KR101268255B1 - 카이랄 도펀트를 이용하여 투과율이 향상된 프린지 필드 스위칭모드 액정표시장치 - Google Patents

카이랄 도펀트를 이용하여 투과율이 향상된 프린지 필드 스위칭모드 액정표시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카이랄 도펀트를 이용하여 투과율이 향상된 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치로서, 서로 대향하여 설치된 상부기판과 하부기판, 상기 상부기판 및 상기 하부기판의 내측 표면에 각각 형성되며 러빙축을 가지는 배향막, 상기 하부기판과 상기 배향막 사이에 형성되는 카운터 전극 및 화소전극, 상기 상부기판 및 상기 하부기판 사이에 개재되며, 상기 배향막의 러빙축을 따라 배열되는 액정화합물 및 피치값이 -20um 내지 -4um, 또는 +4um 내지 +20um인 카이랄 도펀트를 포함하는 액정층을 포함하며, 상기 카운터 전극 및 상기 화소전극 중 어느 하나는 슬릿 형태인 것을 특징으로 하는 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치이다.
상기 카이랄 도펀트에 의해 액정이 횡 방향으로 트위스트 될 때, 전극 중앙부, 가장자리부, 스페이스부 각각 위치별 트위스트각의 차이를 안정화시키며 이에 따라 위치별 투과율 저하를 보완하여 전체 투과율이 향상되며, 개구부와 전극구조를 유지하고 빠른 응답속도를 가지면서 높은 투과율을 유지할 수 있다.

Description

카이랄 도펀트를 이용하여 투과율이 향상된 프린지 필드 스위칭모드 액정표시장치 {FRINGE-FIELD SWICHING MODE LIQUID CRYSTAL DISPLAY IMPROVED TRANSMITTANCE USING CHIRAL DOPANT}
본 발명은 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수평 전계 방식의 액정표시장치의 기판 사이에 형성되는 액정층에, 소정의 피치값을 가지는 카이랄 도펀트를 첨가함으로써 투과율을 향상시키는 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치에 관한 것이다.
현재 정보통신 기술의 급속한 발달에 따라 디스플레이에 대한 수요는 꾸준히 증가하고 있으며, 특히 넓은 시야각, 빠른 응답속도 및 높은 투과율을 가진 액정표시장치(Liquid Crystal Display,LCD)에 대한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.
액정표시장치는 전압이 인가되지 않은 초기상태에 따라 구분되어 지는데, 전압이 인가되지 않은 상태에서 빛이 통과하고, 전압이 인가된 상태에서 빛이 통과하지 않도록 설계된 것을 노말리 화이트 모드 LCD(normally white mode LCD)라 하고, 전압이 인가되지 않은 상태에서는 빛이 통과하지 않고 전압이 인가된 상태에서는 빛이 통과하도록 설계된 것을 노말리 블랙 모드 LCD(normally black mode LCD)라 한다.
또한, 현재 제조 및 사용되고 있는 액정표시장치는, 구동방식에 따라 TN(Twist Nematic), IPS(In-Plane Switching), FFS(Fringe-Field Switching) 및 VA(Vertical alignment)모드 등으로 구분된다.
종래 TN방식의 액정표시장치는 액정 패널을 보는 각도에 따라 색 반전이 커서 시야각이 좁은 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 광시야각을 갖는 액정표시장치의 개발이 요구되었으며, 수평 전계 방식의 액정표시장치(IPS, FFS)가 개발되었다. 이러한 수평 전계 방식은 수평 배향성 액정을 사용하여 전기장의 방향을 액정층에 평행하게 형성함으로써, 시야각과 측면 시인성이 우수한 기술로 알려져 있다.
그러나, 수평 전계 방식은 전극 위에 위치한 액정들이 전기장 방향으로 서기 때문에 전극 위에서의 빛 투과율에 손실이 발생하게 된다. 이때의 빛 투과율은 기존 TN 방식 대비 65% 정도에 불과하다고 알려져 있다.
이러한 투과율 손실은 FFS 모드 액정표시장치의 구조에 기인하는데, FFS를 포함한 수평 전계 방식의 노말리 블랙 모드 LCD(normally black mode LCD)는 전압인가시 두 개의 TN모드의 트위스트된 액정이 역으로 꼬여 있는 형태(역 트위스트 구조)가 된다. 이는 노말리 블랙 모드 LCD(normally black mode LCD)에서, 상하기판의 러빙 방향이 같기 때문에 하부기판의 전기장에 의해, 하부기판부터 시작된 액정의 회전이 상부기판으로 갈수록 원래대로 돌아가는 형태로 되기 때문이다.
또한, FFS 방식의 액정표시장치는 전극의 위치에 따라 전계 분포가 달라 지게 된다. 구체적으로 전극과 스페이스부의 중앙부에서는 수직 전계 만이 존재할 뿐 수평 전계는 존재하지 않기 때문에, 수평 전계가 존재하는 전극 가장자리부에서부터 유도되는 트위스트 힘에 의해서만 중앙부에서의 액정이 트위스트 된다. 따라서 전극과 스페이스부의 중앙부와 전극 가장자리부에서 서로 다른 전기 광학 특성을 나타낸다.
상기 역 트위스트 구조와 전계 분포의 차이로 인하여 횡전계가 약한 전극과 스페이스부의 중앙부는 약한 트위스트가 형성되고, 횡전계가 강한 전극 가장자리부를 포함한 나머지 부분은 강한 트위스트가 형성된다. 전극 위치별 트위스트 각이 각각 다르게 형성되므로 횡전계가 약한 전극과 스페이스부의 중앙부는 투과율이 낮아지고, 상대적으로 강한 전극 가장자리부를 포함한 나머지 부분에서는 반대로 트위스트가 강해서 오버 트위스트가 되어 투과율이 저하되는 문제점이 발생한다.
상술한 바와 같이, 상기의 투과율 저하는 전체적인 화면의 밝기를 어둡게 하여 LCD의 품질을 결정하는 휘도를 낮추는 문제점을 야기한다. 또한, 최근 대형 LCD의 등장으로 인해 낮은 전력 소비량으로 휘도를 높이는 기술에 대하여 많은 연구 개발이 이루어지고 있고, 야외 공연 등이 증가함에 따라 야외 시인력이 높은 LCD에 대한 관심이 늘어나고 있어 LCD의 투과율을 높이는 기술은 중요한 의미를 가질 것으로 기대된다.
이러한 투과율 저하 문제를 해결하기 위해 개구부를 확장, 전극구조 변경, 및 셀갭을 조절하는 방법 등의 투과율 향상법이 개발되어 왔으나, 종래의 투과율 향상법은 개구부 확장시 공정의 오차범위가 좁아져 제어가 어려우며, 전극구조 변경에는 한계가 있고, 셀갭 조절시 응답속도가 증가되는 등의 문제점이 발생하였다.
따라서, 종래의 FFS 방식의 액정표시장치에서 나타나는 투과율 저하 현상을 극복하기 위한 연구 개발이 요구되고 있으며, 특히 종래의 투과율 향상법이 가지고 있는 문제점을 극복하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래에 FFS 모드에서 나타나는 투과율 손실을 최소화하기 위하여 액정에 적은 농도의 도펀트로 짧은 피치 값을 갖는 카이랄 도펀트를 첨가함으로써 액정이 횡 방향으로 트위스트 될 때, 전극 중앙부, 가장자리부, 스페이스부, 및 스페이스부의 중앙부 각각 위치별 트위스트 차이를 안정화시켜 투과율 저하를 보완하여 전체 투과율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 종래의 투과율 향상법은 개구부 확장시 공정의 오차범위가 좁아져 제어가 어려우며, 전극구조 변경에는 한계가 있고, 셀갭 조절시 응답속도가 증가되는 등의 문제점이 발생하였으나, 본 발명은 개구부와 전극구조를 유지하고 빠른 응답속도를 가지면서 높은 투과율을 유지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 투과율을 향상시킴으로써 LCD의 휘도를 증가시켜 적은 소비전력으로도 화면의 밝기를 더 밝게 하여 에너지 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.
뿐만 아니라, 높은 휘도를 구현하여 현대사회에서 야외에서 이용되는 LCD의 야외 시인성을 향상시켜 LCD의 다양한 활용을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 카이랄 도펀트를 이용하여 투과율이 향상된 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치는, 서로 대향하여 설치된 상부기판과 하부기판, 상기 상부기판 및 상기 하부기판의 내측 표면에 각각 형성되며 러빙축을 가지는 배향막, 상기 하부기판과 상기 배향막 사이에 형성되는 카운터 전극 및 화소전극, 상기 상부기판 및 상기 하부기판 사이에 개재되며, 상기 배향막의 러빙축을 따라 배열되는 액정화합물 및 피치값이 -20um 내지 -4um, 또는 +4um 내지 +20um인 카이랄 도펀트를 포함하는 액정층을 포함하며, 상기 카운터 전극 및 상기 화소 전극 중 어느 하나는 슬릿 형태인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 러빙축은 상기 슬릿 방향에 대해 바람직하게는 3°내지 35°의 각도를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 카이랄 도펀트는 액정 구동시 시계방향으로 회전하는 액정에 대하여 음의 피치값을 가지며, 바람직하게는 -20um 내지 -4um인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 카이랄 도펀트는 하기 화학식 1-1 내지 1-4 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
<화학식 1-1>
Figure 112011029816541-pat00001
<화학식 1-2>
Figure 112011029816541-pat00002
<화학식 1-3>
Figure 112011029816541-pat00003
<화학식 1-4>
Figure 112011029816541-pat00004
한편, 상기 카이랄 도펀트는 액정 구동시 반 시계방향으로 회전하는 액정에 대하여 양의 피치값을 가지며, 바람직하게는 +4um 내지 +20um인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 카이랄 도펀트는 하기 화학식 2-1 내지 2-5 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
<화학식 2-1>
Figure 112011029816541-pat00005
<화학식 2-2>
Figure 112011029816541-pat00006
<화학식 2-3>
Figure 112011029816541-pat00007
<화학식 2-4>
Figure 112011029816541-pat00008
<화학식 2-5>
Figure 112011029816541-pat00009
상기 카이랄 도펀트는 d/p값이 0.16 내지 0.95인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 카이랄 도펀트는 상기 액정층 100 중량부에 있어서, 0.1 중량부 내지 2 중량부인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 카이랄 도펀트를 첨가한 액정표시장치에 의하면, 액정에 적은 농도의 도펀트로 짧은 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 첨가할 경우 액정이 횡 방향으로 트위스트 될 때, 전극 중앙부, 가장자리부, 스페이스부, 및 스페이스부의 중앙부 각각 위치별 트위스트 차이를 안정화시켜 투과율 저하를 보완하여 전체 투과율을 향상시키는 장점이 있다.
또한, 종래의 투과율 향상법은 개구부 확장시 공정의 오차범위가 좁아져 제어가 어려우며, 전극구조 변경에는 한계가 있고, 셀갭 조절시 응답속도가 증가되는 등의 문제점이 발생하였으나, 본 발명은 개구부와 전극구조를 유지하고 빠른 응답속도를 가지면서 높은 투과율을 유지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 투과율을 향상시킴으로써 LCD의 휘도를 증가시켜 적은 소비전력으로도 화면의 밝기를 더 밝게 하여 에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 높은 휘도를 구현하여 현대사회에서 야외에서 이용되는 LCD의 야외 시인성을 향상시켜 LCD의 다양한 활용을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 프린지 필드 스위칭(FFS) 모드 액정표시장치의 단면도
도 2는 반 시계방향으로 회전하는 액정에 -20um, +20um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 각각 첨가할 경우의 전극 중앙부의 트위스트 각의 변화를 나타낸 그래프 (가로축인 z/d에서, d는 셀갭(cell gap), z는 z축 길이)
도 3은 반 시계방향으로 회전하는 액정에 -20um, +20um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 각각 첨가할 경우의 전극 가장자리부의 트위스트 각의 변화를 나타낸 그래프
도 4는 반 시계방향으로 회전하는 액정에 -20um, +20um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 각각 첨가할 경우의 스페이스부의 트위스트 각의 변화를 나타낸 그래프
도 5는 반 시계방향으로 회전하는 액정에 -20um, +20um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 각각 첨가할 경우의 스페이스부의 중앙부의 트위스트 각의 변화를 나타낸 그래프
도 6은 시계방향으로 회전하는 액정에 -20um, +20um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 각각 첨가할 경우의 전극 중앙부의 트위스트 각의 변화를 나타낸 그래프
도 7은 시계방향으로 회전하는 액정에 -20um, +20um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 각각 첨가할 경우의 전극 가장자리부의 트위스트 각의 변화를 나타낸 그래프
도 8은 시계방향으로 회전하는 액정에 -20um, +20um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 각각 첨가할 경우의 스페이스부의 트위스트 각의 변화를 나타낸 그래프
도 9는 시계방향으로 회전하는 액정에 -20um, +20um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 각각 첨가할 경우의 스페이스부의 중앙부의 트위스트 각의 변화를 나타낸 그래프
도 10은 시계방향으로 회전하는 액정에 -40um, -20um, -10um, -5um, -4um, -3um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 각각 첨가할 경우의 투과율의 변화를 나타낸 그래프
도 11은 반 시계방향으로 회전하는 액정에 +3um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 첨가할 경우의 액정분자의 배열 형태
도 12는 반 시계방향으로 회전하는 액정에 +5m의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 첨가할 경우의 액정분자의 배열 형태
이하, 본 발명에 의한 카이랄 도펀트를 첨가한 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치에 대하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 프린지 필드 스위칭(FFS) 모드 액정표시장치는 도시되지는 않았지만, 상부기판과 하부기판(10)이 서로 대향하여 설치되어 있으며, 상부 기판과 하부 기판(10) 사이의 내측 표면에 소정의 러빙축을 가지는 배향막(40), 배향막에 일정 각도로 러빙된 액정화합물을 포함하는 액정층(50)으로 형성된다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 하부기판(10) 상부와 배향막 하부에는 전극(20)과 게이트 절연막(30)이 형성된다. 전극(20)은 액정 셀에 공통 전압을 인가하는 역할을 하는 카운터 전극, TFT를 통하여 인가된 신호전압을 액정 셀에 가해주는 화소 전극이 게이트 버스 라인 및 데이터 버스 라인이 교차 배열되어 한정된 단위 화소별로 각각 소정 폭을 가지면서, 일정 등 간격으로 이격 배치되어 형성된다. 이때 카운터 전극과 화소 전극은 투명한 전기 전도체인 ITO로 만들어 질 수 있으며, 카운터 전극과 화소 전극 중 액정층에 인접하여 형성되는 쪽은 슬릿 형태로 형성된다. 따라서 슬릿 형태의 전극은 인가되는 전압이 공통 전압인지 신호 전압인지에 따라 카운터 전극이 되거나 화소 전극이 될 수 있다. 액정에 신호전압을 인가하고 차단하는 TFT는 게이트 버스 라인과, 데이터 버스 라인의 교차점 부근에 배치된다.
또한, 액정표시장치는 도 1에 도시된 바와 같이 슬릿 형태의 전극 중앙부(21) 및 가장자리부(22), 슬릿과 슬릿 사이에 노출된 전극이 위치한 스페이스부(23) 및 스페이스부의 중앙부(24)로 구분되어 진다.
다음으로, 상기 배향막(40)은 폴리이미드로 구성될 수 있으며, 액정을 일정한 방향으로 배향하기 위하여 소정 각도의 러빙축을 가지도록 형성되어 있다. 상기 러빙축은 슬릿 방향에 대해 3° 내지 35°사이의 각도로 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5° 내지 10°, 가장 바람직하게는 7°의 각도를 가지도록 형성된다. 러빙 공정 조건 설정시 가장 기본이 되는 것은 적당한 러빙 조건을 설정하여야 하며, 3°미만으로 러빙하거나, 35°를 초과하여 러빙시 국소적으로 다른 광학 특성이 나타나는 현상이 발생한다.
상기 액정층(50)은 액정화합물(51)과 특정한 카이랄 피치값을 가지는 카이랄 도펀트(52)로 구성되어 있다.
여기서, 액정화합물(51)은 유전율 이방성(△ε)이 양의 값을 가지는 양의 액정(p형 네마틱 액정)인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 유전율 이방성이 4≤△ε≤15인 액정화합물을 가리킨다. 음의 액정은 수평 전계 방식의 액정표시장치에 사용시 투과율 저하가 나타나며, 실험 결과 4≤△ε≤15 범위에서 투과율이 더욱 향상되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 카이랄 도펀트(52)는 액정 구동시 시계방향으로 회전하는 액정에 대하여 음의 피치값을 갖는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 -20um 내지 -4um의 피치값을 갖고, 더욱 바람직하게는 -10um 내지 -4.5um의 피치값을 가지며, 가장 바람직하게는 -5um의 피치값을 가지는 카이럴 도펀트를 사용하는 것이 효과적이다. 이 경우 하기 화학식 1-1 내지 1-4 중 적어도 하나를 포함하는 카이랄 도펀트를 사용하는 것이 바람직하다.
<화학식 1-1>
Figure 112011029816541-pat00010
<화학식 1-2>
Figure 112011029816541-pat00011
<화학식 1-3>
Figure 112011029816541-pat00012
<화학식 1-4>
Figure 112011029816541-pat00013
실험결과 시계방향으로 회전하는 액정의 경우, -20um 미만의 피치 값을 가지는 도펀트를 넣으면 -20um 이상 범위의 카이랄 피치값을 가지는 도펀트를 넣은 경우보다 투과율 증가율이 떨어지는 것으로 측정되었다. 이는 -20um 미만의 카이랄 피치값을 가질 경우 d/p값이 작아져 회전력 감소에 따른 투과율 감소효과가 전극 위치별 트위스트각의 안정화에 따른 투과율 증과효과를 상쇄하기 때문이다. 또한, -4um 초과의 피치값을 가지는 도펀트를 넣으면 -4um 이하 범위의 피치값을 가지는 도펀트를 넣은 경우보다 투과율이 떨어지는 것으로 측정되었다. 이는 -4um 초과의 피치값을 가질 경우 액정층의 액정분자들의 배열이 무너지기 때문이다.
또한, 상기 카이랄 도펀트(52)는 액정 구동시 반 시계방향으로 회전하는 액정에 대하여 양의 피치값을 갖는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 +4um 내지 +20um의 피치값을 갖고, 더욱 바람직하게는 +4,5um 내지 +10um의 피치값을 가지며, 가장 바람직하게는 +5um의 피치값을 가지는 카이랄 도펀트를 사용하는 것이 효과적이다. 이 경우 화학식 2-1 내지 2-5 중 적어도 하나를 포함하는 카이랄 도펀트를 사용하는 것이 바람직하다.
<화학식 2-1>
Figure 112011029816541-pat00014
<화학식 2-2>
Figure 112011029816541-pat00015
<화학식 2-3>
Figure 112011029816541-pat00016
<화학식 2-4>
Figure 112011029816541-pat00017
<화학식 2-5>
Figure 112011029816541-pat00018

실험결과 반 시계방향으로 회전하는 액정의 경우, +4um 미만의 피치값을 가지는 도펀트를 넣으면 +4um 이상 범위의 피치값을 가지는 도펀트를 넣은 경우보다 투과율이 떨어지는 것으로 측정되었다. 이는 도 11과 같이 +4um 미만의 카이랄 피치값을 가질 경우 액정층의 액정분자들의 배열이 무너지기 때문이다. 또한, +20um 초과의 피치값을 가지는 도펀트를 넣으면 +20um 이하 범위의 피치값을 가지는 도펀트를 넣은 경우보다 투과율 증가율이 떨어지는 것으로 측정되었다. 이는 +20um 초과의 카이랄 피치값을 가질 경우 d/p값이 작아져 회전력 감소에 따른 투과율 감소효과가 전극 위치별 트위스트각의 안정화에 따른 투과율 증가효과를 상쇄하기 때문이다.
카이랄 도펀트는 치환기의 위치에 따라 피치 방향이 결정되며, 양의 카이랄 피치값을 가지는 경우 액정을 왼쪽방향, 즉 반 시계 방향으로 회전시키며, 음의 카이랄 피치값을 가지는 경우 액정을 오른쪽 방향, 즉 시계 방향으로 회전시키는 특성을 지닌다. 따라서 구동시 회전하는 액정 방향에 따라 피치 방향을 달리하여 액정에 혼합한다.
한편, 상기 카이랄 도펀트(52)는 d/p값이 0.16 내지 0.95인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.64 내지 0.76인 카이랄 도펀트를 사용하는 것이 효과적이다.
d/p 값이 0.16 내지 0.95의 경우 0.16 미만, 0.95 초과 범위보다 투과율이 향상되며, 특히 피치값이 +5um 근처에서 d/p값이 0.64 내지 0.76인 경우 투과율이 가장 좋게 나타난다.
상기 d/p값은 카이랄 피치에 대한 상부 및 하부기판의 거리(cell gap)비로 정의된다. 일반적으로 사용되는 셀갭(cell gap)의 범위는 3.2um 내지 3.8um이며, 같은 셀갭(cell gap)일 경우 피치값의 절대값이 작을수록 d/p값이 커지게 되며, d/p값이 커질수록 회전을 시켜주려는 힘이 강해져, 투과율이 더욱 향상된다.
또한, 상기 카이랄 도펀트(52)는 전체 액정층(50) 100 중량부에 있어서, 0.1 중량부 내지 2 중량부를 형성하는것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.1 중량부 내지 0.2 중량부를 가지도록 형성한다. 0.1 중량부 미만에서는 도펀트의 양이 적어 충분한 효과가 나타나지 않으며, 2 중량부 초과 범위에서는 저온상태에서 원하지 않은 결정화가 진행되어 액정의 특성을 잃어버릴 수 있는 문제가 발생하기 때문이다. 수차례의 실험결과, 상기 함량비율 범위 내에서 가장 우수한 효과를 나타내었다.
마지막으로, 상부기판상에는 도시되지는 않았지만 편광판, 컬러 필터의 픽셀 사이에 형성되어 각 화소에서 나온 빛들이 서로 간섭을 하지 않도록 차단해주고 외부에서 들어온 빛이 반사되지 않도록 흡수하는 역할을 하는 블랙매트릭스, 액정을 통과한 빛이 색을 갖도록 하는 컬러필터 및 컬러 필터 표면의 평탄화를 위해 사용되는 오버코트 막이 차례로 형성된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 수평 전계를 이용한 프린지 필드 스위칭(FFS) 모드 액정표시장치에 있어서, 액정층 내에 소정의 카이랄 피치값을 가지는 카이랄 도펀트를 첨가하여 기존의 전극(20)의 위치별 액정의 트위스트각이 안정화되지 못했던 부분을 보완해 줌으로서, 전체적인 투과율을 개선할 수 있게 한다.
이하에서는, 본 발명에 의한 액정표시장치의 트위스트각과 투과율의 변화를 측정한 실험 결과를 검토하여, 본 발명의 효과에 대하여 살펴보기로 한다.
< 실험1 >
반 시계방향으로 회전하는 액정모드의 양의 카이랄 도펀트 또는 음의 카이랄 도펀트를 첨가시 전극위치에 따른 트위스트각의 변화를 측정한 실험
실시예 1
반 시계방향으로 회전하는 액정모드에 △n=0.1216, △ε=6.4, γ=74이고, 카이랄 피치값이 -20um, +20um인 카이랄 도펀트를 넣은 액정표시장치
비교예 1
반 시계방향으로 회전하는 액정모드에 카이랄 도펀트를 넣지 않은 액정표시장치
그 결과는 도 2, 도 3, 도 4, 도 5와 같다.
도 2 및 도 5와 같이, 본 발명에 의한 반 시계방향으로 회전하는 액정모드 액정표시장치의 전극 중앙부(21)와 스페이스부의 중앙부(24)에서는 -20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 트위스트각이 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다 감소하나, +20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다는 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 3과 같이, 본 발명에 의한 반 시계방향으로 회전하는 액정모드 액정표시장치의 전극 가장자리부(22)에서는 -20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 트위스트각이 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다 증가하나, +20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다는 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 4와 같이, 본 발명에 의한 반 시계방향으로 회전하는 액정모드 액정표시장치의 스페이스부(23)에서는 -20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 트위스트각이 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다 증가하나, +20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우, 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다는 감소하는 것을 확인할 수 있다.
< 실험2 >
시계방향으로 회전하는 액정모드의 양의 카이랄 도펀트 또는 음의 카이랄 도펀트를 첨가시 전극위치에 따른 트위스트각의 변화를 측정한 실험
실시예 2
시계방향으로 회전하는 액정모드에 △n=0.1243, △ε=7.7, γ=103이고, 카이랄 피치값이 -20um, +20um인 카이랄 도펀트를 넣은 액정표시장치
비교예 2
시계방향으로 회전하는 액정모드에 카이랄 도펀트를 넣지 않은 액정표시장치
그 결과는 도 6, 도 7, 도 8, 도 9와 같다.
도 6 및 도 9와 같이, 본 발명에 의한 시계방향으로 회전하는 액정모드 액정표시장치의 전극 중앙부(21)와 스페이스부의 중앙부(24)에서는 +20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 트위스트각이 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다 감소하나, -20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다는 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 7과 같이, 본 발명에 의한 시계방향으로 회전하는 액정모드 액정표시장치의 전극 가장자리부(22)에서는 +20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 트위스트각이 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다 증가하나, -20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다는 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 8과 같이, 본 발명에 의한 시계방향으로 회전하는 액정모드 액정표시장치의 스페이스부(23)에서는 +20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우 트위스트각이 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다 증가하나, -20um 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우, 카이랄 도펀트를 넣지 않은 경우보다는 감소하는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같이, 액정이 반 시계방향으로 회전하는 경우 양의 카이랄 피치값을 가지는 카이랄 도펀트를 넣을 경우, 전극 중앙부(21)와 스페이스부의 중앙부(24)에서 액정이 더 돌게 되고, 전극 가장자리부(22)와 스페이스부(23)는 액정이 덜 돌게 된다.
또한, 액정이 시계방향으로 회전하는 경우 음의 카이랄 피치값을 가지는 카이랄 도펀트를 넣을 경우, 전극 중앙부(21)와 스페이스부의 중앙부(24)에서 액정이 더 돌게 되고, 전극 가장자리부(22)와 스페이스부(23)는 액정이 덜 돌게 된다.
이와 같이, 같은 카이랄 도펀트를 적용해도 전극 중앙부(21)와 스페이스부의 중앙부(24)는 트위스트 각을 증가시키고, 나머지 부분은 트위스트 각을 감소시킬 수 있는 이유는, 위치별로 (z/d)의 차이가 나게 되어, 수평 전계 방식의 액정표시장치에서 지배적인 상,하 꼬임의 방향이 위치별로 다르기 때문이다.
<실험 3>
시계방향으로 회전하는 액정모드에 카이랄 피치값을 달리하여 첨가시 투과율의 변화를 측정한 실험
실시예 3
시계방향으로 회전하는 액정모드에서 카이랄 피치값이 -40um, -20um, -10um, -5um, -4um, -3um의 카이랄 도펀트를 넣은 액정표시장치
비교예 3
시계방향으로 회전하는 액정모드에 카이랄 도펀트를 넣지 않은 액정표시장치
도 10과 같이, 4~5V사이의 투과율을 비교해 보면, -40um, -20um, -10um, -5um, -4um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트를 넣은 경우 카이랄 도펀트 미적용 대비 투과율이 각각 0.41%, 1.85%, 4.09%, 7.59% 향상되고, -3um의 피치값을 갖는 카이랄 도펀트 첨가시 오히려 투과율이 현저히 떨어진 결과를 얻었다.(4.3V의 전압 기준)
여기서, -5um의 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하였을 때, 투과율이 가장 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
한편, -3um의 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가하는 경우, 투과율이 급격히 감소하였다. 이는 -4um 미만의 카이랄 피치값을 가질 경우 액정층의 액정분자들의 배열이 무너지기 때문이다.(도 11 참조)
또한, -40um의 피치값을 가진 카이랄 도펀트를 첨가시, 투과율이 카이랄 도펀트 미 첨가시보다 증가하나 투과율의 증가율이 -20um의 피치값을 가진 카이랄 도펀트 첨가시 보다 감소하였다. 이는 d/p값이 작아져 액정분자를 회전시키는 회전력 감소에 따른 투과율 감소효과가 전극 위치별 트위스트각의 안정화에 따른 투과율 증가효과를 상쇄하기 때문이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예에 의하여 잘 이해될 수 있으며, 상기의 실시예는 본 발명의 예시목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 정해지는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
10 : 하부기판
20 : 전극
21 : 전극 중앙부
22 : 전극 가장자리부
23 : 스페이스부
24 : 스페이스부의 중앙부
30 : 게이트 절연막
40 : 배향막
50 : 액정층
51 : 액정화합물
52 : 카이랄 도펀트

Claims (8)

  1. 서로 대향하여 설치된 상부기판과 하부기판;
    상기 상부기판 및 하부기판의 내측 표면에 각각 형성되며, 러빙축을 가지는 배향막;
    상기 하부기판과 상기 배향막 사이에 형성되는 카운터 전극 및 화소전극; 및
    상기 상부기판 및 상기 하부기판 사이에 개재되며, 상기 배향막의 러빙축을 따라 배열되는 액정화합물 및 피치값이 -20um 내지 -4um, 또는 +4um 내지 +20um인 카이랄 도펀트를 포함하는 액정층을 포함하며,
    상기 카운터 전극 및 상기 화소 전극 중 어느 하나는 슬릿 형태이고,
    상기 카이랄 도펀트는 d/p값(카이랄 피치에 대한 상하기판의 거리비)이 0.16 내지 0.95인 것을 특징으로 하는 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 러빙축은 상기 슬릿 방향에 대해 3°내지 35°의 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카이랄 도펀트는 액정 구동시 시계방향으로 회전하는 액정에 대하여 음의 피치값을 갖는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치
  4. 제3항에 있어서,
    상기 카이랄 도펀트는 하기 화학식 1-1 내지 1-4 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치
    <화학식 1-1>
    Figure 112011029816541-pat00019

    <화학식 1-2>
    Figure 112011029816541-pat00020

    <화학식 1-3>
    Figure 112011029816541-pat00021

    <화학식 1-4>
    Figure 112011029816541-pat00022
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카이랄 도펀트는 액정 구동시 반 시계방향으로 회전하는 액정에 대하여 양의 피치값을 갖는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치
  6. 제5항에 있어서,
    상기 카이랄 도펀트는 하기 화학식 2-1 내지 2-5 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치
    <화학식 2-1>
    Figure 112011029816541-pat00023

    <화학식 2-2>
    Figure 112011029816541-pat00024

    <화학식 2-3>
    Figure 112011029816541-pat00025

    <화학식 2-4>
    Figure 112011029816541-pat00026

    <화학식 2-5>
    Figure 112011029816541-pat00027
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카이랄 도펀트는 상기 액정층 100 중량부에 있어서, 0.1 중량부 내지 2 중량부인 것을 특징으로 하는 프린지 필드 스위칭(FFS)모드 액정표시장치













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