KR20020002134A - 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치 - Google Patents

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홍승호
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주식회사 현대 디스플레이 테크놀로지
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Abstract

본 발명은 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치를 개시한다. 개시된 본 발명은, 소정거리를 두고 대향하는 상하부 기판; 상기 상하부 기판 사이에 개재되며, 유전율 이방성이 양인 액정 분자를 포함하는 액정층; 상기 하부 기판의 내측에 형성되는 투명한 카운터 전극; 상기 하부 기판의 내측에 형성되며, 상기 카운터 전극과 함께 프린지 필드를 형성하여 액정 분자 대부분을 동작시키는 투명한 화소 전극; 상기 상하부 기판과 액정층 사이에 각각 개재되며, 소정의 러빙축을 갖는 수평 배향막을 포함하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치로서, 상기 유전율 이방성이 양인 액정 분자를 포함하는 액정층의 리타데이션은 0.3 내지 0.45㎛인 것을 특징으로 한다.

Description

프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치{FRINGE FIELD SWITCHING MODE LCD}
본 발명은 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 유전율 이방성이 양인 액정층을 사용하면서도 최대 투과율을 확보할 수 있는 프린지 필드 구동 모드 액정 표시 장치에 관한 것이다.
일반적으로 IPS(in-plane switching) 모드 LCD는 TN(twisted nematic) 모드 LCD의 낮은 시야각 특성을 보완하기 위하여 일본국 히다찌사에서 제안되었다. 이러한 IPS 모드 액정 표시 장치는 다음과 같은 구성을 갖는다. 상하 기판은 소정 거리를 두고 대향되고, 상하 기판 사이에 수개의 액정 분자를 포함하는 액정층이 개재된다. 액정 분자를 구동시키는 불투명 화소 전극과 카운터 전극은 모두 예를들어 하부 기판에 형성되고, 이들 화소 전극과 카운터 전극은 평행한 전계가 형성되도록 상하 기판의 간격보다 더 큰 간격으로 이격된다. 아울러, 화소 전극과 카운터 전극은 일정한 전계의 세기를 확보하기 위하여, 비교적 큰 폭을 갖는다. 또한, 상하부 기판과 액정층 사이에는 수평 배향막이 각각 개재된다.
이러한 IPS 모드 액정 표시 장치는 액정 분자들이 기판면에 누워있는 상태로 배열되므로 시야각이 우수하다는 장점이 있으나, 투과율이 매우 낮다는 문제점을 가지고 있다.
이와같은 IPS 모드 액정 표시 장치의 낮은 투과율 특성을 개선하기 위하여, 종래에는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치(fringe field switching mode LCD: 이하 FFS-LCD)가 본 출원인들에 의하여 제안되었으며, 이에 대하여 대한민국 특허출원 제98-9243호로 출원된 바 있다.
이러한 프린지 필드 구동 액정 표시 장치는 카운터 전극과 화소 전극을 투명 전도체로 형성하면서, 카운터 전극과 화소 전극과의 간격을 상하 기판 사이의 간격보다 좁게 형성하여, 카운터 전극과 화소 전극 상부에 프린지 필드가 형성되도록한다.
이러한 일반적인 프린지 필드 구동 액정 표시 장치가 도 1에 도시되어 있다.
도 1를 참조하여, 하부 기판(1)과 상부 기판(10)은 소정 거리(d: 이하 셀갭)를 두고 대향되어 있다. 여기서, 하부 기판(1)과 상부 기판(10)의 이격된 거리를 이하 셀갭(d)이라 칭한다. 하부 기판(1)과 상부 기판(10) 사이에는 액정층(15)이 개재되어 있다. 이때, 액정층(15)은 소정의 액정 분자를 포함하고 있으며, 이 액정 분자는 유전율 이방성이 음 또는 양일 수 있다. 또한, 셀갭(d)과 굴절율 이방성(Δn)의 곱으로 나타내어지는 리타데이션(retardation)은 액정 표시 장치가 최대 투과율을 얻을 수 있도록 0.25 내지 0.35㎛가 되도록 한다.
하부 기판(1) 상에는 도면에 도시되지 않았지만, 게이트 버스 라인 및 데이타 버스 라인이 교차 배열되어, 단위 화소를 한정하고, 게이트 버스 라인과 데이타 버스 라인의 교차점 부근에는 능동 구동을 위한 박막 트랜지스터(도시되지 않음)가 배치된다. 하부 기판(1)의 단위 화소 내에는 카운터 전극(3)이 형성된다. 카운터 전극(3)은 투명한 ITO(indium tin oxide)층으로 형성되며, 빗살 형태 또는 플레이트 형태로 형성된다. 카운터 전극(3)이 형성된 하부 기판(1) 상부엔 게이트 절연막(4)이 형성된다. 게이트 절연막(4) 상부에 화소 전극(5)은 카운터 전극(3)과 오버랩되도록 빗살 형태로 형성된다. 이때, 카운터 전극(3)과 화소 전극(5)의 간격(l)은 셀갭(d)보다 좁게 형성된다. 아울러, 하부 기판(1)의 결과물 표면에는 액정 분자의 초기 배열을 제어하기 위한 수평 배향막(6)이 형성된다. 이때, 수평 배향막(6)은 소정 방향으로의 러빙축을 가지며, 소정의 프리틸트각을 갖는다.
한편, 하부 기판(1)과 대응되는 상부 기판(10)의 대향면에는 컬러 필터(12)가 형성된다. 컬러 필터(12) 표면에도 역시, 액정 분자의 초기 배열을 제어하기 위한 수평 배향막(14)이 형성된다. 이때, 상부 기판의 수평 배향막(14) 역시 소정각의 프리틸트각을 가지며, 하부 기판의 수평 배향막(6)의 러빙축과 180°만큼의 각을 이루는 러빙축을 갖는다.
이러한 구성을 갖는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치는 다음과 같이 동작된다.
카운터 전극(3)과 화소 전극(5) 사이에 전압차가 발생되면, 카운터 전극(3)과 화소 전극(5) 사이의 간격이 셀갭(d)보다 좁기 때문에, 프린지 필드가 형성된다. 이때, 화소 전극(5) 및 화소 전극(5) 사이의 공간을 통하여 오픈되어진 카운터 전극(3)의 폭은 충분히 미세하므로, 프린지 필드가 카운터 전극(11)과 화소 전극(13)상부에 모두 미치게 되어, 단위 화소내에 있는 액정 분자들이 대부분 동작된다. 이에따라, 투과율 및 개구율이 향상된다.
그러나, FFS-LCD의 액정층으로 유전율 이방성이 양인 액정 또는 유전율 이방성이 양인 액정을 모두 사용할 수는 있으나, 일반적으로는 응답 시간이 우수한 유전율 이방성이 음인 액정이 액정층으로 사용되고 있다. 이에따라, 리타데이션 역시, 유전율 이방성이 음인 액정이 사용될때 최대 투과율을 얻을 수 있는 값으로 결정된다.
이로 인하여, FFS-LCD의 액정층으로 가격이 저렴한 유전율 이방성이 양인 물질을 사용하게 되면, 리타데이션 조건을 충족시키지 못하여, 최대 투과율을 얻을 수 없다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유전율 이방성이 양인 액정을 사용하면서도 최대 투과율을 만족할 수 있는 FFS-LCD를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 일반적인 프린지 필드 구동 액정 표시 장치의 단면도.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 FFS-LCD의 단면도.
도 3은 일반적인 FFS-LCD, 유전율 이방성이 양인 액정층을 사용하는 FFS-LCD 및 TN-LCD의 리타데이션에 따른 투과율을 나타낸 그래프.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
20 - 하부 기판 22 - 카운터 전극
24 - 게이트 절연막 26 - 화소 전극
28 - 제 1 수평 배향막 30 - 액정층
30a - 액정 분자 40 - 상부 기판
42 - 컬러 필터 44 - 제 2 수평 배향막
45a - 편광자 45b - 분해자
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 의하면, 소정거리를 두고 대향하는 상하부 기판; 상기 상하부 기판 사이에 개재되며, 유전율 이방성이 양인 액정 분자를 포함하는 액정층; 상기 하부 기판의 내측에 형성되는 투명한 카운터 전극; 상기 하부 기판의 내측에 형성되며, 상기 카운터 전극과 함께 프린지 필드를 형성하여 액정 분자 대부분을 동작시키는 투명한 화소 전극; 상기 상하부 기판과 액정층 사이에 각각 개재되며, 소정의 러빙축을 갖는 수평 배향막을 포함하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치로서, 상기 유전율 이방성이 양인 액정 분자를 포함하는 액정층의 리타데이션은 0.3 내지 0.45㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 유전율 이방성이 양인 액정층을 사용하는 FFS-LCD에서, 액정층의 리타데이션이 0.3 내지 0.45㎛를 만족하도록 한다. 이에따라, 유전율 이방성이 양인 액정층을 FFS-LCD에 적용하더라도 최대 투과율을 얻을 수 있다.
(실시예)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
첨부한 도면 도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 FFS-LCD의 단면도이고, 도 3은 일반적인 FFS-LCD, 유전율 이방성이 양인 액정층을 사용하는 FFS-LCD 및 TN-LCD의 리타데이션에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 2a를 참조하여, 하부 기판(20)과 상부 기판(40)은 소정 거리(d: 이하 셀갭)를 두고 대향되어 있다. 여기서, 하부 기판(20)과 상부 기판(40)의 이격된 거리를 이하 셀갭(d)이라 칭한다. 이때, 본 실시예에서의 셀갭(d)은 2 내지 6㎛이다. 하부 기판(20)과 상부 기판(40) 사이에는 수개의 액정 분자(30a)를 포함하는 액정층(30)이 개재되어 있다. 이때, 액정 분자(30a)의 유전율 이방성(dielectric anisotropy)은 양이며, 그 값은 4 내지 15 사이이다.
하부 기판(20) 상부에는 도면에 도시되지 않았지만, 게이트 버스 라인 및 데이타 버스 라인이 교차,배열되어, 단위 화소를 한정하고, 게이트 버스 라인과 데이타 버스 라인의 교차점 부근에는 능동 구동을 위한 박막 트랜지스터(도시되지 않음)가 배치된다. 하부 기판(20)의 단위 화소 내에는 카운터 전극(22)이 형성된다. 카운터 전극(22)은 투명 도전층인 ITO층으로 형성되며, 빗살 형태 또는 플레이트 형태로 형성될수 있다. 본 실시예에서는 예를들어, 플레이트 형태로 형성하였다. 카운터 전극(22)이 형성된 하부 기판(20) 상부엔 게이트 절연막(24)이 형성된다. 화소 전극(26)은 게이트 절연막(24) 상부에 카운터 전극(22)과 오버랩되도록 빗살 형태로 형성된다. 이때, 카운터 전극(22)과 화소 전극(26)의 간격(l)은 셀갭(d)보다 좁게 형성되어, 카운터 전극(22)과 화소 전극(26) 사이에 프린지 필드가 형성되도록 한다. 아울러, 하부 기판(20)의 결과물 표면에는 액정 분자의 초기 배열을 제어하기 위한 제 1 수평 배향막(28)이 형성된다. 이때, 제 1 수평 배향막(28)은 최대 투과율을 얻을 수 있도록 카운터 전극(22)과 화소 전극(26) 사이에 형성될 프린지 필드의 기판 투영선과 45 내지 90°, 더욱 바람직하게는 60 내지 85°를 이루는 러빙축을 갖는다.
한편, 하부 기판(20)과 대응되는 상부 기판(40)의 대향면에는 컬러 필터(42)가 형성된다. 컬러 필터(42) 표면에 제 2 수평 배향막(44)이 형성된다. 이 제 2 수평 배향막(44)은 제 1 수평 배향막(28)의 러빙축과 소정 각도, 예를들어, 180°만큼의 각을 이루는 러빙축을 갖는다.
또한, 하부 기판(20)의 외측 부분에는 백라이트(도시되지 않음)로 부터 입사되는 광을 선편광시키는 편광자(45a)가 부착되고, 상부 기판(40)의 외측 부분에는 액정층(30)을 통과한 광을 선택적으로 흡수 및 통과시키는 분해자(45b)가 부착된다. 여기서, 편광자(45a)는 제 1 수평 배향막(28)의 러빙축과 일치하는 편광축(도시되지 않음)을 가지며, 분해자(45b)는 편광축과 직교하는 흡수축(도시되지 않음)을 갖는다.
이러한 구성을 갖는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치는 다음과 같이 동작된다.
먼저, 카운터 전극(22)과 화소 전극(26) 사이에 전계가 형성되지 않으면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 유전율 이방성이 양인 액정 분자(30a)는 제 1 및 제 2 수평 배향막(28,44)의 러빙축과 장축이 일치하도록 배열된다. 이에따라, 백라이트로부터 편광자(45a)를 통과한 광은 러빙축과 장축이 일치되도록 배열된 액정층(30)을 지나면서 진행 방향이 변화되지 않는다. 이에따라, 액정층(30)을 통과한 광은 편광축과 직교하는 흡수축을 가지는 분해자(45b)에 의하여 흡수되어, 화면은 다크가 된다.
한편, 카운터 전극(22)과 화소 전극(26) 사이에 전압차가 발생되면, 카운터 전극(22)과 화소 전극(26) 사이에 프린지 필드(f)가 형성된다. 그러면, 유전율 이방성이 양인 액정 분자(30a)들은 프린지 필드(f)와 장축이 일치하도록 배열된다. 이에따라, 백라이트로 부터 편광자(45a)를 통과한 광은 액정층(30)을 통과하면서 그 편광 상태가 변화되므로, 분해자(45b)의 흡수축을 통과한다. 따라서, 화면은 화이트가 된다.
이때, 일반적으로 액정 표시 장치에 있어서, 배향막 표면에 위치하는 액정 분자들은 배향막의 앵커링 힘(anchoring force)에 의하여, 전계가 인가되더라도 배향막에 의존하여 배열된다. 그러나, FFS-LCD인 경우, 카운터 전극(22)과 화소 전극(26) 사이의 간격이 매우 미세하므로, 카운터 전극(22)과 화소 전극(26) 사이 특히, 제 1 수평 배향막(28) 표면에 해당되는 부근에 가장 강한 전계가 발생된다. 아울러, 유전율 이방성이 양인 액정 분자들은 공지된 바와 같이 장축과 전계와 평행하게 트위스트되므로, 단축이 전계와 평행하게 트위스트되는 유전율 이방성이 음인 액정 분자보다 전계에 더욱 강하게 움직이게 된다. 그러므로, FFS-LCD의 액정층으로서 유전율 이방성이 양인 물질을 사용하게 되면, 전계 인가시 제 1 수평 배향막(28) 표면에 위치하는 액정 분자들(30a)까지 전계의 형태로 트위스트된다. 따라서, 유전율 이방성이 양인 액정층을 사용하는 FFS-LCD는 유전율 이방성이 음인 액정층을 사용하는 FFS-LCD와 같은 리타데이션에서 그 투과율이 상이해진다.
이를 보다 자세하게 설명하면, 도 3은 일반적인 FFS-LCD, 유전율 이방성이 양인 FFS-LCD 및 TN-LCD의 리타데이션(dΔn)에 따른 투과율(T)을 나타낸 것으로, 도면의 (a)는 일반적인 FFS-LCD의 리타데이션에 따른 투과율 곡선이고, (b)는 TN-LCD의 리타데이션에 따른 투과율 곡선이며, (c)는 유전율 이방성이 양인 액정층을 사용하는 FFS-LCD의 리타데이션에 따른 투과율 곡선을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일반적인 FFS-LCD의 최대 투과율은 리타데이션이 0.2 내지 0.3㎛일때 나타나고, TN-LCD의 최대 투과율은 리타데이션이 0.4 내지 0.5㎛일때 나타난다. 한편, 유전율 이방성이 양인 액정층을 사용하는 FFS-LCD의 최대 투과율은 일반적인 FFS-LCD 투과율 곡선(a)보다 TN-LCD 투과율 곡선(b)쪽으로 쉬프트된 0.3 내지 0.45㎛ 범위에서 나타난다. 이는 유전율 이방성이 양인 액정층을 FFS-LCD에 사용하는 경우, 제 1 수평 배향막(28)의 표면에 있는 액정 분자들이 움직이기 때문이다. 이에따라, 유전율 이방성이 양인 액정을 FFS-LCD의 액정층으로 사용할 경우, 리타데이션을 0.3 내지 0.45㎛으로 설정하여, 최대 투과율을 얻도록 한다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 유전율 이방성이 양인 액정층을 사용하는 FFS-LCD에서, 액정층의 리타데이션이 0.3 내지 0.45㎛를 만족하도록 한다. 이에따라, 유전율 이방성이 양인 액정층을 FFS-LCD에 적용하더라도최대 투과율을 얻을 수 있다.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (8)

  1. 소정거리를 두고 대향하는 상하부 기판;
    상기 상하부 기판 사이에 개재되며, 유전율 이방성이 양인 액정 분자를 포함하는 액정층;
    상기 하부 기판의 내측에 형성되는 투명한 카운터 전극;
    상기 하부 기판의 내측에 형성되며, 상기 카운터 전극과 함께 프린지 필드를 형성하여 액정 분자 대부분을 동작시키는 투명한 화소 전극;
    상기 상하부 기판과 액정층 사이에 각각 개재되며, 소정의 러빙축을 갖는 수평 배향막을 포함하는 프린지 필드 구동 액정 표시 장치로서,
    상기 유전율 이방성이 양인 액정 분자를 포함하는 액정층의 리타데이션은 0.3 내지 0.5㎛인 것을 특징으로 하는 FFS-LCD.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 분자의 유전율 이방성은 4 내지 15인 것을 특징으로 하는 FFS-LCD.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 상하 기판간의 거리는 2 내지 6㎛인 것을 특징으로 하는 FFS-LCD.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 수평 배향막중 어느 하나의 배향막의 러빙축은 상기카운터 전극과 화소 전극 사이에 형성되는 프린지 필드의 기판 투영선과 약 45내지 90°를 이루는 것을 특징으로 하는 FFS-LCD.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 다른 하나의 배향막의 러빙축은 상기 어느 하나의 배향막의 러빙축과 180°를 이루는 것을 특징으로 하는 FFS-LCD.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 카운터 전극은 플레이트 형태로 형성되고, 화소 전극은 빗살 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 FFS-LCD.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 카운터 전극과 화소 전극은 모두 빗살 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 FFS-LCD.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 카운터 전극과 화소 전극 사이의 거리는 상기 상하 기판간의 거리 보다 작은 것을 특징으로 하는 FFS-LCD.
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