 하였다. 또한 액정의 동작전압을 크게 함으로써 전압변화에 대한 투과율변화를 작게 하여, 혼신과 동시에 화면 떨림을 줄였다. 본 고안은 낮은 소비전력이 요구되는 이동형 액정표시소자에 적합하다.

Description

두께공차가 큰 칼라시퀀스 액정표시소자 {Color Sequence Liquid Crystal Display with High Cell Gap Tolerance}
본 고안은 빨간색과 초록색 그리고 파란색을 번갈아 키면서 칼라(color)를 구현하는 칼라 시퀀스(Color Sequence) 액정표시소자에 관한 것으로, 액정셀의 두께공차를 크게 한 것이다.
칼라 시퀀스 액정표시소자는 빠른 응답특성이 요구되고, 혼신이 적어야하므로 TFT(Thin Film Transistor;13)를 각각의 화소마다 두어 신호를 열고 닫는 스위치로 쓴다. 도1은 TFT 액정표시소자의 등가회로이다. TFT 액정표시소자의 동작원리는 다음과 같다. 각화의 TFT의 게이트는 주사선(11)에, 소스는 신호선(12)에, 드레인은 화소전극(14)에 연결한다. 각각의 화소에는 전압에 따라서 투과율을 조절하는 액정층(CL)과 액정층에 신호를 유지하기 위한 보전전기용량(CS)이 병렬로 TFT에 연결되어 있다. 주사선이 선택기간이 되면 게이트 전극에 신호선보다 높은 전압이 걸려 TFT의 채널의 저항이 작아져, 신호선에 걸린 전압이 액정층에 걸린다. 비선택기간에는 게이트전극에 신호선보다 낮은 전압이 걸려, TFT의 채널의 저항이 커져서 신호선과 화소는 전기적으로 단절된다.
칼라시퀀스 액정표시소자는 칼라필터를 쓰지 않고, 빨강, 초록, 파란색 광원을 번갈아 가면서 켜기 때문에 칼라필터를 쓴 액정표시소자에 비하여 3배 정도로 빛의 효율이 높아 소비전력이 낮다. 낮은 소비전력으로 칼라시퀀스 액정표시소자는 소비전력이 중요한 휴대폰 등과 같은 이동형 표시소자로 적합하다. 칼라시퀀스액정표시소자는 칼라필터만 없을 뿐 일반 액정표시소자와 구조가 유사하다. 도3은 종래의 칼라시퀀스 액정표시소자의 단면도이다. 도3에서는 TFT는 생략하였다. 공통전극 기판(2)에는 공통전극(20)이 표시면적 전체에 형성되어 있다. TFT 기판에는 각각의 화소마다 액정층에 전압을 독립적으로 걸어줄 수 있는 화소전극(14)이 형성되어 있다. 액정층은 상하배향막(21,15) 사이에 놓인다.
칼라시퀀스 액정표시소자는 도2에서와 같이 시간에 따라서 빨간색과 파란색과 초록색이 연달아 나오므로, 칼라필터를 써서 빨간색과 파란색과 초록색이 같이 나오는 일반 액정표시소자에 비하여 3배 정도의 빠른 응답특성을 가져야 한다. 칼라시퀀스 액정표시소자는 TN(Twist Nematic)형이나 OCB(Optical Controlled Birefringence) 등과 같이 빠른 응답특성 갖는 모드로 액정셀을 만들다. TN모드와OCB모드에서는 액정분자의 장축방향의 유전율이 단축방향보다 큰 유전율 이방성이양인 액정을 쓴다. TN모드는 꼬임(twist)을 주는 콜레스트릭 액정을 소량 네마틱액정과 혼합하여 주입하고, OCB모드는 네마틱 액정만 주입한다. 도11은 TN형 액정의 러빙방향이고, 도12는 OCB형 액정모드의 러빙방향이다. TN형은 선경사각(pretilt angle)이 약 4~7°, OCB 모드는 10~15°가 되게한다. 도13은 TN형 액정셀의 액정분자배열 모습이다. 문턱치(Vth)보다 낮은 전압이 걸리면, 액정분자는 (가)와 같이 꼬인 구조가 되고, 문턱치보다 매우 큰 전압이 걸리면 (나)와 같이 액정분자의 장축이 배향막에 수직으로 배열한다. (참고문헌 LCD Engineering 성안당출판 p34) 도14는 OCB형 액정셀의 인가전압에 따른 배열을 나타낸다. OCB모드는 동작전압(Vop) 아래에서는 (가)와 같이 액정층 가운데는 수평배열이 되고, 상하로 거울대칭 구조가 된다. 동작전압 이상에서는 (나)와 같이 액정층 가운데에서 액정배열이 수직이 된다. 동작전압 이상에서 전압이 커지면 (다)와 같이 수직배열하는 액정분자가 액정층 가운데를 중심으로 넓게 퍼진다. TN과 OCB형 액정표시소자는 전압에 따라 액정배열이 달라지므로 액정층을 지나는 빛의 편광을 조절하여 화면의 밝기를 조절한다. 액정분자의 장축방향이 배향막과 수직하면, 액정층을 지나는 빛은 편광상태가 거의 변하지 않는다. 굴절률 이방성(△n)을 띈 액정층을 지나야 편광상태가 달라진다. 액정분자의 장축이 배향막에 나란하게 놓일 때, 액정층의 △n이 최대가 된다. 액정분자의 장축이 배향막에 나란하게 놓일 때, 액정층의 △n은 최소가 된다. 액정층의 두께(d)와 액정의 굴절률 이방성(△n)의 곱은 액정셀 설계에서 매우 중요한 변수이다. 도13의 (가)와 같이 전압이 낮게 걸리면 △nd는 크고, (나)와 같이 큰 전압이 걸리면 △nd는 0에 가깝다.
칼라시퀀스 액정표시소자는 액정의 모드로만 빠른 응답특성을 실현할 수 없으므로 액정셀의 두께를 낮춘다. 액정이 수직배열에서 수평배열로 변하는 응답특성은 액정셀 두께의 제곱에 반비례한다.
응답특성이 빠르게 하기 위하여 액정층의 두께(cell gap)를 작게 하는데, 액정셀의 두께가 작으면, 먼지나 유리기판의 뒤틀림 등으로 액정셀을 균일한 두께로 만들기 어려워 생산 불량이 많았다. 액정층의 두께가 4㎛이었을 때와 2㎛이었을 때의 ±0.1㎛로 두께의 균일도를 유지하는 것은 매우 다른 상황이다. 제조공정에서 보통 1~2㎛ 먼지가 액정셀에 많이 묻게되는데, 액정층의 두께를 2㎛ 정도로 만들 경우에는 이러한 먼지들 때문에 두께를 일정하게 유지하기 어렵다.
액정층의 두께가 달라지면, 구동전압이 인가한 상태에서 투과율 변화가 매우 커서 화면의 휘도가 달라 깨끗한 영상을 띄우기 어려웠다.
본 고안에서는 액정층과 배향막 사이에 유전막을 두어, 액정층의 두께변화에 대하여 액정층에 걸리는 전압이 달라지게 하였다. 또한 화소전극과 공통전극에 막대모양의 슬릿패턴을 두거나 또는 막대모양의 플로팅전극을 두어 액정층의 두께변화에 따라서 액정층에 걸리는 전압을 다르게 하여 액정층을 지난 빛의 투과율의 변화를 최소로 하였다.
도4는 본고안의 칼라시퀀스 액정표시소자의 실시예로, 유전막(22)이 들어간 액정표시소자의 단면도이다. 도4에서는 TFT는 생략하였다. 공통전극 기판(2)에는 공통전극(20)이 표시면적 전체에 형성되어 있다. TFT 기판에는 각각의 화소마다 액정층에 전압을 독립적으로 걸어줄 수 있는 화소전극(14)이 형성되어 있다. 액정층은 상하배향막(15,21) 사이에 놓인다. 공통전극(20)과 배향막(21) 사이에 유전막이형성되어 있다. 전압에 따라서 액정층에 걸린 전압은 유전막이 들어간 등가회로로부터 구할 수 있다. 도5는 유전막이 들어간 액정화소의 등가회로이다. 액정층(CL)과 유전막(CD)으로된 축적용량이 직렬로 연결된 구조이다. 도5에서 배향막은 보통두께가 500Å 정도로 액정층이나 유전막에 비하여 매우 얇기 때문에 무시한다. 유전막의 두께는 보통 0.5~1.5㎛ 정도이다. 액정층의 유전율을 εL, 액정층의 두께를dL, 유전막의 유전율을 εD, 유전막의 두께를 dD라고하면, 단위면적의 유전율은 아래식과 같다.
[수학식 1]
도5에서 바이어스전압(VB)은 액정층과 유전율의 임피던스의 비에 따라서, 액정층과 유전막에 분할하여 걸린다. 액정층에 걸린 전압(VL)은 아래식과 같다.
[수학식 2]
유전막은 스핀코팅으로 만들기 때문에 구께 편차가 수십Å 이하로 유전막의두께편차는 거의 없다고 가정한다. 식2에서 액정층이 두꺼워지면 액정층의 축적용량은 작아지고, 액정층에 걸린 전압은 커진다. 반대로 액정층이 얇아지만 액정층의 축적용량은 커지고 액정층에 걸린 전압은 작아진다. 액정층의 두께가 δ만큼 달라질때 액정층의 전압 변화은 아래식과 같다.
[수학식 3]
액정층의 두께가 커지면 액정층에 걸린 전압이 커지고, 액정분자의 장축은 배향막 평면에서 수직방향으로 배열하므로 액정층에 수직으로 지나는 빛에 대한 액정의 굴절률 이방성(△n)이 줄어든다. 투과율은 액정의 굴절률 이방성 △n과 두께 d의 함수인데, d가 커지면 △n이 줄어들고, d가 줄어들면 △n이 커지므로, 서로 보완하는 구조이다.
도6은 종래 칼라시퀀스 액정표시소자의 액정층 두께에 따른 전기광학특성 곡선이다. 액정의 유전율 상수는 단축방향이 3.7이고, 장축방향은 13.7이다. 굴절률은 단축방향이 1.5이고, 단축방향이 1.67이다. 액정층이 얇을수록 초기 전압이 걸리지 않았을 때와 전압이 걸렸을 때의 투과도가 낮은 것을 알 수 있다. 도7은 유전막이 있는 본고안의 칼라시퀀스 액정표시소자의 액정층 두께에 따른 전기광학특성 곡선이다. 유전막의 두께는 1.5㎛이고, 유전율 상수는 4.0이다. 문턱치전압 부근에서는 액정셀 두께에 따른 투과율 차이가 종래와 같지만, 전압이 인가할수록 점점 차이가 줄어드는 것을 알 수 있다. 투과율이 10%와 90% 사이의 전압의 차이를 동작전압 마진이라고한다. 동작전압 마진이 클수록, 주위 노이즈전압에 대한 광투과율 변화가 좋으므로, 혼신과 플리커 등에 대하여 좋은 특성을 띈다. 도6의 종래의 칼라시퀀스 액정표시소자는 두께가 2.5㎛일 때 90%가 되는 전압이 약 1.4V이고, 10%가 되는 전압은 2.1V로, 동작전압 마진이 약 0.7V이다. 도7의 본고안의 칼라시퀀스 액정표시소자는 두께가 2.5㎛일 때 90%가 되는 전압이 약 1.6V이고, 10%가 되는 전압은 3.0V로, 동작전압 마진이 약 1.4V이다. 약 2배 정도 동작전압 마진이 커졌으므로 화면떨림이나 혼신이 그 만큼 줄어든다.
도8은 감마값(gamma value;γ)를 2.0으로 설정했을 때의 도7과 도8의 각각의 계조별 상대투과율의 변화를 계산한 것이다. 기준은 액정셀의 두께가 2.5㎛ 이었을 때이다. 각 계조에 해당하는 투과율은 아래 식으로 알 수 있다. (참고문헌 LCD Engineering 성안당출판 p34)
[수학식 4]
투과율이 낮은 계조에서는 본 고안이 종래에 비하여 200~300% 이상 상대투과율 변화가 작은 것을 알 수 있다.
도9는 본고안의 칼라시퀀스 액정표시소자의 실시예이다. 화소전극에 전극을 막대모양의 슬릿패턴으로 일부 식각한 구조이다. (가)는 화소전극 영역만 단면도로 본 것이고, (나)는 화소전극의 평면도이다. 도9의 구조는 도3의 구조와 화소전극의 모양만 다르다. 슬릿패턴(16)은 화소전극(14)을 식각한 부분이다. 슬릿패턴에 유도되는 전압은 주변 전극에 의하여 결정된다. 슬릿패턴에 작은 플로팅된 전극이 있다고 가정하면, 그 전극에 유도되는 전압은 슬릿패턴의 플로팅된 전극과 주위전극이 이루는 축적용량과 주위전극의 전압분포에 의하여 결정된다. 슬릿패턴의작은 플로팅된 전극 주위에는 여러 전압분포를 갖는 전극이 있고(V1, V2, V3....),플로팅된 전극과 주위 전극 사이의 축적용량을 각각 C1, C2, C3...이라면, 플로팅된 전극에 유도된 전압(V)은 아래식과 같다.
[수학식 5]
액정층의 두께가 줄어들면, 슬릿패턴과 공통전극이 가까워지므로 두 전극 사이의 축적용량이 커지고, 슬릿패턴에는 공통전극에 걸린 전압 성분의 비중이 커진다. 액정층의 두께가 줄어들수록 슬릿패턴에 유도된 전압과 공통전극에 걸린 전압의 차이가 작아지므로, 액정층에 걸린 전압이 작아진다. 액정층에 두께가 커지면,슬릿패턴과 공통전극이 멀어지므로 두 전극 사이의 축적용량이 작아지고 슬릿패턴에는 공통전극에 걸린 전압 성분의 비중이 작아진다. 이는 슬릿패턴에 유도된 전압과 공통전극에 걸린 전압의 차이가 커지므로, 슬릿패턴의 액정층에 걸린 전압이 커진다. 액정층의 두께가 커지면 액정층에 걸린 전압이 커지고, 액정분자의 장축은 배향막 평면에서 수직방향으로 배열하므로 어느 정도 액정의 굴절률 이방성(△n)이 줄어든다. 투과율은 액정의 굴절률 이방성 △n과 두께 d의 함수인데, d가 커지면 △n이 줄어들고, d가 줄어들면 △n이 커지므로, 서로 보완하는 구조이다. 막대모양의 화소전극의 폭(w)과 슬릿패턴의 폭(s)은 화소의 길이, 액정층의 두께 등에 대하여 최적인 값이 각각 다르다.
도10은 본고안의 칼라시퀀스 액정표시소자의 다른 실시예이다. 도10에서는 화소전극을 식각한 슬릿패턴 대신에, 플로팅전극(17)을 둔 것이다. 플로팅전극(17)과 슬릿패턴의 차이는 크게 다르지 않다. 슬릿패턴은 각각의 영역마다 유도된 전압이 다르다. 플로팅된 전극은 그 영역에서 동일 전위를 되어야한다. 도10의 플로팅전극에 유도된 전압은, 슬릿패턴 각각의 영역에 유도되는 전압의 평균전압이 걸린다. 액정층의 두께가 줄어들면, 플로팅 전극과 공통전극이 가까워지므로 두 전극 사이의 축적용량이 커지고, 플로팅된 전극에는 공통전극에 걸린 전압 성분의 비중이 커진다. 이는 플로팅된 전극에 유도된 전압과 공통전극에 걸린 전압의 차이가 작아지므로, 액정층에 걸린 전압이 작아진다. 액정층에 두께가 커지면, 반대로 액정층에 걸린 전압이 커진다. 액정층의 두께가 커지면 액정층에 걸린 전압이 커지고, 액정분자의 장축은 배향막 평면에서 수직방향으로 배열하므로 어느 정도 액정의 굴절률 이방성(△n)이 줄어든다. 투과율은 액정의 굴절률 이방성 △n과 두께d의 함수인데, d가 커지면 △n이 줄어들고, d가 줄어들면 △n이 커지므로, 서로 보완하는 구조이다.
액정층의 두께 변화에 대하여 투과율 변화를 줄여 화면의 밝기가 균일하게 하였다. 또한 액정의 동작전압마진을 크게 함으로써 전압변화에 대한 투과율 변화를 작게 하여, 혼신과 동시에 화면 떨림을 줄였다. 본 고안은 낮은 소비전력이 요구되는 이동형 액정표시소자에 적합하다.
도1은 TFT 액정표소자의 회로도이다.
도2는 칼라시퀀스 LCD의 화면변화를 나타낸다.
도3은 종래 칼리시퀀스 액정표시소자의 단면도이다.
도4는 본고안의 칼라시퀀스 액정표시소자의 단면도이다.
도5는 본고안의 유전막이 들어간 칼라시퀀스 액정표시소자의 등가회로도이다.
도6은 액정셀의 두께변화에 대한 종래 액정표시소자의 광투과곡선이다.
도7은 액정셀의 두께변화에 대한 본 고안의 액정표시소자의 광투과곡선이다.
도8은 계조별 상대투과율 변화를 나타낸다.
도9는 화소전극에 슬릿패턴을 둔 본 고안의 액정표시소자이다.
도10은 화소전극에 플로팅전극을 둔 본 고안의 액정표시소자이다.
도11은 TN형 액정셀의 러빙방향이다.
도12는 OCB형 액정표시소자의 러빙방향이다.
도13은 TN형 액정표시소자의 전압에 따른 액정배열이다.
도14는 OCB형 액정표시소자의 전압에 따른 액정배열이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 공통전극 유리기판 2 : TFT 기판
11 : 주사선 12 : 신호선 13 : TFT
14 : 화소전극 15 : 하배향막 16 : 슬릿패턴
17 : 플로팅전극 20 : 공통전극 21 : 상배향막
22 : 유전막 30 : 액정층

Claims (6)

  1. 빨간색과 파란색 그리고 초록색 광원을 선택하여 켜고, 액정판에는 각각의 광원에 해당되는 신호를 번갈아 인가하고, 액정(30)이 네마틱이면서 유전률 이방성이 양이고, 화소전극(14)과 하배향막(15) 사이 또는 공통전극(20)과 상배향막(21) 사이에 적어도 한곳에 유전막(22)이 입혀진 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자.
  2. 제1항에 있어서 액정의 모드가 TN형 또는 OCB형인 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자.
  3. 빨간색과 파란색 그리고 초록색 광원을 선택하여 켜고, 액정판에는 각각의 광원에 해당되는 신호를 번갈아 인가하고, 액정(30)이 네마틱이면서 유전률 이방성이 양이고, 화소전극(14) 또는 공통전극(20) 가운데 적어도 한곳에 막대모양으로 식각된 슬릿패턴(16)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자.
  4. 제3항에 있어서 액정의 모드가 TN형, 또는 OCB 인 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자
  5. 빨간색과 파란색 그리고 초록색 광원을 선택하여 켜고, 액정판에는 각각의 광원에 해당되는 신호를 번갈아 인가하고, 액정이 네마틱이면서 유전률 이방성이 양이고, 화소전극(14) 또는 공통전극(20) 가운데 적어도 한곳에 막대모양으로 플로팅 된 전극(17)이 형성된 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자.
  6. 제5항에 있어서 액정의 모드가 TN형, 또는 OCB 인 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자
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