KR100750454B1 - 단일갭형 반투과형 프린지 필드 스위칭 디스플레이 - Google Patents

단일갭형 반투과형 프린지 필드 스위칭 디스플레이 Download PDF

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KR100750454B1
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reflective
liquid crystal
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polymer resin
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이승희
임영진
최민오
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 프린지 필드 스위칭 모드(Fringe Field Switching:이하 FFS라 칭함)를 이용한 단일갭형 반투과형 액정표시소자를 개시하며, 투과영역과 반사영역의 셀갭이 동일하여 제조공정이 간단한 프린지 필드 스위칭 모드 액정표시장치에 있어서, 개시된 본 발명은 내장형 위상자를 사용함으로써 생기는 높은 구동전압을 낮추기 위해 공통전극 및 화소전극이 각각 구비된 기판을 액정층 상부에 구비하고, 액정층 하부 기판은 반사영역에 반사전극이 패턴되어 있어 반사영역은 수직전기장과 프린지필드에 의해 구동되고, 하부기판의 overcoat층 상부에 코팅된 컬러필터 두께는 반사영역이 투과영역의 절반으로 두 영역의 색 재연성을 같게 하고, 상부기판의 외측에는 상부 편광판이 배치되고, 상기 컬러필터의 내측에는 위상지연값이 λ/4인 내장형 위상자가 코팅되어 있고, 상기 하부기판과 하부편광판 사이에는 위상지연값이 λ/4인 보상필름이 구비되며, 하나의 구동회로를 사용하기 위해 반사영역의 상기 상부기판의 공통전극을 격자형태로 패턴하고, 화소전극과 공통전극의 전극폭과 간격를 최적화 하고, 상기 반사영역의 액정방향자와 편광판의 사이각은 0°에서 22.5°로 스위칭되고, 상기 투과영역의 액정방향자와 편광판의 사이각은 0°에서 45°로 스위칭 된다.
반투과형 액정표시소자, 단일갭, 내장형 위상자, 프리지필드 스위칭 모드

Description

단일갭형 반투과형 프린지 필드 스위칭 디스플레이 {A Single Gap transflective fringe-field switching display }
도 1은 제 1 실시 예에 따른 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD 단면도.
도 2는 도 1의 전압 인가에 따른 반사율과 투과율 곡선.
도 3은 도 1의 반사영역에서 하부 유전층 두께에 따른 반사율 곡선
도 4는 제 3 실시 예에 따른 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD 단면도
도 5는 제 2 실시 예에 따른 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD 단면도.
도 6는 도 4의 반사와 투과영역의 러빙각을 최적화한 전압 인가에 따른 반사율과 투과율 곡선.
본 발명은 내장형 위상자를 이용한 단일갭형 반투과형(transflective) 액정 표시소자(liquid crystal display: 이하 LCD라 칭함)에 관한 것으로, 특히 하부 기판의 반사영역에만 고분자 레진을 요철 모양으로 형성한 후 그 위에 반사전극을 패턴 시켜 요철 모양의 반사전극을 형성하여 제조 공정 시 발생하는 정전기의 방출을 용이하게 하고, 반사전극 상부에 위치하는 컬러필터층의 두께가 투과영역의 유리기판 상부에 존재하는 컬러필터층의 두께에 절반으로 반사와 투과영역의 색 재연성이 같은 FFS모드의 반투과형 액정 표시소자에 관한 것이다.
반투과형 액정 표시소자는 주위의 광원이 어두운 실내의 환경에서는 투과형의 백라이트(backlight)의 광을 액정의 방향자 변화에 의해 스위칭하고 밝은 실외의 환경에서는 외부의 광을 반사판에 의해 반사시켜 액정 방향자의 변화에 의해 스위칭 되기 때문에 옥내외에서 좋은 시인성을 확보할 수 있다. 이로써 사용환경이 다양한 모바일 액정표시소자에 반투과형 액정 표시소자가 사용되고 있다. 최근에 이러한 이동형 장치(Cellular Phone, Personal Digital Assistant)를 통한 TV나 영화와 같은 동영상의 시청을 위하여 고화질의 액정표시소자가 요구되어 지고 있다. 한편, 종래의 액정표시소자는 티엔 (TN) 모드를 주로 사용해 왔다. 그러나 이러한 티엔 (TN) 모드는 화질이 시야각 의존성을 갖는다는 문제가 제기 되어서 그 해결 방안으로서 FFS 모드가 제안되었으며, 이러한 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD에 대해서도 활발하게 연구되어 지고 있다.
하지만 지금까지 제시된 내장형 위상자를 이용한 FFS 반투과형 LCD들은 구동전압이 매우 높고, 반사 영역과 투과 영역에서의 구동 조건이 다르기 때문에 구동 시 두 영역을 각각 구동해야 하는 문제점이 있으며, 반사영역과 투과영역의 컬러필터층의 두께가 같아 반사영역의 색 재연성이 투과영역의 색 재연성보다 두 배가 높아 LCD의 색을 표현하는데 있어서 반사와 투과영역이 큰 차이가 생기는 문제점이 있으며, 한쪽 기판에만 화소전극과 공통전극이 위치하는 구조에선 제조공정 시 발생하는 정전기의 방출이 어려운 문제점 등이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 반사와 투과영역에서 화소전극과 공통전극을 상부기판에 위치함으로써 내장형 위상자에 의해 구동전압이 높아지는 문제를 해결하고, 반사영역의 공통전극을 격자형태로 함으로써 반사영역과 투과영역을 하나의 회로로 구동시키고, 상기 하부 기판의 반사영역에 반사효율을 증대시킬 수 있도록 요철 형태를 갖는 고분자 레진을 형성한 후 그 상부층에 반사전극을 패턴함으로써 요철 형태의 모양을 갖는 반사전극을 통하여 정전기 방출이 용이하고, 반사영역 하부의 반사전극와 상부기판의 공통전극을 하나의 회로로 연결하고, 반사영역의 컬러필터층의 두께를 투과영역의 컬러필터층의 두께의 절반으로 반사와 투과영역의 색 재연성이 같은 프린지 전기장을 이용한 반투과형 LCD를 제작하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이격 배치된 하부기판과 상부기판; 상기 상부기판의 내측 면 상에 프린지 필드를 형성하도록 절연막의 개재하에 형성되며, ITO로 된 플레이트 형태의 공통전극과 격자 형태의 화소전극; 상기 하부 기판의 반사영역에 요철모양의 고분자 레진 층; 요철모양의 반사전극; 상기 반사전극의 상부와 투과영역의 유기기판 상부에 위치한 두께 층이 다른 컬러필터; 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이에 개재되는 수개의 액정 분자들로 구성된 액정층; 상기 컬러필터 상부에 위치한 내장형 위상자; 상부 편광축과 하부 편광축이 서로 수직이며 액정 방향자가 편광판축에 수직 또는 수평방향으로 러빙되어 배열하는 정규암흑(Normally Black)상태를 나타내며 반사영역과 투과 영역의 샐갭이 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 반사 영역에서의 상부 편광판의 투과축 방향과 액정의 러빙 방향은 서로 일치하며, 내장형 위상자의 위상 지연축 방향은 액정의 러빙 방향에 대해서 ±45°이루고 있어서 정규 암흑 (Normally Black) 상태를 나타내며 투과 영역에서는 내장형 위상자 하부에 λ/4 특성을 가지는 위상차 필름(quarter wave plate :QWP)의 위상 지연축 방향을 내장형 위상자의 위상 지연축 방향에 대해서 수직인 방향으로 배치시키고 하부 편광판을 QWP의 위상 지연축 방향에 ±45°로 함으로써 정규 암흑 상태가 되어 반사 영역과 투과 영역 모두 같은 구동 조건을 갖도록 하는것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 반사 부분에서의 하부 기판에 요철형태의 고분자 레진에 의해 요철형태로 패턴된 반사 전극과 상부 기판의 화소전극간에 형성되는 수직 전기장에 의해 발생 되는 반사율 감소를 최소화 하기 위해 4μm 두께의 유전층을 존재시켜야 하는데 전극역할을 하는 하부 기판의 패턴된 반사판 위의 컬러 필터층과 Overcoat 층과 내장형 위상자에 의해 4μm 두께의 유전층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 사용되는 액정의 위상 지연값이 바람직하게는 λ(2n+1)/2,(λ = 550nm±10nm, n=0 또는 양의 정수)의 값을 가짐으로써, 반사 영역과 투과 영역이 정규 암흑상태가 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 반사판으로 사용되는 패턴 된 전극의 형성시 반사율이 80%이상인 도체를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 유전율 이방성이 양인 액정을 사용 시, 반사 부분과 투과 부분이 하나의 구동 회로로 구동시키기 위해 반사부분의 공통 전극과 화소 전극의 폭(W)과 전극간 거리(L)을 각각 1~5μm와 1~7μm로 하였고 반사부분의 러빙 각과 투과 부분의 러빙 각을 프린지 필드를 기준으로 하였을 시 각각 5~50°와 50~85°로 러빙 하였다.
이하, 본 발명에 따른 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
- 실시예 1 -
실시 예 1은 액정 셀의 상부기판에 FFS 전극구조가 위치하고, 하부기판의 반사영역에만 요철형태의 고분자 레진에 의해 요철형태를 갖는 반사전극이 패턴되어 있는 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD이다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 정규 어둠 상태를 나타내는 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD의 단면도이다. 도시한 바와 같이, 하부 기판은 하부 편광판(14)위에 QWP(13)이 위치하고 QWP(13) 상부에는 하부 유리 기판(12)이 위치한다. 하부 유리 기판(11) 상부에는 반사영역에는 요철 형태를 가진 고분자 레진(11)이 놓여져 있으며 고분자 레진(11) 위에는 요철 형태를 가진 반사전극(10)이 놓여져 있고 반사 전극(10)위에는 컬러필터(9)가 놓여져 있다. 하부 유리 기판(12)상부의 투과 영역에는 컬러필터(9)가 놓여져 있고 컬러필터(9) 상부에는 반사영역과 투과영역에 Overcoat 층(8)이 존재한다. Overcoat층(8) 상부에는 내장형 위상자(7)가 놓여 놓여져 있으며 내장형 위상자(7) 상부에는 액정 층(6)이 위치한다. 액정 층(6)의 상부에는 화소 전극(5)과 절연체(4)와 공통전극(3)이 위치하며 이와 같은 전극구조의 상부에는 상부 유리기판(2)이 위치하고 있다. 상부 유리 기판(2)의 상부에는 상부 편광판(1)이 존재한다. 여기에서 FFS 모드의 전극을 셀의 상부에 놓지 않고 하부에 위치시킨 후 약 1μm 두께의 내장형 위상자(7)를 화소 전극 위에 코팅을 하면 반사 영역과 투과 영역 모두에서 높은 구동 전압을 보인다. 따라서 도 1과 같이 FFS 모드의 전극을 셀의 상부에 위치시키면 내장형 위상자(7)에 의한 구동 전압의 증가 문제를 해결할 수 있다.
도 2는 도 1의 반투과형 LCD의 입사 파장이 550nm일 때, 반사영역과 투과영역의 액정 층의 러빙 각을 동일하게 설정하고 전압 인가에 따른 반사율 및 투과율을 보여주고 있다. 전압 인가에 따라서 반사 영역과 투과 영역에서 문턱 전압 및 구동 전압이 서로 일치하지 않는다. 즉 반사영역과 투과영역의 각각의 구동 회로를 이용해서 반사 영역과 투과 영역을 구동시킬 수 있다. 또한 액정 방향자들이 전압 인가시 전기장 방향에 평행하게 회전하기 때문에 반사 영역과 투과 영역에서 광시야각 특성을 나타낸다.
도 3은 도1의 FFS 반투과형 LCD의 구조의 반사영역에서 입사 파장이 550nm일때, 하부 유전층의 두께에 따른 반사율 곡선이다. 따라서 반사전극(10)위로 형성되어 있는 컬러필터(9), Overcoat층(8), 내장형 위상자(7)의 두께에 따른 최대 반사율이 다르며 두께가 4μm일때 반사전극(10)이 없는 종래의 FFS 반투과형 LCD의 반사율과 가장 비슷해짐을 나타낸다.
상기 기술한 대로 패널을 제작하면 전압인가 전 투과형과 반사형 모두 암흑상태를 이루고, 전압을 인가함에 따라 광이 누설되기 시작한다. 반사영역에서 발생하는 수직전기장의 영향을 반사전극(10)위로 형성되어 있는 컬러필터(9)와 Overcoat층(8)과 내장형 위상자(7)가 감소시켜 종래의 FFS 반투과형 LCD의 반사율 곡선과 유사한 특성을 가지게 할 수 있다. 또한 반사영역의 하부 기판 영역에 금속의 반사전극(10)이 위치함에 따라 제조 공정 시 불가피하게 발생하는 정전기를 효과적으로 방출하는 효과가 있어 제조 공정의 불량을 감소시킬 수 있는 특성을 보여준다.
- 실시예 2 -
본 발명의 제 2 실시 예는 제1 실시예의 액정 셀 구조에 있어서 반사영역에만 격자형태로 패턴한 공통전극이 형성되어 있는 FFS 반투과형 LCD이다.
도 4은 본 발명의 실시 예 2 따른 정규 어둠 상태를 나타내는 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD의 단면도이다. 도시한 바와 같이, 하부 기판은 하부 편광판(14)위에 QWP(13)이 위치하고 QWP(13) 상부에는 하부 유리 기판(12)이 위치한다. 하부 유리 기판(12)상부에는 반사영역에는 돌기 형태를 가진 고분자 레진(11)이 형성 되 어 있고 돌기 형태를 가진 고분자 레진(11) 위에는 요철 모양의 반사 전극(10)이 놓여져 있으며 반사 전극(10)위에는 컬러필터(9)가 놓여져 있다. 하부 유리 기판(12)상부의 투과 영역에는 컬러필터(9)가 놓여져 있고 컬러필터(9) 상부에는 반사영역과 투과영역에 Overcoat층(8)이 존재한다. Overcoat층(8) 상부에는 내장형 위상자(7)가 놓여 놓여져 있으며 내장형 위상자(7) 상부에는 액정 층(6)이 위치한다. 액정 층(6)의 상부에는 화소 전극(5)과 절연체(4)와 공통전극(3)이 위치하는데 반사영역은 격자형태로 패턴한 공통전극(3)이 위치하며 투과영역에서는 패턴 하지 않은 공통전극(3)이 위치한다. 이와 같은 전극구조의 상부에는 상부 유리기판(2)이 위치하고 있다. 상부 유리 기판(2)의 상부에는 상부 편광판(1)이 존재한다.
상기 기술한 도 4와 같은 구조에서 투과영역은 화소 전극과 공통전극 간의 프린지 필드가 형성되고 반사영역에서는 격자형태로 패턴한 공통전극(3)과 화소전극(5)간의 프린지 필드와 화소전극(5)과 반사전극(10)간의 수직전기장이 형성된다. 전압이 인가됐을 때 반사영역과 투과영역의 최대 반사율과 투과율이 나오는 구동 전압이 서로 다르기 때문에 두 개의 구동 회로를 필요로 하고 제조 비용도 증가하게 된다. 상기 기술한 도 4와 같은 구조의 FFS 반투과형 LCD의 제작시 제조비용의 감소를 위해 반사영역과 투과영역의 러빙 각을 조정하여 두 영역의 구동 전압을 일치하도록 하였다.
도 6는 상기 기술한 도 4와 같은 구조의 FFS 반투과형 LCD의 반사영역의 러빙 각을 45°, 투과 영역의 러빙 각을 83°로 조정하였을 시 입사파장이 550nm 일때 전압인가에 따른 반사율과 투과율 변화 곡선이다. 반사영역과 투과영역의 구동 전압이 일치하고 이로써 하나의 구동 회로로써 반사영역과 투과영역을 구동할 수 있게 하였다.
- 실시예 3 -
본 발명의 제 3 실시 예는 제1 실시 예와 제2 실시 예의 액정 셀 구조에 있어서 반사영역에는 내장형 위상자를 복굴절 이방성을 가지는 Nematic 상태로 코팅하고 투과영역에는 복굴절 이방성을 가지지 않는 Isotropic 상태로 코팅하여 내장형 위상자를 패턴하여 위치 시키는 FFS 반투과형 LCD이다.
도 5은 본 발명의 실시 예 1 과 실시 예 2 에 따른 정규 어둠 상태를 나타내는 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD의 단면도이다. 도시한 바와 같이, 하부 기판은 하부 편광판(14)위에 하부 유리 기판(13)이 위치한다. 하부 유리 기판(13)상부에는 반사영역에는 돌기 형태를 가진 고분자 레진(12)이 형성되어 있고 돌기 형태를 가진 고분자 레진(12) 위에는 요철 모양의 반사 전극(11)이 놓여져 있으며 반사 전극(11)위에는 컬러필터(10)가 놓여져 있다. 하부 유리 기판(13)상부의 투과 영역에는 컬러필터(10)가 놓여져 있고 컬러필터(9) 상부에는 반사영역과 투과영역에 Overcoat층(9)이 존재한다. 반사영역의 Overcoat층(9) 상부에는 패턴되어 있는 내장형 위상자(7)가 Nematic 상태로 놓여져 있으며 투과영역의 Overcoat층(9) 상부에는 패턴되어 있는 내장형 위상자(8)가 Isotropic 상태로 놓여져 있다. 반사영역의 내장형 위상자(7)와 투과영역의 내장형 위상자(8) 상부에는 액정 층(6)이 위치한다. 액정 층(6)의 상부에는 화소 전극(5)과 절연체(4)와 공통전극(3)이 위치하는데 반사영역은 격자형태로 패턴한 공통전극(3)이 위치하며 투과영역에서는 패턴 하지 않은 공통전극(3)이 위치한다. 이와 같은 전극구조의 상부에는 상부 유리기판(2)이 위치하고 있다. 상부 유리 기판(2)의 상부에는 상부 편광판(1)이 존재한다.
도 5는 상기 기술한 반사영역과 투과영역의 내장형 위상자를 각각 Nematic 상태와 Isotropic 상태로 패턴 하여 상기 기술한 도 1 과 도 4 와는 다르게 하부 편광판 상부의 QWP층이 존재하지 않는 FFS 반투과형 LCD이다.
따라서 본 발명은 FFS 모드를 이용한 반투과형 액정 표시 장치의 제작이 가능한 효과가 있으며 반사율과 투과율 정도를 임의로 조절 가능한 효과가 있고 하부 기판의 반사판이 돌기 형태를 가지므로 반사 효율이 좋은 효과가 있고 반사영역에 반사판 역할을 하는 반사전극이 하부 기판에 위치 함으로서 제조 공정 시 발생하는 정전기의 방출이 용이한 효과가 있다. 또한 반사형과 투과형으로 구동 가능하기 때문에 외부 광원의 세기와 관계없이 어떤 환경에서도 시인성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한 내장형 위상자가 화소전극과 공통 전극이 위치한 상부 기판에 위치하지 않고 하부 기판에 위치 함으로서 구동전압의 증가가 없는 효과가 있다. 또한 반사영역과 투과영역의 러빙 각을 조정함으로써 하나의 구동 회로를 사용하는 효과가 있다. 반사영역에 반사전극을 가진 FFS 모드를 이용한 반투과형 LCD는 종래의 반투과형 LCD에 비해 수율 및 화질 개선에 큰 기여를 할 것이다.

Claims (2)

  1. 상부 편광판과;
    상기 상부 편광판의 하부에 위치한 상부 기판과;
    상기 상부 기판의 하부에 위치한 투과형 전극으로 구성되어 있는 평면 형태의 공통전극과;
    상기 공통 전극 하부와 화소 전극 사이에 위치한 절연층과;
    상기 절연층 하부에 위치한 화소 전극 폭이 1~4㎛정도이고, 화소 전극간 간격은 1~6㎛정도의 격자 형태의 투명 전극인 화소 전극과;
    상기 상부 화소 전극의 하부에 위치한 수평 배열된 액정층과;
    하부 기판과;
    상기 하부 기판 하부에 위치한 QWP와;
    상기 QWP 하부에 위치한 하부편광판과;
    상기 수평 배열된 액정층 하부에 위치한 내장형 위상자와;
    상기 내장형 위상자 하부에 위치한 컬러필터 층과;
    반사영역의 상기 하부 기판 위에 요철 형태의 구조를 가진 고분자 레진 층과;
    반사영역의 상기 고분자 레진 층 위에 요철 형태의 구조를 가진 금속의 반사전극을 갖는 FFS 반투과형 액정 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반사영역의 공통전극을 격자 형태로 패턴하는 구조인 경우,
    전극폭은 화소전극폭과 같 은1~4㎛정도이고, 공통전극과 화소전극의 간격은 1~6㎛정도인 특성을 갖는 FFS 반투과형 액정 소자.
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