KR100900546B1

KR100900546B1 - 액정 표시 장치

Info

Publication number: KR100900546B1
Application number: KR1020020073115A
Authority: KR
Inventors: 유재진; 엄윤성
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2009-06-02
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: KR20040045100A

Abstract

제1 기판, 제1 기판 위에 형성되어 있는 화소 전극, 제1 기판과 소정간격 이격되어 상부에 위치하는 제2 기판, 제2 기판의 저면에 형성되어 있는 기준 전극, 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정을 포함하고, 화소 전극에 인가되는 전압은, 블랙 전압이 포화 전압의 1.5배 내지 3배이고, 화이트 전압이 문턱 전압의 1/2배 내지 1/15배인 액정 표시 장치.

응답 시간, 문턱 전압, 포화 전압, 화이트 전압, 블랙 전압

Description

액정 표시 장치{Liquid crystal display}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 도시한 단면도로서, 화이트 모드의 액정의 배열을 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 시간에 따른 광 투과율의 변화를 나타낸 그래프로서, 상승 시간과 하강 시간을 나타낸 그래프이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치에 인가되는 구동 전압의 변화에 따른 광 투과율의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 도시한 단면도로서, 블랙 모드의 액정의 배열을 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

3 ; 액정 110 ; 제1 기판

190 ; 화소 전극 210 ; 제2 기판

220 ; 블랙 매트릭스 270 ; 기준 전극

Tr ; 상승 시간 Tf ; 하강 시간

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 특히 노말리 화이트 TN 모드(Normally white twisted nematic mode)를 이용하는 액정 표시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 액정 표시 장치는 기준 전극과 색 필터(color filter) 등이 형성되어 있는 상부 기판과, 화소 전극과 박막 트랜지스터 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 주입해 놓고 기준 전극과 화소 전극에 서로 다른 전위를 인가함으로써 전계를 형성하여 액정 분자들의 배열을 변경시키고, 이를 통해 빛의 투과율을 조절함으로써 화상을 표현하는 장치이다.

그런데 액정 표시 장치는 시야각 및 측면 시인성이 나쁜 것이 중요한 단점이다. 이러한 단점을 극복하고자 시야각을 넓히기 위한 다양한 방안이 개발되고 있다. 즉, 보상필름 적용, IPS(In Plane Switching), MVA(Multi-Domain Vertically Alignment) 등과 같은 광 시야각화 기술로 큰 진전이 이루어졌다.

한편, 액정 표시 장치는, 정지 화상의 표시뿐만 아니라, 동화상의 표시에도 이용된다. 그러나, 동화상 표시에 있어서는, 잔상이 현저히 나타나 움직임이 있는 영상이 꼬리를 빼는 것 같이 보이는 문제가 있다. 이 잔상의 문제는, 일반적으로 사용되고 있는 액정이 고분자 물질로써 전계의 변화에 빠르게 응답하지 못하고 어느 정도의 시간을 두고 액정 분자의 배열이 안정된 상태가 되기 때문이다. 또, 액정의 점성, 탄성력이 응답시간과 밀접한 관계가 있다. 이러한 응답시간의 지연은 화면에 잔상을 남기어 화면 끌림 현상이 나타난다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 응답속도가 향상된 액정 표시 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 액정 표시 장치는 제1 기판, 상기 제1 기판 위에 형성되어 있는 화소 전극, 상기 제1 기판과 소정간격 이격되어 상부에 위치하는 제2 기판, 상기 제2 기판의 저면에 형성되어 있는 기준 전극, 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정을 포함하고, 상기 화소 전극에 인가되는 전압은, 블랙 전압이 포화 전압의 1.5배 내지 3배이고, 화이트 전압이 문턱 전압의 1/2배 내지 1/15배이다.

또한, 상기 블랙 전압과 상기 화이트 전압간의 차이가 4.5V 내지 6.0V 가 되도록 상기 블랙 전압과 상기 화이트 전압을 인가한다.

또한, 상기 제1 기판 및 제2 기판간의 간격인 셀 갭이 3.75㎛ 내지 4.5㎛이고, 상기 액정의 회전 점성도가 50 내지 85mPa·s이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치는 제1 기판(110)과 제1 기판(110)의 상면에 형성되어 있는 화소 전극(190)을 포함한다. 화소 전극(190)이 형성된 제1 기판(110)과 소정 간격 이격되어 상부에 제2 기판(210)이 위치하고 있다. 제2 기판(210)의 저면에는 블랙 매트릭스(220), 색 필터(230), 오버 코트막(250) 및 기준 전극(270)이 형성되어 있다. 구동 전압이 인가되는 경우에 화소 전극(190)과 기준 전극(270) 사이에는 전계가 형성된다. 이러한 제1 기판(110)과 제2 기판(210) 사이에는 액정(3)이 주입되어 있어 전계의 변화에 따라 액정의 배열이 달라져서 여러 가지 화상을 표시한다.

도 2는 노말리 화이트 TN 모드에서 구동 전압이 온, 오프됨에 따라 액정 표시 장치의 광 투과율에 변화가 생기는 상태를 나타내는 도면이다.

노말리 화이트 TN 모드에서는 구동 전압에 의해 액정에 전계가 걸리는 경우에 광 투과율이 작아지고, 액정에 걸린 전계가 사라지는 경우에 광 투과율이 증가된다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 노말리 화이트 TN 모드에서, 액정 표시 장치의 응답 시간(Tre)은 구동 전압에 의해 화소 전극(190)과 기준 전극(270)사이에 전계가 걸릴 때 액정이 전계의 방향으로 배열하여 안정된 상태에 이르는데 걸리는 시간인 상승 시간(Rising time, Tr)과, 전계가 사라져 액정이 원래의 안정된 상태로 이르는데 걸리는 시간인 하강 시간(Falling time, Tf)을 합한 시간으로 정의한다. 즉, 노말리 화이트 TN 모드에서, 상승 시간(Tr)은 구동 전압에 의해 액정에 전계에 걸려 액정이 전계 방향으로 배열하여 준안정 상태에 이르는 시간으로서 광 투과율이 90%에서 10%까지 변하는 데 걸리는 시간이고, 하강 시간(Tf)은 구동 전압이 오프(off)됨으로써 전계가 사라져 원래의 안정된 상태로 돌아가는 데 걸리는 시간으로서 광 투과율이 10%에서 90%까지 변하는 데 걸리는 시간이다.

상승 시간 및 하강 시간은 아래와 같은 식에 의해 결정된다.

여기서, η는 회전 점성도이고, d는 제1 기판 및 제2 기판간의 간격인 셀 갭(Cell gap)이며, ε_o는 액정의 진공상태에서의 유전율이고, Δε는 액정의 유전율 이방성이다. 액정의 유전율 이방성은 정(+) 또는 부(-)의 값을 가지며, 노말 화이트 모드에서는 액정의 유전율 이방성이 정(+)의 값을 가지는 액정이 이용된다. 액정의 유전율 이방성이 정(+)의 값을 가지는 경우에 문턱 전압 이상의 전압이 인가되면 액정 분자의 장축이 전계의 방향과 평행하게 되도록 재배열된다.

또한, V는 구동 전압이고, V_TH 는 액정의 문턱 전압을 나타낸다. 문턱 전압(V_TH )이란 처음 전압을 인가하기 시작해서 광 투과율의 변화가 본격적으로 일어나기 시작하는 지점의 전압을 말한다. 문턱 전압의 크기가 크면 액정에 인가해주어야 하는 전압의 크기도 커져서 전력 소모를 증가시키는 요인이 되기도 한다. 이러한 문턱 전압은 아래와 같은 식으로 표현된다.

여기서, K 는 탄성 정수비이고, K₁₁, K₂₂, K₃₃ 은 탄성 정수로서 각각 스프레이, 트위스트, 벤드 변형에 대한 탄성적 복원력에 관계되는 계수이다. 이는 액정에 외력이 작용하여 변형하게 된 경우에 액정이 펼쳐진 상태인 스프레이(spray), 액정이 꼬여진 상태인 트위스트(twist), 액정이 굽어져 있는 상태인 벤드(bend)의 3가지 변형이 존재하고, 이 각각의 변형에 대한 탄성적 복원력을 나타낸다.

위 식에 나타난 바와 같이, 상승 시간(Tr)은 회전 점성도와 셀 갭의 제곱에 비례하고, 인가 전압의 제곱과 문턱 전압의 제곱과의 차이, 액정의 유전율 및 유전율 이방성에 반비례한다. 그리고, 문턱 전압은 탄성 정수비(K)의 제곱근에도 비례하므로 상승 시간(Tr)은 탄성 정수비(K)와도 관계된다.

또한, 하강 시간(Tf)은 회전 점성도와 셀 갭의 제곱에 비례하고, 문턱 전압의 제곱, 액정의 유전율 및 유전율 이방성에 반비례한다.

수학식 1 및 수학식 2에 나타난 바와 같이, 일반적으로 상승 시간(Tr)보다 하강 시간(Tf)이 더 길기 때문에, 하강 시간(Tf)이 액정 표시 장치의 응답 속도에 크게 영향을 준다. 따라서, 응답 속도를 빠르게 하기 위해서는 하강 시간(Tf)을 줄여야 한다.

하강 시간(Tf)을 줄이기 위해서는 셀 갭(d)을 작게 하고 회전 점성도(η)를 낮추고, 유전율 이방성(Δε)을 크게 하고, 문턱 전압(V_TH)을 높여야 한다. 문턱 전압(V_TH)은 탄성 정수비(K)에 관계된다. 그러나, 셀 갭(d)은 생산 수율에 의해 한계에 부딪히고, 액정의 회전 점성도(η)는 60 내지 100 mPa·s로 제한되어 있고, 탄성 정수비(K)는 조절하기 어려운 물성이므로 이러한 변수를 조정해서는 하강 시간을 조절할 수 없다.

따라서, 구동 전압 조건을 최적화하여 하강 시간을 단축한다. 이를 상세히 설명한다.

도 3에는 구동 전압의 변화에 따른 광 투과율의 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 액정의 문턱 전압(V_TH )이란 처음 전압을 인가하기 시작해서 광 투과율의 변화가 본격적으로 일어나기 시작하는 지점의 전압을 말하며, 액정의 포화 전압(Vs)이란 더 이상 전압을 증가시켜도 광 투과율의 변화가 일어나지 않는 지점의 전압을 말한다.

또한, 화이트 전압(Vw)이란 구동 전압 중에서 액정 표시 장치가 가장 밝은 색을 나타내도록 인가되는 전압을 말하며, 블랙 전압(Vb)이란 구동 전압 중에서 액정 표시 장치가 가장 어두운 색을 나타내도록 인가되는 전압을 말한다.

노말리 화이트 TN 모드에서는 블랙 전압(Vb)이 구동 전압 중 가장 큰 전압이고, 화이트 전압(Vw)이 구동 전압 중 가장 작은 전압이다.

화이트 전압(Vw)을 문턱 전압의 1/2배 내지 1/15배 정도로 설정하고, 블랙 전압(Vb)을 포화 전압의 1.5배 내지 3배 정도로 설정하여 블랙 전압(Vb)과 화이트 전압(Vw)과의 차이가 4.5 V 내지 6 V가 되도록 한다. 이렇게 블랙 전압(Vb)과 화이트 전압(Vw)과의 차이를 크게 하면 액정에 가해지는 구동력이 커진다. 노말 화이트 TN 모드에서, 화이트 모드에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 액정의 장축이 전계의 방향과 평행하고, 블랙 모드에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 액정의 장축이 전계의 방향과 수직이 된다. 그러므로, 액정에 가해지는 구동력이 큰 경우에는 액정이 빠른 시간내에 화이트 모드에서 블랙 모드로, 또는 블랙 모드에서 화이트 모드로 회전한다. 따라서, 응답 속도가 빨라진다.

이를 수학식으로 표시하면, 블랙 전압(Vb)과 화이트 전압(Vw)과의 전압차를 Vbw, 셀 갭을 d, 블랙 전압(Vb)과 화이트 전압(Vw)과의 전압차에 의해 액정에 가해지는 구동력을 F, 전하량을 q라 할 때,

따라서, 전압차가 클수록 액정에 가해지는 구동력이 커지므로, 액정이 빨리 회전하고, 이에 따라 보다 빠른 응답 속도를 가진다.

문턱 전압보다 낮은 전압의 화이트 전압(Vw)을 가하여 액정 표시 장치의 화이트 모드를 설정하고, 포화 전압보다 높은 전압의 블랙 전압(Vb)을 가하여 액정 표시 장치의 블랙 모드를 설정한다.

종래에는 예컨대, 화이트 전압(Vw)을 1V, 블랙 전압(Vb)을 5V로 설정하여 블랙 전압(Vb)과 화이트 전압(Vw)과의 차이가 약 4V정도였으나, 본 발명에서처럼 예 컨대, 화이트 전압(Vw)을 0.2V, 블랙 전압(Vb)을 5.5V로 설정하면 블랙 전압(Vb)과 화이트 전압(Vw)과의 차이가 약 5.3V정도이므로, 블랙 전압(Vb)과 화이트 전압(Vw)과의 차이가 종래보다 크므로 액정이 회전하도록 액정에 가해지는 구동력이 커진다. 따라서, 응답 시간이 줄어들고, 응답 속도가 빨라진다.

그리고, 제1 기판 및 제2 기판간의 간격인 셀 갭(d)이 3.75㎛ 내지 4.5㎛이고, 액정의 회전 점성도(η)가 50 내지 85mPa·s인 것이 바람직하다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따른 액정 표시 장치는 화소 전극에 인가되는 구동 전압을 적절히 조절함으로써 응답 속도를 개선할 수 있다.

Claims

제1 기판,

상기 제1 기판 위에 형성되어 있는 화소 전극,

상기 제1 기판과 소정간격 이격되어 상부에 위치하는 제2 기판,

상기 제2 기판의 저면에 형성되어 있는 기준 전극,

상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정을 포함하고,

상기 화소 전극에 인가되는 전압은, 블랙 전압이 포화 전압의 1.5배 내지 3배이고, 화이트 전압이 문턱 전압의 1/2배 내지 1/15배인 액정 표시 장치.
제1항에서,

상기 블랙 전압과 상기 화이트 전압간의 차이가 4.5V 내지 6.0V 가 되도록 상기 블랙 전압과 상기 화이트 전압을 인가하는 액정 표시 장치.
제1항 또는 제2항에서,

상기 제1 기판 및 제2 기판간의 간격인 셀 갭이 3.75㎛ 내지 4.5㎛이고, 상기 액정의 회전 점성도가 50 내지 85mPa·s인 액정 표시 장치.