KR20100031963A - Viewing angle controllable liquid crystal display device using one panel - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 단일 패널로 이루어진 시야각 조절 액정표시장치 (Liquid Crystal Display: 이하 LCD라 칭함)에 관한 것으로, 사용자의 환경이나 선호도에 따라 정면에서 보이는 고화질의 디스플레이 정보가 정면 외 방향에서 유지되거나 (이를 '광시야각'이라 함) 혹은 보이지 않도록 하는 (이를 '협시야각'이라 함) 시야각 조절 액정표시장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
액정표시장치는 액정 자체의 복굴절 성질로 인하여 편광판과 함께 사용하여 액정의 편광상태를 변화시켜 광변조기(light modulator)로서의 역할을 하는데, 액정의 복굴절 성질로 인하여 정면 외 시야각 방향에서 디스플레이의 화질 특성이 저하 되는 문제점을 지닌다. 이런 액정표시장치의 시야각 문제점을 해결하기 위해 넓은 시야각 방향에 고화질 특성을 얻기 위한 WV-TN (Wide -Viewing angle Twisted Nematic), Film-compensated VA (Vertical Alignment), FFS (Fringe-field Switching) 모드의 광시야각 특성이 연구되고 있다. 이런 광시야각 특성은 평판 디스플레이 시장에서 액정표시장치가 모바일 및 TV 시장으로 진입하게 하는 주요 이 슈로 작용하기도 했지만 최근에는 정보의 가치 증대와 휴대용 디스플레이의 증가로 인한 개인의 사생활 침해 문제를 초래하여 광시야각 특성을 가진 액정표시장치와 상반되는 경향성을 가진 협시야각 디스플레이도 나타나게 하였다.The liquid crystal display device is used as a light modulator by changing the polarization state of the liquid crystal due to the birefringence property of the liquid crystal itself, and acts as a light modulator. It has a problem of deterioration. In order to solve the viewing angle problem of the liquid crystal display, wide-viewing angle twisted nematic (WV-TN), film-compensated VA (vertical alignment) and FFS (Fringe-field Switching) modes are used. Wide viewing angle characteristics are being studied. This wide viewing angle characteristic has been a major issue for the liquid crystal display device to enter the mobile and TV market in the flat panel display market. However, recently, the wide viewing angle has caused a problem of privacy invasion due to the increase of information value and the increase of portable display. A narrow viewing angle display with a tendency opposite to that of a liquid crystal display with characteristics is also shown.
이런 점에서 휴대용 디스플레이가 광시야각에서 협시야각으로 또는 협시야각에서 광시야각으로 사용자 (User)의 선호도와 주위환경의 변화에 따라 능동적으로 시야각 조절이 가능한 시야각 조절 액정표시장치가 등장하게 되었다. 기존 시야각 조절 액정표시장치의 특징을 살펴보면 액정 셀 구조적인 측면에서, 이미지를 표현하는 액정 셀에 추가적으로 액정 셀을 적층하여 액정 층 자체의 복굴절 이방성을 이용한 시야각 조절 방법과 하나의 픽셀을 두 영역으로 나뉘어 메인 이미지를 표현하는 픽셀부분과 시야각 조절 역할을 하는 픽셀부분으로 나뉜 방법이 제시되어 있다. 전자(복굴절 이방성을 이용한 시야각 조절 방법)의 경우에는 액정 셀을 추가적으로 적층하였기 때문에 기존 디스플레이에 비해 두께가 두꺼워지며, 소비 전력 또한 증가하게 되어 차세대 디스플레이 맞지 않는다는 단점을 가지고 있다. 후자(픽셀부분으로 나누는 방법)의 경우에는 하나의 픽셀 중 시야각 조절 역할을 하는 픽셀 부분이 오직 어둠 상태의 시야각 의존성을 변화시켜 작동하기 때문에 기존 디스플레이에 개구율 및 밝기가 감소하는 경향성을 가진다. 또 이 경우에는 픽셀이 두 영역으로 나뉘어 구동방법이 복잡해지고, 생산비가 증가한다는 단점을 가진다. In this regard, a viewing angle control liquid crystal display capable of actively adjusting a viewing angle according to a change of a user's preference and surrounding environment from a wide viewing angle to a wide viewing angle or a narrow viewing angle to a wide viewing angle has emerged. Looking at the characteristics of the conventional viewing angle control liquid crystal display device in terms of the structure of the liquid crystal cell, by additionally stacking the liquid crystal cell to the liquid crystal cell representing the image, the viewing angle adjustment method using the birefringent anisotropy of the liquid crystal layer itself and divided one pixel into two regions The method is divided into the pixel part that represents the main image and the pixel part that controls the viewing angle. In the case of the former (viewing angle adjusting method using birefringence anisotropy), since the liquid crystal cell is additionally stacked, the thickness is thicker than the existing display, and the power consumption is also increased, which is not suitable for the next generation display. In the latter case, the aperture ratio and brightness of the existing display tend to be reduced since the pixel portion, which serves as a viewing angle control, operates only by changing the viewing angle dependency of the dark state. In this case, the pixels are divided into two regions, which complicates the driving method and increases the production cost.
따라서 본 발명의 목적은 단일 패널을 이용하여 개구율의 감소 없이 광시야각과 협시야각이 사용자의 용도와 환경에 따라 조정 가능한 시야각 조절 액정표시장치를 개발하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to develop a viewing angle control liquid crystal display device in which a wide viewing angle and a narrow viewing angle can be adjusted according to a user's use and environment without a reduction in aperture ratio using a single panel.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 종래의 FFS 모드가 갖는 제 1 공통 전극 및 화소 전극 구조에 상부 측 기판에 추가적으로 제 2 공통전극이 패턴되지 않은 플레인 (Plane) 형태로 위치하며, 유전율 이방성이 음인 액정 분자들이 기판에 수평에서 수직으로 하이브리드 배향 되어 있다. 광시야각과 협시야각 모드의 스위칭은 상부 제 2 공통전극에 의해 조절되며, 상부 제 2 공통전극이 하부 제 1 공통전극에 의해 일정 전위차를 가질 때 광시야각 모드를 구현하며, 전위차가 발생하지 않을 시 협시야각 모드를 구현한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a first common electrode and a pixel electrode structure of a conventional FFS mode in which a second common electrode is additionally formed in a plane shape without a pattern, and a dielectric anisotropy is provided. Negative liquid crystal molecules are hybrid oriented from horizontal to vertical on the substrate. Switching between the wide viewing angle and the narrow viewing angle mode is controlled by the upper second common electrode, and implements the wide viewing angle mode when the upper second common electrode has a constant potential difference by the lower first common electrode, and when the potential difference does not occur. Implement narrow viewing angle mode.
본 발명은 추가적인 액정 패널을 사용하지 않고 추가적인 픽셀 또한 사용되지 않으므로 기존 디스플레이에 해당하는 개구율과 두께를 갖으며 시야각 조절이 광시야각과 협시야각 어느 한쪽에 치우치지 않고 쌍방향으로 우수한 특징을 제공할 수 있다. Since the present invention does not use an additional liquid crystal panel and no additional pixels are used, the present invention has an aperture ratio and a thickness corresponding to that of an existing display, and the viewing angle adjustment can provide excellent characteristics in both directions without biasing either the wide viewing angle or the narrow viewing angle. .
특히 본 발명에 따른 시야각 조절 액정표시장치는 정면 외 방향에서 화이트를 다크로, 다크를 화이트로 보이도록 하고, 각 계조별 휘도 차이를 줄이거나 역전 시켜 협시야각을 확보하였고, 광시야각 모드에서는 액정들이 누운 상태에서 회전하게 하여 투과율 및 광시야각 특성을 확보할 수 있다.In particular, the viewing angle control liquid crystal display according to the present invention makes the white appear dark and the dark appear white in the front outward direction, and secures the narrow viewing angle by reducing or reversing the luminance difference for each gray level, and the liquid crystals in the wide viewing angle mode. It can be rotated in the lying state to secure the transmittance and wide viewing angle characteristics.
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예 및 본 발명의 목적 및 이점들을 자세히 설명하도록 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention and objects and advantages of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시 예 Example
도 1은 본 발명에 따른 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, 하부 기판(8) 상부에는 하부 제 1 공통전극(7)이 패턴되지 않은 플레인(Plane) 형태로 위치하며 제1 공통전극(7) 상부에 절연층(6)을 사이에 두고 화소 전극(5)이 일정한 간격으로 패턴되어 있고, 음의 액정(4) 층을 사이에 두고 플레인(Plane) 형태의 제 2 공통전극(3)의 상부에 상부 기판(2)이 위치하고 있다. 이때 상부 편광판(1)과 하부 편광판(9)은 서로 투과축이 90° 차이를 가지며 상부 기판(2)과 하부 기판(8)의 바깥부분에 각각 위치하고 있다. 액정(4) 층은 하부 기판(9)에서 상부기판(2)으로 수평배향에서 수직배향으로 하이브리드(Hybrid) 배향되어 있다. 1 is a view schematically showing a viewing angle control liquid crystal display using a single panel according to the present invention. As illustrated, the lower first common electrode 7 is disposed in an unpatterned plane shape on the
구동 방법에 관해 자세히 설명하면, 하부 제 1 공통 전극(7)에 대한 상부 제 2 공통 전극(3)의 전위차로 광시야각과 협시야각의 조절이 가능하며, 각 모드의 이미지 표현은 하부 제 1 공통 전극(7)과 화소 전극(5)에 의해 가능하게 된다. 광시야각 모드의 경우에는 상부 기판(2)의 제 2 공통전극(3)이 하부 기판의 공통 전극 사이에 수직 전기장을 생성시켰을 때 발생하며, 음의 액정이 수직 전기장에 의해 기판에 평행하게 누운 상태에서 하부 프린지 필드에 의해 액정들이 트위스트 되면서 투과율을 표현하게 되는 방식으로 구동한다. 액정들이 수직전기장에 의해 기판에 평행하게 누울시, 초기 액정 방향자가 편광판의 흡수 축과 일치하여 어둠 상태를 표현하게 되고, 수평하게 배열된 액정층의 적은 시야각 의존성에 의해 광시야각을 나타내게 된다. 협시야각 모드의 경우에는 제1 공통전극(7)과 제2 공통전극(3) 사이에 전위차가 존재하지 않을 때, 기존의 HAN-FFS (Hybrid Aligned Nematic-Fringe-Field Switching) 모드와 같이 구동하면서 상부에 수직으로 서있는 액정 분자들에 의해 좁은 시야각을 나타내게 된다. When the driving method is described in detail, the wide viewing angle and the narrow viewing angle can be adjusted by the potential difference between the upper second
더 자세히 시야각 특성을 설명하면, 디스플레이의 화질 및 시야각 특성은 패널의 어둠 상태에 의존하므로 광시야각 및 협시야각 모드에서의 어둠 상태를 도면 2와 같이 액정(4)의 방향자를 관찰함으로써 확인할 수 있다.In more detail, the viewing angle characteristics of the display may be confirmed by observing the director of the
도면 2의 왼쪽 그림은 협시야각 모드의 어둠 상태를 나타내는 액정 배열로서 하부 제 1 공통전극(7)에 대해 상부 제 2 공통전극(3)은 전압인가 전 상태로 존재하며, 화소 전극(5) 역시 전압 인가 전 상태로 존재한다. 액정(4)은 어떤 전기장의 영향도 받지 않기 때문에 초기 배향 조건인 하이브리드 배향을 유지한다. 액정(4)의 하이브리드 배향으로 인해 액정(4) 층의 반절 정도가 세워져 있기 때문에 시야각 방향에서 빛샘을 야기 하게 되고 이로 인해 어둠 상태의 협시야각을 실현하게 된다. 광시야각 모드 시에는 도 2의 오른쪽 그림과 같이 하부 제1 공통전극(7)과 상부 제2 공통전극(3)이 모두 사용되며, 특히 상부 제 2 공통전극(3)과 하부 제 1 공통전극(7) 사이에는 일정한 전위차를 가지게 하여 수직 전기장이 발생하도록 하 며 이 수직 전기장에 의해 음의 액정(4) 들이 기판에 평행하게 누움으로써 광시야각 특성을 가진 어둠 상태를 표현할 수 있게 되어 있다. The left figure of FIG. 2 is a liquid crystal array showing the dark state of the narrow viewing angle mode, and the upper second
이와 같은 구조는 도 3a, 3b와 같이 화소 전극의 패턴을 달리하여 전기장의 방향이 다른 멀티 도메인(Multi-domain) FFS에서도 적용 가능하다. 이하 멀티 도메인을 채택한 FFS 구조 및 작동원리에 관해 설명하도록 한다. 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 도메인 FFS 전극 구조를 사용한 시야각 조절 액정표시장치의 하부기판을 도시한 평면도이다. Such a structure can be applied to a multi-domain FFS in which the direction of the electric field is different by changing the pattern of the pixel electrode as shown in FIGS. 3A and 3B. Hereinafter, a description will be given of the structure and operation of the FFS adopting multi-domain. 3A is a plan view illustrating a lower substrate of a viewing angle control liquid crystal display using a multi-domain FFS electrode structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 하부 기판(8) 상에 게이트 버스 라인(10) 및 데이터 버스 라인(11)이 배열 및 교차되어 있고, 상기 게이트 버스 라인(10) 과 데이터 버스 라인(11) 교차점에는 스위칭 소자로서 박막 트랜지스터(TFT) 가 배치되어 있다. 교차된 게이트 버스 라인(10)과 데이터 버스 라인(11)에 의해 화소 전극(5)과 하부 제 1 공통전극(7) 및 상부 제 2 공통전극(도시안됨)이 배치되어 있고, 화소전극(5)은 멀티 도메인을 형성하기 위하여 중앙 슬릿(S1)을 기준으로 상부 슬릿(S2)과 하부 슬릿(S3)은 +θ, 혹은 -θ의 대칭된 기울기를 갖고 있도록 존재한다. 음의 액정이 이용 될 경우, 초기 액정 분자들의 방향(12a, 13b)은 데이터 버스 라인(11)에 평행하게 러빙 된다. 이때 상기 상부 슬릿(S2) 및 하부 슬릿(S3)의 각 기울기는 0~90°까지 모두 이용가능 하지만 투과율 발생 원리에 의해 ±45°이하이며, 고 투과율을 위해 2~20°까지 한정하는 것이 바람직하다. 이런 조건하에서 슬릿들(S1,S2,S3) 폭은 1~10㎛ 정도이며, 슬릿들 간의 간격 또한 1~10㎛로 한정한다. 도 3b는 도 3a의 A-A'선에 대한 본 발명의 단면도이다. 상부 제 2 공통전극(3)은 패턴되지 않은 플 레인(Plane) 형태로 하부 제 1 공통전극(7)과 대향하여 위치하고 있음을 보여준다. As shown, a
이런 구조에서, 중간 계조 및 화이트 상태의 구현에 있어서는 하부 제 1 공통전극(7)에 대해 화소 전극(5)에 전압을 인가함으로써 광시야각과 협시야각의 중간 계조 및 화이트 상태를 표현하게 된다. In this structure, in the implementation of the mid-gradation and the white state, the mid-gradation and the white state of the wide viewing angle and the narrow viewing angle are expressed by applying a voltage to the
본 발명의 효과를 입증하기 위해 어둠 상태의 시야각 방향에서 빛이 누설되는 현상을 도 3a 및 도 3b에 도식화하였다. 도 4을 참조하면, 광시야각 모드에서 협시야각 모드로 전환하여도 정면에서는 빛이 누설되지 않는 반면, 좌우 시야각 방향에서는 크게는 10배 정도 빛이 누설됨을 알 수 있다. 좌우 시야각이 시야각 방향에서만 빛이 누설됨에 따라 정면 휘도 및 명암 대비율이 큰 손실 없이 협시야각 모드로 구현이 가능함을 확인할 수 있다. In order to demonstrate the effect of the present invention, the phenomenon of light leakage in the viewing angle direction of the dark state is illustrated in FIGS. 3A and 3B. Referring to FIG. 4, light is not leaked from the front even when switching from the wide viewing angle mode to the narrow viewing angle mode, whereas light is leaked approximately 10 times in the left and right viewing angle directions. As the left and right viewing angles leak light only in the viewing angle direction, it can be confirmed that the front viewing angle and the contrast ratio can be implemented in the narrow viewing angle mode without large loss.
도 5는 광시야각 모드와 협시야각 모드에서의 시야각에 따른 밝음, 어둠 상태의 휘도 및 명암 대비율을 나타낸 곡선이다. 도 4의 광시야각 모드의 밝음 상태를 참조하면 정면에서 휘도가 가장 높고, 시야각에 따라 고른 휘도 분포를 보이는 것을 알 수 있다. 이에 반해 협시야각 모드의 밝음 상태의 경우 정면에서의 휘도가 시야각 방향으로 갈수록 급격히 감소하는 걸 볼 수 있는데, 이는 정면에서의 화이트가 시야각 방향에서 어두워지는 것을 의미한다. 어둠 상태 또한 비교해 보았을 때 광시야각 모드의 최대 빛샘의 70%인 0.014778의 빛샘이 시야각 60°이상에서 나타났던 것에 비해 협시야각 모드에서는 이에 해당하는 빛샘이 시야각 10°이상에서 나타나는 것으로 보아 정면 외 방향에서는 급격히 빛이 샘을 알 수 있다. 이로 인해 명암대비율 5 이상인 영역이 협시야각 모드에서 시야각이 20°이내로 제한되고, 광시야각 모드에서 시야각이 70°이상으로 나타남을 알 수 있다. FIG. 5 is a curve illustrating brightness, contrast, and contrast ratio of light, dark states according to the viewing angle in the wide viewing angle mode and the narrow viewing angle mode. Referring to the bright state of the wide viewing angle mode of Figure 4 it can be seen that the brightness is the highest in the front, and evenly distributed luminance according to the viewing angle. On the other hand, in the bright state of the narrow viewing angle mode, the brightness at the front side decreases rapidly toward the viewing angle direction, which means that the white at the front side becomes dark in the viewing angle direction. Compared to the dark state, the light leakage of 0.014778, which is 70% of the maximum light leakage in the wide viewing angle mode, appeared in the viewing angle of 60 ° or more, whereas the corresponding light leakage appeared in the viewing angle of 10 ° or more in the narrow viewing angle mode. Suddenly the light can see the fountain. As a result, the viewing angle is limited to within 20 ° in the narrow viewing angle mode and the viewing angle is above 70 ° in the wide viewing angle mode.
서술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시장치는 하이브리드 배열된 음의 액정을 사용하고 상부 쪽에 공통 전극을 도입함으로써 광시야각 모드와 협시야각 모드의 전환이 가능한 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시장치를 제작할 수 있게 하였다. As described above, the viewing angle control liquid crystal display using the single panel according to the present invention uses a single panel capable of switching between wide viewing angle mode and narrow viewing angle mode by using a negatively arranged liquid crystal and introducing a common electrode on the upper side. The viewing angle control liquid crystal display device can be manufactured.
이러한 시야각 제어를 위하여 도입된 상부 제 2 공통 전극은 패턴되지 않은 Plane 형태 대신에, 패턴된 공통 전극의 형태로 시야각 조절 액정표시장치에 적용할 수 있다. 그러나 패턴된 공통 전극을 사용한 경우, 발생되는 경사전기장으로 인해 어둠 상태의 빛샘이 유발되므로 필름 보상을 사용하거나 패턴된 전극 간 간격을 작게 가져가야 한다는 특징을 지닌다.The upper second common electrode introduced for the viewing angle control may be applied to the viewing angle control liquid crystal display in the form of a patterned common electrode instead of an unpatterned plane shape. However, when the patterned common electrode is used, since the generated gradient electric field causes dark light leakage, it is necessary to use film compensation or to have a small gap between the patterned electrodes.
또한 이 패널의 유효 위상지연값은 협시야각의 어둠 상태를 가져올 수 있는 위상지연 범위 내에서 제작이 이루어져야 하며 프린지 필드 전극(Fringe-field electrode)의 폭과 전극 간격은 광시야각과 협시야각의 중요 정도에 따라 조정가능하다. In addition, the effective phase delay value of this panel should be manufactured within the phase delay range that can bring the dark state of the narrow viewing angle, and the width and electrode spacing of the fringe field electrode are important for the wide viewing angle and the narrow viewing angle. Adjustable according to
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일 패널을 이용한 시야각 조절 액정표시소자를 개략적으로 보여주는 단면도1 is a cross-sectional view schematically showing a viewing angle control liquid crystal display device using a single panel according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 협시야각 및 광시야각의 시야각 조절 액정표시소자의 어둠 상태의 액정 배열을 설명하기 위한 도면2 is a view illustrating a liquid crystal arrangement in a dark state of the viewing angle control liquid crystal display device of the narrow viewing angle and the wide viewing angle according to the present invention.
도 3a는 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 시야각 조절 액정표시소자의 평면도3A is a plan view of a viewing angle adjusting liquid crystal display for explaining an embodiment according to the present invention.
도 3b는 도 3a의 A-A' 선에 따른 본 발명의 단면도3B is a cross-sectional view of the present invention taken along line AA ′ of FIG. 3A.
도 4은 본 발명에 따른 시야각 조절 액정표시소자의 광시야각 대비 협시야각 모드에서 빛이 누설되는 현상을 설명하는 도면4 is a view illustrating a phenomenon in which light leaks in the narrow viewing angle mode compared to the wide viewing angle of the viewing angle control liquid crystal display device according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 시야각 조절 액정표시소자의 시야각에 따른 휘도 특성 및 명암 대비율 곡선을 보여주는 도면5 is a view showing a brightness characteristic and contrast curve according to the viewing angle of the viewing angle control liquid crystal display device according to the present invention;
* 도면의 주요 부분에 대한 설명* Description of the main parts of the drawing
1. 상부 편광판1. Upper polarizer
2. 상부 기판 2. Upper substrate
3. 상부 제 2 공통전극3. Upper second common electrode
4. 액정4. LCD
5. 화소 전극5. Pixel electrode
6. 절연층6. Insulation layer
7. 하부 제 1 공통전극7. Lower first common electrode
8. 하부 기판8. Lower substrate
9. 하부 편광판9. Lower polarizer
10. 게이트 라인10. Gate line
11. 데이터 버스 라인11. Data Bus Line
12a. 상부 액정분자 전압 인가 전 12a. Before applying liquid crystal molecular voltage
12a' 상부 액정분자 전압 인가 후After 12a 'upper liquid crystal molecular voltage
13b 하부 액정분자 전압 인가 전 13b Before applying the liquid crystal molecular voltage
13b' 하부 액정분자 전압 인가 후After 13b 'liquid crystal molecular voltage is applied
14. 배향막14. Alignment film
15. 절연막15. Insulation film
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